JP2662664B2 - 薄膜三軸磁力計 - Google Patents
薄膜三軸磁力計Info
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- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/0206—Three-component magnetometers
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- 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
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
- Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
- Y10S505/842—Measuring and testing
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- Y10S505/846—Magnetometer using superconductive quantum interference device, i.e. squid
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は磁界測定装置に関し、さらに詳細にはプレー
ナ構造であるが非常に微少な磁界の３つの直角成分を測
定できる高感度薄膜磁力計に関する。
ナ構造であるが非常に微少な磁界の３つの直角成分を測
定できる高感度薄膜磁力計に関する。
磁力計は磁界の存在及びその大きさを、またベクトル
磁力計の場合は磁界の方向を測定する装置である。従来
の生体磁力計は、電気導体の入力ループ（またはコイ
ル）を可変磁界の中に配置する。ループを貫通する磁束
に応答して電荷が移動する。その結果生じる電流を測定
し、その測定した電流から磁界を計算により求める。
磁力計の場合は磁界の方向を測定する装置である。従来
の生体磁力計は、電気導体の入力ループ（またはコイ
ル）を可変磁界の中に配置する。ループを貫通する磁束
に応答して電荷が移動する。その結果生じる電流を測定
し、その測定した電流から磁界を計算により求める。
普通、磁界の方向と大きさを共に理解するのが重要で
ある。磁界は３つの軸に沿う直角成分を持つベクトルと
して視覚化できる。磁界の性質を完全につかむために、
磁力計は、対象となる軸に垂直な方向に向いた３つの別
個のループか或いは方向を磁界に垂直になるまで変化で
きる単一のループかのいずれかを備えている。三軸磁力
計の場合、磁界の成分をそれぞれ独立に測定し、全磁界
を計算することができる。また、単一の移動可能なルー
プの場合、全磁界を測定してその成分を計算により求め
ることができる。
ある。磁界は３つの軸に沿う直角成分を持つベクトルと
して視覚化できる。磁界の性質を完全につかむために、
磁力計は、対象となる軸に垂直な方向に向いた３つの別
個のループか或いは方向を磁界に垂直になるまで変化で
きる単一のループかのいずれかを備えている。三軸磁力
計の場合、磁界の成分をそれぞれ独立に測定し、全磁界
を計算することができる。また、単一の移動可能なルー
プの場合、全磁界を測定してその成分を計算により求め
ることができる。
技術分野によっては、磁界の局部的性質を正確に且つ
非常に高い空間分解能で測定するのが好ましいが、それ
は容易でない。例えば、磁界が中実の物体から出ている
場合、その起点を知るためには中実物体に隣接する種々
の場所の磁界を測定するのが望ましい。そのような状況
は、人体からの磁界の研究である生体磁力測定、また物
体に悪い影響を与えない外部からの測定によりその物体
の健全性を検査する非破壊検査に見られる。
非常に高い空間分解能で測定するのが好ましいが、それ
は容易でない。例えば、磁界が中実の物体から出ている
場合、その起点を知るためには中実物体に隣接する種々
の場所の磁界を測定するのが望ましい。そのような状況
は、人体からの磁界の研究である生体磁力測定、また物
体に悪い影響を与えない外部からの測定によりその物体
の健全性を検査する非破壊検査に見られる。
かかる状況において特定の空間分解能を得るには、磁
力計のループをその横方向寸法が所望の空間分解能と同
じオーダーになるように製作しなけらばならない。高い
精度を得るためには、磁力計のループを磁界を測定すべ
き物体にできるだけ近接させて配置する必要がある。こ
のような測定において制約となる固有の要因は、高い空
間分解能を得るためにループを小さくすればするほどま
た表面に近づければ近づけるほど大きなループと比較し
てますます少ない磁束を受けるようになるため、電流検
出器の感度を高くしなければならないことである。ま
た、ループを小さくすればするほど、ループを測定対象
となる人体の近くへ向かせる制御性及び再現性を確保す
るのがますます困難とな。物体の表面に平行な磁界成分
は、ループをそれらの鉛直ベクトルが表面に平行になる
ように向けなければならないため測定が特に困難であ
る。
力計のループをその横方向寸法が所望の空間分解能と同
じオーダーになるように製作しなけらばならない。高い
精度を得るためには、磁力計のループを磁界を測定すべ
き物体にできるだけ近接させて配置する必要がある。こ
のような測定において制約となる固有の要因は、高い空
間分解能を得るためにループを小さくすればするほどま
た表面に近づければ近づけるほど大きなループと比較し
てますます少ない磁束を受けるようになるため、電流検
出器の感度を高くしなければならないことである。ま
た、ループを小さくすればするほど、ループを測定対象
となる人体の近くへ向かせる制御性及び再現性を確保す
るのがますます困難とな。物体の表面に平行な磁界成分
は、ループをそれらの鉛直ベクトルが表面に平行になる
ように向けなければならないため測定が特に困難であ
る。
高感度と高空間分解能とを兼備する物体から磁界のた
めの磁力計に対する必要性が引き続き存在している。か
かる磁力計は磁界ベクトルの３つの成分をすべて測定で
きなければならない。本発明はこの必要性を充足させ、
されに関連する長所を有するものである。
めの磁力計に対する必要性が引き続き存在している。か
かる磁力計は磁界ベクトルの３つの成分をすべて測定で
きなければならない。本発明はこの必要性を充足させ、
されに関連する長所を有するものである。
発明の概要 本発明はプレーナ構造の三軸磁力計を提供、これを薄
膜素子として基板上に適宜付着される。磁力計は磁界を
測定すべき物体の表面から1000分の数インチ内に配置可
能である。磁界の３つの成分のそれぞれに関連する磁力
計の横方向寸法は、1000分の数インチかそれ以下のオー
ダーである。磁界検出器は知られているもののうち最も
感度の高い検出器のうち１つである。これらの要因によ
り、磁力計は高い効率で微少磁界の３つの成分或いは物
体から出る磁界の微少変化を極めて高い空間分解能でも
って測定可能である。
膜素子として基板上に適宜付着される。磁力計は磁界を
測定すべき物体の表面から1000分の数インチ内に配置可
能である。磁界の３つの成分のそれぞれに関連する磁力
計の横方向寸法は、1000分の数インチかそれ以下のオー
ダーである。磁界検出器は知られているもののうち最も
感度の高い検出器のうち１つである。これらの要因によ
り、磁力計は高い効率で微少磁界の３つの成分或いは物
体から出る磁界の微少変化を極めて高い空間分解能でも
って測定可能である。
本発明によると、三軸プレーナ型磁力計は、基板と、
基板上に付着され、基板平面内にある磁界ベクトルの第
１の成分を測定する第１の薄膜プレーナ磁力計手段と、
基板上に付着され、基板平面内にあるが磁界ベクトルの
第１の成分とは同一直線上にない磁界ベクトルの第２の
成分を測定する第２の薄膜プレーナ磁力計手段と、基板
上に付着され、基板平面に垂直な磁界ベクトルの第３の
成分を測定する第３の薄膜プレーナ磁力計手段とよりな
り、第１及び第２の薄膜プレーナ磁力計手段が所定の温
度で動作可能な薄膜ストリップライン・スクイド検出器
であって、所定の温度で超電導性を示す材料で形成した
薄膜ベース電極と、ベース電極の上方にあってその電極
から少なくとも約１マイクロメートル離隔し、所定の温
度で超電導性を示す材料で形成された薄膜カウンタ電極
と、ベース電極とカウンタ電極との間の絶縁層と、ベー
ス電極とカウンタ電極との間において絶縁層を貫通する
２つのジョセフソン接合とよりなる。
基板上に付着され、基板平面内にある磁界ベクトルの第
１の成分を測定する第１の薄膜プレーナ磁力計手段と、
基板上に付着され、基板平面内にあるが磁界ベクトルの
第１の成分とは同一直線上にない磁界ベクトルの第２の
成分を測定する第２の薄膜プレーナ磁力計手段と、基板
上に付着され、基板平面に垂直な磁界ベクトルの第３の
成分を測定する第３の薄膜プレーナ磁力計手段とよりな
り、第１及び第２の薄膜プレーナ磁力計手段が所定の温
度で動作可能な薄膜ストリップライン・スクイド検出器
であって、所定の温度で超電導性を示す材料で形成した
薄膜ベース電極と、ベース電極の上方にあってその電極
から少なくとも約１マイクロメートル離隔し、所定の温
度で超電導性を示す材料で形成された薄膜カウンタ電極
と、ベース電極とカウンタ電極との間の絶縁層と、ベー
ス電極とカウンタ電極との間において絶縁層を貫通する
２つのジョセフソン接合とよりなる。
本発明の１つの好ましいアプローチによると、磁力計
は当該技術分野において略語「スクイド」で知られる超
電導量子干渉素子を検出器として利用する。それらのコ
ンポーネントの超電導温度範囲へ冷却されると、スクイ
ドは電流、したがって磁界の非常に高感度の検出器とな
る。スクイドをマイクロ電子製造方法により基板上の薄
膜プレーナ素子として製造する技術は知られており、横
方向寸法が1000分の数インチに過ぎないスクイドが製造
される。
は当該技術分野において略語「スクイド」で知られる超
電導量子干渉素子を検出器として利用する。それらのコ
ンポーネントの超電導温度範囲へ冷却されると、スクイ
ドは電流、したがって磁界の非常に高感度の検出器とな
る。スクイドをマイクロ電子製造方法により基板上の薄
膜プレーナ素子として製造する技術は知られており、横
方向寸法が1000分の数インチに過ぎないスクイドが製造
される。
磁界の３つの成分は２つの異なるタイプのスクイド検
出器を用いることにより測定する。プレーナ・ループ・
スクイド検出器は、ループの平面に垂直な磁界成分に対
して感度を有し、したがってかかるスクイド検出器を用
いてループが付着された基板平面に垂直な磁界成分を測
定することが可能である。
出器を用いることにより測定する。プレーナ・ループ・
スクイド検出器は、ループの平面に垂直な磁界成分に対
して感度を有し、したがってかかるスクイド検出器を用
いてループが付着された基板平面に垂直な磁界成分を測
定することが可能である。
ストリップライン・スクイド検出器は、その特定の方
向がスクイド検出器の平面内にある磁界成分に対して感
度があり、したがって、かかるスクイド検出器を用いて
ストリップライン・スクイド検出器が付着された基板平
面内にある磁界成分の１つを測定することができる。第
１のストリップライン・スクイド検出器に対してある角
度（好ましくは90゜）に向けられた第２のストリップラ
イン・スクイド検出器を用いて、そのストリップライン
・スクイド検出器が付着された基板表面内にあるもうひ
とつの磁界成分を測定する。
向がスクイド検出器の平面内にある磁界成分に対して感
度があり、したがって、かかるスクイド検出器を用いて
ストリップライン・スクイド検出器が付着された基板平
面内にある磁界成分の１つを測定することができる。第
１のストリップライン・スクイド検出器に対してある角
度（好ましくは90゜）に向けられた第２のストリップラ
イン・スクイド検出器を用いて、そのストリップライン
・スクイド検出器が付着された基板表面内にあるもうひ
とつの磁界成分を測定する。
本発明はこの特徴によれば、所定の温度で薄膜の平面
内にある磁界を測定するよう動作可能な薄膜ストリップ
ライン・スクイド検出器は、その所定温度で超電導性を
示す材料で形成した薄膜ベース電極と、そのベース電極
上にあってそれから少なくとも約１マイクロメートル離
れており、その所定温度で超電導性を示す材料で形成さ
れた薄膜カウンタ電極と、ベース電極とカウンタ電極と
の間の絶縁層と、ベース電極とカウンタ電極との間にお
いて絶縁層を貫通する２つのジョセフソン接合とよりな
る。
内にある磁界を測定するよう動作可能な薄膜ストリップ
ライン・スクイド検出器は、その所定温度で超電導性を
示す材料で形成した薄膜ベース電極と、そのベース電極
上にあってそれから少なくとも約１マイクロメートル離
れており、その所定温度で超電導性を示す材料で形成さ
れた薄膜カウンタ電極と、ベース電極とカウンタ電極と
の間の絶縁層と、ベース電極とカウンタ電極との間にお
いて絶縁層を貫通する２つのジョセフソン接合とよりな
る。
本発明の磁力計は磁界の３つの成分を測定するだけで
なく、その測定を高い空間分解能と感度で行なう。高い
分解能を得るために磁力計を磁界を発生する物体に近接
させて配置する必要がある状況にも使用可能である。磁
力計は公知のマイクロ電子技術の付着、パターン形成及
び材料除去技術を用いて基板の表面上のプレーナ素子と
して製造することができる。本発明の他の特徴及び長所
は、本発明の原理を例示的に示す添付図面に関連してな
された好ましい実施例の以下のさらに詳細な説明から明
らかになるであろう。
なく、その測定を高い空間分解能と感度で行なう。高い
分解能を得るために磁力計を磁界を発生する物体に近接
させて配置する必要がある状況にも使用可能である。磁
力計は公知のマイクロ電子技術の付着、パターン形成及
び材料除去技術を用いて基板の表面上のプレーナ素子と
して製造することができる。本発明の他の特徴及び長所
は、本発明の原理を例示的に示す添付図面に関連してな
された好ましい実施例の以下のさらに詳細な説明から明
らかになるであろう。
図面の簡単な説明 図１は、本発明による三軸磁力計の好ましい実施例の
斜視図である。
斜視図である。
図２は、複数セットの磁力計を用いる三軸磁力計の別
の実施例の斜視図である。
の実施例の斜視図である。
図３は、図１の磁力計に用いるストリップライン・ス
クイド検出器の斜視図である。
クイド検出器の斜視図である。
図４は、線４−４に沿って見た、第３のストリップラ
イン・スクイド検出器の拡大側立面図である。
イン・スクイド検出器の拡大側立面図である。
図５は、図１の磁力計に用いるプレーナ・ループ・ス
クイド検出器の斜視図である。
クイド検出器の斜視図である。
好ましい実施例の詳細な説明 本発明の好ましい実施例によると、三軸プレーナ磁力
計は、基板と、その基板上に付着された第１のストリッ
プライン・スクイド検出器と、その基板上に付着され、
第１のストリップライン・スクイド検出器に対してある
角度に向けられた第２のストリップライン・スクイド検
出器と、その基板上に付着されたプレーナ・ループ・ス
クイド検出器とよりなる。
計は、基板と、その基板上に付着された第１のストリッ
プライン・スクイド検出器と、その基板上に付着され、
第１のストリップライン・スクイド検出器に対してある
角度に向けられた第２のストリップライン・スクイド検
出器と、その基板上に付着されたプレーナ・ループ・ス
クイド検出器とよりなる。
図１は、検出器または磁力計手段22が平らな基板24上
に支持された三軸磁力計20を示す（図１にそれは重畳し
て直角なｘ−ｙ−ｚ軸のセットが示されており、これら
は実施例の説明を助けるものであって本発明の一部では
ない。この図では、ｘ及びｙ軸は基板24の平面内にあっ
て互いに直角に交わり、ｚ軸は基板24の平面に垂直であ
る）。検出器手段22は、その超電導遷移温度Tcより低い
温度で作動されるスクイド検出器を含むのが好ましい。
したがって、基板24は作動時検出器手段22の形成に用い
る材料の超電導遷移温度より低い温度へ冷却されるのが
好ましい。基板24は厚さ約0.08乃至約0.020インチの珪
素またはサファイヤ（酸化アルミニウム）のような従来
の電子マイクロ回路用基板であるのが好ましい。サファ
イヤはその熱伝導が良好であるため基板材料として最も
好ましいものである。
に支持された三軸磁力計20を示す（図１にそれは重畳し
て直角なｘ−ｙ−ｚ軸のセットが示されており、これら
は実施例の説明を助けるものであって本発明の一部では
ない。この図では、ｘ及びｙ軸は基板24の平面内にあっ
て互いに直角に交わり、ｚ軸は基板24の平面に垂直であ
る）。検出器手段22は、その超電導遷移温度Tcより低い
温度で作動されるスクイド検出器を含むのが好ましい。
したがって、基板24は作動時検出器手段22の形成に用い
る材料の超電導遷移温度より低い温度へ冷却されるのが
好ましい。基板24は厚さ約0.08乃至約0.020インチの珪
素またはサファイヤ（酸化アルミニウム）のような従来
の電子マイクロ回路用基板であるのが好ましい。サファ
イヤはその熱伝導が良好であるため基板材料として最も
好ましいものである。
基板24は、検出器手段22を形成するため選択された材
料にとって適当なように、従来の低Tc超電導体であれば
液体ヘリウム（沸点4.2K）、高Tc超電導体であれば液体
窒素（沸点77K）のような極低温流体を入れた容器（図
示せず）の外側表面上に取り付けるのが普通である。検
出器手段22は基板24を介する伝導によりそのTcより低い
温度に冷却される。
料にとって適当なように、従来の低Tc超電導体であれば
液体ヘリウム（沸点4.2K）、高Tc超電導体であれば液体
窒素（沸点77K）のような極低温流体を入れた容器（図
示せず）の外側表面上に取り付けるのが普通である。検
出器手段22は基板24を介する伝導によりそのTcより低い
温度に冷却される。
検出器手段22は３つの超電導量子干渉素子（スクイ
ド）検出器を有し、その２つはストリップライン・スク
イド検出器、３番目はプレーナ・ループ・スクイド検出
器である。（図１において、スクイド検出器を概略的に
示したが、それらの動作については後でさらに詳細に説
明する）。第１のストリップライン・スクイド検出器26
は基板24上に付着され、ｙ軸に平行に向けられている。
この第１のストリップライン・スクイド検出器26はｘ軸
に平行な磁界のベクトル成分27に対して感度を有する。
第２のストリップライン・スクイド検出器28は基板24上
に付着され、ｘ軸に平行に向けられている。第２のスト
リップライン・スクイド検出器28はｙ軸に平行な磁界ベ
クトル成分29に対して感度を有する。プレーナ・ループ
・スクイド30はそのループｘ及びｙ方向に延びるように
基板24上に付着されている。プレーナ・ループ・スクイ
ド30はｚ軸に方向な磁界ベクトル成分31に対して感度を
有する。各磁界成分を１つのスクイド検出器が測定する
ため、３つの検出器を一緒に用いて基本的なトリオユニ
ット32を形成する。
ド）検出器を有し、その２つはストリップライン・スク
イド検出器、３番目はプレーナ・ループ・スクイド検出
器である。（図１において、スクイド検出器を概略的に
示したが、それらの動作については後でさらに詳細に説
明する）。第１のストリップライン・スクイド検出器26
は基板24上に付着され、ｙ軸に平行に向けられている。
この第１のストリップライン・スクイド検出器26はｘ軸
に平行な磁界のベクトル成分27に対して感度を有する。
第２のストリップライン・スクイド検出器28は基板24上
に付着され、ｘ軸に平行に向けられている。第２のスト
リップライン・スクイド検出器28はｙ軸に平行な磁界ベ
クトル成分29に対して感度を有する。プレーナ・ループ
・スクイド30はそのループｘ及びｙ方向に延びるように
基板24上に付着されている。プレーナ・ループ・スクイ
ド30はｚ軸に方向な磁界ベクトル成分31に対して感度を
有する。各磁界成分を１つのスクイド検出器が測定する
ため、３つの検出器を一緒に用いて基本的なトリオユニ
ット32を形成する。
図２は別の三軸磁力計34を示し、この磁力計は（スク
イド検出器26,28,30よりなる）少なくとも２つの、好ま
しくは複数のトリオユニット32を有する。（ストリップ
ライン・スクイド検出器26,28は本質的に直線状のユニ
ットであるため、それらを図２において図示を簡単にす
るため直線で概略的に示した。プレーナ・ループ・スク
イド検出器30は１つの例では本質的に平らで正方形のル
ープであるため、それらを概略的に正方形で示した）。
これらのトリオユニット32は基板24の表面上に整然とし
てアレーを形成するように並べられている。
イド検出器26,28,30よりなる）少なくとも２つの、好ま
しくは複数のトリオユニット32を有する。（ストリップ
ライン・スクイド検出器26,28は本質的に直線状のユニ
ットであるため、それらを図２において図示を簡単にす
るため直線で概略的に示した。プレーナ・ループ・スク
イド検出器30は１つの例では本質的に平らで正方形のル
ープであるため、それらを概略的に正方形で示した）。
これらのトリオユニット32は基板24の表面上に整然とし
てアレーを形成するように並べられている。
このスクイド検出器のアレーにより、三軸磁力計を測
定中の物体に関し移動させることなく磁界の空間的変化
を測定することが可能となる。スクイド検出器は基板の
表面上に付着され支持されているため、対象となる磁界
を発する別の物体に非常に近接配置することが可能であ
る。スクイド検出器は1000分の１インチ乃至1000分の数
インチのオーダーの寸法及び間隔を持つように形成する
ことが可能である。スクイド検出器の感度、スクイド検
出器の小さいサイズ、スクイド検出器の小さい間隔、及
び測定中の物体へ基板表面を近付けることができるこ
と、これらすべてが相埃って磁界の３つの成分すべてを
高い分解能と高い感度で測定することが可能となる。
定中の物体に関し移動させることなく磁界の空間的変化
を測定することが可能となる。スクイド検出器は基板の
表面上に付着され支持されているため、対象となる磁界
を発する別の物体に非常に近接配置することが可能であ
る。スクイド検出器は1000分の１インチ乃至1000分の数
インチのオーダーの寸法及び間隔を持つように形成する
ことが可能である。スクイド検出器の感度、スクイド検
出器の小さいサイズ、スクイド検出器の小さい間隔、及
び測定中の物体へ基板表面を近付けることができるこ
と、これらすべてが相埃って磁界の３つの成分すべてを
高い分解能と高い感度で測定することが可能となる。
本出願にとって適当なストリップライン・スクイド検
出器の構造を図３の斜視図で、また図４の詳細な立面図
で示す。この構造のストリップライン・スクイド検出器
は第１のストリップライン・スクイド検出器26及び第２
のストリップライン・スクイド検出器28として用いるの
が好ましい。
出器の構造を図３の斜視図で、また図４の詳細な立面図
で示す。この構造のストリップライン・スクイド検出器
は第１のストリップライン・スクイド検出器26及び第２
のストリップライン・スクイド検出器28として用いるの
が好ましい。
ストリップライン・スクイド検出器40は一体的な取り
付けリード44を有するベース電極42と、それと平行離隔
関係の、一体的な取り付けリード48を有するカウンタ電
極46とを含む。電極42、46及びそれらのリード44、48は
付着及びパターン形成のようなマイクロ電子技術により
形成される。電極42、46は所定の動作温度で超電導性を
示す材料により形成される。好ましい実施例の電極42、
46はニオブ金属で形成されている。
付けリード44を有するベース電極42と、それと平行離隔
関係の、一体的な取り付けリード48を有するカウンタ電
極46とを含む。電極42、46及びそれらのリード44、48は
付着及びパターン形成のようなマイクロ電子技術により
形成される。電極42、46は所定の動作温度で超電導性を
示す材料により形成される。好ましい実施例の電極42、
46はニオブ金属で形成されている。
電極42と46とを分離するのは絶縁材料である。好まし
い絶縁材料はデュポン・コーポレイションからPI−2555
として市販されている、溶剤中に溶解させたポリイミド
のようなポリマーであり、これはスピン−オン絶縁物と
して適用される。ポリマー絶縁層50を用いる重要な利点
はその厚さをかなり大きくできることである。一酸化珪
素のような従来からのマイクロ電子技術に用いる絶縁材
料の多くは１マイクロメートルまたはそれ以上の厚さに
することは現実に不可能である。
い絶縁材料はデュポン・コーポレイションからPI−2555
として市販されている、溶剤中に溶解させたポリイミド
のようなポリマーであり、これはスピン−オン絶縁物と
して適用される。ポリマー絶縁層50を用いる重要な利点
はその厚さをかなり大きくできることである。一酸化珪
素のような従来からのマイクロ電子技術に用いる絶縁材
料の多くは１マイクロメートルまたはそれ以上の厚さに
することは現実に不可能である。
電極42と46の間に図３の一般的な図及び図４のさらに
詳細な図に示すように２つのジョセフソン接合52が延び
ている。これらのジョセフソン接合52はそれぞれ厚さが
約60−80オングストロームのアルミニウムであるのが好
ましい第１の金属層54と、厚さが約20オングストローム
の酸化アルミニウムであるのが好ましい絶縁層56と、厚
さが約20オングストロームのアルミニウムであるのが好
ましい第２の金属層58とを含む。スクイドの性能は絶縁
層56の厚さに左右されるため厚さを変化させるが、普通
は約20オングストロームである。電極42,46と同じ材料
の超電導層60がジョセフソン接合の高さを絶縁層50の厚
さにマッチするよう調整するため第２の金属層58上に付
着してある。
詳細な図に示すように２つのジョセフソン接合52が延び
ている。これらのジョセフソン接合52はそれぞれ厚さが
約60−80オングストロームのアルミニウムであるのが好
ましい第１の金属層54と、厚さが約20オングストローム
の酸化アルミニウムであるのが好ましい絶縁層56と、厚
さが約20オングストロームのアルミニウムであるのが好
ましい第２の金属層58とを含む。スクイドの性能は絶縁
層56の厚さに左右されるため厚さを変化させるが、普通
は約20オングストロームである。電極42,46と同じ材料
の超電導層60がジョセフソン接合の高さを絶縁層50の厚
さにマッチするよう調整するため第２の金属層58上に付
着してある。
電極42,46及びジョセフソン接合52は、図において点
線の長方形で示した入力コイル62を画定する。この長方
形の平面は電極42と46の平面に垂直であるとともに、ジ
ョセフソン接合52を結ぶ線に垂直なｘ軸にも垂直であ
る。ｘ軸に平行なベクトル64により略示した磁束線によ
り入力コイル62に電流が誘起される。この電流はジョセ
フソン接合52により検出され、電極42,46の平面内にあ
る磁束成分の検出が可能となる。電極42と46との間の距
離は好ましい実施例では約４マイクロメートルであり、
これは1000分の１インチの約６分の１である。かくし
て、ストリップライン・スクイド検出器40は実質的に平
面素子であり、磁界の発生源の表面に非常に近接して配
置することができ、さらにその表面に平行な磁界成分を
測定する。
線の長方形で示した入力コイル62を画定する。この長方
形の平面は電極42と46の平面に垂直であるとともに、ジ
ョセフソン接合52を結ぶ線に垂直なｘ軸にも垂直であ
る。ｘ軸に平行なベクトル64により略示した磁束線によ
り入力コイル62に電流が誘起される。この電流はジョセ
フソン接合52により検出され、電極42,46の平面内にあ
る磁束成分の検出が可能となる。電極42と46との間の距
離は好ましい実施例では約４マイクロメートルであり、
これは1000分の１インチの約６分の１である。かくし
て、ストリップライン・スクイド検出器40は実質的に平
面素子であり、磁界の発生源の表面に非常に近接して配
置することができ、さらにその表面に平行な磁界成分を
測定する。
かくして、ストリップライン・スクイドは図１−３に
示すように直線状の単一次元素子である。その典型的な
長さは約200マイクロメートル（または約0.008イン
チ）、その典型的な幅は約50マイクロメートル、そのベ
ース電極とカウンタ電極との間の典型的な高さは本発明
の磁力計に用いる例で約４マイクロメートルである。
示すように直線状の単一次元素子である。その典型的な
長さは約200マイクロメートル（または約0.008イン
チ）、その典型的な幅は約50マイクロメートル、そのベ
ース電極とカウンタ電極との間の典型的な高さは本発明
の磁力計に用いる例で約４マイクロメートルである。
ストリップライン・スクイドは電極42と46の間の間隔
（即ち、絶縁層50の厚さ）を少なくとも約１マイクロメ
ートルにする必要がある。電極間の最小間隔を決定する
にあたり２つの点を考慮するのが肝要である。第１の点
は電極42と46の間の最大容量がジョセフソン接合52の容
量よりも小さくなければならないことである。典型的な
接合容量が10−12ファラッド、電極の長さが100マイク
ロメートル、電極幅が20マイクロメートル、絶縁物の誘
電定数が３の場合、絶対最小厚さは約0.05マイクロメー
トルである。しかしながら、この厚さは製造上非現実的
であり、素子への磁束の結合が不十分である。使用可能
な装置としては、電極42と46の間の間隔の下限を所望の
最大等価磁界ノイズにより設定する。そのノイズを１
pT/（Hz）1/2以下にするには、最小間隔を約１マイクロ
メートルにする必要がある。もしその間隔をこれよりも
小さくすると、電極の平面内の磁界に対するスクイドの
感度が低すぎて役に立たなくなる。この間隔を増加させ
るとスクイドの感度が上昇するためこの間隔には上限は
ない。しかしながら、この間隔を大きくするにつれてプ
レーナ素子としての性格が薄れる。厚さの典型的な実用
的上限は約20マイクロメートル、即ち１ミルより僅かに
小さい。この厚さでは、素子の実質的にプレーナ型と言
ってよく、素子の平面に平行の磁界を検出できる。
（即ち、絶縁層50の厚さ）を少なくとも約１マイクロメ
ートルにする必要がある。電極間の最小間隔を決定する
にあたり２つの点を考慮するのが肝要である。第１の点
は電極42と46の間の最大容量がジョセフソン接合52の容
量よりも小さくなければならないことである。典型的な
接合容量が10−12ファラッド、電極の長さが100マイク
ロメートル、電極幅が20マイクロメートル、絶縁物の誘
電定数が３の場合、絶対最小厚さは約0.05マイクロメー
トルである。しかしながら、この厚さは製造上非現実的
であり、素子への磁束の結合が不十分である。使用可能
な装置としては、電極42と46の間の間隔の下限を所望の
最大等価磁界ノイズにより設定する。そのノイズを１
pT/（Hz）1/2以下にするには、最小間隔を約１マイクロ
メートルにする必要がある。もしその間隔をこれよりも
小さくすると、電極の平面内の磁界に対するスクイドの
感度が低すぎて役に立たなくなる。この間隔を増加させ
るとスクイドの感度が上昇するためこの間隔には上限は
ない。しかしながら、この間隔を大きくするにつれてプ
レーナ素子としての性格が薄れる。厚さの典型的な実用
的上限は約20マイクロメートル、即ち１ミルより僅かに
小さい。この厚さでは、素子の実質的にプレーナ型と言
ってよく、素子の平面に平行の磁界を検出できる。
直線状スクイド構造は当該技術分野で知られており、
例えば応用物理学レター、38巻、第９号の723乃至725頁
（1981）に掲載されたエム・ダブリュ・クローマ及びビ
ー・キャレリの著になる「低ノイズ・トンネルジヤンク
ション直流スクイド」を参照されたい。しかしながら、
従来の直線状スクイド構造はできるだけ低いインダクタ
ンスを持つように設計されており、磁界検出器として使
用されていない。クローマ及びキャレリの直線状スクイ
ドの電極の間隔を彼等の一酸化珪素絶縁体技術により決
まる350ナノメートル（即ち、0.35マイクロメートル）
である。上述したように、この間隔は得られるループ面
積が小さいため平面内の磁束を直接検出するには小さす
ぎる。本発明の素子のように電極の間隔を１マイクロメ
ートルより大きくすることによってのみ、磁界を直接測
定するに適した実用適なストリップライン・スクイドを
形成することができる。
例えば応用物理学レター、38巻、第９号の723乃至725頁
（1981）に掲載されたエム・ダブリュ・クローマ及びビ
ー・キャレリの著になる「低ノイズ・トンネルジヤンク
ション直流スクイド」を参照されたい。しかしながら、
従来の直線状スクイド構造はできるだけ低いインダクタ
ンスを持つように設計されており、磁界検出器として使
用されていない。クローマ及びキャレリの直線状スクイ
ドの電極の間隔を彼等の一酸化珪素絶縁体技術により決
まる350ナノメートル（即ち、0.35マイクロメートル）
である。上述したように、この間隔は得られるループ面
積が小さいため平面内の磁束を直接検出するには小さす
ぎる。本発明の素子のように電極の間隔を１マイクロメ
ートルより大きくすることによってのみ、磁界を直接測
定するに適した実用適なストリップライン・スクイドを
形成することができる。
図５は、検出器30として用いるのが好ましいプレーナ
・ループ・スクイド検出器を示す。かかるスクイドは当
該技術分野において知られており、例えば、米国特許第
4,761,611;4,386,361及び4,389,612号を参照されたい。
これらの記載を本明細書の一部を形成するものとして引
用する。簡単に説明すると、かかるスクイドはその超電
導遷移温度Tcより低い温度に冷却されると超電導性とな
るニオブのような材料でパターン形成された平面ループ
70を含む。このループ70はある個所71でとぎれており、
二酸化珪素のような材料の絶縁層72とニオブのような材
料のその上の超電導層74とがループの２つの側部を橋絡
する。１つのスクイド接点76はループ70へ、またもう一
つのスクイド接点78は超電導層74へ通じている。ジョセ
フソン接合80が超電導層74とループ70との間において個
所71のそれぞれの側に１つずつ設けてある。このジョセ
フソン接合は、層74とループ70の間隔が大きくなるよう
に形成する必要がないという点を除き前述したものとほ
ぼ同じである。各ジョセフソン接合80は、厚さが約30オ
ングストロームのアルミニウム層と、厚さが約20オング
ストロームの酸化アルミニウム層と、厚さが約30オング
ストロームのもう１つのアルミニウム層として形成する
のが好ましい。プレーナ・ループ・スクイド検出器30全
体は、当該技術分野においてよく知られている従来のマ
イクロ電子技術により各層を付着、パターン形成及びエ
ッチングすることにより容易に形成される。プレーナ・
ループ・スクイド検出器の典型的な全厚は約5000ナノメ
ートルであり、ループ70の横方向寸法は約50マイクロメ
ートル×約50マイクロメートルである。ループ70を通過
する磁界成分がこのループに電流を誘起させ、その存在
がジョセフソン接合70により検出される。
・ループ・スクイド検出器を示す。かかるスクイドは当
該技術分野において知られており、例えば、米国特許第
4,761,611;4,386,361及び4,389,612号を参照されたい。
これらの記載を本明細書の一部を形成するものとして引
用する。簡単に説明すると、かかるスクイドはその超電
導遷移温度Tcより低い温度に冷却されると超電導性とな
るニオブのような材料でパターン形成された平面ループ
70を含む。このループ70はある個所71でとぎれており、
二酸化珪素のような材料の絶縁層72とニオブのような材
料のその上の超電導層74とがループの２つの側部を橋絡
する。１つのスクイド接点76はループ70へ、またもう一
つのスクイド接点78は超電導層74へ通じている。ジョセ
フソン接合80が超電導層74とループ70との間において個
所71のそれぞれの側に１つずつ設けてある。このジョセ
フソン接合は、層74とループ70の間隔が大きくなるよう
に形成する必要がないという点を除き前述したものとほ
ぼ同じである。各ジョセフソン接合80は、厚さが約30オ
ングストロームのアルミニウム層と、厚さが約20オング
ストロームの酸化アルミニウム層と、厚さが約30オング
ストロームのもう１つのアルミニウム層として形成する
のが好ましい。プレーナ・ループ・スクイド検出器30全
体は、当該技術分野においてよく知られている従来のマ
イクロ電子技術により各層を付着、パターン形成及びエ
ッチングすることにより容易に形成される。プレーナ・
ループ・スクイド検出器の典型的な全厚は約5000ナノメ
ートルであり、ループ70の横方向寸法は約50マイクロメ
ートル×約50マイクロメートルである。ループ70を通過
する磁界成分がこのループに電流を誘起させ、その存在
がジョセフソン接合70により検出される。
ストリップライン・スクイドとプレーナ・ループ・ス
クイドの両方のスクイド検出器電子部分は当該技術分野
においてよく知られている。例えば、米国特許第4,386,
361及び4,389,612号を参照されたい。
クイドの両方のスクイド検出器電子部分は当該技術分野
においてよく知られている。例えば、米国特許第4,386,
361及び4,389,612号を参照されたい。
かくして、本発明は磁界検出器の分野における重要な
進歩である。本発明の磁力計は、磁界測定対象に近接配
置可能な非常に薄い検出素子を形成するために基板上に
付着できる。検出器は好ましいアプローチでは100マイ
クロメートル或いはそれ以下のオーダーの空間分解能で
磁界の３つの直角成分を測定するが、分解能はスクイド
検出器の設計及び製造技術の改良によりさらに小さくな
るであろう。
進歩である。本発明の磁力計は、磁界測定対象に近接配
置可能な非常に薄い検出素子を形成するために基板上に
付着できる。検出器は好ましいアプローチでは100マイ
クロメートル或いはそれ以下のオーダーの空間分解能で
磁界の３つの直角成分を測定するが、分解能はスクイド
検出器の設計及び製造技術の改良によりさらに小さくな
るであろう。
本発明の特定の実施例を説明の目的で詳細に記載した
が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく種々の
変形例及び設計変更が可能である。したがって、本発明
は添付の特許請求の範囲による場合は別として限定され
るべきではない。
が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく種々の
変形例及び設計変更が可能である。したがって、本発明
は添付の特許請求の範囲による場合は別として限定され
るべきではない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−255077（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−12281（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−147387（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−199177（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−131083（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖ ｏｌ．38，Ｎｏ．９，１ Ｍａｙ 1981 ｐｐ．723−725
Claims (4)
- 【請求項１】三軸プレーナ磁力計であって、 基板と、 基板上に付着され、基板平面内にある磁界ベクトルの第
１の成分を測定する第１の薄膜プレーナ磁力計手段と、 基板上に付着され、基板平面内にあるが磁界ベクトルの
第１の成分とは同一直線上にない磁界ベクトルの第２の
成分を測定する第２の薄膜プレーナ磁力計手段と、 基板上に付着され、基板平面に垂直な磁界ベクトルの第
３の成分を測定する第３の薄膜プレーナ磁力計手段とよ
りなり、 第１及び第２の薄膜プレーナ磁力計手段が所定の温度で
動作可能な薄膜ストリップライン・スクイド検出器であ
って、 所定の温度で超電導性を示す材料で形成した薄膜ベース
電極と、 ベース電極の上方にあってその電極から少なくとも約１
マイクロメートル離隔し、所定の温度で超電導性を示す
材料で形成された薄膜カウンタ電極と、 ベース電極とカウンタ電極との間の絶縁層と、 ベース電極とカウンタ電極との間において絶縁層を貫通
する２つのジョセフソン接合とよりなることを特徴とす
る三軸プレーナ磁力計。 - 【請求項２】第３の薄膜プレーナ磁力計手段がプレーナ
・ループ・スクイド検出器であり、直列の第１及び第２
のジョセフソン接合を有する導電性プレーナ・ループよ
りなることを特徴とする特許請求の範囲第１項の磁力
計。 - 【請求項３】第１の薄膜プレーナ磁力計手段と第２の薄
膜プレーナ磁力計手段の向きが互いに直角であることを
特徴とする特許請求の範囲第１項の磁力計。 - 【請求項４】少なくとも２つの第１の薄膜プレーナ磁力
計手段と、少なくとも２つの第２の薄膜プレーナ磁力計
手段と、少なくとも２つの第３の薄膜プレーナ磁力計手
段をさらに含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項
の磁力計。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/634,026 US5142229A (en) | 1990-12-26 | 1990-12-26 | Thin-film three-axis magnetometer and squid detectors for use therein |
| US634,026 | 1990-12-26 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05500717A JPH05500717A (ja) | 1993-02-12 |
| JP2662664B2 true JP2662664B2 (ja) | 1997-10-15 |
Family
ID=24542136
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4502849A Expired - Lifetime JP2662664B2 (ja) | 1990-12-26 | 1991-12-20 | 薄膜三軸磁力計 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5142229A (ja) |
| EP (1) | EP0517885A1 (ja) |
| JP (1) | JP2662664B2 (ja) |
| WO (1) | WO1992012437A1 (ja) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2621623B2 (ja) * | 1990-09-30 | 1997-06-18 | ダイキン工業株式会社 | スクイド |
| JP2764115B2 (ja) * | 1991-02-26 | 1998-06-11 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | 高感度磁場検出器の製造方法 |
| US5420100A (en) * | 1991-04-05 | 1995-05-30 | Northeastern University | Planar squid magnetometer with inductively coupled microstrip resonator |
| JPH0614899A (ja) * | 1991-11-06 | 1994-01-25 | Mitsui Mining & Smelting Co Ltd | 脳磁界計測装置 |
| FR2697628B1 (fr) * | 1992-10-29 | 1995-02-03 | Sextant Avionique | Capteur d'une grandeur physique orientée. |
| DE4319693A1 (de) * | 1993-06-16 | 1994-12-22 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | RF-SQUID mit einem integrierten lambda-Mikrowellenresonator als hochempfindliches Magnetometer |
| US5563630A (en) * | 1993-10-28 | 1996-10-08 | Mind Path Technologies, Inc. | Computer mouse |
| WO1996002847A1 (en) * | 1994-07-20 | 1996-02-01 | Honeywell Inc. | Miniature magnetometer |
| US5786690A (en) * | 1994-08-18 | 1998-07-28 | International Business Machines Corporation | High resolution three-axis scanning squid microscope having planar solenoids |
| US5672967A (en) * | 1995-09-19 | 1997-09-30 | Southwest Research Institute | Compact tri-axial fluxgate magnetometer and housing with unitary orthogonal sensor substrate |
| US6093816A (en) | 1996-06-27 | 2000-07-25 | Isis Pharmaceuticals, Inc. | Cationic lipids |
| US6275719B1 (en) * | 1998-09-09 | 2001-08-14 | Hitachi, Ltd. | Biomagnetic field measurement apparatus |
| WO2005022182A1 (en) * | 2003-09-02 | 2005-03-10 | Femtonis Co., Ltd | Ultra sensitive in-situ magnetometer system |
| US7369898B1 (en) | 2004-12-22 | 2008-05-06 | Pacesetter, Inc. | System and method for responding to pulsed gradient magnetic fields using an implantable medical device |
| US7615385B2 (en) | 2006-09-20 | 2009-11-10 | Hypres, Inc | Double-masking technique for increasing fabrication yield in superconducting electronics |
| JP5584691B2 (ja) * | 2008-10-09 | 2014-09-03 | ディー−ウェイブ システムズ，インコーポレイテッド | 磁場測定用のシステム、方法および装置 |
| ITTO20090973A1 (it) * | 2009-12-10 | 2011-06-11 | St Microelectronics Srl | Magnetometro triassiale integrato di materiale semiconduttore realizzato in tecnologia mems |
| CN107229021B (zh) * | 2017-05-22 | 2019-07-19 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | 三维磁场测量组件及制备方法 |
Family Cites Families (13)
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|---|---|---|---|---|
| US3643237A (en) * | 1969-12-30 | 1972-02-15 | Ibm | Multiple-junction tunnel devices |
| DE3247543A1 (de) * | 1982-12-22 | 1984-06-28 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Vorrichtung zur mehrkanaligen messung schwacher, sich aendernder magnetfelder und verfahren zu ihrer herstellung |
| US4588947A (en) * | 1983-12-30 | 1986-05-13 | International Business Machines Corporation | Integrated miniature DC SQUID susceptometer for measuring properties of very small samples |
| JPS62187262A (ja) * | 1986-02-14 | 1987-08-15 | Hitachi Ltd | 加熱処理装置 |
| US4837604A (en) * | 1986-04-18 | 1989-06-06 | Hypres, Inc. | Femtosecond three-terminal switch and vertical tunnel junction |
| JPS63131083A (ja) * | 1986-11-20 | 1988-06-03 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 超伝導磁界検出装置 |
| US4804915A (en) * | 1987-02-16 | 1989-02-14 | Siemens Aktiengesellschaft | Squid magnetometer including a flux-gate chopper using a mechanically vibrating superconducting mirror |
| JPH083520B2 (ja) * | 1987-07-06 | 1996-01-17 | 三菱電機株式会社 | 超伝導磁気検出装置 |
| DE3735668A1 (de) * | 1987-10-22 | 1989-05-03 | Philips Patentverwaltung | Vorrichtung zur mehrkanaligen messung schwacher magnetfelder |
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-
1991
- 1991-12-20 JP JP4502849A patent/JP2662664B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1991-12-20 WO PCT/US1991/009195 patent/WO1992012437A1/en not_active Application Discontinuation
- 1991-12-20 EP EP92902705A patent/EP0517885A1/en not_active Withdrawn
Non-Patent Citations (1)
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|---|
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．９，１ Ｍａｙ １９８１ ｐｐ．７２３−７２５ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5142229A (en) | 1992-08-25 |
| WO1992012437A1 (en) | 1992-07-23 |
| JPH05500717A (ja) | 1993-02-12 |
| EP0517885A1 (en) | 1992-12-16 |
| EP0517885A4 (ja) | 1994-01-19 |
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