JP2006234574A

JP2006234574A - キャパシタンス温度計

Info

Publication number: JP2006234574A
Application number: JP2005049566A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takashima; 浩高島; Mitsuru Ito; 満伊藤; Akio Kouchi; 明夫古内
Original assignee: Furuuchi Kagaku Kk; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Furuuchi Kagaku Kk; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】極低温で高い誘電率を有し、高い温度感度と絶対感度を有するキャパシタンス温度計を実現すること。
【解決手段】キャパシタンス温度計として、結晶方位が（１００）であって置換範囲が０．３５>ｘ>０．６のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体、又は結晶方位が（１１０）であって置換範囲が０．３８>ｘ>０．６のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体、を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することによって温度測定を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、チタン酸ストロンチウ単結晶からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することによって温度測定を行うキャパシタンス温度計に関する。

バルク単結晶のチタン酸ストロンチウムは、量子常誘電体として知られ、その比誘電率は４．２Ｋで２０，０００以上の値を示す。また、その誘電率は、バイアス依存性、ストレス依存性を持ち、それらによって低下する特長を持っている。

米国特許第３６４９８９１号には、強誘電体材料をキャパシタンス温度計として用いることが記載されている。

米国特許第３６４９８９１号

上述したように、バルク単結晶のチタン酸ストロンチウムは、低温で高い誘電率を示すため、超伝導デバイスや低温で使用される半導体デバイスで使用した場合は、極めて有用な誘電体である。

一方、通常、強誘電体材料をキャパシタンス温度計として利用しようとすると、温度変化によって残留分極が生じ、その結果、ヒシテリシス特性が現れるため、温度と測定されたキャパシタンス値との間に１対１の相対関係を有するキャパシタンス温度計が得られなかった。
また、強誘電体材料を利用してキャパシタンス温度計とするものは商品化されているが、その絶対感度は０．０２と小さく、キャパシタンス温度計としては測定温度精度が低いことが問題となっていた。

本発明は上記の問題点に鑑み、本発明の第１の目的は、結晶方位が（１００）であって置換範囲がｘ<０．３のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる量子常誘電性を有するコンデンサのキャパシタンスを測定することにより、極低温で高い誘電率を有し、残留分極特性がなく、高い温度感度と絶対感度を有するキャパシタンス温度計を実現することにある。
また、本発明の第２の目的は、結晶方位が（１００）であって置換範囲が０．３５>ｘ>０．６のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる強誘電性を有するコンデンサのキャパシタンスを測定することにより、極低温で高い誘電率を有し、高い温度感度と絶対感度を有するキャパシタンス温度計を実現することにある。
また、本発明の第３の目的は、結晶方位が（１１０）であって置換範囲がｘ<０．３のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる量子常誘電性を有するコンデンサのキャパシタンスを測定することにより、極低温で高い誘電率を有し、残留分極特性がなく、高い温度感度と絶対感度を有するキャパシタンス温度計を実現することにある。
また、本発明の第４の目的は、結晶方位が（１１０）であって置換範囲が０．３８>ｘ>０．６のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる高い誘電率を有するコンデンサのキャパシタンスを測定することにより、極低温で高い誘電率を有し、高い温度感度と絶対感度を有するキャパシタンス温度計を実現することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために下記の手段を採用した。
第１の手段は、結晶方位が（１００）であって置換範囲がｘ<０．３のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することによって温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度計である。

第２の手段は、結晶方位が（１００）であって置換範囲が０．３５>ｘ>０．６のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することによって温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度計である。

第３の手段は、結晶方位が（１１０）であって置換範囲がｘ<０．３のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することによって温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度計である。

第４の手段は、結晶方位が（１１０）であって置換範囲が０．３８>ｘ>０．６のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することによって温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度計である。

第５の手段は、第１の手段乃至第４の手段のいずれか１つの手段において、前記温度測定を行う場が磁場中であることを特徴とするキャパシタンス温度計である。

請求項１に記載の発明によれば、感度は５０ｐＦ／Ｋ以下であり、絶対感度は０．０５以下であるが、誘電体が量子常誘電性を示すので、温度変化によって残留分極が生じず、ヒシテリシス特性が現れないため、温度と測定されたキャパシタンス値との間に１対１の相対関係を有するキャパシタンス温度計が得られる。

請求項２に記載の発明によれば、高い感度と絶対感度を有するキャパシタンス温度計が得られる。例えば、酸素１６を同位体酸素１８で４５％置換したときは、感度は２．２Ｋで３００ｐＦ／Ｋに達し、０．３ｍＫの高い分解能を有するキャパシタンス温度計が得られ、また絶対感度も０．１２３であり、従来のものと比べて、非常に高い絶対感度がを有するキャパシタンス温度計が得られる。また、量子常誘電性から強誘電性への転移温度よりも高温側では１．０以上と高い絶対感度が得られ、この範囲では量子常誘電性を示すので、温度ヒシテリシスのないキャパシタンス温度計が得られる。

請求項３に記載の発明によれば、感度は２００ｐＦ／Ｋ以下であり、絶対感度は０．０１以下であるが、誘電体が量子常誘電性を示すので、温度変化によって残留分極が生じず、ヒシテリシス特性が現れないため、温度と測定されたキャパシタンス値との間に１対１の相対関係を有するキャパシタンス温度計が得られる。

請求項４に記載の発明によれば、高い感度と絶対感度を有するキャパシタンス温度計が得られる。例えば、酸素１６を同位体酸素１８で３８％置換したときは、感度は、２．２Ｋで３０００ｐＦ／Ｋにも達し、０．０３ｍＫと極めて高い分解能を有するキャパシタンス温度計が得られる。また絶対感度も０．０８であり、従来のものと比べて、高い絶対感度を有するキャパシタンス温度計が得られる。また、量子常誘電性から強誘電性への転移温度よりも高温側では１．０以上と高い絶対感度が得られ、この範囲では量子常誘電性を示すので、温度ヒシテリシスのないキャパシタンス温度計が得られる。

請求項５に記載の発明によれば、温度測定を行う場が磁場中であっても、磁場の影響を受けずに温度測定を行うことができる。

本発明の実施形態を図１乃至図８を用いて説明する。

図１は、本実施形態の発明に係るキャパシタンス温度計の作製工程を示す図である。
はじめに、結晶方位（１００）のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３０％以下に置換する場合について説明する。
ＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶は、切断や形状処理、また成長段階にできる格子欠陥によつてその表面に低誘電体層が生じる。そのため、例えば、図１に示すように、厚さ２００μｍを有するＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶をリン酸によるエッチング処理を行ったり、また切り出し作業等によって生じたストレスを受けた層を除去するためにケミカルエッチング処理を行い、厚さ１００μｍまで薄くして低誘電体層を除去する。
その後、ＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３０％以下、例えば、重量２６％置換する。置換の方法は、同位体酸素１８と単結晶ＳｒＴｉ^１６Ｏ_３を密閉した容器中に封入し、６００℃から１０００℃の高温で所定時間熱処理を行う。これによって同位体酸素１８は均一に結晶中に導入される。なお、同位体酸素１８の置換重量はこの熱処理時間に依存する。その後、蒸着によって銅を成膜し、さらに金を蒸着して電極を形成する。
その結果、量子常誘電性を有するＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出して温度測定を行うキャパシタンス温度計が得られる。

また、結晶方位（１００）のＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３５％以上６０％以下に置換する場合は、上記の置換の段階で、同位体酸素１８とＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶を密閉した容器中に封入し、６００℃から１０００℃の高温で所定時間熱処理を行い、その後、蒸着によって銅を成膜し、さらに金を蒸着して電極を形成する。
その結果、量子常誘電性及び強誘電性を有するＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出して温度測定を行うキャパシタンス温度計が得られる。

次に、結晶方位（１１０）のＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３０％以下に置換する場合も、図１に示した作製工程と同様の工程で行う。ＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶はその表面に低誘電体層が生じるので、例えば、厚さ２００μｍを有するＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶をリン酸によるエッチング処理を行ったり、また切り出し作業等によって生じたストレスを受けた層を除去するためにケミカルエッチング処理を行い、厚さ１００μｍまで薄くして低誘電体層を除去する。
その後、結晶方位（１１０）のＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３０％以下置換する。置換の方法は、同位体酸素１８と結晶方位（１１０）の単結晶ＳｒＴｉ^１６Ｏ_３を密閉した容器中に封入し、６００℃から１０００℃の高温で所定時間熱処理を行う。その後、蒸着によって銅を成膜し、さらに金を蒸着して電極を形成する。
その結果、量子常誘電性を有するＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出して温度測定を行うキャパシタンス温度計が得られる。

また、結晶方位（１１０）のＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３８％以上６０％以下に置換する場合は、上記の置換の段階で、同位体酸素１８とＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶を密閉した容器中に封入し、６００℃から１０００℃の高温で所定時間熱処理を行い、その後、蒸着によって銅を成膜し、その後金を蒸着して電極を形成する。
その結果、量子常誘電性及び強誘電性を有するＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出して温度測定を行うキャパシタンス温度計が得られる。

図２は、結晶方位が（１００）のＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度計の比誘電率の置換効果を説明する図である。
図２（ａ）は、同位体酸素１８の置換重量０％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図２（ｂ）は、同位体酸素１８の置換重量２６％のときの比誘電率の温度依存性を示す図である。
図２（ｃ）は、同位体酸素１８の置換重量３７％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図２（ｄ）は、同位体酸素１８の置換重量４５％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図２（e）は、同位体酸素１８の置換重量５７％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図２（ｆ）は、同位体酸素１８の置換重量７２％のときの比誘電率の温度依存性を示す図である。
これらの図から明らかなように、図２（ａ）及び図２（ｂ）の各特性はともに量子常誘電性を示している。また、図２（ｃ）から図２（ｆ）の各特性は量子常誘電性及び強誘電性を示しており、量子常誘電性から強誘電性への転移点は、それぞれ８Ｋ、９Ｋ、１５Ｋ、１８Ｋである。

図２（ａ）における比誘電率の温度依存性は、温度２．２Ｋで比誘電率は約２００００であり、極低温領域で比誘電率が飽和する量子常誘電性を示している。
それに対して、ＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量２６％置換したときの、図２（ｂ）における比誘電率の温度依存性は、２．２Ｋで比誘電率は５００００を超え、かつ量子常誘電性を維持している。

図３は、結晶方位が（１１０）のＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度計の比誘電率の置換効果を説明する図である。
図３（ａ）は、同位体酸素１８の置換重量０％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図３（ｂ）は、同位体酸素１８の置換重量２５％のときの比誘電率の温度依存性を示す図である。
図３（ｃ）は、同位体酸素１８の置換重量３８％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図３（ｄ）は、同位体酸素１８の置換重量４５％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図３（e）は、同位体酸素１８の置換重量６０％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図３（ｆ）は、同位体酸素１８の置換重量７５％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図３（ｇ）は、同位体酸素１８の置換重量８４％のときの比誘電率の温度依存性を示す図である。
これらの図から明らかなように、図３（ａ）及び図３（ｂ）の各特性はともに量子常誘電性を示している。また図３（ｃ）から図３（ｇ）の各特性は量子常誘電性及び強誘電性を示しており、その量子常誘電性から強誘電性への転移点は、それぞれ７Ｋ、１０Ｋ、１５Ｋ、１９Ｋ、２２Ｋである。

図３（ａ）における比誘電率の温度依存性は、温度２．２Ｋで比誘電率は約２００００であり、極低温領域で誘電率が飽和する量子常誘電性を示していることが分る。
それに対して、ＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量２５％置換したときの、図２（ｂ）における誘電率の温度依存性は、２．２Ｋで比誘電率は４００００を超え、量子常誘電性を維持していることが分る。

通常、キャパシタンス温度計の性能は、その素子の任意温度での１Ｋ当りのキャパシタンス変化分（感度）Ｓ＝ΔＣ／ΔＴと、その感度をキャパシタンスで除算し温度を乗じた値（絶対感度）Ｓｄ＝（Ｔ／Ｃ）ΔＣ／ΔＴで評価される。

図４は、結晶方位が（１００）のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で４５％置換したときの温度（Ｋ）に対するキャパシタンス温度計の感度Ｓ及び絶対感度Ｓｄの関係を示す図である。
この図から明らかなように、図４における感度Ｓは、２．２Ｋで３００ｐＦ／Ｋに達し、０．３ｍＫの高い分解能を有するキャパシタンス温度計が得られることが分かる。また絶対感度Ｓｄは０．１２３であり、従来のものと比べて、非常に高い絶対感度を有するキャパシタンス温度計が得られる。また、量子常誘電性から強誘電性への転移温度よりも高温側では１．０以上と高い絶対感度が得られることが分かる。またこの範囲では量子常誘電性を示し、温度ヒシテリシスのないキャパシタンス温度計が得られる。

図５は、結晶方位が（１１０）のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で３８％置換したときの温度（Ｋ）に対するキャパシタンス温度計の感度Ｓおよび絶対感度Ｓｄの関係を示す図である。
この図から明らかなように、図５における感度Ｓは、２．２Ｋで３０００ｐＦ／Ｋにも達し、０．０３ｍＫの極めて高い分解能を有するキャパシタンス温度計が得られることが分かる。また絶対感度Ｓｄは０．０８であり、従来のものと比べて、高い絶対感度がを有するキャパシタンス温度計が得られる。また、量子常誘電性から強誘電性への転移温度よりも高温側では１．０以上と高い絶対感度が得られることが分かる。またこの範囲では量子常誘電性を示すので、温度ヒシテリシスのないキャパシタンス温度計が得られる。

図６は、結晶方位が（１００）のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときの置換重量に対する外部磁束密度Ｂ＝０、２Ｋにおける感度および絶対感度の関係を示す図である。
同図に示すように、置換重量が３０％以下のときには量子常誘電性を示し、感度は５０ｐＦ／Ｋ以下であり、絶対感度は０．０５以下であることが分かる。また置換重量が３５％以上では強誘電性を示し、置換重量４５％で感度が最大３００ｐＦ/Ｋであり、また、置換重量が３７％から５７％の範囲では０．１以上と非常に高い絶対感度が得られることが分かる。

図７は、結晶方位が（１１０）のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときの置換重量に対する外部磁束密度Ｂ＝０、２Ｋにおける感度及び絶対感度の関係を示す図である。
同図に示すように、置換重量が３０％以下のときには量子常誘電性を示し、感度は２００ｐＦ/Ｋ以下であり、絶対感度は０．０１以下であることが分かる。また置換重量が３８％以上では強誘電性を示し、置換重量３８％で感度が最大３０００ｐＦ/Ｋであり、また、置換重量が３８％から６０％の範囲では０．０８以上と高い絶対感度が得られることが分かる。

図８は、本実施形態の発明に係るキャパシタンス温度計を用いた温度測定装置の構成の一例を示す図である。
同図において、１は低温容器、２は低温容器１に設けられ、図示していない被測定物に設けられるキャパシタンス温度計、３は低温プローブ、４はキャパシタンス温度計２のキャパシタンスを測定する、例えば、ＬＣＲメーターやキャパシタンスブリッジ等からなる測定器、５は、例えば、パソコン等からなる測定されたキャパシタンス値から温度値を求める測定器である。
なお、一般にキャパシタンスの測定は、磁場の影響を受けないので、磁場中での温度計測に適している。

本実施形態の発明に係るキャパシタンス温度計の作製工程を示す図である。結晶方位が（１００）のＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度計の比誘電率の置換効果を説明する図である。結晶方位が（１１０）のＳｒＴｉ^１６Ｏ_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度計の比誘電率の置換効果を説明する図である。結晶方位が（１００）のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で４５％置換したときの温度（Ｋ）に対するキャパシタンス温度計の感度Ｓおよび絶対感度Ｓｄの関係を示す図である。結晶方位が（１１０）のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で３８％置換したときの温度（Ｋ）に対するキャパシタンス温度計の感度Ｓおよび絶対感度Ｓｄの関係を示す図である。結晶方位が（１００）のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときの置換重量に対する２Ｋにおける感度および絶対感度の関係を示す図である。結晶方位が（１１０）のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときの置換重量に対する２Ｋにおける感度及び絶対感度の関係を示す図である。本実施形態の発明に係るキャパシタンス温度計を用いた温度測定装置の構成の一例を示す図である。

符号の説明

１低温容器
２キャパシタンス温度計
３低温プローブ
４測定器
５測定器

Claims

結晶方位が（１００）であって置換範囲がｘ<０．３のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することによって温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度計。
結晶方位が（１００）であって置換範囲が０．３５>ｘ>０．６のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することによって温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度計。
結晶方位が（１１０）であって置換範囲がｘ<０．３のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することによって温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度計。
結晶方位が（１１０）であって置換範囲が０．３８>ｘ>０．６のＳｒＴｉ（^１８Ｏ_ｘ ^１６Ｏ_１−ｘ）_３単結晶からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することによって温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度計。
前記温度測定を行う場が磁場中であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つの請求項に記載のキャパシタンス温度計。