[논문]극미세 교류 플라즈마 내에서의 홀 효과를 이용한 마이크로 자기센서

서영호; 한기호; 조영호

doi:10.3795/ksme-a.2003.27.8.1266

문제 정의

서술을 할 것이다. 마지막으로 실험결과와 이론 결과를 비교하고 결론을 서술하고자 한다.
본 논문에서는 플라즈마 홀 효과를 이용한 새로운 자기검출법을 최초로 제안하였으며, 이를 이용한 플라즈마 홀 센서를 해석, 설계, 제작하였고, 성능시험을 통하여 그 타당성과 실용성을 입증하였다. 실험에서는 자기력 세기와 주파수, 플라즈마 구동전압과 주파수, 그리고 네온 기체압력 등 총 5개의 주요 변수들에 대해 기준조건을 중심으로 하나의 변수씩 변화를 시킴으로서 플라즈마홀 전압에 미치는 각 주요 변수의 영향을 분석하였다.
이에 본 논문에서는 필드 에미터를 이용한 방법에 비해 전자속도를 크게 희생하지 않으며, 전극의 손상을 줄일 수 있는 새로운 자기 검출법으로 플라즈마 전자의 홀 효과를 최초로 제안한다. 이러한 플라즈마 홀 센서는 플라즈마를 l~10tOIT 정도의 저압에서 형성하므로 lOeton.

가설 설정

그러나 수십 MHz로 구동되는 RF 플라즈마의 경우에는플라즈마의 구동 주파수가 플라즈마 내의 이온과 전자의 드리프트(drift) 속도에 직접적으로 영향을 미치므로 본 실험과는 다른 경향을 보일 것으로 생각된다. 본 연구는 수십 kHz대의 교류 전기장에 의해 형성된 교류 플라즈마에 한하고 있으므로 수십 MHz대의 RF 플라즈마의 경우에 대해서는 고려하지 않았다.

제안 방법

각각 설계하였다. 구동전극간 거리는 l~10torr 에서 최소방전 전압을 나타내도록 Pashen's curved)를 이용하여 500四로 설계를 하였다. 또한 구동전극에서 측정전극쪽으로의 방전을 막기 위하여 측정전극을 구동전극으로부터 500侧 떨어지게 설계를 하였다.
5kHz가 된다. 그ㅋ나 LPF 의 응답주파수가 4&)Hz인 감지회로를 사용하였기 때문에 실험에서는 자기력 주파수를 250Hz까지만 변화를 시켰다. Fig.
네온 기체를 봉입하기 위해서 먼저, glass &it(DGF-5241) 을 100㈣두께의 폴리머 테이프를 이용하여 1000㎛ 폭을 가지는 사각 링으로 모양 (Fig. 2)으로 채워 넣었다. 다음으로 폴리머 테이프 를 제거한 후, 3±lton와 7±ltorr의 네온 기체 분위기 속에서 제작된 기판과 덮개유리를 각각 정렬하여 55(TC에서 30분간 소성을 하여 Fig.
구동전극간 거리는 l~10torr 에서 최소방전 전압을 나타내도록 Pashen's curved)를 이용하여 500四로 설계를 하였다. 또한 구동전극에서 측정전극쪽으로의 방전을 막기 위하여 측정전극을 구동전극으로부터 500侧 떨어지게 설계를 하였다. 플라즈마 홀 센서 전체크기는 패키징을 고려하여 8mmx8mm로 설계하였다.
또한 실험조건의 불확실성이 자기력 민감도에 미치는 영향을 평가하기 위해서 불확실성 해석(uncertainty analysis)을 수행하였다. 자기력 민감도에 가장 주된 영향을 미칠 것으로 생각되는 요인은 네온 기체 압력, 기생 정전용량, 버퍼 앰프 입력단의 저항, 그리고 플라즈마와 측정 전극 사이의 정전용량의 불확실성 등이다.
마이크로 플라즈마 홀 센서(Fig. 2)는 전기도금의 방법으로 플라즈마 구동 전극과 홀 효과 측정 전극을 제작하였고, 저압 네온 패키징 공정은 glass fiit을 이용하였다. 그리고, 전극들간의 완전한 절연을 위해서 유리 기판을 사용하였다.
실험에서는 자기력 세기와 주파수, 플라즈마 구동전압과 주파수, 그리고 네온 기체압력 등 총 5개의 주요 변수들에 대해 기준조건을 중심으로 하나의 변수씩 변화를 시킴으로서 플라즈마홀 전압에 미치는 각 주요 변수의 영향을 분석하였다. 기준조건에서 플라즈마 홀 센서는 이론적인 값에 비해 약 18%정도 작은 값인 8.
전극의 두께는 PR molding의 두께를 고려하여 35㎛로 설계하였고, 구동전극과 측정전극의 폭은 1000网으로 각각 설계하였다. 구동전극간 거리는 l~10torr 에서 최소방전 전압을 나타내도록 Pashen's curved)를 이용하여 500四로 설계를 하였다.
플라즈마 홀 센서의 특성을 측정하기 위해 5가지의 변수(자기력 크기와 주파수, 플라즈마 구동 전압 크기와 주파수, 네온 기체 압력)어】 대하여 각각 기준조건과 변화범위를 Table 2와 같이 선정하였으며, 각 변수를 기준조건을 중심으로 하나의 변수씩 변화시키면서 그 결과를 측정함으로써, 각각의 변수가 플라즈마 홀 전압에 미치는 영향을 분석하였다. 본 논문에서는 플라즈마를 형성하는 방법 중 플라즈마 디스플레이(PDP)에서 주로 이용하는 교류 전기장를 이용한 방법을 이용하였으므로 그 구동 주파수, 기체 압력, 구동 전압 등이 PDP에서 사용되는 플라즈마 방전 조건과 거의 일치하게 된다.
3 과 같은 실험장치를 구성하였다. 플라즈마를 형성하기 위한 교류 전기장은 변압기를 통해서 구동 전극으로 공급이 되고, 외부 자기장은 코일에 전류를 흘려 형성하였으며, 상용 자기센서(SS94A1F, Honeywell co.)를 통해 입력 자기장을 측정, 조정하였다. 플라즈마 홀 효과에 의해 유도된 전압은 buffer amplifier(Fig.

대상 데이터

5는 전기도금 및 저압 네온 패키징 공정을 이용한 플라즈마 홀 센서의 제조공정을 도시한다. 기판으로 누설전류가 생기는 것을 막기 위해 517±17㎛ 두께의 Pyrex #7740 glass를 기판으로 사용하였다. Fig.

이론/모형

7G까지 변화를 시켰다. 외부 자기력은 상용으로 사용되는 Honeywell SS94A1F 모델의 자기센서를 사용하여 측정하였다. SS94A1F의 자기력 민감도와 측정 범위는 각각 25.

성능/효과

6% 작은 값을 나타냈다. 3±lton와 7±ltorr 두 압력에 대해서만 측정을 하여 압력 변화에 따른 홀 전압의 확실한 경향을 설명할 수는 없지만, 측정된 값은 이론적인 값에 잘 부합됨을 알 수 있다.
실험에서는 자기력 세기와 주파수, 플라즈마 구동전압과 주파수, 그리고 네온 기체압력 등 총 5개의 주요 변수들에 대해 기준조건을 중심으로 하나의 변수씩 변화를 시킴으로서 플라즈마홀 전압에 미치는 각 주요 변수의 영향을 분석하였다. 기준조건에서 플라즈마 홀 센서는 이론적인 값에 비해 약 18%정도 작은 값인 8.87±0.18mV/G 의 자기력 민감도를 얻었으며, 본 논문의 결과는 플라즈마 흘 효과를 이용한 타 마이크로 센서 연구로도 웅용발전이 가능할 것이다.
네온 기체 압력, 기생 정전용량, 버퍼 앰프 입력단의 저항, 그리고 플라즈마와 측정 전극 사이의 정전용량 등의 측정 불확실성은 각각, ±ltorr, ±0.8pF, +0.1M2 그리고, ±O.lfF이었다.
35mV/G이다. 따라서 이러한 불확실성 해석을 바탕으로, 감지 회로의 기생 정전용량의 측정 불확실성과 네온기체 압력의 불확실성이 전체 측정결과의 불확실성에 가장 큰 영향을 미침을 확인하였다.
의 고진공을 요하는 필드 에미터에 비해 저압 환경 구현의 경제성과 용이성 측면에서 유리하며, l~10torr의 저압 플라즈마에서 lO'TCfm/s。)정도의 플라즈마 전자 속도를 유지할 수 있어 자기민감도 측면에서도 유리하다. 반면 반도체 내의 전자에 비해 플라즈마 전자가 10~1000배 빠르므로, 본 논문에서 제안하는 플라즈마 홀 센서는 기존의 반도체 홀센서에 비해 높은 자기 민감도를 얻을 수 있다.
분석하였다. 본 논문에서는 플라즈마를 형성하는 방법 중 플라즈마 디스플레이(PDP)에서 주로 이용하는 교류 전기장를 이용한 방법을 이용하였으므로 그 구동 주파수, 기체 압력, 구동 전압 등이 PDP에서 사용되는 플라즈마 방전 조건과 거의 일치하게 된다. 본 연구에서 사용된 플라즈마는 교류 방전(AC discharge)를 이용하여 형성된 것이므로 RF 플라즈마(13.
본 논문에서는 플라즈마를 형성하는 방법 중 플라즈마 디스플레이(PDP)에서 주로 이용하는 교류 전기장를 이용한 방법을 이용하였으므로 그 구동 주파수, 기체 압력, 구동 전압 등이 PDP에서 사용되는 플라즈마 방전 조건과 거의 일치하게 된다. 본 연구에서 사용된 플라즈마는 교류 방전(AC discharge)를 이용하여 형성된 것이므로 RF 플라즈마(13.56MHz)와는 그 성질에서 많은 차이를 보이고 있다.
14mV/Vd이다. 실험값이 이론적인 값보다 약 6.8배 큰 값을 보이고 있는데, 이러한 큰 오차는 이론적인 식을 전개할 때 네온 플라즈마 속의 전자가 구동 전압에 선형적으로 변화된다는 가정에서 기인하는 것으로 예상된다. Fig.
10은 네온기체 압력변화에 따른 플라즈마 홀 전압의 이론 및 측정결과이다. 정량적으로 그 값을 살펴보면, 기준조건에서 네온 기체 압력이 7±ltorr일 때 측정된 플라즈마 홀 전압은 41.7±2.0mV이었고 이론적인 값, 50.9±9.85mV, 보다 약 18% 작은 값을 나타낸다. 네온 기체 압력이 3±ltorr일 때는 측정된 값이 89.
8(a)는 자기력 크기 변화에 따른 플라즈마홀 전압의 측정결과이다. 플라즈마 홀 센서는 기 준조건(Table 2)에서 8.87±0.18mV/G의 자기력 민감도와 4.48%의 비선형성을 보였으며, 이론적인 결과에 비해 약 18%정도 작은 값을 나타내었다.

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