(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された超電導層を有し、前記超電導層に超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）が形成されている高温超電導磁気センサにおいて、
前記超電導層に形成され、前記ＳＱＵＩＤのインダクタに接続する検出コイルと、
前記超電導層に形成され、前記ＳＱＵＩＤのインダクタと前記検出コイルとに接続して閉ループを形成し、前記ＳＱＵＩＤのインダクタに磁気結合する入力コイルとを有し、
前記入力コイルの少なくとも１ターンは、平面視で、前記ＳＱＵＩＤのインダクタを囲んでいるか、前記ＳＱＵＩＤのインダクタに囲まれているか、のいずれかであることを特徴とする高温超電導磁気センサ。
【請求項２】
前記入力コイルは複数のターンを有し、
複数の前記ターンの内の一部のターンは、平面視で、前記ＳＱＵＩＤのインダクタに重なるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の高温超電導磁気センサ。
【請求項３】
複数の前記ターンの内の少なくとも一部のターンと、前記ＳＱＵＩＤのインダクタとが、互いに異なる前記超電導層に形成され、
互いに異なる前記超電導層は、絶縁層を介して積層されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高温超電導磁気センサ。
【請求項４】
前記ＳＱＵＩＤのインダクタの線幅は、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の高温超電導磁気センサ。
【請求項５】
前記ＳＱＵＩＤが有する一対のジョセフソン接合が配列されている配列方向における、前記ＳＱＵＩＤの磁束捕獲面の幅は、一対の前記ジョセフソン接合の間の距離より大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の高温超電導磁気センサ。
【請求項６】
前記入力コイルのターン数は、１ターン以上で、かつ、６ターン以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の高温超電導磁気センサ。
【請求項７】
平面視で、前記入力コイルの巻線の内側で、かつ、前記ＳＱＵＩＤのインダクタの外側に、異なる前記超電導層間を接続するコンタクト領域が設けられ、前記入力コイルと前記ＳＱＵＩＤのインダクタを接続することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の高温超電導磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）を有する高温超電導磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＱＵＩＤは最も高感度に磁気信号を検出できる磁気センサとして知られており、脳や心臓などから発生する微弱な生体磁気信号の計測や、残留磁気や過電流探傷法による非破壊検査、さらに、最近では超低磁場ＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）などに使用されている。しかし、冷却に高価で取り扱いが難しい液体ヘリウムが必要な低温超電導体のＳＱＵＩＤでは、ＳＱＵＩＤの応用範囲は限られていた。液体窒素温度で超電導特性を示す高温超電導体の発見以降、液体窒素温度で動作する高温超電導体のＳＱＵＩＤの開発が精力的に進められ、現在、１００ｆＴ／Ｈｚ以下の検出感度を有する高温超電導磁気センサが購入可能になっており、研究開発の最先端では１０ｆＴ／Ｈｚ以下の検出感度を有する高温超電導磁気センサも報告されている。高温超電導磁気センサ（高温超電導体のＳＱＵＩＤ）は、低コストで取り扱いが容易な液体窒素を用いた冷却が可能なため、様々な構造が提案されている（非特許文献１〜８参照）。高温超電導体のＳＱＵＩＤは、低コストで取り扱いが容易な液体窒素を用いた冷却が可能なため、非破壊検査などの新しい応用が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Chapter 1 Introduction, "The SQUID Handbook: Fundamentals and Technology of SQUIDs and SQUID Systems, Volume I"、Edited  by  John Clarke, Alex I. Braginski 、ISBN: 978-3-527-40229-8
【非特許文献２】J. M. Jaycox and M. B. Ketchen, IEEE Trans Magn. MAG-17, (1981) 400-403
【非特許文献３】Drung D, Ludwig F, Muller W, Steinhoff U, Trahms L, Koch H, Shen Y Q, Jensen M B, Vase P, Holst T, Freltoft T, and Curio G, Appl. Phys. Lett, 68 (1996) 1421
【非特許文献４】Faley M I, Poppe U, Urban K, D N Paulson, and R L Fagaly, Journal of Physics: Conference Series 43 (2006) 1199-1202
【非特許文献５】Adachi S, Tsukamoto A, Oshikubo Y, Hato T, Ishimaru Y, and Tanabe K, IEEE Trans. Appl. Supercond, 21 (2011) 367-70
【非特許文献６】E. Dantsker, and S. Tanaka, J. Clarke, Appl. Phys. Lett. Vol.70 No.15 (1997) 2037-2039
【非特許文献７】K. Enpuku, K. Sueoka, K. Yoshida, and F. Irie, J. Appl. Phys, 57 (1985) 1691
【非特許文献８】Tsukamoto A, Saitoh K, Yokosawa K, Suzuki D, Seki Y, Kandori A, and Tsukada K, Physica C 426-431 (2005) 1580-84
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＳＱＵＩＤには、その超電導閉ループに１つのジョセフソン接合を含むＲＦ−ＳＱＵＩＤと、２つのジョセフソン接合を含むＤＣ−ＳＱＵＩＤとがある。非特許文献１では、ＤＣ−ＳＱＵＩＤの基本構造が提案され、非特許文献２−８でもＤＣ−ＳＱＵＩＤについて記載されている。ＤＣ−ＳＱＵＩＤは、ＳＱＵＩＤインダクタと２つのジョセフソン接合とで、閉ループ構造（超電導閉ループ）を構成している。ＳＱＵＩＤの電極間に臨界電流Ｉｃよりも若干大きなバイアス電流Ｉｂを流し、２つのジョセフソン接合に電圧Ｖを発生させると、閉ループ構造に鎖交する磁束Φにより端子間に発生する電圧Ｖが、磁束量子Φ0（=2.07x10-15Wb）を周期として周期的に変化する。フラックス・ロックド・ループ回路（FLL回路）を用いたフィードバック制御により、磁束量子Φ0の1/105〜1/106というわずかな磁束の変化が測定可能である。
【０００５】
ＳＱＵＩＤは通常数十から数百μｍのサイズの幅しかないため、高感度な磁気センサとして使用する場合、より大きなサイズの検出コイルを使用する。検出コイルは、入力コイルとで磁束トランス（閉ループ構造）を構成し、その入力コイルをＳＱＵＩＤに磁気結合させて使用する。検出コイルに磁場Ｂが印加されると、検出コイルに鎖交する磁束が変化する。鎖交した磁束の変化量に比例した遮蔽電流Ｉｐが検出コイルに流れる。閉ループ構造により遮蔽電流Ｉｐは入力コイルを流れ、入力コイルに磁気結合するＳＱＵＩＤに、遮蔽電流Ｉｐに比例した磁束が生じる。磁場Ｂの変化により生じた検出コイルに鎖交した磁束の変化が検出コイルからＳＱＵＩＤへ伝達されたことになる。ＳＱＵＩＤインダクタのインダクタンスをＬｓ、検出コイルの面積をＡp、検出コイルのインダクタンスをＬp、入力コイルのインダクタンスをＬi、ＳＱＵＩＤと入力コイル間の相互インダクタンスをＭとし、入力コイルと検出コイル間の配線部分のインダクタンスの影響を無視すると、外部磁場Ｂが検出コイルに印加されたときにＳＱＵＩＤ（高温超電導磁気センサ）により検出される磁束Φｓは、式（１）の関係を有する。
Φｓ＝Ip・M
＝BAp・M／（Lp＋Li）
＝BAp・ｋ（Li・Ls）1/2／（Lp＋Li）        （１）
【０００６】
ここで、相互インダクタンスＭは式M＝ｋ（Li・Ls）1/2の関係を有し、ｋは結合係数（0<k<1）である。外部磁場ＢとＳＱＵＩＤにより検出される磁束Φｓの比（Φｓ／Ｂ）は、有効面積Ａeffと呼ばれ、式（２）の関係を有する。
Aeff＝Φｓ／B
＝Ap・M／（Lp＋Li）
＝Ap・ｋ（Li・Ls）1/2／（Lp＋Li）        （２）
【０００７】
式（２）より、有効面積Ａeffが大きくなる条件、すなわち、高温超電導磁気センサの検出効率が高くなる条件を検討する。ＳＱＵＩＤインダクタのインダクタンスＬｓは、大きすぎるとＳＱＵＩＤの変調電圧振幅ΔＶが小さくなり磁束雑音が増加するため、通常４０〜１００ｐＨ程度の大きさに設定されている。また、検出コイルも用途に応じてサイズや形状が決まるため、検出コイルの面積ＡpとインダクタンスＬpも別途決まる値となる。したがって、式（２）で有効面積Ａeffを最大にするための調整可能なパラメータは結合係数ｋと入力コイルのインダクタンスＬiになる。結合係数ｋは入力コイルとＳＱＵＩＤの磁気結合が完全な場合に最大値の１となり、このときに有効面積Ａeffも最大になる。さらに、入力コイルのインダクタンスＬiは、式（２）より、検出コイルのインダクタンスＬpに等しい（Li=Lp）時に、有効面積Ａeffが最大になる（Aeff＝Ap（Ls／Li）1/2／2））。
【０００８】
非特許文献２では、理想的な構造であるKetchen型ＳＱＵＩＤが提案されている。Ketchen型ＳＱＵＩＤでは、マルチターン構造の入力コイルがワッシャー型のＳＱＵＩＤインダクタ上に薄い絶縁体層を介して積層された構造となっており、結合係数ｋは１に近い値が得られる。また、検出コイルのインダクタンスＬpと入力コイルのインダクタンスＬiが等しくなるように（Li=Lp）、入力コイルのマルチターン構造の巻き数は設計されている。これらにより、有効面積Ａeffが理論的な最大値に近づけられている。なお、Ketchen型ＳＱＵＩＤは集積型ＳＱＵＩＤとも呼ばれている。
【０００９】
超電導体にニオブ（Nb）を使用した低温超電導ＳＱＵＩＤ（ＬＴＳ−ＳＱＵＩＤ）では、Ketchen型ＳＱＵＩＤが一般に用いられている。一方、高温超電導体ＳＱＵＩＤ（ＨＴＳ−ＳＱＵＩＤ）では、後で述べるように、作製プロセスが簡易な直接結合型ＳＱＵＩＤが主流となっている。集積型ＳＱＵＩＤを作製するためには、複数の超電導体層を含む多層薄膜の形成技術が必要となるが、高温超電導体ではまだ信頼性の高い多層薄膜を容易に形成する技術が構築されていないためである。しかしながら、発明者の所属する研究機関を含め一部の研究機関では、集積型ＳＱＵＩＤを採用し１０ｆＴ／Ｈｚ以下の検出感度を有する高温超電導磁気センサを報告している（非特許文献３（Drung）、非特許文献４（Faley）、非特許文献５(Adachi)参照）。
【００１０】
このように高感度化が期待される集積型ＳＱＵＩＤの高温超電導磁気センサではあるが、地磁気中などの磁場中で冷却した場合、磁束トラップという現象が起き、ノイズを発生させることが知られている。高温超電導磁気センサでは、磁気遮蔽のないシールドレス環境でもＳＱＵＩＤが動作することが求められている。集積型ＳＱＵＩＤを地磁気中（シールドレス環境）で冷却させる場合、冷却時にＳＱＵＩＤを構成する超電導体に磁束がトラップされる（磁束トラップ）。超電導体中のあるサイトにトラップされた磁束は熱エネルギや外部磁場の変化により別のサイトへ移動することがあり、この磁束の移動が磁場の変化としてＳＱＵＩＤに伝わりノイズとなる。特にＳＱＵＩＤインダクタの超電導体に磁束がトラップされた場合は、磁束の変動が直接ＳＱＵＩＤに伝わるため、ノイズが大きくなり、本来の高い感度を維持できなくなる。この磁束トラップは、磁場中での冷却時だけでなく、大きな磁場や急激な磁場変化を伴う磁場を印加した場合にも発生する。
【００１１】
幅ｗの超電導薄膜をこの薄膜に垂直な方向の磁場中で冷却した場合に、超電導体がこの磁場の磁束を排除できる最大磁場（しきい値磁場）Ｂｔｈは、式（３）に示すClemの式で予想されている（非特許文献６）。
Bth=πΦ0／4w2                        （３）
【００１２】
この式（３）によると、地磁気が例えば５０μＴの場合、超電導薄膜の幅ｗが５．７μｍ以下では超電導薄膜は磁束を排除できるが、５．７μｍを超えると磁束トラップが起こることを示唆している。集積型ＳＱＵＩＤでは、マルチターン構造の入力コイルをＳＱＵＩＤインダクタ上に積層するため、ＳＱＵＩＤインダクタは、幅広なワッシャー型となり、その幅は数百μｍ程度に広くなっている。このため、集積型ＳＱＵＩＤのＳＱＵＩＤインダクタでは、磁束トラップが発生しやすくなっている。
【００１３】
そこで、非特許文献１では、高温超電導体のワッシャー型のＳＱＵＩＤインダクタを線幅が４μｍ幅のメッシュ構造にしたり、線幅が４μｍ幅のスリット構造にしたりすることが提案されている。これにより、地磁気中で冷却した場合でも、ワッシャー型ＳＱＵＩＤインダクタに磁束トラップが生じることを防止できることが報告されている。しかしながら、メッシュ構造やスリット構造のワッシャー型ＳＱＵＩＤインダクタの表面は、平坦でなく凹凸形状になっているので、この凹凸形状の上にマルチターンの入力コイルを形成することは技術的に難しく、現在までにそのような構造のKetchen型ＳＱＵＩＤは報告されていない。Ketchen型ＳＱＵＩＤは、１に近い大きな結合係数ｋが得られ高感度であるが、地磁気中での冷却が求められる応用では磁束トラップが生じやすく、この磁束トラップを抑えるのは困難である。また、マルチターン構造の入力コイルが、ワッシャー型ＳＱＵＩＤインダクタの上に積層されているので、入力コイルとＳＱＵＩＤインダクタの間に大きな容量成分が生じる。そのため、ＬＣ共振が発生し、ＳＱＵＩＤの特性を劣化させる問題がある（非特許文献７参照）。ダンピング抵抗を設けるなどの対策が知られているが、製造工程が複雑化するため、特に製造技術がまだ完成されていない高温超電導体による磁気センサではほとんど試みられていない。
【００１４】
一般に、低温超電導体による磁気センサでは、検出コイルは、ニオブ（Ｎｂ）などの超電導体のワイヤで形成されており、基板上にＳＱＵＩＤと共に作製された入力コイルに超電導接続されている。このため、基板を磁気シールドすれば、検出コイルをシールドすることなくＳＱＵＩＤをシールドすることができる。大きな磁場や急激な磁場変化を伴う磁場を印加した場合でも、ＳＱＵＩＤ自体に磁場が印加されないため磁束トラップは起こらない。しかし、高温超電導磁気センサでは、高温超電導体の超電導接続技術がまだ確立していないので、超電導接続を省くために、ＳＱＵＩＤと検出コイルを同じ基板上に作製している。同一基板上の検出コイルを磁気シールドすることなしに、ＳＱＵＩＤだけを磁気シールドすることが困難である。
【００１５】
Ketchen型とは別の構造のＳＱＵＩＤ素子として、検出コイルとＳＱＵＩＤインダクタが直接接続された直接結合型（直結型）ＳＱＵＩＤが提案されている（非特許文献８）。直結型ＳＱＵＩＤは、１層の超電導体薄膜でＳＱＵＩＤを作製することができる。ジョセフソン接合には、バイクリスタル接合やステップエッジ接合などの単層の超電導体薄膜で形成可能な粒界接合が用いられている。直結型ＳＱＵＩＤではスリットホール型のＳＱＵＩＤインダクタに検出コイルが直接接続されており、入力コイルはＳＱＵＩＤインダクタに兼用されることで省かれている。すなわち、検出コイルに鎖交した磁束により誘導される遮蔽電流ＩpがＳＱＵＩＤインダクタに直接流れる。直結型ＳＱＵＩＤでは、遮蔽電流Ｉpの流れる入力コイルをＳＱＵＩＤインダクタに磁気結合させるのではなく、遮蔽電流ＩpがＳＱＵＩＤインダクタに直接流れる電流結合構造になっている。ＳＱＵＩＤインダクタの上に入力コイルを積層する必要がなく、直結型ＳＱＵＩＤは、１層の超電導体薄膜で作製することができる。そのため、直結型ＳＱＵＩＤは、信頼性の高い多層薄膜を容易に形成する技術が構築されていない高温超電導体では主流となっている。そして、直結型ＳＱＵＩＤでは、ＳＱＵＩＤインダクタ上に入力コイルを積層する必要がないため、ＳＱＵＩＤインダクタの線幅を狭くすることができ、幅５μｍ以下に作製することで、地磁気中で冷却しても、磁束トラップの発生を抑制することができる。
【００１６】
しかしながら、感度の点で、直結型ＳＱＵＩＤは集積型ＳＱＵＩＤより劣っている。直結型ＳＱＵＩＤでは、入力コイルをＳＱＵＩＤインダクタが兼ねているため、入力コイルのインダクタンスＬｉはＳＱＵＩＤインダクタのインダクタンスＬｓに等しく（Ｌｉ＝Ｌｓ）、４０〜１００ｐＨ程度である。検出コイルのインダクタンスＬｐは、数ｎＨから数十ｎＨの値であるので、ＳＱＵＩＤインダクタのインダクタンスＬｓとのマッチングが悪い（Ｌｐ>>Ｌｓ）。この場合の有効面積Ａeffは、Ｌｐ≫Ｌｉを考慮して、式（４）のように近似できる。この場合の有効面積Ａeff（検出コイルとＳＱＵＩＤとの結合係数）は、非特許文献２の有効面積Ａeff（＝Ap（Ls／Li）1/2／2））より小さくなる。一般的に、直結型ＳＱＵＩＤの有効面積Ａeffは、集積型ＳＱＵＩＤの１／５〜１／１０である。
Aeff＝Ap・Ls／Lp        （４）
【００１７】
前記のように、Ketchen型のＳＱＵＩＤでは、高感度ではあるが、磁束トラップが生じやすく、直結型のＳＱＵＩＤでは、感度は低いが、磁束トラップは生じにくい。
【００１８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、高感度で、磁束トラップの生じにくい高温超電導磁気センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記課題を解決するために、本発明は、
基板上に形成された超電導層を有し、前記超電導層に超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）が形成されている高温超電導磁気センサにおいて、
前記超電導層に形成され、前記ＳＱＵＩＤのインダクタに接続する検出コイルと、
前記超電導層に形成され、前記ＳＱＵＩＤのインダクタと前記検出コイルとに接続して閉ループを形成し、前記ＳＱＵＩＤのインダクタに磁気結合する入力コイルとを有し、
前記入力コイルの少なくとも１ターンは、平面視で、前記ＳＱＵＩＤのインダクタを囲んでいるか、前記ＳＱＵＩＤのインダクタに囲まれているか、のいずれかであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、磁束トラップの生じにくい高温超電導磁気センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る高温超電導磁気センサの平面図である。
【図１Ｂ】図１Ａにおける超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２周辺の拡大図である。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施形態に係る高温超電導磁気センサの回路図である。
【図２Ａ】本発明の第２の実施形態に係る高温超電導磁気センサの平面図である。
【図２Ｂ】図２ＡにおけるＳＱＵＩＤ２ａ、２ｃ周辺の拡大図である。
【図２Ｃ】本発明の第２の実施形態に係る高温超電導磁気センサの回路図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る高温超電導磁気センサの製造途中における断面図である。
【図４Ａ】本発明の第２の実施形態に係る高温超電導磁気センサに設けられたＳＱＵＩＤ２ａ、２ｃにおける有効面積Ａｅｆｆと入力コイルの巻き数の関係を示すグラフである
【図４Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る高温超電導磁気センサに設けられたＳＱＵＩＤ２ｃ（ＳＱＵＩＤ２）の有効面積Ａｅｆｆに対するＳＱＵＩＤ２ａ（ＳＱＵＩＤ１）の有効面積Ａｅｆｆの比と、入力コイルの巻き数の関係を示すグラフである
【図５】本発明の第２の実施形態に係る高温超電導磁気センサのノイズ特性である。
【図６Ａ】本発明の第３の実施形態に係る高温超電導磁気センサのＳＱＵＩＤ２周辺の拡大図である。
【図６Ｂ】本発明の第４の実施形態に係る高温超電導磁気センサのＳＱＵＩＤ２周辺の拡大図である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係る高温超電導磁気センサのＳＱＵＩＤ２周辺の拡大図である。
【図８】本発明の第６の実施形態に係る高温超電導磁気センサのＳＱＵＩＤ２周辺の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。また、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。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１Ａに、本発明の第１の実施形態に係る高温超電導磁気センサ１の平面図を示す。高温超電導磁気センサ１は、基板２１と、その基板２１上に形成された２層の超電導層、下部超電導層（第１超電導層）ＤＬと上部超電導層（第２超電導層）ＵＬを有している。図１Ａでは、下部超電導層ＤＬを、斜線のハッチングで記載し、上部超電導層ＵＬを、ドット（灰色）のハッチングで記載している。下部超電導層ＤＬと上部超電導層ＵＬに、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２と、入力コイル５と、検出コイル６と、電極８とが形成されている。下部超電導層ＤＬに、入力コイル５が形成され、上部超電導層ＵＬに、ＳＱＵＩＤ２の一部であるＳＱＵＩＤインダクタ４と、検出コイル６と、電極８とが形成されている。
【００２４】
検出コイル６は、１ターンのコイルであり、基板２１の外周に沿って設けられている。これにより、外部磁場Ｂに対する磁束捕獲面積をできるだけ大きくしている。検出コイル６の一端は、上部超電導層ＵＬに形成された配線１１を介して、ＳＱＵＩＤインダクタ４の一端に接続している。ＳＱＵＩＤインダクタ４の他端は、下部超電導層ＤＬと上部超電導層ＵＬを接続する超電導コンタクト（領域）１３を介して、入力コイル５の一端に接続している。入力コイル５は、複数ターンのコイルであり、図１Ａの例では、３ターンになっている。平面視で、入力コイル５は、ＳＱＵＩＤ２（ＳＱＵＩＤインダクタ４）の外側に近接して配置され、ＳＱＵＩＤ２（ＳＱＵＩＤインダクタ４）は、入力コイル５の内側に近接して配置されている。平面視で、入力コイル５の各ターンは、ＳＱＵＩＤ２（ＳＱＵＩＤインダクタ４）を囲んでいる。また、平面視で、超電導コンタクト（領域）１３は、入力コイル５の巻線（ターン）の内側で、かつ、ＳＱＵＩＤ２（ＳＱＵＩＤインダクタ４）の外側に設けられている。入力コイル５の他端は、下部超電導層ＤＬと上部超電導層ＵＬを接続する超電導コンタクト（領域）１２を介して、検出コイル６の他端に接続している。
【００２５】
すなわち、高温超電導磁気センサ１では、検出コイル６と、ＳＱＵＩＤインダクタ４（ＳＱＵＩＤ２）と、入力コイル５とが、直列に接続され、閉ループ７を構成している。これにより、外部磁場Ｂによって検出コイル６に生じ流れる遮蔽電流Ｉｐが、直結型ＳＱＵＩＤと同じように、ＳＱＵＩＤインダクタ４に直接流れ、電流結合することができる。また、外部磁場Ｂによって検出コイル６を流れる遮蔽電流Ｉｐが、Ketchen型ＳＱＵＩＤと同じように、入力コイル５に直接流れ、外部磁場Ｂに比例する磁場が入力コイル５に生じる。検出コイル６と入力コイル５とは、磁束トランスとして機能している。入力コイル５の各ターンは、ＳＱＵＩＤ２（ＳＱＵＩＤインダクタ４）を囲んでいるので、入力コイル５はＳＱＵＩＤ２（ＳＱＵＩＤインダクタ４）に磁気結合している。入力コイル５に生じた外部磁場Ｂに比例する磁場が、ＳＱＵＩＤ２（ＳＱＵＩＤインダクタ４）に印加されることになる。その結果、従来の直結型ＳＱＵＩＤよりも結合係数ｋを改善することができる。
【００２６】
一方、入力コイル５の各ターンは、ＳＱＵＩＤインダクタ４の上に積層されていないので、従来のKetchen型ＳＱＵＩＤよりも、入力コイル５とＳＱＵＩＤインダクタ４の間の容量成分を小さく抑えることができる。これにより、ＬＣ共振の発生を抑制することができる。
【００２７】
なお、検出コイル６は、電極９を兼ねている。高温超電導磁気センサ１による磁場Ｂの計測では、電極９（検出コイル６）と電極８の間にバイアス電流を流し、これらの間の電圧を計測する。検出コイル６は、電極８に比べて大きく、容易に外部端子を接続でき、電極９とすることができる。電極９は、配線１１を介して、ＳＱＵＩＤ２の上部超電導層ＵＬ（ＳＱＵＩＤインダクタ４）に接続している。また、電極８は、下部超電導層ＤＬと上部超電導層ＵＬを接続する超電導コンタクト（領域）１４を介して、ＳＱＵＩＤ２の下部超電導層ＤＬに接続している。平面視で、超電導コンタクト（領域）１４は、入力コイル５の巻線（ターン）の内側で、かつ、ＳＱＵＩＤ２（ＳＱＵＩＤインダクタ４）の外側に設けられている。
【００２８】
図１Ｂに、図１ＡにおけるＳＱＵＩＤ２周辺の拡大図を示す。ＳＱＵＩＤ２は、２つのジョセフソン接合３ａ、３ｂと、ＳＱＵＩＤインダクタ４とを有している。２つのジョセフソン接合３ａ、３ｂと、ＳＱＵＩＤインダクタ４とは、直列に接続され、ＳＱＵＩＤ２は、閉ループ構造になっている。ジョセフソン接合３ａ、３ｂとして、図１Ｂの例では、ランプエッジ型ジョセフソン接合を記載している。
【００２９】
ジョセフソン接合３ａ、３ｂでは、下部超電導層ＤＬのランプエッジ上に、上部超電導層ＵＬが形成（接合）された２層構造になっている。そして、２つのジョセフソン接合３ａ、３ｂの位置を境にして、一方が下部超電導層ＤＬとなり、他方が上部超電導層ＵＬとなっている。２つのジョセフソン接合３ａ、３ｂの一方の下部超電導層ＤＬ側には、下部超電導領域ＤＬ１が設けられている。下部超電導領域ＤＬ１は、入力コイル５の内側にある超電導コンタクト（領域）１４において、上部超電導層ＵＬの配線１７と接続している。配線１７は、入力コイル５の上方を跨ぎ、入力コイル５の外側において、上部超電導層ＵＬの電極８に接続している。
【００３０】
２つのジョセフソン接合３ａ、３ｂの一方（他方）の上部超電導層ＵＬ側には、ＳＱＵＩＤインダクタ４が接続されている。ＳＱＵＩＤインダクタ４は、スリットホール型をしており、ＳＱＵＩＤ２（ＳＱＵＩＤインダクタ４）の磁束捕獲面Ｓは縦横比の大きいスリット形状（長方形）をしている。ＳＱＵＩＤインダクタ４は、１ターンのコイルと考えることができる。ＳＱＵＩＤインダクタ４の線幅Ｗ２と、入力コイル５（５１、５２、５３）の線幅Ｗ３とは、略等しくなっている（Ｗ２＝Ｗ３）。これにより、ＳＱＵＩＤインダクタ４と、入力コイル５（５１、５２、５３）とに同程度の大きさの電流を流すことができる。ＳＱＵＩＤインダクタ４と、入力コイル５（５１、５２、５３）とは直列に接続され、同じ大きさの電流である遮蔽電流Ｉｐが流れることになる。
【００３１】
また、ＳＱＵＩＤインダクタ４の線幅Ｗ２は、５μｍ以下になっている。ＳＱＵＩＤインダクタ４の線幅Ｗ２は、従来のKetchen型ＳＱＵＩＤのワッシャー型ＳＱＵＩＤインダクタのように幅広ではなく、従来の直結型ＳＱＵＩＤのスリットホール型ＳＱＵＩＤインダクタのように狭小に形成されている。そのため、ＳＱＵＩＤインダクタ４では、地磁気中で冷却しても、磁束トラップが起こらず、地磁気中等のシールドレス環境でも、高感度の計測が可能である。
【００３２】
また、一対のジョセフソン接合３ａ、３ｂが配列されている配列方向における、ＳＱＵＩＤ２の磁束捕獲面Ｓの幅Ｗ１は、一対のジョセフソン接合３ａ、３ｂの間の距離ｄに略等しくなっている（Ｗ１＝ｄ）。これにより、ＳＱＵＩＤ２を、直結型ＳＱＵＩＤで用いられているスリットホール型ＳＱＵＩＤにすることができる。
【００３３】
ＳＱＵＩＤインダクタ４の一端とジョセフソン接合３ａとの接続部に、配線１１が接続されている。この配線１１は、入力コイル５を跨ぎ、入力コイル５の外側において、検出コイル６の一端に接続している。ＳＱＵＩＤインダクタ４の他端とジョセフソン接合３ｂとの接続部に、上部超電導領域ＵＬ１が接続されている。上部超電導領域ＵＬ１は、超電導コンタクト（領域）１３において、下部超電導層ＤＬの入力コイル５の最内周のターン５１と接続している。入力コイル５の最外周であり内側から３巻目のターン５３は、超電導コンタクト（領域）１２において、検出コイル６の一端（他端）と接続している。検出コイル６の一端は、ＳＱＵＩＤインダクタ４の一端に直接接続されており、検出コイル６の他端は、入力コイル５を介して、ＳＱＵＩＤインダクタ４の他端に接続されている。
【００３４】
図１Ｃに、本発明の第１の実施形態に係る高温超電導磁気センサ１の回路図を示す。前記してきたように、高温超電導磁気センサ１では、検出コイル６と、ＳＱＵＩＤインダクタ４（ＳＱＵＩＤ２）と、入力コイル５とが、直列に接続され、閉ループ７を構成していることがわかる。ＳＱＵＩＤインダクタ４のインダクタンスをＬｓ、検出コイル６の磁束捕獲面の面積をＡp、検出コイル６のインダクタンスをＬp、入力コイル５のインダクタンスをＬ2i、ＳＱＵＩＤインダクタ４との入力コイル５間の相互インダクタンスをＭ2とすると、外部磁場Ｂが検出コイル６に印加されたときにＳＱＵＩＤ２により検出される磁束Φｓは、式（５）の関係を有する。
Φｓ＝Iｐ・（Lｓ＋M２）
＝BAｐ・(Lｓ＋M２)／（Lｎ＋Lｓ＋L２ｉ）        （５）
【００３５】
ここで、Ｉpは磁束トランス７（検出コイル６）に流れる遮蔽電流であり、相互インダクタンスＭ2は、式M2＝ｋ（L2i・Ls）1/2の関係を有し、ｋは結合係数（0<k<1）である。外部磁場ＢとＳＱＵＩＤ２により検出される磁束Φｓの比である有効面積Ａｅｆｆは、式（６）の関係を有する。
Aeff＝Φｓ／B
＝Aｐ・(Lｓ＋M２)／（Lｐ＋Lｓ＋L２ｉ）
＝Aｐ・Lｓ・（１＋ｋ（L２ｉ／Lｓ）1/2)／（Lｐ＋Lｓ＋L２ｉ）        （６）
【００３６】
（第２の実施形態）
図２Ａに、本発明の第２の実施形態に係る高温超電導磁気センサ１の平面図を示す。高温超電導磁気センサ１には、１つの検出コイル６に、３つのＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂ、２ｃと、２つの入力コイル５ａ、５ｂが、直列に接続されている。中央のＳＱＵＩＤ２ｃによれば、従来の直結型ＳＱＵＩＤと同等の感度を計測できると考えられる。左右のＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂによれば、その直結型ＳＱＵＩＤの周囲に、入力コイル５ａ、５ｂが配置されているので、第１の実施形態に係るＳＱＵＩＤ２と同様に、磁場Ｂを高感度に計測することができる。３つのＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂ、２ｃは、同時に製造できるので、ＳＱＵＩＤ２ｃを、ＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂの比較対象とすることができる。なお、比較が不要であれば、ＳＱＵＩＤ２ｃは省いてもよい。２つのＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂについては、用途に応じて特性の優れている方を用いることができ、少なくともどちらか一方が製品検査のテストに合格すればよいので、高温超電導磁気センサ１の製品歩留まりを高めることができる。なお、磁場Ｂの計測では、ＳＱＵＩＤ２ａを用いる場合は、電極９（検出コイル６）と電極８ａの間にバイアス電流を流し、これらの間の電圧を測定すればよく、ＳＱＵＩＤ２ｂを用いる場合は、電極９と電極８ｂの間にバイアス電流を流し、これらの間の電圧を測定すればよく、ＳＱＵＩＤ２ｃを用いる場合は、電極９と電極８ｃの間にバイアス電流を流し、これらの間の電圧を測定すればよい。
【００３７】
検出コイル６とＳＱＵＩＤ２ａと入力コイル５ａと電極８ａとからなる構造は、第１の実施形態の高温超電導磁気センサ１の検出コイル６とＳＱＵＩＤ２と入力コイル５と電極８とからなる構造と、同じになっている。すなわち、第１の実施形態において、ＳＱＵＩＤ２をＳＱＵＩＤ２ａに読み替えることができ、入力コイル５を入力コイル５ａに読み替えることができ、電極８を電極８ａに読み替えることができる。
【００３８】
また、検出コイル６とＳＱＵＩＤ２ｂと入力コイル５ｂと電極８ｂとからなる構造と、検出コイル６とＳＱＵＩＤ２ａと入力コイル５ａと電極８ａとからなる構造は、鏡像の関係になっている。
【００３９】
検出コイル６は、１ターンのコイルであり、基板２１の外周に沿って設けられている。検出コイル６の一端は、入力コイル５ａを跨ぐ配線１１を介して、ＳＱＵＩＤ２ａの一部のＳＱＵＩＤインダクタ４ａの一端に接続している。ＳＱＵＩＤインダクタ４ａの他端は、超電導コンタクト（領域）１３を介して、入力コイル５ａの一端に接続している。入力コイル５ａの他端は、ＳＱＵＩＤ２ｃの一部であり下部超電導層ＤＬに形成されたＳＱＵＩＤインダクタ４ｃの一端に接続している。ＳＱＵＩＤインダクタ４ｃの他端は、入力コイル５ｂの一端に接続している。入力コイル５ｂの他端は、超電導コンタクト（領域）１３を介して、ＳＱＵＩＤ２ｂの一部のＳＱＵＩＤインダクタ４ｂの一端に接続している。ＳＱＵＩＤインダクタ４ｂの他端は、入力コイル５ｂを跨ぐ配線１１を介して、検出コイル６の他端に接続している。
【００４０】
すなわち、高温超電導磁気センサ１では、検出コイル６と、ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ（ＳＱＵＩＤ２ａ）と、入力コイル５ａと、ＳＱＵＩＤインダクタ４ｃ（ＳＱＵＩＤ２ｃ）と、入力コイル５ｂと、ＳＱＵＩＤインダクタ４ｂ（ＳＱＵＩＤ２ｂ）とが、この記載順に直列に接続され、閉ループ７を構成している。これにより、外部磁場Ｂによって検出コイル６に生じ流れる遮蔽電流Ｉｐが、直結型ＳＱＵＩＤと同じように、ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｃ、４ｂに直接流れ、電流結合することができる。また、外部磁場Ｂによって検出コイル６を流れる遮蔽電流Ｉｐが、Ketchen型ＳＱＵＩＤと同じように、入力コイル５ａ、５ｂに直接流れ、外部磁場Ｂに比例する磁場が入力コイル５ａ、５ｂに生じる。検出コイル６と入力コイル５ａ、５ｂとは、磁束トランスとして機能している。入力コイル５ａ、５ｂの各ターンは、ＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂ（ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂ）を囲んでいるので、入力コイル５ａ、５ｂはＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂ（ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂ）に磁気結合している。入力コイル５ａ、５ｂに生じた外部磁場Ｂに比例する磁場が、ＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂ（ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂ）に印加されることになる。その結果、従来の直結型ＳＱＵＩＤよりも結合係数ｋを改善することができる。一方、入力コイル５ａ、５ｂは、ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂの上に積層されていないので、従来のKetchen型ＳＱＵＩＤよりも、入力コイル５ａ、５ｂとＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂの間の容量成分を小さく抑えることができる。これにより、ＬＣ共振の発生を抑制することができる。
【００４１】
なお、検出コイル６は、電極９を兼ねている。ＳＱＵＩＤ２ａによる磁場Ｂの計測では、電極９（検出コイル６）と電極８ａの間にバイアス電流を流し、これらの間の電圧を計測する。ＳＱＵＩＤ２ｂによる磁場Ｂの計測では、電極９（検出コイル６）と電極８ｂの間にバイアス電流を流し、これらの間の電圧を計測する。ＳＱＵＩＤ２ｃによる磁場Ｂの計測では、電極９（検出コイル６）と電極８ｃの間にバイアス電流を流し、これらの間の電圧を計測する。
【００４２】
電極９（検出コイル６）は、配線１１を介して、ＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂの上部超電導層ＵＬ（ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂ）に接続し、さらに、超電導コンタクト（領域）１３と入力コイル５ａ（５ｂ）を介して、ＳＱＵＩＤ２ｃの下部超電導層ＤＬ（ＳＱＵＩＤインダクタ４ｃ）に接続している。また、電極８ａ、８ｂは、超電導コンタクト（領域）１４を介して、ＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂの下部超電導層ＤＬに接続している。電極８ｃは、ＳＱＵＩＤ２ｃの上部超電導層ＵＬに接続している。
【００４３】
図２Ｂに、図２ＡにおけるＳＱＵＩＤ２ａ、２ｃ周辺の拡大図を示す。ＳＱＵＩＤ２ａについては、図１ＢのＳＱＵＩＤ２と構造が同じなので説明を省略する。ＳＱＵＩＤ２ｃは、２つのジョセフソン接合３ａ、３ｂと、ＳＱＵＩＤインダクタ４ｃとを有している。２つのジョセフソン接合３ａ、３ｂと、ＳＱＵＩＤインダクタ４ｃとは、直列に接続され、ＳＱＵＩＤ２ｃは、閉ループ構造になっている。ＳＱＵＩＤ２ｃのジョセフソン接合３ａ、３ｂとして、図２Ｂの例では、ランプエッジ型ジョセフソン接合を記載している。ＳＱＵＩＤ２ｃのジョセフソン接合３ａ、３ｂでは、ＳＱＵＩＤインダクタ４ｃ側の下部超電導層ＤＬのランプエッジ上に、電極８ｃ側の上部超電導層ＵＬが形成（接合）された２層構造になっている。また、ＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂとの比較を容易にするため、ＳＱＵＩＤインダクタ４ｃのインダクタンスがＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂと同じになるように、ＳＱＵＩＤインダクタ４ｃはＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂと同じ寸法である。
【００４４】
図２Ｃに、本発明の第２の実施形態に係る高温超電導磁気センサ１の回路図を示す。前記してきたように、高温超電導磁気センサ１では、検出コイル６と、ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ（ＳＱＵＩＤ２ａ）と、入力コイル５ａと、ＳＱＵＩＤインダクタ４ｃ（ＳＱＵＩＤ２ｃ）と、入力コイル５ｂと、ＳＱＵＩＤインダクタ４ｂ（ＳＱＵＩＤ２ｂ）とが、この記載順に直列に接続され、閉ループ７を構成していることがわかる。
【００４５】
図３に、本発明の第２の実施形態に係る高温超電導磁気センサ１の製造途中における断面図を示す。なお、図３は、図２ＢのＡ−Ａ方向の矢視断面図である。
【００４６】
まず、図３（ａ）に示すように、４層構造の基板２１を形成した。１５×１５ｍｍ２の大きさの酸化マグネシウム（MgO(100)）基板２１ａを使用し、その上に配向制御バッファー層２１ｂとして膜厚５ｎｍのBaZrO3層と、黒色均熱層２１ｃとして膜厚３００ｎｍのPr1.4Ba1.6Cu2.6Ga0.4Oy層と、下部絶縁層２１ｄとして膜厚２５０ｎｍのSrSnO3層を、順にオフアクシススパッタ法によって形成し積層させた。次に、形成した基板２１の上に、下部超電導層（第１超電導層）ＤＬとして、膜厚２５０ｎｍのSmBa2Cu3Oy（SmBCO）をオフアクシススパッタ法によって成膜した。
【００４７】
そして、図３（ｂ）に示すように、下部超電導層（第１超電導層）ＤＬを所望の回路パターン形状（例えば、入力コイル５（５２、５３）の一部や、下部超電導領域ＤＬ１のパターン形状）に加工した。なお、入力コイル５１（図２Ｂ参照）は、図３が煩雑になるのを避けるために、図３における記載を省略している（以下同様）。回路パターン形成は、フォトリソグラフィ法と、イオンミリングによるドライエッチング法で行った。
【００４８】
次に、図３（ｂ）に示すように、層間絶縁層（絶縁層）２２として、膜厚２８０ｎｍのSrSnO3（SSO）層をオフアクシススパッタ法によって形成した。そして、図３（ｃ）に示すように、層間絶縁層２２を所望の回路パターン形状に加工した。回路パターン形成は、フォトリソグラフィ法と、イオンミリングによるドライエッチング法で行った。層間絶縁層２２のこのエッチングによって、ランプエッジ型ジョセフソン接合３ａ、３ｂのランプ斜面と、下部超電導層（第１超電導層）ＤＬと上部超電導層（第２超電導層）ＵＬの接続（超電導コンタクト領域１４等）のためのランプ斜面を、層間絶縁層２２と下部超電導層ＤＬに形成した。また、層間絶縁層２２のこのエッチングによって、層間絶縁層２２といっしょに下部超電導層ＤＬを所望の回路パターン形状（例えば、入力コイル５（５２、５３）の一部の残りのパターン形状）に加工した。すなわち、このエッチングでは、層間絶縁層２２と同時に下部超電導層（第１超電導層）ＤＬもエッチングしている。
【００４９】
次に、図３（ｃ）に示すように、上部超電導層（第２超電導層）ＵＬとして、膜厚２５０ｎｍのLa0.1-Er0.95Ba1.95Cu3Oy（L1ErBCO）層を、レーザー蒸着法により形成した。ランプエッジ型ジョセフソン接合３ａ、３ｂの下部超電導層（第１超電導層）ＤＬのランプ斜面上に上部超電導層ＵＬが形成されることにより、ランプエッジ型ジョセフソン接合３ａ、３ｂが完成する。超電導コンタクト領域１４等の下部超電導層ＤＬのランプ斜面上に上部超電導層ＵＬが形成されることにより、下部超電導層ＤＬと上部超電導層ＵＬが接続する。さらに、上部超電導層ＵＬの上に、金（Au）電極層２３として膜厚１００ｎｍの金層をスパッタ法で形成した。
【００５０】
そして、図３（ｄ）に示すように、金電極層２３と上部超電導層ＵＬを所望の回路パターン形状（例えば、ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、検出コイル６や、電極８ａ等のパターン形状）に加工した。なお、上部超電導層ＵＬの配線１７等が上方に配置されない領域の入力コイル５では、上部超電導層ＵＬが除かれるだけでなく、層間絶縁層２２をマスクとして入力コイル５のランプ傾斜している部分もエッチングされる。これにより、入力コイル５の隣り合う巻線（ターン）同士を確実に分離することができる。回路パターン形成は、フォトリソグラフィ法と、イオンミリングによるドライエッチング法で行った。また、上部超電導層ＵＬと金電極層２３（図３（ｃ）参照）は同時にエッチングしているため、上部超電導層ＵＬの表面はすべて金電極層２３で覆われている。
【００５１】
次に、高温超電導磁気センサ１を、１気圧の酸素雰囲気中で、４００〜５００℃に加熱し、下部超電導層ＤＬと上部超電導層ＵＬの酸化を伴う熱処理を行った。最後に、高温超電導磁気センサ１を加熱用のヒータ素子と共に密閉実装し、高温超電導磁気センサ１を完成させた。
【００５２】
図４Ａに、本発明の第２の実施形態に係る高温超電導磁気センサ１に設けられたＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂ、２ｃにおける、有効面積Ａｅｆｆと、入力コイル５ａ、５ｂの巻き数（ターン数）との関係を表すグラフを示す。入力コイル５ａ、５ｂの巻き数として、０（ゼロ）巻き（入力コイル５ａ、５ｂを省いたもの）と、３巻きと、６巻きの場合が記載されている。図２Ａに示した例では、入力コイル５ａ、５ｂの巻き数として３巻きの場合を説明したが、この他に、入力コイル５ａ、５ｂの巻き数が０巻きの高温超電導磁気センサ１と、６巻きの高温超電導磁気センサ１とを作製した。なお、入力コイル５ａ、５ｂの巻き数が０巻きの高温超電導磁気センサには、従来の直結型（スリットホール型）ＳＱＵＩＤを備えた高温超電導磁気センサを用いてもよい。
【００５３】
有効面積Ａeffの計測は後記のように行った。まず、高温超電導磁気センサ１を液体窒素中に浸けて、冷却した。そして、フラックス・ロックド・ループ回路（FLL回路）を用いたフィードバック制御を行い、高温超電導磁気センサ１を磁気計測可能な状態にした。そして、外部磁場Ｂを発生させるために、直径１５０ｍｍ、長さ４５０ｍｍ、コイル定数５．０９ｍＴ／Ａのソレノイドコイルを用意し、その中心に高温超電導磁気センサ１を配置した。このソレノイドコイルに、１９．１７μＡpp（peak to peak）の電流（７０Ｈｚ、サイン波）を流すことで、９７．５ｎＴppの外部磁場Ｂを、発生させ、高温超電導磁気センサ１の検出コイル６の面（磁束捕獲面）に垂直に印加した。このときに高温超電導磁気センサ１のＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれで検出された磁束Φｓと、外部磁場Ｂの比（Φｓ／Ｂ、式（２）参照）から、ＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂ、２ｃ毎に磁気センサとしての検出効率を表す有効面積Ａeffを求めた。なお、ＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂ、２ｃのＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂ、４ｃのインダクタンスＬｓはみな約５５ｐＨで同じであった。
【００５４】
図４Ａの「○」印のデータは、入力コイル５ａに囲まれているＳＱＵＩＤ２ａの有効面積Ａeffの入力コイル５ａの巻き数依存性を示している。入力コイル５ａの巻き数が０巻きの「○」印のデータは、従来の直結型ＳＱＵＩＤのみを備えた高温超電導磁気センサを用いて計測したその直結型ＳＱＵＩＤの有効面積Ａeffである。０巻きの「○」印のデータ（有効面積Ａeff）は、０．３ｍｍ２であった。
【００５５】
入力コイル５ａの巻き数が３巻きの「○」印のデータは、３巻きの入力コイル５ａに囲まれているＳＱＵＩＤ２ａの有効面積Ａeffである。３巻きの「○」印のデータ（有効面積Ａeff）は、再現性を確認するために２回計測しており、０．４５ｍｍ２と０．４４ｍｍ２であった。また、ＳＱＵＩＤ２ｂでも計測したところ、ＳＱＵＩＤ２ｂと同等の有効面積Ａeffが得られた。
【００５６】
入力コイル５ａの巻き数が６巻きの「○」印のデータは、６巻きの入力コイル５ａに囲まれているＳＱＵＩＤ２ａの有効面積Ａeffである。６巻きの「○」印のデータ（有効面積Ａeff）は、０．３６ｍｍ２であった。また、ＳＱＵＩＤ２ｂでも計測したところ、ＳＱＵＩＤ２ｂと同等の有効面積Ａeffが得られた。
【００５７】
これより、入力コイル５ａの巻き数が０巻きの有効面積Ａeff（０．３ｍｍ２）に比べ、３巻きの有効面積Ａeff（０．４５ｍｍ２）は、１．５倍に向上し、６巻きの有効面積Ａeff（０．３６ｍｍ２）は、１．２倍に向上した。ＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂの有効面積Ａeffは、「○」印のデータを実線で滑らかにつなぐと、入力コイル５ａ、５ｂの巻き数が１巻きでも、０巻きより、有効面積Ａeffが大きくなると考えられる。これより、入力コイル５ａ、５ｂは、有効面積Ａeffの増加に有効で、その巻き数が１巻きでもその効果があると考えられる。ただ、理論的に考えると、その巻き数が多いほど、磁気結合（結合係数ｋ）も増加し、有効面積Ａeffは増加するはずである。しかし、入力コイル５ａ、２ｂの巻き数が６巻きの有効面積Ａeff（０．３６ｍｍ２）は、３巻きの有効面積Ａeff（０．４５ｍｍ２）より小さくなっている。この食い違いの原因を明らかにするために、次に示すＳＱＵＩＤ２ｃの有効面積Ａeffの入力コイル５ａ、５ｂの巻き数依存性を、評価（計測）した。
【００５８】
図４Ａの「△」印のデータは、入力コイル５ａ、５ｂに囲まれていない（入力コイル５ａ、５ｂの無い）ＳＱＵＩＤ２ｃの有効面積Ａeffの入力コイル５ａ、５ｂの巻き数依存性を示している。入力コイル５ａ、５ｂの巻き数が０巻きの「△」印のデータは、従来の直結型ＳＱＵＩＤのみを備えた高温超電導磁気センサを用いて計測したその直結型ＳＱＵＩＤの有効面積Ａeffである。すなわち、０巻きの「△」印のデータ（有効面積Ａeff）は、０巻きの「○」印のデータ（有効面積Ａeff）と同一であり、０．３ｍｍ２である。
【００５９】
入力コイル５ａの巻き数が３巻きの「△」印のデータは、３巻きの入力コイル５ａ、５ｂの外側にあり囲まれていないＳＱＵＩＤ２ｃの有効面積Ａeffである。３巻きの「△」印のデータ（有効面積Ａeff）は、０．２５ｍｍ２であった。
【００６０】
入力コイル５ａの巻き数が６巻きの「△」印のデータは、６巻きの入力コイル５ａ、５ｂの外側にあり囲まれていないＳＱＵＩＤ２ｃの有効面積Ａeffである。６巻きの「△」印のデータ（有効面積Ａeff）は、０．１７ｍｍ２であった。
【００６１】
これらより、入力コイル５ａ、５ｂの巻き数が増加するにつれて、ＳＱＵＩＤ２ｃの有効面積Ａeffが、単調に減少する傾向が得られた。遮蔽電流Ｉｐが流れる検出コイル６を含む閉ループ７に入力コイル５ａ、５ｂが直列に接続されているため、巻き数の増加により、入力コイル５ａ、５ｂのインダクタンスＬ２ｉが増加し、遮蔽電流Ｉｐが減少したためと考えられた。そして、入力コイル５ａ、５ｂのインダクタンスＬ２ｉは、一般に巻き数の二乗に比例して増加するため、巻き数の増加による有効面積Ａeffの減少率は、巻き数が多くなるほど大きくなる。すなわち、ＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂの有効面積Ａeff（図４Ａの「○」印のデータ）において、入力コイル５ａ、５ｂの巻き数が６巻きの有効面積Ａeff（０．３６ｍｍ２）が、３巻きの有効面積Ａeff（０．４５ｍｍ２）より小さくなった理由としては、入力コイル５ａ、５ｂのインダクタンスＬ２ｉの増加に伴い遮蔽電流Ｉｐが減少したためと考えられた。入力コイル５ａ、５ｂの巻き数が０巻きから３巻きに増加した場合のインダクタンスＬ２ｉの増加量（遮蔽電流Ｉｐの減少量）に比べて、３巻きから６巻きに増加した場合のインダクタンスＬ２ｉの増加量（遮蔽電流Ｉｐの減少量）の方が大きいので、有効面積Ａeffは、巻き数が０巻きから３巻きでは減少分より増加分の方が勝って増加していたが、３巻きから６巻きでは、一転して、減少分が増加分より勝って減少したと考えられた。
【００６２】
図４Ｂに、本発明の第２の実施形態に係る高温超電導磁気センサ１に設けられたＳＱＵＩＤ２ｃの有効面積Ａｅｆｆ（図４Ａの「△」印のデータ）に対するＳＱＵＩＤ２ａ、２ｂの有効面積Ａｅｆｆ（図４Ａの「○」印のデータ）の比と、入力コイル５ａ、５ｂの巻き数との関係を表すグラフを示す。すなわち、図４Ａにおいて、入力コイル５ａ、５ｂの巻き数、０巻き、３巻き、６巻き毎に、「○」印のデータ（値）を「△」印のデータ（値）で割った値を、図４Ｂ（「□」印のデータ）に示す。図４Ａの同じ巻き数の「○」印のデータと「△」印のデータには、インダクタンスＬ２ｉの増加に伴う遮蔽電流Ｉｐの減少の効果が同程度作用していると考えられる。そこで、「○」印のデータと「△」印のデータの比をとることで、この効果を除くことができる。そして、「○」印のデータと「△」印のデータの比をとることで、入力コイル５ａ、５ｂの巻き数の増加に伴い、磁気結合（結合係数ｋ）が増加している様子を評価することができる。図４Ｂは、磁気結合（結合係数ｋ）の入力コイル５ａ、５ｂの巻き数依存性を示していると考えることができる。図４Ｂより、巻き数の増加に伴い、磁気結合（結合係数ｋ）が単調に増加していることが分かる。また、入力コイル５ａ、５ｂの巻き数が０巻きから３巻きに増加した場合の磁気結合（結合係数ｋ）の増加量に比べて、３巻きから６巻きに増加した場合の磁気結合（結合係数ｋ）の増加量の方が小さいことがわかった。これは、入力コイル５ａ、５ｂのような平面型コイルの場合、巻き数が増えると、入力コイル５ａ、５ｂの外径が増加する（入力コイル５２の外径は入力コイル５１の外径より大きく、入力コイル５３の外径は入力コイル５２の外径より大きい）ため、外側の入力コイル５３（５２）とＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂとの磁気結合が低下したと考えられる。したがって、入力コイル５ａ、５ｂの線幅を細くして、例えば入力コイル５３（５２）の外径の増加を抑えることは感度向上に有効と考えられる。
【００６３】
前記より、最大の有効面積Ａｅｆｆと、この最大の有効面積Ａｅｆｆが得られる入力コイル５ａ、５ｂの巻き数とは、この巻き数の増加に伴って、増加する磁気結合（結合係数ｋ）と、減少する遮蔽電流Ｉｐ（増加するインダクタンスＬ２ｉ）とのトレードオフにより決まることがわかった。このことにより、図４Ａの「○」印のデータの例では、入力コイル５ａ、５ｂの巻き数が３巻きのときに、有効面積Ａｅｆｆが最大になっている。この有効面積Ａｅｆｆが最大になる巻き数は、入力コイル５ａ、５ｂやＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂ等の形状、構造に依存するが、概ね、１巻き（ターン）以上で、かつ、６巻き以下の範囲であれば、最大の有効面積Ａｅｆｆやそれに匹敵する大きさの有効面積Ａｅｆｆを得ることができる。
【００６４】
図５に、本発明の第２の実施形態に係る高温超電導磁気センサ１のノイズ特性を示す。ノイズ特性は、次のように計測した。まず、高温超電導磁気センサ１を液体窒素中に浸け、外部磁場Ｂを印加した状態で、共に実装したヒータ素子に１００ｍＡの電流を１５秒間だけ通電した。電流遮断後、高温超電導磁気センサ１は磁場中で再度冷却されることになる。この後、ノイズ特性として、雑音スペクトルを計測した。高温超電導磁気センサ１を、超電導臨界温度よりも高い温度まで昇温させ、再び、超電導臨界温度よりも低い温度まで冷却しているので、温度が超電導臨界温度よりも高いときには、外部磁場Ｂの磁束が、ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂ内に入っていると考えられる。そして、再冷却によって、磁束トラップが発生した否かを判定した。この判定は、外部磁場Ｂ中で冷却したときの雑音スペクトルを、外部磁場Ｂを印加しないゼロ磁場で冷却したときの雑音スペクトルと比較することで行った。外部磁場Ｂ中で冷却したときの雑音スペクトルの方が、ゼロ磁場で冷却したときの雑音スペクトルより、雑音スペクトルの強度の増加が見られた場合に、磁束トラップが発生したと判定した。すなわち、図５に示すように、雑音スペクトルの計測を、再冷却時の外部磁場Ｂが、ゼロ磁場（０μＴ）のとき（判定基準スペクトル）と、３０μＴのときと、６０μＴのときに行った。なお、外部磁場Ｂは、ソレノイドコイルに蓄電池から電流を流して発生させたが、外部磁場Ｂを印加した状態では蓄電池由来のノイズが生じていたため、再冷却によって温度が下がってから、外部磁場Ｂを遮断して（ゼロ磁場にして）、雑音スペクトルを計測した。外部磁場Ｂ中で冷却して磁束トラップが生じると、その外部磁場Ｂを遮断してゼロ磁場にしても超電導体中にトラップされた磁束は残るからである。
【００６５】
図５に示すように、再冷却時の外部磁場Ｂが３０μＴのときの雑音スペクトルの強度と、６０μＴのときの雑音スペクトルの強度とは、ゼロ磁場（０μＴ）のときの雑音スペクトル（判定基準スペクトル）の強度と、全周波数帯において、同程度であった。これより、ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂには、再冷却時の外部磁場Ｂが３０μＴのときでも、６０μＴのときでも、磁束トラップは起きていないと考えられた。６０μＴは、地磁気（例えば５０μＴ）より大きい値であるので、シールドレス環境でも、高温超電導磁気センサ１は、磁束トラップを発生させることなく高感度の磁気計測が可能である。逆に、式（３）によると、ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂの幅Ｗ２（図１Ｂ参照）が５μｍであると、超電導体が磁束を排除できる最大磁場（しきい値磁場）Ｂｔｈは、６５μＴとなり、磁束トラップが６０μＴと３０μＴで発生しなかった今回の計測結果を支持している。
式（３）によると、幅Ｗ２が２倍の１０μｍの場合、Ｂｔｈは、１／４の１６μＴとなる。この場合でも、地磁気の方向とＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂを形成する超電導薄膜（上部超電導層ＵＬ）に垂直な方向がずれており、ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂを形成する超電導薄膜に垂直な成分が１６μＴ以下であれば、磁束トラップは発生しにくいと考えられる。
【００６６】
より強い外部磁場Ｂ中での冷却（使用）が求められる場合、ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂの線幅をさらに細くすることが有効と考えられる。例えば、半分の２．５μｍにすることで、１２０μＴ程度の外部磁場Ｂ中で冷却（使用）しても、磁束トラップを発生させることなく高感度の磁気計測が可能である。このように、ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂの幅を細くできるのは、ＳＱＵＩＤインダクタ４ａ、４ｂの上に入力コイル５ａ、５ｂを形成する必要がないためである。
【００６７】
（第３の実施形態）
図６Ａに、本発明の第３の実施形態に係る高温超電導磁気センサ１のＳＱＵＩＤ２周辺の拡大図を示す。第３の実施形態の高温超電導磁気センサ１が、第１の実施形態の高温超電導磁気センサ１と異なる点は、ＳＱＵＩＤインダクタ４が下部超電導層ＤＬに形成され、入力コイル５が上部超電導層ＵＬに形成されている点である。この相違点に伴い、ＳＱＵＩＤインダクタ４には、ジョセフソン接合３ａ、３ｂにおいて、上部超電導領域ＵＬ１が接続している。そして、上部超電導領域ＵＬ１は、超電導コンタクト（領域）１４と、下部超電導層ＤＬに形成された配線１９と、超電導コンタクト（領域）１５とを介して、
電極８に接続している。配線１９は、入力コイル５を潜り、入力コイル５の外側において、電極８に接続している。また、ＳＱＵＩＤインダクタ４の一端とジョセフソン接合３ａとの接続部は、超電導コンタクト（領域）１３を介して、入力コイル５（５１）に接続している。ＳＱＵＩＤインダクタ４の一端（他端）とジョセフソン接合３ｂとの接続部は、配線１８と超電導コンタクト（領域）１６を介して、検出コイル６の一端に接続している。配線１８は、入力コイル５を潜り、入力コイル５の外側において、検出コイル６に接続している。検出コイル６の一端（他端）は、入力コイル５（５３）に接続している。製造工程数や製造プロセスは、第２の実施形態の例と同じである。ＳＱＵＩＤインダクタ４を構成する超電導体の線幅や、検出コイルの大きさなども、第２の実施形態の例と同じ形状である。
【００６８】
入力コイル５（５１、５２、５３）の巻線と、配線１８、１９とは、平面視で直角から外れた角度で交差している。また、入力コイル５（５１、５２、５３）の線幅は、その交差部において、他の部分より太くなっている。これらにより、入力コイル５（５１、５２、５３）が、配線１８、１９をのり越える際のスロープを緩和することができ、確実に導通させることができる。製造時の断線等の不良を抑制することができる。
【００６９】
そして、ＳＱＵＩＤ２の有効面積Ａｅｆｆは、０．４５ｍｍ２であった。この値は、第２の実施形態の入力コイル５ａ、５ｂの巻き数が３巻きの場合とほぼ同じであった。また、ＳＱＵＩＤインダクタ４を構成する超電導体の線幅は５μｍであり、６０μＴの磁場Ｂ中で冷却しても磁束トラップは発生しなかった。
【００７０】
（第４の実施形態）
図６Ｂに、本発明の第４の実施形態に係る高温超電導磁気センサ１のＳＱＵＩＤ２周辺の拡大図を示す。第４の実施形態の高温超電導磁気センサ１が、第３の実施形態の高温超電導磁気センサ１と異なる点は、入力コイル５の最内周のターン５１が、平面視で、ＳＱＵＩＤインダクタ４に重なるように配置されている点である。入力コイル５の最内周のターン５１とＳＱＵＩＤインダクタ４とが、互いに異なる超電導層、下部超電導層ＤＬと上部超電導層ＵＬに形成され、絶縁層２２（図３参照）を介して積層されている。そして、ＳＱＵＩＤ２の有効面積Ａｅｆｆは、０．５５ｍｍ２であった。この値は、第３の実施形態の０．４５ｍｍ２より向上した。これは、入力コイル５の最内周のターン５１がＳＱＵＩＤインダクタ４に重なることで、入力コイル５とＳＱＵＩＤインダクタ４との磁気結合（結合係数ｋ）が増加したためと考えられる。また、入力コイル５の最内周のターン５１がＳＱＵＩＤインダクタ４に重なることで、入力コイル５２、５３（５）のサイズを小さくでき、入力コイル５２、５３とＳＱＵＩＤインダクタ４との距離を近づけることができる。このため、入力コイル５２、５３（５）とＳＱＵＩＤインダクタ４との磁気結合（結合係数ｋ）も増加したためと考えられる。
【００７１】
また、ＳＱＵＩＤインダクタ４の線幅は５μｍであり、６０μＴの磁場中で冷却しても磁束トラップは発生しなかった。また、Ketchen型ＳＱＵＩＤで報告されているようなＬＣ共振の発生は確認されなかった。積層された入力コイル５１とＳＱＵＩＤインダクタ４の間には大きな容量成分が生じるが、マルチターン構造の入力コイルがすべてＳＱＵＩＤインダクタに積層されたKetchen型ＳＱＵＩＤに比べると、生じる容量成分が小さいため、ＬＣ共振は発生しなかったと考えられる。
【００７２】
（第５の実施形態）
図７に、本発明の第５の実施形態に係る高温超電導磁気センサ１のＳＱＵＩＤ２周辺の拡大図を示す。第５の実施形態の高温超電導磁気センサ１が、第１の実施形態の高温超電導磁気センサ１と異なる点は、一対のジョセフソン接合３ａ、３ｂが配列されている配列方向における、ＳＱＵＩＤ２の磁束捕獲面Ｓの幅Ｗ１が、一対のジョセフソン接合３ａ、３ｂの間の距離ｄより大きくなっている（Ｗ１＞ｄ）点である。これにより、ＳＱＵＩＤ２の磁束捕獲面は、直結型ＳＱＵＩＤで用いられているスリットホール型ではなく、正方形に近い形状になっている。
【００７３】
本発明では、検出コイル６に流れる遮蔽電流Ｉｐを直接結合（電流結合）と磁気結合の両方でＳＱＵＩＤインダクタ４に結合させている。直接結合の結合効率はＳＱＵＩＤインダクタ４のインダクタンスＬｓに比例する。一方、入力コイル５とＳＱＵＩＤインダクタ４の磁気結合（結合係数ｋ）はＳＱＵＩＤインダクタ４の磁束捕獲面Ｓの面積に依存する。そして、同じインダクタンスＬｓのＳＱＵＩＤインダクタ４でも、ＳＱＵＩＤインダクタ４が囲む面積（磁束捕獲面Ｓの面積）が大きいほど磁気結合（結合係数ｋ）が増加する。なお、ＳＱＵＩＤインダクタ４の磁束捕獲面Ｓの面積を大きくしても、ＳＱＵＩＤインダクタ４の線幅が細いので、磁束トラップは発生しない。また、ＳＱＵＩＤインダクタ４の磁束捕獲面Ｓの形状については、正方形に限らず、円形や八角形などでもよく、ＳＱＵＩＤインダクタ４の磁束捕獲面Ｓを広げる効果を同様に有する。また、入力コイル５（５１、５２、５３、５４）の巻き数を４巻きに増加させている。これによれば、磁気結合（結合係数ｋ）を増加できる。また、第３と第４の実施形態と同様に、ＳＱＵＩＤインダクタ４を下部超電導層ＤＬで作製し、入力コイル５を上部超電導層ＵＬで作製することも可能である。また、第４の実施形態と同様に、最内周の入力コイル５１をＳＱＵＩＤインダクタ４に重ねてもよい。
【００７４】
（第６の実施形態）
図８に、本発明の第６の実施形態に係る高温超電導磁気センサ１のＳＱＵＩＤ２周辺の拡大図を示す。第６の実施形態の高温超電導磁気センサ１が、第３と第４の実施形態の高温超電導磁気センサ１と異なる点は、平面視で、入力コイル５の最内周のターン５１が、ＳＱＵＩＤインダクタ４に囲まれるように配置され、入力コイル５の内側から２巻目のターン５２が、ＳＱＵＩＤインダクタ４に重なるように配置されている点である。入力コイル５の内側から２巻目のターン５２とＳＱＵＩＤインダクタ４とが、互いに異なる超電導層、下部超電導層ＤＬと上部超電導層ＵＬに形成され、絶縁層２２（図３参照）を介して積層されている。平面視で、入力コイル５の最内周のターン５１が、ＳＱＵＩＤインダクタ４の内側（磁束捕獲面Ｓ）に配置されている。これにより、一対のジョセフソン接合３ａ、３ｂが配列されている配列方向における、ＳＱＵＩＤ２の磁束捕獲面Ｓの幅Ｗ１が、一対のジョセフソン接合３ａ、３ｂの間の距離ｄより大きくなっている（Ｗ１＞ｄ）。入力コイル５の最内周のターン５１は、超電導コンタクト（領域）１３を介してＳＱＵＩＤインダクタ４に接続され、ＳＱＵＩＤインダクタ４の内周に沿うように配置されている。入力コイル５の内側から２巻目のターン５２は、ＳＱＵＩＤインダクタ４の上をなぞるように配置されている。入力コイル５の内側から３巻目のターン５３は、ＳＱＵＩＤインダクタ４の外周の沿うように配置されている。また、超電導コンタクト（領域）１３が、入力コイル５（５２、５３）の内側で、かつ、ＳＱＵＩＤ２（ＳＱＵＩＤインダクタ４）の内側（磁束捕獲面Ｓ）に配置されている。入力コイル５（５１、５２、５３）とＳＱＵＩＤインダクタ４の磁気結合（結合係数ｋ）は、それらの間の距離が近いほど向上する。本第６の実施形態では、入力コイル５の最内周のターン５１をＳＱＵＩＤインダクタ４の内側に配置することで、入力コイル５の内側から３巻目のターン５３をＳＱＵＩＤインダクタ４に近接させて配置することに成功している。入力コイル５１とＳＱＵＩＤインダクタ４の間の距離と、入力コイル５２とＳＱＵＩＤインダクタ４の間の距離と、入力コイル５３とＳＱＵＩＤインダクタ４の間の距離との和を、第３の実施形態等の場合より、容易に小さくでき、入力コイル５（５１、５２、５３）とＳＱＵＩＤインダクタ４の磁気結合（結合係数ｋ）を大きくすることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１      高温超電導磁気センサ
２、２ａ、２ｂ、２ｃ  超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）
３ａ、３ｂ  （ランプエッジ型）ジョセフソン接合
３ｃ    ジョセフソン接合の配列方向
４、４ａ、４ｂ、４ｃ  ＳＱＵＩＤインダクタ
５、５ａ、５ｂ  入力コイル
５１    最内周のターン
５２    内側から２巻目のターン
５３    内側から３巻目のターン
５４    内側から４巻目のターン
６      検出コイル
７      閉ループ（磁束トランス）
８、８ａ、８ｂ、８ｃ  電極
９      電極
１１    配線
１２、１３、１４、１５、１６  超電導コンタクト（領域）（コンタクトホール）
１７、１８、１９  配線
２１    基板
２１ａ  MgO基板
２１ｂ  配向制御バッファー層
２１ｃ  黒色均熱層
２１ｄ  下部絶縁層
２２    層間絶縁層（絶縁層）
２３    金電極層
ＤＬ    下部超電導層
ＵＬ    上部超電導層
ｄ      ジョセフソン接合間の距離
Ｓ      ＳＱＵＩＤの磁束捕獲面
Ｗ１    ＳＱＵＩＤの磁束捕獲面の幅
Ｗ２    ＳＱＵＩＤのインダクタの線幅
Ｗ３    入力コイルの線幅
【図１Ａ】
0005771137.tif 000002
【図１Ｂ】
0005771137.tif 000003
【図１Ｃ】
0005771137.tif 000004
【図２Ａ】
0005771137.tif 000005
【図２Ｂ】
0005771137.tif 000006
【図２Ｃ】
0005771137.tif 000007
【図３】
0005771137.tif 000008
【図４Ａ】
0005771137.tif 000009
【図４Ｂ】
0005771137.tif 000010
【図５】
0005771137.tif 000011
【図６Ａ】
0005771137.tif 000012
【図６Ｂ】
0005771137.tif 000013
【図７】
0005771137.tif 000014
【図８】
0005771137.tif 000015