超导磁阻器件的制作方法

专利名称：超导磁阻器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性传感器的超导磁阻器件。
在半导体器件中利用霍尔效应或磁阻效应的磁性传感器或者在磁性材料中利用磁阻效应的磁性传感器通常被广泛地用于探测或测量磁场。前一种传感器的灵敏度能够探测大约10-2高斯的磁场，而后一种传感器的灵敏度约为10-3高斯。
然而，传统的磁性传感器有下述的许多缺点。
即使在没有施加磁场的情况下，这些传感器仍然有较大的电阻率Ro。
电阻与磁场之比的每一个变化都由具有离心率小的抛物线表示，如

图1所定性表示的。由于电阻增量△R的增加是与所施加的磁场的磁通密度B的平方成正比的，因此这个增量相对于一个弱磁场(例如，几十高斯)就是一个十分小的量。所以增量△R与电阻率Ro之比(△R/Ro)最多只有1%的量级。
与此相反，应用具有约瑟夫逊结的SQIUD(超导量子干涉器件)的磁性传感器被认为具有很高的灵敏度，能够探测十分弱的大约10-10高斯的磁场。隧道结、点接触和微桥结构被认为是约瑟夫逊结。
然而，这种磁性传感器在制造中具有相当精细的结构，需要十分复杂的操作。也就是说，虽然它具有十分高的灵敏度，但用它通常是不实际的。
在片冈(Kataoka)等人于1988年7月29日申请的、并将转让给夏普株式会社的一份共同申请中，提出了一种超导磁阻器件，它包括其晶粒边界能够起弱耦合作用的超导材料和能够利用对材料施加磁场时所引起的电阻变化的装置。
如图2所示，超导材料由晶粒1和围绕晶粒的晶粒边界2组成。这种无序的晶粒边界2被认为或者被假设为形成许多包括隧道结、点接触结和微桥结的弱耦合3，如图3中的等效网络电路所示。在它的超导相中，分立的库珀(Cooper)对能够自由地穿过弱耦合3(约瑟夫逊结)，因此电阻变为零。当对超导体施加磁场时，一些约瑟夫逊结3被破坏，因此超导体具有一定电阻。由于超导体具有晶粒边界，它可以采用一种Y-Ba-Cu-O陶瓷超导体，这种陶瓷的临界温度约为90K。
图4显示了在共同申请中所披露的磁性传感器系统的一个实例。
在这个系统中，由Y-Ba-Cu-O陶瓷超导材料构成的1X7X0.7mm3的长方形器件4被浸在液氮中(77K)。由电源9通过形成于两端的电极5和6提供电流，测量两个电极7和8之间的电压，以监测施加磁场B时的电阻变化。
图5示出测量结果。由此可以明显看出器件4的电阻是随所施加的电流强度I和磁场B的强度而变化的。这个系统的优点之一是器件的电阻率在超导相中等于零。另一个优点是器件的电阻变化很陡。因此，可以获得对磁场很高的灵敏度。
然而，在这一系统中存在着一个问题，即由于灵敏度十分精确，使得磁性传感器能够感受到电流流过器件时的感生磁场。为了避免这一问题，需要形成条形器件，如图7所示。然而，这种条形器件感生一种正比于其长度的磁场。这一磁场使得待测的外磁场强度的测量产生误差。
本发明的一个目的是为磁性传感器系统提供一种超导磁阻器件，它具有由电流流过器件时所诱发的磁场不影响待测外磁场的结构。
本发明的另一个目的是提供一种能够探测具有一维或二维分布的磁场的磁性传感器。
为达此目的，本发明提供一种用于探测外磁场的传感系统的超导磁阻器件，其中当温度保持在接近形成超导体的临界温度时，施加电流，在施加外磁场时，监测由所加的磁场引起的电阻变化，以测量所施加的磁场，其特征在于，所说的器件被如此地形成，以使其具有为电流流动提供通道的预定图形，所说的图形包括紧凑形成的部分，这些部分彼此平行，使得各自电流流过部分时所感生的磁场能够彼此抵消。
按照本发明的另一个目的提供一个用来探测外磁场的传感器系统，该系统包括多个超导磁阻器件，为所说的器件提供电流的电源装置，为将所说的器件的温度降到接近形成每一个器件超导体的临界温度的致冷装置，监测每一个器件的电阻变化的监测装置，其特征在于，所说的各个器件被如此地安排，以使其形成预定图形。
参照下列附图，可使本领域普通技术人员能更好地理解本发明的若干目的和优点。
图1示出传统磁性传感器的磁阻特性;
图2示出按照本发明形成超导磁阻器件的陶瓷超导体的放大剖面图;
图3示出在图2所示的陶瓷超导体中形成的弱耦合的网络等效电路图;
图4示出共同申请(美国系列号NO226067)中公开的磁性传感器;
图5示出图4所示磁性传感器的磁阻特性;
图6示出按照本发明的磁性传感器系统的透视图;
图7示出用于图6所示磁性传感器系统的超导磁阻器件的放大透视图;
图8和图9分别示出超导磁阻器件的另外的实例的平面图;
图10示出层状结构的超导磁阻器件的透视图;
图11示出按照本发明的另一个超导磁阻器件的放大剖面图;
图12示出图11所示器件的磁阻特性;
图13(Ⅰ)、13(Ⅱ)和13(Ⅲ)分别示出为监测外磁场图形的多个超导磁阻器件的陈列结构的平面图;
图14示出为监测磁场强度和方向的多个超导磁阻器件的三维陈列示意图;
图15示出按照本发明具有致冷装置的磁性传感器的侧视图;
图16示出按照本发明适合于监测外磁场定向的磁性传感器的正视图;
图17示出用于图16所示磁性传感器的超导磁阻器件的正视图;
图18(a)、18(b)和18(c)示出图16所示磁性传感器效应的解释图。
图6中示出了本发明的磁性传感器系统。
磁性传感器系统包括安置在由非磁性材料制成的外壳12中的超导磁阻器件11，为使器件11保持在超导状态而用高压氮气将其冷却的致冷装置13，为器件11提供恒定电流的电路14，为监测器件11中产生的电压的监测电路15，以及控制恒定电流发生电路和处理从电压监测电路15中输出的数据的微机16。所处理的数据由显示器17显示出来。
当给器件11施加一沿箭头B所指示方向的外磁场B时，监测电路15测量器件11中产生的电压，所测量的电压由微机16处理，以使其给出所施加的磁场强度。
图7显示出超导磁阻器件11。
器件11包括氧化铝(Al2O3)衬底21和在衬底21上形成的超导磁阻元件22。元件22是用喷射法在衬底21上形成的一层Y-Ba-Cu-O陶瓷超导体薄膜。
元件22有两个条形部分22a和22b，它们相互平行延伸，间离很小，这一距离由在相应端的连接培分22c连接。在条形部分22a和22b的各自的自由端，为给器件11提供电流的电极23a和23b是通过淀积Ti的方法形成的。引线24a和24b与电极23a和23b相连接，以便从恒定电流供给电路14，给器件11施加恒定电流。然后，在器件11的电流电极23a和23b附近形成一对电极25a和25b，用以测量器件11产生的电压。两个引线26a和26b分别从电压监测电路15连接到电极25a和25b上。
当将恒定电流I施加到电极23a上时，恒定电流沿箭头L所示方向流过第一条形部分22a，然后经连接部分22c，从第二条形部分22b，沿箭头M所示方向流回电极23b。
由于第一条形部分22a与第二条形部分22b之间的距离很小，所以以不同方向流过第一条形部分22a和第二条形部分22b的电流所感生的磁场互相抵消。因此，待测的外磁场不会受到第一条形部分22a和第二条形部分22b所感生的磁场的影响。于是，器件11可以精确地监测出外磁场B的强度。
用具有临界温度为90-100K的Y-Ba-Cu-O超导材料形成超导元件22。这种材料是采用喷射法淀积到Al2O3衬底上的，以形成厚度为10μm薄膜。将这种薄膜在大气中加热到900℃，然后逐渐冷却。如此获得的组份为Y1Ba2Cu3O7-X(0＜X≤1)。将这层薄膜进行刻蚀，以在衬底21上形成元件22。
用于器件的薄膜可用多种方法制备，诸如真空蒸发法、CVD法、喷涂超导材料组分的溶剂的喷涂法及其它类似方法。用硅或钛酸钡(Ba2TiO4)制成的衬底适于作器件11的衬底。
超导磁阻器件的灵敏度被认为是由它所包含的晶粒的半径和晶粒间界的状态所决定的。
陶瓷超导材料也可以采用下述的烧结法制成。
将Y2O3、BaCO3和CuO粉末以预定的比例称出，以获得Y1Ba2Cu3O7-X(0＜X＜1)的组份，将这些粉末研磨并混合后，将如此混合的样品在900℃的大气中烧结5小时。然后，将样品压碎并研磨成直径小于等于1μm的微粒。然后，将粉末冷压成样品。最后，将样品置于1000℃的大气中烧结3小时。
上述烧结所形成的超导磁阻器件的灵敏度通常取决于粉碎后的微粒半径。
与烧结方法不同，用淀积方法形成的超导薄膜的晶粒的直径基本上取决于衬底温底。
在最佳实施例中，陶瓷超导薄膜是在温度为300到400℃时，在衬底上通过喷射方法形成的，在950℃的大气中烧结淀积的膜，然后逐渐冷却。
用激光束、电子束或离子束照射薄膜的除图形以外的部分，使被照部分变成正常导体状态。
图8和图9显示出器件所需要的图形。
图8所示图形具有图7所示的四个基本图形，依次平行排列。这种图形的电流通道的长度是基本图形的四倍。因此在电流相同的情况下，这种图形可获得四倍的输出电压。基本图形的数目可以任意改变。
图9所示图形具有五个依次连接的平行部分，这种图形的电流通道大约是基本图形的五倍。
具有能够抵消由相应条形部分感生的磁场的结构的图形，不仅可以由平面图形来实现，而且可以由叠式或层式结构来实现。
图10示出叠式结构的例子。
在这个例子中，器件31由第一元件32和第二元件33以及夹在中间的绝缘膜34组成。
在衬底35和36上各自形成第一元件32和第二元件33的由超导磁阻材料构成的条形图形。如图10中的虚线所示部分。所形成的第一元件32和第二元件33的图形彼此相同。
第一元件32和第二元件33的图形的每一个端都通过绝缘膜34上的孔37进行相互电连接。
在这些图形的另一端分别形成电极38和39，以便从恒定电流电路14提供恒定电流。电极38通过孔40穿到第一衬底35的上表面外。
在这种结构中，通过第一元件32与通过第二元件33的电流方向彼此相反，因此沿第一元件32电流通道和沿第二元件33电流通道所感生的磁场被完全相互抵消。
图11示出具有一种层式结构的器件50的另一种实例。
在这一结构中，一层接一层地淀积从51到56六个超导磁阻材料层，每一对相邻层之间夹有绝缘层57，以使它们彼此之间除端部外互相绝缘。隔开上对邻层的绝缘层57与隔开下对邻层的绝缘层57从相反两端向内延伸。因此，在器件50中形成折叠的电流通路，在最低层51和最高层56上分别形成从恒定电流电路14供给的恒定电流I的电极58a和58b，以及由监测电路(如电位差计15)来测量器件50所产生的电压的电极59a和59b。
由于相邻层上的电流是以相反的方向流动的，通过相邻层由相应的电流所感生的磁场能够被完全抵消。
这种结构特别有利于待测的输出电压或电阻与器件所施加的电流强度无依赖关系的情况，因为在器件50中没有内部磁场产生，因此，器件的电阻仅取决于所施加的外磁场。
图12为利用具有图11所示结构的器件50所获得的测量结果。在电流为0.1mA时所获得的磁阻特性与电流为0.01mA时所获得的磁阻特性大体上一致。
图13(Ⅰ)和图13(Ⅱ)分别示出一维的和二维的磁阵列传感器。
在一维磁阵列传感器中，多个超导磁阻器件61-1到61-n彼此并联连接到与电源相接的导线62和63上。
电阻64与每一个器件串联，从每个器件和每个电阻之间的部分抽出一个输出端65。
当对传感器施加一维图形的磁场时，根据传感器的61-1～61-n分立器件的输出数据监测此图形。具有示于图7到图11中任一图形的器件都适于用作传感器中的器件。然而，示于图4中的超导磁阻器件能被用作传感器的器件。
如图13(Ⅱ)所示的二维磁阵列传感器中，多个超导磁阻器件排列成矩阵形式。
在这种情况下，根据分立器件的输出数据可监测二维磁图形。
图13(Ⅲ)示出二维磁性传感器的另一个例子。
在这个磁性传感器中，多个列向器件71-1到71-m以预定的间距形成在衬底(未示出)上。多个行向器件81-1到81-n以预定的间距形成，并与列向器件71-1到71-m一起形成点阵。每个行向器件和每个列向器件在彼此交叠处互相绝缘。
列向器件的一个独立端被连接到电源线75上，行向器件的一个独立端被连接到另一电源线85上，每个列向器件的另一端经电阻77分别连接在电源的另一个终端76-1到76-m上。同样，每个行向器件的另一端经电阻87分别连接在电源的另一个终端86-1到86-n上。每个输出端78-1到78-m分别从电阻77与每个列向器件之间的部位抽出。同样，每个输出端88-1到88-n分别从电阻87与每个行向器件之间的部位抽出。
当由虚线圆圈H所示的磁场施加到传感器时，只有第二列向终端78-2和第二行向终端88-2两个输出端输出相应的数据。因此，对二维磁场的监测是通过列向和行向终端的逐次扫描进行的。
通过提供相应的开关装置，选通任意一个列向器件和任意一个行向器件，可以将电源施加到任意一对列向器件和行向器件上。如果一对第i列器件71-i和第j行器件81-j被开启，则流过每一个器件的电流所感生的磁场施加到另一个器件上，而相互作为偏置磁场。由于此点，通过应用内部偏置磁场来监测施加在一个选择的交叉点上的外磁场是可能的。
在图14中示出一个三维磁性传感器。在这个传感器中，三个超导磁阻器件91、92和93分别沿三个直角坐标轴X、Y和Z排列。
当外磁场HM施加于磁性传感器时，其方向和强度可以根据从分立器件91、92和93输出的相应数据来计算。
图15示出冷却应用珀尔帕效应的器件11的致冷装置，它应用两层珀尔帖器件形成串级结构。
在图15中，标号41表示热辐射金属板，标号42表示冷金属板，标号43表示绝缘体，标号44a和44b分别表示P型和N型半导体器件。标号45表示热辐射衬底。
图16示出另一个磁性传感器101的实例。
这个传感器101包括两个高导磁率材料组成的棒状元件102和102′，以及夹在元件102和102′之间的超导磁阻器件103。如图17所示，器件103包括衬底105和淀积其上的超导磁阻材料构成的折迭型元件106。从在折迭型元件106的相应的两端形成的一对电极107a和107b施加恒定电流。
当磁性传感器的方向与磁场磁通的方向平行时，如图18(a)所示，磁通被会聚在棒状元件102和102′中，所以给器件103施加了一个强磁场，以使在器件中产生高阻。
与此相反，如果磁性传感器的方向与磁场磁通方向成ψ角倾斜，如图18(b)所示，在棒状元件102和102′中会聚的磁通就不会很多，所以施加到器件103的磁场就相当弱。如果磁性传感器的方向与磁场磁通相垂直，如图18(C)所示，那么，所有的磁通都自由地通过棒状元件102和102′，所以没有磁场施加到器件103上。因此，可根据器件103输出的数据，来监测磁场相对于磁性传感器的方向。
可以理解，在不超出本发明的范围和构思的前提下的各种其它改形，对本领域普通技术人员来说，是明显的、容易的。因此，并不意味着附在其后的权利要求书的范围受所提交的说明书的限制，而应把权利要求书看作包含了存在于本发明中的全部可专利的新颖性的特征，并包括被本领域普通技术人员认为是从属于本发明的全部等效特征。
权利要求
1.一种在传感器系统中用来探测外磁场的超导磁阻器件，其中在使器件保持接近形成超导材料的临界温度情况下，为所说的器件提供电流，在为其施加外磁场时，监测由所施加的磁场导致的电阻变化，以便测量所施加的磁场，其特征在于按预定图形形成上述器件，所说的图形为所施加的电流提供了电流通道。所说的图形中包含彼此紧凑且相互平行的部分，以使流过上述部分的相应电流所产生的磁场能互相抵消。
2.按照权利要求1所述的超导磁阻器件，其中所说的图形在一平面上形成。
3.按照权利要求2所述的超导磁阻器件，其中所说的图形在衬底上用淀积法形成。
4.按照权利要求1所述的超导磁阻器件，其中所说的图形在交叉部分以层状结构形成。
5.一种为检测外磁场的传感器系统，包括多个超导磁阻器件，为所说的每个器件提供恒定电流的电源装置，为使所说的器件的温度降到使每个器件形成超导材料的临界温度的致冷装置，为探测每个器件的电阻变化的探测装置，其特征在于所说的多个器件被排列成预定的图形。
6.按照权利要求5的传感器系统，其中所说的图形具有一维阵列。
7.按照权利要求5的传感器系统，其中所说的图形具有二维阵列。
8.按照权利要求5的传感器系统，其中所说的图形包括由多个行向元件和列向元件彼此垂直所形成的矩阵图形。
9.按照权利要求5的传感器系统，其中所说的图形具有三维阵列。
全文摘要
一种在传感器系统中用来探测外磁场的超导磁阻器件，它具有为电流提供流动通道的预定图形，该图形包括彼此紧凑且互相平行的部分，使得相应的电流流过该部分时所产生的硫场互相抵消。
文档编号G01R33/06GK1035180SQ8810926
公开日1989年8月30日 申请日期1988年12月24日 优先权日1987年12月25日
发明者片冈照荣, 野岛秀雄, 土本修平, 喜多隆介, 斎藤贤 申请人:夏普公司