JP4814033B2 - 検出素子および検出方法 - Google Patents
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Description
また、本発明の検出素子の1構成例において、前記物性変化検出手段は、前記構造体の変形を検出することにより、前記構造体に加わる力、加速度あるいは前記構造体の変位を検出するものである。
また、本発明の検出素子の1構成例は、さらに、電荷量に応じて前記構造体を変形させる帯電体を有し、前記物性変化検出手段は、前記構造体の変形を検出することにより、前記帯電体の電荷量を検出するものである。
また、本発明の検出素子の1構成例は、さらに、前記構造体を励振する励振手段を有し、前記物性変化検出手段は、前記閉回路を貫く磁束に応じた最大超伝導電流の変化を通じて前記構造体の共振周波数の変化を検出することにより、前記構造体の質量変化を検出するものである。
また、本発明の検出方法の1構成例において、前記物性変化検出手順は、前記構造体の変形を検出することにより、前記構造体に加わる力、加速度あるいは前記構造体の変位を検出するものである。
また、本発明の検出方法の1構成例は、さらに、帯電体の電荷量に応じて前記構造体を変形させる手順を有し、前記物性変化検出手順は、前記構造体の変形を検出することにより、前記帯電体の電荷量を検出するものである。
また、本発明の検出方法の1構成例は、さらに、前記構造体を励振する励振手順を有し、前記物性変化検出手順は、前記閉回路を貫く磁束に応じた最大超伝導電流の変化を通じて前記構造体の共振周波数の変化を検出することにより、前記構造体の質量変化を検出するものである。
本発明は、以下の点を発明の本質としている。超伝導体と絶縁体との微小接合、すなわちジョセフソン接合を含む超伝導体の閉回路にバイアス電流を流すと、薄い絶縁層をトンネルすることにより回路に超伝導電流が流れる。しかし、この接合部分を通過できる電流量には制限があるため、電流量の制限を超えたところで超伝導状態が壊れて常伝導状態となり、電圧が発生する。
一方、ジョセフソン結合を含む超伝導体閉回路に磁束を加えると、磁束を排出しようとするマイスナー効果が働き、遮蔽電流が発生する。そのため、超伝導状態を保持できる最大電流値、すなわち臨界電流が変化する。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係る超伝導体閉回路を用いた検出素子の模式図である。本実施の形態の検出素子は、シリコン薄膜1と、アルミニウム電極2a,2bと、超伝導体閉回路3とを備えている。
シリコン薄膜1は、微細加工技術によって、その一部に梁状の構造体である片持ち梁11を有する形状に加工される。ここで、片持ち梁とは、一方が固定され、他方が可動な梁のことである。
このように、本実施の形態の検出素子は、片持ち梁11を構成する固体薄膜材料としてシリコンを用い、超伝導体閉回路3を構成する超伝導体材料としてアルミニウムを用いたものである。
図2、図4において、101,102はシリコンからなる片持ち梁11上に形成された超伝導体閉回路3を構成するアルミニウム薄膜である。
さらに、図1に示すように、アルミニウム薄膜102は、アルミニウム配線5aを介してアルミニウム電極2aと接続され、アルミニウム薄膜101は、アルミニウム配線5bを介してアルミニウム電極2bと接続されている。
図5において、20は検出素子を冷却する冷却手段、21は超伝導体閉回路3に対して磁場Bを印加する例えば磁石や磁性体材料からなる磁場印加手段、22はアルミニウム電極2a,2bを通じて超伝導体閉回路3にバイアス電流Iを印加するバイアス電流印加手段、23は超伝導体閉回路3に生じた電圧を検出する電圧計である。
片持ち梁11にたわみのない状態では、超伝導体閉回路3内部に磁束は進入しない。すなわち、超伝導体閉回路3を貫通する磁束の本数は零である。
第1の実施の形態では、検出する対象が梁に加えられている力の場合についてのみ示したが、本実施の形態では、第1の実施の形態の検出素子を用いた各種測定について説明する。検出素子の構成は第1の実施の形態と同じであるから、図1の符号を用いて本実施の形態を説明する。
例えば第1、第2の実施の形態では、超伝導体材料としてアルミニウムを用いたが、ニオブ等の他金属、または窒化ニオブ等の金属化合物、あるいは酸化物系材料を含むあらゆる超伝導体材料の使用が可能であることは言うまでもない。
また、第1、第2の実施の形態では、超伝導体閉回路を組み込む固体薄膜としてシリコン薄膜を用いたが、微細加工が可能な範囲における、その他あらゆる種類の固体薄膜あるいは固体素片の使用が可能であることは言うまでもない。
また、第1、第2の実施の形態では、薄い絶縁膜を上層および下層の超伝導体電極で挟んだジョセフソン接合を用いたが、上下左右あらゆる方向から絶縁体を挟むジョセフソン接合を用いても、その本質を失うものでない。
また、第1、第2の実施の形態では、超伝導体閉回路に対して水平な磁場を印加したが、超伝導体閉回路に対して垂直な磁場を印加してもよく、さらに超伝導体閉回路に対して任意の角度を有する磁場を用いても、その本質を失うものではないことは明らかである。
また、第1、第2の実施の形態では、片持ち梁構造を用いたが、超伝導体閉回路を形作ることのできる範囲において、両持ち梁やコイルばねなど、弾性変形を引き起こすあらゆる形状を用いることができる。
また、第1、第2の実施の形態では、超伝導体閉回路が梁状構造に組み込まれた構造を用いたが、梁状構造が超伝導体閉回路の一部に組み込まれた構造においても、同様に高感度な検出が可能であることは明らかである。
Claims (8)
- 外部から加えられる物理量を検出する検出素子であって、
梁状の構造体を備えた固体薄膜と、
前記構造体の表面あるいは内部に形成された超伝導体材料からなる閉回路と、
この閉回路に挿入されたジョセフソン接合と、
前記構造体の変形を、前記閉回路に流すことができる最大超伝導電流の変化を通じて検出する物性変化検出手段とを有し、
前記物性変化検出手段は、
前記構造体にたわみがない状態のときの前記閉回路のループに対して水平な、一様な強度の磁場を前記閉回路に印加する磁場印加手段と、
前記閉回路にバイアス電流を印加するバイアス電流印加手段と、
前記閉回路に発生した電圧を検出する電圧検出手段とを備えることを特徴とする検出素子。 - 請求項1記載の検出素子において、
前記物性変化検出手段は、前記構造体の変形を検出することにより、前記構造体に加わる力、加速度あるいは前記構造体の変位を検出することを特徴とする検出素子。 - 請求項1記載の検出素子において、
さらに、電荷量に応じて前記構造体を変形させる帯電体を有し、
前記物性変化検出手段は、前記構造体の変形を検出することにより、前記帯電体の電荷量を検出することを特徴とする検出素子。 - 請求項1記載の検出素子において、
さらに、前記構造体を励振する励振手段を有し、
前記物性変化検出手段は、前記閉回路を貫く磁束に応じた最大超伝導電流の変化を通じて前記構造体の共振周波数の変化を検出することにより、前記構造体の質量変化を検出することを特徴とする検出素子。 - 梁状の構造体を備えた固体薄膜と、前記構造体の表面あるいは内部に形成された超伝導体材料からなる閉回路と、この閉回路に挿入されたジョセフソン接合とを有する検出素子を用いて、物理量を検出する検出方法であって、
前記構造体の変形を、前記閉回路を貫く磁束に応じた最大超伝導電流の変化を通じて検出する物性変化検出手順を有し、
前記物性変化検出手順は、
前記構造体にたわみがない状態のときの前記閉回路のループに対して水平な、一様な強度の磁場を前記閉回路に印加する磁場印加手順と、
前記閉回路にバイアス電流を印加するバイアス電流印加手順と、
前記閉回路に発生した電圧を検出する電圧検出手順とを備えることを特徴とする検出方法。 - 請求項5記載の検出方法において、
前記物性変化検出手順は、前記構造体の変形を検出することにより、前記構造体に加わる力、加速度あるいは前記構造体の変位を検出することを特徴とする検出方法。 - 請求項5記載の検出方法において、
さらに、帯電体の電荷量に応じて前記構造体を変形させる手順を有し、
前記物性変化検出手順は、前記構造体の変形を検出することにより、前記帯電体の電荷量を検出することを特徴とする検出方法。 - 請求項5記載の検出方法において、
さらに、前記構造体を励振する励振手順を有し、
前記物性変化検出手順は、前記閉回路を貫く磁束に応じた最大超伝導電流の変化を通じて前記構造体の共振周波数の変化を検出することにより、前記構造体の質量変化を検出することを特徴とする検出方法。
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