The thesis presents a new magnetic sensor using plasma Hall effect. We propose the plasma Hall effect as a new magnetic field detection method, differentiated from the conventional semiconductor Hall effect. In plasma, charge drift velocity is in the order of $10^5~10^7$ m/s, which is more than 100 times faster than that in semiconductor, resulting in the higher magnetic field sensitivity compared to the conventional semiconductor Hall device.
In the theoretical study, we develop a theoretical model of the plasma Hall sensor and have characterized the plasma motion in an electromagnetic field. Plasma Hall voltage is estimated in terms of electromagnetic field, electrode geometry, plasma discharge field and pressure. On these basis, we have designed, fabricated and characterized the neon plasma Hall sensors in the macro-scale as well as those in the micro-scale.
The macro-scale plasma Hall sensor, fabricated using 2mm-diameter steel electrodes, shows a magnetic field sensitivity of 136.7±10.1mV/G with 8.43% nonlinearity at a neon pressure of 80±5 torr for a circuit gain of 15.56. The macro-scale sensor, however, shows unstable performance due to the neon pressure instability in the vacuum chamber, which motivates the research on the micro-scale plasma Hall sensor.
The micro-scale plasma-Hall sensor, fabricated by electroplating and on-chip vacuum packaging processes, has 1010±㎛-wide and 36±1㎛-thick electrodes. The micro-scale sensor shows a magnetic field sensitivity of 8.87±0.18mV/G with 4.48% nonlinearity at a neon pressure of 7±1torr for a circuit gain of 5.5, maintaining stable performance for 12hours.
본 논문에서는 플라즈마 홀 효과를 이용한 새로운 자기검출법을 제안하였고, 이를 이용한 자기센서를 설계, 제작하고 그 성능을 분석하였다. 제안된 플라즈마 홀 센서는 기존의 반도체 홀 센서보다 약 100배정도 빠른 전자속도를 가지고 있어 기존의 반도체 홀 센서에 비해 높은 민감도를 얻을 수 있다.
이론적인 연구에 있어서는 플라즈마 홀 센서의 이론적인 모델을 제안하고, 플라즈마 홀 효과에 의해 유도되는 전압을 전극의 기하학적 치수, 방전전압과 방전압력의 함수로 나타내었으며, 전자기장에 의한 플라즈마 운동의 특성을 기술하였다. 이러한 이론적 해석을 바탕으로 거시영역의 플라즈마 홀 센서와 미세영역의 플라즈마 홀 센서를 각각 설계?제작하고 특성을 상호 비교?분석하였다.
거시영역의 플라즈마 홀 센서는 2mm 직경의 강철(steel) 전극으로 제작하였으며 80 ± 1 torr의 압력과 50kHz, ±290 kV/m의 교류 전기장에서 136.7 ± 10.1 mV/G의 자기력 감지 민감도와 8.48%의 비선형성을 나타내었다. 이러한 거시영역의 플라즈마 홀 센서는 진공용기의 압력 누설로 인한 불안한 압력조건으로 인해, 안정된 출력을 보이지 못 하였다. 따라서 본 논문에서는 플라즈마 홀 센서의 안정된 압력조건을 얻고자 미세가공기술과 진공패키징 기술을 이용하여 미세영역의 플라즈마 홀 센서를 설계?제작하였다.
미세가공기술로 제작된 미소 플라즈마 홀 센서는 1010 ± 5 ㎛의 폭과 36 ± 1 ㎛의 높이의 구리 전극을 전기도금공정으로 제작하였고, 7 ± 1$ torr의 압력과 50kHz, ± 656 kV/m의 교류 전기장에서 형성된 네온 플라즈마에 의해 8.87 ± 0.18 mV/G의 자기력 감지 민감도와 4.48%의 비선형을 나타내었다. 거시영역의 플라즈마 홀 센서가 안정된 출력결과를 20~30분 정도밖에 유지하지 못한 반면, 미세가공기술로 제작된 미소 플라즈마 홀 센서는 12시간이상 안정된 출력결과를 보였다. 측정된 실험변수에 대한 불확실성(uncertainty)의 분석을 통하여 압력과 측정회로의 기생 정전용량(capacitance)이 실험값과 이론값의 차이를 가져오는 가장 큰 요인임을 분석하였다. 향후 측정회로와 플라즈마 홀 센서의 집적화를 통한 기생 정전용량의 감소와 플라즈마가 발생되는 공동 압력의 정밀제어를 통한 성능향상 방안을 제시하였다.
