JP4302063B2 - 磁界感知装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁界感知装置に関するものである。

さらに詳しくは、本発明は超電導ピックアップ・ループ（閉回路）を用いる磁束のセンサに関する。

このように、上記センサは、超電導閉回路の超電導転移温度Ｔ_Cより低くセンサを冷却することが可能であれば、超電導ループ磁気センサのどのような用途においても使用することができる。

磁気センサは、例えば位置検知器、速度検知器、加速度加速度および角度検知器のような多くの技術用途にふつうに用いられている。磁気センサには種々の物理的原理に基づく広範なタイプのものがある。本発明に関連する従来技術としては２種類のセンサ、すなわち、磁気抵抗（ＭＲ）センサ並びに超電導に基づくセンサおよびＳＱＵＩＤ（超電導漁師干渉装置）が挙げられる。磁気抵抗素子（ＭＲＥ）に基づくセンサは小型であり、非常に簡単な読出電子装置を用いて容易に使用することができる。ＳＱＵＩＤに基づく磁気計の特長はその超高感度にある。

磁気抵抗素子（ＭＲＥ）の動作は異方性磁気抵抗効果に基づいている。すなわち、磁気抵抗の抵抗は、抵抗材料におけるプローブ電流と磁化ベクトルとの間の相対的配向角度によって決まる。薄膜ＭＲＥの平面に磁界Ｈが印加されると、磁化ベクトルが回転し、相対的抵抗変化ΔＲ_max／Ｒ（典型的には、約２％）が数（ａ ｆｅｗ；例えば、二、三）ミリテスラ（ｍＴ）の範囲にわたって見られる。

最近、いわゆる「巨大磁気抵抗効果（ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ）」（ＧＭＲ）に基づくＭＲＥ、例えば２つの隣接する磁気層からなるスピンバルブが実証されている。これらのＧＭＲ素子では、ΔＲ_max／Ｒ値は１５％にもなることが文献に記載されている。

磁気センサの性能はその磁界に対する感度と、センサの内部ノイズとにより決定される。Ｓ＝ΔＲ／（Ｒ^*ΔＨ）として定義されるＧＭＲ素子の磁界に対する感度は、おおよそ（１エルステッド当たり０．８％の抵抗変化に相当する）１０^-4ｍ／Ａである。センサの固有ノイズレベルは、内部の熱力学的過程による見かけの抵抗変化、Ｒ_n、を感度の定義を用いて等価磁界ノイズ、Ｂ_n、に変換する。これにより、Ｂ_n＝μ₀ ^*Ｈ_n＝μ₀ ^*Ｒ_n／（ＳＲ）（ここに、μ₀は真空透磁率である）が得られる。

抵抗器を測定する際には、熱力学起源の２つの基本的機序があるが見掛け抵抗変化、すなわち、熱電圧ノイズ（白色「ジョンソン雑音」）、および低周波数で優勢な、いわゆる１／ｆノイズに寄与するコンダクタンスの揺らぎが生じる。

白色ジョンソン雑音のスペクトル密度はＵ_n＝√（４ｋＴＲ）であり、ここに、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは抵抗器の絶対温度である。このＵ_nに対応する磁界ノイズは、Ｂ_n＝μ₀ ^*（Ｕ_n／Ｕ₀）／Ｓであり、ここに、Ｕ₀はＭＲＥ抵抗器のバイアス電圧である。Ｒ＝６００オーム、Ｔ＝３００Ｋ、およびＵ₀＝１ボルトであると仮定すると、Ｂ_n＝４^*１０^-11Ｔ／√Ｈｚが得られる。これは、ＧＭＲに基づく磁気センサの白色雑音域における解像度を与える。

固有１／ｆノイズの原因であるコンダクタンスの揺らぎのスペクトル密度は、Ｈｏｏｇｅ関係、ΔＲ／Ｒ＝（γ_B／Ｎ／ｆ）^1/2、により表される。ここに、Ｎは抵抗器の体積に比例する数である。１／ｆノイズに関するいくつかの研究（例えば、非特許文献１、およびその中の引用文献）において、Ｎを抵抗器内の電流キャリア（伝導電子）の総数とみなすことにより、「Ｈｏｏｇｅ定数」、γ_B、を定義することができるが、γ_Bは欠陥と不純物が比較的に少ない殆どの抵抗材料について１０^-4ないし１０^-3に等しいという意味で普遍的である。ＧＭＲ素子について、（自由電子密度が１／（２^*１０^-10ｍ）³）であると仮定して）６^*１０^-3のＨｏｏｇｅ定数が室温で測定されている。これらの数字を用いると、Ｂ_n＝μ₀ ^*Ｈ_n＝μ₀ ^*（γ_B／Ｎ／ｆ）^1/2／Ｓ＝５^*１０^-10Ｔ／ｆ^1/2の１／ｆ磁界ノイズが長さ１２０μｍ、幅６μｍ、厚さ５０ｎｍのＧＭＲ素子について得られる。

現在入手可能なもののうち圧倒的に感度の高い磁気センサは超電導およびＳＱＵＩＤに基づくものである。これらのセンサは超電導に関連する２つの現象、すなわちジョセフソン効果およびマイスナー効果を利用している。

ジョセフソン効果は超電導状態にある電子システムに特徴的な漁師力学的干渉効果である。この状態超電導物質をその超電導転移温度Ｔ_C未満の温度に冷却すると達成される。従来の超電導体のＴ_Cは１０Ｋ未満である。この冷却の必要性によりこれらの磁気センサの技術的利用可能性は制限されている。この制限は最近発見された高Ｔ_C超電導体を使用することができればより緩やかになる。これらの物質については、Ｔ_Cは５０Ｋより高く、この温度は比較的単純な冷却技術により達成することが可能である。

弱い磁界を想定する際にジョセフソン効果を利用する技術的装置は超電導量子干渉装置（ＳＱＵＩＤ）と呼ばれる。ＳＱＵＩＤの見掛け抵抗は、面積Ａ_SQのＳＱＵＩＤループを通過する磁束Φ_SQ＝Ｂ^*Ａ_SQに周期的に依存している。ＭＲＥと比較して、この抵抗の磁束への依存性は非常に急勾配であるが、その理由は、抵抗変動の周期が非常に短く、「磁束量子」と呼ばれる種類の定数、Φ₀＝２^*１０^-15Ｗｂに等しいからである。一般的には、任意のＳＱＵＩＤについて、ΔＲ／ΔΦ_SQ／Ｒ＝ΔＵ／ΔΦ_SQ／Ｕは１／Φ₀の数（ａ ｆｅｗ；例えば、二、三）倍である。ＳＱＵＩＤに基づく磁気センサの感度が優れているのは、抵抗の磁束に対するこの急勾配の依存性のおかげである。

ＭＲＥの感度と比較すべきＳＱＵＩＤの感度はＳ＝ΔＲ／Ｒ／ΔＨ＝μ₀ ^*ΔＵ／Ｕ／ΔＢ＝μ₀ ^*（ΔＵ／ΔΦ_SQ／Ｕ）^*Ａ_SQである。最適の内部ノイズ特性が得られるのは、１０ｐＨ程度のむしろ低いインダクタンス、Ｌ_SQ、を有するＳＱＵＩＤループを用いた場合であり、そのためには表面積Ａ_SQが１０^*１０μｍ²程度の小さい表面積であることが必要である。このような小さいＳＱＵＩＤでさえも、感度は０．１ｍ／Ａであり、この感度はＧＭＲ素子の感度よりも１、０００倍良好である。

「裸の」ＳＱＵＩＤのこの高感度でさえも、例えば生物磁気（ｂｉｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ）のようなほとんどの、要求の厳しい用途には不十分である。従って、マイスナー効果に基づく磁束変成器技術が適用される。この技術の思想は、裸のＳＱＵＩＤの小さいＡ_SQを越えてセンサの表面積を効果的に増加させることにより、ＳＱＵＩＤを通る磁束を拡大することである。

磁束変成器は単なる、閉じた超電導ループである。マイスナー効果の顕れとして、近傍の磁界の任意の外力によりそのようなループに貫流する磁束を変更しようとするとループに持続的電流が生じる。ループ内を流れるこの持続的電流は時間と共に減衰せず、外的原因による磁束を正確に保証するレベルに留まる。磁束変成器の技術において、比較的に大きい磁束変成器ループを通る瞬間的外部磁束に比例するこの電流はなるべく効果的にＳＱＵＩＤループに誘導的に結合される。

磁束変成器技術で得ることが可能な最大磁束移送係数はＴ＝Φ_SQ／Φ_ft＝（Ｌ_SQ／２Ｌ_ft）^1/2であり、ここにΦ_SQとＬ_SQ、およびΦ_ftとＬ_ftはそれぞれ、ＳＱＵＩＤループと磁束変成器ループの磁束とインダクタンスである。磁束変成器を用いて達成できる最高のＳＱＵＩＤ感度は裸のＳＱＵＩＤの感度にＴ^*Ａ_ft／Ａ_SQを乗じたものであり、ここにＡ_ftは磁束変成器の大きなピックアップ・コイルの面積である。

上述のように、ＳＱＵＩＤの内部磁束ノイズ特性を最適化するために、低いＬ_SQ＝ｐＨが好ましい。一方、磁束Φ_ft、従ってセンサの信号を最大化するために、ピックアップ・コイルの面積Ａ_ftはなるべく大きいものが選ばれる。例えば、サンプルは大きく極限の感度が必要である生物磁気の用途では、ピックアップ・ループの直径が２センチメートルであるため、Ａ_ft＝４ｃｍ²である。一般的には、これによりＬ_ft＝２００ｎＨとなり、磁束変成器とＳＱＵＩＤとの間にかなり大きなインダクタンスの不整合があることを意味し、最大到達可能磁束移送係数が７^*１０^-3という低い値に制限される。この例では、「裸の」ＳＱＵＩＤの感度に対してＴ^*Ａ_ft／Ａ_SQ＝２８０００倍の増強が得られる。この結果、Ｓ＝２８００ｍ／Ａとなり、ＧＭＲの場合に達成できる感度の３^*１０⁷倍の感度である。

現代のL=１０低Ｔ_CＳＱＵＩＤは、固有磁束ノイズ密度がΦ_n＝１０^-6*Φ₀／√Ｈｚである。これにより、４ｃｍ²ピックアップ・コイル面積を持つ超電導磁束変成器を用いるＳＱＵＩＤに基づく磁気計の固有磁界解像度がＢ_n＝Φ_n／Ｔ／Ａ_ft＝１０^-15Ｔ／√Ｈｚに制限される。生物磁気用途用の実用素子では、理想的な誘導結合を仮定することにより得られたものである、この解像度は、まったく到達されていない。一般的な、技術的に実現可能な数値はむしろ２〜３^*１０^-15Ｔ／√Ｈｚである。この解像度は従来のＧＭＲセンサで達成された解像度よりも２^*１０⁵倍良好である。

理想的な誘導結合が前提とされ、かつ技術的に実現可能であることを前提として約４ｆＴ／ｆ^1/2であるとすると、１０ｐＨＳＱＵＩＤに固有の１／ｆノイズにより決定される、ＳＱＵＩＤ＋磁束変成器に基づく磁気センサの１／ｆノイズのスペクトル密度それ自体は２ｆＴ／ｆ^1/2程度である。

ニオブのような低温超電導体を利用する従来技術のＳＱＵＩＤに基づくセンサは優れたノイズ性能を有するが、これらセンサをＴ_C未満の動作温度に冷却するのに必要な低温技術は高価であり、用途によっては実現不可能であることさえあり得る。比較的重いデュワービンが液体ヘリウムに基づく低温技術の必須条件である。磁界内で装置を使用する度に地磁気の磁束−ゲートを液体ヘリウムの温度に冷却することは実際的でない。

従って、高Ｔ_C超電導体および冷却剤としての液体窒素に基づく、より軽い技術が超高感度磁気センサの分野で有望な一歩前進であると考えられた。内部白色雑音性能が１０ｆＴ√Ｈｚの範囲内である高Ｔ_CＳＱＵＩＤに基づく生体磁気センサが報告されている（例えば、非特許文献２）。

高Ｔ_CＳＱＵＩＤの問題点は、低収率、化学的安定性の欠如、および高Ｔ_CＳＱＵＩＤの高価格に関連する。高Ｔ_CＳＱＵＩＤの効率的な大量生産は困難であるが、その理由は、量子干渉現象に必要な弱い結合を作成するのに用いられる技術にある。ニオブＳＱＵＩＤにおける弱い結合は２つのニオブ層の間に薄膜絶縁体層を設けることにより両者の頂部間に簡単に実現される一方、同様の多層構造の高Ｔ_C材料を作成することは困難であることが判っている。多層高Ｔ_C技術が欠如しているため効率的な多数巻き（ｍｕｌｔ−ｔｕｒｎ）磁束変成器の作製が妨げられる。

高Ｔ_CＳＱＵＩＤの大量生産に関連するこれらの技術的制約のために、単一層の高Ｔ_C膜からなるピックアップ・アンテナと「裸の」磁気センサ、ホール（Ｈａｌｌ）センサとＧＭＲの組み合わせに基づく「ハイブリッド」磁気センサが従来技術において提案されている（例えば、非特許文献３、特許文献１、特許文献２）。

低温技術製品は、同じ基板上に、高Ｔ_C超電導ピックアップ・ループに隣接してリソグラフィー技法により作製されたホールセンサにこのループを誘導的に結合するという思想を紹介している。誘導的結合を増強するために、ピックアップ・ループに、ホールセンサに隣接して、狭い「結合導入線（ｉｎｃｏｕｐｌｉｎｇ ｌｉｎｅ）」を設け、かつ超電導接点リード線を用いてさらに磁束を、ホール素子を通って案内する。この構成により、４^*４ｍｍ²ピックアップ・ループについて１００倍の磁界ゲイン（利得）が得られる。１００Ｈｚを越える２０ｐＴ／√Ｈｚより良好な、かつ５００Ｈｚを越える１０ｐＴ√Ｈｚよりも良好な感度が報告されている。

特許文献１では、低温技術製品が参照され、その思想がさらに発展されている。独立請求項は、二重ループのピックアップ・コイルと、結合導入線の両側で対称的に分割されたＨａｌｌ素子を用いる対称化重力傾斜計デバイスを記載している。ピックアップ・ループをＨａｌｌ電極の１つとして用いる思想が紹介されている。ＭＲＥまたはＧＭＲの使用は、分割された感知素子を設けた対称化デバイスに関する独立請求項を参照した従属請求項に記載されている。特許文献２は先行のものを参照し、均一な磁界に対してセンサを平衡化することを企図して、さらなるピックアップ・コイルの構成の改善を請求している。

これら従来技術のすべてにおいて、磁気センサ素子は結合導入線に隣接して配置されているか、または多重アンテナ・ループ間の間隙に配置されている。これはＨａｌｌセンサの使用を可能にする自然な構成である。すなわち、増幅された磁界がＨａｌｌセンサの平面に対して直交する。

ドイツ国特許第１９９４４５８６号明細書 ドイツ国特許第１００４１７９７号明細書 エフ．エヌ．フージュ著、アイトリプルイー・トランザクション・オン・エレクトロン・デバイシズ、第４１巻、第１１号、１，９９４年（Ｆ．Ｎ．Ｈｏｏｇｅ ｉｎ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，ｖｏｌ．４１，ｎｏ．１１，１９９４） ロビン・カントル、ルーク ピー。リー、マーク・ティープ、ウラジミール・ビネツキー、およびジョセフ・ロンゴ著、「７７Ｋにおける低ノイズ単一層ＹＢａＣｕＯ ＤＣＳＱＵＩＤ磁気計」、アイトリプルイー・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５巻、第２号、１，９９４年６月、第２９２７−２９３０頁（Ｆ．Ｎ．Ｈｏｏｇｅ ｉｎ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，ｖｏｌ．４１，ｎｏ．１１，１９９４）（Ｒｏｂｉｎ Ｃａｎｔｏｒ，Ｌｕｋｅ Ｐ．Ｌｅｅ，Ｍａｒｋ Ｔｅｅｐｅ，Ｖｌａｄｉｍｉｒ Ｖｉｎｅｔｓｋｉｙ，ａｎｄ Ｊｏｓｅｐｈ Ｌｏｎｇｏ，"Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｌａｙｅｒ ＹＢａＣｕＯ ＤＣ ＳＱＵＩＤ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｓ ａｔ ７７Ｋ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｖｏｌ ５，ｎｏ．２ Ｊｕｎｅ，１９９５， ｐａｇｅｓ ２９２７−２９３０） カイザー他著、「低温発生学」第３８巻、１９９８年（Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ ３８，（１９９８））

本発明は、上述の欠点を克服すること、特にホールセンサまたはＳＱＵＩＤの使用を排除する一方、公知の磁気計と比べて遜色がないか、または性能のよい感知装置を生産することを可能にすることを目的とする。

本発明は、さらに、製造が容易であり、生体磁気検出を始めとする任意の磁気センサ用途に使用可能な、小型で信頼性に富む磁束センサを提供することを目的とする。

本発明は、さらに、種々の用途における磁界を感知する感知装置の感度を改善することを目的とする。

これらの目的は、厚さｅ₁の単一層超電導薄膜からエッチングにより作出された経路幅ｄの閉じた超電導ピックアップ・ループを備え、前記経路幅よりも狭い幅ｗを持つくびれを設けられ、前記閉じた超電導ピックアップ・ループは磁束-磁界変成器（ＦＦＤＴ）を構成し、かつ、前記超電導薄膜の上または下に少なくとも１つの磁気抵抗素子を配置し、前記超電導薄膜からは前記幅ｗよりも小さい厚さｅ₄の薄い絶縁層により隔離され、そして前記磁気抵抗素子の活性部分がくびれの位置にあるとともに、くびれの幅ｗに等しいかまたは小さい幅Ｗ_GMRを有するように配置され、磁気抵抗素子の活性部分はその中のバイアス電流が本質的にくびれに沿って、狭い幅ｗに直交する向きに配向されている。

好ましくは、磁気抵抗素子は巨大磁気抵抗効果に基づき、ＧＭＲ抵抗体を構成する。

磁気抵抗素子はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子または超巨大磁気抵抗（ＣＭＲ）素子からなることも可能である。

超電導ピックアッ・プループは、超電導転移温度Ｔ_Cが５０Ｋより高い高Ｔ_C超電導体からなるものであることが有利である。

従って、ループがニオブのような低Ｔ_C超電導体である材料からなる場合は、９Ｋ未満にセンサを冷却する必要があるが、一方、ループが高Ｔ_C超電導体からなる場合は、５０Ｋないし９０Ｋ、例えば８０Ｋのような値より低くするだけでよい。

磁気抵抗素子は、厚さ（ｅ₂）が数十（ａ ｆｅｗ ｔｅｎｓ；例えば、二、三十）ｎｍである。

本発明の具体的実施形態によれば、ピックアッ・プループのくびれはコイルに巻かれ、その自己インダクタンスは受信ループを構成するピックアッ・プループのバンズの自己インダクタンスと同程度の（理想的には等しい）大きさであり、上記コイルは磁界センサを構成する磁気抵抗棒を含むコアの周りにまかれている。

好ましくは、くびれは数十（ａ ｆｅｗ ｔｅｎｓ；例えば、二、三十）マイクロメートルと数（ａ ｆｅｗ ；例えば、二、三）マイクロメートルの間の、減少した幅を有する。

好適な実施形態によれば、超電導ピックアッ・プループの周縁経路は、平均直径Ｄを有する正方形または円周のような、本質的に凸のループを形成している。

有利な実施形態によれば、超電導ピックアッ・プループは、本質的に８字状の対称的二重ループであり、超電導ピックアッ・プループのくびれは８字状の中央共通枝に配置され、２つの基本磁束−磁界変性器（ＦＦＤＴ）を構成する。

ピックアッ・プループに誘導的に結合されている追加のコイルは、基本磁束−磁界変性器の一方に結合されているだけの平面型コイルであるのが有利である。

具体的な実施の形態によれば、本発明の装置は、さらに、ピックアッ・プループに誘導的に結合された追加のコイルに流入して外部磁束に対抗し、ピックアッ・プループ内にマイスナー電流が出現するのを阻止する負帰還電流を有する負帰還ループを含む。

別の具体的な実施形態によれば、本発明の装置は、さらに、磁気抵抗素子の頂部に配置された直交金属ブリッジを含む負帰還を提供する手段と、上記直交金属ブリッジを通して電流を提供して誘導されたマイスナー電流により引き起こされる磁束を消去するのに用いられる磁束密度を創出する手段とを備える。

超電導ピックアッ・プループの周縁経路の平均直径（Ｄ）は数（ａ ｆｅｗ；例えば、二、三）ミリメートルと数（ａ ｆｅｗ；例えば、二、三）センチメートルとの間である。

さらに詳しくは、超電導ピックアッ・プループの周縁経路の平均直径（Ｄ）は約１センチメートルと約３センチメートルとの間であり、装置は生物磁気の検出に適用される。

本発明は、このように、薄膜超電導体ループを磁気抵抗素子と組み合わせて従来技術のＳＱＵＩＤに基づく磁気計に対して遜色のない性能を有するハイブリッドセンサにする最適の方法に関する。

このハイブリッドセンサは超電導薄膜からパターニングされ、かつ狭い結合導入線を設けたピックアッ・プループからなる。本発明の工夫はＳＱＵＩＤまたはＨａｌｌセンサの信号はこれらのセンサを貫通する全磁束に比例するが、ＧＭＲ素子のような磁気抵抗素子の信号はセンサの平面の磁束密度比例することに基づいている。従って、ＳＱＵＩＤおよびＨａｌｌセンサの場合と異なり、ＧＭＲセンサは非常に薄く、通常５０ｎｍ厚であるので、全磁束を大きくすることは必要でない。かかるセンサを磁束密度が最高値である「ホット・スポット」に置くだけでよい。結合導入線と同じ幅を持つＧＭＲセンサを結合導入線の頂部に直接置くと結合導入線の幅を選ぶことにより効率的に制御された高磁界ゲインが得られる。このようにして、薄膜高Ｔ_C超電導体の単一層から非常に効率的な「磁束−磁界変成器」（ＦＦＤＴ）を得る。従来技術のＨａｌｌ素子に特徴的な超電導電極板のような磁束ガイド構造は必要でない。

効率的な誘導的結合構造のおかげで、所与の結合導入線幅で得られる磁界ゲインは超電導ループ＋Ｈａｌｌセンサ・ハイブリッドの磁界ゲインの１０倍を越える。これは、６^*１０^-4（５％／Ｏｅ）の感度を持つ磁気抵抗素子が利用できれば、従来技術の低Ｔ_CＳＱＵＩＤに基づくセンサに遜色のないセンサ性能となる。

本発明では、単一層の薄膜からエッチングにより作出された超電導ループが、ピックアップ・ループを貫流する磁束をループの周縁上の単一点における高局所磁界Ｂ_GMRに変成するＦＦＤＴとして使用される。次いで、小さいＧＭＲ素子をこの「ホット・スポット」に置く。

磁束変成器の全磁束の１％未満がＳＱＵＩＤループを通して伝送される従来技術のＳＱＵＩＤに基づく装置に使用される磁束変成器の場合とは異なり、ＦＦＤＴはＧＭＲ素子の位置において磁界を局所的におおよそＢ_GMR／Ｂ₀＝（π〜π／２）^*（Ｄ／Ｗ_GMR）倍増強する。ここに、Ｄは超電導ループの平均直径であり、Ｗ_GMRは狭い結合導入線とこのくびれの頂部に位置するＧＭＲ素子の共通幅である。

生物磁気用途に使用することができる、Ｄ＝２〜３ｃｍの大きなＦＦＤＴループについては、磁界増強Ｂ_GMR／Ｂ₀は、例えばＷＧＭＲ＝４μｍならば、１００００程度になり得る。この結果「裸の」ＧＭＲと比べて感度がそれに応じて増強される。磁界ゲインに加えて熱電圧ノイズの減少−ＧＭＲを３００Ｋから８０Ｋに冷却した結果生じる−を考慮に入れると、白色雑音系におけるＧＭＲの解像度はＢ＝５^*１０^-15Ｔ／√Ｈｚに改善されるが、この改善は生物磁気用途に対してさえも十分である。

ＡＣ電流を変調し、Ｒ（Ｈ）の２次導関数が最大となるＧＭＲに対する作用点を選択することにより、１／ｆノイズを減少させることが可能である。この場合、低周波数変動がＡＣ周波数の２次高調波について測定される。この改善は、約４倍の感度の低下で１／ｆノイズを抑制することである。

より大きな磁界変動を取り扱わなければならず、かつ、極端なｆＴレベルの感度が不必要である磁束ゲート用途では、よりくびれの幅が広い、寸法の小さいＦＦＤＴを使用することができる。このようにして、センサの動作範囲を高磁界の方に移動することが可能である。ループがより小さく、くびれの幅がより広いＦＦＤＴはくびれの臨界電流をこえないより高い磁束に耐えるので、動的範囲は同じである。

１ｐＴ／√Ｈｚの感度は直径が約１０μｍという小さな装置でも依然として達成することができる。この感度は従来疑懼角磁束ゲートの感度の１０倍を越える。センサの取り扱う周波数範囲はＤＣから読取電子装置の速度により決定される上限の範囲にわたっている。

動的範囲は負帰還を用いることによりさらに変更することができる。この技術では、ＧＭＲ素子の頂部上の直交（ｎｏｒｍａｌ）金属ブリッジを流れる電流と関連する磁束密度を用いて誘導されたマイスナー電流に起因する磁束密度を消去している。この場合、装置の動的範囲と感度は帰還に用いられる電源の動的範囲と感度によって決定される。

本発明の上述の目的および特長並びに他の目的および特長は、添付図面を参照して、以下の例示として示された具体的な実施形態から明かになるであろう。

本発明に基づく磁気センサの物理的動作原理および基礎的デザインを図１に示す。超電導磁束ガイド１は例えば高ＴＣ超電導体薄膜からリソグラフィーによりエッチングされた正方形の閉ループからなる。このループは第１の枝、２つの側枝１１、１３および第１の枝１２に平行な第４の枝１４を持つ周縁経路を含む。

ループ１の平面に垂直な磁界成分の変化ΔＢはループ１を循環する持続電流Ｉの変化ΔＩを誘導する。ΔＩの大きさは閉じた超電導ループを通る全磁束が一定である（マイスナー効果）という要件により決定される。従って、ΔＩ＝ΔＢ^*Ａ_FFDT／Ｉ_FFDT（Ａ_FFDTとＩ_FFDTはループ１の表面積とインダクタンスである）である。

超電導体薄膜の正方形ループのインダクタンスは、Ｉ_FFDT＝（μ₀／２π）^*Ｄ^*［Ｌｎ（４Ｄ／ｄ）−２．３５］（図１参照）である。上記式を下記のように単純化するためにｄ＝０．１４^*Ｄ、を選び、Ｌ_FFDT＝（μ₀／２π）^*Ｄとなる。

ループの平均直径と呼ばれるＤはこの例では正方形超電導ピックアップ・ループ１の周縁経路の２つの平行枝１１、１３の間の距離である。Ｄは数（ａ ｆｅｗ；例えば、二、三）ミリメートルと数（ａ ｆｅｗ；例えば、二、三）センチメートルとの間にすることが可能である。

ピックアップ・ループ１の周縁経路の枝１１、１２、１３、１４の幅ｄはＤと関連し、上述のように、例えばｄ＝０．１４^*Ｄのように選ぶことができる。

ピックアップ・ループ１の周縁経路は厚さが、例えば数十（ａ ｆｅｗ ｔｅｎｓ；例えば、二、三十）ナノメートルである。

ピックアップ・ループ１はピックアップ・ループ１を貫流する磁束を超電導ピックアップ・ループ１の周縁経路上の単一点において高局所磁界に変成する磁束−磁界変成器（ＦＦＤＴ）ループを構成する。

少なくとも１つの、ＧＭＲ素子のよう磁気抵抗素子２が幅ｗ＜＜ｄ（図１ないし図３参照）を有する狭いくびれ１５を構成する単一点の頂部に置かれ、磁気抵抗素子２は、幅ｗよりも小さい、そして好ましくは超電導膜１の厚さｅ₁と磁気抵抗素子の厚さｅ₂の少なくとも一方よりも小さい、厚さｅ₄の薄膜層４により隔離される。

所定の経路幅ｄに比べて大いに低減された幅ｗをもつ狭いくびれ１５がループ１の周縁経路の完全厚さｅ₁に形成され、磁気抵抗素子２がこの低減された幅のくびれ１５の頂部に配置される。

磁気抵抗素子２は磁気抵抗素子２の活性部分がくびれ１５の位置にあり、くびれ１５の幅ｗに等しいかそれよりも小さい幅Ｗ_GMRを持つように配置される。磁気抵抗素子２の活性部分は活性部分のバイアス電流が本質的にくびれ１５に沿って、狭い幅ｗに直角に配向される。

狭いくびれ１５はＦＦＤＴループの周囲の技術的に都合のよい任意の位置に配置することができる。通常、ループは矩形状であり、狭いくびれは長辺の一方の中間に向けて配置される。

ヨーク状の形状の、ＧＭＲ素子２の実施形態はＭＲＥに使用されて磁気パターンを安定化する標準的デザインである。抵抗Ｒを有するこの素子の活性領域はバイアス電極３同士の間の中間部分である。この領域は隅部から若干の距離をおくように選び、磁気ドメイン壁を確実に含まないようにしている。これは、移動する磁気壁により生じる余分の抵抗変動をなくすためである。

くびれ１５の頂部のＧＭＲ素子の位置決めは、ＧＭＲ素子が異なる基板状にあるならば、機械的に行うことができる。あるいは、リソグラフィー技術でＧＭＲ素子をくびれ１５上に直接パッターン形成することもできる。後者の方法はＦＦＤＴループに対する最適の緊密結合を保証する。あるいはまた、磁気抵抗素子２を超電導薄膜１の下に配置することができる。

ＧＭＲ素子２は典型的にはμγ＝８０００の高透磁率材料を含有する。少量のそのような材料でさえもＦＦＤＴの頂部に堆積するとループのインダクタンスがＬ_GMRの量だけ増加し、誘導されるΔＩが減少する。Ｌ_GMRはＧＭＲ素子の体積に比例するので、ＧＭＲ素子の体積は合理的に小さく保たなければならない。一方、コンダクタンス変動に関連する１／ｆ電圧ノイズの振幅はＧＭＲ抵抗体の活性領域の体積の平方根の逆数に比例する。低周波における最適の信号対ノイズ比はＬ_GMR＝Ｌ_FFDTであるほど大きいＧＭＲを用いて、磁界の変化、ΔＢ、により誘導される電流変化がΔＩ＝ΔＢ^*Ａ_FFDT／（２^*Ｌ_FFDT）に低減して得られる。

アンペアの法則により閉じた経路の周りの磁界の循環は当該経路のループを流れる全電流のμ₀倍に等しい。これが図３における全長約２^*Ｗ_GMRの閉じた経路３に適用されると、ＧＭＲ素子２の位置におけるループを通るΔＢに対する応答としての磁界の変化は、正方形ＦＦＤＴループ（Ａ_FFDT＝Ｄ²）を前提とすれば、略

ΔＢ_GMR＝μ₀ ^*ΔＩ／（２^*Ｗ_GMR）＝μ₀ ^*Ａ_FFDT／（４^*Ｌ_FFDT ^*Ｗ_GMR）^*ΔＢ
＝（π／２）^*（Ｄ／Ｗ_GMR）^*ΔＢ

である。

所与のサイズのＦＦＤＴループについて得られた磁界ゲイン係数（π／２）^*（Ｄ／Ｗ_GMR）は幅Ｗ_GMRを選択することにより制御される。生体磁気検出に利用可能なＤ＝２ｃｍの大きいループに対してゲイン係数は１０、０００もの大きさになり得る。これは本発明の重要な利点である。

磁気抵抗素子２は厚さｅ₂が数十（ａ ｆｅｗ ｔｅｎｓ；例えば、二、三十）ナノメートルである。

動的範囲は負帰還を用いることによりさらに変更することが可能である。図４に示すように、ＧＭＲ素子の頂部上の直交金属ブリッジ６を通って流れる電流と関連する磁束密度を用いて、誘導された、マイスナー電流により引き起こされる磁束を消去する。間に絶縁層５を堆積して電機的接触を防止する。この場合、装置の動的範囲と感度は帰還に用いられる電源の動的範囲と感度によって決まる。

ブリッジ６に同等であり、ＦＦＤＴループに誘導的に結合されて追加のコイル内に流れ込む負帰還電流による負帰還を有し、外部磁束に対向し、従ってＦＦＤＴループにマイスナー電流が出現しないようにする装置を提供することも可能である。

磁界の傾きを測定するためのＦＦＤＴ構造の一つの変形例は、２つの基本ループのそれぞれが正方形である、８字状の対称二重ループであり、くびれは、図５に示すように、それら２つの基本ループに共通の導体の部分に据えられる。この種のセンサは、短距離のソースからの信号が遠くのソースから生じる大きな背景磁界から改造されなければならない条件において、より良好な信号対ノイズ比を生じる。

図５の超電導磁束ガイド１０１は２つの基本対称ループからなる。この構造では、中心枝１１４のくびれ１１５を通って流れる電流は磁界の勾配∂Ｂ／∂ｙに比例する。

このように、図５の実施形態では、超電導ピックアップ・ループ１０１は本質的に、８字状の対称な二重ループと、ピックアップ・１０１の単一点における部分１１５が８字状ピックアップ・ループ１０１の中央共通枝１１４上に配置される。

図５では、「上方」ループは上枝１１２ａ、図１における距離Ｄまたは「平均直径」を定義することがある２つの平行側枝１１１ａ、１１３ａと、上枝１１２ａに平行な共通枝１１４とを含む。

「下方ループ」は下枝１１２ｂ、２つの平行側枝１１７ｂ、１１３ｂを含む。これら平行側枝は枝１１１ａ、１１３ａ、および下方枝１１２ｂに平行な共通枝１１４の延長部である。

枝１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂ、１１３ａ、１１３ｂ、１１４の経路幅は、ループ１に関して図１を参照して説明したように、Ｄの関数として定義される。

くびれ１５に関して図１を参照して前に説明したように、くびれ１１５の幅ｗは経路幅ｄよりもずっと小さい。

くびれ１１５の頂部に配置された磁気抵抗素子２の特長は図１の磁気抵抗素子２の特長と同様であり、繰り返し説明しない。図２ないし図４を参照してなされた説明はしたがって図５の実施形態にも適用される。

しかしながら、図５に示すように、くびれ１１５はピックアップ・ループ１が対称的であるように示されている。くびれ１１５はしたがって共通枝１１４の経路幅ｄの中間高さに配置される。さらに、くびれ１１５に接触している共通枝１１４の部分１１４、１１７はＶ−字状であるのが好ましい。

このように本発明のセンサは、８字状ループ１０１の２つのループに共通するくびれ１１５の高さに配置された磁気抵抗素子２を用い、そのような変成器を非局在化させる必要無しに非常に弱い磁界を感知することが可能である。

必要な場合、２以上の磁気抵抗素子２をくびれ１５（図１）または１１５（図５）に沿って配置することができそれらの長さはそれに応じて適合する必要がある。

図５に示すように、磁界の傾きを測定するためのＦＦＤＴ構造を、ＦＦＤＴピックアップ・ループに誘導的に結合された追加のコイルを用いて上記負帰還装置と組み合わせることができる。この場合、追加のコイルは勾配センサの２つの基本ループに対称に結合される必要はない。好適な実施の形態では、この追加コイルは平面型のものであり、ＦＦＤＴ平面に平行な平面内に配置されており、ＦＦＤＴ基本ループの一方にのみに結合されている。例えば、追加コイルは基本ＦＦＤＴループの一方の１／４を覆う単巻きコイルである。帰還電流が誘導的に結合された追加コイルを通って流れ込む上述の負帰還ループは、外部磁束に対向し、従ってＦＦＤＴピックアップ・ループにマイスナー電流が出現するのを防止する。

図６は本発明の他の実施形態に関するものであり、くびれ２１５をリソグラフィーまたは機械的に伸長してワイヤ２１１にし、棒を構成する磁気抵抗素子２１２の周りに、巻き付けることができる方法を示す。コイル２１１は、超電導ピックアップ・ループ２０１と共働して高巻き数を可能にする（図示しない）主コイルよりも直径が小さいワイヤで作製することが可能である。リソグラフィー技術では、巻き数は限定される。巻き数も限定されるので、巻かれたくびれ２１１のインダクタンスは主ループ２０１の残部のインダクタンスを超過しすぎることはない。

図６は、平均直径Ｄと、くびれ２１５を形成するコイルのワイヤ２１１の直径よりも実質的に大きい経路幅ｄとを有する環または円を本質的に画成する周縁経路を含む、超電導ピックアップ・ループ２０１を示す。

幅の狭いくびれを設けた、正方形の超電導磁束ガイドループを持つ本発明のセンサの一例を示す概略図である。 図１のセンサの部分拡大図であり、頂部上にＧＭＲ素子を有するくびれの詳細を示す。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う切欠き図であり、くびれの高さで超電導体の頂部のＧＭＲ素子が絶縁薄膜により分離されていることを示す。 負帰還を用いる変形実施形態に相当する、くびれの高さにおける図３の切欠き図と同様の切欠き図である。 ２つの対称ループからなる超電導磁束ガイドを持つ本発明のセンサの他の例の概略図である。 超電導くびれが延びて磁気抵抗素子の周りに配線されている、本発明のセンサの他の例の概略図である。

Claims (17)

1. 厚さ（ｅ₁）の単一層超電導薄膜からエッチングにより作出された経路幅（ｄ）の閉じた超電導ピックアップ・ループ（１；１０１；２０１）を備え、前記経路幅よりも狭い幅（ｗ）を持つくびれ（１５；１１５；２１５）を設けられ、前記閉じた超電導ピックアップ・ループ（１；１０１；２０１）は磁束-磁界変成器（ＦＦＤＴ）を構成し、かつ、前記超電導薄膜の上または下に少なくとも１つの磁気抵抗素子（２）を配置し、前記超電導薄膜からは前記幅（ｗ）よりも小さい厚さ（ｅ₄）の薄い絶縁層（４）により隔離され、そして前記磁気抵抗素子（２）の活性部分が前記くびれ（１５；１１５；２１５）の位置にあるとともに、前記くびれ（１５；１１５；２１５）の幅（ｗ）に等しいかまたは小さい幅（Ｗ_GMR）を有するように配置され、前記磁気抵抗素子（２）の活性部分はその中のバイアス電流が本質的に前記くびれ（１５；１１５；２１５）に沿って、前記狭い幅（ｗ）に直交する向きに配向されている磁界感知装置。
2. 前記磁気抵抗素子（２）は巨大磁気抵抗効果に基づき、かつＧＭＲ抵抗体を構成する請求項１に記載の装置。
3. 前記磁気抵抗素子（２）はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子または超巨大磁気抵抗（ＣＭＲ）素子からなる請求項１に記載の装置。
4. 前記磁気抵抗素子（２）はヨーク型形状にデザインされている請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記ピックアップ・ループ（２０１）のくびれ（２１５）は、伸長されてコイル（２１１）状に巻かれたワイヤを形成し、
   前記コイルの自己インダクタンスは、受信ループを構成するピックアップ・ループ（２０１）の残部の自己インダクタンスと同程度の大きさであり、
   上記コイル（２１１）は、磁界センサを構成する磁気抵抗棒（２１２）の周りにまかれており、
   前記ピックアップ・ループは、平均直径（Ｄ）と、前記くびれ（２１５）を形成するコイル（２１１）のワイヤの直径よりも実質的に大きい経路幅（ｄ）と、を有する環を本質的に画成する周縁経路を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 超電導ピックアップ・ループ（１；１０１；２０１）は、超電導転移温度Ｔ_Cが５０Ｋより高い高Ｔ_C超電導体からなる請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記超電導ピックアップ・ループ（１；１０１；２０１）は、低Ｔ_C超電導体からなる請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記磁束−磁界変成器の（ＦＦＤＴ）のゲインを決定する、前記ピックアップ・ループの平均直径と前記くびれ（１５；１１５；２１５）の幅（ｗ）の比Ｄ／ｗを最適に選択して、最大ゲインが前記くびれ（１５；１１５；２１５）の臨界電流が当該センサの企図された動作環境において超過しないようにする請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記磁気抵抗素子（２）は、厚さ（ｅ₂）が数十（ａ ｆｅｗ ｔｅｎｓ；例えば、二、三十）ナノメートルである請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記くびれ（１５；１１５；２１５）は、数十（ａ ｆｅｗ ｔｅｎｓ；例えば、二、三十）マイクロメートルと数（ａ ｆｅｗ ；例えば、二、三）マイクロメートルの間の、減少した幅を有する請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 外部磁束に対抗して前記ピックアップ・ループ（１）内にマイスナー電流が出現するのを阻止する、付加コイルを有する負帰還ループをさらに備え、
    前記付加コイルは、前記ピックアップ・ループ（１）に誘導的に結合されており、
    前記負帰還ループは、前記ピックアップ・ループ（１）の帰還電流を前記付加コイルに流すことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 絶縁層（５）を介して前記磁気抵抗素子（２）の頂部に配置された直交金属ブリッジ（６）を含む負帰還を提供する手段と、
    上記直交金属ブリッジを通して電流を提供して誘導されたマイスナー電流により引き起こされる磁束を消去するのに用いられる磁束密度を創出する手段と、
    を備える請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記超電導ピックアップ・ループ（１；１０１；２０１）は、本質的に、平均直径（Ｄ）を有する正方形または円のような凸状ループである周縁経路を画成する請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記超電導ピックアップ・ループ（１０１）は、本質的に、８字状の対称な二重ループであり、前記超電導ピックアップ・ループ（１０１）の前記くびれ（１１５）は２つの基本磁束−磁界変成器（ＦＦＤＴ）を画成する前記８字状ループ（１０１）の中央共通枝（１１４）上に配置される請求項１３に記載の装置。
15. 前記超電導ピックアップ・ループ（１；１０１）の周縁経路の平均直径（Ｄ）は数（ａ ｆｅｗ ；例えば、二、三）ミリメートルと数（ａ ｆｅｗ ；例えば、二、三）センチメートルとの間である請求項１３または１４に記載の装置。
16. 前記超電導ピックアップ・ループ（１；１０１）の周縁経路の平均直径（Ｄ）は約１センチメートルと３センチメートルの間であり、前記装置は生体磁気の検出に適用される請求項１５に記載の装置。
17. 前記ピックアップ・ループに誘導的に結合された前記追加のコイルは、前記基本磁束−磁界変成器の一方のみに結合された平面型コイルである請求項１１または１４に記載の装置。

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