專利名稱：超導磁阻器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁性傳感器的超導磁阻器件。
在半導體器件中利用霍爾效應或磁阻效應的磁性傳感器或者在磁性材料中利用磁阻效應的磁性傳感器通常被廣泛地用于探測或測量磁場。前一種傳感器的靈敏度能夠探測大約10-2高斯的磁場，而后一種傳感器的靈敏度約為10-3高斯。
然而，傳統(tǒng)的磁性傳感器有下述的許多缺點。
即使在沒有施加磁場的情況下，這些傳感器仍然有較大的電阻率Ro。
電阻與磁場之比的每一個變化都由具有離心率小的拋物線表示，如

圖1所定性表示的。由于電阻增量△R的增加是與所施加的磁場的磁通密度B的平方成正比的，因此這個增量相對于一個弱磁場(例如，幾十高斯)就是一個十分小的量。所以增量△R與電阻率Ro之比(△R/Ro)最多只有1%的量級。
與此相反，應用具有約瑟夫遜結的SQIUD(超導量子干涉器件)的磁性傳感器被認為具有很高的靈敏度，能夠探測十分弱的大約10-10高斯的磁場。隧道結、點接觸和微橋結構被認為是約瑟夫遜結。
然而，這種磁性傳感器在制造中具有相當精細的結構，需要十分復雜的操作。也就是說，雖然它具有十分高的靈敏度，但用它通常是不實際的。
在片岡(Kataoka)等人于1988年7月29日申請的、并將轉讓給夏普株式會社的一份共同申請中，提出了一種超導磁阻器件，它包括其晶粒邊界能夠起弱耦合作用的超導材料和能夠利用對材料施加磁場時所引起的電阻變化的裝置。
如圖2所示，超導材料由晶粒1和圍繞晶粒的晶粒邊界2組成。這種無序的晶粒邊界2被認為或者被假設為形成許多包括隧道結、點接觸結和微橋結的弱耦合3，如圖3中的等效網絡電路所示。在它的超導相中，分立的庫珀(Cooper)對能夠自由地穿過弱耦合3(約瑟夫遜結)，因此電阻變?yōu)榱?。當對超導體施加磁場時，一些約瑟夫遜結3被破壞，因此超導體具有一定電阻。由于超導體具有晶粒邊界，它可以采用一種Y-Ba-Cu-O陶瓷超導體，這種陶瓷的臨界溫度約為90K。
圖4顯示了在共同申請中所披露的磁性傳感器系統(tǒng)的一個實例。
在這個系統(tǒng)中，由Y-Ba-Cu-O陶瓷超導材料構成的1X7X0.7mm3的長方形器件4被浸在液氮中(77K)。由電源9通過形成于兩端的電極5和6提供電流，測量兩個電極7和8之間的電壓，以監(jiān)測施加磁場B時的電阻變化。
圖5示出測量結果。由此可以明顯看出器件4的電阻是隨所施加的電流強度I和磁場B的強度而變化的。這個系統(tǒng)的優(yōu)點之一是器件的電阻率在超導相中等于零。另一個優(yōu)點是器件的電阻變化很陡。因此，可以獲得對磁場很高的靈敏度。
然而，在這一系統(tǒng)中存在著一個問題，即由于靈敏度十分精確，使得磁性傳感器能夠感受到電流流過器件時的感生磁場。為了避免這一問題，需要形成條形器件，如圖7所示。然而，這種條形器件感生一種正比于其長度的磁場。這一磁場使得待測的外磁場強度的測量產生誤差。
本發(fā)明的一個目的是為磁性傳感器系統(tǒng)提供一種超導磁阻器件，它具有由電流流過器件時所誘發(fā)的磁場不影響待測外磁場的結構。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能夠探測具有一維或二維分布的磁場的磁性傳感器。
為達此目的，本發(fā)明提供一種用于探測外磁場的傳感系統(tǒng)的超導磁阻器件，其中當溫度保持在接近形成超導體的臨界溫度時，施加電流，在施加外磁場時，監(jiān)測由所加的磁場引起的電阻變化，以測量所施加的磁場，其特征在于，所說的器件被如此地形成，以使其具有為電流流動提供通道的預定圖形，所說的圖形包括緊湊形成的部分，這些部分彼此平行，使得各自電流流過部分時所感生的磁場能夠彼此抵消。
按照本發(fā)明的另一個目的提供一個用來探測外磁場的傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個超導磁阻器件，為所說的器件提供電流的電源裝置，為將所說的器件的溫度降到接近形成每一個器件超導體的臨界溫度的致冷裝置，監(jiān)測每一個器件的電阻變化的監(jiān)測裝置，其特征在于，所說的各個器件被如此地安排，以使其形成預定圖形。
參照下列附圖，可使本領域普通技術人員能更好地理解本發(fā)明的若干目的和優(yōu)點。
圖1示出傳統(tǒng)磁性傳感器的磁阻特性;
圖2示出按照本發(fā)明形成超導磁阻器件的陶瓷超導體的放大剖面圖;
圖3示出在圖2所示的陶瓷超導體中形成的弱耦合的網絡等效電路圖;
圖4示出共同申請(美國系列號NO226067)中公開的磁性傳感器;
圖5示出圖4所示磁性傳感器的磁阻特性;
圖6示出按照本發(fā)明的磁性傳感器系統(tǒng)的透視圖;
圖7示出用于圖6所示磁性傳感器系統(tǒng)的超導磁阻器件的放大透視圖;
圖8和圖9分別示出超導磁阻器件的另外的實例的平面圖;
圖10示出層狀結構的超導磁阻器件的透視圖;
圖11示出按照本發(fā)明的另一個超導磁阻器件的放大剖面圖;
圖12示出圖11所示器件的磁阻特性;
圖13(Ⅰ)、13(Ⅱ)和13(Ⅲ)分別示出為監(jiān)測外磁場圖形的多個超導磁阻器件的陳列結構的平面圖;
圖14示出為監(jiān)測磁場強度和方向的多個超導磁阻器件的三維陳列示意圖;
圖15示出按照本發(fā)明具有致冷裝置的磁性傳感器的側視圖;
圖16示出按照本發(fā)明適合于監(jiān)測外磁場定向的磁性傳感器的正視圖;
圖17示出用于圖16所示磁性傳感器的超導磁阻器件的正視圖;
圖18(a)、18(b)和18(c)示出圖16所示磁性傳感器效應的解釋圖。
圖6中示出了本發(fā)明的磁性傳感器系統(tǒng)。
磁性傳感器系統(tǒng)包括安置在由非磁性材料制成的外殼12中的超導磁阻器件11，為使器件11保持在超導狀態(tài)而用高壓氮氣將其冷卻的致冷裝置13，為器件11提供恒定電流的電路14，為監(jiān)測器件11中產生的電壓的監(jiān)測電路15，以及控制恒定電流發(fā)生電路和處理從電壓監(jiān)測電路15中輸出的數據的微機16。所處理的數據由顯示器17顯示出來。
當給器件11施加一沿箭頭B所指示方向的外磁場B時，監(jiān)測電路15測量器件11中產生的電壓，所測量的電壓由微機16處理，以使其給出所施加的磁場強度。
圖7顯示出超導磁阻器件11。
器件11包括氧化鋁(Al2O3)襯底21和在襯底21上形成的超導磁阻元件22。元件22是用噴射法在襯底21上形成的一層Y-Ba-Cu-O陶瓷超導體薄膜。
元件22有兩個條形部分22a和22b，它們相互平行延伸，間離很小，這一距離由在相應端的連接培分22c連接。在條形部分22a和22b的各自的自由端，為給器件11提供電流的電極23a和23b是通過淀積Ti的方法形成的。引線24a和24b與電極23a和23b相連接，以便從恒定電流供給電路14，給器件11施加恒定電流。然后，在器件11的電流電極23a和23b附近形成一對電極25a和25b，用以測量器件11產生的電壓。兩個引線26a和26b分別從電壓監(jiān)測電路15連接到電極25a和25b上。
當將恒定電流I施加到電極23a上時，恒定電流沿箭頭L所示方向流過第一條形部分22a，然后經連接部分22c，從第二條形部分22b，沿箭頭M所示方向流回電極23b。
由于第一條形部分22a與第二條形部分22b之間的距離很小，所以以不同方向流過第一條形部分22a和第二條形部分22b的電流所感生的磁場互相抵消。因此，待測的外磁場不會受到第一條形部分22a和第二條形部分22b所感生的磁場的影響。于是，器件11可以精確地監(jiān)測出外磁場B的強度。
用具有臨界溫度為90-100K的Y-Ba-Cu-O超導材料形成超導元件22。這種材料是采用噴射法淀積到Al2O3襯底上的，以形成厚度為10μm薄膜。將這種薄膜在大氣中加熱到900℃，然后逐漸冷卻。如此獲得的組份為Y1Ba2Cu3O7-X(0＜X≤1)。將這層薄膜進行刻蝕，以在襯底21上形成元件22。
用于器件的薄膜可用多種方法制備，諸如真空蒸發(fā)法、CVD法、噴涂超導材料組分的溶劑的噴涂法及其它類似方法。用硅或鈦酸鋇(Ba2TiO4)制成的襯底適于作器件11的襯底。
超導磁阻器件的靈敏度被認為是由它所包含的晶粒的半徑和晶粒間界的狀態(tài)所決定的。
陶瓷超導材料也可以采用下述的燒結法制成。
將Y2O3、BaCO3和CuO粉末以預定的比例稱出，以獲得Y1Ba2Cu3O7-X(0＜X＜1)的組份，將這些粉末研磨并混合后，將如此混合的樣品在900℃的大氣中燒結5小時。然后，將樣品壓碎并研磨成直徑小于等于1μm的微粒。然后，將粉末冷壓成樣品。最后，將樣品置于1000℃的大氣中燒結3小時。
上述燒結所形成的超導磁阻器件的靈敏度通常取決于粉碎后的微粒半徑。
與燒結方法不同，用淀積方法形成的超導薄膜的晶粒的直徑基本上取決于襯底溫底。
在最佳實施例中，陶瓷超導薄膜是在溫度為300到400℃時，在襯底上通過噴射方法形成的，在950℃的大氣中燒結淀積的膜，然后逐漸冷卻。
用激光束、電子束或離子束照射薄膜的除圖形以外的部分，使被照部分變成正常導體狀態(tài)。
圖8和圖9顯示出器件所需要的圖形。
圖8所示圖形具有圖7所示的四個基本圖形，依次平行排列。這種圖形的電流通道的長度是基本圖形的四倍。因此在電流相同的情況下，這種圖形可獲得四倍的輸出電壓。基本圖形的數目可以任意改變。
圖9所示圖形具有五個依次連接的平行部分，這種圖形的電流通道大約是基本圖形的五倍。
具有能夠抵消由相應條形部分感生的磁場的結構的圖形，不僅可以由平面圖形來實現(xiàn)，而且可以由疊式或層式結構來實現(xiàn)。
圖10示出疊式結構的例子。
在這個例子中，器件31由第一元件32和第二元件33以及夾在中間的絕緣膜34組成。
在襯底35和36上各自形成第一元件32和第二元件33的由超導磁阻材料構成的條形圖形。如圖10中的虛線所示部分。所形成的第一元件32和第二元件33的圖形彼此相同。
第一元件32和第二元件33的圖形的每一個端都通過絕緣膜34上的孔37進行相互電連接。
在這些圖形的另一端分別形成電極38和39，以便從恒定電流電路14提供恒定電流。電極38通過孔40穿到第一襯底35的上表面外。
在這種結構中，通過第一元件32與通過第二元件33的電流方向彼此相反，因此沿第一元件32電流通道和沿第二元件33電流通道所感生的磁場被完全相互抵消。
圖11示出具有一種層式結構的器件50的另一種實例。
在這一結構中，一層接一層地淀積從51到56六個超導磁阻材料層，每一對相鄰層之間夾有絕緣層57，以使它們彼此之間除端部外互相絕緣。隔開上對鄰層的絕緣層57與隔開下對鄰層的絕緣層57從相反兩端向內延伸。因此，在器件50中形成折疊的電流通路，在最低層51和最高層56上分別形成從恒定電流電路14供給的恒定電流I的電極58a和58b，以及由監(jiān)測電路(如電位差計15)來測量器件50所產生的電壓的電極59a和59b。
由于相鄰層上的電流是以相反的方向流動的，通過相鄰層由相應的電流所感生的磁場能夠被完全抵消。
這種結構特別有利于待測的輸出電壓或電阻與器件所施加的電流強度無依賴關系的情況，因為在器件50中沒有內部磁場產生，因此，器件的電阻僅取決于所施加的外磁場。
圖12為利用具有圖11所示結構的器件50所獲得的測量結果。在電流為0.1mA時所獲得的磁阻特性與電流為0.01mA時所獲得的磁阻特性大體上一致。
圖13(Ⅰ)和圖13(Ⅱ)分別示出一維的和二維的磁陣列傳感器。
在一維磁陣列傳感器中，多個超導磁阻器件61-1到61-n彼此并聯(lián)連接到與電源相接的導線62和63上。
電阻64與每一個器件串聯(lián)，從每個器件和每個電阻之間的部分抽出一個輸出端65。
當對傳感器施加一維圖形的磁場時，根據傳感器的61-1～61-n分立器件的輸出數據監(jiān)測此圖形。具有示于圖7到圖11中任一圖形的器件都適于用作傳感器中的器件。然而，示于圖4中的超導磁阻器件能被用作傳感器的器件。
如圖13(Ⅱ)所示的二維磁陣列傳感器中，多個超導磁阻器件排列成矩陣形式。
在這種情況下，根據分立器件的輸出數據可監(jiān)測二維磁圖形。
圖13(Ⅲ)示出二維磁性傳感器的另一個例子。
在這個磁性傳感器中，多個列向器件71-1到71-m以預定的間距形成在襯底(未示出)上。多個行向器件81-1到81-n以預定的間距形成，并與列向器件71-1到71-m一起形成點陣。每個行向器件和每個列向器件在彼此交疊處互相絕緣。
列向器件的一個獨立端被連接到電源線75上，行向器件的一個獨立端被連接到另一電源線85上，每個列向器件的另一端經電阻77分別連接在電源的另一個終端76-1到76-m上。同樣，每個行向器件的另一端經電阻87分別連接在電源的另一個終端86-1到86-n上。每個輸出端78-1到78-m分別從電阻77與每個列向器件之間的部位抽出。同樣，每個輸出端88-1到88-n分別從電阻87與每個行向器件之間的部位抽出。
當由虛線圓圈H所示的磁場施加到傳感器時，只有第二列向終端78-2和第二行向終端88-2兩個輸出端輸出相應的數據。因此，對二維磁場的監(jiān)測是通過列向和行向終端的逐次掃描進行的。
通過提供相應的開關裝置，選通任意一個列向器件和任意一個行向器件，可以將電源施加到任意一對列向器件和行向器件上。如果一對第i列器件71-i和第j行器件81-j被開啟，則流過每一個器件的電流所感生的磁場施加到另一個器件上，而相互作為偏置磁場。由于此點，通過應用內部偏置磁場來監(jiān)測施加在一個選擇的交叉點上的外磁場是可能的。
在圖14中示出一個三維磁性傳感器。在這個傳感器中，三個超導磁阻器件91、92和93分別沿三個直角坐標軸X、Y和Z排列。
當外磁場HM施加于磁性傳感器時，其方向和強度可以根據從分立器件91、92和93輸出的相應數據來計算。
圖15示出冷卻應用珀爾帕效應的器件11的致冷裝置，它應用兩層珀爾帖器件形成串級結構。
在圖15中，標號41表示熱輻射金屬板，標號42表示冷金屬板，標號43表示絕緣體，標號44a和44b分別表示P型和N型半導體器件。標號45表示熱輻射襯底。
圖16示出另一個磁性傳感器101的實例。
這個傳感器101包括兩個高導磁率材料組成的棒狀元件102和102′，以及夾在元件102和102′之間的超導磁阻器件103。如圖17所示，器件103包括襯底105和淀積其上的超導磁阻材料構成的折迭型元件106。從在折迭型元件106的相應的兩端形成的一對電極107a和107b施加恒定電流。
當磁性傳感器的方向與磁場磁通的方向平行時，如圖18(a)所示，磁通被會聚在棒狀元件102和102′中，所以給器件103施加了一個強磁場，以使在器件中產生高阻。
與此相反，如果磁性傳感器的方向與磁場磁通方向成ψ角傾斜，如圖18(b)所示，在棒狀元件102和102′中會聚的磁通就不會很多，所以施加到器件103的磁場就相當弱。如果磁性傳感器的方向與磁場磁通相垂直，如圖18(C)所示，那么，所有的磁通都自由地通過棒狀元件102和102′，所以沒有磁場施加到器件103上。因此，可根據器件103輸出的數據，來監(jiān)測磁場相對于磁性傳感器的方向。
可以理解，在不超出本發(fā)明的范圍和構思的前提下的各種其它改形，對本領域普通技術人員來說，是明顯的、容易的。因此，并不意味著附在其后的權利要求書的范圍受所提交的說明書的限制，而應把權利要求書看作包含了存在于本發(fā)明中的全部可專利的新穎性的特征，并包括被本領域普通技術人員認為是從屬于本發(fā)明的全部等效特征。
權利要求
1.一種在傳感器系統(tǒng)中用來探測外磁場的超導磁阻器件，其中在使器件保持接近形成超導材料的臨界溫度情況下，為所說的器件提供電流，在為其施加外磁場時，監(jiān)測由所施加的磁場導致的電阻變化，以便測量所施加的磁場，其特征在于按預定圖形形成上述器件，所說的圖形為所施加的電流提供了電流通道。所說的圖形中包含彼此緊湊且相互平行的部分，以使流過上述部分的相應電流所產生的磁場能互相抵消。
2.按照權利要求1所述的超導磁阻器件，其中所說的圖形在一平面上形成。
3.按照權利要求2所述的超導磁阻器件，其中所說的圖形在襯底上用淀積法形成。
4.按照權利要求1所述的超導磁阻器件，其中所說的圖形在交叉部分以層狀結構形成。
5.一種為檢測外磁場的傳感器系統(tǒng)，包括多個超導磁阻器件，為所說的每個器件提供恒定電流的電源裝置，為使所說的器件的溫度降到使每個器件形成超導材料的臨界溫度的致冷裝置，為探測每個器件的電阻變化的探測裝置，其特征在于所說的多個器件被排列成預定的圖形。
6.按照權利要求5的傳感器系統(tǒng)，其中所說的圖形具有一維陣列。
7.按照權利要求5的傳感器系統(tǒng)，其中所說的圖形具有二維陣列。
8.按照權利要求5的傳感器系統(tǒng)，其中所說的圖形包括由多個行向元件和列向元件彼此垂直所形成的矩陣圖形。
9.按照權利要求5的傳感器系統(tǒng)，其中所說的圖形具有三維陣列。
全文摘要
一種在傳感器系統(tǒng)中用來探測外磁場的超導磁阻器件，它具有為電流提供流動通道的預定圖形，該圖形包括彼此緊湊且互相平行的部分，使得相應的電流流過該部分時所產生的硫場互相抵消。
文檔編號G01R33/06GK1035180SQ8810926
公開日1989年8月30日 申請日期1988年12月24日 優(yōu)先權日1987年12月25日
發(fā)明者片岡照榮, 野島秀雄, 土本修平, 喜多隆介, 斎藤賢 申請人:夏普公司