JP2001194436A

JP2001194436A - 磁気計測装置

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Publication number: JP2001194436A
Application number: JP2000005867A
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; Yoshinobu Taruya; 良信樽谷; Kazuo Saito; 和夫齊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2001-07-19

Abstract

(57)【要約】（修正有）【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こと。【解決手段】基板上に形成された超電導材料からなる
薄膜１に２つのジョセフソン接合を含む超電導リンク
４，４′と電流・電圧端子で構成されるＳＱＵＩＤ６，
６′に共通の検出コイル７を直接接続した２−ＳＱＵＩ
Ｄダイレクトカップル型磁束計９において、検出コイル
７からＳＱＵＩＤ６，６′への磁束伝達効率が異なるた
めに２つのＳＱＵＩＤ６，６′の電圧−磁束特性の周期
すなわち有効面積が異なり、２つのＳＱＵＩＤ６，６′
の両端に発生する電圧の和を出力とした２−ＳＱＵＩＤ
磁束計の電圧−磁場特性において変調電圧振幅の傾きが
大きい所を動作点となるようにオフセット磁束を印加し
て、２つのＳＱＵＩＤ６，６′を同時にひとつのＦＬＬ
回路で動作させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超電導量子干渉素子
（ＳＱＵＩＤ、Superconducting 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有用な磁束計の素子構造と
その駆動方法に関する。

【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
気を無侵襲で測定できる他、航空機の機体の微細欠陥な
どを非破壊で検査できる。現在、高品質な薄膜試料が得
られることから高温超電導ＳＱＵＩＤには主にＹＢａ₂
Ｃｕ₃Ｏ_yなどのいわゆる１２３系超電導体が用いられて
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
ＳＱＵＩＤ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していないた
めである。

【０００３】図１（ａ）に一般的な１つのＳＱＵＩＤの
ダイレクトカップル型磁束計の構造模式図を示す。ＳＱ
ＵＩＤ６は超電導薄膜１に形成され，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。ＳＱＵＩＤ６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ＳＱＵＩＤ６の単体での磁束捕獲面積は小さ
い。通常、一辺が数ｍｍから数十ｍｍ程度の大きさの超
電導薄膜からなる検出コイル７をＳＱＵＩＤ６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ＳＱＵＩＤとよ
ぶ場合もあるが、本発明ではＳＱＵＩＤ６を単にＳＱＵ
ＩＤと呼び、検出コイルを含める場合は磁束計８と呼
ぶ。

【０００４】磁束計の磁場分解能Ｓ_B ^1/2は

【０００５】

【数１】

【０００６】で与えられる。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SQU
IDに固有の雑音、V_nは回路から発生する雑音電圧であ
る。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ΔＶを用いてπΔＶ
で近似できる。磁場分解能ＳＢ1/2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、「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Vn／（π・ΔＶ）が同程度になるように設計
する。

【０００７】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
（1993年）L1407頁（K． Enpuku、 Jpn． J． Appl． P
hys． 32 (1993) L 1407））。

【０００８】

【数２】

【０００９】ただし

【００１０】

【数３】

【００１１】

【数４】

【００１２】ここでＬはＳＱＵＩＤの超電導リングのイ
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。δΦ_n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。有効面積の減少は電圧−磁束特性の一周期が長い
こと，つまり，ＳＱＵＩＤに１Φ₀の磁束を加えるのに
必要な磁場が大きいことに対応する。

【００１３】別のアプローチとして同じ特性のＳＱＵＩ
Ｄを直列に接続することで有効面積が同じまま大きなΔ
Ｖを実現することが可能である。各ＳＱＵＩＤの最適バ
イアス電流が一致しており，また，電圧−磁束特性の山
と谷が完全に同期している理想的な場合、ｎ個のＳＱＵ
ＩＤを直列にした場合の出力は、単体ＳＱＵＩＤのΔＶ
のｎ倍になる。直列に接続することで個々のＳＱＵＩＤ
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Φ_SQ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。特に，磁束計の
雑音が「数１」において根号の中の第二項が支配的な場
合，つまりＳＱＵＩＤのΔＶが小さいまたは回路雑音が
大きい場合に有効である。

【００１４】Schultzeらは検出コイル７が直接ＳＱＵＩ
Ｄの超電導リング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、トランザクションオンアプラ
イドスーパーコンダクティビティ第9巻、3279頁（１
９９９年）（V． Schultze et al、 IEEE TRANSACTION
ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL．9 (1999)3279）で
報告している。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−
ＳＱＵＩＤ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、含まれる２つのＳＱＵＩＤの臨界電流値が一致して
おり，かつ，図２（ａ）に示すように２つのＳＱＵＩＤ
の磁場−電圧特性の周期と位相がほぼ完全に揃っている
必要がある。磁場−電圧特性の周期は２つのＳＱＵＩＤ
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の臨界電流値および磁場−電圧特
性の位相を一致させるためには接合特性（接合の臨界電
流値と接合抵抗値）をそろえる必要がある。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。臨界電流のず
れはバイアス電流回路を工夫することで比較的容易に調
整可能であるが，磁場−電圧特性の位相ずれの補正は難
しい。磁場−電圧特性に位相ずれがある場合は，図２
（ｂ）に示すように場合によってはΔＶがひとつのＳＱ
ＵＩＤのΔＶよりも小さくなる。

【００１５】

【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。
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ＳＱＵＩＤ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−ＳＱＵＩＤダ
イレクトカップル型磁束計において、含まれる２つのＳ
ＱＵＩＤの臨界電流および磁場−電圧特性の位相のばら
つきにより変調電圧振幅ΔＶの増加が抑制されるという
問題を解決するものである。

【００１６】

【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１０において、検出コ
イルからＳＱＵＩＤへの磁束伝達効率が若干ことなる２
つのＳＱＵＩＤ６，６’で構成する（図１（ｃ））。検
出コイルからＳＱＵＩＤへの磁束伝達効率はＳＱＵＩＤ
インダクタンスの内，検出コイルと結合している部分の
インダクタンスを調整することで容易に可能である。そ
の結果，２つのＳＱＵＩＤは周期が異なる電圧−磁場特
性（Ｖ−Φ特性）を示す（図２（ｃ））。直列に接続さ
れた２つのＳＱＵＩＤそれぞれに最適なバイアス電流を
流した状態で２つのＳＱＵＩＤの出力の和を取り出す
と，たとえ印加磁場ゼロ付近ではＶ−Φ特性の位相がず
れており，足し合わせた出力が互いに打ち消しあってい
たとしても，２つのＶ−Φ特性の周期が異なるためにあ
る周期ＦでΔＶの極大値が現れる。この極大値はほぼ２
つのＳＱＵＩＤのΔＶを足し合わせた値である。したが
って，あるオフセット磁場を加えΔＶの極大値あるいは
その近傍を動作点とすることで１−ＳＱＵＩＤの場合よ
りも大きなΔＶを確実に利用できる。また，ΔＶの極大
値が現れる周期Ｆは２つのＳＱＵＩＤの有効面積の比率
あるいは差に依存する。すなわち，有効面積が僅かしか
違わない場合は周期Ｆは大きくなる。この場合初期状態
によっては最も近い極大値を動作点にするために必要な
オフセット磁場は大きくなる。一方，有効面積が大きく
異なっている場合は周期Ｆは短くなる。この場合は，Δ
Ｖの極大値が現れる周期Ｆは短いため最も近い極大値を
動作点にするオフセット磁場は小さいが，ΔＶの極大値
が２つのＳＱＵＩＤのΔＶよりもやや小さくなる場合が
ある。また，２−ＳＱＵＩＤの有効面積は２つのＳＱＵ
ＩＤの有効面積の中間の値となるため，有効面積が大き
く異なっている場合は有効面積が小さくなる。以上のこ
とを考慮すると２つのＳＱＵＩＤの有効面積の比率は３
０：３１よりも大きくまた１：２よりも小さいほうが良
い。特にＡＣバイアスを用いる場合には２０：２１以
上，１：1。5未満が望ましい。

【００１７】以下，本発明の２つのＳＱＵＩＤの電圧−
磁場特性の周期が異なる２−ＳＱＵＩＤ磁束計を非同期
２−ＳＱＵＩＤ磁束計１０と呼ぶ。

【００１８】

【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。

【００１９】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
実施例の磁束計を上から見た模式図，（ｂ）にその断面
模式図，（ｃ）に等価回路を示す。本実施例ではバイク
リスタル粒界接合を弱結合に用いた。１５は基板であ
り、たとえば、ＳｒＴｉＯ₃（１００）バイクリスタル
基板である。該基板１５上には、超電導リング４，
４’、切り欠き２，２’、２つの弱結合３，３’および
電流・電圧端子１４，１４’よりなるＳＱＵＩＤ１２，
１３が超電導薄膜により２つ形成され、その２つのＳＱ
ＵＩＤ１２，１３が同じ超電導薄膜により形成された検
出コイル７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１８，１９が複数
個形成させる。便宜上，図の上側のＳＱＵＩＤ１２をＱ
１，下側のＳＱＵＩＤ１３をＱ２と呼び区別することに
する。本発明の第１の実施例ではＱ２の切り欠き２’を
Ｑ１の切り欠き２よりも長くすることでＳＱＵＩＤの検
出コイルと結合している部分のインダクタンスを変え
た。

【００２０】図３（ｃ）の等価回路図では検出コイルの
インダクタンスL_p1,L_p2,L_p3,L_p4とＳＱＵＩＤインダク
タンスの内検出コイルと結合しているインダクタンスL
_Q1,L_Q2以外のインダクタンスを省略している。また，弱
結合は×印で示している。本発明の非同期２−ＳＱＵＩ
Ｄダイレクトカップル型磁束計ではL_Q1とL_Q2が異なる点
に特徴がある。

【００２１】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。

【００２２】まず、基板４１として１０ｍｍ角のＳｒＴ
ｉＯ₃（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。

【００２３】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
マレーザーを用いたレーザー蒸着法で作製した。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３００ｍＴ
ｏｒｒの純酸素とし、レーザーエネルギー７０ｍＪ、レ
ーザーエネルギー密度１−２Ｊ／ｃｍ²、レーザー発信
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ー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。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、４
４は超電導膜４２の結晶粒界である（図４（ａ））。

【００２４】次に、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））。

【００２５】次に、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））。

【００２６】次に、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））。

【００２７】実施例１で作製した非同期２−ＳＱＵＩＤ
ダイレクトカップル型磁束計に含まれる２つのＳＱＵＩ
Ｄの特性を表１に示す。この表で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。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2Icが異なっている。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。本発
明の第１の実施例ではＳＱＵＩＤ１３の切り欠き２’を
ＳＱＵＩＤ１２の切り欠き２よりも長くすることでＳＱ
ＵＩＤの検出コイルと結合している部分のインダクタン
スを変えた。つまり，検出コイルと結合している部分の
インダクタンスが大きなＱ２の方がＱ１より磁束伝達効
率が良い。その結果，Ｑ２の方が有効面積A_effが大き
い。また，変調電圧振幅ΔＶはＱ２の方が小さい。これ
は，切り欠き部分の長さを変えたことにより，検出コイ
ルと結合している部分のインダクタンスだけでなくＳＱ
ＵＩＤ全体のインダクタンスが大きくなったためであ
る。「数２」より明らかなように接合特性が同程度であ
ればＳＱＵＩＤ全体のインダクタンスが大きいと変調電
圧振幅ΔＶが小さくなる。

【００２８】図５（ａ）は（ｂ）に示したバイアス電流
回路を用いて２つのＳＱＵＩＤに同時に最適なバイアス
電流を流して測定した非同期２−ＳＱＵＩＤダイレクト
カップル型磁束計のＶ−Φ特性である。用いた試料は表
１に示した試料と同じである。バイアス電流はＩ_b1を５
０μＡ，Ｉ_b2を２７μＡとして，Ｑ１，Ｑ２の両方に最
適なバイアス電流を流した。外部磁場がゼロでは２−Ｓ
ＱＵＩＤでのＶ−Φ特性の変調電圧振幅は非常に小さい
が，これは２つのＳＱＵＩＤのＶ−Φ特性の位相が外部
磁場がゼロの状態で大きくずれているためである。しか
し，３−４Φ₀程度の磁束を加えた状態では本発明の効
果によりＱ１とＱ２のΔＶの和に相当する大きな変調電
圧振幅ΔＶが得られた。

【００２９】また，図５（ｃ）は同じ構造の別の非同期
２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計の特性であ
る。接合特性の違いにより２つのＳＱＵＩＤのＶ−Φ特
性の位相差が異なっているが，逆方向にΦ₀程度の磁束
を加えた状態でやはり２つのＳＱＵＩＤのΔＶの和に相
当する変調電圧振幅を得られた。このように本発明の磁
束計では２つのＳＱＵＩＤのＶ−Φ特性の位相差がどの
ように異なっていても２つのＳＱＵＩＤのΔＶの和にほ
ぼ相当する変調電圧振幅が得られることが確認できた。

【００３０】さらに本発明の効果を調べるため高温超電
導ＳＱＵＩＤで一般的に用いられるＡＣバイアス法での
動作を検証した。使用したＡＣバイアスのＦＬＬ（Flux
Locked Loop)回路のブロック図を図６に示す。基本的
な構成は通常のＡＣバイアスのＦＬＬ回路と同じである
が，通常の磁束オフセットの調整幅が±Φ₀程度である
のに対して本発明の磁束計用のＦＬＬ回路では磁束オフ
セットの調整幅が±10Φ₀程度と大きい。磁束オフセッ
トの調整幅は２つのＳＱＵＩＤの有効面積比に応じて適
宜変更する。また，２つのＳＱＵＩＤの最適バイアス電
流が異なっていても同時に最適なバイアス連流が流せる
ように図５（ｂ）と同じバイアス電流回路が含まれてい
る。本実施例では図５（ｂ）のように１つのバイアス電
源から抵抗分割により２つのＳＱＵＩＤに異なるバイア
ス電流を流しているが，２つのバイアス電源を用いても
かまわない。

【００３１】表１にＱ１およびＱ２のみで動作させた場
合および上で述べた本発明の方法で動作させた場合の磁
束換算雑音S_Φ ^1/2を示す。本発明の効果により磁束換算
雑音S_Φ ^1/2および磁場分解能S_B ^1/2を下げることができ
た。

【００３２】

【表１】

【００３３】実施例２以下、本発明の第２の実施例を述べる。図７（ａ）に作
製した非同期２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束
計の構造模式図，（ｂ）に中央のＳＱＵＩＤ部分の拡大
図を示す。第２の実施例で作製した磁束計は２つの検出
コイルに入ってきた磁束の差を出力とする１次のグラジ
オメーター（Gradiometer）である。15x15mm²のバイク
リスタルSrTiO₃(100)基板５０上に作製した膜厚200nmの
YBa₂Cu₃O_y超伝導薄膜５１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。ベースラインをできるだけ長くするために基板に対
して斜めに２つの超伝導ループ５２，５３を持つ８の字
型の検出コイルを配置した。検出コイルが８の字型にな
っているためその中央部分５４にはそれぞれの超伝導ル
ープに鎖交した磁束の差に対応した超伝導電流が流れ
る。その超伝導電流を検出するために２つのＳＱＵＩＤ
５５，５６を図７（ｂ）のように配置した。グラジオメ
ーターではバランスが重要なので対称になるようにＳＱ
ＵＩＤや電極を配置した。本実施例ではＱ１とＱ２の切
り欠き５７，５８の長さは同じであるが，磁束伝達効率
を変えるため検出コイルと結合している部分の長さ５
９，６０を変えることでＳＱＵＩＤと検出コイルとの結
合しているインダクタンスを変えた。便宜上，結合して
いるインダクタンスが大きい方のＳＱＵＩＤ５５（図の
上側のＳＱＵＩＤ）をＱ１，小さい方のＳＱＵＩＤ５６
をＱ２と呼び区別する。

【００３４】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。

【００３５】図９に電圧−磁束特性を示す。本実施例に
置いても最適オフセット磁束で大きなΔＶが得られてい
ることがわかる。表２に実施例２の磁束計の特性を示
す。本発明の２−ＳＱＵＩＤ直列構造にする事でグラジ
オメーターの性能で最も重要な磁場勾配感度が改善され
ることがわかった。

【００３６】以上の２つの実施例からわかるように、非
同期２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計では，
接合特性やインダクタンスがばらついていても２つのＳ
ＱＵＩＤの直列接続が効果的に作用していることが分か
る。本発明は超電導体の種類に関わりなく効果的である
が，接合特性のばらつきが大きな高温超電導体では極め
て有効である。また，検出コイルとＳＱＵＩＤを入力コ
イルを介して磁気的に結合した集積型ＳＱＵＩＤにおい
ても本発明は有効である。集積型ＳＱＵＩＤについては
実施例３で述べる。

【００３７】

【表２】

【００３８】実施例３本実施例ではNb系超電導体を用いた場合について述べ
る。接合特性のばらつきが少ないNb系超電導体を用いた
場合でも素子のレイアウトや入力コイルとＳＱＵＩＤの
相互インダクタンスのずれにより２−ＳＱＵＩＤ構造に
するとＶ−Φ特性の位相ずれは生じる。したがって，本
発明はNb系超電導体でも有効となる。図９にNb系超電導
体で作製した2-SQUID磁束計の一例を示す。接合はNb-Al
O_x-Nbのトンネル接合である。本実施例では入力コイル
の巻き数を意図的に変えることで検出コイルとＳＱＵＩ
Ｄへの磁束伝達効率を変えた。高温超電導体の場合と異
なり，Nb系超電導体では２つのＳＱＵＩＤのバイアス電
流値がほぼ一致しているため，一系統のバイアス電流回
路で駆動可能である。この場合は駆動回路の磁束オフセ
ット調整幅を広くする必要があるが，基本的には従来の
回路を利用できる。つまり，ＳＱＵＩＤだけを変えるこ
とで容易に従来方法の磁気計測装置に本発明を適用でき
る。

【００３９】以上の３つの実施例からわかるように、非
同期２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計では，
接合特性やインダクタンスがばらついていても２つのＳ
ＱＵＩＤの直列接続が効果的に作用していることが分か
る。なお、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
（高温超電導）またはNb-AlO_x-Nbのトンネル接合（Nb系
超電導）としたが、段差基板を用いたステップエッジ粒
界接合でも、ランプエッジ型や積層型のＳＮＳ接合ある
いはＳＩＳ接合でも、またこれら以外の構造のジョセフ
ソン接合でも良いのは言うまでもない。また，実施例で
は磁束伝達効率を変えるのに切り欠きの長さまたは入力
コイルの巻き数を変えたが，膜厚やその他のパラメータ
で磁束伝達効率を変えても同様に効果を得ることができ
る。

【００４０】

【発明の効果】接合特性にばらつきがある２−ＳＱＵＩ
Ｄ磁束計でも、高い磁場分解能の磁束計を再現性よく提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明と従来例の構造上の違いを説明するため
の図で（ａ）、（ｂ）は１つのＳＱＵＩＤと検出コイル
および２つのＳＱＵＩＤと検出コイルを含む磁束計の従
来例の典型的な構成を示す模式図，（ｃ）は本発明によ
る２つのＳＱＵＩＤと検出コイルを含む磁束計の模式
図。

【図２】本発明の効果を説明するための図で（ａ）は位
相が一致している場合の従来例の磁束計の典型的な電圧
−磁場特性，（ｂ）は位相がずれている場合の従来例の
磁束計の典型的な電圧−磁場特性，（ｃ）は本発明によ
る磁束計の典型的な電圧−磁場特性を示す。

【図３】（ａ）は本発明の第１の実施例の磁束計の構造
を示す平面図、（ｂ）はその断面模式図，（ｃ）は第１
の実施例の磁束計の等価回路図。

【図４】本発明の第１の実施例の磁束計の作製プロセス
を工程毎に説明する断面図。

【図５】（ａ）は（ｂ）に示したバイアス電流回路で最
適バイアス電流を流して測定した本発明の２−ＳＱＵＩ
Ｄ磁束計の電圧ー磁束特性、（ｃ）は（ｂ）に示したバ
イアス電流回路で最適バイアス電流を流して測定した別
の本発明の２−ＳＱＵＩＤ磁束計の電圧ー磁束特性。

【図６】本発明の２−ＳＱＵＩＤ磁束計を駆動するため
のＡＣバイアスＦＬＬ回路のブロック図。

【図７】本発明の第２の実施例の非同期２−ＳＱＵＩＤ
グラジオメータの（ａ）平面図と（ｂ）ＳＱＵＩＤ部分
の拡大図。

【図８】第２の実施例の非同期２−ＳＱＵＩＤグラジオ
メータの電圧−磁場特性。

【図９】第３の実施例の非同期２−ＳＱＵＩＤ磁束計の
構造模式図。

【符号の説明】

１：超電導薄膜、２，２’：切り欠き、３，３’：弱結
合、４，４’：超電導リング、５：電流・電圧端子、
６，６’：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：
非同期２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル磁束計、１
1：入力コイル、１２：Ｑ１，１３：Ｑ２，１４，１
４’：電流・電圧端子、１５：基板、１６，１６’：電
流・電圧端子の電極、１７，１８：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、４４：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：基板，５１：超伝導薄
膜，５２，５３：検出コイル，５４：検出コイルの中央
部分，５５，５６：ＳＱＵＩＤ，５７，５８：切り欠
き，５９，６０：ＳＱＵＩＤインダクタのうち検出コイ
ルと結合している部分，６１：電極，６２，６２’：入
力コイル，６３，６３’：切り欠き，６４，６４’：ジ
ョセフソン接合，６５：電極，６６：検出コイル。

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者樽谷良信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)発明者齊藤和夫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Ｆターム(参考） 2G017 AA04 AD35 BA05 4C027 AA10 EE01 KK01 KK07 4M113 AA04 AA14 AA25 AA29 AA53 AA55 AC08 AC46 AD01 AD04 AD36 AD40 BA01 BA04 BA29 BC04 BC12 CA13 CA34

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された超電導材料からなる薄
膜に２つのジョセフソン接合を含む超電導リングと電流
・電圧端子で構成されるＳＱＵＩＤ２つに共通の検出コ
イルを直接接続した２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル
型磁束計において、検出コイルからＳＱＵＩＤへの磁束
伝達効率が異なるために２つのＳＱＵＩＤの電圧−磁束
特性の周期すなわち有効面積が異なり，２つのＳＱＵＩ
Ｄの両端に発生する電圧の和を出力とした２−ＳＱＵＩ
Ｄ磁束計の電圧−磁場特性において変調電圧振幅の傾き
が大きい所を動作点となるようにオフセット磁束を印加
して，２つのＳＱＵＩＤを同時にひとつのＦＬＬ回路で
動作させること特徴とする磁気計測装置。
【請求項２】２つのＳＱＵＩＤの最適バイアス電流が異
なる場合にそれぞれに最適なバイアス電流を流すことが
できるバイアス電流回路を有することを特徴とした請求
項１記載の磁気計測装置。
【請求項３】検出コイルと結合している部分のSQUIDの
インダクタンスを変えることで２つのＳＱＵＩＤに対す
る検出コイルからの磁束伝達効率を調整したことを特徴
とした請求項１または請求項２のいずれかに記載の磁気
計測装置。
【請求項４】２つのSQUIDのSQUID全体のインダクタンス
は同じであることを特徴とした請求項１から請求項３の
いずれかに記載の磁気計測装置。
【請求項５】２つのＳＱＵＩＤの電圧−磁束特性の周期
の比率すなわち有効面積の比率が30：31以上1:2未満で
あることを特徴とした請求項１から請求項４のいずれか
に記載の磁気計測装置。