(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導体を用いた電流比較器に関する。
【背景技術】
【０００２】
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（Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｃｏｍｐａｒａｍｅｔｅｒ：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。）。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【数１】
0005618286.tif 000002
【０００６】
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（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ＱＵａｎｔｕｍ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ：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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｉ．Ｋ．ハーヴェイ（Ｉ．Ｋ．Ｈａｒｖｅｙ）著、「精密低温ＤＣ比変換器（Ｐｒｅｃｉｓｅ  ｌｏｗ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ＤＣ  ｒａｔｉｏ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）」、（米国）、米国物理学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｒｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）、Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、第４３巻、第１１号、ｐｐ．１６２６〜１６２９、１９７２年
【非特許文献２】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（Ｌｏｗ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ」」、（米国）、米国物理学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｒｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）、Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、第４５巻、第４号、ｐｐ．５１７〜５１９、１９７４年
【非特許文献３】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（Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｍｐａｒａｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｓｈｉｅｌｄｓ）、（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
【非特許文献４】ヘイッキ・セッパ（Ｈｅｉｋｋｉ  Ｓｅｐｐａ）、アレクサンドレ・サトラピンクシ（Ａｌｅｘａｎｄｒｅ  Ｓａｔｒａｐｉｎｋｓｉ）、ミッコ・キビランタ（Ｍｉｋｋｏ  Ｋｉｖｉｒａｎｔａ）、ベサ・ヴィルキ（Ｖｅｓａ  Ｖｉｒｋｋｉ）著、「薄膜極低温電流比較器（Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ  Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｃｏｍｐａｒａｍｅｔｅｒ）」、（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（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）、  Ｖｏｌ．４８、Ｎｏ．２、ｐｐ３６５〜３６９、１９９９年４月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】従来の極低温電流比較器（ＣＣＣ）の原理を説明する図である。
【図１０】従来の極低温電流比較器（ＣＣＣ）の構成を例示する図である。
【図１１】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。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、あるいはゼーマン分裂を用いる方法、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
【数２】
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【００４５】
【数３】
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【００４６】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
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。
【符号の説明】
【００４８】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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