JP5618286B2

JP5618286B2 - Current comparator

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Publication number: JP5618286B2
Application number: JP2010094251A
Authority: JP
Inventors: 千春浦野; 正明前澤; 晋久金子; 道隆丸山; 隆宏山田; 武彦大江; 睦夫日高; 佐藤　哲朗; 哲朗佐藤; 秀一永沢; 日野出　憲治; 憲治日野出
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-04-15
Also published as: JP2011226819A

Description

本発明は、超伝導体を用いた電流比較器に関する。 The present invention relates to a current comparator using a superconductor.

超精密抵抗測定用ブリッジ回路においては、極低温電流比較器（ＣｒｙｏｇｅｎｉｃＣｕｒｒｅｎｔＣｏｍｐａｒａｍｅｔｅｒ：ＣＣＣ、以下「ＣＣＣ」と称する。）と呼ばれる装置が用いられる。現在主に用いられているものとして、１９７２年にＨａｒｖｅｙ（ハーヴェイ）らにより提案されたものがある（非特許文献１参照。）。 In the bridge circuit for measuring ultra-precision resistance, a device called a cryogenic current comparator (CCC, hereinafter referred to as “CCC”) is used. One that is currently used mainly is that proposed by Harvey et al. In 1972 (see Non-Patent Document 1).

図９は、従来の極低温電流比較器（ＣＣＣ）の原理を説明する図であり、図１０は、従来の極低温電流比較器（ＣＣＣ）の構成を例示する図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。 FIG. 9 is a diagram illustrating the principle of a conventional cryogenic current comparator (CCC), and FIG. 10 is a diagram illustrating the configuration of a conventional cryogenic current comparator (CCC). Hereinafter, components having the same reference numerals in different drawings mean components having the same functions.

一例として、図９に示すように、超伝導体からなる長いシールド管１００に、２本の導線Ｌ₁およびＬ₂が通った場合を説明する。導線Ｌ₁およびＬ₂にはそれぞれ独立に電流源（図示せず）が接続され、それぞれ電流Ｉ₁およびＩ₂が流れているとする。超伝導体の完全反磁性すなわちマイスナー効果により、シールド管１００の表面には遮蔽電流I が流れ、シールド管１００の外側に磁場を誘起する。「超伝導体中の閉じた経路」である「シールド管１００の内壁と外壁との間に位置する部分ａあるいはａ’」においてアンペアの法則を適用すると、真空の透磁率をμ₀、磁場をＢとしたとき、式１が成り立つ。 As an example, as shown in FIG. 9, a case where _two conductors L ₁ and L ₂ pass through a long shield tube 100 made of a superconductor will be described. It is assumed that a current source (not shown) is independently connected to each of the conducting wires L ₁ and L ₂ and currents I ₁ and I ₂ are flowing therethrough. Due to the complete diamagnetism of the superconductor, that is, the Meissner effect, a shielding current I flows on the surface of the shield tube 100 and induces a magnetic field outside the shield tube 100. When the ampere law is applied to the “closed path in the superconductor”, that is, “the part a or a ′ located between the inner wall and the outer wall of the shield tube 100”, the vacuum permeability is μ ₀ , and the magnetic field is When B, Formula 1 is established.

超伝導体中ではマイスナー効果により外部磁場と遮蔽電流による磁場の和がゼロになる。すなわち、図９においては、ここで、マイスナー効果により、「超伝導体中の閉じた経路」であるシールド管１００の内壁と外壁との間に位置する部分ａあるいはａ’においては、常に「Ｂ＝０」となる。このため、上記「超伝導体中の閉じた経路」を積分路として式１に基づきアンペアの周回積分を計算すれば必ずゼロとなる。よって、導線Ｌ₁およびＬ₂が管１００内にある限り、導線Ｌ₁およびＬ₂の形状や位置によらず、「Ｉ＝Ｉ₁＋Ｉ₂」が成り立つ。いま、導線Ｌ₁およびＬ₂に流れる電流Ｉ₁とＩ₂の極性が逆で大きさが等しい場合、遮蔽電流Ｉは流れず、管１００の外側に磁場は誘起されない。したがって遮蔽電流Ｉが誘起する磁場Ｂを超伝導量子干渉素子（ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＱＵａｎｔｕｍＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＤｅｖｉｃｅｓ：ＳＱＵＩＤ、以下「ＳＱＵＩＤ」と称する。）などの磁気センサを用いて検出すれば、管１００内の電流がバランスしたか否かが分かる。たとえば、この磁場がゼロになったことを検出できたときは管１００内の電流の大きさが等しいことを知ることになる。上述した低温電流比較器の動作は、磁気センサは管１００を流れる遮蔽電流が誘起する磁場のみを検出することが前提となっている。すなわち、導線Ｌ₁およびＬ₂が管１００の両端でむき出しになった部分を流れる電流が誘起する磁場が、磁気センサに直接入力してはならない。このことは、例えば仮想的に管１００が無限の長さを持つ場合に満たされる。 In the superconductor, the sum of the external magnetic field and the magnetic field due to the shielding current becomes zero due to the Meissner effect. That is, in FIG. 9, at the portion a or a ′ located between the inner wall and the outer wall of the shield tube 100, which is the “closed path in the superconductor”, always “B” due to the Meissner effect. = 0 ". For this reason, if the above-mentioned “closed path in the superconductor” is used as an integration path and the circulatory integral of amperes is calculated based on Equation 1, it is always zero. Therefore, as long as the conducting wires L ₁ and L ₂ are in the tube 100, “I = I ₁ + I ₂ ” is established regardless of the shape and position of the conducting wires L ₁ and L ₂ . If the currents I ₁ and I ₂ flowing through the conductors L ₁ and L ₂ are opposite in polarity and equal in magnitude, the shielding current I does not flow and no magnetic field is induced outside the tube 100. Therefore, if the magnetic field B induced by the shield current I is detected using a magnetic sensor such as a superconducting quantum interference device (SQUID, hereinafter referred to as “SQUID”), the current in the tube 100 is balanced. You can tell whether or not. For example, when it can be detected that the magnetic field has become zero, it is known that the currents in the tube 100 are equal in magnitude. The operation of the low-temperature current comparator described above is based on the premise that the magnetic sensor detects only the magnetic field induced by the shield current flowing through the tube 100. That is, the magnetic field induced by the current flowing through the portions where the conductors L ₁ and L ₂ are exposed at both ends of the tube 100 must not be directly input to the magnetic sensor. This is satisfied, for example, when the tube 100 virtually has an infinite length.

ここで、無限に長い管１００を作製するのは現実として不可能であるので、図１０に示すように、図９に示す構造と同じトポロジーを保ったまま、超伝導体の管であるシールド管１０１を「蛇が尻尾を噛む」ようにすなわち超伝導シールドの片方の端Ｘがもう一方の端Ｙを飲み込むように閉じ、シールド管１０１の外部表面を遮蔽電流Ｉが流れるよう、超伝導シールドの両端ＸおよびＹが互いに電気的に接触しないような構造にする（非特許文献２参照。）。この構造は、通常の導線Ｌ₁およびＬ₂（必ずしも超伝導体である必要はない）で作られた導線を、超伝導体であるシールド材によって手作業でシールドすることで作製される。シールド材には、一般に、加工の容易な超伝導体である鉛が用いられる。典型的な導線の外径および超伝導シールドの外径は通常５ｃｍ、高さ５ｃｍのオーダーである。このような構造により、２つのコイル（すなわち導線Ｌ₁およびＬ₂）を流れる電流Ｉ₁およびＩ₂が作り出す磁場を遮蔽する遮蔽電流Ｉがシールド管１０１の外部表面に流れることになる。例えば電流比較器の導線Ｌ₁およびＬ₂の巻き数をＮ₁およびＮ₂としたとき、遮蔽電流Ｉ＝Ｎ₂Ｉ₂＋Ｎ₁Ｉ₁となる。遮蔽電流Ｉが誘起する磁束は、手巻きで作製されたピックアップコイル１１０を介して、電流比較器から分離して配置された磁気センサ１２０であるＳＱＵＩＤの入力コイル１３０に結合される。 Here, since it is impossible in reality to manufacture the tube 100 that is infinitely long, as shown in FIG. 10, a shield tube that is a superconductor tube while maintaining the same topology as the structure shown in FIG. 101 is closed so that "the snake bites the tail", that is, one end X of the superconducting shield swallows the other end Y, so that the shielding current I flows on the outer surface of the shield tube 101. The structure is such that both ends X and Y are not in electrical contact with each other (see Non-Patent Document 2). This structure is produced by manually shielding a conductive wire made of ordinary conductive wires L ₁ and L ₂ (not necessarily superconductors) with a shielding material that is a superconductor. In general, lead, which is a superconductor that can be easily processed, is used for the shield material. Typical outer diameters of conductors and superconducting shields are typically on the order of 5 cm and height of 5 cm. With such a structure, the shielding current I that shields the magnetic field created by the currents I ₁ and I ₂ flowing through the _two coils (that is, the conducting wires L ₁ and L ₂ ) flows on the outer surface of the shield tube 101. For example, when the number of turns of the conductors L ₁ and L ₂ of the current comparator is N ₁ and N ₂ , the shielding current I = N ₂ I ₂ + N ₁ I ₁ . The magnetic flux induced by the shield current I is coupled to the SQUID input coil 130, which is a magnetic sensor 120 arranged separately from the current comparator, via a manually wound pickup coil 110.

図１１は、従来の極低温電流比較器（ＣＣＣ）のさらに別の例の構成を例示する断面図である（非特許文献３参照。）。図示の例では、シールド管１０１の周りに導線Ｌ₁およびＬ₂が巻かれており、ピックアップコイル１１０がシールド管１０１の内部に設けられ、図９および図１０に示す構造とトポロジー的に同一の構造となっている。このＣＣＣについても、通常の導線Ｌ₁およびＬ₂（必ずしも超伝導体である必要はない）で作られたコイルを、超伝導体であるシールド材によって手作業でシールドすることで作製される。なお、これ以外の構成要素については図１０に示す構成要素と同様であるので、同一の構成要素には同一符号を付して当該構成要素についての詳細な説明は省略する。 FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating the configuration of still another example of a conventional cryogenic current comparator (CCC) (see Non-Patent Document 3). In the illustrated example, conductive wires L ₁ and L ₂ are wound around the shield tube 101, and a pickup coil 110 is provided inside the shield tube 101, and is topologically the same as the structure shown in FIGS. 9 and 10. It has a structure. This CCC is also produced by manually shielding a coil made of ordinary conductive wires L ₁ and L ₂ (not necessarily superconductors) with a shield material that is a superconductor. Since the other constituent elements are the same as those shown in FIG. 10, the same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

なお、電流比較器を集積回路プロセス技術によって作製することを目指した技術がある（非特許文献４参照。）。この技術においては、超伝導シールドは上述のような筒状構造を持たず、導線はマイスナー効果により「Ｂ＝０」となる閉じた経路を貫通していないため、動作原理は低温電流比較器とは根本的に異なるものである。実際、２つのコイルの作る磁場の不均衡により誤差は４００ｐｐｍ程度も存在し、手作業によって作製されたＣＣＣよりも４桁から５桁程度精度が劣る。また、磁気センサであるＳＱＵＩＤは別基板上に作製され、フリップチップ法で取り付けられている。 There is a technique aiming to manufacture a current comparator by an integrated circuit process technique (see Non-Patent Document 4). In this technique, the superconducting shield does not have the cylindrical structure as described above, and the conducting wire does not penetrate the closed path where “B = 0” due to the Meissner effect. Are fundamentally different. In fact, there is an error of about 400 ppm due to the imbalance of the magnetic fields created by the two coils, and the accuracy is inferior by about 4 to 5 digits compared to CCC produced by hand. Further, the SQUID that is a magnetic sensor is manufactured on a separate substrate and attached by a flip chip method.

Ｉ．Ｋ．ハーヴェイ（Ｉ．Ｋ．Ｈａｒｖｅｙ）著、「精密低温ＤＣ比変換器（ＰｒｅｃｉｓｅｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＤＣｒａｔｉｏｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）」、（米国）、米国物理学会（ＡｍｅｒｉｃａｎＩｎｓｔｉｔｕｒｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ）、ＲｅｖｉｅｗｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、第４３巻、第１１号、ｐｐ．１６２６〜１６２９、１９７２年I. K. IK Harvey, “Precise low temperature DC ratio transformer”, (USA), American Institute of Physics, Rev. of Science 43, Review of Science 11 pp. 1626-1629, 1972 Ｄ．Ｂ．サリヴァン（Ｄ．Ｂ．Ｓｕｌｌｉｖａｎ）、Ｒ．Ｆ．ドジウバ（Ｒ．Ｆ．Ｄｚｉｕｂａ）著、「低温直流電流比較器（Ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｃｏｍｐａｒａｔｏｒ」」、（米国）、米国物理学会（ＡｍｅｒｉｃａｎＩｎｓｔｉｔｕｒｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ）、ＲｅｖｉｅｗｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、第４５巻、第４号、ｐｐ．５１７〜５１９、１９７４年D. B. Sullivan, R.B. F. DF Dziuba, "Low temperature direct current comparator", (USA), American Institute of Physics, Volume 4, Review of Science, Volume 45. No., pp. 517-519, 1974 Ｋ．グローマン（Ｋ．Ｇｒｏｈｍａｎｎ）、Ｈ．Ｄ．ハルボーム（Ｈ．Ｄ．Ｈａｈｌｂｏｈｍ）、Ｈ．ルビッグ（Ｈ．Ｌｕｂｂｉｇ）、Ｈ．ラミン（Ｈ．Ｒａｍｉｎ）著、「超伝導シールドを有する電流比較器（Ｃｕｒｒｅｎｔｃｏｍｐａｒａｔｏｒｓｗｉｔｈｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｓｈｉｅｌｄｓ）、（オランダ）、エルゼビア社（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ）、クライオジェニックス（低温学）（Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ）、第１４巻、第９号、ｐｐ．４９９〜５０２、１９７４年９月K. K. Grohmann, H.C. D. Halbohm, H.D. H. Lubbig, H. H. Ramin, “Current comparators with superconducting shields” (Netherlands), Elsevier, Cryogenics, Vol. 14, No. 9, pp. 499-502, September 1974 ヘイッキ・セッパ（ＨｅｉｋｋｉＳｅｐｐａ）、アレクサンドレ・サトラピンクシ（ＡｌｅｘａｎｄｒｅＳａｔｒａｐｉｎｋｓｉ）、ミッコ・キビランタ（ＭｉｋｋｏＫｉｖｉｒａｎｔａ）、ベサ・ヴィルキ（ＶｅｓａＶｉｒｋｋｉ）著、「薄膜極低温電流比較器（Ｔｈｉｎ−ＦｉｌｍＣｒｙｏｇｅｎｉｃＣｕｒｒｅｎｔＣｏｍｐａｒａｍｅｔｅｒ）」、（米国）、米国電気電子学会（ＩＥＥＥ）、計測機器と測定に関する米国電気電子学会会報（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）、Ｖｏｌ．４８、Ｎｏ．２、ｐｐ３６５〜３６９、１９９９年４月Heikki Seppa, Alexandre Satrapinsi, Mikko Kiviranta, Vesa irki (Vesa Virkki), "Cir ent entr (Cir ent) (USA), Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), Journal of the Institute of Electrical and Electronics Engineers on Measurement and Measurement, Vol. 48, no. 2, pp 365-369, April 1999

図１０に示す従来の極低温電流比較器（ＣＣＣ）は、その本体（シールド管および超伝導配線）で発生した磁束を、ピックアップコイルを介して、電流比較器本体とは分離して配置されたＳＱＵＩＤの入力コイルに結合していた。このため、ピックアップコイルがシールド管に対して振動することにより生じるノイズが大きな問題となっていた。また、図１０に示す電流比較器は、例えば直径５ｃｍ程度、高さ５ｃｍ程度の円柱形といったように巨大であり、専用のデュワーが必要である。 The conventional cryogenic current comparator (CCC) shown in FIG. 10 is arranged such that the magnetic flux generated in its main body (shield tube and superconducting wiring) is separated from the current comparator main body via a pickup coil. It was coupled to the SQUID input coil. For this reason, the noise which arises when a pick-up coil vibrates with respect to a shield tube became a big problem. The current comparator shown in FIG. 10 is huge, for example, a cylindrical shape having a diameter of about 5 cm and a height of about 5 cm, and requires a dedicated dewar.

さらに、電流比較器の作製には手作業によるところが多いので、作製に時間がかかり、品質にばらつきがある。特に、電流比較器のコイルは導線を手作業で巻くことで作製されるので、コイルの巻き数のエラーが生じやすい。また、コイルを巻く際、線が折れたり切れたりすることによってショートすることもある。 Further, since the current comparator is often manufactured manually, it takes time to manufacture and the quality varies. In particular, since the coil of the current comparator is manufactured by manually winding a conducting wire, an error in the number of turns of the coil is likely to occur. Moreover, when winding a coil, it may be short-circuited by breaking or cutting a wire.

また、鉛製の超伝導体であるシールド管は、ピンホールが生じて磁場が漏れることがあり、また、熱サイクルや力学的衝撃により破れやすい。 In addition, a shield tube, which is a lead superconductor, may cause a pinhole and leak a magnetic field, and is easily broken by a thermal cycle or a mechanical shock.

電圧（Ｖ＝ｈｆ／２ｅ）、抵抗（Ｒ＝ｈ／ｅ²）、電流（Ｉ＝ｅｆ）の間におけるいわゆる量子トライアングルの検証のためには、「１００００対１」を大幅に上回る巻き数比の極低温電流比較器（ＣＣＣ）が必要である。しかしながら、従来の手作業でコイルを巻く方法では、「１００００対１」程度の巻き数比の極低温電流比較器（ＣＣＣ）を作製するのが限界であった。また、１つの極低温電流比較器（ＣＣＣ）の大きさが巨大であるため、「１０００対１」程度の巻き数比の極低温電流比較器（ＣＣＣ）を２つカスケード接続して巻き数比を「１００００００対１」にすることも考えられうるが、実現は困難を伴う。 For the verification of the so-called quantum triangle between voltage (V = hf / 2e), resistance (R = h / e ² ), current (I = ef), the turn ratio significantly exceeding “10000 to 1” Cryogenic current comparator (CCC) is required. However, in the conventional method of winding a coil, it has been the limit to produce a cryogenic current comparator (CCC) having a turn ratio of about “10000: 1”. In addition, since the size of one cryogenic current comparator (CCC) is huge, two cryogenic current comparators (CCC) having a winding ratio of about “1000 to 1” are cascade-connected to each other and the winding ratio. Can be considered to be “1000000 to 1”, but realization is difficult.

また、上述のように、非特許文献４に記載された構造は、超伝導配線が超伝導体で囲まれていないため、漏れ磁束があり、超伝導の磁場遮蔽効果を利用した極低温電流比較器（ＣＣＣ）として機能していない。また、この構造は、極低温電流比較器（ＣＣＣ）とＳＱＵＩＤとが別チップとなっているため、振動によるノイズが大きいだけではなく、極低温電流比較器（ＣＣＣ）とＳＱＵＩＤとの間の結合が弱くなるため、磁場検出の感度が落ちるという問題がある。 In addition, as described above, the structure described in Non-Patent Document 4 has a leakage magnetic flux because the superconducting wiring is not surrounded by a superconductor, and a cryogenic current comparison using the superconducting magnetic field shielding effect. Not functioning as a container (CCC). Further, in this structure, since the cryogenic current comparator (CCC) and the SQUID are separate chips, not only the noise due to vibration is large, but also the coupling between the cryogenic current comparator (CCC) and the SQUID. Has a problem that the sensitivity of magnetic field detection is reduced.

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、製造誤差が少なく、コイルおよびシールド管の故障が少なく、ピックアップコイルに起因する振動ノイズの影響を受けにくく、製造容易で小型の電流比較器を提供することにある。 Accordingly, in view of the above problems, an object of the present invention is to provide a small-sized current comparator that has few manufacturing errors, has few failures in the coil and the shield tube, is hardly affected by vibration noise caused by the pickup coil, and is easy to manufacture. There is.

上記目的を実現するために、本発明においては、電流比較器は、基板上設けられ、超伝導膜からなる筒状構造を有するシールド管と、シールド管の内部に設けられ、シールド管の内壁と外壁との間に構成される閉ループにおけるループ内を貫通し、シールド管と絶縁された少なくとも２本の導線と、を備える。 In order to achieve the above object, in the present invention, a current comparator is provided on a substrate and has a cylindrical structure made of a superconducting film, a shield tube provided inside the shield tube, and an inner wall of the shield tube. And at least two conducting wires that pass through the inside of the closed loop formed between the outer wall and the shield tube and are insulated from each other.

従来の極低温電流比較器（ＣＣＣ）では、その本体（シールド管および超伝導配線）で発生した磁束を、ピックアップコイルを介して、ＣＣＣ本体とは分離して配置されたＳＱＵＩＤの入力コイルに結合していたが、本発明によれば、ＣＣＣとＳＱＵＩＤとを同一基板上に隣接して配置できるため、ピックアップコイルがＣＣＣのシールドに対して振動することにより生じるノイズの影響をＣＣＣは受けにくくなる。また、このようにＣＣＣとＳＱＵＩＤとを同一基板上に隣接して配置するため、ＣＣＣのシールド管とＳＱＵＩＤのピックアップコイルとの間を小さくでき（例えば、最小幅１μｍ程度）、ＣＣＣのシールド管とピックアップコイルとの磁気結合が増加し、ＳＱＵＩＤの感度が向上するため、電流比較測定値の精度が向上する。 In the conventional cryogenic current comparator (CCC), the magnetic flux generated in the main body (shield tube and superconducting wiring) is coupled to the SQUID input coil arranged separately from the CCC main body via the pickup coil. However, according to the present invention, since the CCC and the SQUID can be arranged adjacent to each other on the same substrate, the CCC is not easily affected by noise caused by the pickup coil vibrating with respect to the shield of the CCC. . Further, since the CCC and the SQUID are arranged adjacent to each other on the same substrate, the space between the CCC shield tube and the SQUID pickup coil can be reduced (for example, a minimum width of about 1 μm). Since the magnetic coupling with the pickup coil is increased and the sensitivity of the SQUID is improved, the accuracy of the current comparison measurement value is improved.

本発明によれば、従来と同じ構造の素子を、高々２ｃｍ角程度の基板上に作製できるようになり、ＣＣＣを劇的に小型化できる。また、１つ１つの素子は高々縦、横５ｍｍ程度、厚さ５００μｍ程度の大きさであるため、フリップチップボンディングなどの技術により同一基板上に複数個の素子をカスケード接続することが可能となり、巻き数比を大幅に大きくすることができる。 According to the present invention, an element having the same structure as the conventional one can be produced on a substrate of about 2 cm square at most, and the CCC can be drastically reduced in size. In addition, since each element is about 5 mm long, about 5 mm wide, and about 500 μm thick, it is possible to cascade a plurality of elements on the same substrate by a technique such as flip chip bonding. The turn ratio can be greatly increased.

また、本発明によれば、従来のように手作業で１つずつ作製する場合と異なり、集積回路プロセス技術で一枚のウエハ上に１０〜１００個を一度に作製できるため、極低温電流比較器（ＣＣＣ）１個あたりの作製に要する時間を劇的に短縮することができ、製造容易である。このことは個々のＣＣＣの品質のばらつきを抑制する上で特に有効であり、また、製造コストの低減にもつながる。また、手作業で１つずつ作製するわけではないので、設計データと実際に作製されたものとの誤差が小さい。したがって、極低温電流比較器（ＣＣＣ）の性能の定量的な予測も容易となる。 In addition, according to the present invention, unlike the case of manufacturing one by one manually as in the prior art, 10 to 100 pieces can be manufactured on a single wafer at a time by integrated circuit process technology. The time required for production per container (CCC) can be drastically reduced, and manufacturing is easy. This is particularly effective in suppressing variations in the quality of individual CCCs, and also leads to a reduction in manufacturing costs. In addition, since manual manufacturing is not performed one by one, an error between the design data and the actually manufactured data is small. Therefore, quantitative prediction of the performance of the cryogenic current comparator (CCC) is also facilitated.

また、従来は作製時の作業や度重なる熱サイクルや力学的衝撃による金属疲労のために鉛製の超伝導体であるシールド管にピンホールや大きな破れが生じることがあったが、本発明によれば、ニオブプロセスを用いるので、このような問題の発生をきわめて小さく抑制することができる。 Also, in the past, pinholes and large tears sometimes occurred in shield tubes, which are superconductors made of lead, due to work during fabrication, repeated heat cycles, and metal fatigue due to mechanical impact. Therefore, since the niobium process is used, the occurrence of such a problem can be suppressed extremely small.

本発明によれば、熱容量が小さく発熱が極めて小さい素子なので冷凍能力の小さい冷凍機中でも利用することが可能となり、適用範囲を広げることができる。 According to the present invention, since the element has a small heat capacity and extremely small heat generation, it can be used even in a refrigerator having a small refrigerating capacity, and the application range can be expanded.

本発明の第１の実施例による電流比較器の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the current comparator by the 1st Example of this invention. 図１に示す電流比較器と同一基板上にある超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を構成するジョセフソン接合を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the Josephson junction which comprises the superconducting quantum interference element (SQUID) on the same board | substrate as the current comparator shown in FIG. 本発明の第一の実施例による電流比較器（その１）を説明する模式的な図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＰ−Ｐ’断面図である。FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams for explaining a current comparator according to the first embodiment of the present invention (part 1), in which FIG. 3A is a plan view, and FIG. 3B is a PP line in FIG. 'Cross section. 本発明の第一の実施例による電流比較器（その２）を説明する模式的な平面図である。It is a typical top view explaining the current comparator (the 2) by the 1st example of the present invention. 本発明の第一の実施例による電流比較器（その３）を説明する模式的な平面図である。It is a typical top view explaining the current comparator (the 3) by the 1st example of the present invention. 本発明の第２の実施例による電流比較器を説明する図であり、図６（ａ）は上面からみた透視図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＰ-Ｐ’断面図である。6A and 6B are diagrams illustrating a current comparator according to a second embodiment of the present invention, in which FIG. 6A is a perspective view seen from above, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line PP ′ of FIG. is there. 本発明の第３の実施例による電流比較器を説明する図である。It is a figure explaining the current comparator by the 3rd example of the present invention. 本発明の第４の実施例における、２個カスケード接続された電流比較器を例示する図である。It is a figure which illustrates the two current comparators cascade-connected in the 4th Example of this invention. 従来の極低温電流比較器（ＣＣＣ）の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of the conventional cryogenic current comparator (CCC). 従来の極低温電流比較器（ＣＣＣ）の構成を例示する図である。It is a figure which illustrates the structure of the conventional cryogenic current comparator (CCC). 従来の極低温電流比較器（ＣＣＣ）のさらに別の例の構成を例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates the structure of another example of the conventional cryogenic current comparator (CCC).

図１は、本発明の第１の実施例による電流比較器の構造を示す断面図である。本実施例では、集積回路プロセス技術により、シリコン基板１０上に、超伝導体としてニオブ層Ｍ１〜Ｍ５を、層間絶縁膜として二酸化シリコン膜２０を、それぞれ形成する。図１に示す各層の厚さは一例である。本構造は、少なくとも５層以上のニオブ層を必要とするため、上層での段切れやリークを防止するためにバイアススパッタ法やＣＭＰを用いた平坦化法を適宜用いて形成される。上層における段差を少なくするために、下から１層目のニオブ層Ｍ１および下から２層目のニオブ層Ｍ２は平坦化される。図中、点線で囲まれた部分（参照符号Ｔ）が上記「蛇が尻尾を噛む」構造である。 FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a current comparator according to a first embodiment of the present invention. In this embodiment, niobium layers M1 to M5 as superconductors and a silicon dioxide film 20 as an interlayer insulating film are formed on a silicon substrate 10 by an integrated circuit process technique. The thickness of each layer shown in FIG. 1 is an example. Since this structure requires at least five or more niobium layers, it is formed by appropriately using a bias sputtering method or a planarization method using CMP in order to prevent disconnection or leakage in the upper layer. In order to reduce the level difference in the upper layer, the first niobium layer M1 from the bottom and the second niobium layer M2 from the bottom are planarized. In the drawing, the portion surrounded by a dotted line (reference symbol T) has the above-described structure “the snake bites the tail”.

本発明の第１の実施例による電流比較器のシールド管は、ニオブ層Ｍ１〜Ｍ５を用いて形成される。本実施例では、シールド管は大きく分けて次の２つの部分で構成される。第１のシールド管部分は、底がニオブ層Ｍ１で形成され、天井がニオブ層Ｍ５で形成され、側壁がニオブ層Ｍ１からニオブ層Ｍ５までの５層をコンタクトホールを介して縦につないで形成される部分である。第２のシールド管部分は、底がニオブ層Ｍ２で形成され、天井がニオブ層Ｍ４で形成され、側壁がニオブ層Ｍ２からニオブ層Ｍ４までの３層をコンタクトホールを介して縦につないで形成される部分である。このとき、シールド管の「蛇が尻尾を噛む」部分Ｔは、ニオブ層Ｍ１からニオブ層Ｍ５までで形成された第１のシールド管の内側に、ニオブ層Ｍ２からニオブ層Ｍ４までで形成された第２のシールド管が差し込まれるようにして配置された構造に相当する。これら第１のシールド管と第２のシールドとの結合部分においては、「蛇が尻尾を噛む」部分Ｔの外側（蛇で例えれば「胴」に相当する部分）で第１のシールド管と第２のシールドとが重なり合うように結合されており、これによって１つのシールド管が形成されることになる。第１のシールド管と第２のシールド管とが重ね合わされた「蛇の胴」部分では、第１のシールド管の底を構成するニオブ層Ｍ１と第２のシールド管の底を構成するニオブ層Ｍ２とがコンタクトホールを介して結合され、第１のシールド管の天井を構成するニオブ層Ｍ５と第２のシールド管の天井を構成するニオブ層Ｍ４とがコンタクトホールを介して結合される。またこのとき、導線についてはニオブ層Ｍ３で形成される。導線同士の交差が必要となる場合には、ニオブ層Ｍ２も導線として使用する。 The shield tube of the current comparator according to the first embodiment of the present invention is formed using niobium layers M1 to M5. In this embodiment, the shield tube is roughly divided into the following two parts. The first shield tube portion is formed with the niobium layer M1 at the bottom, the niobium layer M5 at the ceiling, and the side walls vertically formed by connecting five layers from the niobium layer M1 to the niobium layer M5 through contact holes. It is a part to be done. The second shield tube portion is formed with the niobium layer M2 at the bottom, the niobium layer M4 at the ceiling, and the side walls are formed by vertically connecting three layers from the niobium layer M2 to the niobium layer M4 through contact holes. It is a part to be done. At this time, the "snake bites the tail" portion T of the shield tube was formed from the niobium layer M2 to the niobium layer M4 inside the first shield tube formed from the niobium layer M1 to the niobium layer M5. This corresponds to a structure in which the second shield pipe is inserted. In the joint portion between the first shield tube and the second shield, the first shield tube and the second shield are outside the portion T where the “snake bites the tail” (the portion corresponding to the “body” in the case of a snake). The two shields are joined so as to overlap each other, thereby forming one shield tube. In the “snake body” where the first shield tube and the second shield tube are overlapped, the niobium layer M1 constituting the bottom of the first shield tube and the niobium layer constituting the bottom of the second shield tube M2 is coupled via a contact hole, and niobium layer M5 constituting the ceiling of the first shield tube and niobium layer M4 constituting the ceiling of the second shield tube are coupled via a contact hole. At this time, the conductive wire is formed of the niobium layer M3. When it is necessary to cross the conductors, the niobium layer M2 is also used as a conductor.

なお、図１に示すニオブ層Ｍ０は、シリコン基板１０の、ニオブ層Ｍ１〜Ｍ５が形成された面（すなわちシールド管が設けられた面）とは反対側の面に成膜されるものであり、シリコン基板１０に対するストレス緩和および磁気シールドのために設けられる。すなわち、電流比較器本体の機能とは直接には関係ないものであり、したがって、ニオブ層Ｍ０を設けなくてもよい。 The niobium layer M0 shown in FIG. 1 is formed on the surface of the silicon substrate 10 opposite to the surface on which the niobium layers M1 to M5 are formed (that is, the surface on which the shield tube is provided). It is provided for stress relaxation and magnetic shielding for the silicon substrate 10. That is, it does not directly relate to the function of the current comparator body, and therefore the niobium layer M0 need not be provided.

後述するピックアップコイルは、ニオブ層Ｍ１、Ｍ３およびＭ５を使用し、後述する入力コイルは、ニオブ層Ｍ２を使用する。 The pickup coil described later uses niobium layers M1, M3, and M5, and the input coil described later uses niobium layer M2.

超伝導体であるニオブの膜厚は、コイル状の導線により発生する磁場をできるだけ外部に漏らさないようにするために、ある程度大きい値であることが好ましい。しかしながら、一般に、ニオブの膜厚が増加すればニオブ膜および二酸化シリコン膜に内在する応力による基板のそりが増加するため、製造が難しくなるという問題がある。そこで、本実施例では、表面のニオブ膜および二酸化シリコン膜の膜厚に匹敵する膜厚を有するニオブ膜Ｍ０を、基板裏面に成膜する。これにより、基板のそりを抑制することができる。また、基板裏面のニオブ膜により環境磁場を遮蔽する効果が期待でき、磁気センサによるより高感度の測定が可能となる。 The film thickness of niobium, which is a superconductor, is preferably large to some extent so as not to leak the magnetic field generated by the coiled conductor as much as possible. However, in general, if the thickness of the niobium film increases, the warpage of the substrate due to the stress inherent in the niobium film and the silicon dioxide film increases, which makes it difficult to manufacture. Therefore, in this embodiment, a niobium film M0 having a thickness comparable to that of the surface niobium film and silicon dioxide film is formed on the back surface of the substrate. Thereby, the curvature of a board | substrate can be suppressed. In addition, an effect of shielding an environmental magnetic field by the niobium film on the back surface of the substrate can be expected, and measurement with higher sensitivity by a magnetic sensor becomes possible.

図２は、図１に示す電流比較器と同一基板上にある超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を構成するジョセフソン接合を示す断面図である。ＳＱＵＩＤを構成するジョセフソン接合には、図中の点線で囲まれた部分（参照符号Ｕ）で示されるＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合を用いる。抵抗層ＭＲにはモリブデンを使用する。ＳＱＵＩＤは、ピックアップコイル、入力コイルとともにＣＣＣと同一シリコン基板上に配置する。なお、図２においては、ピックアップコイルおよび入力コイルについては省略している。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a Josephson junction constituting a superconducting quantum interference device (SQUID) on the same substrate as the current comparator shown in FIG. For the Josephson junction constituting the SQUID, an Nb / AlOx / Nb junction indicated by a portion (reference symbol U) surrounded by a dotted line in the figure is used. Molybdenum is used for the resistance layer MR. The SQUID is disposed on the same silicon substrate as the CCC together with the pickup coil and the input coil. In FIG. 2, the pickup coil and the input coil are omitted.

図３〜５は、本発明の第一の実施例による電流比較器を説明する模式的な図であり、図３（ａ）、４および５は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＰ−Ｐ’断面図である。なお、図３に関してのみ、Ｐ−Ｐ’断面図を示したが、図４および５についても、図３の同様の箇所のＰ−Ｐ’断面を取れば、図３（ｂ）と同様の断面図が得られるので、ここでは省略する。図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１０上に、超伝導膜からなる筒状構造を有するシールド管３０が設けられる。図３〜５において、太い点線で囲まれた部分（参照符号Ｔ）は、上記「蛇が尻尾を噛む」構造のうちの「噛まれた側」のシールド管３０の外部表面を示す。シールド管３０内は二酸化シリコン膜２０で満たされており、巻き数Ｎ₁のコイル状の導線Ｌ₁、巻き数Ｎ₂のコイル状の導線Ｌ₂がそれぞれ配置されている。すなわち、コイル状の導線Ｌ₁およびコイル状の導線Ｌ₂は、シールド管３０の内部に該シールド管３０と絶縁された形で配置されており、より詳しく言えばシールド管の内壁と外壁との間に構成される閉ループにおけるループ内を貫通するようにして配置されている。 3 to 5 are schematic views for explaining a current comparator according to the first embodiment of the present invention. FIGS. 3A, 4 and 5 are plan views, and FIG. It is PP 'sectional drawing of a). Note that only the PP ′ cross-sectional view is shown only with respect to FIG. 3, but FIGS. 4 and 5 also have the same cross-section as FIG. 3B if the PP ′ cross-section at the same position in FIG. 3 is taken. Since a figure is obtained, it is omitted here. As shown in FIG. 3B, a shield tube 30 having a cylindrical structure made of a superconducting film is provided on the silicon substrate 10. 3 to 5, a portion surrounded by a thick dotted line (reference symbol T) indicates the outer surface of the shield tube 30 on the “biting side” in the “snake biting the tail” structure. Shield tube 30 is filled with silicon dioxide film 20, a coil-shaped conductor L ₁ number of turns N _1, coiled conductor L ₂ of the number of turns N ₂ are respectively arranged. That is, the coiled conductive wire L ₁ and the coiled conductive wire L ₂ are disposed in the shield tube 30 so as to be insulated from the shield tube 30. More specifically, the coil-shaped conductive wire L ₁ and the coil-shaped conductive wire L ₂ It arrange | positions so that the inside of the loop in the closed loop comprised between may be penetrated.

導線Ｌ₁には電流Ｉ₁が流され、導線Ｌ₂にはＩ₂がＩ₁と逆向きに流される。シールド管３０の内壁にはＮ₁Ｉ₁とＮ₂Ｉ₂との差に応じた遮蔽電流が流れ、シールド管３０の端面においてシールド管３０の外部表面に伝わり、この外部表面を流れる遮蔽電流が、ピックアップコイル４０に結合する磁場を誘起する。この磁場を、入力コイル５０を介して、磁気センサ６０で検出する。磁気センサ６０は例えばＳＱＵＩＤである。磁気センサ６０が検出する磁場の大きさがゼロとなるようにＩ₁およびＩ₂を適切に制御すれば、Ｎ₁Ｉ₁＝Ｎ₂Ｉ₂の関係を満足させることができる。Ｎ₁Ｉ₁＝Ｎ₂Ｉ₂のときのＩ₁対Ｉ₂は、巻き数比Ｎ₂対Ｎ₁となる。遮蔽電流が誘起する磁場のピックアップコイル４０による検出方法としては、図３〜５に示す３種類の方法が可能であるが、その詳細については後述する。 Current I ₁ flows in the conductors L _1, the lead wire L ₂ I ₂ is flowed into I ₁ and opposite. A shield current corresponding to the difference between N ₁ I ₁ and N ₂ I ₂ flows on the inner wall of the shield tube 30, and is transmitted to the outer surface of the shield tube 30 at the end face of the shield tube 30. A magnetic field coupled to the pickup coil 40 is induced. This magnetic field is detected by the magnetic sensor 60 via the input coil 50. The magnetic sensor 60 is, for example, a SQUID. If I ₁ and I ₂ are appropriately controlled so that the magnitude of the magnetic field detected by the magnetic sensor 60 becomes zero, the relationship of N ₁ I ₁ = N ₂ I ₂ can be satisfied. When N ₁ I ₁ = N ₂ I ₂ , I ₁ to I ₂ is the turn ratio N ₂ to N ₁ . As a method for detecting the magnetic field induced by the shield current by the pickup coil 40, three methods shown in FIGS. 3 to 5 are possible, and details thereof will be described later.

なお、変形例として、シールド管３０の中に巻き数の異なるコイル状の導線をさらに追加して配置することによって、測定できる電流比の組み合わせを増やすこともできる。例えば、図３〜５に示す電流比較器に、巻き数Ｎ₁のコイル状の導線Ｌ₁および巻き数Ｎ₂のコイル状の導線Ｌ₂に加えて、巻き数Ｎ₃のコイル状のさらなる導線（図示せず）を追加すれば、Ｎ₂対Ｎ₁に加えて、Ｎ₁対Ｎ₃およびＮ₂対Ｎ₃の合計３つの電流比の測定が可能になる。 As a modified example, the number of combinations of current ratios that can be measured can be increased by additionally arranging coiled conductors having different numbers of turns in the shield tube 30. For example, the current comparator shown in FIG. 3-5, the number of turns in addition to a coil-shaped conductor L ₂ of the N conductors L ₁ coiled of ₁ and the number of turns N _2, further the number of turns of N ₃ coiled conductor If (not shown) is added, in addition to N ₂ to N ₁ , a total of three current ratios of N ₁ to N ₃ and N ₂ to N ₃ can be measured.

電流比較器のシールド管３０の外部表面に流れる遮蔽電流が誘起する磁場の、ピックアップコイル４０による検出方法としては、図３〜５に示す３つの方法がある。 There are three methods shown in FIGS. 3 to 5 for detecting the magnetic field induced by the shielding current flowing on the outer surface of the shield tube 30 of the current comparator by the pickup coil 40.

第１の方法は、図３に示すような、シールド管３０の近傍に配置したピックアップコイル４０を磁気センサ６０の入力コイル５０に結合し、ピックアップコイル４０で検出した磁束を入力コイル５０に移送する方法である。入力コイル５０を含む磁気センサ６０は、電流比較器と同一のシリコン基板１０基板上に実装することができる。 In the first method, as shown in FIG. 3, a pickup coil 40 disposed in the vicinity of the shield tube 30 is coupled to an input coil 50 of the magnetic sensor 60, and the magnetic flux detected by the pickup coil 40 is transferred to the input coil 50. Is the method. The magnetic sensor 60 including the input coil 50 can be mounted on the same silicon substrate 10 substrate as the current comparator.

第２の方法は、図４に示すような、シールド管３０自体をピックアップコイルとみなすものである。すなわち、ピックアップコイルとしても機能するシールド管３０を、磁気センサ６０の入力コイル５０に結合し、このシールド管３０で検出した磁束を入力コイル５０に移送する方法である。この方法によれば、電流比較器のシールド管３０自体をピックアップコイルとして利用するため、図３に示した第１の方法よりも構造が簡単になる。図４に示すように電流比較器と磁気センサ６０とは同一シリコン基板上に実装することが可能であるが、この変形例として、電流比較器と磁気センサ６０とを互いに分離させて空間的に離れた場所に配置してもよい。 In the second method, the shield tube 30 itself is regarded as a pickup coil as shown in FIG. That is, the shield tube 30 that also functions as a pickup coil is coupled to the input coil 50 of the magnetic sensor 60, and the magnetic flux detected by the shield tube 30 is transferred to the input coil 50. According to this method, since the shield tube 30 itself of the current comparator is used as a pickup coil, the structure is simpler than the first method shown in FIG. As shown in FIG. 4, the current comparator and the magnetic sensor 60 can be mounted on the same silicon substrate. However, as a modification, the current comparator and the magnetic sensor 60 are separated from each other spatially. You may arrange | position in a remote place.

第３の方法は、図５に示すような、シールド管３０自体を磁気センサの一部として利用する方法である。この方法によれば、シールド管３０自体をＳＱＵＩＤのインダクタンスとして使うことができるため、図４に示した第２の方法よりも構造がさらに簡単になる。ただし、磁気センサはＳＱＵＩＤに限られる。 The third method is a method of using the shield tube 30 itself as a part of the magnetic sensor as shown in FIG. According to this method, since the shield tube 30 itself can be used as the inductance of the SQUID, the structure is further simplified as compared with the second method shown in FIG. However, the magnetic sensor is limited to SQUID.

上述の図３に示した第１の方法および図４に示した第２の方法では、磁気センサとしてＳＱＵＩＤを用いたが、その他の種類の磁気センサを用いてもよく、例えば、ホールセンサを用いる方法、カー効果を用いる方法、あるいはゼーマン***を用いる方法、などであってもよい。ただし、ＳＱＵＩＤを用いる方法は、同一の超伝導プロセスが利用可能であるので、磁場検出感度の観点からも素子作製の観点からも有利である。 In the first method shown in FIG. 3 and the second method shown in FIG. 4, the SQUID is used as the magnetic sensor. However, other types of magnetic sensors may be used, for example, a hall sensor is used. It may be a method, a method using the Kerr effect, a method using Zeeman splitting, or the like. However, the method using SQUID is advantageous from the viewpoints of magnetic field detection sensitivity and device fabrication because the same superconducting process can be used.

図６は、本発明の第２の実施例による電流比較器を説明する図であり、図６（ａ）は上面からみた透視図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＰ-Ｐ’断面図である。本実施例は、上述の第１の実施例において１枚の基板上に形成される構造を、少なくとも２枚の基板を用いて実現するものである。図中、参照符号２０は二酸化シリコン膜、３０はシールド管、８０は半田バンプ（ソルダバンプ）をそれぞれ表わす。 6A and 6B are diagrams for explaining a current comparator according to the second embodiment of the present invention. FIG. 6A is a perspective view seen from above, and FIG. 6B is a PP of FIG. 6A. 'Cross section. In this embodiment, the structure formed on one substrate in the first embodiment described above is realized by using at least two substrates. In the figure, reference numeral 20 denotes a silicon dioxide film, 30 denotes a shield tube, and 80 denotes a solder bump (solder bump).

図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、例えば、上述の第１の実施例における構造の一部（例えば図１に示されたニオブ層Ｍ１、ニオブ層Ｍ２、およびニオブ層Ｍ３の一部など）を第１の基板１０-１上に形成し、第１の基板１０-１に形成されない残りの構造（例えば図１に示されたニオブ層Ｍ３の一部、ニオブ層Ｍ４、およびニオブ層Ｍ５など）および磁気センサ６０を第２の基板１０-２上に形成し、これら２つの基板１０-１および１０-２をフリップチップ技術を利用して半田バンプ８０を介して張り合わせることにより、基板１枚あたりに必要な超伝導層の数を減らすことができる。これにより、作製プロセス技術上、基板１枚あたりに利用できる超伝導層数が限られている場合であっても、導線Ｌ₁および導線Ｌ₂をそれぞれ異なる超伝導層を用いて形成することができる。つまり、同一の超伝導層を用いて導線Ｌ₁および導線Ｌ₂を形成する第１の実施例に比べ、第２の実施例によれば、各導線の巻き線密度を高めることが可能になる。また、余った超伝導層を用いて追加のシールド層を形成し、磁気遮蔽効果を高める構造などのような、付加機能的な構造を追加することも可能である。 As shown in FIGS. 6A and 6B, for example, a part of the structure in the first embodiment described above (for example, the niobium layer M1, the niobium layer M2, and the niobium layer M3 shown in FIG. 1). Are formed on the first substrate 10-1, and the remaining structure not formed on the first substrate 10-1 (eg, a part of the niobium layer M3 shown in FIG. 1, the niobium layer M4, And the niobium layer M5) and the magnetic sensor 60 are formed on the second substrate 10-2, and the two substrates 10-1 and 10-2 are bonded to each other via the solder bumps 80 by using a flip chip technique. As a result, the number of superconducting layers required per substrate can be reduced. As a result, even if the number of superconducting layers that can be used per substrate is limited due to the fabrication process technology, the conducting wire L ₁ and the conducting wire L ₂ can be formed using different superconducting layers. it can. That is, the winding density of each conductor can be increased according to the second embodiment as compared to the first embodiment in which the conductor L ₁ and the conductor L ₂ are formed using the same superconductive layer. . It is also possible to form an additional shield layer using the surplus superconducting layer and add an additional functional structure such as a structure that enhances the magnetic shielding effect.

図７は、本発明の第３の実施例による電流比較器を説明する図である。本実施例では、第１の実施例において説明した電流比較器のシールド管３０、導線Ｌ₁およびＬ₂、ならびにピックアップコイル４０を、図７に示すように、８の字状に配置することによりグラジオメータを構成する。すなわち、磁気センサ６０の入力コイル５０に接続されるピックアップコイル４０を、上記８の字状構造の各ループにおいて、環境磁場に起因する電流は互いに逆向きに流れように、かつ、シールド管３０の外部表面を流れる遮蔽電流が誘起する磁場に起因する電流は互いに同じ向きに流れるように、上記８の字状構造に接続する。これにより、地磁気のような一様な環境磁場の影響を打ち消し、かつ、電流比較器のシールド管３０を流れる遮蔽電流の作る磁場についての磁気センサ６０による検出感度を２倍に向上させることができるため、電流比較測定値の精度が向上する。 FIG. 7 is a diagram for explaining a current comparator according to a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the shield tube 30, the conducting wires L ₁ and L ₂ , and the pickup coil 40 of the current comparator described in the first embodiment are arranged in a figure 8 shape as shown in FIG. Configure the gradiometer. That is, in the pickup coil 40 connected to the input coil 50 of the magnetic sensor 60, the currents caused by the environmental magnetic field flow in opposite directions in each loop of the above-mentioned eight-shaped structure, and the shield tube 30 The currents resulting from the magnetic field induced by the shielding current flowing on the external surface are connected to the above-mentioned 8-shaped structure so as to flow in the same direction. Thereby, it is possible to cancel the influence of a uniform environmental magnetic field such as geomagnetism and to double the detection sensitivity of the magnetic sensor 60 for the magnetic field generated by the shield current flowing through the shield tube 30 of the current comparator. Therefore, the accuracy of the current comparison measurement value is improved.

本発明の第４の実施例は、上述の第１の実施例による電流比較器を、同一基板上に、複数個配置するものである。電流比較器の複数個配置は、例えば集積回路プロセスを用いて実現する。これにより、より多様な電流比較器を１チップで実現することができる。またあるいは、電流比較器の複数個配置は、電流比較器を１つ配置した基板を、フリップチップ法により、より大きな面積を有する基板に複数枚貼り付けることにより実現する。これにより、より多様な電流比較器が構成できる。これらいずれかの方法により複数配置された電流比較器は、各電流比較器が有する導線をカスケード接続することもできる。 In the fourth embodiment of the present invention, a plurality of current comparators according to the first embodiment described above are arranged on the same substrate. The arrangement of a plurality of current comparators is realized by using, for example, an integrated circuit process. Thereby, more various current comparators can be realized with one chip. Alternatively, the arrangement of a plurality of current comparators can be realized by attaching a plurality of substrates having one current comparator to a substrate having a larger area by a flip chip method. Thereby, more various current comparators can be configured. A plurality of current comparators arranged by any one of these methods can be connected in cascade with the conductors of each current comparator.

図８は、本発明の第４の実施例における、２個のカスケード接続された電流比較器を例示する図である。本実施例では、同一の基板２００上に、巻き数Ｎ₁₀のコイル状の導線Ｌ₁₀および巻き数Ｎ₁₁のコイル状の導線Ｌ₁₁を含む第１の電流比較器２０１−１と、巻き数Ｎ₂₀のコイル状の導線Ｌ₂₀および巻き数Ｎ₂₁のコイル状の導線Ｌ₂₁を含む第２の電流比較器２０１−２が設けられる。第１の電流比較器２０１−１と第２の電流比較器２０１−２とは、図８に示すようにカスケード接続される。具体的には、電流比較器２０１−１の導線Ｌ₁₀には電流源２０２−１が接続され、電流比較器２０１−１の導線Ｌ₁₁は電流源２０２−２を介して電流比較器２０１−２の導線Ｌ₂₀に接続され、さらに電流比較器２０１−２の導線Ｌ₂₁には電流源２０２−３が接続される。電流比較器２０１−１のシールド管３０−１の外部表面を流れる遮蔽電流に起因する磁場は、同一の基板２００上に設けられたピックアップコイル４０−１で検出され、同一の基板２００上に設けられた入力コイル５０−１を介して磁気センサ６０−１で検出される。同様に、電流比較器２０１−２のシールド管３０−２の外部表面を流れる遮蔽電流に起因する磁場は、同一の基板２００上に設けられたピックアップコイル４０−２で検出され、同一の基板２００上に設けられた入力コイル５０−２を介して磁気センサ６０−２で検出される。 FIG. 8 is a diagram illustrating two cascaded current comparators in the fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, the same substrate 200, a first current comparator 201-1 comprising a coiled conductive wire L ₁₁ of the coiled conducting wire L ₁₀ and the number of turns N ₁₁ number of turns N _10, the number of turns the second current comparator 201-2 comprising a coiled conductive wire L ₂₁ of the coiled conducting wire L ₂₀ and the number of turns N ₂₁ of N ₂₀ is provided. The first current comparator 201-1 and the second current comparator 201-2 are cascade-connected as shown in FIG. Specifically, the current source 202-1 is connected to conductor L ₁₀ of the current comparator 201-1, lead L ₁₁ of the current comparator 201-1 through a current source 202-2 current comparator 201- It is connected to the second conductor L _20, current source 202-3 is connected further to the conductor L ₂₁ of the current comparator 201-2. The magnetic field caused by the shield current flowing on the outer surface of the shield tube 30-1 of the current comparator 201-1 is detected by the pickup coil 40-1 provided on the same substrate 200 and provided on the same substrate 200. It is detected by the magnetic sensor 60-1 through the input coil 50-1. Similarly, the magnetic field caused by the shield current flowing on the outer surface of the shield tube 30-2 of the current comparator 201-2 is detected by the pickup coil 40-2 provided on the same substrate 200, and the same substrate 200 is detected. It is detected by the magnetic sensor 60-2 via the input coil 50-2 provided above.

電流源２０２−１、２０２−２および２０２−３を制御して電流Ｉ₁、Ｉ₂およびＩ₃を変化させ、磁気センサ６０−１および６０−２の検出する磁場がともにゼロになるようにしたとき、各導線の巻き数Ｎ₁₀、Ｎ₁₁、Ｎ₂₀およびＮ₂₁とそこを流れる電流Ｉ₁、Ｉ₂およびＩ₃との間には、式２および式３の関係が成り立つ。 Controls the current source 202-1 and 202-2 and 202-3 by varying the current I _1, I ₂ and I _3, as detected by the magnetic field of the magnetic sensors 60-1 and 60-2 becomes zero both In this case, the relationship of Equation 2 and Equation 3 is established between the number of turns N ₁₀ , N ₁₁ , N ₂₀ and N _{21 of} each conductive wire and the currents I ₁ , I ₂ and I ₃ flowing therethrough.

例えば、第１の電流比較器２０１−１における巻き数比が「Ｎ₁₀：Ｎ₁₁＝３２０：１」、第２の電流比較器２０１−２における巻き数比が「Ｎ₂₀：Ｎ₂₁＝３２０：１」である場合、第１の電流比較器２０１−１と第２の電流比較器２０１−２とを上述のようにカスケード接続することにより、式３から分かるように、実質的にはコイルの巻き数比が「１０２４００対１」である１つの電流比較器と同等の性能を有する電流比較器を実現することができる。本実施例では、一例としてカスケード接続する電流比較器の数を２つとしたが、これに限定されず、それより多い数であってもよい。複数個の電流比較器を順次カスケード接続すれば、巻き数比を大幅に向上させた電流比較器を等価的に実現することができる。上述のように、電圧（Ｖ＝ｈｆ／２ｅ）、抵抗（Ｒ＝ｈ／ｅ²）、電流（Ｉ＝ｅｆ）の間におけるいわゆる量子トライアングルの検証のためには、「１００００対１」を大幅に上回る巻き数比の電流比較器が必要であるが、本発明によれば、容易にこれを実現することができる。 For example, the turn ratio in the first current comparator 201-1 is “N ₁₀ : N ₁₁ = 320: 1”, and the turn ratio in the second current comparator 201-2 is “N ₂₀ : N ₂₁ = 320”. 1 ”, the first current comparator 201-1 and the second current comparator 201-2 are cascaded as described above, so that substantially the coil A current comparator having a performance equivalent to that of one current comparator having a turn ratio of “102400 to 1” can be realized. In this embodiment, the number of cascaded current comparators is two as an example, but the present invention is not limited to this, and a larger number may be used. If a plurality of current comparators are cascaded in sequence, a current comparator with a greatly improved winding ratio can be realized equivalently. As described above, for the verification of the so-called quantum triangle between voltage (V = hf / 2e), resistance (R = h / e ² ), and current (I = ef), “10000 to 1” is greatly increased. However, according to the present invention, this can be realized easily.

本発明は、抵抗標準、電流標準、電圧標準、温度標準、温度計測装置、超精密電流整数倍器、超精密計測装置、および高精度信号発生装置などに適用することができる。 The present invention can be applied to a resistance standard, a current standard, a voltage standard, a temperature standard, a temperature measurement device, an ultraprecision current integer multiplier, an ultraprecision measurement device, a high-precision signal generator, and the like.

１０シリコン基板
１０−１第１の基板
１０−２第２の基板
２０二酸化シリコン膜
３０、３０−１、３０−２シールド管
４０ピックアップコイル
５０、５０−１、５０−２入力コイル
６０、６０−１、６０−２磁気センサ
８０半田バンプ
２００基板
２０１−１第１の電流比較器
２０１−２第２の電流比較器
２０２−１、２０２−２、２０２−３電流源
Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₁₀、Ｌ₁₁、Ｌ₂₀、Ｌ₂₁ 導線
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５ニオブ層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Silicon substrate 10-1 1st board | substrate 10-2 2nd board | substrate 20 Silicon dioxide film 30, 30-1, 30-2 Shield tube 40 Pickup coil 50, 50-1, 50-2 Input coil 60, 60- 1,60-2 magnetic sensor 80 solder bump 200 substrate 201-1 first current comparator 201-2 second current comparator 202-1,202-2,202-3 current source L _1, L _2, L ₁₀ , L ₁₁ , L ₂₀ , L ₂₁ conductors M1, M2, M3, M4, M5 Niobium layer

Claims

基板上設けられ、超伝導膜からなる筒状構造を有するシールド管と、
前記シールド管の前記筒状構造内を貫通するように設けられ、前記シールド管と絶縁された少なくとも２本の導線と、
前記基板上に設けられ、前記シールド管の外部表面に流れる電流によって誘起される磁場を検出する磁気センサと、
を備え、
前記シールド管の一方の端部が、もう一方の端部における前記筒状構造の内部に配置されることにより、前記超伝導膜が部分的に少なくとも二重以上に重なることを特徴とする電流比較器。 A shield tube provided on the substrate and having a cylindrical structure made of a superconducting film;
At least two conductors provided so as to penetrate through the cylindrical structure of the shield tube and insulated from the shield tube;
A magnetic sensor that is provided on the substrate and detects a magnetic field induced by a current flowing on an outer surface of the shield tube;
Equipped with a,
One end of the shield tube, by being arranged inside of the tubular structure at the other end, the superconducting film is partially characterized by heavy for Rukoto at least double or more Current comparator.

前記磁気センサが超伝導量子干渉素子である請求項１に記載の電流比較器。 The current comparator according to claim 1 , wherein the magnetic sensor is a superconducting quantum interference device.

前記基板の、前記シールド管が設けられた面とは反対側の面に、超伝導膜を有する請求項１に記載の電流比較器。 The current comparator according to claim 1, wherein a superconducting film is provided on a surface of the substrate opposite to a surface on which the shield tube is provided.

前記基板は、第１の基板と第２の基板とからなり、
前記シールド管、前記導線および前記磁気センサのうち、少なくとも一部の部材が前記第１の基板上に形成され、
前記シールド管、前記導線および前記磁気センサのうち、前記第１の基板上に形成された前記少なくとも一部の部材以外の部材が前記第２の基板上に形成される請求項１に記載の電流比較器。 The substrate comprises a first substrate and a second substrate,
At least a part of the shield tube, the conductive wire, and the magnetic sensor is formed on the first substrate,
2. The current according to claim 1 , wherein members other than the at least part of the members formed on the first substrate among the shield tube, the conductive wire, and the magnetic sensor are formed on the second substrate. Comparator.

前記シールド管が前記磁気センサのピックアップコイルとしての機能を有する請求項１に記載の電流比較器。 The current comparator according to claim 1 , wherein the shield tube functions as a pickup coil of the magnetic sensor.

前記シールド管が前記超伝導量子干渉素子の一部として用いられる請求項２に記載の電流比較器。 The current comparator according to claim 2 , wherein the shield tube is used as a part of the superconducting quantum interference device.

前記シールド管は、前記基板上に８の字状に配置され、
前記磁気センサのピックアップコイルは、前記８の字状における各ループにおいて環境磁場に起因する電流が互いに逆向きに流れるように、なおかつ、前記シールド管の外部表面に流れる電流が誘起する磁場に起因する電流は同じ向きに流れるように、前記シールド管に結合される請求項１に記載の電流比較器。 The shield tube is arranged in a figure 8 shape on the substrate,
The pickup coil of the magnetic sensor is caused by the magnetic field induced by the current flowing on the outer surface of the shield tube so that the currents caused by the environmental magnetic field flow in opposite directions in each loop in the figure 8 shape. current to flow in the same direction, the current comparator according to claim 1 which is coupled to the shield tube.

集積回路プロセスを用いて複数個同一基板上に配置される請求項１に記載の電流比較器。 The current comparator according to claim 1, wherein a plurality of the current comparators are arranged on the same substrate by using an integrated circuit process.

フリップチップ法を用いて複数個同一基板上に配置される請求項１に記載の電流比較器。 The current comparator according to claim 1, wherein a plurality of the comparators are arranged on the same substrate by using a flip chip method.

ある前記電流比較器における１つの前記導線が、当該電流比較器とは異なるさらなる前記電流比較器における１つの前記導線に接続されることで、複数個の前記電流比較器が順次カスケード接続される請求項８または９に記載の電流比較器。 A plurality of the current comparators are sequentially cascaded by connecting one conductor in one current comparator to one conductor in a further current comparator different from the current comparator. Item 10. The current comparator according to Item 8 or 9 .