JPH03248070A - 超電導磁界分布測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 調 本発明は、粒界ｅ弱結合をもった超電導体の磁気抵抗素
子を複数個配置して磁界分布とその変化を測定する装置
の構成に関するものである。

〈従来の技術〉 従来、簡単な磁界の検出や測定には磁気抵抗効果を利用
する磁気抵抗素子が一般的に使用されていた。この磁気
抵抗素子に使用されたのは、電子移動度が特に高い半導
体のＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ等で形状効果を用いたもの、又
は、強磁性体金属のＦｅ−Ｎｉ＋　Ｃｏ−Ｎｉ合金等で
配向効果を用いたものなどがある。また、最近は酸化物
超電導体の粒界の弱結合を用いた高感度の磁気抵抗効果
によって微弱な磁界の検出や測定を行なう方法も開発さ
れている。

以上の他、特に微弱な磁界の検出にはジョセフソン効果
を利用した５ＱＵＩＤが用いられていたが、これはＮｂ
系の素子が用いられていたので、液体Ｈｅによる冷却が
必要であった。

以上のような磁気測定素子で、磁界の分布、及び、その
磁界の経時変化を測定する装置では、前記の測定素子を
磁界分布の測定に必要になる平面等の位置に多数配置し
ていた。

〈発明が解決しようとする課題〉 上記で説明した磁界分布の変化を測定する方法では個々
の磁気測定素子の外形が大き（なり、かつ、その素子毎
に電流供給用と電圧測定用のリード線を設ける必要があ
ることから、その測定素子を高密度に配置することが困
難で、磁界分布の検出分解能を高くできない、更に、個
４の素子毎に検出回路を接続するので装置の小型化と低
価格化などに問題があった。

本発明は、従来の磁気測定素子による磁界分布測定装置
がもつ課題を解消し、酸化物超電導体の粒界の弱結合を
利用した磁気抵抗素子の特性を利用して、高密度の配置
を可能にし、検出回路を簡易化した磁界分布測定装置を
提供することを目的としている。

〈課題を解消するための手段〉 本発明では酸化物超電導の粒界の弱結合を利用した感度
のよい超電導磁気抵抗素子を用いるが、その作製は非磁
性の平板状基板上に粒界に弱結合をもつ酸化物超電導体
膜を形成し、その超電導膜から所定の数を配置したミア
ンダ状の磁気抵抗素子と、それらの素子を直列に接続す
る配線を形成する。この直列接続の磁気抵抗素子回路の
両端にバイアス電流印加用の１対の電流電極と、その直
列接続した複数の磁気抵抗素子で抵抗を発生したときは
、それによる電圧を検出するための一対の電圧電極を設
けである。更に、以上の各磁気抵抗素子に対して個別に
、かつ、時分割でバイアス磁界を印加するバイアス磁界
印加装置を設けてあり、そのバイアス磁界印加装置によ
るバイアス磁界臼ｍと同期させて磁気抵抗素子の発生電
圧を測定することにより、時分割によって測定する磁界
の分布と、その時間的変化を測定するものであり、以上
の構成と測定方法から小型で高密度の磁界分布測定と、
計測の簡易化を図ることができる。

〈作　用〉 本発明の磁界分布測定装置に用いるため配置した酸化物
超電導体の粒界の弱結合を利用する超電磁気抵抗素子は
、その素子に印加するバイアス電流の大きさによシ、そ
の素子に抵抗を発生させるしきい値磁界の大きさを大幅
に変更できる特性がある。本発明は、前記の超電導磁気
抵抗素子の特性を利用するもので、時分割で印加するバ
イアス磁界を選択した磁気抵抗素子以外はしきい値磁界
以下の磁界強度にしておき、そのバイアス磁界印加で抵
抗を発生した磁気抵抗素子で位置を発生した抵抗からそ
の位置の磁界の強さ測定する測定を順次行なうことで、
磁界の分布を測定する磁界分布測定装置である。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図に示したのは、本発明の超電導磁界分布測定装置
の一実施例の概要構成を示したもので、第１図（ａ）は
その平面図を、又、第１図（ｂ）は検出部のみの断面図
である。

この第１図に示した検出部の構成について説明する。こ
の検出部は、８０Ｘ８０ｆｌ”の非磁性基板１上に微小
な酸化物超電導体粒子から形成され、その粒界が極めて
薄い絶縁膜を介するかポイント状に結合した弱結合にな
った超電導膜を形成した。

この形成した酸化物超電導膜はドライエツチング法によ
って、ミアンダ状の磁気抵抗素子１５とそれらの素子１
５を直列に接続した配線パターン２を形成する。更に形
成した配線パターン２の両端部にチタン（Ｔｉ）蒸着に
より、それぞれ電流電極８ａ、８ｂと電圧電極４ａ、４
ｂを形成することで２次元に超電導磁気抵抗素子１５を
配置し。

かつ、全て直列接続した磁界分布検出部を形成している
。

以上の検出部の他に、本実施例では第１図（ａ）に示し
たように、電流電極３ａ、８ｂに素子１５のバイアス電
流を印加する定電流電源６を接続し、電圧電極４ａ、４
ｂに各素子１５が発生する電圧を測定する電圧計が接続
されている。

更に、前記基板１の裏面には、その表面に形成した各磁
気抵抗素子１５に個別に時分割でバイアス磁界を印加で
きる２層構造にした薄膜コイＩｖ５ａ、５ｂが形成され
ている。この薄膜コイル５ａと５ｂは、それぞれ別の層
で直交する方向にコイルを直列接続しており、その各層
では共通電価と選択した端子間で直列コイル５に電流を
流す構成になっている。（コイル電流の電源の図示は省
略している。） 第２図は、第１図で説明した超電導膜２の作製の１例を
ヌプレーパイロリシス法による作製装置の概要図で示し
たものである。作製した超電導体はＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０
系であシ原料のＹ（ＮＯ３）ｓ・６Ｈ２０，Ｂａ（ＮＯ
３）２　及びＣｕ（Ｎｏ３）ｚ８Ｈ２０の元素の組成比
を（Ｙ　Ｂａ２　Ｃｕ３）になるよう秤量したものの水
溶液８をヌプレーガン１０の容器９に入れ、パイプ１１
から圧縮空気によって噴霧１２にしている。この噴霧１
２は、ヒーター１３で約６００℃に加熱した基板１４に
吹きつけられそこで熱分解されてセラミック膜になるこ
とを示している。実施例で作製したセラミック膜は膜厚
を約１０μｍにし、空気中での熱処理を行って超電導膜
にした。

なお、実施例ではＹ系の酸化物超電導体を用いたが、本
発明はこれに限定するものでなく他のＢｉ系、　Ｔｌ系
又はその一部を置換した組成の超電導体を用いてもよい
。又、成膜もヌプレーパイロリシス法でなく、スパッタ
リング法やＣＶＤ法などを用いてもよく、更に超電導膜
の膜厚も１から１０μｍの間にして良好な特性が得られ
ている。

以上で作製した超電導膜は一般に用いられるドライエツ
チング法によって、第１図に示したようなミアンダ状の
超電導磁気抵抗素子１５と接続配線２を形成した。

作製された磁気抵抗素子１５のバイアス電流１ゑ と印加磁界の強を変えたときその素子がもつ抵抗との関
係の１例を示したのが第３図である。

この第３図で示した超電導磁気抵抗素子１５の特性は、
バイアス電流■が小さいときは一定の印加磁界の強さに
なるまで超電導状態を保ち、しきい値磁界以上になると
磁界の強さの増加と共に急速に抵抗が増大している、又
、バイアス電流がしきい負電流以上のときは、素子１５
は印加磁界が零のときから一定の抵抗をもち、印加磁界
の増ｍと共に急速に抵抗が増大することが分る。

続いて第４図に示したのが、第１図に示した素子１５に
個別のバイアス磁界を印加する２層構成方向に接続する
配線をもち、第４図（ｂ）は第２層の縦方向に接続する
コイル部と、コイルを横方向に接続するための配線が形
成されている。この第１層と第２層のコイルの接続部以
外に絶縁膜を界して積層することで、＠１図に示したバ
イアス磁界印加用のコイルを形成することができる。

実施例に於ては、次のようにして第４図のコイルを形成
した。先ず、基板１の裏面にスパッタリングでＡＩ薄膜
を形成し、ウェットエツチングで第４図（ａ）のパター
ンを形成する。形成したＡＮパターンの上にスパッタリ
ングで５ｉ０２薄膜を形成し、この薄膜に第１層と第２
層のＡＩ薄膜パターンを接続するためのスルーホールを
ウェットエツチングで形成し、最後に再度、スパッタリ
ングでＡＩ薄膜を形成し、２層目の第４図（ｂ）の形状
のパターンを形成することで、コイルが作製される。

なお、以上で説明した２層のＡＩ薄膜パターンによるコ
イル形成部を拡大して示したのが第５図である。作製し
たコイＡ／は２ターン型でコイル形成部とその間隔は１
００μｍにし、コイルの径は１６ｆｉにした。この実施
例では２層のコイルを完全な同心円の配置にするとスル
ーホールの接続部で２層のコイルが短絡して、目的のコ
イルを２層では形成できないので、２つのコイル１７ａ
と１７ｂの中心点をずらしている。第５図では点線で示
した第１層のコイル１７ｂと第２Ｊ＆ｌの配線１６ｂが
スルーホールを通して接続され、５ｉ０２絶縁薄膜を介
した実線で示した第２層のコイル１７ａと第１層の配線
１６ａがスルーホールを通して接続されている。これら
のコイル１７ａ。

１７ｂの中心からのずれは３００μｍにした。

以上のように作製したコイルを第６図に示したように第
１層のコイルを１９ａ１第２層のコイルを１９ｂで表わ
して、これらのコイルによるバイアス磁界発生の１実施
例を説明する。第６図の１８はコイルへの電流スイッチ
２１の切り替え信号発生器で、第１層コイル１９ａと第
２層コイル１９ｂの各端子と２つの同期したバイアス交
流電流源２０ａ、２０ｂの間に接続されたスイッチ群２
１ａ２１ｂのオン−オフ制御信号を発生している。

このバイアス磁界の印加は、第１層のコイル１９ａ右か
ら選択した直列に接続したコイルの１列と、第２層コイ
ル１９ｂの１列にバイアス電流を流して、その交点のコ
イル部で所定のバイアス磁界が印加できるよう設定され
ている。従って、その交点以外でもバイアス電流が流れ
るコイルは、バイアス磁界の半分の強さの磁界が発生す
る。しかし、本発明の実施例では、超電導磁気抵抗素子
のバイアス電流を調整することで、しきい値以下の強さ
の磁界を印加しても超電導磁気抵抗素子が抵抗をもたな
い特性を利用して所定の磁界分布の測定を行っており、
その例を第７図で示している。

前記、第３図で説明したように超電導磁気抵抗素子１５
の印加磁界に対する素子抵抗の特性曲線は、その素子１
５に流したバイアス電流の大きさによシ大幅に変えるこ
とができる。この特性を利用し、本実施例では超電導磁
気抵抗素子１５のバイアス電流を２．５ｍＡにして第７
図（ａ）に示した特性にした。このときのしきい値磁界
の強さは１０ｍｇａｕｓｓであった。この第７図（ａ）
の特性の素子１５を、第１図の中心部のコイルの位置に
設置し外部磁場測定のための実験を行った。先ず第１層
のコイＩＶ　１９　ａの中央の直列接続コイルに１ｋＨ
ｚでピーク値が５０ｍＡの交流電流を流すと、その電流
を流したコイルで７．５　ｍ　ｇａｕｓｓ　（ピーク値
）の磁界が発生した。続いて第２層のコイル１９ｂの中
央の直列コイルに前の第１層のコイルと同じ位相と強さ
の磁界が発生するように、交流電流を流すと、中心の位
置のコイルでは１５　ｍ　ｇａｕｓｓ（ピーク値）の磁
界が発生し、他の電流が流れるコイルでｔｊニア、　５
　ｍ　ｇａｕｓｓ　（ピーク値）の磁界を発生した。

以上の条件で、外部磁界を零としたときの各位置の磁気
抵抗素子１５に印加されるバイアス磁界と、その素子の
出力電圧の関係を第７図に示した。

すなわち第７図（ａ）では、中央部の素子のみ波形ＣＢ
）で示した強さのバイアス磁界が印加され、しきい値磁
界以上の磁界が印加されるときがあるが、中央部以外で
はバイアス磁界はしきい値磁界以下の（Ａ）の磁界にな
る。従って、各素子１５が抵抗をもつことによる出力波
形は第７図（ｂ）に示したよりに、中央部以外の素子は
全く出力のない（Ａ）のようになシ、中央部素子１５の
みピーク磁界近辺で出力電圧を発生するＣＢ）の出力波
形になる。

次に、外部磁界として、ｓｇ７図（ａ）の横軸に示した
Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ及びＥ点の強さの外部磁界が印加される
と、その点が動作点になフ、それぞれの外部磁界の強さ
と方向に対応して、第８図の（ａ）。

（ｂ）、　（Ｃ）、　（ｄ）及び（ｅ）の出力波形が素
子１５の電圧端子４ａ、４ｂに発生する。なお、第８図
の（１）にバイアス磁界の波形を示したが、出力波形と
比較すると、出力は増幅器等による遅れから信号の位相
がわずかにずれていた。この第８図に示した（ａ）。

（ｂ）、　（Ｃ）　、　（ｄ）及び（ｅ）の変化量をロ
ックインアンプに入力して、そのときのロックインアン
プからの出力と外部磁界として印加した直流磁界との関
連を第９図に示した。この図から本測定の装置の条件設
定では微小な０．１　ｇａｕｓｓ迄の範囲内で非常によ
い直線になっており、この範囲では精度のよい外部磁界
の測定が可能なことを示している。

以上は、実施例の中央部の素子１５に交流バイアス磁界
を印加して測定する例で説明したが、この測定を１２Ｊ
シ替え信号器の信号によシ各磁気抵抗素子１５に順次シ
ーケンシャルに交流バイアス磁界を印加することで、そ
れぞれの素子１５による位置の外部磁界を時分割で測定
できるので、２次元の磁界分布の測定ができる。更に、
超電導素子の高速応答性（ピコ秒オーダー）の特性を生
かして、外部磁界の変化に対応できる速度で切り替える
ことにより、外部磁界分布の時間的変化の測定も可能に
なる。

以上は、本発明を実施例によって説明したが、本発明は
実施例によって限定されるものでなく、検出部の超電導
磁気抵抗素子の磁気抵抗特性、印加バイアス電流値等と
検出部の基板の大きさと、前記磁気抵抗素子の個数やそ
の配置等は目的に応じて父えることができる。又、バイ
アス磁界印加の薄膜コイルのターン数やコイル径も適宜
変更可能で、その形状も円形のみでなく正方形や多角形
にすることもでき、このコイルに流してバイアス磁界を
発生させる電流の値や周波数も目的に応じて変更できる
と共に、このコイルに直流を重複させて流すことによシ
直流バイアス磁界の印加を行なうこともできる。その他
、本発明の効果を利用した磁気分布測定に測定目的に応
じた変更を行なうこともできる。

〈発明の効果〉 本発明は酸化物超電導体の粒界効果を利用した高感度の
磁気抵抗素子の特性を生かして、構成が簡単な磁界分布
測定装置を構成できると共に、超電導磁気抵抗素子がも
つ数Ｈｚ程度で最大になる固有の低周波ノイズの影響を
避けて微弱な磁界分布の高分解能な測定を可能にした。

従って、本発明の磁界分布測定装置からの出力信号をコ
ンピュータなどで高速処理することにより、磁界発生源
の位置を求め、かつ、その状態の分析を行なうこともで
きるので、医療や非破壊検査などで多くの分野に活用が
可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の磁界分布測定装置の概要構成
図、第２図はスプレーパイロリシスによる酸化物膜作製
方法を説明する図、第３図は本発明で使用する超電導磁
気抵抗素子の印加磁界に対する特性図、第４図は実施例
の薄膜コイルの構成図、第５図は実施例の２層構造の薄
膜コイルと配線の形状図、第６図は交流バイアス磁界発
生の実施例の構成図、第７図は本発明の実施例の磁気抵
抗素子による磁界の検出方法を示す図、第８図は実施例
の磁界の強さによる測定装置からの出力の夏化を示す図
、第９図は本発明の装置の出力をロックインアンプに入
力したときの外部磁界の強さに対する出力特性図である
。 １．１４・・・基板、　２・・・超電導膜、　３・・・
電流電極、　４・・・電圧電圧、　５．１９・・・薄膜
コイル、　６・・・定電流電源、　７・・・電圧計、　
１５・・・磁気抵抗素子、　　１８・・・切り替え信号
発生器、２０・・・交流電流電源、　　２１・・・スイ
ッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、非磁性の絶縁体基板上に配置した弱結合粒界をもつ
   超電導体の磁気抵抗素子を直列に接続した両端に、それ
   ぞれバイアス電流電極と電圧検出用の電圧電極を設けた
   検出部と、前記磁気抵抗素子にそれぞれ個別に順次時分
   割でバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段とを
   設けたこと特徴とする超電導磁界分布測定装置。