Editorial Board

PHR 자기센서 공정은 p형 실리콘 기판에 Thermal SiO2 2000A, 자기박막 공정, Al신호선 공정, 보호막 PECVD Low stress SiO2 순으로 진행되었다. 공정 온도에서 Al이 공정 중 자기박막의 확산이 발생되는지의 여부를 확인하고 공정을 진행하였다. 자기박막은 Ta/NiFe/Cu/IrMn/Ta로 구성되어 있으며, 각 층의 두께는 5 nm/10 nm/0.5 nm/10n m/5 nm이다. 이 때 Cu의 두께를 조절하면 자기장 감지 범위를 조절할 수 있다. 자기박막 공정에 사용된 스퍼터는 4종의 멀티타켓을 장착하여 진공 챔버에서 순차적으로 증착공정이 이루어질 수 있는 전용 스퍼터 장비를 사용하였다.

제작결과는 Fig. 8과 같이 4인치 실리콘 기판에 PHR 자기센서가 제작되었다. Fig. 9(a)는 2500 um × 900 um 크기로 다이싱된 자기센서 칩이고 (b)는 감지부의 확대 사진이다.

Fig. 8. 
Fabricated PHR sensor wafer.

Fig. 9. 
(a) Diced PHR sensor chip and (b) Enlarged photo of PHR sensing part.

제작된 PHR 자기센서 칩을 Fig. 10과 같이 PCB에 부착하고 와이어 본딩한 후 epoxy를 도포하여 와이어를 고정 및 보호하였다. PCB는 프로브의 끝을 가늘게 하기 위해 칩의 폭보다 조금 큰 1 mm로 하고 반대편은 증폭부 PCB와 연결하기 위해 8 mm 제작하였다. 모양은 삼각형에 한 쪽이 길쭉하게 나온 형태가 되었다.

Fig. 10. 
Sensor PCB of current probe, which PHR chip attached and wire bonded.

프로브의 PCB는 센서부와 증폭부를 분리하여 제작하였다. 센서부는 PHR 센서 칩을 부착하고 와이어 본딩하는 공정ㅇ로 제작되고 증복부 PCB는 SMT 공정을 제작되기 때문에 분리하는 것이 편리하다. Fig. 11은 센서부 PCB 와 증폭부 PCB가 연결된 모습이다. 증폭부에서는 PHR 센서를 구동하고 센서의 미약한 신호를 증폭하여 아날로그 신호로 출력하도록 제작되었다. 훼스톤 브릿지 구조의 센서 신호를 증폭하기 위해 (+)(-)두 센서 신호를 차동 증폭하기 위한 인스투루먼트 증폭회로 적용되었고, 이후 2차 증폭회로와 LPF가 적용되었다. 센서출력 오프셋과 감도를 조절하기 위한 두 개의 가변저항을 미세조정이 가능한 멀티턴 가변저항으로 적용하였다.

Fig. 11. 
Probe PCB which composed with sensor PCB and amplifier PCB.

프로브의 케이스는 Fig. 12와 같이 상하부 플라스틱 구조물을 제작하고 센서부를 보호하기 위해 직경 1.5 mm 인 금속 파이브를 끼었다. 전체적인 크기는 손으로 잡기 편하도록 앞 쪽을 얇게 하여 날렵한 모양을 갖게 하였다. Fig. 13은 3D 프린터로 제작된 케이스로 조립된 프로브의 최종 모습이다.

Fig. 12. 
Assembly diagram of the current probe.

Fig. 13. 
Assembled pin type current probe.

제작된 전류 프로브은 전원 공급과 출력값을 표시하기 위해 별도로 제작된 표시기(indicator)와 연결하였다. 또한 프로브의 아날로그 출력은 오실로스코프에 연결하여 볼 수 있다. 표시기는 ADC 하여 자기장 단위와 전류 단위로 표시하도록 하였다. 입력된 프로브의 전압을 자기장.세기로 표시하기 위해 전압-자기 변환계수를 적용하였고, 전류 세기를 표시하기 위해서는 자기-전류 변환계수를 적용하였는데, 이는 측정환경에서 자기장과 전류 각각의 칼리브레이션 과정을 수행하여 변환계수를 산출하였다.

Fig. 14. 
Current probe and indicator, the output of the probe is connected to oscilloscope.

Fig. 15는 자기장 감지 성능을 측정하기 위한 set-up으로 자기장 발생하는 헬름홀츠 코일과 전류공급용 DC 파워플라이 그리고 멀티미터를 사용하였다. 헬름홀츠 코일 내에는 인가되는 전류세기에 비례하여 균일한 자기장에 형성되기 때문에 프로브를 그림과 같이 설치하고 출력전압을 측정하였다. Fig. 16은 PCB 상에 흐르는 전류 세기를 측정하기 위한 set-up 이다. 원리적으로 전류에 의해 발생한 자기장의 세기를 측정하는 것으로 PCB 전류선과 프로브의 거리와 방향에 따라 출력전압이 크게 바뀐다. 따라서 일정한 성능 검증을 위해 프로브의 자기장 감지방향을 전류선과 수직하게 방향을 잡고 PCB면 일정한 거리(여기서는 1 mm)를 유지하도록 클램프로 고정하여 설치하였다.

Fig. 15. 
Measurement setup for magnetic field sensing performance using Helm-holtz coil.

Fig. 16. 
Measurement setup for current sensing performance using PCB current line.

Fig. 17는 자기장 감지 성능을 측정하기 위해 헬름 홀츠 코일 내 자기장을 ±510 uT 범위로 인가하고 프로브의 출력전압을 측정한 결과이다. 시료에 따라 감도가 1.58 V/T에서 최고 2.39 V/T 수준으로 측정되었다.

Fig. 17. 
The magnetic sensitivity graph of the probe.

Fig. 18은 전류 감지 성능을 측정한 결과로 Fig. 16에서 볼수 있듯이 PCB상에 있는 도선에 전류를 ±1,000 mA 범위로 흘려주면서 프로브의 출력전압을 측정하였다. 측정결과 전류 감도는 0.98 V/A에서 최고 1.93 V/A 수준으로 나왔다.

Fig. 18. 
The current sensitivity graph of the probe.

Fig. 19는 자기장의 감지성능을 통계적으로 검정하기 위해 약 0.01uT의 간격으로 자기장을 10회 반복 측정한 결과이다. 이를 근거로 귀무가설(H_O)과 대립가설(H_A)을 하기와 같이 설정하고 0.01 uT 간격의 두 그룹 (0.049 uT 그룹과 0.057 uT 그룹)에 대해 T-검정을 실시하였다(Table 1).

• H_o= 0.01 μT의 자기분해능이 없다.
• H₀= 0.01 μT의 자기분해능이 있다.

Fig. 19. 
Measurement result of magnetic field sensing resolution of 0.01 uT or less.

T-검정 결과 귀무가설 H_O의 p-value는 5.07 × 10^-9수준으로 신뢰도 95%에 해당하는 유의수준 α = 0.05에 비해 완벽하게 무시될 정도로 낮은 값이다. 따라서 귀무가설이 기각되며 0.01 uT 이하의 자기감도는 뚜렷하다는 대립가설을 채택할 수 있다. 본 연구에서는 두개 그룹만의 결과를 보여주었으나, 나머지 8개 그룹에 대한 결과도 그 유의성이 뚜렷함을 확인하였다.

Fig. 20은 PCB에 흐르는 전류의 감지성능을 통계적으로 검정하기 위해 1 mA의 간격으로 전류를 10회 반복 측정한 결과이다. 이를 근거로 귀무가설과 대립가설을 하기와 같이 설정하고 1 mA 간격의 두 그룹 (0 mA 그룹과 1 mA 그룹)에 대해 T-검정을 실시하였다(Table 2).

• H_o : 1mA의 전류분해능이 없다.
• H_A : 1 mA의 전류분해능이 없다.

Fig. 20. 
Measurement result of current sensing resolution of 1 mA or less.

T-검정 결과 귀무가설 H_o의 p-value는 0.00028수준으로 신뢰도 95%에 해당하는 유의수준 α = 0.05에 비해 충분히 무시될 수 있다. 따라서 귀무가설이 기각되며 1 mA 이하의 전류 감도는 뚜렷하다는 대립가설을 채택할 수 있다. 나머지 8개 그룹에 대한 결과도 그 유의성이 뚜렷함을 확인하였다.