DE69838208T2

DE69838208T2 - Magnetsensor mit Supraleiter

Info

Publication number: DE69838208T2
Application number: DE69838208T
Authority: DE
Inventors: Hirokazu 1-1. Koyakita 1-chome Itami-shi Kugai; Tatsuoki 1-1. Koyakita 1-chome Itami-shi Nagaishi; Hideo 1-1. Koyakita 1-chome Itami-shi Itozaki
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2018-11-26
Also published as: DE69838208D1; EP0926508B1; US6226538B1; JPH11186623A; EP0926508A2; EP0926508A3

Description

HINTERGRUND DER ERRFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Sensor, der einen Supraleiter einsetzt.
Zugehöriger Stand der Technik
Ein herkömmlicher Sensor, der einen SQUID (eine supraleitende quanten-interferometrische Vorrichtung) einsetzt, ist beispielsweise beschrieben in „Jpn. J. Appl. Phys. vol. 32, p. 662-664 (1993)." Zur Verbesserung der Magnetfeldauflösung eines SQUID ist es erforderlich, die Fläche zu vergrößern, mit welcher der SQUID effektiv einen Magnetfluss aufnimmt (die effektive Flussaufnahmefläche). Zu diesem Zweck werden in der voranstehend erwähnten Veröffentlichung die Abmessungen des SQUID vergrößert, um die effektive Magnetflussaufnahmefläche zu vergrößern.
Die EP 0 567 386 A (SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES) beschreibt einen SQUID-Sensor, der einen Flusstransformator gegenüberliegend dem Josephson-Übergang aufweist. Die EP 0 567 386 unterscheidet sich von der vorliegenden Anmeldung in der Hinsicht, dass der Flusstransformator und der Josephson-Übergang auf denselben Substraten vorgesehen sind. Die EP 0 567 386 offenbart kein Saphirsubstrat mit einer Ceroxidschicht und einer HoBaCuO-Verbindung zur Herstellung der Flusstransformatorkonstruktion. Weiterhin schlägt die EP 0 567 386 nicht vor, die Abmessungen des Flusstransformators zu begrenzen.
Die EP 0 775 917 A (SEIKO INSTR INC) beschreibt ein Saphirsubstrat mit Magnesiumoxid für einen Josephson-Übergang.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wenn die Abmessungen eines SQUID vergrößert werden, wird allerdings die Anzahl an SQUIDS verringert, die aus einem einzigen Wafersubstrat hergestellt werden können. Während nämlich 9 Teile von SQUIDS mit Abmessungen von 5 mm im Quadrat auf einem Substrat mit Abmessungen von 20 mm im Quadrat hergestellt werden können, kann darauf nur 1 SQUID mit Abmessungen von 17 mm im Quadrat hergestellt werden, wodurch die Herstellungskosten um einen Faktor von 9 erhöht werden. Daher wird in „Appl. Phys. Lett. vol. 63, p. 3630-3632 (1993)" ein Einzelschicht-Flusstransformator zum Zuführen eines zu detektierenden Magnetflusses gegenüberliegend dem SQUID vorgesehen, um die effektive Magnetflussaufnahmefläche zu vergrößern. Bei dieser Publikation ist eine supraleitende Dünnschicht aus YBCO auf einem YSZ-Substrat vorgesehen, um einen Flusstransformator auszubilden. Da das YSZ-Substrat teuer ist, war es jedoch nicht möglich, die Abmessungen des magnetischen Transformators zu vergrößern, um die effektive Magnetflussaufnahmefläche zu erhöhen, und einen kostengünstigen magnetischen Sensor mit hoher Leistung zu erzielen. Angesichts dieses Problems besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines kostengünstigen magnetischen Sensors mit hoher Leistung.
Zur Lösung des voranstehend geschilderten Problems weist der magnetische Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung einen Flusstransformator auf, bei dem ein supraleitender Dünnfilm auf einem Saphirsubstrat vorgesehen ist, und ein SQUID auf dem Flusstransformator gegenüberliegend angeordnet ist. Da dieser magnetische Sensor für einen Flusstransformator ein Saphirsubstrat einsetzt, das mit großen Abmessungen kostengünstig gehalten werden kann, kann selbst dann, wenn der SQIUD kleiner ausgebildet wird, der magnetische Fluss, der von dem Flusstransformator in den SQUID eingegeben wird, vergrößert werden, um die effektive Magnetflussaufnahmefläche zu vergrößern, wodurch die Detektorleistung verbessert wird, während die Herstellungskosten infolge der kleineren Abmessungen des SQUID verringert werden können. Hierbei ist unter dem Gesichtspunkt der Herstellungskosten der supraleitende Dünnfilm vorzugsweise eine einzige Schicht.
Als Ergebnis sorgfältiger Untersuchungen in Bezug auf supraleitende Materialien, die auf einem Saphirsubstrat ausgebildet werden können, haben die Erfinder herausgefunden, dass Ho-Oxid-Supraleiter als ein supraleitender Dünnfilm auf dem Saphirsubstrat ausgebildet werden können. Insbesondere wenn der supraleitende Dünnfilm als ein Dünnfilm aus HoBaCuO ausgebildet ist, und so auf dem Saphirsubstrat vorgesehen ist, dass dazwischen eine Ceroxidschicht angeordnet ist, werden sein Kristallzustand und seine Eigenschaften vorteilhaft. Wenn der Flusstransformator wie voranstehend geschildert, auf dem Saphirsubstrat vorgesehen ist, kann der SQUID kleiner ausgebildet werden. Hierbei ist der SQUID vorzugsweise wie eine Beilagscheibe geformt, mit einem ringförmigen Teil, das aus einem supraleitenden Material besteht, und weist das ringförmige Teil des SQUID einen Außendurchmesser von nicht mehr als 5 mm auf. Dieses ringförmige Teil kann an seiner Öffnung den magnetischen Fluss von dem magnetischen Transformator detektieren. Hierbei ist der Außendurchmesser des SQUID definiert durch die Quadratwurzel der Fläche jenes Teils des SQUID, welches die supraleitende, geschlossene Schleife des SQUID bildet, also die Fläche des ringförmigen Teils.
Weiterhin bildet ein vorbestimmter Abschnitt des ringförmigen Teils einen Josephson-Übergang durch Abdeckung einer Stufenkante, die darunter hindurchgeht. Der Josephson-Übergang bei der vorliegenden Erfindung ist so ausgebildet, dass ein schwacher Übergang eingesetzt wird, der an dem Stufenkantenabschnitt vorgesehen ist, wenn ein supraleitendes Material die Stufenkante abdeckt. Wenn eine derartiger Josephson-Übergang nach Art einer Stufenkante in dem ringförmigen Teil vorhanden ist, tritt ein quantenmechanischer Interferenzeffekt infolge des makroskopischen Quanteneffekts der Supraleitung auf, wodurch ermöglicht wird, die detektierende Magnetfeldempfindlichkeit zu erhöhen.
Bei dem magnetischen Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung bildet ein vorbestimmter Abschnitt des ringförmigen Teils einen Josephson-Übergang, ist bei dem ringförmigen Teil ein Schlitz zu einer Position zwischen einem vorbestimmten äußeren Eckpunkt und einem vorbestimmten inneren Eckpunkt des ringförmigen Teils von einem Punkt aus geschnitten, der von dem vorbestimmten äußeren Eckpunkt in dem äußeren Rand verschieden ist, geht der Josephson-Übergang zwischen der Seite des vorbestimmten inneren Eckpunkts eines Steges, welcher den Schlitz festlegt, und dem inneren Rand des ringförmigen Teils hindurch, weist der supraleitende Dünnfilm des Flusstransformators eine Aufnehmerspule zum Aufnehmen eines magnetischen Flusses eines Gegenstands und eine an die Aufnehmerspule angeschlossene Eingangsspule auf, und ist die Eingangsspule gegenüberliegend dem ringförmigen Teil des SQUID angeordnet, und deckt den gesamten Bereich des Schlitzes ab.
Der schwache Übergang infolge des Josephson-Übergangs wird dadurch erhalten, dass eine Korngrenze innerhalb des supraleitenden Dünnfilms mit Hilfe einer Stufenkante ausgebildet wird. Um den schwachen Übergang noch besser auszubilden, ist es vorzuziehen, dass wie voranstehend geschildert, ein Schlitz vorgesehen ist, sodass die Breite des Josephson-Übergangs verringert wird. Da die Eingangsspule des magnetischen Transformators an die Aufnehmerspule angeschlossen ist, wird der magnetische Fluss, der von der Aufnehmerspule detektiert wird, in der Eingangsspule konzentriert, um in das ringförmige Teil des SQUID gegenüberliegend der Eingangsspule eingegeben zu werden. Da der Schlitz an seiner proximalen Endseite offen ist, tritt das Magnetfeld, das in die Öffnung des ringförmigen Teils des SQUID von der Eingangsspule eingeführt werden soll, teilweise aus dem Schlitz aus. Daher setzt die vorliegende Erfindung eine solche Anordnung ein, bei welcher, wie voranstehend erwähnt, die Eingangsspule gegenüberliegend dem ringförmigen Teil des SQUID angeordnet ist, und den gesamten Bereich des Schlitzes abdeckt, wodurch der Kriecheffekt unterdrückt wird, und die Detektorempfindlichkeit verbessert wird.
Weiterhin kann, wenn der Innendurchmesser der Eingangsspule größer ist als der Außendurchmesser des ringförmigen Teils, der Magnetfluss teilweise herauskriechen, wie im Falle des voranstehend erwähnten Schlitzes. Daher setzt die vorliegende Erfindung eine derartige Anordnung ein, bei welcher der supraleitende Dünnfilm des Flusstransformators eine Aufnehmerspule zum Aufnehmen eines Magnetflusses eines Gegenstands aufweist, und eine an die Aufnehmerspule angeschlossene Eingangsspule, wobei die Eingangsspule gegenüberliegend dem ringförmigen Teil angeordnet ist, und einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Außendurchmesser des ringförmigen Teils, wodurch der Kriecheffekt unterdrückt wird, und ein größerer Anteil des Magnetfeldes in den SQUID eingebracht wird. Hierbei wird der Innendurchmesser der Eingangsspule durch die Quadratwurzel der Fläche ihres Öffnungsabschnitts definiert.
Die vorliegende Erfindung wird noch besser aus der nachstehenden, detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen verständlich, die nur zur Erläuterung dienen sollen, und nicht die vorliegende Erfindung einschränken sollen.
Der weitere Umfang der Einsetzbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der nachstehenden, detaillierten Beschreibung deutlich. Allerdings wird darauf hingewiesen, dass die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, jedoch nur zur Erläuterung dienen sollen, da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Wesens und Umfangs der Erfindung Fachleuten auf diesem Gebiet aus dieser detaillierten Beschreibung deutlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Perspektivansicht, die in Explosionsdarstellung ein Teil eines magnetischen Sensors gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines ringförmigen SQUID-Teils 1c und eines Abschnitts einer Eingangsspule 2fi, die einander gegenüberliegen.
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines ringförmigen SQUID-Teils 1c und eines Abschnitts einer modifizierten Eingangsspule 2fi, die einander gegenüberliegen.
4 ist eine Aufsicht auf einen Flusstransformator 2, gesehen von der Seite seines supraleitenden Dünnfilms 2f aus.
5 ist eine Schnittansicht des Flusstransformators 2 von 4, entlang der Pfeile der Linie I-I.
6 ist eine Aufsicht auf ein Substrat 1s aus SrTiO₃, das mit SQUIDS 1₁ bis 1₉ versehen ist.
7 ist eine Aufsicht auf ein Saphir-Substrat 2s, das mit Flusstransformatoren 2₁ bis 2₄ versehen ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nachstehend werden magnetische Sensoren gemäß Ausführungsformen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleichen Funktionen werden mit gleichen Zahlen oder Buchstaben bezeichnet, ohne ihre überlappenden Erläuterungen zu wiederholen.
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine Perspektivansicht, die einen magnetischen Sensor gemäß einer Ausführungsform zeigt. Dieser magnetische Sensor weist einen Flusstransformator 2 auf, der mit einem supraleitenden Dünnfilm 2f versehen ist, der auf einem Saphirsubstrat 2s vorgesehen ist, und einen SQUID 1, der auf dem Flusstransformator 2 gegenüberliegend angeordnet ist. Der supraleitende Dünnfilm 2f des Flusstransformators 2 weist eine Aufnehmerspule 2fp zur Aufnahme eines Magnetflusses eines Gegenstands auf, und eine Eingangsspule 2fi, die elektromagnetisch an die Aufnehmerspule 2fp angeschlossen ist. Die Eingangsspule 2fi ist gegenüberliegend einem ringförmigen Teil 1c des SQUID 1 angeordnet. Hierbei bildet das ringförmige Teil 1c ein Beilagscheibenteil, welches eine Form wie eine Beilagscheibe aufweist.
Da die Eingangsspule 2fi des magnetischen Transformators 2 an die Aufnehmerspule 2fp angeschlossen ist, wird der Magnetfluss, der von der Aufnehmerspule 2fp detektiert wird, in der Eingangsspule 2fi konzentriert, und wird in die Öffnung des ringförmigen SQUID-Teils 1c gegenüberliegend der Eingangsspule 2fi eingegeben. Das ringförmige Teil 1c kann an seiner Öffnung den Magnetfluss von dem magnetischen Transformator 2 detektieren.
Der SQUID 1 wird durch ein Substrat 1f gebildet, welches SrTiO₃ aufweist, und durch einen supraleitenden Dünnfilm 1f aus Ho₁Ba₂Cu₃O_7-x (wobei x jede reelle Zahl ist). Das ringförmige SQUID-Teil 1c ist ein Abschnitt des supraleitenden Dünnfilms 1f aus HoBaCuO und weist daher ein supraleitendes Material auf. Weiterhin stimmt das Öffnungszentrum des ringförmigen Teils 1c im Wesentlichen mit dem Zentrum der Eingangsspule 2fi überein. Das ringförmige Teil 1c bildet eine supraleitende, geschlossene Schleife, und ein vorbestimmter Abschnitt J des ringförmigen Teils 1c bildet einen Josephson-Übergang durch Abdeckung einer Stufenkante des Substrats 1s, die darunter hindurchgeht. Anders ausgedrückt, wird dieser Josephson-Übergang durch Einsatz eines schwachen Übergangs gebildet, der an dem Stufenkantenabschnitt ausgebildet wird, wenn das supraleitende Material die Stufenkante abdeckt. Dieser Josephson-Übergang des Stufenkantentyps wird durch die Schritte hergestellt, eine Stufenkante von 150 nm auf der Oberfläche eines Substrats 1s mit Abmessungen von 20 mm im Quadrat auszubilden, und dann einen supraleitenden Dünnfilm 1f mit einer Dicke von 200 nm so abzulagern, dass er die Stufenkante abdeckt. Hierbei wird ein Laserablagerungsverfahren für diese Herstellung eingesetzt.
Wenn der voranstehend erwähnte Josephson-Übergang des Stufenkantentyps in der supraleitenden, geschlossenen Schleife enthalten ist, die durch das ringförmige Teil 1c gebildet wird, tritt ein quantenmechanischer Interferenzeffekt infolge des makroskopischen Quanteneffekts der Supraleitung auf, wodurch der Magnetfluss, der von der Eingangsspule 2fi zugeführt wird, wirksam detektiert werden kann. Da bei diesem Beispiel zwei Orte von Josephson-Bauelementen J in der supraleitenden, geschlossenen Schleife vorhanden sind, variieren dann, wenn ein externer Magnetfluss in die Öffnung des ringförmigen Teils 1c von der Eingangsspule 2fi zugeführt wird, Spannungswerte, die von Klemmen 1t abgenommen werden, die an beide Enden der Schleife angeschlossen sind, wodurch der externe Magnetfluss mit hoher Genauigkeit detektiert werden kann. Bei dem magnetischen Sensor gemäß dieser Ausführungsform wird nämlich der Magnetfluss, der durch die Aufnehmerspule 2fp mit großen Abmessungen des Flusstransformators 2 detektiert wird, in der Eingangsspule 2fi mit kleinen Abmessungen konzentriert, und wird als ein externer Magnetfluss in das ringförmige Teil 1c des SQUID 1 zugeführt, und es wird die Ausgangsspannung beobachtet, um so den Magnetismus zu detektieren. Hierbei kann ebenso selbst nur ein Teil eines Josephson-Bauelements J den Magnetismus detektieren.
2 ist eine vergrößerte Ansicht des ringförmigen SQUID-Teils 1c und eines Abschnitts der Eingangsspule 2fi, die einander gegenüberliegen. Wie voranstehend erwähnt, bildet ein vorbestimmter Abschnitt des ringförmigen Teils 1c den Josephson-Übergang J. Bei dem ringförmigen Teil 1c ist ein Schlitz S zu einer Position zwischen einem vorbestimmten äußeren Eckpunkt X des ringförmigen Teils und einem vorbestimmten inneren Eckpunkt Y von einem Punkt Z geschnitten, der sich von dem vorbestimmten äußeren Eckpunkt X in dem äußeren Rand unterscheidet. Hierbei sind zwei Schlitze S so geschnitten, dass ihre jeweiligen Vorderenden an einander gegenüberliegenden Positionen über die Öffnung in Richtung von deren Breite angeordnet sind, und die Josephson-Übergänge J so angeordnet sind, dass sie zu den Schlitzen S passen.
Jeder Josephson-Übergang geht zwischen der Seite des vorbestimmten inneren Eckpunkts Y eines Steges, welcher seinen zugehörigen Schlitz S festlegt, und dem inneren Rand des ringförmigen Teils 1c hindurch. Der schwache Übergang infolge des Josephson-Übergangs J wird dadurch erhalten, dass eine Korngrenze innerhalb des supraleitenden Dünnfilms mit Hilfe einer Stufenkante ausgebildet wird. Da der Schlitz S, wie voranstehend geschildert, so ausgebildet ist, dass er die Schleifendurchgangsbreite des ringförmigen Teils 1c verengt, wird sein Übergang noch besser ausgebildet. Hierbei ist die Breite des Josephson-Übergangs gleich 3 μm, ist die Breite des Schlitzes S gleich 10 μm, ist die Breite der rechteckigen Öffnung des ringförmigen Teils 1c gleich 6 μm, ist deren Länge gleich 100 μm, und sind die Außendurchmesserabmessungen des ringförmigen Teils 1c 2 mm im Quadrat. Andererseits weist die Aufnehmerspule 2fp Außendurchmesserabmessungen von 17 mm im Quadrat auf, Innendurchmesserabmessungen von 11 mm im Quadrat, und eine Spulenbreite von 3 mm. Weiterhin weist die Eingangsspule 2fi eine Außendurchmesserabmessung von 3,5 mm im Quadrat auf, eine Innendurchmesserabmessung von 1,5 mm im Quadrat, und eine Spulenbreite von 1 mm. Hierbei ist der Außendurchmesser des ringförmigen Teils 1c des SQUID 1 definiert durch die Quadratwurzel der Fläche jenes Teils des SQUID 1, welches die supraleitende, geschlossene Schleife bildet, also die Fläche des ringförmigen Teils 1c, wogegen der Innendurchmesser der Eingangsspule 2fi durch die Quadratwurzel ihrer Öffnungsfläche definiert wird.
Wenn der Innendurchmesser der Eingangsspule 2fi größer ist als der Außendurchmesser des ringförmigen Teils 1c, kriecht der Magnetfluss teilweise heraus. Daher ist bei diesem Beispiel die Eingangsspule 2fi gegenüberliegend dem ringförmigen Teil 1c des SQUID 1 angeordnet, während der Innendurchmesser der Eingangsspule 2fi kleiner gewählt ist als der Außendurchmesser des ringförmigen Teils 1c, wodurch eine Anordnung erhalten wird, welche das Kriechen unterdrückt, sodass ein größerer Anteil des Magnetflusses in die Öffnung des SQUID 1 eingegeben wird. Hierbei kann die Eingangsspule 2fi auch so abgeändert werden, wie dies in der nächsten Zeichnung dargestellt ist.
3 ist eine vergrößerte Ansicht des ringförmigen SQUID-Teils 1c und eines Abschnitts einer abgeänderten Eingangsspule 2fi, die einander gegenüberliegen. Da die Eingangsspule 2fi des magnetischen Transformators 2 an die Aufnehmerspule 2fp angeschlossen ist, wird der Magnetfluss, der von der Aufnehmerspule 2fp detektiert wird, in der Eingangsspule 2fi konzentriert, und wird in das ringförmige SQUID-Teil 1c gegenüberliegend der Eingangswicklung 2fi eingegeben. Bei der Anordnung von 2 kann, da der Schlitz an seiner proximalen Endseite offen ist, das Magnetfeld, das in die Öffnung des ringförmigen SQUID-Teils 1c von der Eingangsspule 2fi eingegeben werden soll, teilweise aus dem Schlitz entweichen. Daher ist beim vorliegenden Beispiel die Eingangsspule 2fi gegenüberliegend dem ringförmigen Teil 1c des SQUID 1 angeordnet, und deckt den gesamten Bereich des Schlitzes S ab, wodurch eine Anordnung erhalten wird, welche den voranstehend geschilderten Kriecheffekt unterdrückt, und die Messempfindlichkeit verbessert. Die Eingangsspule 2fi weist nämlich eine rechteckige, vorstehende Fläche 2fr auf, die gegenüber dem äußeren, ringförmigen Abschnitt nach innen hin vorsteht, und der vorstehende Bereich 2fr weist eine Breite von 0,5 mm und eine Länge von 1 mm auf.
4 ist eine Aufsicht auf den Flusstransformator 2, gesehen von der Seite des supraleitenden Dünnfilms 2f aus. Bei dem Flusstransformator 2 weist im Einzelnen der supraleitende Dünnfilm 2f, der auf dem Saphirsubstrat 2s vorgesehen ist, eine rechteckige, ringförmige Dünnfilm-Aufnehmerspule 2fp und eine rechteckige, ringförmige Dünnfilm-Eingangsspule 2fi auf, die elektromagnetisch damit verbunden ist. Wie voranstehend erwähnt, ist die Öffnungsfläche der Aufnehmerspule 2fp größer als jene der Eingangsspule 2fi, und weist eine größere Breite auf.
5 ist eine Schnittansicht des Flusstransformators 2 von 4, in Pfeilrichtung der Linie I-I. Infolge sorgfältiger Untersuchungen in Bezug auf supraleitende Materialien, die auf dem Saphirsubstrat 2s ausgebildet werden können, hat sich herausgestellt, dass Ho-Oxid-Supraleiter in vorteilhafter Weise als der supraleitende Dünnfilm 2f ausgebildet werden können. Da das Saphirsubstrat 2s mit großen Abmessungen kostengünstig verfügbar ist, können die Abmessungen des Flusstransformators 2 vergrößert werden. Daher kann, selbst wenn der SQUID 1 kleiner ausgebildet ist, der Magnetfluss, der von dem Flusstransformator 2 in den SQUID 1 eingegeben wird, vergrößert werden, um die effektive Magnetflussaufnahmefläche zu vergrößern, wodurch die Detektorleistung verbessert wird, während die Herstellungskosten verringert werden können, infolge der kleineren Abmessungen des SQUID 1.
Hierbei wird es vorgezogen, dass der Außendurchmesser des ringförmigen SQUID-Teils 1c des magnetischen Sensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform nicht größer ist als 5 mm. Insbesondere wenn der supraleitende Dünnfilm 2f des magnetischen Transformators 2 aus Ho₁Ba₂Cu₃O_7-x besteht, und so auf dem Saphirsubstrat 2s vorgesehen ist, dass eine Ceroxidschicht (CeO₂) 2b als Pufferschicht dazwischen angeordnet ist, werden sein Kristallzustand und seine Eigenschaften vorteilhaft. Unter dem Gesichtspunkt der Herstellungskosten ist der supraleitende Dünnfilm 2f aus HoBaCuO vorzugsweise eine einzelne Schicht.
Weiterhin weist, anders als der SQUID 1, der Flusstransformator 2 keinen Josephson-Übergang auf, wodurch die Ausbeute des Flusstransformators 2 höher ist als jene des SQUID 1. Andererseits ist die Anzahl an Bauelementen größer, die bei einem einzelnen Substrat hergestellt werden, wenn der SQUID kleiner ist. Daher kann bei dem magnetischen Sensor gemäß dieser Ausführungsform infolge der Tatsache, dass das Saphirsubstrat 2s eingesetzt wird, der magnetische Transformator 2 mit großen Abmessungen mit hoher Ausbeute hergestellt werden, wodurch der SQUID 1 kleiner ausgebildet werden kann, und kann die Produktivität des magnetischen Sensors verbessert werden, ohne die Messgenauigkeit zu beeinträchtigen.
Als nächstes werden das Verfahren zur Herstellung des magnetischen Transformators 2 und dessen Eigenschaften erläutert. Der SQUID 1 und der Flusstransformator 2 wurden aufeinanderfolgend hergestellt, und wurden miteinander vereinigt, um einen magnetischen Sensor zu erzeugen, dessen Eigenschaften dann bewertet wurden.
6 ist eine Aufsicht auf ein Substrat 1s aus SrTiO₃, das mit SQUIDs 1 (SQUIDS 1₁ bis 1₉ ) versehen ist. Zur Herstellung der SQUIDs 1 wurden zuerst insgesamt 9 Teile einschließbarer Substrate 1s aus SrTiO₃ mit Abmessungen von 20 mm im Quadrat hergestellt, von denen jedes dem in 1 gezeigten Substrat 1s entsprach, angeordnet in einer Matrix von 3 mal 3, wie in 6 gezeigt. Nachdem eine Stufenkante von 150 nm für einen Josephson-Übergang in jeden der Substrate 1s hergestellt wurde, wurde darauf ein Dünnfilm 1f aus Ho₁Ba₂Cu₃O_7-x mit einer Dicke von 200 nm ausgebildet. Der Dünnfilm 1f wurde mit Hilfe eines Laserablagerungsverfahrens hergestellt. Danach wurde der so ausgebildete Dünnfilm 1f unter Verwendung eines photolithographischen Verfahrens mit einem Muster versehen. Schließlich wurden die einzelnen SQUIDs 1₁ bis 1₉ entlang gestrichelten Linien in der Zeichnung geschnitten, sodass sie auf 9 Teile von SQUIDs 1₁ bis 1₉ aufgeteilt waren.
7 ist eine Aufsicht auf das Saphirsubstrat 2s, das mit Flusstransformatoren 2 (Flusstransformatoren 2₁ bis 2₄ ) versehen ist, die jeweils Spulen 2fp und 2fs aufweisen. Bei der Herstellung der Flusstransformatoren 2 wurden zuerst insgesamt 4 Teile einschließbarer Saphirsubstrate 2s mit Abmessungen von 40 mm im Quadrat hergestellt, von denen jedes dem in 1 gezeigten Substrat 2s entsprach, angeordnet in einer Matrix von 2 mal 2, wie in 7 gezeigt ist. Auf jedem der so hergestellten Saphirsubstrate 2s wurde eine Pufferschicht 2b aus CeO₂ mit einer Dicke von 10 nm und ein Dünnfilm 2f aus Ho₁Ba₂Cu₃O_7-x mit einer Dicke von 200 nm aufeinanderfolgend ausgebildet. Der Dünnfilm 2f wurde mit Hilfe eines Laserablagerungsverfahrens hergestellt. Dann wurde der so ausgebildete Dünnfilm unter Verwendung eines photolithographischen Verfahrens mit einem Muster versehen. Da die Breite jeder Eingangsspule 2fi geringer war als die Breite der Aufnehmerspule 2fp, erfolgte die Musterbildung so, dass sämtliche Eingangsspulen 2fi in der Nähe der Zentrumsteile ihrer entsprechenden Substrate 2s angeordnet wurden, an denen eine Qualitätsbeeinträchtigung der dünnen Schichten weniger wahrscheinlich war. Schließlich wurden die einzelnen Flusstransformatoren 2₁ bis 2₄ entlang gestrichelter Linien in der Zeichnung so geschnitten, dass sie auf 4 Teile von Flusstransformatoren 2₁ bis 2₄ aufgeteilt waren.
Der SQUID 1 und der Flusstransformator 2, die wie geschildert hergestellt waren, wurden miteinander mit einem dazwischen liegenden Abstandsstück verbunden, sodass die Eingangsspule 2fi über dem ringförmigen Teil 1c des SQUID 1 lag, um so einen magnetischen Sensor herzustellen. Wenn dieser magnetische Sensor in flüssigen Stickstoff eingetaucht war, wurde der Magnetismus gemessen. Die effektive Magnetflussaufnahmefläche des magnetischen Sensors betrug 0,16 mm², während seine Magnetfeldauflösung gleich 120 fT/√Hz bei 10 Hz betrug.
(Zweite Ausführungsform)
Als nächstes wurde ein Flusstransformator 2, der die in 3 gezeigte, modifizierte Eingangsspule 2fi aufwies, so wie bei der ersten Ausführungsform hergestellt, und wurde mit dem SQUID 1 vereinigt, um einen magnetischen Sensor auszubilden. Mit diesem magnetischen Sensor, eingetaucht in flüssigen Stickstoff, wurde der Magnetismus gemessen. Die effektive Magnetflussaufnahmefläche dieses magnetischen Sensors betrug 0,24 mm², wogegen seine Magnetfeldauflösung gleich 80 fT/√Hz bei 10 Hz war.
(Dritte Ausführungsform)
Weiterhin wurde ein Flusstransformator 2 ähnlich jenem hergestellt, der in 3 gezeigt ist, mit Ausnahme der Tatsache, dass die Außendurchmesserabmessungen der Aufnehmerspule 2fp von 17 mm im Quadrat auf 37 mm im Quadrat geändert wurden, wie bei der ersten Ausführungsform hergestellt, und wurde mit dem SQUID 1 vereinigt, um einen magnetischen Sensor auszubilden. Mit diesem magnetischen Sensor, eingetaucht in flüssigen Stickstoff, wurde der Magnetismus gemessen. Die effektive Magnetflussaufnahmefläche dieses magnetischen Sensors betrug 0,5 mm², während seine Magnetfeldauflösung gleich 40 fT/√Hz Hz bei 10 Hz war.
(Vierte Ausführungsform)
Weiterhin kann die Eingangsspule 2fi mit mehreren Wicklungen gewickelt werden, um die Detektorleistung weiter zu erhöhen. Beim vorliegenden Beispiel wurde daher ein magnetischer Transformator 2, der mehrere Windungen der Eingangsspule 2fi aufwies, auf dem Saphirsubstrat 2s hergestellt. Die Abmessungen der Aufnehmerspule 2fp waren ebenso wie bei der ersten Ausführungsform, die Anzahl an Wicklungen der Eingangsspule 2fi betrug 20, die Leitungsbreite betrug 10 μm, und der Abstand zwischen Leitungen betrug 5 μm. In diesem Fall weist in dem Verdrahtungsteil zum Abziehen einer Ausgangsgröße von dem Wicklungszentrum der Wicklung nach außen die Eingangsspule 2fi eine Konstruktion mit drei Schichten aus supraleitendem Dünnfilm auf, mit Wicklung/Isolierfilm/Verdrahtungs-Supraleitungs-Dünnfilm. Als diese supraleitenden Dünnfilme wurde Ho₁Ba₂Cu₃O_7-x eingesetzt, während CeO₂ als der Isolierfilm eingesetzt wurde.
Der supraleitende Dünnfilm für die Wicklung als erste Schicht wurde ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform hergestellt, mit einer Dicke von 200 nm. Der isolierende Dünnfilm und der zweite supraleitende Dünnfilm für die Verdrahtung wurden durch ein Laserablagerungsverfahren hergestellt, mit einem jeweiligen Wert für die Dicke von 150 nm bzw. 200 nm. Jede der so ausgebildeten Schichten wurde auf ähnliche Weise wie bei der ersten Ausführungsform mit einem Muster versehen, um die Eingangsspule 2fi mit der voranstehend geschilderten Konstruktion mit drei Schichten zu erzeugen.
Der so hergestellte Flusstransformator 2, bei dem die Eingangsspule 2fi mehrere Wicklungen aufwies, wurde mit dem SQUID 1 vereinigt, der ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform hergestellt wurde, um so einen magnetischen Sensor auszubilden. Mit diesem magnetischen Sensor, eingetaucht in flüssigen Stickstoff, wurde der Magnetismus gemessen. Die effektive Magnetflussaufnahmefläche dieses magnetischen Sensors betrug 1,6 mm², während seine Magnetfeldauflösung 12 fT/√Hz bei 10 Hz war.
Wie voranstehend erläutert, weist der magnetische Sensor gemäß den voranstehend geschilderten Ausführungsformen den Flusstransformator 2 auf, der den supraleitenden Dünnfilm 2f aufweist, die auf dem Saphirsubstrat 2s vorgesehen sind, und den SQUID 1, der gegenüberliegend auf dem Flusstransformator 2 angeordnet ist. Bei diesem magnetischen Sensor kann infolge der Tatsache, dass das Saphirsubstrat 2s, das mit großen Abmessungen erhalten werden kann, bei dem Flusstransformator 2 eingesetzt wird, selbst dann, wenn der SQUID 1 kleiner ausgebildet wird, der magnetische Fluss, der von dem Flusstransformator 2 in den SQUID 1 eingeführt wird, vergrößert werden, sodass die effektive Magnetflussaufnahmefläche vergrößert wird, wodurch die Detektorleistung verbessert wird, während die Herstellungskosten verringert werden können, infolge der kleineren Abmessungen des SQUID 1. Hierbei können als die supraleitenden Dünnfilme 1f und 2f des SQUID 1 und des Flusstransformators 2 andere Oxid-Hochtemperatur-Supraleitungsmaterialien eingesetzt werden, beispielsweise YBaCuO (YBCO), BiSrCaCuO (BSCCO), TlBaCaCuO (TBCCO). Es wird darauf hingewiesen, dass Y in YBCO durch ein Seltenerdmetall ersetzt werden kann.
Wie voranstehend erläutert kann, da ein Saphirsubstrat bei einem Flusstransformator eingesetzt wird, der magnetische Sensor die Detektorleistung verbessern, während ermöglicht wird, die Herstellungskosten zu verringern, infolge der kleineren Abmessungen seines SQUID.

Claims

Magnetischer Sensor, welcher aufweist: einen Flusstransformator (2), der zwei Spulen (2fp, 2fi) aufweist, die elektromagnetisch miteinander verbunden sind, wobei die Spulen auf einem ersten Substrat (2s) vorgesehen sind; einen SQUID (1), der ein ringförmiges Teil (1c) gegenüberliegend dem Flusstransformator (2) aufweist, wobei das ringförmige Teil (1c) einer (2fi) der Spulen (2fp, 2fi) des Flusstransformators (2) zugewandt ist, das ringförmige Teil (1c) auf einem zweiten Substrat (1s) vorgesehen ist, und ein vorbestimmter Abschnitt (J) des ringförmigen Teils (1c) einen Josephson-Übergang durch Abdeckung einer Stufenkante bildet, die darunter hindurchgeht; wobei eine (2fp) der Spulen (2fp, 2fi) größer ist als die andere (2fi) der Spulen; die größere (2fp) der Spulen größer ist als das ringförmige Teil (1c); die kleinere (2fi) der Spulen dem ringförmigen Teil (1c) zugewandt ist; ein Außendurchmesser des ringförmigen Teils (1c) nicht größer ist als 5 mm; beide der Spulen (2fp, 2fi) und das ringförmige Teil (1c) aus einem supraleitenden Dünnfilmmaterial hergestellt sind, welches Ho, Ba, Cu and O aufweist; das erste Substrat (2s) aus einem Saphirsubstrat besteht, und eine Ceroxidschicht zwischen dem Saphirsubstrat (2s) und den Spulen (2fp, 2fi) angeordnet ist; und das zweite Substrat (1s) aus SrTiO₃ besteht.
Magnetischer Sensor nach Anspruch 1, bei welchem bei dem ringförmigen Teil (1c) ein Schlitz (S) zu einem Ort zwischen einem vorbestimmten äußeren Eckpunkt (X) und einem vorbestimmten inneren Eckpunkt (Y) des ringförmigen Teils von einem Punkt (Z) geschnitten ist, der von dem vorbestimmten äußeren Randpunkt (X) in dem äußeren Rand verschieden ist; der Josephson-Übergang zwischen der Seite des vorbestimmten inneren Randpunktes (Y) eines Steges, der den Schlitz (S) festlegt, und einem inneren Rand des ringförmigen Teils (1c) hindurchgeht; und die größere (2fp) der Spulen (2fp, 2fi) einen Magnetfluss eines zu erfassenden Gegenstands erfasst.
Magnetischer Sensor nach Anspruch 2, bei welchem die kleinere (2fi) der Spulen (2fp, 2fi) einen gesamten Bereich des Schlitzes (S) abdeckt.