JP3139372B2 - 磁気センサ - Google Patents

磁気センサ

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JP3139372B2
JP3139372B2 JP08110302A JP11030296A JP3139372B2 JP 3139372 B2 JP3139372 B2 JP 3139372B2 JP 08110302 A JP08110302 A JP 08110302A JP 11030296 A JP11030296 A JP 11030296A JP 3139372 B2 JP3139372 B2 JP 3139372B2
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/035Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
    • G01R33/0354SQUIDS
    • G01R33/0358SQUIDS coupling the flux to the SQUID

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気センサに関す
る。より詳細には、本発明は、超電導薄膜により形成さ
れたSQUIDを含む磁気センサの新規な構成に関す
る。
【0002】
【従来の技術】超電導現象を利用したデバイスとして最
も基本的なもののひとつにSQUIDがある。SQUI
Dは、少なくともひとつの弱結合を含む環状の超電導電
流路を備えており、その内部を通過する磁束の変動に応
じて出力電圧が変化する。このような特性を利用して、
SQUIDは非常に高感度な磁気センサとして使用でき
る。従って、既に実用化されている分野もあり、更に多
くの分野で応用が期待されている。
【0003】SQUIDに含まれる弱結合は、非常に微
細な構造を含んでいる。従って、通常は、超電導材料の
薄膜を微細加工して作製される。
【0004】図8は、磁気センサとして使用することが
できるSQUIDを、超電導薄膜により作製する場合の
種々の薄膜パターンを示す図である。
【0005】図8(a) に示すように、SQUIDは、ワ
ッシャ状のパターンの環状電流路Yと、その外側に延在
する1対の端子部Z1 、Z2 とを基本的に備えている。
環状電流路Yは、中心のホールパターンHを含む四角形
のパターンを有する。また、端子部の無い辺には、それ
ぞれ切込みパターンF1 、F2 が形成されている。ホー
ルパターンHと切込みパターンF1 、F2 により画成さ
れた幅の狭い電流路に弱結合X1 、X2 が形成される。
【0006】また、実際に薄膜で作製するようになる
と、上記のようなSQUIDのパターンについて種々の
改善が提案されるようになった。
【0007】図8(b) は、"Jpn. J. Appl. Phys. Vol.3
2 (1993) p.662〜664"に記載されていたSQUIDのパ
ターンを示す。このSQUIDは、図8(a) に示したS
QUIDのパターンに対して外径が非常に大きく、且
つ、環状電流路Yを構成するワッシャ部の線路幅が広
い。ワッシャ部にはスリットパターンG1 、G2 が形成
され、この部分に弱結合X1 、X2 が形成される。この
ようなパターンでは、幅の広いワッシャ部において磁束
のフォーカシング効果が生じ、SQUID内部を通過す
る磁束の密度が高くなるので検出感度が向上される。
【0008】図8(c) は、"Appl. Phys. Lett. 57(199
0)p.727〜729"に記載されたSQUIDのパターンを示
す。同図に示すパターンでは、弱結合X1 、X2 が四角
形パターンの外部に配置される。従って、磁束トランス
と組み合わせた場合、切込みパターンF1 、F2 とホー
ルパターンHの間に形成される弱結合X1 、X2 が磁束
トランスのインプットコイルの外側に位置するので磁束
の漏洩が減少する。
【0009】図8(d) は、"Appl. Phys. Lett. 63 (199
3) p.2271 〜2273" に記載されたSQUIDのパターン
を示す。このパターンでは、1対のスリットパターンG
1 、G2 がひとつの辺に寄せて形成されている。パター
ンG1 、G2 の間にホールパターンHを延在させて細い
電流路を形成し、ここに弱結合が形成される。
【0010】上記のように大きいホールパターンを含む
SQUIDでは、ホールパターンの面積拡大に従って有
効磁束捕獲面積(Aeff )が大きくなることが判ってい
る。但し、SQUID自身のインダクタンスも同時に大
きくなるので磁束分解能は劣化する。従って、磁気セン
サとしての総合的な性能は必ずしも良くならない。
【0011】そこで、インダクタンスの増加に起因する
磁束分解能の低下を補う目的で、異なるパターン構成が
提案されている。図8(e) に示すパターンは、"Advance
s inSuperconductivity VI, Springer-Verlag, p.1119
〜1122" で開示されたパターンであり、図8(c) に示し
たパターンの変形である。即ち、このSQUIDのパタ
ーンは、ホールパターンHが細長い長方形となってお
り、図8(c) および(d)に示したSQUIDのホールパ
ターンのような正方形部分はない。
【0012】尚、図8(a) から図8(e) に示したSQU
IDにおいて、弱結合X1 、X2 はパターニングの形状
だけで形成されているとは限らない。薄膜の材料として
酸化物超電導材料を使用した場合では、ワッシャ部の細
い部分に人工粒界を形成して実質的な電流路を更に細く
する場合がある。人工粒界は、予め基板の成膜面に段差
を形成した上に酸化物超電導薄膜を被着させたり、バイ
クリスタル型接合あるいはバイエピタキシャル型接合で
弱結合部を形成する等の方法で形成できる。
【0013】尚、"Appl. Phys. Lett. 63(1993) p.2271
〜2273" に記載されているように、人工粒界が一直線状
になるように基板加工が施されていた。
【0014】上記のような構造を有するSQUIDは単
独でも磁気センサとして使えるが、実際には磁束トラン
スと組み合わせて使用する場合が多い。そのような場合
の例として、 "Appl. Phys. Lett. 66 (1995) p.373-p.
375"に記載されている磁気センサの構成を図9に示す。
【0015】図9(a) に示すように、磁気センサは、第
1基板10上に形成されたSQUID1と第2基板20上に
形成された磁束トランス2 とを組み合わせて構成され
る。
【0016】即ち、第1基板10上のSQUID1は、1
対の弱結合11aを含むワッシャ部11と、ワッシャ部11か
ら外部に向かって延在する1対の端子部12とから構成さ
れている。
【0017】第2基板20上の磁束トランス2は、互いに
結合されたピックアップコイル2aおよびインプットコ
イル2bから形成されている。ここで、ピックアップコ
イル2aの巻き数が1回であるのに対して、インプット
コイル2bは巻き数が多い。このため、インプットコイ
ル2bの中心側の端をピックアップコイル2aに接続す
る接続線路がインプットコイル2b自身と短絡しないよ
うに、インプットコイル2bの上には部分的に絶縁膜3
が装荷されている。以上のような構成の磁束トランス
も、SQUIDと同様に各種超電導材料の薄膜をパター
ニングして作製できる。
【0018】図9(b) に示すように、第1基板11および
第2基板12を貼り合わせると磁気センサが完成する。即
ち、SQUID1の中心とインプットコイル2bの中心
とが一致するように両者は貼り合わされ、磁界の検出は
ピックアップコイル2b側で行われる。尚、SQUID
と磁束トランスとは、絶縁性の接着材または適当なスペ
ーサにより絶縁されている。このような構成により、磁
気センサとしての入力感度を高くすることができる。ま
た、物理的なレイアウトの選択の範囲が広くなる。
【0019】ところで、図8に示したSQUIDにおい
て、ホールパターンHは検出対象である磁束が通過する
領域である。一方、スリットパターンG1 、G2 は単に
弱結合を形成するためのものであり、それ自体は特定の
機能を果たしているわけではない。ところが、スリット
パターンG1 、G2 は、SQUIDの外部に対して端部
が開放されているので、スリットパターンを介してSQ
UIDに取り込まれるべき磁束の一部が外部に漏洩して
しまうという問題がある。
【0020】図10は、図8(e) に示したパターンを有す
るSQUIDに磁束トランスを組み合わせて構成された
磁気センサのSQUID付近のレイアウトを拡大して示
す図である。但し、SQUIDの薄膜パターンを明瞭に
するために、図10では磁束トランスのクロスオーバーや
絶縁膜の図示は省略している。
【0021】同図に示すように、この磁気センサでは、
弱結合を形成するためのスリットパターンG1 、G2
インプットコイル2bの内側に入り込んで形成されてい
る。ここで、スリットパターンG1 、G2 の一端はSQ
UIDの外側に開放されているので、インプットコイル
からSQUIDに伝達されるべき磁束の一部はスリット
パターンG1 2 から外部に漏洩し、結果的に磁気セン
サとしての性能を劣化させている。
【0022】そこで、 "Appl. Phys. Lett. 66 (1995)
p.373〜375"で提案されているように、図8(f) に示す
パターンを有するSQUIDでは、ホールパターンHを
長方形にして、スリットパターンG1 、G2 との近接部
をSQUIDの外周側に追いやることによりスリットパ
ターンの面積を小さくしている。
【0023】更に、SQUID自体とは絶縁された他の
超電導薄膜でスリットパターンを覆うことにより有効磁
束捕獲面積(Aeff )を大きくしたり、さらにホールパ
ターンの一部も覆って出力電圧(VPP)を上昇させると
いう工夫も提案されている。この方法については、"Jp
n.J.Appl.Phys. Vol.32 (1993) p.662 〜664"や"Appl.P
hys. Lett. 63 (1994) p.366〜368"に詳細な記載があ
る。また更に、SQUIDのインダクタンスに対して並
列にダンピング抵抗を付加することによりSQUIDの
出力電圧(VPP)を向上させる等の工夫も提案されてい
る。この種のダンピング抵抗については、"J. Appl. Ph
ys. Vol.73 No.11 (1993) p.7929〜7934"に記載があ
る。
【0024】更に、"Jpn. J. Appl. Phys. Vol.32 (199
3) p.662〜664"に記載されているように、SQUIDの
ワッシャパターンの外径を大きくして磁束捕獲面積を向
上させるという工夫も提案されている。
【0025】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、超電導
材料薄膜により形成されるSQUIDに対しては様々な
改良がなされてきた。本願発明は、上記のような技術課
題の延長上にあり、SQUIDの性能を一層向上させる
ことをその目的としている。
【0026】
【課題を解決するための手段】本発明により、ワッシャ
パターン、該ワッシャパターンの中に形成されたホー。
パターンおよび該ワッシャパターンの外縁から該ホール
に向かって延在する1対のスリットパターンを、基板上
に被着された超電導薄膜をパターニングすることにより
形成してなるSQUIDを備えた磁気センサにおいて、
該ホールパターンが長方形であり、且つ、該スリットパ
ターンが、該ワッシャパターンの外周縁部のうち該ホー
ルパターンとの間の距離が最も短い辺から該ホールパタ
ーンの長辺と平行に形成された線状のパターンであり、
該ホールパターンと該スリットパターンとの間隔が最も
狭い領域にのみ人工粒界が形成されており、且つ、該領
域以外には人工粒界が全く形成されていないことを特徴
とする磁気センサが提供される。
【0027】また、本発明の一態様に従うと、上記本発
明に係る磁気センサにおいて、ホールパターンの長辺の
長さは、短辺の長さの5倍以上であることが好ましい。
【0028】更に、上記本発明に係る磁気センサのSQ
UIDには、磁束トランス、ダンピング抵抗、超電導薄
膜カバー等の付加的部材を任意の組み合わせて装着する
ことができる。
【0029】また更に、本発明の一態様に従うと、SQ
UIDのワッシャパターンは、正方形に換算したときの
1辺の長さが10mm以上 200mm以下であることが好まし
い。ここで、「正方形に換算したときの1辺の長さ」と
は、ワッシャパターンの外周で囲まれた領域の面積の平
方根をとったものである。
【0030】
【発明の実施の形態】本発明に係る磁気センサは、その
SQUIDを構成する超電導薄膜のパターン並びに弱結
合を形成するための人工粒界のパターンに主要な特徴が
ある。
【0031】即ち、SQUIDの弱結合部では、超電導
電流路を極限まで細くする必要があり、超電導薄膜のパ
ターンだけで弱結合を形成することは難しい。一方、弱
結合部以外の領域に形成された人工粒界は、ノイズ源と
なってSQUIDの特性を劣化させることが判った。そ
こで、本発明に係る磁気センサでは、折れ曲がったパタ
ーンの人工粒界を形成することにより、弱結合部以外の
領域には人工粒界が形成されないように工夫されてい
る。
【0032】尚、人工粒界形成方法は、予め加工して段
差を形成した基板上に超電導薄膜を被着させることによ
り形成する方法が容易且つ確実である。この方法は、バ
イクリスタル基板を用いる方法よりも作製が容易であ
る。また、バイエピタキシャル型の人工粒界を形成する
方法よりも工程数が少ない。
【0033】本発明に係る磁気センサの他の特徴は、S
QUIDのホールパターンを長方形にして、ワッシャ部
の外周に近い位置に弱結合が形成できるようにしている
ことである。このような構成により、スリットパターン
の開口面積を小さくなり磁界の漏洩が低減される。
【0034】ここで、ホールパターンの長辺の長さは、
短辺の長さの5倍以上であることが好ましい。その理由
は、長辺の長さが5倍未満の場合は、十分な有効磁束捕
獲面積が得られないからである。
【0035】上記のような一連の特徴を有する本発明の
磁束センサは、酸化物超電導薄膜で形成できる。酸化物
超電導材料には高い超電導臨界温度を示すものがあり、
比較的簡単な冷却設備で超電導現象を利用できる等の利
点が知られている。
【0036】更に、上記本発明に係る磁気センサに対し
ても、従来から知られている種々の改良技術を有効に適
用することができる。
【0037】即ち、SQUIDに磁束トランスを組み合
わせて磁気センサを構成した場合はインプットコイルと
スリットパターンとの重複面積が減少するので、SQU
IDと磁束トランスとの結合係数(α)が改善される。
【0038】また、面積が小さくなったとはいえ、スリ
ットパターンからの磁束の漏洩は依然として残っている
ので、スリットパターンを覆う超電導薄膜カバーを併用
することにより磁束の漏洩を更に低減することができ
る。
【0039】更に、上記超電導薄膜カバーでSQUID
のホールパターンの一部まで覆うことにより、SQUI
Dの出力電圧(VPP)を上昇させることもできる。
【0040】また更に、SQUIDに、SQUIDのイ
ンダクタンスと並列なダンピング抵抗を装着してSQU
IDの出力電圧(VPP)を上昇させるこもできる。
【0041】尚、超電導薄膜として酸化物超電導薄膜を
用いた超電導薄膜上にダンピング抵抗としての金属薄膜
を装荷する場合、Auおよび/またはAgの薄膜を介して金
属薄膜を被着させることが好ましい。その理由は、金属
薄膜の付着強度が高くなること、および、接触抵抗が低
くなることである。
【0042】上記のような一連の改良技術、即ち、磁束
トランス、超電導薄膜カバー、ダンピング抵抗は、何れ
も任意の組合せで複数採用することができる。この場
合、具体的に後述するように、磁気センサとしての特性
はより一層改善される。
【0043】また更に、SQUIDのワッシャパターン
の寸法を、正方形に換算したときの1辺の長さで10mm以
上とすることにより磁束捕獲面積を向上させることがで
きる。尚、同寸法が、正方形に換算したときの1辺の長
さで 200mmを超えると、実際に成膜した酸化物超電導薄
膜の品質が劣化するので、 200mm以下程度とすることが
好ましい。ただし、さらに大面積の良質の酸化物超電導
薄膜が作製できればワッシャパターンの寸法を 200mm以
上とすることも可能である。
【0044】以下、図面を参照し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過ぎ
ず、本発明の技術的範囲を何等限定するものではない。
【0045】
【実施例】
〔実施例1〕図1は、本発明に係る磁気センサの具体的
な構成例を、図10に対応させて示す図である。
【0046】図1(a) に示すように、この磁気センサと
してのSQUID1は、正方形の輪郭を有する環状電流
路や、1対の外部端子Z1 、Z2 の配置については図8
に示した従来例と共通している。但し、このSQUID
では、SQUIDに弱結合部X1 、X2 を形成するため
のスリットパターンG1 、G2 が、長方形のホールパタ
ーンHの長辺と平行に形成されている。このような形状
のSQUIDは、例えば、SrTiO3 基板上にレーザ蒸着
法により被着させたY1Ba2Cu37-x 薄膜をパターニン
グして作製できる。
【0047】更に、このSQUIDでは、図中に点線S
で示すような段差を基板上に予め形成した上でY1Ba2Cu
37-x 薄膜を被着させることにより、弱結合部X1
2に人工粒界を形成してジョセフソン接合としてい
る。尚、点線Sにより示す段差が折れ曲がったパターン
を描いているのは、弱結合部X1 、X2 以外の部分でS
QUIDの環状電流路上に人工粒界が形成されないよう
にしたためである。このSQUIDの他の仕様は、下記
の表1に示す通りである。
【0048】
【表1】
【0049】更に、比較のために、図2に示すように、
段差S1 を直線状に形成した基板を用いて、他の仕様は
同じに作製した比較試料も作製した。
【0050】以上のようにして作製した2つの試料につ
いて、77Kにおける磁束分解能を測定した。測定結果を
表2に示す。
【0051】
【表2】
【0052】上記の測定結果から判るように、環状電流
路に不要な人工粒界が形成されていると磁束分解能が劣
化する。これは、不要な人工粒界からノイズが発生する
ためである。
【0053】以下の実施例2から実施例11では、実施例
1と同様なパターンのSQUIDを用いて、人工粒界を
必要箇所以外に形成しないことによりノイズを低減し、
磁束分解能を向上させた磁気センサに対して、有効磁束
捕獲面積や出力電圧の改善を行った。
【0054】〔実施例2〕SQUIDにおけるホールパ
ターンの長さと特性との関係を調べた。実施例1と同じ
材料を使用し、基本的には同じ構造の試料を下記の表3
および表4に示す仕様で作製した。尚、各試料におい
て、弱結合を形成するための段差の形状も、図1に示し
たように弱結合部においてのみ環状電流路と交差するも
のとした。これらの各試料について、77Kにおける有効
磁束捕獲面積(Aeff )および出力電圧(VPP)をそれ
ぞれ測定した。測定結果を表3および表4に併せて示
す。
【0055】
【表3】
【0056】
【表4】
【0057】更に、比較のために、図8(b) に示した従
来の磁気センサと同じパターンを有するSQUIDを作
製して、これを比較試料(試料番号0)として、同様に
77Kの特性を測定した。この比較試料の仕様と評価結果
とを表5に併せて示す。
【0058】
【表5】
【0059】特に試料番号5および6と試料番号0の各
試料の有効磁束捕獲面積Aeff の測定結果を比較する
と、SQUIDのホールパターンの長辺の長さが短辺の
長さの5倍以上あることが好ましいことが判る。
【0060】〔実施例3〕図1(b) に示した形状のイン
プットコイルを備えた磁束トランスを、実施例2でSQ
UIDを作製するために用いた酸化物超電導薄膜と同じ
材料で作製し、実施例2で作製したSQUIDと組み合
わせて磁気センサを作製した。磁束トランスのクロスオ
ーバーの形成に必要な絶縁膜としてはSrTiO3 薄膜を用
いた。なお、SQUIDの薄膜パターンを明瞭にするた
めに、図1(b) では、クロスオーバーや絶縁膜の図示は
省略している。磁束トランスの他の仕様は下記の表6に
示す通りである。
【0061】
【表6】
【0062】ここで、図1(b) と図10とを比較すると判
るように、本願発明に係る磁気センサのSQUIDでは
各スリットパターンG1 、G2 とインプットコイル2b
との重複部分の面積が明らかに少ない。このため、スリ
ットパターンから外部に漏洩する磁束が少なくなり、磁
束トランスとSQUIDとの結合係数が改善される。
尚、各磁気センサにおけるSQUIDのスリットパター
ンとインプットコイルとの重複部分の面積は、各々下記
の表7に示す通りである。
【0063】
【表7】
【0064】図3は、上記各試料におけるホールパター
ンの長さ(a)と有効磁束捕獲面積(Aeff )または結
合係数(α)との関係を示すグラフである。
【0065】図3(a) から、ホールパターンの長さが大
きくなるほど、即ち、スリットパターンとインプットコ
イルとの重複面積が小さいほど、磁気センサとしての有
効磁束捕獲面積が大きくなっていることが判る。
【0066】また、実際には、ホールパターンの長さが
大きくなるとSQUIDのインダクタンスが大きくな
り、有効磁束捕獲面積(Aeff )にも影響がある。そこ
で、SQUIDとインプットコイルとの結合係数を計算
したところ、図3(b) に示すように、ホールパターンの
長さが大きくなるにつれて結合係数(α)が向上されて
いることが確認された。
【0067】〔実施例4〕本発明に係る磁気センサに対
して超電導薄膜カバーを装着した場合の効果を調べた。
まず、図4(a) に示すような構成のカバーを作製して、
実施例1で作製したSQUIDに装着して特性を比較し
た。即ち、このカバーは、図4(a) に示すように、基板
100 に被着させた1mm×5mmのY1Ba2Cu37-x 薄膜101
である。この基板100 をSQUIDの基板に貼り合わ
せて、SQUIDのスリットパターンG1 、G2 を超電
導薄膜カバーで覆った磁気センサを作製した。また、こ
の超電導薄膜カバーは、図4(b) に示すようにSQUI
Dのホールパターンの一部も覆っており、このためにホ
ールパターンの実質的な開口部長が短くなっている。
尚、図中に示す通り、最終的なホールパターンの開口部
長さは 160μmとした。また、基板100 は絶縁性の接着
材によりSQUID基板に接着したので、SQUID自
体とY1Ba2Cu37-x 薄膜とは相互に絶縁されている。
【0068】上記のようなカバーを備えた磁気センサ
と、カバーを装着していない単独のSQUIDとについ
て、それぞれ77Kにおける有効磁束捕獲面積(Aeff
と出力電圧(VPP)とを測定した。測定結果を表8に示
す。また、他の仕様は共通で、カバー無しでホールパタ
ーンの長さを 160μmに短縮したSQUIDの特性も合
わせて示す。
【0069】
【表8】
【0070】表8に示す結果から判るように、SQUI
Dのホールパターンの一部を超電導薄膜により覆って実
質的なホール長を短くしたSQUIDでは、有効磁束捕
獲面積(Aeff )および出力電圧(VPP)がいずれも向
上されている。尚、ホールの開口部を更に短くするとS
QUIDの出力電圧(VPP)は上昇していくが、有効磁
束捕獲面積(Aeff )はある点から逆に減少する。従っ
て、特に大きな出力電圧が必要な場合は、有効磁束捕獲
面積(Aeff )を犠牲にして出力電圧(VPP)を大きく
することもできる。
【0071】〔実施例5〕実施例4とは異なる方法でも
超電導薄膜カバーを装着することができる。すなわち、
実施例4ではSQUIDを装荷した基板とは別の基板に
カバーとなる超電導薄膜を形成したが、本実施例では、
SQUIDの装荷されている基板上に更に絶縁層ともう
1層の超電導薄膜とを積層してカバーを形成する。具体
的な手順を以下に述べる。
【0072】図5(a) に示すように、既にSQUID1
の形成された基板上に、図中で点線で示す領域にのみ、
厚さ2000Åの絶縁層Iを形成し、更に、この絶縁層Iよ
りも十分に小さな領域(図中に斜線で示す)で、カバー
Cとしての厚さ3000Åの超電導薄膜を絶縁層I上に形成
した。絶縁層Iの材料としては基板と同じSrTiO3 を用
いた。また、カバーCの材料としては、SQUIDと同
じY1Ba2Cu37-x を用いた。この結果、図5(b) に示
すような層構成のカバーが形成された。以上のような構
造で、実施例4と同様に、SQUIDのホール開口長さ
が 160μmとなるように 1.5mm×1.5mm のカバーCとし
てのY1Ba2Cu37-x 薄膜を形成した。得られたカバー
付きのSQUIDの77Kにおける有効磁束捕獲面積(A
eff )および出力電圧(VPP)の測定結果を、カバー無
しのSQUIDについての測定結果と合わせて表9に示
す。
【0073】
【表9】
【0074】表に示す結果から判るように、この構造で
も、実施例4の構造と同等の効果が得られた。
【0075】〔実施例6〕薄膜で作製する磁束トランス
のインプットコイルは渦巻き状のパターンを有してい
る。従って、インプットコイルの内側の端部をピックア
ップコイルに接続するためには、インプットコイルのラ
インと重なるクロスオーバーが必要になる。クロスオー
バーは、インプットコイルを短絡させないように絶縁膜
を介して形成されるので、クロスオーバーとカバーとを
一体の超電導薄膜で形成することができる。
【0076】図6は、上述のようなクロスオーバーと兼
用の超電導薄膜カバーを備えた磁気センサの構成例を示
す図である。
【0077】図6(a) に示すように、ここで作製した磁
気センサでは、絶縁膜3上に装荷される超電導薄膜C
が、SQUIDのカバーと磁束トランスのクロスオーバ
ーとを兼ねている。また、図6(b) に示すように、この
クロスオーバーとしての超電導薄膜Cは、SQUIDの
スリットパターンG1 、G2 全体とホールパターンHの
一部とを覆っている。
【0078】実施例1で作製した試料と同じ仕様のSQ
UIDを用いて、上記のような構成の磁気センサを作製
して試料Xとし、77Kにおける特性を測定した。また、
カバーとして機能しない、通常の線幅のクロスオーバー
を備えた磁束トランスを作製して試料Yを作製し、同じ
条件で特性を測定した。更に、比較のために、SQUI
D単独についても試料Zとして同様な測定を行った。測
定結果を表10に併せて示す。
【0079】
【表10】
【0080】表10に示す結果から、本発明に係る磁気セ
ンサにおいてもカバーの効果が有効であることが判る。
尚、通常の磁束トランスを装着した試料Yの場合でも出
力電圧(VPP)が向上しているが、これは、インプット
コイルのラインを形成している超電導薄膜がSQUID
のスリットパターンおよびホールパターンを横切ってい
ることによるものである。
【0081】〔実施例7〕実施例1で作製したSQUI
Dと同じ仕様のSQUIDに、Moを材料としたダンピン
グ抵抗を付加してその効果を調べた。ダンピング抵抗の
形成は下記のように行った。即ち、SQUIDを形成す
るY1Ba2Cu37-x 薄膜の成膜後に、図7(a) に示す領
域Mが開口した金属マスクを用いて厚さ1000ÅのAg薄膜
と厚さ1000ÅのAu薄膜とを順次被着させた。実際には、
Ag薄膜およびAu薄膜はダンピング抵抗を形成する領域よ
りも広い領域に形成し、SQUID形成のためのパター
ニングを行う際に、Y1Ba2Cu37-x 薄膜上の必要な領
域に被着した不要なAg薄膜およびAu薄膜を除去するとい
う手順で行われる。次に、これらAg薄膜およびAu薄膜を
下地として、図7(b) に示す領域Rにダンピング抵抗と
してのMo薄膜を被着させた。なお、Mo薄膜のパターニン
グはリフトオフ法により行った。以上のような一連の操
作により図7(c) に示すような層構成のダンピング抵抗
が形成された。実際に形成されたダンピング抵抗として
のMo薄膜は、幅10μm、厚さ1000Åであった。
【0082】以上のようにして作製したダンピング抵抗
付きのSQUIDと、ダンピング抵抗の無い単独のSQ
UIDとについて、それぞれ77Kにおける出力電圧(V
PP)を測定した。測定結果を表11に示す。
【0083】
【表11】
【0084】表に示す結果から判るように、ダンピング
抵抗を付加することによりSQUIDの出力電圧
(VPP)が上昇していることが判る。尚、本実施例で
は、ダンピング抵抗の材料としてMoを用いたが、Nb等の
他の材料も使用できることは言うまでもない。
【0085】〔実施例8〕実施例4でSQUIDに対し
て付加したカバーと、実施例7でSQUIDに付加した
ダンピング抵抗とを併用した場合の効果について調べ
た。実施例4と同じ仕様のカバーを備えたSQUIDに
対して、実施例7と同じ仕様のダンピング抵抗を組合
せ、下記の表12に示すような4種類の試料を作製した。
各試料についてそれぞれ77Kにおける有効磁束捕獲面積
(Aeff )と出力電圧(VPP)とを測定した。測定結果
を表12に併せて示す。
【0086】
【表12】
【0087】表12に示す結果から判るように、カバーと
ダンピング抵抗とを併用した場合には大きな有効磁束捕
獲面積(Aeff )と出力電圧(VPP)とが得られてい
る。
【0088】〔実施例9〕実施例4で作製した仕様のS
QUIDに対して、実施例3で作製した仕様の磁束トラ
ンスを組み合わせて磁気センサを作製した。即ち、本実
施例では、磁束トランスおよびダンピング抵抗とSQU
IDとの組合せによる効果を調べた。各部材の組合せ
と、組合せて形成された磁気センサの77Kにおける特性
の測定結果とを表13に合わせて示す。
【0089】
【表13】
【0090】表に示す測定結果から、磁束トランスとダ
ンピング抵抗とを併用した場合も各部材の機能が有効に
作用し、大きな有効磁束捕獲面積と出力電圧とが得られ
ている。尚、磁束トランスのみを装着した場合の出力電
圧の上昇は、インプットコイルのラインを形成している
超電導薄膜がSQUIDのホールパターンを横切ること
によるものと考えられる。
【0091】〔実施例10〕実施例6で作製したカバー兼
用のクロスオーバーを含む磁束トランスを用い、更に、
実施例7と同じ仕様のダンピング抵抗を併用した場合の
効果について調べた。各部材の組合せと、組合せて形成
された磁気センサの77Kにおける特性の測定結果とを表
14に合わせて示す。
【0092】
【表14】
【0093】表14に示す結果から判るように、磁束トラ
ンス、超電導薄膜カバーを装着し、更にダンピング抵抗
を付加した場合でも、各部材の効果は有効であり、磁気
センサとしての特性は一層向上されている。
【0094】〔実施例11〕ワッシャ部外側の寸法を15mm
×15mmとし、それ以外は実施例1で作製した試料と同じ
仕様のSQUIDを作製し、これを試料Aとした。ま
た、実施例4と同様にして、3mm×8mmの寸法のY1Ba2
Cu37-x 薄膜を試料Aと同じ仕様のSQUIDに貼り
合わせてこれを試料Bとした。更に、実施例7と同様に
して、試料Aと同じ仕様のSQUIDにダンピング抵抗
を付加し、これを試料Cとした。また更に、試料Aと同
じ仕様のSQUIDに試料Bと同じ仕様の超電導薄膜カ
バーを装着してこれを試料Dとした。これらの試料の特
性を77Kで測定した。測定結果を表15に併せて示す。
【0095】
【表15】
【0096】表15に示す測定結果から判るように、ワッ
シャ外径を大きくすることにより、磁束捕獲面積が大き
くなり、特性が向上している。更に、表15の試料B、
C、Dの測定結果から判るように、超電導薄膜カバーや
ダンピング抵抗を付加した場合も、特性が一層向上して
おり、その効果が有効であることが判る。
【0097】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る磁気センサは、SQUIDのパターンを変更するとい
う簡単な工夫により高い特性を実現している。このよう
な効果を有する本発明は、超電導薄膜により形成された
SQUIDを含む磁気センサの実用化に大きく寄与する
ものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る磁気センサの具体的な構成例を示
す図である。
【図2】図1に示した磁気センサに対する比較試料の構
成を示す図である。
【図3】本発明の実施例において作製した試料におけ
る、SQUIDの有効磁束捕獲面積および結合係数の測
定結果を示す図である。
【図4】本発明に係る磁気センサに対して、超電導薄膜
によるカバーを装着した場合の構成例を示す図である。
【図5】本発明に係る磁気センサに対して、超電導薄膜
によるカバーを装着した場合の他の構成例を示す図であ
る。
【図6】本発明に係る磁気センサであって、超電導薄膜
により形成されたカバーと磁束トランスとを装着した場
合の構成例を示す図である。
【図7】本発明に係る磁気センサの、ダンピング抵抗を
使用した場合の構成例を示す図である。
【図8】磁気センサとして使用されるSQUIDの、従
来の種々の薄膜パターンを示す図である。
【図9】SQUIDを用いた磁気センサの典型的な構成
を示す図である。
【図10】従来の磁気センサにおけるSQUID付近の構
成を拡大して示す図である。
【符号の説明】
1・・・SQUID、 2・・・磁束トラ
ンス、2a・・・ピックアップコイル、 2b・・・
インプットコイル、3・・・絶縁膜、
10・・・第1基板、11・・・ワッシャ部、
11a・・・弱結合部、12・・・端子部、
20・・・第2基板、100 ・・・基板、
101 ・・・超電導薄膜、C・・・カバー、
I・・・絶縁層、F1 、F2 ・・・切
込みパターン、 G1 、G2 ・・・スリットパターン、
H・・・ホールパターン、R・・・ダンピング抵抗、
S・・・基板段差、X1 、X2 ・・・弱結合、
Y・・・環状電流路、Z1 、Z2 ・・・端子
部、a・・・ホールパターンの寸法(長辺)、b・・・
ホールパターンの寸法(短辺)、c・・・弱結合部の
幅、d・・・ホールとスリットとに挟まれた領域の長
さ、w・・・スリットパターンの幅
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−232463(JP,A) 特開 平7−45876(JP,A) 特開 平8−186301(JP,A) 特開 平7−193286(JP,A) 特開 平5−299711(JP,A) 特開 平5−175560(JP,A) 特開 平6−97521(JP,A) F.Ludwing et.al., IEEE Transactions on Applied Superco nductivity,vol.5,n o.2,p.2919−2922(1995) S.Knappe et.al.,C ryogenics,vol.32,n o.10,p881−884(1992) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 39/22 - 39/24 H01L 39/00 JICSTファイル(JOIS) EPAT(QUESTEL)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ワッシャパターン、該ワッシャパターンの
    中に形成されたホールパターンおよび該ワッシャパター
    ンの外縁から該ホールに向かって延在する1対のスリッ
    トパターンを、基板上に被着された超電導薄膜をパター
    ニングすることにより形成してなるSQUIDを備えた
    磁気センサにおいて、 該ホールパターンが長方形であり、且つ、該スリットパ
    ターンが、該ワッシャパターンの外周縁部のうち該ホー
    ルパターンとの間の距離が最も短い部分から、該ホール
    パターンの長辺と平行に形成された線状のパターンであ
    り、該ホールパターンと該スリットパターンとの間隔が最も
    狭い領域を通り、該スリットパターン内を通って該ワッ
    シャパターンの外部へ延在する段差が該基板上に形成さ
    れ、 該段差上に該超電導薄膜を被着させることにより形成さ
    れた人工粒界が、 該ホールパターンと該スリットパター
    ンとの間隔が最も狭い領域にのみ形成されており、且
    つ、人工粒界が該領域以外には全く形成されていない
    ことを特徴とする磁気センサ。
  2. 【請求項2】請求項1に記載された磁気センサにおい
    て、前記ホールパターンの長辺の長さが短辺の長さの5
    倍以上であることを特徴とする磁気センサ。
  3. 【請求項3】請求項1または請求項2に記載された磁気
    センサであって、前記SQUIDの前記ワッシャパター
    ンが、正方形に換算したときの1辺が10mm以上、200mm
    以下となるような寸法であることを特徴とする磁気セン
    サ。
  4. 【請求項4】請求項1から請求項までのいずれか1項
    に記載された磁気センサであって、前記SQUIDから
    絶縁された超電導薄膜により形成され、前記スリットパ
    ターン全体と前記ホールパターンの一部とを覆うように
    形成された、カバーを備えることを特徴とする磁気セン
    サ。
  5. 【請求項5】請求項1または請求項2に記載された磁気
    センサであって、前記SQUIDに結合された磁束トラ
    ンスを備えていることを特徴とする磁気センサ。
  6. 【請求項6】請求項に記載された磁気センサにおい
    て、前記磁束トランスのインプットコイルの内側の一端
    をピックアップコイルに接続するために該インプットコ
    イルと交差する接続線路が、前記SQUIDのスリット
    パターン全体とホールパターンの一部とを覆う超電導薄
    膜であることを特徴とする磁気センサ。
  7. 【請求項7】請求項1から請求項までのいずれか1項
    に記載された磁気センサであって、前記SQUIDのイ
    ンダクタンスと並列に、該SQUID上の2点を結合す
    るように形成されたダンピング抵抗を備えていることを
    特徴とする磁気センサ。
  8. 【請求項8】請求項に記載された磁気センサにおい
    て、前記ダンピング抵抗が、前記SQUIDを形成する
    超電導薄膜上に、金および/または銀の薄膜を介して装
    荷された金属薄膜であることを特徴とする磁気センサ。
  9. 【請求項9】請求項1から請求項までのいずれか1項
    に記載された磁気センサにおいて、前記超電導薄膜が酸
    化物超電導薄膜により形成されていることを特徴とする
    磁気センサ。
  10. 【請求項10】請求項に記載された磁気センサにおい
    て、前記酸化物超電導薄膜が、Y1Ba2Cu37-x なる組
    成を有する複合酸化物の薄膜であることを特徴とする磁
    気センサ。
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