JPH11186623A - 磁気センサ - Google Patents
磁気センサInfo
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- JPH11186623A JPH11186623A JP9357425A JP35742597A JPH11186623A JP H11186623 A JPH11186623 A JP H11186623A JP 9357425 A JP9357425 A JP 9357425A JP 35742597 A JP35742597 A JP 35742597A JP H11186623 A JPH11186623 A JP H11186623A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/035—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
- G01R33/0354—SQUIDS
- G01R33/0358—SQUIDS coupling the flux to the SQUID
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10N60/0912—Manufacture or treatment of Josephson-effect devices
- H10N60/0941—Manufacture or treatment of Josephson-effect devices comprising high-Tc ceramic materials
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高性能及び低コストの磁気センサを提供す
る。 【解決手段】 本磁気センサは、サファイア基板2s上
に形成された超電導薄膜2fを有する磁束トランス2
と、磁束トランス2上に対向配置されたSQUID1と
を備える。本磁気センサによれば、大型のものを得るこ
とができるサファイア基板2sを磁束トランス2に用い
るので、SQUID1を小型化しても磁束トランス2か
らSQUID1に導入される磁束を増加させて有効磁束
捕獲面積を増加させることができ、検出性能を向上させ
るとともに、SQUID1の小型化によって製造コスト
を低減させることができる。
る。 【解決手段】 本磁気センサは、サファイア基板2s上
に形成された超電導薄膜2fを有する磁束トランス2
と、磁束トランス2上に対向配置されたSQUID1と
を備える。本磁気センサによれば、大型のものを得るこ
とができるサファイア基板2sを磁束トランス2に用い
るので、SQUID1を小型化しても磁束トランス2か
らSQUID1に導入される磁束を増加させて有効磁束
捕獲面積を増加させることができ、検出性能を向上させ
るとともに、SQUID1の小型化によって製造コスト
を低減させることができる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超電導体を利用し
た磁気センサに関する。
た磁気センサに関する。
【0002】
【従来の技術】従来のSQUID(超電導量子干渉デバ
イス)を用いた磁気センサは、例えば、「Jpn.J.Appl.P
hys. vol.32 p.662-664 (1993)」に記載されている。S
QUIDの磁場分解能を向上させるためには、SQUI
Dが有効に磁束を捕獲する面積(有効磁束捕獲面積)を
増加させる必要がある。このため、同文献ではSQUI
Dの寸法を大きくすることによって有効磁束捕獲面積を
増加させている。
イス)を用いた磁気センサは、例えば、「Jpn.J.Appl.P
hys. vol.32 p.662-664 (1993)」に記載されている。S
QUIDの磁場分解能を向上させるためには、SQUI
Dが有効に磁束を捕獲する面積(有効磁束捕獲面積)を
増加させる必要がある。このため、同文献ではSQUI
Dの寸法を大きくすることによって有効磁束捕獲面積を
増加させている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、SQU
IDの寸法を増加させると、単一ウエハ基板から製造で
きるSQUIDの数が減少する。すなわち、20mm角
の基板上には5mm角のSQUIDを9個製造すること
ができるが、17mm角のSQUIDであれば1つしか
製造することができず、製造コストが9倍に増加する。
そこで、「Appl.Phys. Lett. vol.63 p.3630-3632 (199
3)」では、SQUIDに検出磁束を導入するための単層
磁束トランスを対向させることにより有効磁束捕獲面積
を増加させている。同文献ではYBCO超電導薄膜をY
SZ基板上に形成することにより磁束トランスを形成し
ている。しかしながら、YSZ基板は高価なため、磁束
トランスを大型化して有効磁束捕獲面積を増加し、高性
能及び低コストの磁気センサを実現することはできなか
った。本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであ
り、高性能及び低コストの磁気センサを提供することを
目的とする。
IDの寸法を増加させると、単一ウエハ基板から製造で
きるSQUIDの数が減少する。すなわち、20mm角
の基板上には5mm角のSQUIDを9個製造すること
ができるが、17mm角のSQUIDであれば1つしか
製造することができず、製造コストが9倍に増加する。
そこで、「Appl.Phys. Lett. vol.63 p.3630-3632 (199
3)」では、SQUIDに検出磁束を導入するための単層
磁束トランスを対向させることにより有効磁束捕獲面積
を増加させている。同文献ではYBCO超電導薄膜をY
SZ基板上に形成することにより磁束トランスを形成し
ている。しかしながら、YSZ基板は高価なため、磁束
トランスを大型化して有効磁束捕獲面積を増加し、高性
能及び低コストの磁気センサを実現することはできなか
った。本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであ
り、高性能及び低コストの磁気センサを提供することを
目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る磁気センサは、サファイア基板上に形
成された超電導薄膜を有する磁束トランスと、磁束トラ
ンス上に対向配置されたSQUIDとを備える。本磁気
センサによれば、大型で安価なものを得ることができる
サファイア基板を磁束トランスに用いるので、SQUI
Dを小型化しても磁束トランスからSQUIDに導入さ
れる磁束を増加させて有効磁束捕獲面積を増加させるこ
とができ、検出性能を向上させるとともに、SQUID
の小型化によって製造コストを低減させることができ
る。なお、超電導薄膜は製造コストの観点からは単層で
あることが望ましい。
め、本発明に係る磁気センサは、サファイア基板上に形
成された超電導薄膜を有する磁束トランスと、磁束トラ
ンス上に対向配置されたSQUIDとを備える。本磁気
センサによれば、大型で安価なものを得ることができる
サファイア基板を磁束トランスに用いるので、SQUI
Dを小型化しても磁束トランスからSQUIDに導入さ
れる磁束を増加させて有効磁束捕獲面積を増加させるこ
とができ、検出性能を向上させるとともに、SQUID
の小型化によって製造コストを低減させることができ
る。なお、超電導薄膜は製造コストの観点からは単層で
あることが望ましい。
【0005】また、本願発明者らがサファイア基板上に
形成可能な超電導材料を鋭意検討した結果、サファイア
基板上に超電導薄膜としてHo系酸化物超電導体が形成
できることを見出した。特に、超電導薄膜がHoBaC
uO薄膜からなり、これを酸化セリウム層を介してサフ
ァイア基板上に形成すると、その結晶状態及び特性は良
好なものとなる。上記のように磁束トランスをサファイ
ア基板上に形成すると、SQUIDを小型化することが
できる。すなわち、SQUIDは超電導材料からなる環
状部位を有するワッシャ形状のものであることが好まし
く、SQUIDの環状部位は外径が5mm以下であるこ
とが好ましい。この環状部位は磁気トランスからの磁束
をその開口で検出することができる。なお、SQUID
の環状部位の外径とは、SQUIDの超電導閉ループを
構成する部分、すなわち環状部位の面積の平方根で規定
するものとする。
形成可能な超電導材料を鋭意検討した結果、サファイア
基板上に超電導薄膜としてHo系酸化物超電導体が形成
できることを見出した。特に、超電導薄膜がHoBaC
uO薄膜からなり、これを酸化セリウム層を介してサフ
ァイア基板上に形成すると、その結晶状態及び特性は良
好なものとなる。上記のように磁束トランスをサファイ
ア基板上に形成すると、SQUIDを小型化することが
できる。すなわち、SQUIDは超電導材料からなる環
状部位を有するワッシャ形状のものであることが好まし
く、SQUIDの環状部位は外径が5mm以下であるこ
とが好ましい。この環状部位は磁気トランスからの磁束
をその開口で検出することができる。なお、SQUID
の環状部位の外径とは、SQUIDの超電導閉ループを
構成する部分、すなわち環状部位の面積の平方根で規定
するものとする。
【0006】また、環状部位の所定部分は、その下を横
断する段差を覆うことによりジョセフソン接合を形成し
ていることが望ましい。本発明のジョセフソン接合は、
超電導材料が段差を覆うことによって段差部に形成され
る弱結合を利用して形成されている。環状部位中にこの
ような段差型ジョセフソン接合を含むと、超電導の巨視
的量子効果に起因する量子力学的干渉効果が生じ、検出
磁界感度を増加させることができる。
断する段差を覆うことによりジョセフソン接合を形成し
ていることが望ましい。本発明のジョセフソン接合は、
超電導材料が段差を覆うことによって段差部に形成され
る弱結合を利用して形成されている。環状部位中にこの
ような段差型ジョセフソン接合を含むと、超電導の巨視
的量子効果に起因する量子力学的干渉効果が生じ、検出
磁界感度を増加させることができる。
【0007】また、本発明の磁気センサにおいては、環
状部位の所定部分はジョセフソン接合を形成しており、
環状部位は環状部位の外縁所定地点と内縁所定地点との
間の位置に向かって外縁の上記外縁所定地点とは異なる
地点から切り込まれたスリットを有し、ジョセフソン接
合はスリットを規定する稜線の上記内縁所定地点側と環
状部位の内縁との間を横断しており、磁束トランスの超
電導薄膜は被検出体の磁束を取り込むピックアップコイ
ル及びピックアップコイルに結合したインプットコイル
を有し、インプットコイルはSQUIDの環状部位に対
向配置されると共にスリットの全領域を覆っていること
が好ましい。
状部位の所定部分はジョセフソン接合を形成しており、
環状部位は環状部位の外縁所定地点と内縁所定地点との
間の位置に向かって外縁の上記外縁所定地点とは異なる
地点から切り込まれたスリットを有し、ジョセフソン接
合はスリットを規定する稜線の上記内縁所定地点側と環
状部位の内縁との間を横断しており、磁束トランスの超
電導薄膜は被検出体の磁束を取り込むピックアップコイ
ル及びピックアップコイルに結合したインプットコイル
を有し、インプットコイルはSQUIDの環状部位に対
向配置されると共にスリットの全領域を覆っていること
が好ましい。
【0008】ジョセフソン接合による弱結合は、段差を
用いて超電導薄膜内に粒界を形成することによって形成
されるが、その弱結合を更に良好に形成するためには、
上記の如くスリットを形成し、ジョセフソン接合の幅を
狭めることが好ましい。磁気トランスのインプットコイ
ルはピックアップコイルに結合しているので、ピックア
ップコイルで検出された磁束はインプットコイル内に濃
縮され、インプットコイルに対向配置されたSQUID
環状部位に導入される。スリットは基端側が開放してい
るため、インプットコイルからSQUID環状部位の開
口内に導入されるはずの磁場の一部がスリットから漏れ
てしまう。そこで、本発明では上記のように、インプッ
トコイルがSQUIDの環状部位に対向配置されると共
にスリットの全領域を覆うことにより、上記漏れ現象を
抑制して検出感度を向上させる構成とした。
用いて超電導薄膜内に粒界を形成することによって形成
されるが、その弱結合を更に良好に形成するためには、
上記の如くスリットを形成し、ジョセフソン接合の幅を
狭めることが好ましい。磁気トランスのインプットコイ
ルはピックアップコイルに結合しているので、ピックア
ップコイルで検出された磁束はインプットコイル内に濃
縮され、インプットコイルに対向配置されたSQUID
環状部位に導入される。スリットは基端側が開放してい
るため、インプットコイルからSQUID環状部位の開
口内に導入されるはずの磁場の一部がスリットから漏れ
てしまう。そこで、本発明では上記のように、インプッ
トコイルがSQUIDの環状部位に対向配置されると共
にスリットの全領域を覆うことにより、上記漏れ現象を
抑制して検出感度を向上させる構成とした。
【0009】さらに、インプットコイルの内径が環状部
位の外径よりも大きい場合には、上記スリットの場合と
同様に磁束の一部が外部に漏洩する場合がある。そこ
で、本発明においては、磁束トランスの超電導薄膜が被
検出体の磁束を取り込むピックアップコイル及びピック
アップコイルに結合したインプットコイルを有し、イン
プットコイルがSQUIDの環状部位に対向配置される
と共にインプットコイルの内径が環状部位の外径よりも
小さいこととし、漏洩を抑制してより多くの磁場がSQ
UIDに導入される構成とした。なお、インプットコイ
ルの内径とは、その開口部の面積の平方根で規定するも
のとする。
位の外径よりも大きい場合には、上記スリットの場合と
同様に磁束の一部が外部に漏洩する場合がある。そこ
で、本発明においては、磁束トランスの超電導薄膜が被
検出体の磁束を取り込むピックアップコイル及びピック
アップコイルに結合したインプットコイルを有し、イン
プットコイルがSQUIDの環状部位に対向配置される
と共にインプットコイルの内径が環状部位の外径よりも
小さいこととし、漏洩を抑制してより多くの磁場がSQ
UIDに導入される構成とした。なお、インプットコイ
ルの内径とは、その開口部の面積の平方根で規定するも
のとする。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る磁気セン
サについて説明する。同一要素又は同一機能を有する要
素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略
する。
サについて説明する。同一要素又は同一機能を有する要
素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略
する。
【0011】(第1実施形態)図1は、実施の形態に係
る磁気センサを示す斜視図である。本磁気センサは、サ
ファイア基板2s上に形成された超電導薄膜2fを有す
る磁束トランス2と、磁束トランス2上に対向配置され
たSQUID1とを備えている。磁束トランス2の超電
導薄膜2fは、被検出体の磁束を取り込むピックアップ
コイル2fp及びピックアップコイル2fpに電磁気的
に結合したインプットコイル2fiを有し、インプット
コイル2fiはSQUID1の環状部位1cに対向配置
されている。なお、環状部位1cはワッシャ形状のワッ
シャ部を構成している。
る磁気センサを示す斜視図である。本磁気センサは、サ
ファイア基板2s上に形成された超電導薄膜2fを有す
る磁束トランス2と、磁束トランス2上に対向配置され
たSQUID1とを備えている。磁束トランス2の超電
導薄膜2fは、被検出体の磁束を取り込むピックアップ
コイル2fp及びピックアップコイル2fpに電磁気的
に結合したインプットコイル2fiを有し、インプット
コイル2fiはSQUID1の環状部位1cに対向配置
されている。なお、環状部位1cはワッシャ形状のワッ
シャ部を構成している。
【0012】磁気トランス2のインプットコイル2fi
はピックアップコイル2fpに結合しているので、ピッ
クアップコイル2fpで検出された磁束はインプットコ
イル2fi内に濃縮され、インプットコイル2fiに対
向配置されたSQUID環状部位1cの開口内に導入さ
れる。環状部位1cは、磁気トランス2からの磁束をそ
の開口で検出することができる。
はピックアップコイル2fpに結合しているので、ピッ
クアップコイル2fpで検出された磁束はインプットコ
イル2fi内に濃縮され、インプットコイル2fiに対
向配置されたSQUID環状部位1cの開口内に導入さ
れる。環状部位1cは、磁気トランス2からの磁束をそ
の開口で検出することができる。
【0013】SQUID1は、SrTiO3からなる基
板1sと、基板1s上に形成されたHo1Ba2Cu3O
7-X超電導薄膜1f(xは任意実数)とから構成されて
いる。SQUID環状部位1cはHoBaCuO超電導
薄膜1fの一部分であり、したがって、超電導材料から
なる。また、環状部位1cの開口中心はインプットコイ
ル2fiの中心に略一致している。環状部位1cは超電
導閉ループを構成し、環状部位1cの所定部分Jは、そ
の下を横断する基板1sの段差を覆うことによりジョセ
フソン接合を形成している。換言すれば、本ジョセフソ
ン接合は、超電導材料が段差を覆うことによって段差部
に形成される弱結合を利用して形成されている。この段
差型ジョセフソン接合は、20mm角の基板1sの表面
に150nmの段差を形成し、段差を覆うように膜厚2
00nmの超電導薄膜1fを堆積して形成する。なお、
この形成においてはレーザ蒸着法を用いる。
板1sと、基板1s上に形成されたHo1Ba2Cu3O
7-X超電導薄膜1f(xは任意実数)とから構成されて
いる。SQUID環状部位1cはHoBaCuO超電導
薄膜1fの一部分であり、したがって、超電導材料から
なる。また、環状部位1cの開口中心はインプットコイ
ル2fiの中心に略一致している。環状部位1cは超電
導閉ループを構成し、環状部位1cの所定部分Jは、そ
の下を横断する基板1sの段差を覆うことによりジョセ
フソン接合を形成している。換言すれば、本ジョセフソ
ン接合は、超電導材料が段差を覆うことによって段差部
に形成される弱結合を利用して形成されている。この段
差型ジョセフソン接合は、20mm角の基板1sの表面
に150nmの段差を形成し、段差を覆うように膜厚2
00nmの超電導薄膜1fを堆積して形成する。なお、
この形成においてはレーザ蒸着法を用いる。
【0014】環状部位1cから構成される超電導閉ルー
プ中に上記段差型ジョセフソン接合が含まれていると、
超電導の巨視的量子効果に起因する量子力学的干渉効果
が生じ、インプットコイル2fiから導入される磁束を
効率的に検出することができる。本例では超電導閉ルー
プ中に2箇所のジョセフソン素子Jを含むため、環状部
位1cの開口内にインプットコイル2fiから外部磁束
が導入されると、ループの両端に接続された端子1tか
ら取り出される電圧値が変化し、高精度に外部磁束を検
出することができる。すなわち、本実施の形態に係る磁
気センサにおいては、磁束トランス2の大型のピックア
ップコイル2fpで検出した磁束を小型のインプットコ
イル2fi内に濃縮し、外部磁束としてSQUID1の
環状部位1c内に導入し、SQUID1の出力電圧を観
測することにより磁気検出を行う。なお、ジョセフソン
素子Jは1個であっても検出を行うことはできる。
プ中に上記段差型ジョセフソン接合が含まれていると、
超電導の巨視的量子効果に起因する量子力学的干渉効果
が生じ、インプットコイル2fiから導入される磁束を
効率的に検出することができる。本例では超電導閉ルー
プ中に2箇所のジョセフソン素子Jを含むため、環状部
位1cの開口内にインプットコイル2fiから外部磁束
が導入されると、ループの両端に接続された端子1tか
ら取り出される電圧値が変化し、高精度に外部磁束を検
出することができる。すなわち、本実施の形態に係る磁
気センサにおいては、磁束トランス2の大型のピックア
ップコイル2fpで検出した磁束を小型のインプットコ
イル2fi内に濃縮し、外部磁束としてSQUID1の
環状部位1c内に導入し、SQUID1の出力電圧を観
測することにより磁気検出を行う。なお、ジョセフソン
素子Jは1個であっても検出を行うことはできる。
【0015】図2は、対向配置されたSQUID環状部
位1c及びインプットコイル2fi部分の拡大図であ
る。上述のように環状部位1cの所定部分はジョセフソ
ン接合Jを形成している。環状部位1cは環状部位1c
の外縁所定地点Xと内縁所定地点Yとの間の位置に向か
って外縁の上記外縁所定地点Xとは異なる地点Zから切
り込まれたスリットSを有している。なお、スリットS
は、その先端が環状部位1cの開口を幅方向を挟む地点
に位置するように2つ切り込まれ、それぞれのスリット
Sに対応してジョセフソン接合Jが設けられている。
位1c及びインプットコイル2fi部分の拡大図であ
る。上述のように環状部位1cの所定部分はジョセフソ
ン接合Jを形成している。環状部位1cは環状部位1c
の外縁所定地点Xと内縁所定地点Yとの間の位置に向か
って外縁の上記外縁所定地点Xとは異なる地点Zから切
り込まれたスリットSを有している。なお、スリットS
は、その先端が環状部位1cの開口を幅方向を挟む地点
に位置するように2つ切り込まれ、それぞれのスリット
Sに対応してジョセフソン接合Jが設けられている。
【0016】個々のジョセフソン接合Jは個々のスリッ
トSを規定する稜線の上記内縁所定地点Y側と環状部位
1cの内縁との間を横断している。段差型ジョセフソン
接合Jによる弱結合は、段差を用いて超電導薄膜内で粒
界を形成することによって形成されているが、上記の如
くスリットSを形成して環状部位1cのループ通路幅を
狭めることにより、その結合が更に良好に形成されてい
る。なお、ジョセフソン接合の幅は3μm、スリットS
の幅は10μm、環状部位1cの矩形状開口の幅は6μ
m、長さは100μm、環状部位1cの外径寸法は2m
m角である。また、ピックアップコイル2fpの外径寸
法は17mm角、内径寸法は11mm角であり、コイル
幅は3mmである。さらに、インプットコイル2fiの
外径寸法は3.5mm角、内径寸法は1.5mm角であ
り、コイル幅は1mmである。なお、SQUID1の環
状部位1cの外径とは、SQUID1の超電導閉ループ
を構成する部分、すなわち環状部位1cの面積の平方根
で規定するものとし、インプットコイル2fiの内径
は、その開口面積の平方根で規定するものとする。
トSを規定する稜線の上記内縁所定地点Y側と環状部位
1cの内縁との間を横断している。段差型ジョセフソン
接合Jによる弱結合は、段差を用いて超電導薄膜内で粒
界を形成することによって形成されているが、上記の如
くスリットSを形成して環状部位1cのループ通路幅を
狭めることにより、その結合が更に良好に形成されてい
る。なお、ジョセフソン接合の幅は3μm、スリットS
の幅は10μm、環状部位1cの矩形状開口の幅は6μ
m、長さは100μm、環状部位1cの外径寸法は2m
m角である。また、ピックアップコイル2fpの外径寸
法は17mm角、内径寸法は11mm角であり、コイル
幅は3mmである。さらに、インプットコイル2fiの
外径寸法は3.5mm角、内径寸法は1.5mm角であ
り、コイル幅は1mmである。なお、SQUID1の環
状部位1cの外径とは、SQUID1の超電導閉ループ
を構成する部分、すなわち環状部位1cの面積の平方根
で規定するものとし、インプットコイル2fiの内径
は、その開口面積の平方根で規定するものとする。
【0017】インプットコイル2fiの内径が環状部位
1cの外径よりも大きい場合には、磁束の一部が外部に
漏洩する。そこで、本例では、インプットコイル2fi
がSQUID1の環状部位1cに対向配置されると共に
インプットコイル2fiの内径が環状部位1cの外径よ
りも小さいこととし、漏洩を抑制してより多くの磁束が
SQUID1の開口内に導入される構成としてある。な
お、インプットコイル2fiの形状は次図のように変形
してもよい。
1cの外径よりも大きい場合には、磁束の一部が外部に
漏洩する。そこで、本例では、インプットコイル2fi
がSQUID1の環状部位1cに対向配置されると共に
インプットコイル2fiの内径が環状部位1cの外径よ
りも小さいこととし、漏洩を抑制してより多くの磁束が
SQUID1の開口内に導入される構成としてある。な
お、インプットコイル2fiの形状は次図のように変形
してもよい。
【0018】図3は、対向配置されたSQUID環状部
位1c及び変形されたインプットコイル2fi部分の拡
大図である。磁気トランス2のインプットコイル2fi
はピックアップコイル2fpに結合しているので、ピッ
クアップコイル2fpで検出された磁束はインプットコ
イル2fi内に濃縮され、インプットコイル2fiに対
向配置されたSQUID環状部位1cに導入される。ス
リットSは基端側が開放しているため、図2の構成では
インプットコイル2fiからSQUID環状部位1cの
開口内に導入されるはずの磁場の一部がスリットから漏
れてしまう。そこで、本例では、インプットコイル2f
iがSQUID1の環状部位1cに対向配置されると共
にスリットSの全領域を覆うことにより、上記漏れ現象
を抑制して検出感度を向上させる構成とした。すなわ
ち、インプットコイル2fiは外環部から内部に向けて
突出した矩形状突出領域2frを有しており、突出領域
2frの幅は0.5mm、長さは1mmである。
位1c及び変形されたインプットコイル2fi部分の拡
大図である。磁気トランス2のインプットコイル2fi
はピックアップコイル2fpに結合しているので、ピッ
クアップコイル2fpで検出された磁束はインプットコ
イル2fi内に濃縮され、インプットコイル2fiに対
向配置されたSQUID環状部位1cに導入される。ス
リットSは基端側が開放しているため、図2の構成では
インプットコイル2fiからSQUID環状部位1cの
開口内に導入されるはずの磁場の一部がスリットから漏
れてしまう。そこで、本例では、インプットコイル2f
iがSQUID1の環状部位1cに対向配置されると共
にスリットSの全領域を覆うことにより、上記漏れ現象
を抑制して検出感度を向上させる構成とした。すなわ
ち、インプットコイル2fiは外環部から内部に向けて
突出した矩形状突出領域2frを有しており、突出領域
2frの幅は0.5mm、長さは1mmである。
【0019】図4は、超電導薄膜2f側から見た磁束ト
ランス2の平面図である。磁束トランス2について詳説
すれば、サファイア基板2s上に形成された超電導薄膜
2fは、矩形環状の薄膜ピックアップコイル2fpと、
これに電磁気的に結合した矩形環状の薄膜インプットコ
イル2fiとからなる。上記のようにピックアップコイ
ル2fpの開口面積はインプットコイル2fiの開口面
積よりも大きく、幅も広い。
ランス2の平面図である。磁束トランス2について詳説
すれば、サファイア基板2s上に形成された超電導薄膜
2fは、矩形環状の薄膜ピックアップコイル2fpと、
これに電磁気的に結合した矩形環状の薄膜インプットコ
イル2fiとからなる。上記のようにピックアップコイ
ル2fpの開口面積はインプットコイル2fiの開口面
積よりも大きく、幅も広い。
【0020】図5は、図4に示した磁束トランス2のI
−I矢印断面図である。上記磁気トランス2に用いるサ
ファイア基板2s上に形成可能な超電導材料を鋭意検討
したところ、超電導薄膜2fとしてはHo系酸化物超電
導体が良好に形成できることが判明した。サファイア基
板2sは、大型のものを安価に入手することができるの
で、磁束トランス2を大型化することができる。したが
って、SQUID1を小型化しても磁束トランス2から
SQUID1に導入される磁束を増加させて有効磁束捕
獲面積を増加させることができ、検出性能を向上させる
とともに、SQUID1の小型化によって製造コストを
低減させることができる。
−I矢印断面図である。上記磁気トランス2に用いるサ
ファイア基板2s上に形成可能な超電導材料を鋭意検討
したところ、超電導薄膜2fとしてはHo系酸化物超電
導体が良好に形成できることが判明した。サファイア基
板2sは、大型のものを安価に入手することができるの
で、磁束トランス2を大型化することができる。したが
って、SQUID1を小型化しても磁束トランス2から
SQUID1に導入される磁束を増加させて有効磁束捕
獲面積を増加させることができ、検出性能を向上させる
とともに、SQUID1の小型化によって製造コストを
低減させることができる。
【0021】すなわち、本実施の形態に係る磁気センサ
のSQUID環状部位1cの外径は5mm以下であるこ
とが好ましい。特に、磁気トランス2の超電導薄膜2f
をHo1Ba2Cu3O7-x薄膜から構成し、バッファ層と
しての酸化セリウム層(CeO2)2bを介してサファ
イア基板2s上に形成すると、その結晶状態及び特性は
良好なものとなる。なお、磁束トランス2のHoBaC
uO超電導薄膜2fは製造コストの観点からは単層であ
ることが望ましい。
のSQUID環状部位1cの外径は5mm以下であるこ
とが好ましい。特に、磁気トランス2の超電導薄膜2f
をHo1Ba2Cu3O7-x薄膜から構成し、バッファ層と
しての酸化セリウム層(CeO2)2bを介してサファ
イア基板2s上に形成すると、その結晶状態及び特性は
良好なものとなる。なお、磁束トランス2のHoBaC
uO超電導薄膜2fは製造コストの観点からは単層であ
ることが望ましい。
【0022】また、磁束トランス2はSQUID1のよ
うにジョセフソン接合を含まないので、磁束トランス2
の歩留まりはSQUID1よりも高い。また、小型のS
QUIDの方が1基板中に生産できる素子数が多い。し
たがって、本実施の形態の磁気センサによれば、サファ
イア基板2sを用いることにより大型の磁束トランス2
を高い歩留まりで製造できるため、SQUID1を小型
化することができ、検出精度を劣化させることなく磁気
センサの生産性を向上させることができる。
うにジョセフソン接合を含まないので、磁束トランス2
の歩留まりはSQUID1よりも高い。また、小型のS
QUIDの方が1基板中に生産できる素子数が多い。し
たがって、本実施の形態の磁気センサによれば、サファ
イア基板2sを用いることにより大型の磁束トランス2
を高い歩留まりで製造できるため、SQUID1を小型
化することができ、検出精度を劣化させることなく磁気
センサの生産性を向上させることができる。
【0023】次に磁気トランス2の製造方法及び特性に
ついて説明する。まず、SQUID1を、続いて磁束ト
ランス2を製造し、これらを組み合わせて磁気センサを
製造し、その特性を評価した。
ついて説明する。まず、SQUID1を、続いて磁束ト
ランス2を製造し、これらを組み合わせて磁気センサを
製造し、その特性を評価した。
【0024】図6は、SQUID1(SQUID11〜
19)の形成されたSrTiO3基板1sの平面図であ
る。SQUID1の製造にあたっては、まず、図6に示
すように、図1に示した基板1sを縦横3つずつ、計9
つ内包可能な20mm角のSrTiO3基板1sを用意
し、ジョセフソン接合用の150nmの段差を形成した
後、その上に膜厚200nmのHo1Ba2Cu3O7-X薄
膜1fを形成した。薄膜1fはレーザ蒸着法を用いて形
成した。しかる後、形成された薄膜1fをフォトリソグ
ラフィ技術を用いてパターニングした。最後に、各SQ
UID11〜19を図中点線に沿ってダイシングし、9つ
のSQUID11〜19を分離した。
19)の形成されたSrTiO3基板1sの平面図であ
る。SQUID1の製造にあたっては、まず、図6に示
すように、図1に示した基板1sを縦横3つずつ、計9
つ内包可能な20mm角のSrTiO3基板1sを用意
し、ジョセフソン接合用の150nmの段差を形成した
後、その上に膜厚200nmのHo1Ba2Cu3O7-X薄
膜1fを形成した。薄膜1fはレーザ蒸着法を用いて形
成した。しかる後、形成された薄膜1fをフォトリソグ
ラフィ技術を用いてパターニングした。最後に、各SQ
UID11〜19を図中点線に沿ってダイシングし、9つ
のSQUID11〜19を分離した。
【0025】図7は、コイル2fp,2fsを含む磁束
トランス2(磁束トランス21〜24)の形成されたサフ
ァイア基板2sの平面図である。磁束トランス2の製造
にあたっては、まず、図7に示すように、図1に示した
基板2sを縦横2つずつ、計4つ内包可能な40mm角
のサファイア基板2sを用意し、その上に膜厚10nm
のCeO2バッファ層2b、膜厚200nmのHo1Ba
2Cu3O7-X薄膜2fを順次形成した。薄膜2fはレー
ザ蒸着法を用いて形成した。しかる後、形成された薄膜
をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングした。
なお、それぞれのインプットコイル2fiの幅は、ピッ
クアップコイル2fpの幅よりも狭いので、全てのイン
プットコイル2fiが薄膜の質の劣化の少ない基板2s
中央部寄りに位置するようにパターニングした。最後
に、各磁束トランス21〜24を図中点線に沿ってダイシ
ングし、4つの磁束トランス21〜24を分離した。
トランス2(磁束トランス21〜24)の形成されたサフ
ァイア基板2sの平面図である。磁束トランス2の製造
にあたっては、まず、図7に示すように、図1に示した
基板2sを縦横2つずつ、計4つ内包可能な40mm角
のサファイア基板2sを用意し、その上に膜厚10nm
のCeO2バッファ層2b、膜厚200nmのHo1Ba
2Cu3O7-X薄膜2fを順次形成した。薄膜2fはレー
ザ蒸着法を用いて形成した。しかる後、形成された薄膜
をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングした。
なお、それぞれのインプットコイル2fiの幅は、ピッ
クアップコイル2fpの幅よりも狭いので、全てのイン
プットコイル2fiが薄膜の質の劣化の少ない基板2s
中央部寄りに位置するようにパターニングした。最後
に、各磁束トランス21〜24を図中点線に沿ってダイシ
ングし、4つの磁束トランス21〜24を分離した。
【0026】上記の如く形成されたSQUID1と磁束
トランス2とを、図1に示すようにインプットコイル2
fiがSQUID1の環状部位1c上に重なるようにス
ペーサを介して接着し、磁気センサを製造した。この磁
気センサを液体窒素中に浸し、磁気計測を行った。本磁
気センサの有効磁束捕獲面積は0.16mm2であり、
磁場分解能は10Hzにおいて120fT/√Hzであ
った。
トランス2とを、図1に示すようにインプットコイル2
fiがSQUID1の環状部位1c上に重なるようにス
ペーサを介して接着し、磁気センサを製造した。この磁
気センサを液体窒素中に浸し、磁気計測を行った。本磁
気センサの有効磁束捕獲面積は0.16mm2であり、
磁場分解能は10Hzにおいて120fT/√Hzであ
った。
【0027】(第2実施形態)次に、図3に示した変形
型インプットコイル2fiを有する磁束トランス2を第
1実施形態と同様に製造してSQUID1と組み合わ
せ、磁気センサを製造した。この磁気センサを液体窒素
中に浸し、磁気計測を行った。本磁気センサの有効磁束
捕獲面積は0.24mm2であり、磁場分解能は10H
zにおいて80fT/√Hzであった。
型インプットコイル2fiを有する磁束トランス2を第
1実施形態と同様に製造してSQUID1と組み合わ
せ、磁気センサを製造した。この磁気センサを液体窒素
中に浸し、磁気計測を行った。本磁気センサの有効磁束
捕獲面積は0.24mm2であり、磁場分解能は10H
zにおいて80fT/√Hzであった。
【0028】(第3実施形態)さらに、ピックアップコ
イル2fpの外径寸法を17mm角から37mm角に変
更し、他の構成は図3に示したものと同様である磁束ト
ランス2を第1実施形態と同様に製造してSQUID1
と組み合わせ、磁気センサを製造した。この磁気センサ
を液体窒素中に浸し、磁気計測を行った。本磁気センサ
の有効磁束捕獲面積は0.5mm2であり、磁場分解能
は10Hzにおいて40fT/√Hzであった。
イル2fpの外径寸法を17mm角から37mm角に変
更し、他の構成は図3に示したものと同様である磁束ト
ランス2を第1実施形態と同様に製造してSQUID1
と組み合わせ、磁気センサを製造した。この磁気センサ
を液体窒素中に浸し、磁気計測を行った。本磁気センサ
の有効磁束捕獲面積は0.5mm2であり、磁場分解能
は10Hzにおいて40fT/√Hzであった。
【0029】(第4実施形態)また、インプットコイル
2fiを多数巻きにして、さらに検出性能を向上させる
ことができる。すなわち、本例ではサファイア基板2s
上にインプットコイル2fiが多数巻きの磁束トランス
2を作製した。ピックアップコイル2fpの寸法は第1
実施形態のものと同様とし、インプットコイル2fiの
巻き数は20ターン、ライン幅は10μm、ライン間ス
ペースは5μmとした。この場合、コイルの渦巻き中心
から外部へ出力を引き出す配線部位では、インプットコ
イル2fiが、コイル用超電導薄膜/絶縁膜/配線用超
電導薄膜の3層構造を有する。これらの超電導薄膜とし
てはHo1Ba2Cu3O7-Xを用い、絶縁膜としてはCe
O2を用いた。
2fiを多数巻きにして、さらに検出性能を向上させる
ことができる。すなわち、本例ではサファイア基板2s
上にインプットコイル2fiが多数巻きの磁束トランス
2を作製した。ピックアップコイル2fpの寸法は第1
実施形態のものと同様とし、インプットコイル2fiの
巻き数は20ターン、ライン幅は10μm、ライン間ス
ペースは5μmとした。この場合、コイルの渦巻き中心
から外部へ出力を引き出す配線部位では、インプットコ
イル2fiが、コイル用超電導薄膜/絶縁膜/配線用超
電導薄膜の3層構造を有する。これらの超電導薄膜とし
てはHo1Ba2Cu3O7-Xを用い、絶縁膜としてはCe
O2を用いた。
【0030】1層目のコイル用超電導薄膜は第1実施形
態と同様にして作製し、膜厚は200nmとした。絶縁
薄膜の厚さは150nm、2層目の配線用超電導薄膜の
厚さは200nmとし、それぞれレーザ蒸着法で形成
し、形成されたそれぞれの層を第1実施形態と同様の方
法でパターニングすることにより上記3層構造のインプ
ットコイル2fiを製造した。
態と同様にして作製し、膜厚は200nmとした。絶縁
薄膜の厚さは150nm、2層目の配線用超電導薄膜の
厚さは200nmとし、それぞれレーザ蒸着法で形成
し、形成されたそれぞれの層を第1実施形態と同様の方
法でパターニングすることにより上記3層構造のインプ
ットコイル2fiを製造した。
【0031】こうして作製した多数巻きのインプットコ
イル2fiを有する磁束トランス2を第1実施形態と同
様に製造したSQUID1と組み合わせ、磁気センサを
製造した。この磁気センサを液体窒素中に浸し、磁気計
測を行った。本磁気センサの有効磁束捕獲面積は1.6
mm2であり、磁場分解能は10Hzにおいて12fT/
√Hzであった。
イル2fiを有する磁束トランス2を第1実施形態と同
様に製造したSQUID1と組み合わせ、磁気センサを
製造した。この磁気センサを液体窒素中に浸し、磁気計
測を行った。本磁気センサの有効磁束捕獲面積は1.6
mm2であり、磁場分解能は10Hzにおいて12fT/
√Hzであった。
【0032】以上、説明したように、上記実施の形態に
係る磁気センサは、サファイア基板2s上に形成された
超電導薄膜2fを有する磁束トランス2と、磁束トラン
ス2上に対向配置されたSQUID1とを備える。本磁
気センサによれば、大型のものを得ることができるサフ
ァイア基板2sを磁束トランス2に用いるので、SQU
ID1を小型化しても磁束トランス2からSQUID1
に導入される磁束を増加させて有効磁束捕獲面積を増加
させることができ、検出性能を向上させるとともに、S
QUID1の小型化によって製造コストを低減させるこ
とができる。なお、SQUID1や磁束トランス2の超
電導薄膜1f,2fとしてはYBCO等の他の酸化物高
温超電導材料を用いることができる。
係る磁気センサは、サファイア基板2s上に形成された
超電導薄膜2fを有する磁束トランス2と、磁束トラン
ス2上に対向配置されたSQUID1とを備える。本磁
気センサによれば、大型のものを得ることができるサフ
ァイア基板2sを磁束トランス2に用いるので、SQU
ID1を小型化しても磁束トランス2からSQUID1
に導入される磁束を増加させて有効磁束捕獲面積を増加
させることができ、検出性能を向上させるとともに、S
QUID1の小型化によって製造コストを低減させるこ
とができる。なお、SQUID1や磁束トランス2の超
電導薄膜1f,2fとしてはYBCO等の他の酸化物高
温超電導材料を用いることができる。
【0033】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明に係る磁
気センサは、サファイア基板を磁束トランスに用いるの
で、検出性能を向上させるとともに、SQUIDの小型
化によって製造コストを低減させることができる。
気センサは、サファイア基板を磁束トランスに用いるの
で、検出性能を向上させるとともに、SQUIDの小型
化によって製造コストを低減させることができる。
【図1】実施の形態に係る磁気センサの一部分を分解し
て示す斜視図。
て示す斜視図。
【図2】対向配置されたSQUID環状部位1c及びイ
ンプットコイル2fi部分の拡大図。
ンプットコイル2fi部分の拡大図。
【図3】対向配置されたSQUID環状部位1c及び変
形インプットコイル2fi部分の拡大図。
形インプットコイル2fi部分の拡大図。
【図4】超電導薄膜2f側から見た磁束トランス2の平
面図。
面図。
【図5】図4に示した磁束トランス2のI−I矢印断面
図。
図。
【図6】SQUID11〜19の形成されたSrTiO3
基板1sの平面図。
基板1sの平面図。
【図7】磁束トランス21〜24の形成されたサファイア
基板2sの平面図。
基板2sの平面図。
2s・・・サファイア基板、2f・・・超電導薄膜、2・・・磁
束トランス、1・・・SQUID。
束トランス、1・・・SQUID。
Claims (9)
- 【請求項1】 サファイア基板上に形成された超電導薄
膜を有する磁束トランスと、前記磁束トランス上に対向
配置されたSQUIDと、を備えることを特徴とする磁
気センサ。 - 【請求項2】 前記磁気トランスの前記超電導薄膜は、
単層であることを特徴とする請求項1に記載の磁気セン
サ。 - 【請求項3】 前記磁気トランスの前記超電導薄膜は、
Ho系酸化物超電導体からなることを特徴とする請求項
1に記載の磁気センサ。 - 【請求項4】 前記磁気トランスの前記超電導薄膜は、
HoBaCuO薄膜からなり、酸化セリウム層を介して
前記サファイア基板上に形成されていることを特徴とす
る請求項3に記載の磁気センサ。 - 【請求項5】 前記SQUIDは、超電導材料からなる
環状部位を有し、前記環状部位はワッシャ形状であるこ
とを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。 - 【請求項6】 前記SQUIDは、超電導材料からなる
環状部位を有し、前記環状部位は外径が5mm以下であ
ることを特徴とする請求項1に記載の磁気センサ。 - 【請求項7】 前記環状部位の所定部分は、その下を横
断する段差を覆うことによりジョセフソン接合を形成し
ていることを特徴とする請求項5又は6に記載の磁気セ
ンサ。 - 【請求項8】前記環状部位の所定部分はジョセフソン接
合を形成しており、前記環状部位は前記環状部位の外縁
所定地点と内縁所定地点との間の位置に向かって前記外
縁の前記外縁所定地点とは異なる地点から切り込まれた
スリットを有し、前記ジョセフソン接合は前記スリット
を規定する稜線の前記内縁所定地点側と前記環状部位の
内縁との間を横断しており、前記磁束トランスの前記超
電導薄膜は被検出体の磁束を取り込むピックアップコイ
ル及び前記ピックアップコイルに結合したインプットコ
イルを有し、前記インプットコイルは前記SQUIDの
前記環状部位に対向配置されると共に前記スリットの全
領域を覆っていることを特徴とする請求項5又は6に記
載の磁気センサ。 - 【請求項9】 前記磁束トランスの前記超電導薄膜は被
検出体の磁束を取り込むピックアップコイル及び前記ピ
ックアップコイルに結合したインプットコイルを有し、
前記インプットコイルは前記SQUIDの前記環状部位
に対向配置されると共に前記インプットコイルの内径は
前記環状部位の外径よりも小さいことを特徴とする請求
項5又は6に記載の磁気センサ。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9357425A JPH11186623A (ja) | 1997-12-25 | 1997-12-25 | 磁気センサ |
US09/189,801 US6226538B1 (en) | 1997-12-25 | 1998-11-12 | Magnetic sensor with squid and having superconducting coils formed on sapphire substrate |
DE69838208T DE69838208T2 (de) | 1997-12-25 | 1998-11-25 | Magnetsensor mit Supraleiter |
EP98122155A EP0926508B1 (en) | 1997-12-25 | 1998-11-25 | Magnetic sensor utilizing a superconductor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9357425A JPH11186623A (ja) | 1997-12-25 | 1997-12-25 | 磁気センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11186623A true JPH11186623A (ja) | 1999-07-09 |
Family
ID=18454063
Family Applications (1)
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