JP2698642B2 - 超電導磁気抵抗素子 - Google Patents
超電導磁気抵抗素子Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、微弱な磁界も高い感度で、精度よく、検出
する超電導磁気抵抗素子に関するものである。
する超電導磁気抵抗素子に関するものである。
＜従来の技術＞ 従来の磁気検出には、半導体や磁性体材料を用いた磁
気抵抗素子が広く使用され、特に、高電子移動度の半導
体であるInSb,InAs等の配向効果を利用した素子がよく
使用されていた。
気抵抗素子が広く使用され、特に、高電子移動度の半導
体であるInSb,InAs等の配向効果を利用した素子がよく
使用されていた。
また、極めて高い感度をもつSQUIDもあり、更に、超
電導体の粒界の結合特性による感度のよい超電導磁気抵
抗素子も提案されている。
電導体の粒界の結合特性による感度のよい超電導磁気抵
抗素子も提案されている。
＜発明が解決しようとする問題点＞ しかし、従来の半導体、又は、磁性体の磁気抵抗素子
は第５図に示した特性をもっていた。第５図は、横軸は
印加した磁束密度，縦軸は素子の抵抗値である。この第
５図から分かるように、従来の磁気抵抗素子は磁界の強
さに対して２次曲線の抵抗増加を示すもので、測定する
磁界が弱いときの抵抗の変化（△Ｒ）が小さく、弱い磁
界に対する感度が悪かった。
は第５図に示した特性をもっていた。第５図は、横軸は
印加した磁束密度，縦軸は素子の抵抗値である。この第
５図から分かるように、従来の磁気抵抗素子は磁界の強
さに対して２次曲線の抵抗増加を示すもので、測定する
磁界が弱いときの抵抗の変化（△Ｒ）が小さく、弱い磁
界に対する感度が悪かった。
以上の第５図を、半導体の磁気抵抗素子について書き
替えたのが第４図である。第４図の横軸は、InSbとInAs
の磁気抵抗素子に印加した磁束密度で、縦軸はその素子
の比抵抗の増減率を示していて、これが磁界の強さに対
応する素子の感度を示すものである。この第４図から
も、従来の磁気抵抗素子は測定する磁界が弱いときは感
度が悪いことを示している。SQUIDは、磁界に対する感
度が極めて高いが取り扱いが難しく、又、その出力レベ
ルが低いなどという問題点があった。
替えたのが第４図である。第４図の横軸は、InSbとInAs
の磁気抵抗素子に印加した磁束密度で、縦軸はその素子
の比抵抗の増減率を示していて、これが磁界の強さに対
応する素子の感度を示すものである。この第４図から
も、従来の磁気抵抗素子は測定する磁界が弱いときは感
度が悪いことを示している。SQUIDは、磁界に対する感
度が極めて高いが取り扱いが難しく、又、その出力レベ
ルが低いなどという問題点があった。
更に、開発されている超電導体の粒界の結合特性を利
用する超電導磁気抵抗素子は、構成する粒子の粒径と粒
界の特性を作製のとき制御するのが難しく、素子の特性
が揃わないという問題があった。
用する超電導磁気抵抗素子は、構成する粒子の粒径と粒
界の特性を作製のとき制御するのが難しく、素子の特性
が揃わないという問題があった。
本発明は、従来の磁気検出素子がもつ、以上のような
問題点を解消し、取り扱いが容易で、感度と精度のよい
超電導磁気抵抗素子を提供することを目的としている。
問題点を解消し、取り扱いが容易で、感度と精度のよい
超電導磁気抵抗素子を提供することを目的としている。
＜問題点を解決するための手段＞ 上記の目的を構成するため、本発明の超電導磁気抵抗
素子は、基板上に直列配置した超電導体片の間に近接効
果をもつ常電導体を介在させ弱結合の構造にしている。
このような超電導体をそのコヒーレント長より長くし、
その間に常電導体層を介在させた超電導体−常電導体−
超電体の弱結合の構成からなる超電導磁気抵抗素子は、
その超電導体の臨界磁界HC以下のときは、マイスナー効
果により超電導体内部へ磁界は侵入できないので、電気
抵抗が変化せず０の状態のままである。又、その介在し
た常電導体部も磁界を印加しないときは両側の超電導体
の超電導電子対（クーパー対）が近接効果で超電導体に
接合した部分から一定の分布でしみ出して連結し常電導
体は、超電導的特性になっている。（つまり、前記のク
ーパー対の波動関数が両側の超電導体から出て常電導体
層の中間で重なり合った状態になり、常電導体中も超電
導電流が流れるからである。）しかし、かなり弱い磁界
を印加しても、前記の常電導体層中のクーパー対のコヒ
ーレンス長が短かくなり、そのクーパー対のしみこむ距
離が短かくなるので、クーパー対の波動関数の常電導体
層の中間部での重なり合いがなくなり常電導体層を超電
導電流が貫流しない超電導−常電導の接合状態ができて
印加磁界の強さに応じた抵抗特性をもった状態になる。
以上の常電導体層中のクーパー対の分布を印加磁界で変
える複数の超電導体と常電導体層の直列接続、つまり超
電導体−常電導体層−超電導体−常電導体層……超電導
体のように直列接続することで、印加磁界に対し大きい
抵抗変化が得られる高感度の超電導磁気抵抗素子を構成
することが可能になる。
素子は、基板上に直列配置した超電導体片の間に近接効
果をもつ常電導体を介在させ弱結合の構造にしている。
このような超電導体をそのコヒーレント長より長くし、
その間に常電導体層を介在させた超電導体−常電導体−
超電体の弱結合の構成からなる超電導磁気抵抗素子は、
その超電導体の臨界磁界HC以下のときは、マイスナー効
果により超電導体内部へ磁界は侵入できないので、電気
抵抗が変化せず０の状態のままである。又、その介在し
た常電導体部も磁界を印加しないときは両側の超電導体
の超電導電子対（クーパー対）が近接効果で超電導体に
接合した部分から一定の分布でしみ出して連結し常電導
体は、超電導的特性になっている。（つまり、前記のク
ーパー対の波動関数が両側の超電導体から出て常電導体
層の中間で重なり合った状態になり、常電導体中も超電
導電流が流れるからである。）しかし、かなり弱い磁界
を印加しても、前記の常電導体層中のクーパー対のコヒ
ーレンス長が短かくなり、そのクーパー対のしみこむ距
離が短かくなるので、クーパー対の波動関数の常電導体
層の中間部での重なり合いがなくなり常電導体層を超電
導電流が貫流しない超電導−常電導の接合状態ができて
印加磁界の強さに応じた抵抗特性をもった状態になる。
以上の常電導体層中のクーパー対の分布を印加磁界で変
える複数の超電導体と常電導体層の直列接続、つまり超
電導体−常電導体層−超電導体−常電導体層……超電導
体のように直列接続することで、印加磁界に対し大きい
抵抗変化が得られる高感度の超電導磁気抵抗素子を構成
することが可能になる。
超電導体から常電導体中へのクーパー対しみ出しの減
衰長は、その常電導体のキャリャーの濃度や移動度など
によって変えることもできるので、使用する常電導体に
よって、その層の厚さを変えることもできる。また、超
電導体を選択することでエネルギギャップやコヒーレン
ス長などを変えることもできる。従って、使用する常電
導体や超電導体の種類により、作製した超電導磁気抵抗
素子の特性を変えることもできる。
衰長は、その常電導体のキャリャーの濃度や移動度など
によって変えることもできるので、使用する常電導体に
よって、その層の厚さを変えることもできる。また、超
電導体を選択することでエネルギギャップやコヒーレン
ス長などを変えることもできる。従って、使用する常電
導体や超電導体の種類により、作製した超電導磁気抵抗
素子の特性を変えることもできる。
＜作用＞ 本発明による超電導磁気抵抗素子は、超電導体に介在
させた超電導体層の近接効果超電導電流が弱い印加磁界
でも影響を受けることを利用し、抵抗の変化の大きさ
は、介在させる常電導層の段数で調整することもでき
る。更に、クーパー対の減衰長の長い常電導体を用いる
ことで、超電導体に介在させる常電導体を厚くでき仕様
条件から本発明の素子の作製を容易にできること、及
び、この常電導体層の厚さで本発明の素子の磁界に対す
る感度を調整することもできる。
させた超電導体層の近接効果超電導電流が弱い印加磁界
でも影響を受けることを利用し、抵抗の変化の大きさ
は、介在させる常電導層の段数で調整することもでき
る。更に、クーパー対の減衰長の長い常電導体を用いる
ことで、超電導体に介在させる常電導体を厚くでき仕様
条件から本発明の素子の作製を容易にできること、及
び、この常電導体層の厚さで本発明の素子の磁界に対す
る感度を調整することもできる。
＜実施例＞ 本発明の実施例を図面を参照して説明する。
作製した本実施例の超電導磁気抵抗素子の構成を第１
図にした。第１図（ａ）は素子の部分的平面図で基板１
の上に直列に配置した超電導体３の間を常電導金属４で
結合し、超電導体のクーパー対を常電導体へしみ込ませ
る近接効果を利用する構成にしている。第１図（ｂ）
は、その（ａ）のＸ−Ｘ′断面図であり、超電導体３の
間に常電導体４を充填していることを示している。
図にした。第１図（ａ）は素子の部分的平面図で基板１
の上に直列に配置した超電導体３の間を常電導金属４で
結合し、超電導体のクーパー対を常電導体へしみ込ませ
る近接効果を利用する構成にしている。第１図（ｂ）
は、その（ａ）のＸ−Ｘ′断面図であり、超電導体３の
間に常電導体４を充填していることを示している。
第２図は、本実施例の作製工程を示す部分拡大断面図
であり、その（ａ）図は、（100）面のマグネシア（Mg
O）基板１にY1Ba2Cu3OX酸化物超電導体結膜２を作製し
た図である。超電導膜２は、基板１を650℃に加熱し、
かつ、その基板の近傍を約5mTorrの酸化雰囲気に保ち、
一方、原料のY,Ba及びCuを電子ビーム加熱で着発させ、
基板１に達する前に酸化させることでY1Ba2Cu3OXの組成
で0.5μｍの薄膜２に形成している。作製した超電薄膜
２の臨界温度（TC）は80Kであり、その臨界電流（JC）
は77Kで２×105A/cm2であった。
であり、その（ａ）図は、（100）面のマグネシア（Mg
O）基板１にY1Ba2Cu3OX酸化物超電導体結膜２を作製し
た図である。超電導膜２は、基板１を650℃に加熱し、
かつ、その基板の近傍を約5mTorrの酸化雰囲気に保ち、
一方、原料のY,Ba及びCuを電子ビーム加熱で着発させ、
基板１に達する前に酸化させることでY1Ba2Cu3OXの組成
で0.5μｍの薄膜２に形成している。作製した超電薄膜
２の臨界温度（TC）は80Kであり、その臨界電流（JC）
は77Kで２×105A/cm2であった。
以上のように作製した超電導膜２は、電子線によるホ
トリソグラフィと塩素Clガスを用いた反応性スパッタリ
ングにより、少なくともその両端に配置した部分を除い
て、第２図（ｂ）に示した超電導薄膜を幅５μｍ、長さ
10μｍの微細片３を直列弱結合部が微細間隔0.5μｍに
なるように形成した。この結合部分は電子ビーム蒸着と
リフトオフの方法を用いることにより第２図（ｃ）のよ
うに厚さ0.3μｍの金（Au）薄膜４で結合し、超電導体
片３と超電導体片３の間を直列に弱結合した。以上のよ
うに直列に弱結合した超電導体片の両端の超電導片に、
電子ビーム蒸着とリフトオフの方法により第２図（ｄ）
のようにチタン（Ti）の厚さ0.5μｍ薄膜からなるバイ
アス電流電極5,及び、素子が発生した電圧を検出する電
圧電極６を形成した。
トリソグラフィと塩素Clガスを用いた反応性スパッタリ
ングにより、少なくともその両端に配置した部分を除い
て、第２図（ｂ）に示した超電導薄膜を幅５μｍ、長さ
10μｍの微細片３を直列弱結合部が微細間隔0.5μｍに
なるように形成した。この結合部分は電子ビーム蒸着と
リフトオフの方法を用いることにより第２図（ｃ）のよ
うに厚さ0.3μｍの金（Au）薄膜４で結合し、超電導体
片３と超電導体片３の間を直列に弱結合した。以上のよ
うに直列に弱結合した超電導体片の両端の超電導片に、
電子ビーム蒸着とリフトオフの方法により第２図（ｄ）
のようにチタン（Ti）の厚さ0.5μｍ薄膜からなるバイ
アス電流電極5,及び、素子が発生した電圧を検出する電
圧電極６を形成した。
以上の第２図で示した作製プロセスによる実施例の超
電導体磁気抵抗素子に0.1mAの直流バイアス電流を流し
て、印加磁界の強さと、素子に発生する電圧から算出し
た抵抗値の関連を示したのが、第３図である。第３図の
横軸は素子に印加した磁束密度，縦軸は素子に発生した
抵抗値である。
電導体磁気抵抗素子に0.1mAの直流バイアス電流を流し
て、印加磁界の強さと、素子に発生する電圧から算出し
た抵抗値の関連を示したのが、第３図である。第３図の
横軸は素子に印加した磁束密度，縦軸は素子に発生した
抵抗値である。
この第３図から分るように、本発明の磁気抵抗素子
は、微弱な磁界に於ける磁界の変化に対して急峻な抵抗
値の変化する高感度の特性を示している。
は、微弱な磁界に於ける磁界の変化に対して急峻な抵抗
値の変化する高感度の特性を示している。
以上の特性は、従来の半導体や磁性体などの磁気抵抗
素子のように、弱い磁界では感度の悪い２次曲線に沿う
特性（第５図に示した特性）と異なり微弱な磁界に対し
ても高い感度をもち、精度のよい検出ができることを示
している。第３図の磁界−抵抗特性をもつ本実施例の超
電導磁気抵抗素子では、磁界に対する最大抵抗変化率
（感度）が７×103Ω/Gaussになった。従って、前記の
測定条件に於ては約1V/ガウスの感度に相当し、最小電
圧検出レベルが0.1μＶの電圧検出装置を用いることに
より10-7ガウスのレベルの微小磁界の検出も可能である
ことを示した。
素子のように、弱い磁界では感度の悪い２次曲線に沿う
特性（第５図に示した特性）と異なり微弱な磁界に対し
ても高い感度をもち、精度のよい検出ができることを示
している。第３図の磁界−抵抗特性をもつ本実施例の超
電導磁気抵抗素子では、磁界に対する最大抵抗変化率
（感度）が７×103Ω/Gaussになった。従って、前記の
測定条件に於ては約1V/ガウスの感度に相当し、最小電
圧検出レベルが0.1μＶの電圧検出装置を用いることに
より10-7ガウスのレベルの微小磁界の検出も可能である
ことを示した。
以上では、本発明の実施例にＹ−Ba−Cu−Ｏ酸化物超
電導体を用いたが、超電導体はNbやPbなどの元素系,Nb
−GeやNb−Alなどの合金系，又は、Bi−Sr−Ca−Cu−O,
又はTl−Ba−Ca−Cu−Ｏなどの酸化物系を用いてもよ
い。
電導体を用いたが、超電導体はNbやPbなどの元素系,Nb
−GeやNb−Alなどの合金系，又は、Bi−Sr−Ca−Cu−O,
又はTl−Ba−Ca−Cu−Ｏなどの酸化物系を用いてもよ
い。
弱結合に用いたAuも、Ag又はTiなどの金属、又はGeや
Siなどの半導体を用いることもできる。
Siなどの半導体を用いることもできる。
以上のように超電導体や弱結合材料などの材料の変
更、又は、弱結合部の間隔や幅などの寸法や、段数を変
えることで作製した超電導磁気抵抗素子の感度や出力を
制御することができる。
更、又は、弱結合部の間隔や幅などの寸法や、段数を変
えることで作製した超電導磁気抵抗素子の感度や出力を
制御することができる。
＜発明の効果＞ 本発明の超電導磁気抵抗素子は、非磁性の基板上に作
製した超電導薄膜を微細加工技術により微少間隔をあけ
て直列に配置した小片にして、その微少間隔を超電導体
からの近接効果による超電導電子で弱結合させる常電導
体を充填し、直列に接続し、その両端の超電導体片に、
バイアス電流印加の電流電極と、素子に発生した電圧を
検出する電圧電極をそれぞれ１対ずつ設けた構成であ
る。この構成では、超電導体に介在した常電導体部には
微少な磁界でも容易に侵入してクーパー対のしみだしを
矩くするので、弱い磁界の変化にも急峻な抵抗変化を呈
する高感度の磁気抵抗素子にすることができる。また、
超電導体の間隔の長さ、又は、そこに介在させる常電導
体の種類を変えることにより、作製した超電導磁気抵抗
素子の感度を変えることができ、更に、超電導弱結合の
段数によってその素子の出力の大きさを調整することも
できる。従って、微弱な磁界の検出を行なう工業や医療
の分野に広く応用できるようになった。
製した超電導薄膜を微細加工技術により微少間隔をあけ
て直列に配置した小片にして、その微少間隔を超電導体
からの近接効果による超電導電子で弱結合させる常電導
体を充填し、直列に接続し、その両端の超電導体片に、
バイアス電流印加の電流電極と、素子に発生した電圧を
検出する電圧電極をそれぞれ１対ずつ設けた構成であ
る。この構成では、超電導体に介在した常電導体部には
微少な磁界でも容易に侵入してクーパー対のしみだしを
矩くするので、弱い磁界の変化にも急峻な抵抗変化を呈
する高感度の磁気抵抗素子にすることができる。また、
超電導体の間隔の長さ、又は、そこに介在させる常電導
体の種類を変えることにより、作製した超電導磁気抵抗
素子の感度を変えることができ、更に、超電導弱結合の
段数によってその素子の出力の大きさを調整することも
できる。従って、微弱な磁界の検出を行なう工業や医療
の分野に広く応用できるようになった。
第１図は本発明の基本実施例の平面と断面の部分拡大
図、第２図は実施例の素子の作製プロセスを示す部分断
面図、第３図は実施例の素子の磁界−抵抗特性図、第４
図は半導体磁気抵抗素子の特性図、第５図は従来の磁気
抵抗素子の特性を示した図である。 １は基板、２は４、３は超電導体片、 ４はAu膜、５は電流電極、６は電圧電極。
図、第２図は実施例の素子の作製プロセスを示す部分断
面図、第３図は実施例の素子の磁界−抵抗特性図、第４
図は半導体磁気抵抗素子の特性図、第５図は従来の磁気
抵抗素子の特性を示した図である。 １は基板、２は４、３は超電導体片、 ４はAu膜、５は電流電極、６は電圧電極。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−130182（ＪＰ，Ａ) ５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｆｕｔｕｒ ｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ “Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｏｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｅ ｌｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ” Ｊ ｕｎｅ ２−４，1988，Ｍｉｙａｇｉ− Ｚａｏ，Ｐ．157−160 笛木和雄・北沢宅一編 「酸化物超電 導体の化学」 （昭63−４−10） 講談 社 Ｐ．227−231
Claims (2)
- 【請求項１】均一幅を有する薄膜超電導体片間の均一な
微小間隔に常電導体を介在させて成る近接効果による複
数の弱結合部が、非磁性の基板上に直列接続され配置さ
れて構成されることを特徴とする超電導磁気抵抗素子。 - 【請求項２】前記超電導体が、酸化物超電導体であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の超電導磁気抵抗素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1025992A JP2698642B2 (ja) | 1989-02-03 | 1989-02-03 | 超電導磁気抵抗素子 |
| DE69015655T DE69015655T2 (de) | 1989-02-03 | 1990-02-05 | Supraleitende magnetoresistive Anordnung. |
| EP90301176A EP0381541B1 (en) | 1989-02-03 | 1990-02-05 | Superconductive magnetoresistive device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1025992A JP2698642B2 (ja) | 1989-02-03 | 1989-02-03 | 超電導磁気抵抗素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02205784A JPH02205784A (ja) | 1990-08-15 |
| JP2698642B2 true JP2698642B2 (ja) | 1998-01-19 |
Family
ID=12181212
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1025992A Expired - Fee Related JP2698642B2 (ja) | 1989-02-03 | 1989-02-03 | 超電導磁気抵抗素子 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0381541B1 (ja) |
| JP (1) | JP2698642B2 (ja) |
| DE (1) | DE69015655T2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006080571A1 (en) * | 2005-01-31 | 2006-08-03 | Canon Kabushiki Kaisha | Magnetic sensor |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05129671A (ja) * | 1991-10-31 | 1993-05-25 | Sharp Corp | 超電導磁気抵抗効果素子およびその製造方法 |
| JPH05196715A (ja) * | 1991-12-20 | 1993-08-06 | Sharp Corp | 超電導磁気センサ |
| FR2710753B1 (fr) * | 1993-09-27 | 1995-10-27 | Commissariat Energie Atomique | Capteur de courant comprenant un ruban magnétorésistif et son procédé de réalisation. |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4454522A (en) * | 1981-11-05 | 1984-06-12 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Microbridge superconducting device having support with stepped parallel surfaces |
| US4851944A (en) * | 1987-02-17 | 1989-07-25 | Magnetic Peripherals Inc. | Ganged MR head sensor |
-
1989
- 1989-02-03 JP JP1025992A patent/JP2698642B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1990
- 1990-02-05 DE DE69015655T patent/DE69015655T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1990-02-05 EP EP90301176A patent/EP0381541B1/en not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｆｕｔｕｒｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ "Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｏｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ" Ｊｕｎｅ ２−４，１９８８，Ｍｉｙａｇｉ−Ｚａｏ，Ｐ．１５７−１６０ |
| 笛木和雄・北沢宅一編 「酸化物超電導体の化学」 （昭６３−４−１０） 講談社 Ｐ．２２７−２３１ |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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