特許 6561206 薄膜ベースの熱基準源

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6561206

(24)【登録日】2019年7月26日

(45)【発行日】2019年8月14日

(54)【発明の名称】薄膜ベースの熱基準源

(51)【国際特許分類】

   G01K 7/02 20060101AFI20190805BHJP

【ＦＩ】

   G01K7/02 A

【請求項の数】20

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2018-515507(P2018-515507)

(86)(22)【出願日】2016年8月15日

(65)【公表番号】特表2018-529957(P2018-529957A)

(43)【公表日】2018年10月11日

(86)【国際出願番号】US2016046961

(87)【国際公開番号】WO2017065865

(87)【国際公開日】20170420

【審査請求日】2018年3月30日

(31)【優先権主張番号】14/884,459

(32)【優先日】2015年10月15日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503455363

【氏名又は名称】レイセオン カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(72)【発明者】

【氏名】チョウ，ジェームズ アール．

(72)【発明者】

【氏名】タウンセンド，カール ダブリュ．

(72)【発明者】

【氏名】ケトラ，カート エス．

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００５／０２６６７４（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開２０１５−０７０２５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０６４５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２０４１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２３０８６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｋ ７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

黒体放射スペクトルを生成する薄膜デバイスであって、
印加電圧に応答して熱を生成するように構成された第１のカーボンナノチューブ層と、
前記第１のカーボンナノチューブ層からの前記熱に応答して前記黒体放射スペクトルを生成するように構成された第２のカーボンナノチューブ層と、
前記第２のカーボンナノチューブ層における温度を測定する、前記第１のカーボンナノチューブ層と前記第２のカーボンナノチューブ層との間の熱電対と、
を有する薄膜デバイス。

【請求項2】

前記熱電対は更に、銅−カーボンナノチューブ熱電対層を有する、請求項１に記載の薄膜デバイス。

【請求項3】

前記銅−カーボンナノチューブ熱電対層は、
前記第２のカーボンナノチューブ層に近接した本体と、カーボンナノチューブテール部とを有するカーボンナノチューブ材料と、
前記カーボンナノチューブ材料の前記本体に取り付けられたジャンクション端と、前記カーボンナノチューブ材料の前記本体から遠位のコンタクト端とを有する銅電極と
を含む、請求項２に記載の薄膜デバイス。

【請求項4】

前記銅電極は更に、複数の銅電極を有し、各銅電極が、前記カーボンナノチューブ材料の本体に取り付けられたジャンクション端と、前記カーボンナノチューブ材料の前記本体から遠位のコンタクト端とを含み、前記熱電対は、前記第２のカーボンナノチューブ層の様々な位置で温度を測定する、請求項３に記載の薄膜デバイス。

【請求項5】

前記熱電対は、前記第２のカーボンナノチューブ層上に堆積されたアルメルのストリップと、前記第２のカーボンナノチューブ層上に堆積されたクロメルのストリップとを含み、前記アルメルのストリップの一端が、前記クロメルのストリップの一端と接触している、請求項１に記載の薄膜デバイス。

【請求項6】

前記熱電対は、前記第２のカーボンナノチューブ層における前記温度の局所的変動を＋／−約０．５ケルビン未満にする、請求項１に記載の薄膜デバイス。

【請求項7】

当該薄膜デバイスは更に、前記第１のカーボンナノチューブ層と前記第２のカーボンナノチューブ層との間に熱拡散層を有し、前記熱電対は、前記熱拡散層と前記第２のカーボンナノチューブ層との間にある、請求項１に記載の薄膜デバイス。

【請求項8】

前記熱電対にかかる電圧差を測定して前記第２のカーボンナノチューブ層における前記温度を決定する電圧計と、前記決定された温度に応答して前記第１のカーボンナノチューブ層を通る電流を制御するように構成されたコントローラと、を更に有する請求項１に記載の薄膜デバイス。

【請求項9】

黒体放射スペクトルを生成する方法であって、
印加電圧に応答して熱を生成するように構成された第１のカーボンナノチューブ層と、前記第１のカーボンナノチューブ層からの前記熱に応答して黒体放射スペクトルを生成するように構成された第２のカーボンナノチューブ層と、前記第２のカーボンナノチューブ層における温度を測定する、前記第１のカーボンナノチューブ層と前記第２のカーボンナノチューブ層との間の熱電対と、を有する薄膜デバイスを用意することと、
前記第１のカーボンナノチューブ層を通る電流を供給して前記第１のカーボンナノチューブ層内で熱を生成することと、
前記熱電対を用いて前記第２のカーボンナノチューブ層における前記温度を測定することと、
前記黒体放射スペクトルを生成するために、前記第２のカーボンナノチューブ層の選択された温度を供するように、前記第１のカーボンナノチューブ層における前記電流を制御することと、
を有する方法。

【請求項10】

前記熱電対は更に、銅−カーボンナノチューブ熱電対を有する、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記銅−カーボンナノチューブ熱電対は、前記第２のカーボンナノチューブ層に近接した本体と、前記第２のカーボンナノチューブ層から遠位の、基準ジャンクションを持つカーボンナノチューブテール部とを形成するカーボンナノチューブ材料を含み、且つ、前記本体に取り付けられたジャンクション端と、前記本体から遠位のコンタクト端とを有する銅電極を含み、前記温度は、前記カーボンナノチューブテール部の前記基準ジャンクションと前記銅電極の前記コンタクト端との間の電圧差に関係付けられる、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記熱電対は、前記第２のカーボンナノチューブ層上に堆積されたアルメルのストリップと、前記第２のカーボンナノチューブ層上に堆積されたクロメルのストリップとを含み、前記アルメルのストリップの端部が、前記クロメルのストリップの端部と接触している、請求項９に記載の方法。

【請求項13】

前記熱電対は更に、＋／−約０．５ケルビン未満の前記第２のカーボンナノチューブ層における前記温度の局所的変動を提供しながら、前記第２のカーボンナノチューブ層における前記温度を測定するように構成される、請求項９に記載の方法。

【請求項14】

前記第２のカーボンナノチューブ層は、平坦表面と複数のカーボンナノチューブとを含み、選択されたカーボンナノチューブが、前記平坦表面に対して実質的に垂直に向けられた長手方向軸を有し、且つ、前記第１のカーボンナノチューブ層からの前記熱に応答して、前記長手方向軸に沿って向けられた光子を放出する、請求項９に記載の方法。

【請求項15】

前記第１のカーボンナノチューブ層と前記熱電対との間のグラフェンスタックを用いて、前記第１のカーボンナノチューブ層からの前記熱を横方向に拡散させること、を更に有する請求項９に記載の方法。

【請求項16】

温度を測定するデバイスであって、
第１のカーボンナノチューブ層と第２のカーボンナノチューブ層との間の第１の位置に配置される本体と、前記本体から延在するカーボンナノチューブテール部とを含むカーボンナノチューブ材料の薄膜層であり、前記第１の位置は第１の温度を持ち、前記本体から遠位の前記カーボンナノチューブテール部の端部が、第２の温度を持つ第２の位置に配置されて基準ジャンクションを形成している、薄膜層と、
前記カーボンナノチューブ材料の前記本体に結合されたジャンクション端と、前記カーボンナノチューブ材料の前記本体から離れたコンタクト端とを有する電極と、
を有するデバイス。

【請求項17】

前記電極の前記ジャンクション端と前記カーボンナノチューブ材料の前記本体との結合位置において、温度測定値が取得される、請求項１６に記載のデバイス。

【請求項18】

前記電極は更に、複数の電極を有し、各電極が、前記カーボンナノチューブ材料の本体に結合されたジャンクション端と、前記本体から遠位のコンタクト端とを有する、請求項１６に記載のデバイス。

【請求項19】

前記電極の厚さは、約０．０２５ｍｍ未満である、請求項１６に記載のデバイス。

【請求項20】

前記電極は、（ｉ）電気析出及び（ｉｉ）無電解析出のうちの一方によって前記本体に取り付けられている、請求項１６に記載のデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、放射スペクトルを生成する薄膜デバイスに関し、特に、薄膜デバイスにて放射スペクトルに対応する温度を測定する方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

様々な光学システムにおいて、光センサにて、光信号が物体から受け取られ、光センサにて、光信号の測定結果が得られて、物体の特性が決定されている。正確な測定結果を得るために、しばしば、１つ以上の基準波長で既知の光子束を用いて光センサを較正することが必要である。基準波長にある光子束を提供するための１つの方法は、選択された温度まで１つ以上の黒体放射体を加熱し、光学フィルタを用いて較正波長を選択することを含む。しかしながら、光センサを較正するのに伝統的な黒体源を使用することは、サイズ、重量、及び電力（size, weight, and power；ＳＷａＰ）の課題をもたらす。これらの課題を克服しながら黒体放射スペクトルを作り出すために、薄膜デバイスが使用されている。これらの薄膜デバイスは、例えば１０センチメートル（ｃｍ）×１０ｃｍなど、延在した放射表面を持つ傾向にある。効果的な較正は、放射表面に沿って、約０．５ケルビン以内まで均一な温度プロファイルを必要とする。故に、放射表面における温度を測定することが望ましい。しかしながら、温度センサは、その熱質量及び熱伝導性に起因して局所的な温度を変化させる傾向にあり、それにより、放射表面にわたる温度均一性に影響を及ぼす。本開示は、放射表面における温度の均一性に実質的に影響を及ぼすことなく、薄膜黒体源の温度を測定する方法及び装置を提供する。

【発明の概要】

【0003】

本開示の一実施形態によれば、黒体スペクトルを生成する薄膜デバイスが開示され、当該デバイスは、印加電圧に応答して熱を生成するように構成された第１の層と、第１の層からの熱に応答して黒体放射スペクトルを生成するように構成された第２の層と、第２の層における温度を測定する、第１の層と第２の層との間の熱電対とを含む。

【0004】

本開示の他の一実施形態によれば、黒体放射スペクトルを生成する方法が開示され、当該方法は、印加電圧に応答して熱を生成するように構成された材料の第１の層と、第１の層からの熱に応答して黒体放射スペクトルを生成するように構成された材料の第２の層と、第２の層における温度を測定する、第１の層と前記第２の層との間の熱電対と、を有する薄膜デバイスを用意することと、第１の層を通る電流を供給して第１の層内で熱を生成することと、熱電対を用いて第２の層における温度を測定することと、黒体放射スペクトルを生成するために、第２の層の選択された温度を供するように、第１の層における電流を制御することとを含む。

【0005】

更なる他の一実施形態によれば、温度を測定するデバイスが開示され、当該デバイスは、第１の温度を持つ第１の位置に配置される本体と、該本体から延在するカーボンナノチューブテール部とを含むカーボンナノチューブ材料の薄膜層であり、該本体から遠位のカーボンナノチューブテール部の端部が、第２の温度を持つ第２の位置に配置されて基準ジャンクションを形成している、薄膜層と、カーボンナノチューブ材料の本体に結合されたジャンクション端と、カーボンナノチューブ材料の本体から離れたコンタクト端とを有する電極とを含む。

【0006】

更なる特徴及び利点が、本開示の技術を通じて実現される。本開示の他の実施形態及び態様が、ここに詳細に記載され、特許請求される開示の一部と見なされる。これらの利点及び特徴を持つ本開示のより十分な理解のため、明細書及び図面を参照する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

開示と見なされる主題は、本明細書の結びにある特許請求の範囲にて特定的に指摘されて明瞭に特許請求される。本開示の以上の及びその他の特徴及び利点は、添付の図面とともに取り入れられる以下の詳細な説明から明らかである。

【図1】本開示の一実施形態における光センサを較正するための例示的な光学システムを示している。

【図2】一実施形態における本開示の例示的な薄膜デバイスの斜視図を示している。

【図3】図２の例示的な薄膜デバイスの頂部の側面図を示している。

【図4】別の実施形態における薄膜デバイスの頂部の側面図を示している。

【図5】別の実施形態における薄膜デバイスの頂部の側面図を示している。

【図6】本発明の一実施形態における薄膜デバイスの熱電対層を形成する例示的な熱電対を示している。

【図7】第２の層における温度と電源からの印加電力とのグラフを示している。

【図8】本開示の他の一実施形態におけるアルメル−クロメル熱電対を示している。

【図9】様々な断面幅を有するアルメル−クロメル熱電対についての温度に対する温度誤差のグラフを示している。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１は、本開示の一実施形態における、例えば光センサ又は光検出器などの光センサ１０２を較正するための例示的な光学システム１００を示している。光学システム１００は、センサ１０２の見通し線１０６に出入りするように動かされることができる薄膜デバイス１０４を含んでいる。薄膜デバイス１０４は、黒体放射スペクトルの形態でセンサ１０２に光を提供する。薄膜デバイス１０４は、光センサ１０２の方に面するように向けられた放射表面１１０を有する。放射表面１１０は均一な温度に加熱され、それにより放射表面１１０にて黒体放射を生成する。選択された波長ウィンドウ内の光子束が光センサ１０２に到達することを可能にするために、薄膜デバイス１０４と光センサ１０２との間にフィルタ１０８を配置することができる。選択される波長ウィンドウは、一般に、光センサ１０２を較正するために使用される較正波長に対応する。

【0009】

選択された温度まで放射表面１１０を加熱するために、電源１１２が薄膜デバイス１０４に電流を供給する。放射表面１１０における温度を測定するために、放射表面１１０に熱電対１１４が結合されている。例示的な一実施形態において、熱電対１１４は、可能な限り放射表面１１０に近い位置で温度を測定する。

【0010】

光学システム１００は、放射源１０４の様々な動作を制御するコントローラ１２０を含んでいる。コントローラ１２０は、プロセッサ１２２及びメモリ記憶デバイス１２４を含んでいる。様々な実施形態において、メモリ記憶デバイス１２４は、例えばソリッドステートメモリ記憶デバイスなどの、非一時的メモリ記憶デバイスを含む。メモリ記憶デバイス１２４には、プロセッサ１２２によってアクセスされるときに放射源１０４を制御する方法を実行する一組のプログラム１２６が格納され得る。一態様において、コントローラ１２０は、熱電対１１４から温度測定値を受け取り、温度測定値に基づいて、電源１１２によって放射源に供給される電流の量を変更する。

【0011】

図２は、一実施形態における本開示の例示的な薄膜デバイス１０４の斜視図を示している。薄膜デバイス１０４は、第１の層２０２（ここでは、“第１のカーボンナノチューブ層２０２”としても参照する）を含んでおり、第１のカーボンナノチューブ層２０２は、その両端に電極２０４ａ、２０４ｂを有している。電極２０４ａ及び２０４ｂは、第１のカーボンナノチューブ層２０２を通り抜ける電流を供給するために、電源（例えば図１の電源１１２など）に接続され得る。図２には、図示及び説明の目的で座標系２２５が与えられている。第１のカーボンナノチューブ層２０２及び薄膜デバイス２００のその他の層が座標系２２５のｘ−ｙ平面内に位置すると考える。座標系２２５は、薄膜構造２００の頂部側又は頂面と、薄膜構造２００の底部側又は底面とを規定する。任意の所与の層について、頂部側は、一般に、その層に関して正のｚ方向にある領域を指し、底部側は、一般に、その層に関して負のｚ方向にある領域を指す。ｚ軸は、薄膜デバイスの縦方向を規定し、ｚ軸に対して垂直な平面は、縦方向に対して横方向であると考え得る。

【0012】

第１のカーボンナノチューブ層２０２は、第１のカーボンナノチューブ層２０２の面内に配向したカーボンナノチューブを含む。第１のカーボンナノチューブ層２０２の頂面２０２ａ上に、熱拡散層２０６が配置されている。熱拡散層２０６は、熱が第１のカーボンナノチューブ層２０２からｚ軸に沿って進行するときに、ｘｙ平面を通じて横方向に熱を広げる。熱拡散層２０６の頂面上に、熱電対層２３０が配置されている。第２の層２０８（ここでは、“第２のカーボンナノチューブ層２０８”としても参照する）が熱電対層２３０に隣接しており、第１のカーボンナノチューブ層２０２と第２のカーボンナノチューブ層２０８との間に熱電対層２３０及び熱拡散層２０６が挟み込まれるようにされている。第２のカーボンナノチューブ層２０８は、ｘ−ｙ平面内に延在する平坦な表面２１４と、長手方向軸を平坦表面２１４に垂直に揃えて配向されて（すなわち、ｚ方向に配向されている）平坦表面２１４の頂部に取り付けられた複数のカーボンナノチューブ２１６とを含んでいる。一実施形態において、平坦表面２１４はアルミナ基板（Ａｌ_２Ｏ_３）の層である。第２の層２０８は、図１の放射表面１１０を形成する。

【0013】

第１のカーボンナノチューブ層２０２に電圧が印加されるとき、熱が生成され、この熱が、第１のカーボンナノチューブ層２０２の頂面２０２ａ又は第１のカーボンナノチューブ層２０２の底面２０２ｂの何れかから流れ出る。頂面２０２ａから流れる熱は、熱拡散層２０６及び熱電対層２３０を通って伝達されて、第２のカーボンナノチューブ層２０８に到達する。第２のカーボンナノチューブ層２０８にて、熱が複数のカーボンナノチューブ２１６から光子を励起し、その光子が、正のｚ方向に放射されて黒体放射スペクトルを生成する。

【0014】

第１の層２０２によって生成される熱の空間分布は、ｘ−ｙ平面内でバラつく傾向にある。熱が＋ｚ方向に進むにつれて、熱拡散層２０６がｘｙ平面内のこの熱バラつきを減少させ、それ故に、熱が第２のカーボンナノチューブ層２０８に到達するときには、熱が第２のカーボンナノチューブ層２０８の表面にわたって均等に分布される。熱拡散層２０６の構造は、ｘ−ｙ方向の熱のバラつきを抑制するように選択される。

【0015】

一実施形態において、熱拡散層２０６は、ｘ−ｙ平面全体にわたって横方向に熱を広げてｘ−ｙ平面内での熱の均等分布を作り出す複数の熱伝導層を含む。一実施形態において、これらの熱伝導層はグラフェンシートを含む。グラフェンシートは、熱的に高度に異方性の材料であり、ｘ−ｙ平面内で横方向に熱を広げるのに効果的である。一実施形態において、熱拡散層２０６は、少なくとも第１のグラフェンシート２１０ａ及び第２のグラフェンシート２１０ｂと、対応する接着層２１２ａ−２１２ｃとを含む。図２には２つのグラフェンシートが示されているが、理解されることには、如何なる数のグラフェンシートが熱拡散層２０６に含められてもよい。接着層２１２ａ−２１２ｃは熱的に絶縁性であり、必ずしも熱的に異方性である必要はないが、ｚ軸に沿った熱伝達を可能にする。第１のグラフェンシート２１０ａは、第１の接着層２１２ａを介して第１の層２０２に接合されている。第２のグラフェンシート２１０ｂと第１のグラフェンシート２０１ａとが、接着層２１２ｂによって接合されている。第２のグラフェンシート２０１ｂは、接着層２１２ｃを介して熱電対層２３０に接合されている。

【0016】

薄膜構造２００は更に、第１のカーボンナノチューブ層２０２の底面２０２ｂ上に配置された反射器２２０を含んでいる。反射器２２０は、薄膜構造２００の背面側での放射によって逃げ出る熱が非常に少ないように、低い熱エミッタンスを有する金属層である。一実施形態において、第１のカーボンナノチューブ層２０２と反射器２２０との間に、グラフェンシート２２２及び接着層２２４が配置され得る。

【0017】

図３は、図２の例示的な薄膜デバイス１０４の頂部の側面図を示しており、第１の層２０２と第２の層２０４との間の層が示されている。第１の層２０２の頂面に、接着層３０６ａを介して、第１のグラフェンシート３０４ａが結合されている。第１のグラフェンシート３０４ａの頂面に、接着層３０６ｂを介して、第２のグラフェンシート３０４ｂが結合されている。第２のグラフェンシート３０４ｂに、接着層３０６ｃを介して、熱電対層３０８が結合されている。熱電対層３０８に、接着層３０６ｄを介して、第２の層２０４が結合されている。

【0018】

第２のカーボンナノチューブ層２０４は、薄い表面３１０（概して、アルミナ表面）と、複数のカーボンナノチューブ３１２ａ−３１２ｍとを含んでおり、複数のカーボンナノチューブ３１２ａ−３１２ｍの長手方向軸が、薄いアルミナ表面３１０の平坦表面に対して実質的に垂直を向くように、複数のカーボンナノチューブ３１２ａ−３１２ｍは配向されている。一般に、第２のカーボンナノチューブ層２０４にて励起された光子は、放射矢印３１５によって指し示されるように、第２のカーボンナノチューブ層２０４の上方の半空間に放出される。様々な実施形態において、第２のカーボンナノチューブ層２０４における温度は、第２のカーボンナノチューブ層２０４の表面にわたって１．０ケルビン未満の空間バラつきを有する。他の一実施形態において、この空間バラつきは０．５ケルビン未満である。更なる他の一実施形態において、この空間バラつきは０．１ケルビン未満である。故に、第２のカーボンナノチューブ層３０６における複数のカーボンナノチューブ３１２ａ−３１２ｍの各々が、アルミナ表面３１０から、実質的に同じ量の熱を受け取る。

【0019】

図４は、別の実施形態における薄膜デバイス１０４の頂部の側面図を示している。第１の層２０２の頂面に、接着層３０６ａを介して、第１のグラフェンシート３０４ａが結合されている。第１のグラフェンシート３０４ａの頂面に、接着層３０６ｂを介して、第２のグラフェンシート３０４ｂが結合されている。第２のグラフェンシート３０４ｂに、接着層３０６ｃを介して、熱電対層３０８が結合されている。熱電対層３０８は、第２の層２０４と直に（すなわち、介在する接着層なしで）接触している。

【0020】

図５は、別の実施形態における薄膜デバイス１０４の頂部の側面図を示している。第１の層２０２の頂面に、接着層３０６ａを介して、第１のグラフェンシート３０４ａが結合されている。第１のグラフェンシート３０４ａに、接着層３０６ｂを介して、熱電対層３０８が結合されている。熱電対層３０８に、接着層３０６ｃを介して、第２の層２０８が結合されている。

【0021】

図６は、本発明の一実施形態における薄膜デバイス１０４の熱電対層を形成する例示的な熱電対６００を示している。例示的な熱電対６００は、薄膜デバイス１０４の層として一体化されるように、薄膜電極の他の層のｘ及びｙ寸法と同じｘ及びｙ寸法を持つ薄膜層を含んでいる。一実施形態において、本体６０４が、第２の層２０８に接し又は隣接している。熱電対６００は、概して、第２の層２０８における空間的な温度差を殆ど又は全く生じさせないように、数ミル（ｍｉｌ）の厚さを持つ薄膜である。一実施形態において、熱電対６００の幅は約１．５ミル（０．０３８ｍｍ）である。

【0022】

例示的な熱電対６００は銅−ＣＮＴ熱電対である。銅−ＣＮＴ熱電対は、本体６０４及びＣＮＴテール部６０６を有するカーボンナノチューブ薄膜６０２を含んでいる。本体６０４は、薄膜デバイス１０４の他の層と同じ長さ及び幅である長さ及び幅（ｘ及びｙ方向）を有している。ＣＮＴテール部６０６は、本体６０４から遠ざかるように延在した材料のストリップを形成している。ＣＮＴテール部６０６には、本体６０４から離れた位置で銅電極が取り付けられ、それにより、基準ジャンクション６０８が形成されている。本体６０４には、選択された位置で銅電極６１０が取り付けられる。電極６１０の厚さは約１ミル（０．０２５ｍｍ）であり、その断面積は小さい。故に、電極６１０は、殆ど熱質量を持たず、第２の層における横方向の温度均一性を乱さない。銅電極６１０は、ジャンクション端６１２と、ジャンクション端６１２から遠位のコンタクト端６１４とを含んでいる。ジャンクション端６１２は、本体６０４に取り付けられる。一実施形態において、ジャンクション端６１２は、無電解析出によって本体６０４に取り付けられる。ＣＮＴテール部６０６の遠位端（すなわち、基準端６０８）及び銅電極６１０のコンタクト端６１４は、実質的に周囲温度又は室温にある。一方、ＣＮＴの本体６０４及び銅電極６１０のジャンクション端６１２は、薄膜デバイス１０４の第２の層２０８の温度にある。様々な実施形態において、銅電極６１０及びコンタクト端６１４は、絶縁材料６２０によって熱的及び電気的に絶縁されることができる。

【0023】

銅電極６１０のコンタクト端６１４とＣＮＴテール部６０６の遠位基準ジャンクション６０８との間に電圧計６２５を配置することによって、温度測定値を得ることができる。電圧測定値を制御システム（図１の１２０）に送ることができ、そして、制御システムは、薄膜デバイス（図１の１０４）を通る電流を増加又は減少させることによって、第２の層の温度を、それぞれ、上昇又は低下させることができる。一実施形態において、制御システム（図１の１２０）は、温度測定値を選択温度又は所望温度と比較し、それに従って電流を変更する。

【0024】

一実施形態において、単一の銅電極６１０が本体６０４に取り付けられる。しかしながら、様々な実施形態において、如何なる数の銅電極が本体に取り付けられてもよい。図６に示すように、４つの銅電極６１０、６１６、６１８、６２０が本体６０４に取り付けられている。銅電極６１０、６１６、６１８、６２０の位置は、第２の層２０８の表面にわたる様々な箇所での温度プロファイルを取得するために選択されることができる。各箇所における温度が、共通の基準ジャンクション６０８に対してモニタされる。

【0025】

図７は、第２の層２０８における温度と電源１１２からの印加電力とのグラフ７００を示している。グラフ７００は、図６の電極６１０、６１６、６１８、６２０（グラフ上では、Ｂｌｕｅ、Ｂｒｏｗｎ、Ｏｒａｎｇｅ、Ｇｒｅｅｎとして記載）の各々からのデータポイントを示している。これらのデータポイントにベストフィットする直線７０２が引かれている。様々な電極接触位置における重なり合う温度測定値の間に良好な一致が見られる。

【0026】

図８は、本開示の他の一実施形態におけるアルメル−クロメル熱電対８００を示している。アルメル−クロメル熱電対８００は、第２のカーボン層２０８のアルミナ基板層２１４上でのアルメル及びクロメルの（通常は真空中での）気相成長によって形成され得る。マスキングを用いた気相成長及び／又は電気めっきは、電極の幅及び厚さの良好な制御を可能にする。アルメル及びクロメルの層は、厚さにおいて約１ミル（０．０２５ｍｍ）から３ミル（０．０７６ｍｍ）である。一実施形態において、アルメル及びクロメルの層は、幅において１ミルからであるが、図９に関して後述するように他の幅も使用され得る。これらの層の小さい幅は、非常に小さい熱質量に寄与し、それ故に、第２の層において要求される温度均一性に与える乱れを極めて小さくする。薄いストリップ状のアルメル８０１が１つの位置に形成され、薄いストリップ状のクロメル８０３が別の位置に形成される。領域８０５において、アルメル８０１とクロメル８０３とが重なってジャンクションを形成する。熱電対８００は、本発明の限定としてではなく、単に例示の目的で、アルメル−クロメル熱電対として記述されている。他の実施形態において、熱電対は、アルミナ基板層２１４上にその他の好適な金属合金を堆積させることで作製されることができる（すなわち、Ｆｅ：コンスタンタン、Ｃｕ：コンスタンタン）。

【0027】

図９は、様々な断面幅を有するアルメル−クロメル熱電対についての温度に対する温度誤差のグラフ９００を示している。縦軸は、熱電対によって測定されたサンプル温度と基準温度との間の差を示し、横軸は、基準温度を示している。これらの熱電対は、約１０ミル（０．２５ｍｍ）から約１２５ミル（３．１８ｍｍ）までの幅を有する。基準温度は、約２５℃、３０℃、４０℃、５０℃、７５℃、１００℃、１２５℃、及び１５０℃とした。グラフ９００が示すことには、様々な幅の熱電対が、約１Ｋ以内で、そして多くの例で、約０．５Ｋ以内で、基準温度の良好な読み取りを提供する。これは、“大きい”幅の熱電対が使用され得ることを意味するが、より小さい幅を持つ熱電対を使用することが依然として望ましいとし得る。

【0028】

故に、一態様において、黒体スペクトルを生成する薄膜デバイスが開示され、当該デバイスは、印加電圧に応答して熱を生成するように構成された第１の層と、前記第１の層からの前記熱に応答して前記黒体放射スペクトルを生成するように構成された第２の層と、前記第２の層における温度を測定する、前記第１の層と前記第２の層との間の熱電対とを含む。一実施形態において、前記熱電対は更に、銅−カーボンナノチューブ熱電対層を含む。前記銅−カーボンナノチューブ熱電対層は、前記第２の層に近接した本体と、カーボンナノチューブテール部とを有するカーボンナノチューブ材料と、前記カーボンナノチューブ材料の前記本体に取り付けられたジャンクション端と、前記カーボンナノチューブ材料の前記本体から遠位のコンタクト端とを有する銅電極とを含むことができる。一実施形態において、前記銅電極は、複数の銅電極を含み、各銅電極が、前記カーボンナノチューブ材料の本体に取り付けられたジャンクション端と、前記カーボンナノチューブ材料の前記本体から遠位のコンタクト端とを含み、前記熱電対は、前記第２の層の様々な位置で温度を測定する。他の一実施形態において、前記熱電対層は、前記第２の層上に堆積されたアルメルのストリップと、前記第２の層上に堆積されたクロメルのストリップとを含み、前記アルメルのストリップの一端が、前記クロメルのストリップの一端と接触している。様々な実施形態において、前記熱電対は、前記第２の層における前記温度の局所的変動を＋／−約０．１ケルビン未満にする。前記第１の層と前記第２の層との間に熱拡散層が置かれてもよく、前記熱電対が前記熱拡散層と前記第２の層との間にあるようにされる。前記熱電対にかかる電圧差を測定して前記第２の層における前記温度を決定するために、電圧計が使用され得る。前記決定された温度に応答して前記第１の層を通る電流を制御するようにために、コントローラが使用され得る。

【0029】

他の一態様において、黒体放射スペクトルを生成する方法が開示され、当該方法は、印加電圧に応答して熱を生成するように構成された材料の第１の層と、前記第１の層からの前記熱に応答して黒体放射スペクトルを生成するように構成された材料の第２の層と、前記第２の層における温度を測定する、前記第１の層と前記第２の層との間の熱電対と、を有する薄膜デバイスを用意することと、前記第１の層を通る電流を供給して前記第１の層内で熱を生成することと、前記熱電対を用いて前記第２の層における前記温度を測定することと、前記黒体放射スペクトルを生成するために、前記第２の層の選択された温度を供するように、前記第１の層における前記電流を制御することとを含む。一実施形態において、前記熱電対は、銅−カーボンナノチューブ熱電対を含む。前記銅−カーボンナノチューブ熱電対は、前記第２の層に近接した本体と、前記第２の層から遠位の、基準ジャンクションを持つカーボンナノチューブテール部とを形成するカーボンナノチューブ材料を含み、且つ、前記本体に取り付けられたジャンクション端と、前記本体から遠位のコンタクト端とを有する銅電極を含み、前記温度は、前記カーボンナノチューブテール部の前記基準ジャンクションと前記銅電極の前記コンタクト端との間の電圧差に関係付けられる。他の一実施形態において、前記熱電対は、前記第２の層上に堆積されたアルメルのストリップと、前記第２の層上に堆積されたクロメルのストリップとを含み、前記アルメルのストリップの端部が、前記クロメルのストリップの端部と接触している。前記熱電対は、＋／−約０．５ケルビン未満の前記第２の層における前記温度の局所的変動を提供しながら、前記第２の層における前記温度を測定するように使用され得る。一実施形態において、前記第２の層は、平坦表面と複数のカーボンナノチューブとを含み、選択されたカーボンナノチューブが、前記平坦表面に対して実質的に垂直に向けられた長手方向軸を有し、且つ、前記第１の層からの前記熱に応答して、前記長手方向軸に沿って向けられた光子を放出する。前記第１の層と前記熱電対との間に、前記第１の層からの前記熱を横方向に拡散させるために、グラフェンスタックが使用され得る。

【0030】

更なる他の一実施形態において、温度を測定するデバイスが開示され、当該デバイスは、第１の温度を持つ第１の位置に配置される本体と、前記本体から延在するカーボンナノチューブテール部とを含むカーボンナノチューブ材料の薄膜層であり、前記本体から遠位の前記カーボンナノチューブテール部の端部が、第２の温度を持つ第２の位置に配置されて基準ジャンクションを形成している、薄膜層と、前記カーボンナノチューブ材料の前記本体に結合されたジャンクション端と、前記カーボンナノチューブ材料の前記本体から離れたコンタクト端とを有する電極とを含む。前記電極の前記ジャンクション端と前記カーボンナノチューブ材料の前記本体との結合位置において、温度測定値が取得される。前記電極は、複数の電極を含むことができ、各電極が、前記カーボンナノチューブ材料の本体に結合されたジャンクション端と、前記本体から遠位のコンタクト端とを有する。一実施形態において、前記電極の幅は、約１ミル（０．０２５ｍｍ）未満である、前記電極は、電気析出又は無電解析出の何れかによって前記本体に取り付けられ得る。

【0031】

ここで使用される用語は、単に特定の実施形態を記述する目的でのものであり、発明を限定するものであることを意図するものではない。ここで使用されるとき、単数形の“ａ”、“ａｎ”、及び“ｔｈｅ”は、文脈が別のことを明瞭に指し示していない限り、複数形も含むことを意図している。更に理解されることには、用語“有する”及び／又は“有している”は、本明細書で使用されるとき、述べられる機構、整数、ステップ、処理、要素、及び／又はコンポーネントの存在を規定するが、１つ以上のその他の機構、整数、ステップ、処理、要素、コンポーネント、及び／又はこれらの群の存在又は追加を除外しない。

【0032】

以下の請求項中の全てのミーンズ・プラス・ファンクション要素又はステップ・プラス・ファンクション要素の対応する構造、材料、動作、及び均等物は、具体的にクレーム記載される他のクレーム要素と組み合わさってその機能を実行する如何なる構造、材料、又は動作をも含むことが意図される。本発明の記述は、例示及び説明の目的で提示されており、網羅的であること又は開示された形態での発明に限定されることは意図されていない。本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、数多くの変更及び変形が当業者に明らかになる。実施形態は、本発明の原理及び実際の適用を最もよく説明するために、及び当業者が、企図される特定の用途に適した様々な変更とともに例示的な実施形態に関して本発明を理解することを可能にするために、選択されて記述されている。

【0033】

本発明の例示的な実施形態について記述したが、理解されるように、当業者は、現時及び将来の双方において、以下に続く請求項の範囲に入る様々な改善及び改良を為し得る。これらの請求項は、最初に記載された発明に対する適正な保護を維持するように解釈されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】