JPWO2010122733A1

JPWO2010122733A1 - Ｓｑｕｉｄ磁気センサ

Info

Publication number: JPWO2010122733A1
Application number: JP2011510175A
Authority: JP
Inventors: 好廿日出; 田中　三郎; 三郎田中; 翔金井
Original assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2012-10-25
Also published as: EP2423698A1; US20120053059A1; US8548542B2; WO2010122733A1

Abstract

薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、磁場中でセンサに生じる磁束トラップ又はジャンプを抑制して、ＳＱＵＩＤ磁気センサの性能劣化を防ぎ、磁場中でも高感度で安定して動作する高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサを提供する。バイクリスタル粒界接合部を持つバイクリスタル基板１と、このバイクリスタル基板１上に第１の高温超伝導薄膜で形成されるピックアップループ７ａ〜７ｄと、前記バイクリスタル粒界接合部上に前記ピックアップループ７ａ〜７ｄと直接接続する前記第１の高温超伝導薄膜で形成されたＳＱＵＩＤリング３とを備えた超伝導量子干渉素子磁気センサにおいて、前記ピックアップループ７ａ〜７ｄを、前記バイクリスタル粒界接合部に重ならない位置にバイクリスタル粒界ライン２を中心にして複数配設する。

Description

本発明は、磁気シールド等を用いない環境磁気ノイズ中でも安定して動作する高感度な薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導・超伝導量子干渉素子（ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＱＵａｎｔｕｍＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＤｅｖｉｃｅ：ＳＱＵＩＤ）磁気センサに関するものである。

高温超伝導ＳＱＵＩＤは良好な感度を持つ磁気センサであるが、バイクリスタル粒界接合を用いた薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサは、数１０ｎＴ〜数１００ｎＴの磁場にさらされると、磁束トラップ・ジャンプを生じて動作が不安定となる（例えば、非特許文献１参照）。そのため、磁場中に高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサを配置して計測を行う場合や磁場ノイズが大きい環境で用いる場合、ＳＱＵＩＤ磁気センサを高感度のまま安定して動作させることが困難であった。

ＰｅｔｅｒＳｅｌｄｅｒｓ，ｅｔａｌ．，"Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆ１／ｆ−ＮｏｉｓｅｉｎＨＴＳ−ＳＱＵＩＤｓｂｙＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＤｅｆｅｃｔｓ"，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，ｖｏｌ．９，ｎｏ．２，ｐｐ．２９６７−２９７０，１９９９．

図１及び図２は、従来の一般的なバイクリスタル粒界接合を用いた薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサであり、図１はその全体図、図２はＳＱＵＩＤリング部（図１のＡの一部）の拡大図である。
図１及び図２において、１０１はバイクリスタル（ｂｉ−ｃｒｙｓｔａｌ）基板、１０２はバイクリスタル粒界ライン、１０３はピックアップループ、１０４Ａ，１０４Ｂはバイクリスタル粒界接合部（バイクリスタルジョセフソン接合部：弱結合部）、１０５は切り欠き、１０６はＳＱＵＩＤリングである。

これらの図に示すように、このタイプのＳＱＵＩＤは、ＳＱＵＩＤリング１０６がバイクリスタル基板１０１のバイクリスタル粒界ライン１０２上に位置する構造となっている。このようなパターンでは、ピックアップループ１０３において、バイクリスタル基板１０１のバイクリスタル粒界ライン１０２上に幅の広いバイクリスタル粒界接合部（弱結合部）を持つ超伝導薄膜が広範囲に形成される。

このＳＱＵＩＤが磁場中で冷却される際、ＳＱＵＩＤリング１０６のバイクリスタル粒界接合部１０４Ａ，１０４Ｂ、およびバイクリスタル粒界１０２上のピックアップループ１０３において、その他の粒界のない部分より多くの磁束がピン止めされやすい。そして、ＳＱＵＩＤに磁場が印加されると、磁場によってピックアップループ１０３やＳＱＵＩＤリング１０６に遮蔽電流が発生し、この遮蔽電流とピン止めされた磁束との間にローレンツ力が発生する。このローレンツ力がバイクリスタル粒界接合部１０４Ａ，１０４Ｂ、およびバイクリスタル粒界１０２上のピックアップループ１０３の弱いピン止め力を超える場合、バイクリスタル粒界接合部１０４Ａ，１０４Ｂ、およびバイクリスタル粒界１０２上のピックアップループ１０３でピン止めされていた磁束が超伝導薄膜におけるエネルギーのより低い場所にジャンプして、複数の磁束がランダムに移動し続ける磁束クリープが生じる。特に、ＳＱＵＩＤリング１０６のバイクリスタル粒界接合部１０４Ａ，１０４Ｂに磁束がトラップされた場合、ＳＱＵＩＤ磁気センサの特性が劣化して感度が低下し、ＳＱＵＩＤ磁気センサを長時間安定して動作させることが困難になる。したがって、このようなパターンのＳＱＵＩＤ磁気センサは磁場耐性が低く、磁場ノイズが大きい環境や磁場中で行う測定での使用が困難である。

実際に、ピックアップループ１０３のサイズが８ｍｍ×８ｍｍで、ＳＱＵＩＤリング１０６のバイクリスタル粒界接合部１０４Ａ，１０４Ｂ、およびピックアップループ１０３中にバイクリスタル粒界によるバイクリスタル粒界接合部を持つ、図１に示すパターンの薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサを作製して磁場耐性を調べたところ、振幅約１００ｎＴ，１００Ｈｚの交流磁場中で磁束トラップ・ジャンプが生じて感度が低下し、不安定動作状態となった。

そこで、本発明では、これらの磁場中における感度低下と不安定動作の問題を解決するため、ＳＱＵＩＤリングのバイクリスタル粒界接合部での磁束トラップ及びジャンプを低減して、磁場中でも安定に動作する高感度なＳＱＵＩＤ磁気センサを提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するために、
〔１〕バイクリスタル粒界接合部を持つバイクリスタル基板と、このバイクリスタル基板上に第１の高温超伝導薄膜で形成されるピックアップループと、前記バイクリスタル粒界接合部上に前記ピックアップループと直接接続する前記第１の高温超伝導薄膜で形成されたＳＱＵＩＤリングとを備えた超伝導量子干渉素子（ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＱＵａｎｔｕｍＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＤｅｖｉｃｅ：ＳＱＵＩＤ）磁気センサにおいて、前記ピックアップループを、前記バイクリスタル粒界接合部に重ならない位置にバイクリスタル粒界ラインを中心にして両側に複数配設することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記ピックアップループを、１つのバイクリスタル粒界ラインとこれに垂直なラインそれぞれを中心にして両側に２個ずつ配設することを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記バイクリスタル粒界接合部上に形成された前記ＳＱＵＩＤリングが、第２の高温超伝導薄膜で覆われていることを特徴とする。

〔４〕上記〔３〕記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記第２の高温超伝導薄膜が、前記ピックアップループのうち任意の隣接する２個のピックアップループによって形成される隙間を少なくとも覆うことを特徴とする。
〔５〕上記〔４〕記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記第２の高温超伝導薄膜が、隙間を形成する前記２個の隣接するピックアップループそれぞれの線幅の１／２以上を覆うようにしたことを特徴とする。

〔６〕上記〔４〕記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記ピックアップループ及び前記ＳＱＵＩＤリングと前記第２の高温超伝導薄膜との間に絶縁膜が形成されていることを特徴とする。
〔７〕上記〔４〕記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記絶縁膜がＣｅＯ2であることを特徴とする。

〔８〕上記〔４〕記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記絶縁膜がＳＴＯであることを特徴とする。
〔９〕上記〔３〕から〔８〕の何れか一項記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、表面上に前記第２の高温超伝導薄膜が形成され、かつ前記第２の高温超伝導薄膜の上面に絶縁膜が積層された第２の基板を備えており、この第２の基板と前記バイクリスタル基板とが、前記絶縁膜を介してフリップチップ構造となるように一体化されたことを特徴とする。

本発明の、超伝導薄膜でＳＱＵＩＤリングおよび分割したピックアップループの隙間を覆った薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサを用いることにより、比較的高い磁場中における安定した微小磁気計測が可能になる。
また、ＳＱＵＩＤリング部における磁束トラップを低減でき、磁束を有効にピックアップループに鎖交させることができることから、ＳＱＵＩＤの特性及び感度が向上する。

したがって、本発明によれば、これまで計測できなかった強磁性体にセンサを接近させて微小磁気信号を計測することや、磁気ノイズの高い環境で微小磁気信号を計測することが可能となる。

従来の薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサである。図１に示す薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサのＳＱＵＩＤリング周辺の拡大図である。本発明における分割したピックアップループをもつ薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサの一実施例である。図３に示す薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサのＳＱＵＩＤリング周辺の拡大図である。図３に示す薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサ上への超伝導薄膜の取り付け図である。図５に示す超伝導薄膜を取り付けた薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサのバイクリスタル粒界ラインに沿ったＣ−Ｃ線断面図である。図３に示す薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサに薄い絶縁層を挟んで超伝導層を積層した場合の、バイクリスタル粒界に沿った断面図である。

図３及び図４は本発明の薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサの一実施例であり、図３はその全体図、図４はＳＱＵＩＤリング部（図３のＢの一部）の拡大図である。
これらの図において、１はバイクリスタル基板、２はバイクリスタル基板１のバイクリスタル粒界ライン、３はＳＱＵＩＤリング、４Ａ，４Ｂはバイクリスタル粒界接合部（弱接合部）、５は切り欠き、６ａ〜６ｄは電圧・電流端子に接続される電極（例えば、高温超伝導薄膜上に蒸着したＡｇ）、７ａ〜７ｄは分割したピックアップループ（各サイズ１．５ｍｍ×１．５ｍｍ）であり、分割したピックアップループ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄにＳＱＵＩＤリング３が結合される。なお、８はバイクリスタル基板１のバイクリスタル粒界ライン２に垂直なラインである。

バイクリスタル基板１の材料は、例えば、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ₃）であり、その上にＹＢＣＯを厚さ２００ｎｍエピタキシャル成長させる。また、バイクリスタル基板１の接合角は、２４°，３０°，３６°及び４５°のうち何れかが使用できるが、本実施例では３０°を使用した。
ピックアップループにバイクリスタル粒界接合部（弱接合部）が存在しないようにピックアップループを分割した構造とし、バイクリスタル基板１のバイクリスタル粒界ライン２上にピックアップループ７ａ〜７ｄが位置しない構造とすることが望ましい。これにより、ピックアップループ７ａ〜７ｄ内に磁束ピン止めが発生しやすい部分を排除することができる。本実施例ではピックアップループを４分割としたが、バイクリスタル基板１のバイクリスタル粒界ライン２上にピックアップループが位置しない構造であれば２分割でも４分割でも更に多分割であってもよい。

また、図５及び図６は、上記本発明の薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサと超伝導薄膜がフリップチップ構造となる取り付け図であり、図５はその上面図、図６は図５に示すバイクリスタル粒界ラインに沿ったＣ−Ｃ線断面図である。
これらの図において、１１はバイクリスタル基板、１２はＳＱＵＩＤリング、１３はバイクリスタル粒界ライン、１４Ａ，１４Ｂはバイクリスタル粒界接合部（弱接合部）、１５ａ〜１５ｄは電圧・電流端子に接続される電極（例えば、高温超伝導薄膜上に蒸着したＡｇ）、１６ａ〜１６ｄは分割したピックアップループ（各サイズ１．５ｍｍ×１．５ｍｍ）であり、分割したピックアップループ１６ａ〜１６ｄにＳＱＵＩＤリング１２が結合される。１７は絶縁層、１８は超伝導薄膜、１９基板（例えば、厚さ０．５ｍｍのＳＴＯ基板）、２０は外部磁束である。

ＳＱＵＩＤ磁気センサの基板１１の上を覆う超伝導薄膜１８は、ＳＱＵＩＤリング１２と分割したピックアップループ１６ａ〜１６ｄとの間の隙間を全て覆うように設置することが望ましい。ＳＱＵＩＤ磁気センサ表面への超伝導薄膜１８の取り付け・接着及びＳＱＵＩＤ磁気センサと超伝導薄膜１８との間の電気的絶縁のために、極低温でも接着力の高い絶縁層１７を用いることが望ましい。また、この絶縁層１７の厚さは、ＳＱＵＩＤリング１２における磁束トラップ・ジャンプを抑える効果を高めるために極薄く（例えば、１μｍ）することが望ましい。さらに、分割したピックアップループ１６ａ〜１６ｄの間の隙間を通り抜ける磁束をピックアップループ１６ａ〜１６ｄに有効に鎖交させるために、ピックアップループ１６ａ〜１６ｄの隙間を覆う、ピックアップループ間の隙間幅に加えて、隙間を形成する隣接した２つのピックアップループ（例えば、１６ａと１６ｂ）の線幅のそれぞれ１／２以上を覆うような幅にして設置することが望ましい。これにより、磁束がピックアップループ１６ａ〜１６ｄの隙間を通り抜けることがなく、より高い磁束感度を得ることができる。

ＳＱＵＩＤ磁気センサの基板の上を覆う超伝導薄膜の別の形態を、図７の断面図に示す。この図において、２１はバイクリスタル基板、２２Ａ，２２Ｂはバイクリスタル粒界接合部、２３は絶縁層（例えば、ＣｅＯ_２やＳＴＯ）、２４は超伝導薄膜、２５は外部磁束である。
図３に示す分割したピックアップループを用いた薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサをベースとして、図７に示すような絶縁層２３を挟んで超伝導薄膜２４をＳＱＵＩＤ磁気センサの上に積層させる構造でも、図５及び図６に示したフリップチップ構造と同様の効果が期待できる。

このような超伝導薄膜２４を極薄い（例えば、２００ｎｍ）の隙間を隔ててＳＱＵＩＤ磁気センサの上に積層すれば、図６に示す超伝導薄膜１１と同様な効果が得られると考えられ、絶縁層２３も同様になるべく薄い方が望ましい。

上記実施形態の性能を確認するため、次の通り実験を行った。
（実施例１）
図３に示す形態の、各ピックアップループのサイズが１．５ｍｍ×１．５ｍｍであって、バイクリスタルジョセフソン接合を持つ薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサを作製して、液体窒素（沸点７７Ｋ）で冷却し、ＳＱＵＩＤ磁気センサの性能を実験により調べた。その結果、１００Ｈｚの磁場をかけたところ、０．７５μＴの磁場までＳＱＵＩＤが安定に動作した。
（比較例）
比較例として、図１に示す形態の、ピックアップループのサイズが８ｍｍ×８ｍｍであって、バイクリスタルジョセフソン接合を持つ薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサを作製して、実施例１と同様に液体窒素（沸点７７Ｋ）で冷却し、ＳＱＵＩＤ磁気センサの性能を実験により調べた。その結果、１００Ｈｚの磁場をかけたところ、０．１μＴの磁場でＳＱＵＩＤが不安定動作となり、実施例１に比較して磁場耐性が劣ることが明らかとなった。
（実施例２）
図３に示す形態の、ピックアップループのサイズが１．５ｍｍ×１．５ｍｍであって、バイクリスタルジョセフソン接合を持つ薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサを作製して、液体窒素（沸点７７Ｋ）で冷却した場合と、図５及び図６に示す形態の、超伝導薄膜（それぞれ１８）を持つバイクリスタル基板１１とＳＱＵＩＤ磁気センサをフリップチップ構造とした場合の、ＳＱＵＩＤ磁気センサの性能を実験により調べた。

表１は、超伝導薄膜を取り付けていない場合と取り付けた場合におけるＳＱＵＩＤ磁気センサの特性である。超伝導薄膜を取り付けていないＳＱＵＩＤ磁気センサでは、臨界電流、ＳＱＵＩＤ磁気センサが不安定になる外部磁場の振幅、有効磁束捕獲面積及びホワイト磁束ノイズレベルは、それぞれ１４μＡ、０．７５μＴ、０．０６６ｍｍ²、２０μφ₀／Ｈｚ^1/2であった。一方、超伝導薄膜を取り付けた場合の同ＳＱＵＩＤ磁気センサではそれぞれ２８．４μＡ、３．６μＴ、０．０８５ｍｍ²、１４μφ₀／Ｈｚ^1/2であり、臨界電流が約２倍、磁場耐性が約５倍、有効磁束捕獲面積及びホワイト磁束ノイズレベルが約３０％向上した。これらの結果から、本発明により、感度を表すホワイト磁束ノイズレベルや有効磁束捕獲面積等のＳＱＵＩＤ性能および磁場耐性を向上させることが可能になることが示された。

本発明で提供する、超伝導薄膜を取り付けた薄膜一層構造の直接結合型高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサは、高価な磁気シールドがない環境での微少磁気計測、あるいは磁場中での高感度な磁気計測等に利用可能であり、強磁性体計測を必要とする各種装置に利用できる。

Claims

バイクリスタル粒界接合部を持つバイクリスタル基板と、該バイクリスタル基板上に第１の高温超伝導薄膜で形成されるピックアップループと、前記バイクリスタル粒界接合部上に前記ピックアップループと直接接続する前記第１の高温超伝導薄膜で形成されたＳＱＵＩＤリングとを備えた超伝導量子干渉素子（ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＱＵａｎｔｕｍＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＤｅｖｉｃｅ：ＳＱＵＩＤ）磁気センサにおいて、前記ピックアップループを、前記バイクリスタル粒界接合部に重ならない位置にバイクリスタル粒界ラインを中心にして複数配設することを特徴とする高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサ。
請求項１記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記ピックアップループを、十字形状に交差して設けられる１つのバイクリスタル粒界ラインとそれに垂直なラインそれぞれを中心にして両側に２個ずつ配設することを特徴とする高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサ。
請求項１又は２記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記バイクリスタル粒界接合部上に形成された前記ＳＱＵＩＤリングが、第２の高温超伝導薄膜で覆われていることを特徴とする高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサ。
請求項３記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記第２の高温超伝導薄膜が、前記ピックアップループのうち任意の隣接する２個のピックアップループによって形成される隙間を少なくとも覆うことを特徴とする高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサ。
請求項４記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記第２の高温超伝導薄膜が、隙間を形成する前記２個の隣接するピックアップループそれぞれの線幅の１／２以上を覆うようにしたことを特徴とする高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサ。
請求項４記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記ピックアップループ及び前記ＳＱＵＩＤリングと前記第２の高温超伝導薄膜との間に絶縁膜が形成されていることを特徴とする高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサ。
請求項４記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記絶縁膜がＣｅＯ₂であることを特徴とする高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサ。
請求項４記載の高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、前記絶縁膜がＳＴＯであることを特徴とする高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサ。
請求項３から８の何れか一項記載の高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、表面上に前記第２の高温超伝導薄膜が形成され、かつ前記第２の高温超伝導薄膜の上面に絶縁膜が積層された第２の基板を備えており、該第２の基板と前記バイクリスタル基板とが、前記絶縁膜を介してフリップチップ構造となるように一体化されたことを特徴とする高温超伝導型ＳＱＵＩＤ磁気センサ。