JP2012127837A - 高温超電導磁気センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板上に形成された超電導層を有し、超電導層に複数のSQUID2が形成されている高温超電導磁気センサ1において、超電導層に形成されSQUID2毎に接続又は磁気結合する複数の入力コイル5と、超電導層に形成され複数の入力コイル5と閉ループを形成するように接続された検出コイル7と、超電導層に形成され入力コイル5毎の両端を短絡しているが切断可能な複数のトリミング配線6とを有する。複数のSQUID2の電気と磁気の特性の測定結果に基づいて、高温超電導磁気センサ1の用途に適したSQUID2を選択し、選択されたSQUID2に磁気結合する入力コイル5の両端を短絡しているトリミング配線を切断する。
【選択図】図1A
Description
Φs=Ip・M
=BAp・M/(Lp+Li)
=BAp・k(Li・Ls)1/2/(Lp+Li) (1)
Aeff=Φs/B
=Ap・M/(Lp+Li)
=Ap・k(Li・Ls)1/2/(Lp+Li) (2)
Aeff=Ap・Ls/(Lp+Ls) (3)
Aeff=Ap・Ls/(Lp+ΣLs,n) (4)
Aeff=Ap・k(Li・Ls)1/2/(Lp+ΣLi,n) (5)
BT=πΦ0/4w2 (6)
基板上に形成された超電導層を有し、前記超電導層に複数の超電導量子干渉素子(SQUID)が形成されている高温超電導磁気センサにおいて、
前記超電導層に形成され、前記SQUID毎に接続又は磁気結合する複数の入力コイルと、
前記超電導層に形成され、複数の前記入力コイルと閉ループを形成するように接続された検出コイルと、
前記超電導層に形成され、前記入力コイル毎の両端を短絡しているが切断可能な複数のトリミング配線とを有することを特徴としている。
基板上に形成された超電導層を有し、前記超電導層に複数の超電導量子干渉素子(SQUID)が形成されている高温超電導磁気センサの製造方法において、
前記SQUID毎に接続又は磁気結合する複数の入力コイルと、複数の前記入力コイルと閉ループを形成するように接続された検出コイルと、前記入力コイル毎の両端を短絡している複数のトリミング配線とを、前記超電導層に形成し、
複数の前記SQUIDの電気的、磁気的特性の測定結果に基づいて、複数の前記SQUIDの中から前記高温超電導磁気センサの用途に適した前記SQUIDを選択し、
選択された前記SQUIDに接続又は磁気結合する前記入力コイルの両端を短絡している前記トリミング配線を切断することを特徴としている。
図1Aに、本発明の第1の実施形態に係る高温超電導磁気センサ1の回路図を示す。図1Aでは、トリミング配線6が未切断の状態を示している。高温超電導磁気センサ1は、複数の(図中では3個の)超電導量子干渉素子(SQUID)2を有している。
SQUID2はそれぞれ、2つのジョセフソン接合3とSQUIDインダクタ4とが直列に接続された閉ループ構造になっている。2つのジョセフソン接合3の間には、SQUIDインダクタ4の接続されている側に電極8bが接続され、SQUIDインダクタ4の接続されていない側に電極8aが接続されている。SQUID毎に、SQUIDインダクタ4に接続又は磁気結合する入力コイル5が設けられている。複数の入力コイル5は、直列に接続されている。この複数の入力コイル5の直列接続の両端に、検出コイル7が接続され、複数の入力コイル5と検出コイル7とが直列に接続された磁束トランス(入力コイル側の閉ループ)L1が形成されている。
Aeff=Ap・k(Li・Ls)1/2/(Lp+Li+(n-1)Lw) (7)
考えがちであるが、この考えは正しくない。それは、単に、トリミング配線6が切断されていない高温超電導磁気センサ1でも、トリミング配線6を切断すれば高感度化しうるのだから有用であるということに止まらない。それは、トリミング配線6が切断されていない高温超電導磁気センサ1(トリミング配線6が取付けられていない高温超電導磁気センサ1も含む)は、それが有する複数の直接結合型SQUID2はそれぞれ、感度が悪いながらも電気磁気特性を測定でき、その測定特性に基づいて、所望の直接結合型SQUID2を選択できるという有用な機能を有していると考えられるからである。この機能は、高温超電導磁気センサ1に、その選択の前から、あらかじめ、トリミング配線6を設けておくか、その選択の後にトリミング配線6を設けて、使用しない直接結合型SQUID2を稼動しないようにするかに関わらず存在していると考えられる。従来は、この機能が見逃され、トリミング配線6が切断されていない高温超電導磁気センサ1(トリミング配線6が取付けられていない高温超電導磁気センサ1も含む)ですら製造されることはなかった。
図2Aに、本発明の第2の実施形態に係る高温超電導磁気センサ1の平面図を示す。図2Aでは、トリミング配線6が未切断の状態を示している。第2の実施形態が、第1の実施形態と異なっている点は、より具体的に高温超電導磁気センサ1の平面図を示し、高温超電導磁気センサ1が有する集積型SQUID2の数が4つの場合を示している点であり、回路構成に大きな差はない。
リング9には、入力コイル5と集積型SQUID2(D1、D2、D3、D4)の近傍に、スリット9aが設けられている。スリット9aは、リング9の内側の縁には達しているが、外側の縁には達していない。スリット9aはリング9の外側の縁には達していないので、リング9は閉ループとなり開かれていない。
次に、図6のステップS1として、基板21の上に、下部超電導層(第1超電導層)DLとして、膜厚250nmのSmBa2Cu3Oy(SmBCO)をオフアクシススパッタ法によって成膜した。そして、図7(b)に示すように、下部超電導層(第1超電導層)DLを所望の回路パターン形状(例えば、SQUIDインダクタ4のパターン形状)に加工した。回路パターン形成は、フォトリソグラフィ法と、イオンミリングによるドライエッチング法で行った。
図10Aに、本発明の第3の実施形態に係る高温超電導磁気センサ1の平面図を示し、図10Bに、図10Aの高温超電導磁気センサ1の下側に配置されたSQUID2周辺の拡大図である。図10Aでは、トリミング配線6が未切断の状態を示している。第3の実施形態では、異なる構造のSQUID素子である集積型SQUID2(D2、D3、D4)と、直接結合(直結)型SQUID2(D11、D12、D13、D14)を混載した場合について述べる。
図11Aに、本発明の第4の実施形態に係る高温超電導磁気センサ1の集積型SQUID2(D1)周辺の平面図を示し、図11Bに、図11Aの集積型SQUID2(D1)周辺の拡大図を示す。図11Aでは、トリミング配線6が未切断の状態を示している。第4の実施形態でも、異なる構造のSQUID素子である集積型SQUID2(D1)と、直結型SQUID2(D11)を混載した場合について述べる。
図12Aに、本発明の第5の実施形態に係る高温超電導磁気センサ(グラジオメータ構造)1の平面図を示す。図12Aでは、トリミング配線6(61、62)が未切断の状態を示している。第5の実施形態では、本発明をグラジオメータに適用した場合について述べる。第5の実施形態でも、構成要素は、第1〜第4の実施形態と一致しており、できるだけ同じ符号を付して、説明を省略するとともに、その理解を容易にしている。
2 超電導量子干渉素子(SQUID)
3 (ランプエッジ型)ジョセフソン接合
4 SQUIDインダクタ
4a スリット
5 入力コイル
5a 引き出し配線
6 トリミング配線
6a 除去されたトリミング配線(切断部)
7 検出コイル
8a、8b、8c 電極
9 リング
9a スリット
11〜19 配線
21 基板
21a MgO基板
21b 配向制御バッファー層
21c 黒色均熱層
21d 下部絶縁層
22 層間絶縁層(絶縁層)
23 金電極層
61 第1トリミング配線
62 第2トリミング配線
71 第1検出コイル
72 第2検出コイル
C1〜C7 コンタクトホール
D1、D2、D3、D4 超電導量子干渉素子(SQUID)
D11、D12、D13、D14 超電導量子干渉素子(SQUID)
L1、L11、L12 磁束トランス(入力コイル側の閉ループ)
L2、L21、L22 トリミング配線側の閉ループ
DL 第1超電導層
UL 第2超電導層
W0 リングの幅(検出コイルにおける)
W1 リングの幅(トリミング配線における)
Claims (16)
- 基板上に形成された超電導層を有し、前記超電導層に複数の超電導量子干渉素子(SQUID)が形成されている高温超電導磁気センサにおいて、
前記超電導層に形成され、前記SQUID毎に接続又は磁気結合する複数の入力コイルと、
前記超電導層に形成され、複数の前記入力コイルと閉ループを形成するように接続された検出コイルと、
前記超電導層に形成され、前記入力コイル毎の両端を短絡しているが切断可能な複数のトリミング配線とを有することを特徴とする高温超電導磁気センサ。 - 基板上に形成された超電導層を有し、前記超電導層に複数の超電導量子干渉素子(SQUID)が形成されている高温超電導磁気センサにおいて、
前記超電導層に形成され、前記SQUID毎に接続又は磁気結合する複数の入力コイルと、
前記超電導層に形成され、複数の前記入力コイルと閉ループを形成するように接続された検出コイルと、
前記超電導層に形成され、複数の前記入力コイルの中の一部の前記入力コイルの両端を短絡しているが切断可能なトリミング配線とを有することを特徴とする高温超電導磁気センサ。 - 前記SQUID毎に設計された構造が異なっていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の高温超電導磁気センサ。
- 前記入力コイル毎に設計された構造が異なっていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の高温超電導磁気センサ。
- 前記トリミング配線のインダクタンスが、前記入力コイルのインダクタンスよりも小さいことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の高温超電導磁気センサ。
- 前記超電導層は、前記基板上に形成された第1超電導層と、前記第1超電導層の上方に絶縁層を介して形成された第2超電導層とを有し、
前記SQUIDのインダクタと前記入力コイルとは、前記第1超電導層と前記第2超電導層の相異なる層に形成され、前記絶縁層を隔て対向し、
前記入力コイルは、マルチターン構造であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の高温超電導磁気センサ。 - 複数の前記入力コイルの中の一部の前記入力コイルが、前記SQUIDのインダクタを兼ねていることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の高温超電導磁気センサ。
- 前記検出コイルは、
複数の前記入力コイルと第1閉ループを形成する第1検出コイルと、
複数の前記入力コイルを中にして前記第1検出コイルと対向するように配置され、複数の前記入力コイルと第2閉ループを形成する第2検出コイルとを有するグラジオメータ構造であり、
複数の前記トリミング配線は、
前記入力コイルそれぞれに対して前記第1検出コイル側に配置され、前記入力コイルそれぞれの両端を短絡する第1トリミング配線と、
前記入力コイルそれぞれに対して前記第2検出コイル側に配置され、前記入力コイルそれぞれの両端を短絡する第2トリミング配線とを有することを特徴とする請求項1に記載の高温超電導磁気センサ。 - 前記検出コイルは、
複数の前記入力コイルと第1閉ループを形成する第1検出コイルと、
複数の前記入力コイル中にして前記第1検出コイルと対向するように配置され、複数の前記入力コイルと第2閉ループを形成する第2検出コイルとを有するグラジオメータ構造であり、
複数の前記トリミング配線は、
複数の前記入力コイルの中の一部の前記入力コイルに対して前記第1検出コイル側に配置され、前記一部の入力コイルの両端を短絡する第1トリミング配線と、
前記一部の入力コイルに対して前記第2検出コイル側に配置され、前記一部の入力コイルの両端を短絡する第2トリミング配線とを有することを特徴とする請求項2に記載の高温超電導磁気センサ。 - 前記入力コイルは、
複数の前記SQUIDの中の一部の前記SQUIDに磁気結合する第1入力コイルと、
前記第1入力コイルに直列に接続され、複数の前記SQUIDの中の他の一部の前記SQUIDのインダクタを兼ねている第2入力コイルとを有し、
前記検出コイルは、前記第1入力コイルと前記第2入力コイルと共に閉ループを形成するように接続され、
前記トリミング配線は、前記第1入力コイルと前記第2入力コイルの直列接続の両端を短絡していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の高温超電導磁気センサ。 - 基板上に形成された超電導層を有し、前記超電導層に複数の超電導量子干渉素子(SQUID)が形成されている高温超電導磁気センサにおいて、
前記超電導層に形成され、複数の前記SQUIDの中の1つの前記SQUIDに磁気結合する第1入力コイルと、
前記超電導層に形成され、複数の前記SQUIDの中の他の1つの前記SQUIDのインダクタを兼ねている第2入力コイルと、
前記超電導層に形成され、前記第1入力コイルと前記第2入力コイルと共に閉ループを形成するように接続された検出コイルとを有することを特徴とする高温超電導磁気センサ。 - 前記超電導層に形成された薄膜状のリングを有し、
前記リングは、前記検出コイルと複数の前記トリミング配線とが直列に接続されたものであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の高温超電導磁気センサ。 - 前記トリミング配線は、前記リングの外周側に配置され、
前記入力コイルは、前記リングの内側に配置され、
前記リングの、前記入力コイルと前記トリミング配線の間には、スリットが形成され、
前記トリミング配線に相当する前記リングの幅は、前記検出コイルに相当する前記リングの幅より狭くなっていることを特徴とする請求項12に記載の高温超電導磁気センサ。 - 複数の前記トリミング配線の中の一部の前記トリミング配線に相当する前記リングにおいて、前記超電導層が削られ、前記リングが開かれていることを特徴とする請求項12又は請求項13に記載の高温超電導磁気センサ。
- 基板上に形成された超電導層を有し、前記超電導層に複数の超電導量子干渉素子(SQUID)が形成されている高温超電導磁気センサの製造方法において、
前記SQUID毎に接続又は磁気結合する複数の入力コイルと、複数の前記入力コイルと閉ループを形成するように接続された検出コイルと、前記入力コイル毎の両端を短絡している複数のトリミング配線とを、前記超電導層に形成し、
複数の前記SQUIDの電気的、磁気的特性の測定結果に基づいて、複数の前記SQUIDの中から前記高温超電導磁気センサの用途に適した前記SQUIDを選択し、
選択された前記SQUIDに接続又は磁気結合する前記入力コイルの両端を短絡している前記トリミング配線を切断することを特徴とする高温超電導磁気センサの製造方法。 - 基板上に形成された超電導層を有し、前記超電導層に複数の超電導量子干渉素子(SQUID)が形成されている高温超電導磁気センサにおいて、
前記超電導層に形成され、前記SQUID毎に磁気結合する複数の入力コイルと、
前記超電導層に形成され、複数の前記入力コイルと閉ループを形成するように接続された検出コイルとを有することを特徴とする高温超電導磁気センサ。
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