JP2001153936A

JP2001153936A - ２−ｓｑｕｉｄ磁束計およびその駆動方法

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Publication number: JP2001153936A
Application number: JP33381699A
Authority: JP
Inventors: Akira Tsukamoto; 塚本　　晃; 一正 ▲高▼木; Kazumasa Takagi; Tokumi Fukazawa; 徳海深沢; Etsuhisa Saotome; 悦久五月女; Akihiko Kandori; 明彦神鳥
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2001-06-08
Anticipated expiration: 2019-11-25
Also published as: JP3692870B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高温超電導体のＳＱＵＩＤを使用したより性能
の高い磁束計を提供する。【解決手段】２つのＳＱＵＩＤが直列に接続され、その
２つのＳＱＵＩＤに共通の検出コイルを接続し、その検
出コイルに複数の電流・電圧端子を設け、最適な複数の
経路でバイアス電流を流す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高温超電導材料の応
用分野のうち、ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子：Supe
rconducting QUantum Interference Device）を使用
した超高感度の磁束計を用いた高感度磁場計測システ
ム、たとえば、心磁や脳磁などの生体磁気計測システム
や非破壊検査に適用して有用なＳＱＵＩＤおよび磁束計
の素子構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体窒素の沸点よりも高い臨界温度を持
つ高温超電導材料が発見されて以来、冷却に液体窒素や
冷凍機を用いた超電導素子の応用が検討されている。Ｓ
ＱＵＩＤは半導体など他の素子では得られない超高感度
の磁気センサであり、脳や心臓などから発生する生体磁
気の測定が無侵襲でできる他、航空機の機体の微細欠陥
などを非破壊で検査できる。

【０００３】現在、高温超電導ＳＱＵＩＤには、高品質
な薄膜試料が得られることからＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_yなどの
いわゆる１２３系超電導体が主に用いられている。ま
た、磁束計の構造としてはＮｂなどの低温超電導体の磁
束計では多層プロセスを用いて作製される集積型ＳＱＵ
ＩＤの磁束計が主流であるが、高温超電導体では単層の
超電導薄膜で形成できるダイレクトカップル型磁束計が
主流である。これは、高温超電導体ではまだ十分に信頼
できる多層構造形成プロセスが確立されていないためで
ある。

【０００４】ＳＱＵＩＤは図１（ａ）に示すように、超
電導薄膜１の切り欠き部２と弱結合３を２つ含む超電導
リング４と電流・電圧端子５とで構成される。ＳＱＵＩ
Ｄ６の素子面積は数十μm×数十μmから数百μm×数百
μm程度である。素子面積が小さいためＳＱＵＩＤ単体
６の磁束捕獲面積は小さい。通常、数十mm×数十mm程度
の大きさの超電導薄膜からなる検出コイル７をＳＱＵＩ
Ｄ６に結合させて磁束捕獲面積を大きくし、感度を向上
させている。単体のＳＱＵＩＤと検出コイルを含めてＳ
ＱＵＩＤとよぶ場合もあるが、本発明ではＳＱＵＩＤ単
体６を単にＳＱＵＩＤと呼び、検出コイルを含める場合
は磁束計８と呼ぶ。

【０００５】磁束計の磁場分解能Ｓ_B ^1/2は数１で与えら
れる。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここで、Ａ_effは有効面積、Ｓ_Φ ^1/2は回路
のノイズを含めた磁束換算雑音、Φ_SQはＳＱＵＩＤに固
有の雑音、Ｖ_nは回路から発生する雑音電圧である。

【０００８】また、ｄＶ／ｄΦは磁束−電圧変換係数
で、Ｖ−Φ特性の最大傾きで与えられ、変調電圧振幅Δ
Ｖを用いてπΔＶで近似できる。磁場分解能Ｓ_B ^1/2を下
げるためには回路のノイズを含めた磁束換算雑音Ｓ_Φ
^1/2を下げ、有効面積Ａ_effを増加させることが必要とな
る。また、Ｓ_Φ ^1/2はＳＱＵＩＤに固有の雑音と回路か
ら発生する雑音からなっているが、上記数１からわかる
ように雑音は二乗和の平方根の形で加算されるため、支
配的な雑音を下げることが磁場分解能の向上につなが
る。最高の感度を得るためには、Φ_SQとＶ_n／（π・Δ
Ｖ）が同程度になるように設計する。

【０００９】変調電圧振幅ΔＶは、熱雑音を考慮した数
値計算により導出された数２から数４で見積もることが
できる（たとえば、円福ら、ジャパニーズ・ジャーナル
・オブ・アプライド・フィジックス、第３２巻（１９９
３年）Ｌ１４０７頁（K.Enpuku, Jpn. J. Appl. Ph
ys. 32 (1993) L1407））。

【００１０】

【数２】

【００１１】ただし

【００１２】

【数３】

【００１３】

【数４】

【００１４】ここでＬはＳＱＵＩＤリングのインダクタ
ンス、Ｉ_cとＲ_nはそれぞれ弱結合の臨界電流と接合抵
抗、Ｔは動作温度、Ｋ_Bはボルツマン定数、δΦ_nは雑音
磁束と呼ばれ、熱雑音によりインダクタンスに生じる雑
音を示す。つまり、数２の第２項は熱雑音によるΔＶの
減衰を示す。δΦｎは温度ＴとインダクタンスＬの関数
であるが、７７Ｋではインダクタンスのみで決まり、イ
ンダクタンスが小さいほど熱雑音の項は小さくなる。ま
た、βはインダクタンスパラメーターと呼ばれており、
通常１〜５程度になるように設計する。数２〜数４よ
り、インダクタンスを小さくすることでΔＶが増加する
ことが判るが、インダクタンスを小さくすると検出コイ
ルとの結合が弱くなり有効面積が減少する。

【００１５】別のアプローチとして、同じ特性のＳＱＵ
ＩＤを直列に接続することで有効面積が同じまま大きな
ΔＶを実現することが可能である。理想的な場合、ｎ個
のＳＱＵＩＤを直列にした場合の出力は、単体ＳＱＵＩ
ＤのΔＶのｎ倍になる。ただし、個々のＳＱＵＩＤの臨
界電流および磁場−電圧特性（図２）の周期と位相が揃
っている必要がある。

【００１６】一方、直列に接続することで個々のＳＱＵ
ＩＤの電圧ノイズも積算されるが、電圧ノイズの位相は
ランダムであるためＳＱＵＩＤに固有の雑音ΦＳＱは√
ｎ倍にしかならない。したがって、直列にすることによ
り磁束計の磁場分解能を向上させることができる。

【００１７】Ｓｃｈｕｌｔｚｅらは検出コイル７が直接
ＳＱＵＩＤリング４に接続された構造のダイレクトカッ
プル型磁束計において、図１（ｂ）に示すように２つの
ＳＱＵＩＤ６を直列に接続することでＳＱＵＩＤが一つ
のもののほぼ２倍の変調電圧振幅が得られることをアイ
・イー・イー・イー、トランザクションズオンアプ
ライドスーパーコンダクティビティ，第９巻、３２７
９頁（１９９９年）（V. Schultze et al, IEEE T
RANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL.9
P.3279 (1999)）で報告している。

【００１８】ダイレクトカップル型磁束計では３つ以上
のＳＱＵＩＤを直列に接続することができないが、単層
の高温超電導薄膜で構成できる。彼らの磁束計（２−Ｓ
ＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計９と呼ぶことにす
る）は検出コイル７を備えており磁場分解能も大きい
が、ＳＱＵＩＤ６を２つしか直列にしていないため、含
まれる２つのＳＱＵＩＤの臨界電流および磁場−電圧特
性（図２）の周期と位相がほぼ完全に揃っていないと直
列にしたことの効果、即ちΔＶの増加を得ることができ
ない。

【００１９】磁場−電圧特性（図２）の周期は２つのＳ
ＱＵＩＤのインダクタンスを同じ値にすることで実現で
き、これは通常の微細加工技術を用いて比較的容易に実
現できる。一方、ＳＱＵＩＤの臨界電流および磁場−電
圧特性（図２）の位相を一致させるためには接合特性
（接合の臨界電流と接合抵抗）をそろえる必要がある。

【００２０】しかし、現在、弱結合として最も広く高温
超電導ＳＱＵＩＤの作製に用いられている粒界ジョセフ
ソン接合ではよくても２０−３０％程度の接合特性のば
らつきがあるため、接合特性が揃った磁束計の歩留まり
が低いのが現状である。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術で述べた
ように、高温超電導薄膜により作製されたＳＱＵＩＤお
よびそれらで構成される磁束計は様々な改良がなされて
きた。本発明はその延長線上にあり、ＳＱＵＩＤおよび
磁束計の性能を一層向上させることを課題としている。

【００２２】本発明では大きな変調電圧振幅ΔＶを実現
することで電圧−磁束換算係数を増加させ、最終的にＳ
ＱＵＩＤの磁場分解能を向上させることを可能とするも
のである。特に、ΔＶを約２倍に向上させることを狙い
とした単層の高温超電導薄膜を用いて作製可能な２−Ｓ
ＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計において、含まれ
る２つのＳＱＵＩＤの臨界電流および磁場−電圧特性
（図２）の周期と位相のばらつきにより変調電圧振幅Δ
Ｖの増加が抑制されるという問題を解決するものであ
る。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明では、単層の高温
超電導薄膜で形成された２つの弱結合を含む超電導リン
グ４と電流、電圧端子５で構成される２つのＳＱＵＩＤ
６を直列に接続するとともに、それぞれのＳＱＵＩＤ６
が共通の検出コイル７と直接結合させられた２−ＳＱＵ
ＩＤダイレクトカップル型磁束計９において、あらかじ
めその検出コイルの異なる位置に複数の電極を設ける。
そして、２つのＳＱＵＩＤの臨界電流および磁場−電圧
特性の位相がたとえずれていても、その特性に応じて適
した電極を使用し複数の経路でバイアス電流を流すこと
で、変調電圧振幅ΔＶを最大で２つのＳＱＵＩＤのΔＶ
を足し合わせた値にまで増加できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、実施例をあげて本発明をよ
り具体的に説明するが、以下の開示は本発明の一実施例
にすぎず、本発明の技術範囲を何ら限定するものではな
い。

【００２５】（実施例１）以下、本発明の第１の実施例
を述べる。図３（ａ）に本実施例の磁束計の上から見た
模式図、（ｂ）にその断面模式図、（ｃ）に等価回路を
示す。１０は基板であり、たとえば、ＳｒＴｉＯ₃（１
００）バイクリスタル基板である。上記基板１０上に
は、超電導リング４、切り欠き２、２つの弱結合３およ
び電流・電圧端子１４，１５よりなるＳＱＵＩＤ１２，
１３が超電導薄膜１により２つ形成され、その２つのＳ
ＱＵＩＤ１２，１３が同じ超電導薄膜１により形成され
た検出コイル７と直接結合している。

【００２６】すなわち、検出コイル７の一部である入力
コイル１１と超電導リング４とが兼用されている。２つ
のＳＱＵＩＤ１２，１３から外側に形成された電流・電
圧端子１４，１５には外部接続線を接続するための貴金
属薄膜よりなる端子１６，１７が形成される。また、検
出コイル７に上にも外部接続線を接続するための貴金属
薄膜よりなる端子１８〜２３が複数個形成される。ここ
で、便宜上、図の上側のＳＱＵＩＤ１２をＱ１、下側の
ＳＱＵＩＤ１３をＱ２と呼び区別することにする。

【００２７】本発明の第１の実施例では２つのＳＱＵＩ
ＤＱ１，Ｑ２を、検出コイル７を２分割する位置に配置
し、２つのＳＱＵＩＤを結ぶ線を中心として左右それぞ
れに３個、合計６個の電極１８〜２３を検出コイル上に
形成した。等価回路には検出コイルのインダクタンス２
４よりはるかに小さいＳＱＵＩＤのインダクタンスは省
略している。ちなみに、検出コイルのインダクタンスは
数ｎＨ、ＳＱＵＩＤのインダクタンスは５０−１００ｐ
Ｈ程度である。

【００２８】図４は、図３に示した実施例の作製プロセ
スを説明する図である。図３（ａ）に示すＡ−Ａ’の位
置で矢印方向に見た作製プロセスの各過程での断面図の
概要である。

【００２９】まず、基板４１として１０mm角のＳｒＴｉ
Ｏ₃（１００）バイクリスタル基板を用いた。接合角と
しては２４゜、３０゜、３６゜および４５゜などが使用
できるが、本実施例では３０゜を使用した。上記以外の
接合角も作製可能であるが、特注品となるため価格が高
い。

【００３０】基板上に膜厚１５０nmのＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y
（以下ＹＢＣＯと略す）超電導膜４２をＫｒＦエキシマ
レーザを用いたレーザ蒸着法で作製した。ターゲットに
は直径２０mmの円盤状のＹＢＣＯ焼結体を用いた。基板
温度は８００℃、成膜時の雰囲気は３００ｍTorrの純酸
素とし、レーザエネルギ７０ｍＪ、レーザエネルギ密度
１〜２Ｊ／ｃｍ²、レーザ発信周波数２Ｈｚ、基板とタ
ーゲットの間隔を約４ｃｍとして成膜を行った。この
際、ターゲットがなるべく均一に削れるように、ターゲ
ットを自転させるとともに、膜厚の分布を抑えるためレ
ーザ光線をターゲット上でラスタースキャンさせ、また
基板も回転させた。

【００３１】成膜後、酸素分圧を５Torrまで増加させ、
７６０℃から１０℃／分の速度で２００℃以下まで薄膜
試料を冷却し、成膜装置から取り出した。ここで、４３
は基板の結晶粒界、４４は超電導膜４２の結晶粒界であ
る（図４（ａ））。

【００３２】つぎに、抵抗加熱蒸着法で電極パッド用の
貴金属電極層４５としてＡｕ薄膜を、メタルマスク４６
を使用して必要な部分にのみ蒸着した。その後、電気炉
で純酸素フロー中、５００℃の熱処理を行い、ＹＢＣＯ
薄膜を十分に酸化するとともにＡｕとＹＢＣＯの界面抵
抗を低減した（図４（ｂ））。

【００３３】つぎに、作製した薄膜に膜厚６００nmの電
子線描画用のレジスト（製品名ＺＥＰ５２０、日本ゼオ
ン製）をスピンコートした。１６０℃、１０分のプリベ
ークを行った後、電子線描画法で下部ＹＢＣＯ超電導膜
用のパターンを露光し、キシレンで現像することでレジ
ストパターン４７を形成した。このパターンは、図３
（ａ）に示す磁束計のパターンである（図４（ｃ））。

【００３４】つぎに、Ａｒイオンビームエッチングでレ
ジストパターンをＹＢＣＯ超電導薄膜に転写した。Ａｒ
のガス圧は１．１×１０^-4Torr、加速電圧は５００Ｖと
した。また、イオン衝撃による試料温度の上昇を緩和す
るため、３分間のエッチングと３分間の休憩を交互に繰
り返した。この条件でのＹＢＣＯ薄膜とレジストのエッ
チング速度はそれぞれ１２nm／分および１６nm／分程度
であった。下部ＹＢＣＯ薄膜の膜厚１５０nmに対してエ
ッチング深さは２００nmとし、約５０nmのオーバーエッ
チングを行った。残ったレジストは２−ブタノン中で超
音波洗浄することで除去した（図４（ｄ））。

【００３５】実施例１で作製した磁束計に含まれる２つ
のＳＱＵＩＤの特性を表１に示す。どちらのＳＱＵＩＤ
も同じ膜厚、同じ接合幅の粒界ジョセフソン接合からな
っているが、接合特性のばらつきのため臨界電流２Ｉ_c
が異なっている。この表１で、Ｉ_c、Ｒ_nは接合１つ当た
りの臨界電流と接合抵抗を表している。ＳＱＵＩＤは２
つの接合からなるので、ＳＱＵＩＤの臨界電流は２Ｉ_c
である。

【００３６】ΔＶ_obsとＩ_b ^optはそれぞれのＳＱＵＩＤ
の最大の変調電圧振幅とそのときのバイアス電流値（最
適バイアス電流値）である。この最適バイアス電流値は
ほぼ臨界電流値に等しい。また、Ａ_eff、Ｌ_s、Ｌ_pは有
効面積、ＳＱＵＩＤのインダクタンス、検出コイルのイ
ンダクタンスである。

【００３７】

【表１】

【００３８】図５（ａ）に従来方法での２−ＳＱＵＩＤ
磁束計の測定回路を示す。測定回路には磁場印加用のコ
イルとその電源は省略した。図５（ｂ）に測定した電圧
−磁束特性（Ｖ−Φ特性）を示す。Ｑ１（１２）からで
ている電極１６に電源５１の正極を可変抵抗５０を介し
て接続し、Ｑ２（１３）からでている電極１７に電源５
１の負極を接続した。これは検出コイルの電極を使用し
ない従来の方法である。また、Ｑ１からでている電極１
６とオシロスコープの正の入力を、Ｑ２からでている電
極１７とオシロスコープの負の入力を接続した。

【００３９】図５（ｂ）はバイアス電流値を変えて測定
した電圧−磁束特性を多重露光で一枚の写真に撮影した
ものであり、バイアス電流が大きいほど電圧が大きくな
っている。

【００４０】バイアス電流が小さい場合（下側）では、
臨界電流が小さい方のＳＱＵＩＤの特性、つまりＱ１の
Ｖ−Φ特性が現れる。バイアス電流を増加させると出力
電圧が増加するとともに臨界電流が大きいＱ２の特性が
現れ始める。しかし、Ｑ２の変調電圧振幅ΔＶが最大に
なるバイアス電流では、Ｑ１に対してはバイアス電流が
過剰となり、そのΔＶは小さくなっている。また、ＳＱ
ＵＩＤの出力電圧ピークの磁場に対する位置（位相）が
Ｑ１とＱ２で異なっている。

【００４１】図５（ｃ）にΔＶのバイアス電流依存性
（実線）を示すが、グラフからわかるようにＱ１、Ｑ２
それぞれの最適バイアス電流値でΔＶが２つの極大値を
持っており、その値は表１に示したそれぞれのＳＱＵＩ
Ｄ単体のΔＶ程度であり、ΔＶは増加していない。

【００４２】つぎに、検出コイルの電極を使用した本発
明の方法で特性を評価した。まず、図５（ａ）と同じ電
極配置で、電流を臨界電流が少ないＱ１の最適バイアス
電流まで流した。バイアス電流の値は４７μＡであっ
た。図５（ｃ）からわかるように、このときのΔＶは３
５μＶである。

【００４３】つづいて、図６（ａ）に示すように第２の
バイアス電源５２として別のバイアス電源を用いてＱ２
から直接でている電極１７と検出コイル上の電極のいず
れかを接続してＱ２のジョセフソン接合に電流を流し
た。検出コイル上の電極には正極を接続した。このよう
に電流を流すことで、Ｑ１のジョセフソン接合部分には
電流を流すことなく、Ｑ２のジョセフソン接合部分に電
流を流すことができ、Ｑ１、Ｑ２の両方に最適なバイア
ス電流を流すことができる。

【００４４】検出コイル上の電極を順番に第２のバイア
ス電源５２の正極に接続して６通りの電流経路で調べ
た。図６（ａ）に示すように左上の電極２１とＱ２から
直接でている電極１７を接続した場合に最も大きなΔＶ
が得られた。

【００４５】このときのΔＶと第２のバイアスの関係を
図６（ｂ）に示す。第２のバイアス電流が２つのＳＱＵ
ＩＤの臨界電流の差にほぼ等しい２６μＡのときにΔＶ
が最大値の６５μＶになった。これは図６（ａ）に矢印
で示したように第２のバイアス電流の一部が、臨界電流
が小さいＱ１のＳＱＵＩＤリングを流れ、その電流が生
成する磁束によりＱ１のＶ−Φ特性の位相がＱ２のＶ−
Φ特性の位相と一致するように変化したためである。

【００４６】この場合、検出コイルのインダクタンスが
ＳＱＵＩＤ自体のインダクタンスよりもはるかに大きな
ことを考えるとＱ１を経由する経路とＱ１を経由しない
経路のインダクタンスがほぼ等しいので、流した第２の
バイアス電流の約半分がＱ１を経由して流れていると考
えられる。

【００４７】本発明の磁束計では検出コイルに複数の電
極を形成しており、第２のバイアス電源５２の接続位置
を変えることで臨界電流が小さい方のＳＱＵＩＤリング
に流れる電流の量と方向を変えることができる。

【００４８】例えば、第２のバイアス電源５２の正極と
検出コイルの右中の電極１９を接続した場合には臨界電
流が小さいＱ１のＳＱＵＩＤリングを流れる電流は図６
（ａ）とは逆向きになる。また、検出コイルの左中の電
極２２から直接Ｑ２に流れる経路の方のインダクタンス
がＱ１を経由する経路よりインダクタンスが小さいの
で、Ｑ１に流れる電流の絶対値も図６（ａ）より小さく
なっている。

【００４９】このように、本発明の磁束計では第２のバ
イアス電源の接続位置を変えＱ１あるいはＱ２に流れる
電流の向きと大きさを制御することで、たとえ２つのＳ
ＱＵＩＤの臨界電流とＶ−Φ特性の位相がずれていて
も、そのずれを補正して大きなΔＶを得ることができ
る。本実施例では検出コイルに６個の電極を作製した
が、より多くの電極を作製することでより細かく２つの
ＳＱＵＩＤの特性のずれを補正できることは明らかであ
る。

【００５０】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
を述べる。磁束計としては実施例１と同じものを用い
た。実施例１では２つのバイアス電源を用いたが本実施
例では図７に示すように１つのバイアス電源５１を用い
て、可変抵抗５０で分割することで２つの経路で電流を
流した。流した電流値は実施例１と同じになるように可
変抵抗５０の値を調整した。その結果、実施例１と同じ
ように６５μＶのΔＶを得ることができた。

【００５１】（実施例３）以下、本発明の第３の実施例
を述べる。磁束計としては実施例１と同じ構造であるが
１５×１５mm²の基板を用いて一回り大きな磁束計を作
製した。大きな基板を使用することで検出コイルの面積
を大きくでき、より感度が高い磁束計を作製できる。

【００５２】本実施例は、実施例１とはパターンが異な
るが、作製プロセスは同じであるので説明を省略する。

【００５３】表１に実施例３の磁束計に含まれる２つの
ＳＱＵＩＤの特性を示す。ＳＱＵＩＤの臨界電流は４０
μＡと３８μＡとほぼ一致しており、最適バイアス電流
もほぼ一致していた。しかしながら、ＳＱＵＩＤを形成
する２つの接合特性が異なっていたため、２つのＳＱＵ
ＩＤのＶ−Φ特性は位相が大きくずれており、図５
（ａ）のように電源を接続して３８から４０μＡの電流
を流しても最高で３８μＶのΔＶしか得られなかった。
これは２つのＳＱＵＩＤのΔＶの合計値６０μＶよりも
小さな値である。

【００５４】つぎに、図６（ａ）のように２つのバイア
ス電源を用いて測定したが、２つのＳＱＵＩＤの臨界電
流がほぼ等しいため第２のバイアス電流が数μＡと小さ
く、どの電極を用いてもあまり変化が見られなかった。

【００５５】そこでつぎに第１のバイアス電源５１はＱ
１の接合にだけ電流が流れるように、第２のバイアス電
源５２はＱ２の接合にだけ電流が流れるように電源を接
続した。図８にその一例を示す。この場合、第１のバイ
アス電源の負極を検出コイル上の６個の電極１８から２
３のいずれかと接続し、第１のバイアス電源の正極は可
変抵抗５０を経由してＱ１から直接でている電極１６と
接続する。

【００５６】したがって、第１のバイアス電源５１につ
いて６通りの接続の仕方がある。また、第２のバイアス
電源５２の正極を可変抵抗５０を経由して検出コイル上
の６個の電極１８〜２３のいずれかと接続し、第２のバ
イアス電源の負極はＱ２から直接でている電極１７と接
続する。第２のバイアス電源５２についても６通りの接
続の仕方がある。したがって、第１のバイアス電源５１
はＱ１の接合にだけ電流が流れるように、第２のバイア
ス電源５２はＱ２の接合にだけ電流が流れるように電源
を接続する方法として６通りかける６通りで３６通りの
異なる接続が可能である。

【００５７】異なる接続では電流の分布が異なるため、
２つのＳＱＵＩＤのＶ−Φ特性は３６通りの異なる位相
差を持つ。その中から最も位相差が少ないもの、すなわ
ち最もΔＶが大きくなる組み合わせを選択した。実施例
のＳＱＵＩＤでは図８のように電源を接続することで２
つのＳＱＵＩＤのΔＶの合計値６０μＶにほぼ一致する
５９μＶのΔＶを得た。

【００５８】このように、本発明によると２つのＳＱＵ
ＩＤの臨界電流が異なっていても、一致していても大き
なΔＶを得ることができる。本実施例では２つのバイア
ス電源を用いているが、実施例２のように周辺回路を工
夫して電流の分布をうまく制御すれば、１つのバイアス
電源でも本実施例と同じように電流を流すことができ
る。

【００５９】（実施例４）以下、本発明の第４の実施例
を述べる。図９に本実施例の磁束計の模式図を示す。１
０は基板であり、実施例１と同様、ＳｒＴｉＯ₃（１０
０）バイクリスタル基板である。上記基板１０上には、
超電導リング４、切り欠き２、弱結合３および電流・電
圧端子１４，１５よりなるＳＱＵＩＤ１２，１３が超電
導薄膜により形成される。

【００６０】第１の実施例と同様に、その２つのＳＱＵ
ＩＤ１２，１３が同じ超電導薄膜１により形成された検
出コイルと直接結合している。すなわち、検出コイル７
の一部である入力コイル１１と超電導リング４とが兼用
となっている。２つのＳＱＵＩＤ１２，１３から外側に
形成された電流・電圧端子１４，１５には外部接続線を
接続するための貴金属薄膜よりなる端子１６，１７が形
成される。また、検出コイルの上にも外部接続線を接続
するための貴金属薄膜よりなる端子２５〜３３を複数個
形成している。

【００６１】本実施例では２つのＳＱＵＩＤ１２，１３
を隣接して配置している。図１（ｂ）に示した従来から
知られている磁束計と似ているが、本発明の磁束計では
検出コイルに上に多数の電極が形成される。実施例では
９個の電極２５〜３３を作製した。本実施例は、実施例
１とはパターンが異なるが、作製プロセスは同じである
ので説明を省略する。

【００６２】表１に実施例４の磁束計に含まれる２つの
ＳＱＵＩＤの特性を示す。

【００６３】図１０は本実施例の磁束計の等価回路と測
定回路である。等価回路には検出コイルのインダクタン
スよりはるかに小さいＳＱＵＩＤのインダクタンスは省
略している。実施例２と同様に１つのバイアス電源５１
でふたつの経路にバイアス電流を流した。

【００６４】１つの経路ではＱ１側の電極１６からＱ２
側の電極１７へと、バイアス電流が２つのＳＱＵＩＤの
両方に流れている。この経路で流した電流は臨界電流が
少ないＱ１のＳＱＵＩＤの最適バイアス電流である４０
μＡとした。

【００６５】ふたつめの経路では検出コイル上の電極２
５〜３３のいずれかから、Ｑ２側の電極１７へと、バイ
アス電流をＱ２の接合にのみ流した。流すべき電流量は
Ｑ１とＱ２の最適バイアス電流値の差に相当する２５μ
Ａである。

【００６６】本実施例の構造では、検出コイル上の電極
から流した電流はＱ１のＳＱＵＩＤリングを必ず反時計
回りに流れる。しかしながら、検出コイル上には９個の
電極２５〜３３があるので、Ｑ１のＳＱＵＩＤリングを
流れる電流値を９段階で変化させることが可能である。
Ｖ−Φ特性は磁束量子Φ₀を周期とした周期関数なの
で、２つのＶ−Φ特性の位相差を０から２πまで調節で
きれば必ず２つのＳＱＵＩＤのＶ−Φ特性の位相を合わ
せることができる。

【００６７】位相差を０から２πまで調節するのに必要
な電流量はＳＱＵＩＤのインダクタンスのうち、実際に
位相調整のための電流が流れる部分のインダクタンス、
すなわち検出コイルと重なっている部分のインダクタン
ス、Ｌ_sq.cで決まる。

【００６８】本実施例ではＬ_sq.cは約５０ｐＨである。
この場合、位相差を２π変化させるのに必要な電流はΦ
₀／Ｌ_sq.c＝２×１０^-15／５０×１０^-12＝４０μＡで
ある。本実施例の磁束計ではＱ１とＱ２の最適バイアス
電流値の差が２５μＡであったので、図１０の測定系で
は位相差を０から２πまで調節することはできなかった
が、図１０の電極配置でＱ１とＱ２のΔＶの和に相当す
る約６５μＶのΔＶを得た。図１０の電極配置で位相を
０からΦ₀まで調節するためには、２つのＳＱＵＩＤの
臨界電流の差がΦ₀／Ｌ_sq.cよりも大きい必要がある。
また、Ｌ_sq.cを大きくすることで少ない電流で大きく位
相を変化できることは明らかである。

【００６９】（実施例５）以下、本発明の第５の実施例
を述べる。作製した磁束計は図９に示した実施例４と基
本的に同じ構造である。しかし、ＳＱＵＩＤインダクタ
ンスを１００ｐＨと大きくし、またＱ１の接合幅を１．
５μm、Ｑ２の接合幅を３μmとして、２つのＳＱＵＩＤ
の臨界電流を意図的に変えた。その結果、表１に示すよ
うにＱ１、Ｑ２の臨界電流はそれぞれ３２μＡ、６０μ
Ａとなり、その差は２８μＡであった。

【００７０】また、Ｌ_sq.cは約９０ｐＨ、位相を２π変
化させるのに必要な電流は２２μＡとなり、１つのバイ
アス電源を用いた図１０の測定系でも、位相差を０から
２πまで調節することが可能となった。実際に最適な電
極配置を調べることで、２つのＳＱＵＩＤのΔＶの和に
相当する４７μＶの変調電圧振幅を得た。

【００７１】以上の５つの実施例からわかるように、本
発明によれば、いずれの実施例でも２つのＳＱＵＩＤの
直列接続が効果的に作用していることが分かる。また、
ＳＱＵＩＤの重要な構成要素である弱結合は、実施例で
は、バイクリスタル基板を用いた粒界接合としたが、段
差基板でも、ランプエッジ型や積層型のＳＮＳ接合で
も、またこれら以外の構造の弱結合でもよいのは言うま
でもない。

【００７２】

【発明の効果】本発明によれば、接合特性にばらつきが
ある２−ＳＱＵＩＤ磁束計でも、高い磁場分解能の磁束
計を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例のＳＱＵＩＤと検出コイルを含む磁束計
の構成を示す平面図。

【図２】磁束計の典型的な電圧−磁場特性を示す波形
図。

【図３】本発明の第１の実施例の磁束計の平面図
（ａ）、断面模式図（ｂ）および等価回路図（ｃ）。

【図４】本発明の第１の実施例の磁束計の作製プロセス
を示す断面図。

【図５】図３の磁束計と従来例の測定回路の回路図
（ａ）、種々のバイアス電流値で測定した上記磁束計の
電圧−磁束特性図（ｂ）および変調電圧振幅ΔＶのバイ
アス電流依存性の測定図（ｃ）。

【図６】本発明の第１の実施例の磁束計にと本発明の実
施例における測定回路の回路図（ａ）および変調電圧振
幅ΔＶの第２のバイアス電流依存性の測定図（ｂ）。

【図７】本発明の第２の実施例の測定回路図。

【図８】本発明の第３の実施例の測定回路図。

【図９】本発明の第４の実施例の磁束計の構造を示す平
面図。

【図１０】本発明の第４の実施例の測定回路図。

【符号の説明】

１…超電導薄膜、２…切り欠き、３…弱結合、４…超電
導リング、５…電流・電圧端子、６…ＳＱＵＩＤ、７…
検出コイル、８…磁束計、９…２−ＳＱＵＩＤダイレク
トカップル磁束計、１０…基板、１１…入力コイル、１
２…Ｑ１、１３…Ｑ２、１４…Ｑ１のＳＱＵＩＤから外
側に形成された電流・電圧端子、１５…Ｑ２のＳＱＵＩ
Ｄから外側に形成された電流・電圧端子、１６…Ｑ１の
ＳＱＵＩＤから外側に形成された電流・電圧端子の電
極、１７…Ｑ２のＳＱＵＩＤから外側に形成された電流
・電圧端子の電極、１８−２３…検出コイル上に形成し
た電極、２４…検出コイルのインダクタンス、２５−３
３…検出コイル上に形成した電極、４１…バイクリスタ
ル基板、４２…超電導薄膜、４３…基板の結晶粒界、４
４…超電導薄膜の結晶粒界、４５…貴金属薄膜、４６…
貴金属薄膜用のメタルマスク、４７…レジスト、５０…
可変抵抗、５１…第１のバイアス電源、５２…第２のバ
イアス電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者深沢徳海埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者五月女悦久埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者神鳥明彦東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内Ｆターム(参考） 2G017 AA00 AD32 2G053 AA11 AB14 CA18 CB01 DB03 4C027 AA10 EE01 KK01 KK07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された高温超電導材料からな
る薄膜に２つの弱結合を含む超電導リングと電流・電圧
端子で構成されるＳＱＵＩＤを２個パターンニングする
とともに、２つのＳＱＵＩＤに共通の検出コイルを接続
し、その検出コイルに２つのＳＱＵＩＤのＶ−Φ特性の
位相差を調整するための複数の電流・電圧端子を設けた
ことを特徴とする２−ＳＱＵＩＤ磁束計。
【請求項２】２つのＳＱＵＩＤの最適バイアス電流値が
異なっていることを特徴とした請求項１記載の２−ＳＱ
ＵＩＤ磁束計。
【請求項３】複数の電流経路にバイアス電流を流し、そ
のバイアス電流の分布を制御することで２つのＳＱＵＩ
Ｄ間の最適バイアス電流値とＶ−Φ特性の位相のずれを
同時に調整し、２つのＳＱＵＩＤの両端に発生する電圧
の和を出力としたことを特徴とした請求項１または２に
記載の磁束計の駆動方法。
【請求項４】単一のバイアス電源を用いて、電流を分割
することで複数の電流経路にバイアス電流を流すことを
特徴とした請求項３記載の磁束計の駆動方法。