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JP7693159B2 - Temperature sensor, temperature detection device, temperature detection method, temperature detection program, and method for manufacturing temperature sensor - Google Patents
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Temperature sensor, temperature detection device, temperature detection method, temperature detection program, and method for manufacturing temperature sensor Download PDF

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Description

この発明は、励起エネルギーを受けることによって発光する元素の光を利用して温度を検出するような温度センサ、温度検出装置、温度検出方法、温度検出プログラム、および温度センサの製造方法に関する。 This invention relates to a temperature sensor, a temperature detection device, a temperature detection method, a temperature detection program, and a method for manufacturing a temperature sensor that detects temperature using the light of an element that emits light when exposed to excitation energy.

従来、マトリックスとして塩化物を含み、付活剤としてエルビウムイオンまたはツリウムイオンを含む塩化物蛍光体からなる温度センサを用いて、励起光によって温度センサを励起させ、温度センサの励起によって生じた蛍光スペクトルを検出し、検出したスペクトルから温度を演算する温度測定装置が提案されている(特許文献1参照)。このような温度センサを製造するにあたり、発光物質を結晶中に導入する方法としては、結晶成長中に発光物質を導入する気相成長法がある。 A temperature measuring device has been proposed that uses a temperature sensor made of a chloride phosphor containing chloride as a matrix and erbium ions or thulium ions as an activator, excites the temperature sensor with excitation light, detects the fluorescence spectrum generated by the excitation of the temperature sensor, and calculates the temperature from the detected spectrum (see Patent Document 1). In manufacturing such a temperature sensor, a method of introducing a luminescent substance into a crystal is the vapor phase growth method, in which the luminescent substance is introduced during crystal growth.

しかしながら、気相成長法では、発光物質が結晶中に均等に分散して配置されるので、発光物質の設置位置を制御することができない。このため、背景技術では、局所的に発光物質を配置して、微細な領域の温度を検出することができず、温度検出における空間分解能に問題がある。 However, in vapor phase growth, the luminescent material is evenly dispersed throughout the crystal, making it impossible to control the placement position of the luminescent material. As a result, the background art is unable to place the luminescent material locally to detect the temperature of a minute region, resulting in problems with spatial resolution in temperature detection.

特開2004-028629号公報JP 2004-028629 A

この発明は、上述した問題に鑑み、温度検出における空間分解能を向上させることができる、温度センサ、温度検出装置、温度検出方法、温度検出プログラム、および温度センサの製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned problems, the present invention aims to provide a temperature sensor, a temperature detection device, a temperature detection method, a temperature detection program, and a method for manufacturing a temperature sensor that can improve the spatial resolution in temperature detection.

この発明は、励起エネルギーを受けることによって発光し、かつ、当該発光が温度によって変化する発光物質と、前記発光物質が導入される母材とを備え、前記母材中に前記発光物質が導入される領域は、温度を検出するための検出方向から見て、それぞれ間隔を隔てて配置される複数の発光領域として構成されている温度センサ、温度検出装置、温度検出方法、温度検出プログラム、および温度センサの製造方法であることを特徴とする。 The present invention is characterized by a temperature sensor, a temperature detection device, a temperature detection method, a temperature detection program, and a method for manufacturing a temperature sensor, which include a luminescent material that emits light when exposed to excitation energy and whose luminescence changes depending on temperature, and a base material into which the luminescent material is introduced, and the region into which the luminescent material is introduced in the base material is configured as a plurality of luminescent regions that are spaced apart from one another when viewed from a detection direction for detecting temperature.

この発明により、温度検出における空間分解能を向上させることができる、温度センサ、温度検出装置、温度検出方法、温度検出プログラム、および温度センサの製造方法を提供することができる。 This invention provides a temperature sensor, a temperature detection device, a temperature detection method, a temperature detection program, and a method for manufacturing a temperature sensor that can improve the spatial resolution in temperature detection.

温度検出装置の構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a temperature detection device. センサ部の構成を示す図。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a sensor unit. 励起光を用いた励起方法の一例を示す図。FIG. 1 is a diagram showing an example of an excitation method using excitation light. 電流を用いた励起方法の一例を示す図。FIG. 13 is a diagram showing an example of an excitation method using a current. 電子ビームを用いた励起方法の一例を示す図。FIG. 1 is a diagram showing an example of an excitation method using an electron beam. センサ部の製造方法の一例の一部を示す図。5A to 5C are diagrams showing a part of an example of a manufacturing method of the sensor unit. センサ部の製造方法の一例の一部であって、図4に後続する図。FIG. 5 is a diagram showing a part of an example of a method for manufacturing the sensor unit, following FIG. 4 . センサ部の製造方法の一例の一部であって、図5に後続する図。FIG. 6 is a diagram showing a part of an example of a method for manufacturing the sensor unit, following FIG. 5 . 或る発光物質の発光スペクトルを示すグラフ。1 is a graph showing the emission spectrum of a certain luminescent material. 或る発光物質における発光強度比と温度の関係を示すグラフ。1 is a graph showing the relationship between the luminescence intensity ratio and temperature in a certain luminescent material. 温度検出処理を示すフローチャート。4 is a flowchart showing a temperature detection process. 検出方向から見たセンサ部の構成の一例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of a sensor unit as viewed from a detection direction.

以下、本発明の一実施形態を図面と共に説明する。 One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、温度検出装置1の構成を示すブロック図である。図2は、実施例1のセンサ部22の構成を示す図である。 Figure 1 is a block diagram showing the configuration of the temperature detection device 1. Figure 2 is a diagram showing the configuration of the sensor unit 22 in Example 1.

温度検出装置1は、発光する温度センサ2と、温度センサ2からの光を受光する受光部3と、導光路4を有している。導光路4は、光ファイバ等によって構成され、温度センサ2および受光部3を接続して温度センサ2からの光を受光部3に導く。 The temperature detection device 1 has a light-emitting temperature sensor 2, a light-receiving unit 3 that receives light from the temperature sensor 2, and a light guide path 4. The light guide path 4 is composed of an optical fiber or the like, and connects the temperature sensor 2 and the light-receiving unit 3 to guide the light from the temperature sensor 2 to the light-receiving unit 3.

温度センサ2は、励起部21およびセンサ部22を有する。図2に示すように、センサ部22は、母材23、および母材23内の所定位置にドープ(導入)される発光物質24を有する。 The temperature sensor 2 has an excitation section 21 and a sensor section 22. As shown in FIG. 2, the sensor section 22 has a base material 23 and a luminescent material 24 that is doped (introduced) into a predetermined position within the base material 23.

母材23は、励起エネルギーを受けても発光しないか、または発光したとしても発光物質24の発光スペクトルにおける発光ピークを含む所定の波長帯域では発光しない材料で構成される。たとえば、母材23は、半導体材料、セラミック材料、金属材料、および木材等によって構成される。母材23は、熱伝導率が0.25W/(cm·K) (300K)以上であることが好ましく、0.5W/(cm·K) (300K)以上であることがより好ましく、1.8W/(cm·K) (300K)以上であることが好適である。母材23の厚み(発光物質24が設けられる表面から裏面までの厚み)は、温度検出における空間分解能を向上させる観点から、センサ部22の熱容量を低減し、センサ部22をできるだけ小さくするために、できるだけ薄いことが好ましい。具体的には、発光物質添加半導体23の厚みは、500nm以下であり、50nm以下であることが好ましく、1nm~10nmであることがより好ましい。これにより、裏面側の熱を表面側の発光物質24へ速やかにかつ十分に伝達でき、裏面側の温度を適切に測定することができる。 The base material 23 is made of a material that does not emit light even when it receives excitation energy, or does not emit light in a predetermined wavelength band including the emission peak in the emission spectrum of the luminescent material 24 even if it does emit light. For example, the base material 23 is made of a semiconductor material, a ceramic material, a metal material, wood, etc. The base material 23 preferably has a thermal conductivity of 0.25 W/(cm·K) (300 K) or more, more preferably 0.5 W/(cm·K) (300 K) or more, and preferably 1.8 W/(cm·K) (300 K) or more. From the viewpoint of improving the spatial resolution in temperature detection, it is preferable that the thickness of the base material 23 (the thickness from the front surface to the back surface where the luminescent material 24 is provided) is as thin as possible in order to reduce the heat capacity of the sensor unit 22 and make the sensor unit 22 as small as possible. Specifically, the thickness of the luminescent material-added semiconductor 23 is 500 nm or less, preferably 50 nm or less, and more preferably 1 nm to 10 nm. This allows heat from the back side to be transferred quickly and sufficiently to the luminescent material 24 on the front side, allowing the temperature on the back side to be measured appropriately.

母材23として半導体材料を用いる場合には、たとえば、窒化ガリウム、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、リン化インジウム、シリコンゲルマニウム、ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、酸化亜鉛、窒化インジウム、窒化インジウムガリウム、窒化ホウ素、ダイヤモンドなどを用いることができる。特に、母材に導入された発光物質24の発光のしやすさの観点から、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、または窒化アルミニウムガリウムを発光物質添加半導体23の母材として用いることが好ましい。また、母材23として励起エネルギーとして電流を用いる(電流注入によって発光物質24を励起する)場合には、センサ部22は、縦pn接合ダイオード、縦ショットキーバリアダイオード、横pn接合ダイオード、横ショットキーバリアダイオードまたは高移動度電界効果トランジスタ(High Electron Mobility Transistor:HEMT)等として構成される。 When a semiconductor material is used as the base material 23, for example, gallium nitride, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium gallium arsenide, indium phosphide, silicon germanium, silicon, silicon carbide, aluminum nitride, aluminum gallium nitride, zinc oxide, indium nitride, indium gallium nitride, boron nitride, diamond, etc. can be used. In particular, from the viewpoint of the ease of luminescence of the luminescent material 24 introduced into the base material, it is preferable to use gallium nitride, aluminum nitride, or aluminum gallium nitride as the base material of the luminescent material-added semiconductor 23. In addition, when a current is used as the excitation energy for the base material 23 (the luminescent material 24 is excited by current injection), the sensor unit 22 is configured as a vertical pn junction diode, a vertical Schottky barrier diode, a horizontal pn junction diode, a horizontal Schottky barrier diode, or a high mobility field effect transistor (High Electron Mobility Transistor: HEMT), etc.

発光物質24は、励起エネルギーを受けることによって発光し、かつ、当該発光が温度によって変化する元素により構成されている。すなわち、発光物質24の発光スペクトルは、温度によって変化する。 The luminescent material 24 is composed of elements that emit light when exposed to excitation energy, and whose emission changes with temperature. In other words, the emission spectrum of the luminescent material 24 changes with temperature.

たとえば、発光物質24は、希土類元素であり、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウムから選択される1種以上である。 For example, the luminescent material 24 is a rare earth element, and is one or more selected from the group consisting of praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, and ytterbium.

図3Aは、励起光を用いた励起方法の一例を示す図である。図3Bは、電流を用いた励起方法の一例を示す図である。図3Cは、電子ビームを用いた励起方法の一例を示す図である。 Figure 3A shows an example of an excitation method using excitation light. Figure 3B shows an example of an excitation method using a current. Figure 3C shows an example of an excitation method using an electron beam.

励起部21は、センサ部22(発光物質24)に励起エネルギーを付与するための励起エネルギー付与手段として機能し、発光物質24を励起する。発光物質24に励起エネルギーを付与する方法としては、励起光による方法(フォトルミネセンス)、電流注入による方法(エレクトロルミネセンス)、電子を衝突させる方法(カソードルミネセンス)等がある。 The excitation unit 21 functions as an excitation energy imparting means for imparting excitation energy to the sensor unit 22 (luminescent material 24), and excites the luminescent material 24. Methods for imparting excitation energy to the luminescent material 24 include a method using excitation light (photoluminescence), a method using current injection (electroluminescence), a method using electron collision (cathodoluminescence), etc.

図3Aに示すように、フォトルミネセンスでは、励起光を発光物質24に照射する。たとえば、発光物質24の共鳴励起条件に対応する共鳴励起光を励起光として発光物質24に照射して、発光物質24を直接励起することができる。また、母材23が半導体材料である場合には、所定のエネルギーを持つ光を励起光として発光物質24およびその周辺の母材23に照射して、母材23(半導体材料)における電子・正孔対の再結合エネルギーもしくはホットキャリアの衝突によって発光物質24を間接的に励起(間接励起)することができる。なお、発光物質24の共鳴励起条件が複数存在する場合には、複数種類の共鳴励起光を励起光としてもよい。また、母材23が半導体材料である場合に照射される光は、母材23のバンドギャップを超えるエネルギーを持つ光(たとえば紫外光)であることが好ましい。フォトルミネセンスを用いる場合には、励起部21は、励起光を照射するための光源を有し、励起光照射部として機能する。 As shown in FIG. 3A, in photoluminescence, excitation light is irradiated onto the luminescent material 24. For example, the luminescent material 24 can be directly excited by irradiating it with resonant excitation light corresponding to the resonant excitation condition of the luminescent material 24 as excitation light. In addition, when the base material 23 is a semiconductor material, light having a predetermined energy can be irradiated onto the luminescent material 24 and the base material 23 around it as excitation light, and the luminescent material 24 can be indirectly excited (indirectly excited) by the recombination energy of electron-hole pairs in the base material 23 (semiconductor material) or the collision of hot carriers. In addition, when there are multiple resonant excitation conditions for the luminescent material 24, multiple types of resonant excitation light may be used as the excitation light. In addition, when the base material 23 is a semiconductor material, the light irradiated is preferably light (e.g., ultraviolet light) having energy exceeding the band gap of the base material 23. In the case of using photoluminescence, the excitation unit 21 has a light source for irradiating excitation light and functions as an excitation light irradiator.

図3Bに示すように、エレクトロルミネセンスでは、母材23が半導体材料で構成され、母材23の表面に、一対の電極が設けられる。そして、電極に所定の電圧(順方向バイアス)が印加されると、母材23内に電流が流れる。このとき、母材23内に電流が流れることによって、母材23において電子・正孔対の再結合エネルギーが生じる。したがって、紫外光によるフォトルミネセンスと同様に間接励起によって発光物質24が励起される。エレクトロルミネセンスを用いる場合には、励起部21は、商用電源または電池などの電源に接続され、センサ部22に所定の電圧(温度検出用の電圧)を印加する電圧印加部として機能する。 As shown in FIG. 3B, in electroluminescence, the base material 23 is made of a semiconductor material, and a pair of electrodes are provided on the surface of the base material 23. When a predetermined voltage (forward bias) is applied to the electrodes, a current flows in the base material 23. At this time, the current flowing in the base material 23 generates recombination energy of electron-hole pairs in the base material 23. Therefore, the luminescent material 24 is excited by indirect excitation, similar to photoluminescence by ultraviolet light. When electroluminescence is used, the excitation unit 21 is connected to a power source such as a commercial power source or a battery, and functions as a voltage application unit that applies a predetermined voltage (voltage for temperature detection) to the sensor unit 22.

図3Cに示すように、カソードルミネセンスでは、数kVから数10kVに加速した電子ビーム(電子線)を発光物質24に照射する。この場合、電子の衝突によって発光物質24を直接励起することもできるし、母材23が半導体材料である場合には、電子・正孔対の再結合エネルギーもしくはホットキャリアの衝突によって発光物質24を間接励起することもできる。カソードルミネセンスを用いる場合には、励起部21は、電子銃等を有し、電子ビームを照射するための電子ビーム照射部として機能する。 As shown in FIG. 3C, in cathode luminescence, an electron beam (electron ray) accelerated to several kV to several tens of kV is irradiated onto the luminescent material 24. In this case, the luminescent material 24 can be directly excited by the collision of electrons, or, if the base material 23 is a semiconductor material, the luminescent material 24 can be indirectly excited by the recombination energy of electron-hole pairs or the collision of hot carriers. When using cathode luminescence, the excitation unit 21 has an electron gun or the like, and functions as an electron beam irradiation unit for irradiating the electron beam.

フォトルミネセンスおよびエレクトロルミネセンスで温度検出可能な最小の範囲(空間分解能)は、発光物質24の発光を検出する光学系(受光部3および導光路4)の分解能によって規定される。当分野における汎用の光学系の分解能は、励起光波長や発光物質の発光波長にも依存するが、200nm程度であり、超解像顕微鏡などを用いれば、50nm程度である。 The minimum range (spatial resolution) at which temperature can be detected by photoluminescence and electroluminescence is determined by the resolution of the optical system (light receiving unit 3 and light guide path 4) that detects the emission of the luminescent material 24. The resolution of general-purpose optical systems in this field is about 200 nm, depending on the wavelength of the excitation light and the emission wavelength of the luminescent material, and is about 50 nm when a super-resolution microscope is used.

カソードルミネセンスでの温度検出の空間分解能は、電子ビームの外径寸法および電子ビームが付与するエネルギーの空間的広がり等の要因によって規定される。すなわち、カソードルミネセンスにおいて励起される最小の領域の大きさによって規定される。カソードルミネセンスにおいて励起される最小の領域の大きさは、10nm程度である。 The spatial resolution of temperature detection in cathode luminescence is determined by factors such as the outer diameter of the electron beam and the spatial spread of the energy imparted by the electron beam. In other words, it is determined by the size of the smallest area excited in cathode luminescence. The size of the smallest area excited in cathode luminescence is about 10 nm.

図2に戻って、センサ部22は、温度を検出するための検出方向から見た場合に、発光物質24が導入され、互いに間隔を隔てて配置される複数の領域(発光領域)25と、発光物質24が導入されない領域(非発光領域)26とを有する。本実施例では、センサ部22を検出方向から見た場合、発光領域25以外の領域は全て非発光領域26となる。 Returning to FIG. 2, when viewed from the detection direction for detecting temperature, the sensor unit 22 has a plurality of regions (light-emitting regions) 25 in which the light-emitting material 24 is introduced and which are spaced apart from one another, and a region (non-light-emitting region) 26 in which the light-emitting material 24 is not introduced. In this embodiment, when the sensor unit 22 is viewed from the detection direction, all regions other than the light-emitting regions 25 are non-light-emitting regions 26.

検出方向から見た場合の発光領域25の形状は、特に限定されず、矩形状や円形状等とすることができる。ただし、検出方向から見た場合の発光領域25の形状は、真円形状や正多角形状等、等方的な形状であることが好ましい。 The shape of the light-emitting area 25 when viewed from the detection direction is not particularly limited and can be rectangular, circular, or the like. However, it is preferable that the shape of the light-emitting area 25 when viewed from the detection direction is an isotropic shape such as a perfect circle or a regular polygon.

また、検出方向から見た場合の発光領域25の大きさは、200nm×200nmまたは直径200nmより小さければよく、好ましくは50nm×50nmまたは直径50nmであればよく、より好ましくは10nm×10nmまたは直径10nm以下であればよい。 The size of the light-emitting region 25 when viewed from the detection direction may be 200 nm x 200 nm or less than 200 nm in diameter, preferably 50 nm x 50 nm or less in diameter, and more preferably 10 nm x 10 nm or less in diameter.

上述したように、カソードルミネセンスでの温度検出の空間分解能(観測領域)は10nm程度である。このため、カソードルミネセンスを用いた場合、発光領域25の大きさが10nm×10nmまたは直径10nm程度であっても、1つの発光領域25を個別に検出可能である。 As mentioned above, the spatial resolution (observation area) of temperature detection using cathode luminescence is about 10 nm. Therefore, when using cathode luminescence, even if the size of the light-emitting area 25 is about 10 nm x 10 nm or the diameter is about 10 nm, it is possible to detect one light-emitting area 25 individually.

また、光の検出が容易さについては、発光領域が観測領域よりも大きい場合、観測領域内の発光物質数(観測領域体積×発光物質濃度)によって決定され、発光領域が観測領域よりも小さい場合、発光領域内の発光物質数(発光領域体積×発光物質濃度)によって決定される。 In addition, the ease of light detection is determined by the number of luminescent substances in the observation area (observation area volume x luminescent substance concentration) when the luminescent area is larger than the observation area, and by the number of luminescent substances in the luminescent area (luminescent area volume x luminescent substance concentration) when the luminescent area is smaller than the observation area.

さらに、隣り合う発光領域25同士の距離は、空間分解能の観点からは、励起方法毎の最小の観測領域の大きさに応じてできるだけ小さく設定されればよい。たとえば、フォトルミネセンスおよびエレクトロルミネセンスでは50nm以上とし、カソードルミネセンスでは10nm以上とすることができる。このようにすれば、励起方法毎の最小の観測領域に応じて発光領域間距離をなるべく短くすることができ、結果的に空間分解能を向上させることができる。なお、発光領域25同士の距離を小さくして、発光領域25を増やしすぎると、イオン注入ダメージが大きくなり、熱処理による修復が難しくなる。このため、温度センサ2の性能低下を抑制するために、発光領域25同士の距離が小さく設定される場合には、すなわち、発光領域25同士の距離が小さくなるに連れて、発光物質をなるべく少なく注入することが好ましい。なお、隣り合う発光領域25の間には、非発光領域26が存在するので、複数の発光領域25同士の距離は、非発光領域26の大きさ(幅寸法)のことでもある。 Furthermore, from the viewpoint of spatial resolution, the distance between adjacent light-emitting regions 25 may be set as small as possible according to the size of the smallest observation area for each excitation method. For example, the distance may be set to 50 nm or more for photoluminescence and electroluminescence, and 10 nm or more for cathode luminescence. In this way, the distance between the light-emitting regions can be shortened as much as possible according to the smallest observation area for each excitation method, and the spatial resolution can be improved as a result. Note that if the distance between the light-emitting regions 25 is made small and the number of light-emitting regions 25 is increased too much, the ion implantation damage becomes large and repair by heat treatment becomes difficult. For this reason, in order to suppress the deterioration of the performance of the temperature sensor 2, when the distance between the light-emitting regions 25 is set small, that is, as the distance between the light-emitting regions 25 becomes smaller, it is preferable to inject as little light-emitting material as possible. Note that, since a non-light-emitting region 26 exists between adjacent light-emitting regions 25, the distance between the multiple light-emitting regions 25 also refers to the size (width dimension) of the non-light-emitting region 26.

上述したように、カソードルミネセンスでの温度検出の空間分解能は10nm程度である。このため、カソードルミネセンスを用いれば、隣り合う発光領域25同士の距離が10nm以上あれば、1つの発光領域25を個別に(他の発光領域25と区別して)励起することができる。すなわち、1つの発光領域25を個別に検出可能である。また、隣り合う発光領域25同士の距離が200nm以上あれば、フォトルミネセンスおよびエレクトロルミネセンスであっても1つの発光領域25を個別に検出可能である。 As mentioned above, the spatial resolution of temperature detection with cathode luminescence is about 10 nm. Therefore, if cathode luminescence is used, as long as the distance between adjacent light-emitting regions 25 is 10 nm or more, it is possible to excite one light-emitting region 25 individually (distinguishable from other light-emitting regions 25). In other words, it is possible to detect one light-emitting region 25 individually. Furthermore, as long as the distance between adjacent light-emitting regions 25 is 200 nm or more, it is possible to detect one light-emitting region 25 individually even with photoluminescence and electroluminescence.

発光領域25における発光物質24の導入濃度は、5×1013個/cm~1×1022個/cmの範囲内であり、好ましくは、5×1016個/cm~4×1021個/cmの範囲内である。 The concentration of the luminescent material 24 introduced into the luminescent region 25 is within a range of 5×10 13 particles/cm 3 to 1×10 22 particles/cm 3 , and preferably within a range of 5×10 16 particles/cm 3 to 4×10 21 particles/cm 3 .

5×1013個/cmの濃度は、200nm×200nm×500nmの領域に約1個の発光物質24が存在する程度の濃度であり、5×1016個/cmの濃度は、200nm×200nm×500nmの領域に約1000個の発光物質24が存在する程度の濃度である。 A concentration of 5×10 13 particles/cm 3 is a concentration at which approximately one luminescent material 24 particle is present in an area of 200 nm×200 nm×500 nm, and a concentration of 5×10 16 particles/cm 3 is a concentration at which approximately 1000 luminescent material particles 24 are present in an area of 200 nm×200 nm×500 nm.

たとえば、プラセオジム1個の発光強度は、1秒あたり光子数が10万個程度であるので、発光するプラセオジムが1個あれば、公知の光検出器で十分に温度センサ2(センサ部22)からの光を検出可能である。したがって、5×1013個/cm以上の濃度であれば、原理的には検出可能な光を得ることができると考えられる。また、5×1016個/cm以上の濃度であれば、より確実に温度センサ2からの光を検出できる。 For example, the emission intensity of one praseodymium atom is approximately 100,000 photons per second, so one emitting praseodymium atom is sufficient to detect the light from the temperature sensor 2 (sensor unit 22) with a known photodetector. Therefore, it is considered that a concentration of 5×10 13 particles/cm 3 or more can, in principle, obtain detectable light. Also, a concentration of 5×10 16 particles/cm 3 or more can more reliably detect the light from the temperature sensor 2.

また、1×1022個/cmの濃度は、原子濃度で約10%に相当し、4×1021個/cmの濃度は、原子濃度で約4%に相当する。希土類元素の最大発光強度は、原子濃度で約4%前後である場合に得られるため、発光領域25における発光物質24の導入濃度としては、4×1021個/cmとすることが最も好ましい。 Furthermore, a concentration of 1×10 22 /cm 3 corresponds to an atomic concentration of about 10%, and a concentration of 4×10 21 /cm 3 corresponds to an atomic concentration of about 4%. Since the maximum luminescence intensity of a rare earth element is obtained when the atomic concentration is about 4%, it is most preferable that the introduction concentration of luminescent material 24 in light emitting region 25 is 4×10 21 /cm 3 .

図4はセンサ部22の製造方法の一部を示す図である。図5はセンサ部22の製造方法の一部であって、図4に後続する図である。図6はセンサ部22の製造方法の一部であって、図5に後続する図である。 Figure 4 shows a part of the method for manufacturing the sensor unit 22. Figure 5 shows a part of the method for manufacturing the sensor unit 22, and follows Figure 4. Figure 6 shows a part of the method for manufacturing the sensor unit 22, and follows Figure 5.

上記のような構成のセンサ部22の製造方法としては、イオン注入法を用いることができる。以下、母材23を窒化ガリウムとし、発光物質24をプラセオジムとした場合のセンサ部22の製造方法を説明する。 The sensor section 22 configured as described above can be manufactured by ion implantation. Below, we will explain the method of manufacturing the sensor section 22 when the base material 23 is gallium nitride and the luminescent material 24 is praseodymium.

図4に示すように、まず、母材23の表面に、感光性樹脂等によって構成されるレジスト膜40を形成する(レジスト膜形成工程)。なお、レジスト膜40は、母材23の表面のうち、少なくとも検出方向(導光路4または受光部3)に対向する部分に形成される。 As shown in FIG. 4, first, a resist film 40 made of a photosensitive resin or the like is formed on the surface of the base material 23 (resist film forming process). The resist film 40 is formed on at least the portion of the surface of the base material 23 that faces the detection direction (light guide path 4 or light receiving unit 3).

次に、電子ビームリソグラフィによって、レジスト膜40に、複数の発光領域25のそれぞれに対応する複数のスルーホール41を形成する(スルーホール形成工程)。なお、スルーホール41の大きさは、上述した発光領域25の大きさに対応する。 Next, a plurality of through holes 41 corresponding to each of the plurality of light-emitting regions 25 are formed in the resist film 40 by electron beam lithography (through hole forming process). The size of the through holes 41 corresponds to the size of the light-emitting regions 25 described above.

次に、図5に示すように、スルーホール41を介して、母材23に発光物質24をイオン注入する(イオン注入工程)。母材23に発光物質24をイオン注入する際の注入濃度は、発光領域25における発光物質24の導入濃度に対応する。ただし、この段階では、母材23に注入された発光物質24はイオン化(活性化)されていないため、励起エネルギーを受けたとしても発光しない状態である。 Next, as shown in FIG. 5, the luminescent material 24 is ion-implanted into the base material 23 through the through-holes 41 (ion implantation process). The implantation concentration when the luminescent material 24 is ion-implanted into the base material 23 corresponds to the introduction concentration of the luminescent material 24 in the light-emitting region 25. However, at this stage, the luminescent material 24 injected into the base material 23 is not ionized (activated), and therefore is not in a state where it emits light even if it receives excitation energy.

続いて、レジスト膜40を除去し(レジスト膜除去工程)、発光物質24が注入された母材23を熱処理(高温処理)することによって、発光物質24をイオン化(酸化)させる(熱処理工程)。熱処理工程における処理温度は、500℃~1650℃である。なお、高温で処理するほど、効率よく発光物質24をイオン化させることができる。一方、処理温度が高すぎると、母材23の結晶構造が崩れてしまうという問題がある。なお、このような結晶構造を回復させるための熱処理に関する技術の一例として、窒化ガリウムを窒素ガス雰囲気中で高温(1550℃付近)、高圧にする技術が、参考文献1(S. Porowski et al., J. Phys: Condens. Matter 14 (2002) 11097-11110)に開示されている。 Then, the resist film 40 is removed (resist film removal step), and the base material 23 into which the luminescent material 24 has been injected is heat-treated (high-temperature treatment) to ionize (oxidize) the luminescent material 24 (heat treatment step). The treatment temperature in the heat treatment step is 500°C to 1650°C. The higher the treatment temperature, the more efficiently the luminescent material 24 can be ionized. On the other hand, if the treatment temperature is too high, the crystal structure of the base material 23 may be destroyed. As an example of a heat treatment technique for recovering such a crystal structure, a technique of subjecting gallium nitride to high temperature (around 1550°C) and high pressure in a nitrogen gas atmosphere is disclosed in Reference 1 (S. Porowski et al., J. Phys: Condens. Matter 14 (2002) 11097-11110).

このため、図6に示すように、母材23を覆う熱処理保護膜42を形成した上で、熱処理を行うようにしてもよい。この場合、レジスト膜40の除去後に、母材23を覆う熱処理保護膜42を形成し(保護膜形成工程)、熱処理保護膜42が形成された状態の母材23を熱処理した後に、熱処理保護膜42を除去すればよい(保護膜除去工程)。熱処理保護膜42は、窒化シリサイド(SiN)、二酸化ケイ素(SiO)、窒化アルミニウム(AlN)等によって構成される。なお、熱処理保護膜を用いる熱処理方法の報告例が参考文献2(K. Lorenz, et al., Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 2712-2714)に開示されている。 6, the heat treatment may be performed after forming a heat treatment protective film 42 covering the base material 23. In this case, after removing the resist film 40, the heat treatment protective film 42 is formed to cover the base material 23 (protective film forming step), and the base material 23 with the heat treatment protective film 42 formed thereon is heat treated, after which the heat treatment protective film 42 is removed (protective film removing step). The heat treatment protective film 42 is made of silicide nitride (SiN), silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum nitride (AlN), or the like. A report of a heat treatment method using a heat treatment protective film is disclosed in Reference 2 (K. Lorenz, et al., Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 2712-2714).

図7は3価のプラセオジムの発光スペクトルであって、22.5℃での発光スペクトルと、50.7℃での発光スペクトルとを示すグラフである。図8は3価のプラセオジムにおける発光強度比と温度の関係を示すグラフである。 Figure 7 shows the emission spectrum of trivalent praseodymium, with a graph showing the emission spectrum at 22.5°C and the emission spectrum at 50.7°C. Figure 8 shows the relationship between the emission intensity ratio and temperature for trivalent praseodymium.

発光物質24には、発光スペクトルにおいて発光強度が高くなる波長帯域(発光ピーク)が2つ存在するものがある。たとえば、発光ピークが2つ存在するものとしては、3価のプラセオジムなどがある。図7に示すように、3価のプラセオジムの発光スペクトルでは、650nm付近に第1の発光ピーク(第1のピーク)が存在し、652nm付近に第2の発光ピーク(第2のピーク)が存在する。本実施例では、649nm以上651nm未満の波長帯域(第1の波長帯域)を第1のピークとし、651nm以上653nm未満の波長帯域(第2の波長帯域)を第2のピークとする。 Some luminescent substances 24 have two wavelength bands (emission peaks) in which the emission intensity is high in the emission spectrum. For example, trivalent praseodymium is an example of a substance that has two emission peaks. As shown in FIG. 7, the emission spectrum of trivalent praseodymium has a first emission peak (first peak) near 650 nm and a second emission peak (second peak) near 652 nm. In this embodiment, the wavelength band (first wavelength band) from 649 nm to less than 651 nm is the first peak, and the wavelength band (second wavelength band) from 651 nm to less than 653 nm is the second peak.

第1のピークおよび第2のピークのいずれも、温度が低い(22.5℃)場合の方が、温度が高い(50.7℃)場合よりも発光強度が高くなる。ただし、第1のピークと第2のピークとでは、温度変化による発光強度の変化量(変化率)に差がある。すなわち、第1のピークにおける発光強度(第1の発光強度)と、第2のピークにおける発光強度(第2の発光強度)との比(発光強度比)は、温度に応じて変化する。 For both the first and second peaks, the emission intensity is higher when the temperature is low (22.5°C) than when the temperature is high (50.7°C). However, there is a difference in the amount of change (rate of change) in emission intensity due to temperature change between the first and second peaks. In other words, the ratio (emission intensity ratio) of the emission intensity at the first peak (first emission intensity) to the emission intensity at the second peak (second emission intensity) changes depending on the temperature.

プラセオジムを例に挙げると、図8に示すように、低温になるにつれて発光強度比が小さくなり、高温になるにつれて発光強度比が大きくなる。本実施例では、発光物質24がプラセオジムである場合を例に挙げて説明したが、温度に応じて2つのピークの発光強度比が変化すること、および、低温になるにつれて発光強度比が小さくなり、高温になるにつれて発光強度比が大きくなることは、他の希土類元素においても同じである。 Taking praseodymium as an example, as shown in FIG. 8, the emission intensity ratio decreases as the temperature decreases and increases as the temperature increases. In this embodiment, the luminous substance 24 is praseodymium as an example, but the emission intensity ratio of the two peaks changes depending on the temperature, and the emission intensity ratio decreases as the temperature decreases and increases as the temperature increases, which is the same for other rare earth elements.

たとえば、図示は省略するが、ネオジムの発光スペクトルでは、865nm付近に第1のピークが存在し、885nm付近に第2のピークが存在する。また、エルビウムの発光スペクトルでは、525nm付近に第1のピークが存在し、550nm付近に第2のピークが存在する。さらに、ネオジムとイッテルビウムを共添加した場合には、950nm付近に第1のピークが存在し、1050nm付近に第2のピークが存在する。なお、ここで例示しない他の希土類元素についても、実験等により予め発光スペクトルを取得しておき、第1のピークと第2のピークを設定することによって、2つのピークの発光強度比と温度との関係を明らかにすることができると考えられる。 For example, although not shown, the emission spectrum of neodymium has a first peak near 865 nm and a second peak near 885 nm. The emission spectrum of erbium has a first peak near 525 nm and a second peak near 550 nm. When neodymium and ytterbium are co-doped, the first peak is near 950 nm and the second peak is near 1050 nm. It is considered that the relationship between the emission intensity ratio of the two peaks and temperature can be clarified by obtaining the emission spectrum in advance by experiments or the like and setting the first and second peaks for other rare earth elements not exemplified here.

図1に戻って、受光部3は、光検出部31および制御部32を有する。光検出部31は、センサ部22(発光物質24)からの光を検出するためのものであり、分光部33、第1光検出器34、および第2光検出器35を有する。分光部33は、センサ部22(発光物質24)からの光を、第1のピークに相当する第1の波長帯域の光と、第2のピークに相当する第2の波長帯域の光とに分光するためのものである。分光部33の構成は特に限定されず、ビームスプリッタまたはダイクロイックミラー等を用いてもよいし、ミラー等の光学素子とエタロンフィルタ、バンドパスフィルタとの組み合わせによって構成してもよい。分光部33によって分光された光のうち、第1の波長帯域の光は第1光検出器34に入射され、第2の波長帯域の光は第2光検出器35に入射される。 Returning to FIG. 1, the light receiving unit 3 has a light detection unit 31 and a control unit 32. The light detection unit 31 is for detecting light from the sensor unit 22 (light emitting material 24) and has a spectroscopic unit 33, a first photodetector 34, and a second photodetector 35. The spectroscopic unit 33 is for splitting the light from the sensor unit 22 (light emitting material 24) into light of a first wavelength band corresponding to the first peak and light of a second wavelength band corresponding to the second peak. The configuration of the spectroscopic unit 33 is not particularly limited, and a beam splitter or a dichroic mirror may be used, or it may be configured by a combination of an optical element such as a mirror, an etalon filter, and a bandpass filter. Of the light split by the spectroscopic unit 33, the light of the first wavelength band is incident on the first photodetector 34, and the light of the second wavelength band is incident on the second photodetector 35.

第1光検出器34および第2光検出器35は、入射された光の強度に応じた信号を制御部32に出力するためのものである。第1光検出器34および第2光検出器35の構成は特に限定されず、フォトダイオード等を用いることができる。また、第1光検出器34および第2光検出器35を単一光子の検出が可能な単一光子検出器で構成してもよい。 The first photodetector 34 and the second photodetector 35 are for outputting a signal corresponding to the intensity of the incident light to the control unit 32. The configuration of the first photodetector 34 and the second photodetector 35 is not particularly limited, and a photodiode or the like can be used. The first photodetector 34 and the second photodetector 35 may also be configured as a single-photon detector capable of detecting a single photon.

制御部32は、CPU(中央演算処理装置)と各種データを記憶する記憶部(メモリ)とを有している。この制御部32は、少なくとも温度検出処理を実行する。すなわち、制御部32は、光検出部31から出力される信号に基づいてセンサ部22の発光物質24からの光を検出し、検出した光に基づいて温度を検出(測定)する温度検出部として機能する。なお、制御部32は、温度検出装置1の主制御部として機能してもよく、この場合、制御部32は、励起部21等の温度検出装置1の各部位に制御信号を送信し、温度検出装置1に種々の動作を実行させる。 The control unit 32 has a CPU (Central Processing Unit) and a storage unit (memory) that stores various data. This control unit 32 executes at least a temperature detection process. That is, the control unit 32 detects light from the luminescent material 24 of the sensor unit 22 based on a signal output from the light detection unit 31, and functions as a temperature detection unit that detects (measures) the temperature based on the detected light. The control unit 32 may also function as the main control unit of the temperature detection device 1, in which case the control unit 32 transmits control signals to each part of the temperature detection device 1, such as the excitation unit 21, and causes the temperature detection device 1 to perform various operations.

以上のように構成された温度検出装置1は、発光物質24の2つのピークの発光強度比と温度との関係を利用して、発光物質24の設置位置の温度を検出する温度検出処理を実行する。温度検出処理の実行にあたり、使用する発光物質24の2つのピークの発光強度比と温度との関係に基づいた温度の検出条件が予め作成されており、この温度の検出条件のデータが制御部32の記憶部に記憶されている。たとえば、さまざまな温度にける2つのピークの発光強度比を実験等によって取得しておき、実験結果に基づいた発光強度比と温度の関係を示す近似式または発光強度比を温度に変換するためのテーブルデータなどを温度の検出条件として作成して制御部32の記憶部に記憶しておく。 The temperature detection device 1 configured as described above executes a temperature detection process that detects the temperature at the installation position of the luminescent material 24 by utilizing the relationship between the luminescence intensity ratio of the two peaks of the luminescent material 24 and the temperature. When executing the temperature detection process, temperature detection conditions based on the relationship between the luminescence intensity ratio of the two peaks of the luminescent material 24 used and the temperature are created in advance, and data on these temperature detection conditions is stored in the memory of the control unit 32. For example, the luminescence intensity ratio of the two peaks at various temperatures is obtained by experiment or the like, and an approximation formula showing the relationship between the luminescence intensity ratio and temperature based on the experimental results or table data for converting the luminescence intensity ratio to temperature is created as the temperature detection conditions and stored in the memory of the control unit 32.

図9は、制御部32で実行される温度検出処理を示すフローチャートである。まず、励起部21を制御して、センサ部22(電極)に励起エネルギーを付与する(ステップS1)。センサ部22に励起エネルギーが付与されることによって、発光物質24が発光し、発光物質24の光が導光路4を通って光検出部31に入射される。このときの発光物質24からの光の発光スペクトルは、発光物質24の現在温度での発光スペクトルとなる。本実施例では、光検出部31に入射された光は、分光部33によって、第1光検出器34に入射される第1の波長帯域の光と、第2光検出器35に入射される第2の波長帯域の光とに分光される。 Figure 9 is a flowchart showing the temperature detection process executed by the control unit 32. First, the excitation unit 21 is controlled to provide excitation energy to the sensor unit 22 (electrode) (step S1). By providing excitation energy to the sensor unit 22, the luminescent material 24 emits light, and the light from the luminescent material 24 passes through the light guide 4 and enters the light detection unit 31. The emission spectrum of the light from the luminescent material 24 at this time becomes the emission spectrum of the luminescent material 24 at the current temperature. In this embodiment, the light that enters the light detection unit 31 is split by the spectroscopic unit 33 into light of a first wavelength band that enters the first photodetector 34 and light of a second wavelength band that enters the second photodetector 35.

そして、第1光検出器34からは、第1の波長帯域の光の強度である第1の発光強度に応じた信号が出力され、制御部32は、この信号に応じて第1の発光強度を検出(取得)する(ステップS2)。また、第2光検出器35からは、第2の波長帯域の光の強度である第2の発光強度に応じた信号が出力され、制御部32は、この信号に応じて第2の発光強度を取得する(ステップS3)。 Then, the first photodetector 34 outputs a signal corresponding to the first emission intensity, which is the intensity of light in the first wavelength band, and the control unit 32 detects (obtains) the first emission intensity in response to this signal (step S2). The second photodetector 35 outputs a signal corresponding to the second emission intensity, which is the intensity of light in the second wavelength band, and the control unit 32 obtains the second emission intensity in response to this signal (step S3).

続いて、第1の発光強度と第2の発光強度との発光強度比を算出し(ステップS4)、温度の検出条件に従って、発光強度比から発光物質24の設置位置の温度を検出する(ステップS5)。 Next, the emission intensity ratio between the first emission intensity and the second emission intensity is calculated (step S4), and the temperature at the installation position of the luminescent material 24 is detected from the emission intensity ratio according to the temperature detection conditions (step S5).

このようにして、本実施例では、ナノスケール(ナノメートルオーダー)で選択的に発光領域25(発光物質24)のそれぞれの温度を個別に検出することができる。すなわち、ナノスケールで温度を検出することができる。したがって、温度検出処理における空間分解能を向上させることができる。また、発光スペクトルに基づいて温度測定を行うため、温度測定対象にセンサ部22を当接させておけば、温度測定するタイミングで他のものを接触させる必要がないため、温度測定時においてセンサ部22以外の物体の接触による温度変化を防止して温度測定することができる。 In this way, in this embodiment, the temperature of each of the light-emitting regions 25 (light-emitting materials 24) can be selectively detected individually on the nanoscale (nanometer order). That is, the temperature can be detected on the nanoscale. Therefore, the spatial resolution in the temperature detection process can be improved. In addition, since the temperature is measured based on the emission spectrum, if the sensor unit 22 is placed in contact with the object to be measured, there is no need to bring anything else into contact with the object when measuring the temperature. Therefore, the temperature can be measured while preventing temperature changes due to contact with objects other than the sensor unit 22.

さらに、従来技術として、炭化ケイ素中のシリコン空孔を磁気センサ等の量子センサとして用いる技術がある。このような従来技術では、適用できる材料が炭化ケイ素のみであり、他の材料には適用できなかった。これに対し、本実施例では、上記の従来技術に比べ、センサ部22を構成する材料的な制限が少ないという利点がある。 Furthermore, there is a conventional technique that uses silicon vacancies in silicon carbide as quantum sensors such as magnetic sensors. Such conventional techniques can only be applied to silicon carbide and cannot be applied to other materials. In contrast, the present embodiment has the advantage that there are fewer restrictions on the materials that make up the sensor unit 22 compared to the above conventional techniques.

また、発光物質24の現在温度での発光スペクトルによる温度測定を行うため、発光物質24を含むセンサ部22が配置されている部位の周辺温度を測定する、あるいは、センサ部22の母材23の裏面が当接している対象物の温度を測定するといったことができる。たとえば、センサ部22の母材23の裏面が設置された対象物の温度は、当接して設置されている母材23から発光物質24へと熱伝達する。このため、母材23が当接している対象物の温度を発光物質24の発光から測定することができる。 In addition, in order to measure temperature using the emission spectrum at the current temperature of the luminescent material 24, it is possible to measure the ambient temperature of the area where the sensor unit 22 containing the luminescent material 24 is placed, or to measure the temperature of an object against which the back surface of the base material 23 of the sensor unit 22 is in contact. For example, the temperature of the object against which the back surface of the base material 23 of the sensor unit 22 is placed is transferred by heat from the base material 23 to the luminescent material 24. Therefore, the temperature of the object against which the base material 23 is in contact can be measured from the emission of the luminescent material 24.

なお、母材23の種類と発光物質24の種類との組み合わせについて好ましい例としては、母材23を窒化ガリウムとし、発光物質24をプラセオジム、特に3価のプラセオジムとすることができる。この組み合わせであれば、プラセオジムが発光しやすいので、光を検出しやすいという利点がある。また、母材23を窒化ガリウムとすることによって、電子デバイス、特に半導体デバイスへの組み込み性が高くなるし、さらに、窒化ガリウムを含む電子デバイス上に発光物質24を導入してセンサ部22または温度センサ2を構成することもできるようになる。このようにすれば、電子デバイス上の任意の位置の温度を局所的に検出したり、電子デバイス上の複数の位置の温度を検出し、当該電子デバイスにおける温度分布を検出したりすることもできる。 As a preferred example of a combination of the type of base material 23 and the type of luminescent material 24, the base material 23 can be gallium nitride and the luminescent material 24 can be praseodymium, particularly trivalent praseodymium. This combination has the advantage that praseodymium is easy to emit light, making it easy to detect light. Furthermore, by using gallium nitride as the base material 23, it becomes easier to incorporate into electronic devices, particularly semiconductor devices, and it is also possible to introduce the luminescent material 24 onto an electronic device containing gallium nitride to form a sensor unit 22 or a temperature sensor 2. In this way, it is possible to locally detect the temperature at any position on the electronic device, or to detect the temperature at multiple positions on the electronic device, thereby detecting the temperature distribution in the electronic device.

また、発光物質24には、温度変化に応じて発光ピークが表れる波長が変化するものがある。たとえば、ネオジムの発光スペクトルでは、発光ピークが863nm付近に現れ、温度が低くなるにつれて発光ピークの波長が短くなり(短波長化し)、温度が高くなるにつれて発光ピークの波長が長くなる(長波長化する)傾向にある。すなわち、発光ピークが表れる波長の長短と、温度とは関係があるといえる。この発光ピークが表れる波長の長短と、温度との関係を利用して、発光物質24の発光スペクトルを検出し、その発光スペクトルにおける発光ピークの波長の長短に応じて、温度を検出することができる。この場合、基準となる温度における波長を基準波長として設定しておき、基準波長に対する差(Δλ)に応じて温度を検出するようにしてもよい。 Some luminescent materials 24 have emission peaks whose wavelengths change with temperature. For example, in the emission spectrum of neodymium, the emission peak appears near 863 nm, and tends to become shorter (shorter) as the temperature decreases and longer (longer) as the temperature increases. In other words, there is a relationship between the wavelength at which the emission peak appears and the temperature. By utilizing this relationship between the wavelength at which the emission peak appears and the temperature, the emission spectrum of the luminescent material 24 can be detected, and the temperature can be detected according to the wavelength of the emission peak in the emission spectrum. In this case, the wavelength at a reference temperature can be set as the reference wavelength, and the temperature can be detected according to the difference (Δλ) from the reference wavelength.

このように、発光ピークが表れる波長の長短と、温度との関係を利用する場合には、発光物質24からの光を分光する必要が無い。したがって、光検出部36は、1つの光検出部37を有するだけでよい。 In this way, when using the relationship between the temperature and the wavelength at which the emission peak appears, there is no need to separate the light from the luminescent material 24. Therefore, the light detection unit 36 only needs to have one light detection unit 37.

図10は、検出方向から見たセンサ部22の構成の一例を示す図である。図10に示すように、センサ部22において複数の発光領域25(発光物質24)を配列しておき、母材23の表面に、生体細胞等の温度検出対象物を配置することもできる。このようにすれば、各発光領域25の温度を個別に検出することによって、温度検出対象物における温度分布をナノスケールで検出することができる。 Figure 10 is a diagram showing an example of the configuration of the sensor unit 22 as viewed from the detection direction. As shown in Figure 10, a plurality of light-emitting regions 25 (light-emitting substances 24) can be arranged in the sensor unit 22, and a temperature detection object such as a living cell can be placed on the surface of the base material 23. In this way, the temperature of each light-emitting region 25 can be detected individually, thereby making it possible to detect the temperature distribution in the temperature detection object on a nanoscale.

この発明は本実施形態に限られず他の様々な実施形態とすることができる。また、上述の実施形態で挙げた具体的な構成等は一例であり、実際の製品に応じて適宜変更することが可能である。 This invention is not limited to this embodiment, but can be embodied in various other ways. Furthermore, the specific configurations and the like described in the above embodiment are merely examples, and can be modified as appropriate depending on the actual product.

また、本発明は、温度検出装置および温度センサとして提供するだけでなく、温度センサを用いて、発光物質からの光を検出し、検出した光に基づいて温度を検出する方法、プログラム、およびプログラムを記憶した記憶媒体としても提供することができるし、イオン注入法を用いた温度センサの製造方法としても提供することもできる。 The present invention can be provided not only as a temperature detection device and a temperature sensor, but also as a method, a program, and a storage medium storing the program for detecting light from a luminescent material using a temperature sensor and detecting temperature based on the detected light, and can also be provided as a method for manufacturing a temperature sensor using an ion implantation method.

この発明は、励起エネルギーを受けることによって発光する元素の光を利用して温度を検出するような産業に利用することができる。 This invention can be used in industries that detect temperature using the light emitted by elements that emit light when exposed to excitation energy.

1…温度検出装置
2…温度センサ
3…受光部
21…励起部
22…センサ部
23…母材
24…発光物質
25…発光領域
31…光検出部
32…制御部(温度検出部)
40…レジスト膜
41…スルーホール
1...Temperature detection device 2...Temperature sensor 3...Light receiving section 21...Excitation section 22...Sensor section 23...Base material 24...Luminescent material 25...Luminescent region 31...Light detection section 32...Control section (temperature detection section)
40: resist film 41: through hole

Claims (6)

励起エネルギーを受けることによって発光し、かつ、当該発光が温度によって変化する発光物質と、
前記発光物質が導入される母材とを備え、
前記母材中に前記発光物質が導入される領域は、温度を検出するための検出方向から見て、それぞれ間隔を隔てて配置される複数の発光領域として構成されており、
前記複数の発光領域のそれぞれの大きさは、前記検出方向から見た場合に、200nm×200nm以下または直径200nmより小さく、
前記母材は半導体材料、セラミック材料、金属材料、又は木材によって構成されている
温度センサ。
a luminescent material that emits light when exposed to excitation energy and whose luminescence changes depending on temperature;
a host material into which the luminescent material is introduced;
the region in which the luminescent material is introduced into the base material is configured as a plurality of luminescent regions that are spaced apart from one another when viewed from a detection direction for detecting temperature;
Each of the plurality of light-emitting regions has a size of 200 nm×200 nm or less or a diameter of less than 200 nm when viewed from the detection direction,
The base material is made of a semiconductor material, a ceramic material, a metal material, or wood.
Temperature sensor.
励起エネルギーを受けることによって発光し、かつ、当該発光が温度によって変化する発光物質と、
前記発光物質が導入される母材とを備え、
前記母材中に前記発光物質が導入される領域は、温度を検出するための検出方向から見て、それぞれ間隔を隔てて配置される複数の発光領域として構成されており、
前記複数の発光領域のそれぞれの大きさは、前記検出方向から見た場合に、200nm×200nm以下または直径200nmより小さく、
前記発光物質は、イオン化した状態で前記母材に導入されてい
度センサ。
a luminescent material that emits light when exposed to excitation energy and whose luminescence changes depending on temperature;
a host material into which the luminescent material is introduced;
the region in which the luminescent material is introduced into the base material is configured as a plurality of luminescent regions that are spaced apart from one another when viewed from a detection direction for detecting temperature;
Each of the plurality of light-emitting regions has a size of 200 nm×200 nm or less or a diameter of less than 200 nm when viewed from the detection direction,
The luminescent material is introduced into the base material in an ionized state.
Temperature sensor.
前記複数の発光領域のそれぞれの大きさは、前記検出方向から見た場合に、10nm×10nm以上であり、
前記複数の発光領域同士の距離は、10nm以上である
請求項1または2記載の温度センサ。
Each of the plurality of light-emitting regions has a size of 10 nm×10 nm or more when viewed from the detection direction,
3. The temperature sensor according to claim 1, wherein the distance between the plurality of light emitting regions is 10 nm or more.
請求項1から3のいずれか1つに記載の温度センサと、
前記温度センサの前記発光物質に励起エネルギーを付与する励起エネルギー付与手段と、
前記発光物質からの光を検出する光検出部と、
検出した前記光に基づいて温度を検出する温度検出部を備えた
温度検出装置。
A temperature sensor according to any one of claims 1 to 3;
an excitation energy providing means for providing excitation energy to the luminescent material of the temperature sensor;
a light detection unit that detects light from the light emitting material;
A temperature detection device comprising a temperature detection unit that detects a temperature based on the detected light.
励起エネルギーを受けることによって発光し、かつ、当該発光が温度によって変化する発光物質と、前記発光物質が導入される母材とを備え、前記母材中に前記発光物質が導入される領域が、温度を検出するための検出方向から見て、それぞれ間隔を隔てて配置される複数の発光領域として構成されており、前記複数の発光領域のそれぞれの大きさは、前記検出方向から見た場合に、200nm×200nm以下または直径200nmより小さく、前記母材は半導体材料、セラミック材料、金属材料、又は木材によって構成されている温度センサを用い、
前記発光物質からの光を検出し、
検出した前記光に基づいて温度を検出する
温度検出方法。
a temperature sensor comprising a luminescent material that emits light when it receives excitation energy and whose luminescence changes depending on temperature, and a base material into which the luminescent material is introduced, the region into which the luminescent material is introduced in the base material is configured as a plurality of luminescent regions that are spaced apart from one another when viewed from a detection direction for detecting temperature, each of the plurality of luminescent regions has a size of 200 nm×200 nm or less or a diameter of less than 200 nm when viewed from the detection direction, and the base material is made of a semiconductor material, a ceramic material, a metal material, or wood;
detecting light from the luminescent material;
A temperature detection method for detecting temperature based on the detected light.
励起エネルギーを受けることによって発光し、かつ、当該発光が温度によって変化する発光物質と、前記発光物質が導入される母材とを備え、前記母材中に前記発光物質が導入される領域が、温度を検出するための検出方向から見て、それぞれ間隔を隔てて配置される複数の発光領域として構成されている温度センサの製造方法であって、
前記発光物質が導入された前記母材の表面にレジスト膜を形成し、
前記レジスト膜に、前記発光領域に対応するスルーホールを形成し、
前記スルーホールを介して前記母材に前記発光物質をイオン注入し、
前記レジスト膜を除去し、
前記発光物質が注入された前記母材を覆う熱処理保護膜を形成し、
前記熱処理保護膜が形成された前記母材を熱処理し、
前記熱処理後、前記熱処理保護膜を除去する
温度センサの製造方法。
A method for manufacturing a temperature sensor comprising: a luminescent material that emits light when exposed to excitation energy and whose luminescence changes depending on temperature; and a base material into which the luminescent material is introduced, the base material having an area into which the luminescent material is introduced being configured as a plurality of luminescent areas that are spaced apart from one another when viewed from a detection direction for detecting temperature, the method comprising the steps of:
forming a resist film on the surface of the base material into which the luminescent material has been introduced;
forming a through hole in the resist film corresponding to the light emitting region;
ion-implanting the luminescent material into the base material through the through-hole;
removing the resist film;
forming a heat treatment protective film to cover the base material into which the luminescent material is injected;
heat treating the base material on which the heat treatment protective film is formed;
The method of manufacturing a temperature sensor further comprises removing the heat treatment protective film after the heat treatment.
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