(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された高温超電導材料からなる薄膜に２つの弱結合を含む超電導リングと電流・電圧端子で構成されるＳＱＵＩＤを２個パターンニングするとともに、２つのＳＱＵＩＤに共通の検出コイルを接続し、その検出コイルに２つのＳＱＵＩＤのＶ−Φ特性の位相差を調整するための複数の電流・電圧端子を設けたことを特徴とする２−ＳＱＵＩＤ磁束計。
【請求項２】
２つのＳＱＵＩＤの最適バイアス電流値が異なっていることを特徴とした請求項１記載の２−ＳＱＵＩＤ磁束計。
【請求項３】
複数の電流経路にバイアス電流を流し、そのバイアス電流の分布を制御することで２つのＳＱＵＩＤ間の最適バイアス電流値とＶ−Φ特性の位相のずれを同時に調整し、２つのＳＱＵＩＤの両端に発生する電圧の和を出力としたことを特徴とした請求項１または２に記載の磁束計の駆動方法。
【請求項４】
単一のバイアス電源を用いて、電流を分割することで複数の電流経路にバイアス電流を流すことを特徴とした請求項３記載の磁束計の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高温超電導材料の応用分野のうち、ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子：Superconducting  QUantum  Interference  Device）を使用した超高感度の磁束計を用いた高感度磁場計測システム、たとえば、心磁や脳磁などの生体磁気計測システムや非破壊検査に適用して有用なＳＱＵＩＤおよび磁束計の素子構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体窒素の沸点よりも高い臨界温度を持つ高温超電導材料が発見されて以来、冷却に液体窒素や冷凍機を用いた超電導素子の応用が検討されている。ＳＱＵＩＤは半導体など他の素子では得られない超高感度の磁気センサであり、脳や心臓などから発生する生体磁気の測定が無侵襲でできる他、航空機の機体の微細欠陥などを非破壊で検査できる。
【０００３】
現在、高温超電導ＳＱＵＩＤには、高品質な薄膜試料が得られることからＹＢａ2Ｃｕ3Ｏyなどのいわゆる１２３系超電導体が主に用いられている。また、磁束計の構造としてはＮｂなどの低温超電導体の磁束計では多層プロセスを用いて作製される集積型ＳＱＵＩＤの磁束計が主流であるが、高温超電導体では単層の超電導薄膜で形成できるダイレクトカップル型磁束計が主流である。これは、高温超電導体ではまだ十分に信頼できる多層構造形成プロセスが確立されていないためである。
【０００４】
ＳＱＵＩＤは図１（ａ）に示すように、超電導薄膜１の切り欠き部２と弱結合３を２つ含む超電導リング４と電流・電圧端子５とで構成される。ＳＱＵＩＤ６の素子面積は数十μm×数十μmから数百μm×数百μm程度である。素子面積が小さいためＳＱＵＩＤ単体６の磁束捕獲面積は小さい。通常、数十mm×数十mm程度の大きさの超電導薄膜からなる検出コイル７をＳＱＵＩＤ６に結合させて磁束捕獲面積を大きくし、感度を向上させている。単体のＳＱＵＩＤと検出コイルを含めてＳＱＵＩＤとよぶ場合もあるが、本発明ではＳＱＵＩＤ単体６を単にＳＱＵＩＤと呼び、検出コイルを含める場合は磁束計８と呼ぶ。
【０００５】
磁束計の磁場分解能ＳB1/2は数１で与えられる。
【０００６】
【数１】
0003692870.tif 000002
【０００７】
ここで、Ａeffは有効面積、ＳΦ1/2は回路のノイズを含めた磁束換算雑音、ΦSQはＳＱＵＩＤに固有の雑音、Ｖnは回路から発生する雑音電圧である。
【０００８】
また、ｄＶ／ｄΦは磁束−電圧変換係数で、Ｖ−Φ特性の最大傾きで与えられ、変調電圧振幅ΔＶを用いてπΔＶで近似できる。磁場分解能ＳB1/2を下げるためには回路のノイズを含めた磁束換算雑音ＳΦ1/2を下げ、有効面積Ａeffを増加させることが必要となる。また、ＳΦ1/2はＳＱＵＩＤに固有の雑音と回路から発生する雑音からなっているが、上記数１からわかるように雑音は二乗和の平方根の形で加算されるため、支配的な雑音を下げることが磁場分解能の向上につながる。最高の感度を得るためには、ΦSQとＶn／（π・ΔＶ）が同程度になるように設計する。
【０００９】
変調電圧振幅ΔＶは、熱雑音を考慮した数値計算により導出された数２から数４で見積もることができる（たとえば、円福ら、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、第３２巻（１９９３年）Ｌ１４０７頁（K.Enpuku,  Jpn.  J.  Appl.  Phys.  32  (1993)  L1407））。
【００１０】
【数２】
0003692870.tif 000003
【００１１】
ただし
【００１２】
【数３】
0003692870.tif 000004
【００１３】
【数４】
0003692870.tif 000005
【００１４】
ここでＬはＳＱＵＩＤリングのインダクタンス、ＩcとＲnはそれぞれ弱結合の臨界電流と接合抵抗、Ｔは動作温度、ＫBはボルツマン定数、δΦnは雑音磁束と呼ばれ、熱雑音によりインダクタンスに生じる雑音を示す。つまり、数２の第２項は熱雑音によるΔＶの減衰を示す。δΦｎは温度ＴとインダクタンスＬの関数であるが、７７Ｋではインダクタンスのみで決まり、インダクタンスが小さいほど熱雑音の項は小さくなる。また、βはインダクタンスパラメーターと呼ばれており、通常１〜５程度になるように設計する。数２〜数４より、インダクタンスを小さくすることでΔＶが増加することが判るが、インダクタンスを小さくすると検出コイルとの結合が弱くなり有効面積が減少する。
【００１５】
別のアプローチとして、同じ特性のＳＱＵＩＤを直列に接続することで有効面積が同じまま大きなΔＶを実現することが可能である。理想的な場合、ｎ個のＳＱＵＩＤを直列にした場合の出力は、単体ＳＱＵＩＤのΔＶのｎ倍になる。ただし、個々のＳＱＵＩＤの臨界電流および磁場−電圧特性（図２）の周期と位相が揃っている必要がある。
【００１６】
一方、直列に接続することで個々のＳＱＵＩＤの電圧ノイズも積算されるが、電圧ノイズの位相はランダムであるためＳＱＵＩＤに固有の雑音ΦＳＱは√ｎ倍にしかならない。したがって、直列にすることにより磁束計の磁場分解能を向上させることができる。
【００１７】
Ｓｃｈｕｌｔｚｅらは検出コイル７が直接ＳＱＵＩＤリング４に接続された構造のダイレクトカップル型磁束計において、図１（ｂ）に示すように２つのＳＱＵＩＤ６を直列に接続することでＳＱＵＩＤが一つのもののほぼ２倍の変調電圧振幅が得られることをアイ・イー・イー・イー、トランザクションズ  オン  アプライド  スーパーコンダクティビティ，第９巻、３２７９頁（１９９９年）（V.  Schultze  et  al,  IEEE  TRANSACTIONS  ON  APPLIED  SUPERCONDUCTIVITY  VOL.9  P.3279  (1999)）で報告している。
【００１８】
ダイレクトカップル型磁束計では３つ以上のＳＱＵＩＤを直列に接続することができないが、単層の高温超電導薄膜で構成できる。彼らの磁束計（２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計９と呼ぶことにする）は検出コイル７を備えており磁場分解能も大きいが、ＳＱＵＩＤ６を２つしか直列にしていないため、含まれる２つのＳＱＵＩＤの臨界電流および磁場−電圧特性（図２）の周期と位相がほぼ完全に揃っていないと直列にしたことの効果、即ちΔＶの増加を得ることができない。
【００１９】
磁場−電圧特性（図２）の周期は２つのＳＱＵＩＤのインダクタンスを同じ値にすることで実現でき、これは通常の微細加工技術を用いて比較的容易に実現できる。一方、ＳＱＵＩＤの臨界電流および磁場−電圧特性（図２）の位相を一致させるためには接合特性（接合の臨界電流と接合抵抗）をそろえる必要がある。
【００２０】
しかし、現在、弱結合として最も広く高温超電導ＳＱＵＩＤの作製に用いられている粒界ジョセフソン接合ではよくても２０−３０％程度の接合特性のばらつきがあるため、接合特性が揃った磁束計の歩留まりが低いのが現状である。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術で述べたように、高温超電導薄膜により作製されたＳＱＵＩＤおよびそれらで構成される磁束計は様々な改良がなされてきた。本発明はその延長線上にあり、ＳＱＵＩＤおよび磁束計の性能を一層向上させることを課題としている。
【００２２】
本発明では大きな変調電圧振幅ΔＶを実現することで電圧−磁束換算係数を増加させ、最終的にＳＱＵＩＤの磁場分解能を向上させることを可能とするものである。特に、ΔＶを約２倍に向上させることを狙いとした単層の高温超電導薄膜を用いて作製可能な２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計において、含まれる２つのＳＱＵＩＤの臨界電流および磁場−電圧特性（図２）の周期と位相のばらつきにより変調電圧振幅ΔＶの増加が抑制されるという問題を解決するものである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、単層の高温超電導薄膜で形成された２つの弱結合を含む超電導リング４と電流、電圧端子５で構成される２つのＳＱＵＩＤ６を直列に接続するとともに、それぞれのＳＱＵＩＤ６が共通の検出コイル７と直接結合させられた２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計９において、あらかじめその検出コイルの異なる位置に複数の電極を設ける。そして、２つのＳＱＵＩＤの臨界電流および磁場−電圧特性の位相がたとえずれていても、その特性に応じて適した電極を使用し複数の経路でバイアス電流を流すことで、変調電圧振幅ΔＶを最大で２つのＳＱＵＩＤのΔＶを足し合わせた値にまで増加できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、実施例をあげて本発明をより具体的に説明するが、以下の開示は本発明の一実施例にすぎず、本発明の技術範囲を何ら限定するものではない。
【００２５】
（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例を述べる。図３（ａ）に本実施例の磁束計の上から見た模式図、（ｂ）にその断面模式図、（ｃ）に等価回路を示す。１０は基板であり、たとえば、ＳｒＴｉＯ3（１００）バイクリスタル基板である。上記基板１０上には、超電導リング４、切り欠き２、２つの弱結合３および電流・電圧端子１４，１５よりなるＳＱＵＩＤ１２，１３が超電導薄膜１により２つ形成され、その２つのＳＱＵＩＤ１２，１３が同じ超電導薄膜１により形成された検出コイル７と直接結合している。
【００２６】
すなわち、検出コイル７の一部である入力コイル１１と超電導リング４とが兼用されている。２つのＳＱＵＩＤ１２，１３から外側に形成された電流・電圧端子１４，１５には外部接続線を接続するための貴金属薄膜よりなる端子１６，１７が形成される。また、検出コイル７に上にも外部接続線を接続するための貴金属薄膜よりなる端子１８〜２３が複数個形成される。ここで、便宜上、図の上側のＳＱＵＩＤ１２をＱ１、下側のＳＱＵＩＤ１３をＱ２と呼び区別することにする。
【００２７】
本発明の第１の実施例では２つのＳＱＵＩＤＱ１，Ｑ２を、検出コイル７を２分割する位置に配置し、２つのＳＱＵＩＤを結ぶ線を中心として左右それぞれに３個、合計６個の電極１８〜２３を検出コイル上に形成した。等価回路には検出コイルのインダクタンス２４よりはるかに小さいＳＱＵＩＤのインダクタンスは省略している。ちなみに、検出コイルのインダクタンスは数ｎＨ、ＳＱＵＩＤのインダクタンスは５０−１００ｐＨ程度である。
【００２８】
図４は、図３に示した実施例の作製プロセスを説明する図である。図３（ａ）に示すＡ−Ａ’の位置で矢印方向に見た作製プロセスの各過程での断面図の概要である。
【００２９】
まず、基板４１として１０mm角のＳｒＴｉＯ3（１００）バイクリスタル基板を用いた。接合角としては２４゜、３０゜、３６゜および４５゜などが使用できるが、本実施例では３０゜を使用した。上記以外の接合角も作製可能であるが、特注品となるため価格が高い。
【００３０】
基板上に膜厚１５０nmのＹＢａ2Ｃｕ3Ｏy（以下ＹＢＣＯと略す）超電導膜４２をＫｒＦエキシマレーザを用いたレーザ蒸着法で作製した。ターゲットには直径２０mmの円盤状のＹＢＣＯ焼結体を用いた。基板温度は８００℃、成膜時の雰囲気は３００ｍTorrの純酸素とし、レーザエネルギ７０ｍＪ、レーザエネルギ密度１〜２Ｊ／ｃｍ2、レーザ発信周波数２Ｈｚ、基板とターゲットの間隔を約４ｃｍとして成膜を行った。この際、ターゲットがなるべく均一に削れるように、ターゲットを自転させるとともに、膜厚の分布を抑えるためレーザ光線をターゲット上でラスタースキャンさせ、また基板も回転させた。
【００３１】
成膜後、酸素分圧を５Torrまで増加させ、７６０℃から１０℃／分の速度で２００℃以下まで薄膜試料を冷却し、成膜装置から取り出した。ここで、４３は基板の結晶粒界、４４は超電導膜４２の結晶粒界である（図４（ａ））。
【００３２】
つぎに、抵抗加熱蒸着法で電極パッド用の貴金属電極層４５としてＡｕ薄膜を、メタルマスク４６を使用して必要な部分にのみ蒸着した。その後、電気炉で純酸素フロー中、５００℃の熱処理を行い、ＹＢＣＯ薄膜を十分に酸化するとともにＡｕとＹＢＣＯの界面抵抗を低減した（図４（ｂ））。
【００３３】
つぎに、作製した薄膜に膜厚６００nmの電子線描画用のレジスト（製品名ＺＥＰ５２０、日本ゼオン製）をスピンコートした。１６０℃、１０分のプリベークを行った後、電子線描画法で下部ＹＢＣＯ超電導膜用のパターンを露光し、キシレンで現像することでレジストパターン４７を形成した。このパターンは、図３（ａ）に示す磁束計のパターンである（図４（ｃ））。
【００３４】
つぎに、ＡｒイオンビームエッチングでレジストパターンをＹＢＣＯ超電導薄膜に転写した。Ａｒのガス圧は１．１×１０-4Torr、加速電圧は５００Ｖとした。また、イオン衝撃による試料温度の上昇を緩和するため、３分間のエッチングと３分間の休憩を交互に繰り返した。この条件でのＹＢＣＯ薄膜とレジストのエッチング速度はそれぞれ１２nm／分および１６nm／分程度であった。下部ＹＢＣＯ薄膜の膜厚１５０nmに対してエッチング深さは２００nmとし、約５０nmのオーバーエッチングを行った。残ったレジストは２−ブタノン中で超音波洗浄することで除去した（図４（ｄ））。
【００３５】
実施例１で作製した磁束計に含まれる２つのＳＱＵＩＤの特性を表１に示す。どちらのＳＱＵＩＤも同じ膜厚、同じ接合幅の粒界ジョセフソン接合からなっているが、接合特性のばらつきのため臨界電流２Ｉcが異なっている。この表１で、Ｉc、Ｒnは接合１つ当たりの臨界電流と接合抵抗を表している。ＳＱＵＩＤは２つの接合からなるので、ＳＱＵＩＤの臨界電流は２Ｉcである。
【００３６】
ΔＶobsとＩboptはそれぞれのＳＱＵＩＤの最大の変調電圧振幅とそのときのバイアス電流値（最適バイアス電流値）である。この最適バイアス電流値はほぼ臨界電流値に等しい。また、Ａeff、Ｌs、Ｌpは有効面積、ＳＱＵＩＤのインダクタンス、検出コイルのインダクタンスである。
【００３７】
【表１】
0003692870.tif 000006
【００３８】
図５（ａ）に従来方法での２−ＳＱＵＩＤ磁束計の測定回路を示す。測定回路には磁場印加用のコイルとその電源は省略した。図５（ｂ）に測定した電圧−磁束特性（Ｖ−Φ特性）を示す。Ｑ１（１２）からでている電極１６に電源５１の正極を可変抵抗５０を介して接続し、Ｑ２（１３）からでている電極１７に電源５１の負極を接続した。これは検出コイルの電極を使用しない従来の方法である。また、Ｑ１からでている電極１６とオシロスコープの正の入力を、Ｑ２からでている電極１７とオシロスコープの負の入力を接続した。
【００３９】
図５（ｂ）はバイアス電流値を変えて測定した電圧−磁束特性を多重露光で一枚の写真に撮影したものであり、バイアス電流が大きいほど電圧が大きくなっている。
【００４０】
バイアス電流が小さい場合（下側）では、臨界電流が小さい方のＳＱＵＩＤの特性、つまりＱ１のＶ−Φ特性が現れる。バイアス電流を増加させると出力電圧が増加するとともに臨界電流が大きいＱ２の特性が現れ始める。しかし、Ｑ２の変調電圧振幅ΔＶが最大になるバイアス電流では、Ｑ１に対してはバイアス電流が過剰となり、そのΔＶは小さくなっている。また、ＳＱＵＩＤの出力電圧ピークの磁場に対する位置（位相）がＱ１とＱ２で異なっている。
【００４１】
図５（ｃ）にΔＶのバイアス電流依存性（実線）を示すが、グラフからわかるようにＱ１、Ｑ２それぞれの最適バイアス電流値でΔＶが２つの極大値を持っており、その値は表１に示したそれぞれのＳＱＵＩＤ単体のΔＶ程度であり、ΔＶは増加していない。
【００４２】
つぎに、検出コイルの電極を使用した本発明の方法で特性を評価した。まず、図５（ａ）と同じ電極配置で、電流を臨界電流が少ないＱ１の最適バイアス電流まで流した。バイアス電流の値は４７μＡであった。図５（ｃ）からわかるように、このときのΔＶは３５μＶである。
【００４３】
つづいて、図６（ａ）に示すように第２のバイアス電源５２として別のバイアス電源を用いてＱ２から直接でている電極１７と検出コイル上の電極のいずれかを接続してＱ２のジョセフソン接合に電流を流した。検出コイル上の電極には正極を接続した。このように電流を流すことで、Ｑ１のジョセフソン接合部分には電流を流すことなく、Ｑ２のジョセフソン接合部分に電流を流すことができ、Ｑ１、Ｑ２の両方に最適なバイアス電流を流すことができる。
【００４４】
検出コイル上の電極を順番に第２のバイアス電源５２の正極に接続して６通りの電流経路で調べた。図６（ａ）に示すように左上の電極２１とＱ２から直接でている電極１７を接続した場合に最も大きなΔＶが得られた。
【００４５】
このときのΔＶと第２のバイアスの関係を図６（ｂ）に示す。第２のバイアス電流が２つのＳＱＵＩＤの臨界電流の差にほぼ等しい２６μＡのときにΔＶが最大値の６５μＶになった。これは図６（ａ）に矢印で示したように第２のバイアス電流の一部が、臨界電流が小さいＱ１のＳＱＵＩＤリングを流れ、その電流が生成する磁束によりＱ１のＶ−Φ特性の位相がＱ２のＶ−Φ特性の位相と一致するように変化したためである。
【００４６】
この場合、検出コイルのインダクタンスがＳＱＵＩＤ自体のインダクタンスよりもはるかに大きなことを考えるとＱ１を経由する経路とＱ１を経由しない経路のインダクタンスがほぼ等しいので、流した第２のバイアス電流の約半分がＱ１を経由して流れていると考えられる。
【００４７】
本発明の磁束計では検出コイルに複数の電極を形成しており、第２のバイアス電源５２の接続位置を変えることで臨界電流が小さい方のＳＱＵＩＤリングに流れる電流の量と方向を変えることができる。
【００４８】
例えば、第２のバイアス電源５２の正極と検出コイルの右中の電極１９を接続した場合には臨界電流が小さいＱ１のＳＱＵＩＤリングを流れる電流は図６（ａ）とは逆向きになる。また、検出コイルの左中の電極２２から直接Ｑ２に流れる経路の方のインダクタンスがＱ１を経由する経路よりインダクタンスが小さいので、Ｑ１に流れる電流の絶対値も図６（ａ）より小さくなっている。
【００４９】
このように、本発明の磁束計では第２のバイアス電源の接続位置を変えＱ１あるいはＱ２に流れる電流の向きと大きさを制御することで、たとえ２つのＳＱＵＩＤの臨界電流とＶ−Φ特性の位相がずれていても、そのずれを補正して大きなΔＶを得ることができる。本実施例では検出コイルに６個の電極を作製したが、より多くの電極を作製することでより細かく２つのＳＱＵＩＤの特性のずれを補正できることは明らかである。
【００５０】
（実施例２）
以下、本発明の第２の実施例を述べる。磁束計としては実施例１と同じものを用いた。実施例１では２つのバイアス電源を用いたが本実施例では図７に示すように１つのバイアス電源５１を用いて、可変抵抗５０で分割することで２つの経路で電流を流した。流した電流値は実施例１と同じになるように可変抵抗５０の値を調整した。その結果、実施例１と同じように６５μＶのΔＶを得ることができた。
【００５１】
（実施例３）
以下、本発明の第３の実施例を述べる。磁束計としては実施例１と同じ構造であるが１５×１５mm2の基板を用いて一回り大きな磁束計を作製した。大きな基板を使用することで検出コイルの面積を大きくでき、より感度が高い磁束計を作製できる。
【００５２】
本実施例は、実施例１とはパターンが異なるが、作製プロセスは同じであるので説明を省略する。
【００５３】
表１に実施例３の磁束計に含まれる２つのＳＱＵＩＤの特性を示す。ＳＱＵＩＤの臨界電流は４０μＡと３８μＡとほぼ一致しており、最適バイアス電流もほぼ一致していた。しかしながら、ＳＱＵＩＤを形成する２つの接合特性が異なっていたため、２つのＳＱＵＩＤのＶ−Φ特性は位相が大きくずれており、図５（ａ）のように電源を接続して３８から４０μＡの電流を流しても最高で３８μＶのΔＶしか得られなかった。これは２つのＳＱＵＩＤのΔＶの合計値６０μＶよりも小さな値である。
【００５４】
つぎに、図６（ａ）のように２つのバイアス電源を用いて測定したが、２つのＳＱＵＩＤの臨界電流がほぼ等しいため第２のバイアス電流が数μＡと小さく、どの電極を用いてもあまり変化が見られなかった。
【００５５】
そこでつぎに第１のバイアス電源５１はＱ１の接合にだけ電流が流れるように、第２のバイアス電源５２はＱ２の接合にだけ電流が流れるように電源を接続した。図８にその一例を示す。この場合、第１のバイアス電源の負極を検出コイル上の６個の電極１８から２３のいずれかと接続し、第１のバイアス電源の正極は可変抵抗５０を経由してＱ１から直接でている電極１６と接続する。
【００５６】
したがって、第１のバイアス電源５１について６通りの接続の仕方がある。また、第２のバイアス電源５２の正極を可変抵抗５０を経由して検出コイル上の６個の電極１８〜２３のいずれかと接続し、第２のバイアス電源の負極はＱ２から直接でている電極１７と接続する。第２のバイアス電源５２についても６通りの接続の仕方がある。したがって、第１のバイアス電源５１はＱ１の接合にだけ電流が流れるように、第２のバイアス電源５２はＱ２の接合にだけ電流が流れるように電源を接続する方法として６通りかける６通りで３６通りの異なる接続が可能である。
【００５７】
異なる接続では電流の分布が異なるため、２つのＳＱＵＩＤのＶ−Φ特性は３６通りの異なる位相差を持つ。その中から最も位相差が少ないもの、すなわち最もΔＶが大きくなる組み合わせを選択した。実施例のＳＱＵＩＤでは図８のように電源を接続することで２つのＳＱＵＩＤのΔＶの合計値６０μＶにほぼ一致する５９μＶのΔＶを得た。
【００５８】
このように、本発明によると２つのＳＱＵＩＤの臨界電流が異なっていても、一致していても大きなΔＶを得ることができる。本実施例では２つのバイアス電源を用いているが、実施例２のように周辺回路を工夫して電流の分布をうまく制御すれば、１つのバイアス電源でも本実施例と同じように電流を流すことができる。
【００５９】
（実施例４）
以下、本発明の第４の実施例を述べる。図９に本実施例の磁束計の模式図を示す。１０は基板であり、実施例１と同様、ＳｒＴｉＯ3（１００）バイクリスタル基板である。上記基板１０上には、超電導リング４、切り欠き２、弱結合３および電流・電圧端子１４，１５よりなるＳＱＵＩＤ１２，１３が超電導薄膜により形成される。
【００６０】
第１の実施例と同様に、その２つのＳＱＵＩＤ１２，１３が同じ超電導薄膜１により形成された検出コイルと直接結合している。すなわち、検出コイル７の一部である入力コイル１１と超電導リング４とが兼用となっている。２つのＳＱＵＩＤ１２，１３から外側に形成された電流・電圧端子１４，１５には外部接続線を接続するための貴金属薄膜よりなる端子１６，１７が形成される。また、検出コイルの上にも外部接続線を接続するための貴金属薄膜よりなる端子２５〜３３を複数個形成している。
【００６１】
本実施例では２つのＳＱＵＩＤ１２，１３を隣接して配置している。図１（ｂ）に示した従来から知られている磁束計と似ているが、本発明の磁束計では検出コイルに上に多数の電極が形成される。実施例では９個の電極２５〜３３を作製した。本実施例は、実施例１とはパターンが異なるが、作製プロセスは同じであるので説明を省略する。
【００６２】
表１に実施例４の磁束計に含まれる２つのＳＱＵＩＤの特性を示す。
【００６３】
図１０は本実施例の磁束計の等価回路と測定回路である。等価回路には検出コイルのインダクタンスよりはるかに小さいＳＱＵＩＤのインダクタンスは省略している。実施例２と同様に１つのバイアス電源５１でふたつの経路にバイアス電流を流した。
【００６４】
１つの経路ではＱ１側の電極１６からＱ２側の電極１７へと、バイアス電流が２つのＳＱＵＩＤの両方に流れている。この経路で流した電流は臨界電流が少ないＱ１のＳＱＵＩＤの最適バイアス電流である４０μＡとした。
【００６５】
ふたつめの経路では検出コイル上の電極２５〜３３のいずれかから、Ｑ２側の電極１７へと、バイアス電流をＱ２の接合にのみ流した。流すべき電流量はＱ１とＱ２の最適バイアス電流値の差に相当する２５μＡである。
【００６６】
本実施例の構造では、検出コイル上の電極から流した電流はＱ１のＳＱＵＩＤリングを必ず反時計回りに流れる。しかしながら、検出コイル上には９個の電極２５〜３３があるので、Ｑ１のＳＱＵＩＤリングを流れる電流値を９段階で変化させることが可能である。Ｖ−Φ特性は磁束量子Φ0を周期とした周期関数なので、２つのＶ−Φ特性の位相差を０から２πまで調節できれば必ず２つのＳＱＵＩＤのＶ−Φ特性の位相を合わせることができる。
【００６７】
位相差を０から２πまで調節するのに必要な電流量はＳＱＵＩＤのインダクタンスのうち、実際に位相調整のための電流が流れる部分のインダクタンス、すなわち検出コイルと重なっている部分のインダクタンス、Ｌsq.cで決まる。
【００６８】
本実施例ではＬsq.cは約５０ｐＨである。この場合、位相差を２π変化させるのに必要な電流はΦ0／Ｌsq.c＝２×１０-15／５０×１０-12＝４０μＡである。本実施例の磁束計ではＱ１とＱ２の最適バイアス電流値の差が２５μＡであったので、図１０の測定系では位相差を０から２πまで調節することはできなかったが、図１０の電極配置でＱ１とＱ２のΔＶの和に相当する約６５μＶのΔＶを得た。図１０の電極配置で位相を０からΦ0まで調節するためには、２つのＳＱＵＩＤの臨界電流の差がΦ0／Ｌsq.cよりも大きい必要がある。また、Ｌsq.cを大きくすることで少ない電流で大きく位相を変化できることは明らかである。
【００６９】
（実施例５）
以下、本発明の第５の実施例を述べる。作製した磁束計は図９に示した実施例４と基本的に同じ構造である。しかし、ＳＱＵＩＤインダクタンスを１００ｐＨと大きくし、またＱ１の接合幅を１．５μm、Ｑ２の接合幅を３μmとして、２つのＳＱＵＩＤの臨界電流を意図的に変えた。その結果、表１に示すようにＱ１、Ｑ２の臨界電流はそれぞれ３２μＡ、６０μＡとなり、その差は２８μＡであった。
【００７０】
また、Ｌsq.cは約９０ｐＨ、位相を２π変化させるのに必要な電流は２２μＡとなり、１つのバイアス電源を用いた図１０の測定系でも、位相差を０から２πまで調節することが可能となった。実際に最適な電極配置を調べることで、２つのＳＱＵＩＤのΔＶの和に相当する４７μＶの変調電圧振幅を得た。
【００７１】
以上の５つの実施例からわかるように、本発明によれば、いずれの実施例でも２つのＳＱＵＩＤの直列接続が効果的に作用していることが分かる。また、ＳＱＵＩＤの重要な構成要素である弱結合は、実施例では、バイクリスタル基板を用いた粒界接合としたが、段差基板でも、ランプエッジ型や積層型のＳＮＳ接合でも、またこれら以外の構造の弱結合でもよいのは言うまでもない。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、接合特性にばらつきがある２−ＳＱＵＩＤ磁束計でも、高い磁場分解能の磁束計を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例のＳＱＵＩＤと検出コイルを含む磁束計の構成を示す平面図。
【図２】磁束計の典型的な電圧−磁場特性を示す波形図。
【図３】本発明の第１の実施例の磁束計の平面図（ａ）、断面模式図（ｂ）および等価回路図（ｃ）。
【図４】本発明の第１の実施例の磁束計の作製プロセスを示す断面図。
【図５】図３の磁束計と従来例の測定回路の回路図（ａ）、種々のバイアス電流値で測定した上記磁束計の電圧−磁束特性図（ｂ）および変調電圧振幅ΔＶのバイアス電流依存性の測定図（ｃ）。
【図６】本発明の第１の実施例の磁束計にと本発明の実施例における測定回路の回路図（ａ）および変調電圧振幅ΔＶの第２のバイアス電流依存性の測定図（ｂ）。
【図７】本発明の第２の実施例の測定回路図。
【図８】本発明の第３の実施例の測定回路図。
【図９】本発明の第４の実施例の磁束計の構造を示す平面図。
【図１０】本発明の第４の実施例の測定回路図。
【符号の説明】
１…超電導薄膜、２…切り欠き、３…弱結合、４…超電導リング、５…電流・電圧端子、６…ＳＱＵＩＤ、７…検出コイル、８…磁束計、９…２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル磁束計、１０…基板、１１…入力コイル、１２…Ｑ１、１３…Ｑ２、１４…Ｑ１のＳＱＵＩＤから外側に形成された電流・電圧端子、１５…Ｑ２のＳＱＵＩＤから外側に形成された電流・電圧端子、１６…Ｑ１のＳＱＵＩＤから外側に形成された電流・電圧端子の電極、１７…Ｑ２のＳＱＵＩＤから外側に形成された電流・電圧端子の電極、１８−２３…検出コイル上に形成した電極、２４…検出コイルのインダクタンス、２５−３３…検出コイル上に形成した電極、４１…バイクリスタル基板、４２…超電導薄膜、４３…基板の結晶粒界、４４…超電導薄膜の結晶粒界、４５…貴金属薄膜、４６…貴金属薄膜用のメタルマスク、４７…レジスト、５０…可変抵抗、５１…第１のバイアス電源、５２…第２のバイアス電源。
【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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