JP2009105132A - 熱電特性計測用センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ハーマン法等を用いた従来の方法での問題点を解消し、さらに、コンパクトで取扱いが容易な熱電特性測定用センサを提供する。
【解決手段】本発明の熱電特性測定用センサは、フィルム状の基材と、前記基材に直線状に所定間隔で穿設された少なくとも４つの開口部と、前記各開口部において試料と接触するように設けられた電極からなるコンタクト部と、前記基材上に設けられ、前記各コンタクト部と外部装置に接続される複数のリードとを電気的に接続する配線とを含み、前記コンタクト部のうち少なくとも１つは、熱電対で構成されていることを特徴とする。かかる構成とすることにより、ゼーベック係数、熱伝導率および比抵抗を、簡単かつ高精度に測定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電材料の開発などにおいて必要となる熱電特性の計測に使用することができる熱電特性計測用センサに関する。

熱電材料の性能評価はその性能指数Ｚで表記され、ゼーベック係数、比抵抗、熱伝導率の積で導かれる。熱電材料の開発には、これら三つの物性値を測定することが必要となる場合が多い。これら三つの物性値を測定する方法としては、ハーマン法及び光交流法が従来から知られている。

しかし、ハーマン法には、熱伝導率測定の精度が良くないという欠点がある。また、光交流法は、稼働部が存在するため装置が大がかりにならざるを得ないといった欠点がある。さらに、これらの方法では、センサへの試料の取り付けに銀ペーストが用いられることが一般的であるが、このため
（イ）測定試料の製作に時間を要する
（ロ）異種金属の混入に伴う熱起電力測定に不確かさが存在する
（ハ）銀ペーストの温度応答遅延に伴う熱拡散率測定の不確かさが存在する
といった問題がある。

そこで、本発明は、上記の各問題を解消することができ、さらにコンパクトで取扱いが容易な熱電特性測定用センサを提供することを目的とする。

上記の目的を達成する第１発明は、試料の複数の熱電特性を計測するための熱電特性計測用センサであって、フィルム状の基材と、前記基材の内部に所定間隔で直線状に配置された少なくとも４つの電極と、前記基材の内部に設けられ、前記各電極をリードに電気的に接続する配線と、前記基材の表裏の一方の側の各電極位置に、当該電極が試料が露出するよう設けられた開口部とを含み、前記コンタクト部のうち少なくとも１つは、複数の配線を有する熱電対で構成されていることを特徴とする熱電特性計測用センサである。

前記熱電特性測定用センサには、さらに試料加熱するヒータと、当該ヒータをリードに電気的に接続する配線とを前記基材に設けることができる。前記基材は、例えば、第１層及び第２層からなり、前記各電極及び各配線は、第１層と第２層の間に形成されたものとする。前記各電極及び各配線は、例えば前記基材の第１の装置に蒸着により形成さすることができる。前記基材の材質としては、例えばポリイミドを用いることができる。また、本発明の熱電特性測定用センサによって測定できる熱電特性としては、ゼーベック係数、熱伝導率、および比抵抗が含まれる。

上記の目的を達成する第２発明は、第１の発明に係る熱電特性測定用センサと共に試料を保持する試料ホルダであって、前記各電極に対応する位置にそれぞれ設けられ、対応する電極と試料とを挟んで保持する保持手段を有することを特徴とする試料ホルダである。

上記の目的を達成する第３発明は、試料の複数の熱電特性を計測するための熱電特性計測用センサを作成する方法であって、基材の第１層に、所定間隔で直線状に配置された少なくとも４つの電極及び各電極に対応した配線を、蒸着により形成する工程と、基材の第２層において、前記各電極に対応する位置に開口部を穿設する工程と、第１層の前記電極及び配線が形成された側に、対応する電極と開口部とを位置合わせして、基材の第２層を貼り合わせる工程とを含むことを特徴とする方法である。

前述のように、熱電特性測定用センサを、単一のフィルム状の基材の内部に電極と配線とを配置し、基材の一方の側に各電極位置が露出するよう開口部を設けた構成とすることにより、コンパクトかつ軽量で測定精度のよい熱電特性計測用センサを提供することができる。また、ヒータも一体的に設けることにより、センサ全体がよりコンパクトになる。

さらに、かかる熱電特性測定用センサを用いて測定すれば、測定全体の手間と時間が短縮されるだけでなく、同一の環境下でこれらすべての測定を行うことが可能となる。また、前述の試料ホルダと併せて用いれば、銀ペーストが不要となるので、銀ペーストを使う場合に問題となる前述の欠点を解消することができる。

図１は、熱電特性計測用センサ（以下「センサ」という）１の先端部の平面図である。このセンサ１は、基本的に、可撓性のあるフィルム状の基材１０の内部に種々の電極及び配線が形成されたものであり、同図の左側がセンサ１の先端側であり、センサ１の右側には各配線を外部機器と電気的に接続するためのリードが形成されている。センサ１の先端側に設けられた電極と、対応するリードとの間には、リードと同じ材質からなる配線が形成されている。

本実施形態では、コンパクトさと取り扱い易さ等を考慮して、センサ１の先端部の幅を２６．５ｍｍという寸法としている。ただし、測定対象の性質に応じて各部の寸法を自由に設計することができる。基材１０としては、例えばポリイミドからなる樹脂フィルムを用いることができる。

図１に示すセンサ１において、配線１２ａ及び１２ｂはいずれも銅で形成されており、これらは先端側に設けられた加熱源としてのヒータ３０に接続さている。配線１４ａ及び１４ｂはいずれも銅で形成されており、これらはコンタクト部２２で接続されて、試料に接触する電極となる。配線１６ａはアルメルで形成され、配線１６ｂはクロメルで形成されており、これらはコンタクト部２４で接続されて電極となる。配線１８ａはアルメルで形成され、配線１８ｂはクロメルで形成され、これらはコンタクト部２６で接続されて電極となる。配線２０ａ及び２０ｂはいずれも銅で形成されており、これらはコンタクト部２８で接続されて電極となる。各電極のうち、コンタクト部２４及び２６の電極は、アルメルとクロメルという異なる金属が接続されて熱電対を構成している。センサ１には、ヒータ３０及びこれに接続される配線と、４対の電極及びこれらに対応した配線が含まれている。

一例として、センサ１を次のようにして作成することができる。まず、基材となるポリイミドに、蒸着によって電極、ヒータ及び配線を形成する。一方で、別のポリイミドの各電極に対応する位置に開口部を穿設する。そして、対応する電極と開口部の位置を合わせて、電極及び配線が内側となるように、二つの基材を貼り合わせる。これにより、図２にコンタクト部の一つ２４を拡大して示すように、基材の一方の側のコンタクト部のみにおいて電極が露出する。このコンタクト部において、電極と試料とを接触させることができる。このように、基材を２層構造とすることによって基材の一方の側のコンタクト部のみが開口したセンサ１を容易に作成することができる。

図１に示すように、各電極は直線状に配列され、所定の間隔となるよう設計されている。各電極間の距離は、試料の各種熱電特性を算出する上で重要なパラメータとなる。また、ヒータ３０も、各コンタクト部と同じ直線上に設けられている。なお、本実施形態の例ではセンサ１にヒータ３０及びこれにつながる配線１２ａ、１２ｂを設けたが、ヒータ３０をセンサ１とは別体とすることも可能であり、その場合には配線１２ａ、１２ｂを設ける必要はない。

図３は、図１に示したセンサ１を、試料５２と共に試料ホルダ５０に取り付けた状態を示している。試料ホルダ５０には、センサ１の各コンタクト部２２、２４、２６、２８に対応する位置に、バネ接触プローブ５４₁〜５４₄が設けられている。また、各バネ接触プローブの下にはアクリルねじ５６₁〜５６₄が設けられている。対応するバネ接触プローブとアクリルねじは、上下からセンサ１の各コンタクト部と試料５０とを挟んでこれらを保持する。これにより、各コンタクト部と試料には適切な圧力が加えられ、コンタクト部と試料との確実な接触が得られる。

図３に示すような試料ホルダ５０を用いることによって、センサ１の各コンタクト部と試料５２とを確実に接触させることが可能となるため、従来コンタクト部と試料との接続部に必要とされていた銀ペーストが不要となる。これにより銀ペーストの使用に起因する前述の問題（イ）（ロ）（ハ）が解消される。また、図３に示すように、センサ１と試料５０を取り付けた試料ホルダ５０全体を恒温槽や真空容器に挿入することができるので、試料全体を同一の環境下に置くことが容易となる。

以上では、加熱源としてヒータ３０を用いた例を説明したが、これ以外にも例えばペルチェ素子などの抵抗熱源を加熱源として使用することもできる。

次に、図４乃至図７を参照して、本実施形態のセンサ１を用いて熱電特性を測定する場合の装置の構成を説明する。なお、図４乃至図７は、センサ１のそれぞれのリードと各装置との電気的接続を説明することを目的としているため、図１に示した実際のセンサ１とは異なる仕方で示している。

図４は、装置全体の構成を示している。センサ１は図３に示した試料ホルダ５０に試料５２と共に取り付けられ、測定室８０に入れられ、この測定室８０ごと恒温槽又は真空容器などの測定容器８２内に載置される。この装置には、ロックインアンプ６０、温度測定用マルチメータ６２、ナノボルトメータ６４、マルチメータ６６、スイッチボックス６８、ファンクションジェネレータ７０、直流電源７２、スイッチボックス７４、パーソナルコンピュータ７６が含まれている。計測は自動的に複数回実行され、測定データはパーソナルコンピュータ７６に取り込まれる。

図５は、ゼーベック係数を求めるための測定装置の構成を示しており、図４に示した装置のうち主として温度測定用マルチメータ６２、ナノボルトメータ６４、直流電源７２が使用される。ゼーベック係数を求めるためには試料５２をヒータで定常、準定常、及び非定常で加熱し、二対の熱電対１６（１６ａ、１６ｂ）及び１８（１８ａ、１８ｂ）によってそれぞれのコンタクト部の温度差と熱起電力を測定する。そして得られた測定データに基づいて計算によりゼーベック係数が求められる。

図６は、比抵抗を求めるための測定装置の構成を示しており、図４に示した装置のうち、主として温度測定用マルチメータ６２、ナノボルトメータ６４、マルチメータ６６、直流電源７２が使用される。比抵抗を求めるためには、４対の電極のうち外側の二対の電極１２（１２ａ、１２ｂ）及び２０（２０ａ、２０ｂ）に通電して試料５２に電流を流し、内側の二対の電極１６及び１８で電圧を測定する。そして、えられた測定データに基づいて、比抵抗が算出される。

図７は、熱伝導率を求めるための測定装置の構成を示しており、図４に示した装置のうち、主としてロックインアンプ６０及びファンクションジェネレータ７０が使用される。熱伝導率を求めるために試料５２をヒータ３０により周期的に加熱し、ヒータ３０及び二対の熱電対間の温度応答の差、またはこの差の周波数依存性を利用して熱拡散率を決定する。比熱は、温度振幅、供給熱量、周波数より求められる。そして、得られた熱拡散率及び比熱、そして密度の積から熱伝導率が算出される。また、図７の測定装置のバリエーションとして、ファンクションジェネレータ７０とスイッチボックス６８の間に交流電源を設けることもできる。さらに、ファンクションジェネレータ７０の代りに電源内蔵のロックインアンプを用いることもできる。

本発明の実施の一形態に係る熱電特性計測用センサの先端部の平面図である。 本実施形態の熱電特性計測用センサの一つのコンタクト部を拡大した図である。 図１に示した熱電特性測定用センサを試料と共に試料ホルダに取り付けた状態を示した図である。 本実施形態の熱電特性測定用センサを用いて熱電特性を測定する場合の装置全体の構成を示した図である。 図４に示した装置のうちゼーベック係数を求めるための測定装置の構成を示した図である。 図４に示した装置のうち比抵抗を求めるための測定装置の構成を示した図である。 図４に示した装置のうち熱伝導率を求めるための測定装置の構成を示した図である。

符号の説明

１ 熱電特性計測用センサ（「センサ」）
１０ 基材
１２，１４，１６，１８，２０ 配線（リード）
２２，２４，２６，２８ コンタクト部
３０ ヒータ
４０ 開口部
５０ 試料ホルダ
５２ 試料
５４₁〜５４₄ バネ接触プローブ
５６₁〜５６₄ アクリルねじ
６０ ロックインアンプ
６２ 温度測定用マルチメータ
６４ ナノボルトメータ
６６ マルチメータ
６８，７４ スイッチボックス
７６ パーソナルコンピュータ

Claims (9)

1. 試料の複数の熱電特性を計測するための熱電特性計測用センサであって、
   フィルム状の基材と、
   前記基材の内部に所定間隔で直線状に配置された少なくとも４つの電極と、
   前記基材の内部に設けられ、前記各電極をリードに電気的に接続する配線と、
   前記基材の表裏の一方の側の各電極位置に、当該電極が試料が露出するよう設けられた開口部とを含み、
   前記電極のうち少なくとも１つは、複数の配線を有する熱電対で構成されていることを特徴とする熱電特性計測用センサ。
2. さらに試料加熱するヒータと、当該ヒータをリードに電気的に接続する配線とが、前記基材に設けられている請求項１に記載の熱電特性測定用センサ。
3. 前記基材は、第１層及び第２層からなり、前記各電極及び各配線は、第１層と第２層の間に形成されたものである、請求項１又は２に記載の熱電特性測定用センサ。
4. 前記各電極及び各配線は、前記基材の第１の装置に蒸着により形成されたものである、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の熱電特性測定用センサ。
5. 前記基材の材質はポリイミドである、請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の熱電特性測定用センサ。
6. 前記熱電特性には、ゼーベック係数、熱伝導率、および比抵抗が含まれる、請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の熱電特性測定用センサ。
7. 請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の熱電特性測定用センサと共に試料を保持する試料ホルダであって、
   前記各電極に対応する位置にそれぞれ設けられ、対応する電極と試料とを挟んで保持する保持手段を有することを特徴とする試料ホルダ。
8. 試料の複数の熱電特性を計測するための熱電特性計測用センサを作成する方法であって、
   基材の第１層に、所定間隔で直線状に配置された少なくとも４つの電極及び各電極に対応した配線を、蒸着により形成する工程と、
   基材の第２層において、前記各電極に対応する位置に開口部を穿設する工程と、
   第１層の前記電極及び配線が形成された側に、対応する電極と開口部とを位置合わせして、基材の第２層を貼り合わせる工程と、
   を含むことを特徴とする方法。
9. 前記基材の材質はポリイミドである、請求項８に記載の方法。