KR100216885B1

KR100216885B1 - 전기장 센서

Info

Publication number: KR100216885B1
Application number: KR1019970034824A
Authority: KR
Inventors: 이순칠
Original assignee: 윤덕용; 한국과학기술원
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 1999-09-01
Also published as: KR19990011643A; US6107791A

Abstract

근접 전기장을 비교란적으로 측정할 수 있는 전기장 센서에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 전기장 센서는, 진동하는 전기장에 의해 유발되는 역학적 진동을 생성하되, 상기 전기장을 교란하는 금속성분은 포함하지 않는 진동 생성수단과; 상기 전기장의 교란을 야기시키지 않을 정도의 장소에 이격되게 위치하며, 상기 역학적 진동을 전달받아 이에 비례하는 신호를 발생시키는 신호 발생수단과; 상기 진동 생성수단의 역학적 진동을 상기 신호 발생수단에 전달하는 전달수단을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 전기장 센서에 의하면, 전기장 센서에 의해 야기되는 측정 전기장의 교란을 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 연속적인 rf 전기장의 크기와 방향을 모두 측정할 수 있다. 따라서, 플라즈마 내의 전기장 측정에 적합하다.

Description

전기장 센서

본 발명은 전기장 센서에 관한 것으로서, 특히 근접 전기장을 비교란(非攪亂)적으로 측정할 수 있는 전기장 센서에 관한 것이다.

플라즈마 내의 전기장을 측정하는 데 가장 많이 사용되는 자기쌍극자 전기장 센서는 유도전기장만을 측정하며, 축전전기장은 측정할 수 없다. 전기쌍극자 전기장 센서는 이 두 가지 전기장을 모두 측정할 수 있지만, 자기쌍극자 전기장 센서나 전기쌍극자 전기장 센서는 근접 전기장 센서로서는 치명적인 약점을 가지고 있는데, 이는 이들 전기장 센서들이 금속을 포함하고 있기 때문에, 측정하고자 하는 전기장을 교란한다는 것이다.

전기장 센서에 의한 장교란(field disturbance)은 대부분 탐침부분과 탐침을 외부 측정장비에 연결하는 전송선의 도체부분에 의해 야기된다. 탐침에 의한 장교란을 줄이기 위해 여러 가지 전기-광학적 센서들과 측정기법들이 개발되어, 전통적인 전기장 센서들, 즉 자기 및 전기쌍극자 센서들을 대체했다. 또, 전송선에 의한 장교란을 줄이기 위해서는 동축케이블 대신 저항선이나 광섬유들이 각각 전기적 센서나 전기광학적 센서들에 사용되었다. 가장 많이 사용되는 광학적 기법은 마하젠더 간섭계를 구성하여 두 경로선 중 하나를 전기-광학적 변조계로 만들거나 압전소자에 부착하는 방식이다.

진동하는 전기장은 압전소자에 진동하는 변형을 유발하고, 이 변형은 분극을 동반한다. 변형과 분극 모두 전기장 측정에 사용할 수 있으며, 마하젠더 간섭계 기법에서는 변형이 전기장 측정에 사용된다. 분극의 측정에 기초한 센서는 광학전 신호가 전기적 신호로 바뀌는 과정이 필요없다는 점에서 변형의 측정에 기초한 센서보다 우수하지만, 보통 전기적 전송선이 필요하기 때문에 장교란을 유발시킬 수 있다는 것이 단점이다. 이 전기적 전송선에 의한 장교란을 방지하기 위해, 분극의 진동에 의해 전기장을 측정하는 방식이, 압전공명을 이용하는 신규한 전기장 센서에 의한 링 안테나 근방의 전기장측정(Electric field measurement near a ring antenna by a new field sensor using piezoelectric resonance)의 제목으로 리뷰 오브 사이언티픽 인스트러먼트의 1996년판 제67호 제3320쪽 이후에 개시되어 있다.

이 방식은, 안테나 주위에 압전소자를 놓으면, 안테나가 발생하는 rf 전기장에 의해 압전소자에 분극의 진동이 유발되고 이 분극은 다시 안테나에 의해 감지된다는 성질을 이용한 것이다. 분극의 정도는 전기장의 분극방향 성분에 비례하므로 압전소자와 펄스 스펙트로스코피의 조합에 의해 전기장 분포를 측정할 수 있게 된다. 이 방식에서는 탐침에 도체가 전혀 사용되지 않기 때문에, 장교란을 최소화시킬 수 있다는 장점이 있으나, ⅰ) 전기장 센서의 위치에 따라 측정감도가 달라지며, ⅱ) 전기장의 절대적인 크기를 알 수 없으며, ⅲ) 펄스 전기장만 측정할 수 있다는 문제점도 가지고 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 연속적인 rf(radio frequency) 전기장의 크기와 방향을 모두 측정할 수 있는 전기장 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 측정하고자 하는 전기장의 교란을 최소화할 수 있는 전기장 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 종래의 전기-광학적 센서보다 온도변화에 대해 더 저항력이 있는 전기장 센서를 제공하는 데 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 전기장 센서의 탐침을 개략적으로 나타낸 단면도,

도2는 전기장의 방향과 크기를 구하기 위한 설명도,

도3a는 전기장 세기가 10V/㎝일 때, Ф의 함수로서 측정한 신호크기(■)와 │cosФ│ 곡선을 함께 나타낸 그래프,

도3b는 Ф=0에서 구한 전기장크기 대 신호크기의 관계 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

10 … 제1 수정판 20 … 제2 수정판

30 … 수정막대 40a, 40b … 전극

50 … 교류전원 60 … 평행축전판

E… 전기장방향P… 분극방향

k… 탐침축방향

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 전기장 센서는,

진동하는 전기장에 의해 유발되는 역학적 진동을 생성하되, 상기 전기장의 교란성분은 포함하지 않는 진동 생성수단과; 상기 전기장의 교란을 야기시키지 않을 정도의 장소에 이격되게 위치하며, 상기 역학적 진동을 전달받아 이에 비례하는 신호를 발생시키는 신호 발생수단과; 상기 진동 생성수단의 역학적 진동을 상기 신호 발생수단에 전달하는 전달수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전기장 센서에 있어서, 상기 교란성분은 금속이며, 상기 진동 생성수단 및 신호 발생수단은 모두 압전 공명소자이며, 상기 전달수단은 상기 역학적 진동을 기계적으로 전달하는 것이 바람직하며, 이 경우, 상기 진동 생성수단은 상기 전기장의 주파수와 동일한 고유진동수를 가지는 제1 수정판이며; 상기 신호 발생수단은 양단에 전극이 부착되어 있는, 상기 전기장의 주파수와 동일한 고유진동수의 제2 수정판이며; 상기 전달수단은, 그 일단이 상기 제1 수정판의 일면에 부착되고, 그 타단이 상기 제2 수정판의 전극들 중 어느 하나에 부착된 수정막대로 구성하는 것이 더 바람직하다. 또한, 이 때, 상기 제1 수정판은 온도계수가 상온에서 0인, AT-커팅된 수정판인 것이 더욱 더 바람직하다.

이하, 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 또한, 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 전기장 센서의 탐침을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

이 센서의 탐침은 측정하고자 하는 전기장(E) 내에 놓이는 제1 수정판(10)과, 전기장(E)에 교란을 야기시키지 않을 정도의 장소에 이격되게 위치한 제2 수정판(20)과, 제1 수정판(10)과 제2 수정판(20)에 각각의 단부가 부착된 수정막대(30)와, 제2 진동판(20)의 양단에 부착된 전극(40a, 40b)으로 이루어져 있다. 수정판의 역학적 진동이나 분극진동은 모두 그 고유진동수에 공명이 되었을 때 가장 커지므로, 제1 수정판(10)은, 측정하고자 하는 전기장(E)의 주파수와 동일한 고유진동수를 가지는 수정판, 예컨대 전기장(E)의 생성에 사용된 공명기와 같은 공명기의 수정을 재료로써 사용하며, 금속성분이 전혀 포함되지 않도록 한다. 따라서, 제1 수정판(10)에는 전극이 부착되지 않는다. 또한, 온도계수가 상온에서 0인 AT-커팅된 수정을 사용하여 온도변화에 강한 저항력을 가질 수 있도록 한다. 한편, 제2 수정판(20)도 측정하고자 하는 전기장(E)의 주파수와 동일한 고유진동수를 가지는 수정판, 예컨대 전기장(E)의 생성에 사용된 공명기와 같은 공명기의 수정을 재료로써 사용하여, 신호의 전달효율이 최대가 되도록 한다.

본 실시예에서는, 직경 8.5㎜, 두께 0.5㎜로 AT-커팅된 수정을 재료로 하는 상용 수정진동자를, 양단에 전극(40a, 40b)이 부착된 제2 수정판(20)으로서 사용하였으며, 상기 상용 수정진동자의 전극을 염산과 질산이 혼합된 강산에서 제거하여 제1 수정판(10)을 제작하였다. 수정막대(30)는 길이 30㎝, 직경 4㎜인 수정을 사용하였는데, 그 이유는 전달효율이 매우 높기 때문이었다. 이와 같이 제작된 탐침은 선형성이 우수했으며, 약 0.1V/㎝의 감도를 보였는데, 이 정도의 감도는 대부분의 플라즈마 내부의 전기장 분포를 측정하기에 충분한 것이다.

다음에 본 발명의 실시예에 따른 전기장 센서의 탐침의 작동과정에 대해 설명한다. 전극이 부착되지 않은 제1 수정판(10)은 측정하고자 하는 전기장(E) 내에서 역압전효과에 의해 변형이 유발된다. 유발된 변형의 진동은 수정막대(30)에 의해 기계적으로 전달된다. 수정막대(30)에도 금속성분을 포함시키지 않도록 하여, 측정하고자 하는 전기장에 대한 장교란이 발생하지 않게 한다. 수정막대(30)에 의해 제2 수정판(20)으로 전달된 진동은 압전효과에 의해 분극의 진동을 동반하며, 이 분극은 제2 수정판(20)의 양단에 부착된 전극(40a, 40b) 사이의 전압차에 의해 측정된다. 제1 수정판(10)의 변형진동은 측정하고자 하는 전기장의 분극방향 성분에 비례하며, 제2 수정판(20)에서 측정되는 전압차는 수정막대(30)에 의해 전달된 역학적 진동에 비례하므로, 결과적으로 제1 수정판(10) 위치에서의 전기장에 비례하는 신호가 얻어진다.

한편, 도1에서는 측정하고자 하는 전기장이 연속적인 rf 전기장임을 나타내기 위해, 교류전원(50)이 평행축전판(60)의 일단에 인가된 것으로 도시하였다.

다음, 전기장의 방향과 크기를 구하기 위한 설명도인 도2를 참조하여 전기장(E)과 제1 수정판(10)의 분극방향(P)과의 관계를 알아본다.

AT-커팅된 수정의 분극은 전기장(E)의 분극방향 성분에 비례하는데, 분극방향은 그 축에 평행하거나 수직하지 않다. 이 탐침으로 전기장(E)을 측정하려면, 우선 탐침을 돌리면서 최대신호가 되는 때를 관찰하고, 이 최대신호(S₁)를 측정한다. 그리고, 탐침을 탐침축(k)을 중심으로 180°회전시켜 신호(S₂)를 측정한다. 이 때, 전기장(E)과 이 신호들간의 관계는 아래 식과 같다.

S₁= αEcos(γ-γ₀)

S₂= αEcos(γ+γ₀)

여기서, γ₀과 γ는 각각 탐침축(k)과 분극방향(P), 탐침축(k)과 전기장방향(E) 사이의 각을 나타내며, α는 규격화를 통해 결정될 상수이다. 따라서, 수정판의 분극방향(P)을 안다면 상기 수학식 1 및 수학식 2로부터 전기장의 방향과 크기를 구할 수 있다.

한편, 수정판의 분극방향(P)을 결정하고, 신호의 전기장 방향 및 크기에 대한 의존성을 측정하는 것은, 다시 도1을 참조하며 설명한다.

평행축전판(60)은 전기장(E)을 생성하기 위한 것으로 그 중심에서는 판에 수직한 균일장이 형성되므로 탐침의 특성을 파악하는 데 용이하다. 탐침의 축이 평행축전판(60)에 평행한 상태로 그 중심에 놓이면, 분극의 수정판 평면으로의 정사영성분은 탐침을 그 축을 중심으로 회전하면서 관찰함으로써 찾을 수 있다. 분극의 수정판 평면으로의 정사영성분과 전기장방향 사이의 각을 Ф라고 하면, 신호는 이론상 │cosФ│에 비례하게 된다. 전기장 세기가 10V/㎝일 때, Ф의 함수로 측정한 신호크기(■)와 │cosФ│ 곡선을 함께 도3a에 나타내었다. 실선은 이론적인 │cosФ│ 곡선이다. 신호가 최대일 때는 분극의 정사영성분이 전기장의 방향과 평행한 때이고, 최소인 때는 수직일 경우로, 이론과 실험이 매우 잘 일치함을 알 수 있다.

분극방향(P)과 탐침축(k) 사이의 각 γ₀는 도3a에서 구한 최대 신호를, 탐침축(k)을 평행판에 수직으로 놓은 경우에 얻은 신호와 비교하여 구할 수 있다. 도3b는 Ф=0에서 구한 전기장크기 대 신호크기의 관계 그래프이다. 도3b로부터 신호크기와 전기장크기간의 관계가 실험영역에서 매우 선형적임을 알 수 있다. 실선은 선형맞춤을 나타낸다. 이 두 실험결과로부터 신호의 크기는E·P에 비례함을 알 수 있으며, 이 센서가 신호의 크기와 방향을 정밀하게 측정한다는 사실을 확신할 수 있다.

본 발명의 전기장 센서에 의하면, 전기장 센서에 의해 야기되는 측정 전기장의 교란을 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 연속적인 rf 전기장의 크기와 방향을 모두 측정할 수 있다. 따라서, 플라즈마 내의 전기장 측정에 적합하다.

Claims

진동하는 전기장에 의해 유발되는 역학적 진동을 생성하되, 상기 전기장의 교란성분은 포함하지 않는 진동 생성수단과;

상기 전기장의 교란을 야기시키지 않을 정도의 장소에 이격되게 위치하며, 상기 역학적 진동을 전달받아 이에 비례하는 신호를 발생시키는 신호 발생수단과;

상기 진동 생성수단의 역학적 진동을 상기 신호 발생수단에 전달하는 전달수단을 구비한 전기장 센서.
제1항에 있어서, 상기 교란성분은 금속이며,

상기 진동 생성수단 및 신호 발생수단은 모두 압전 공명소자이며,

상기 전달수단은 상기 역학적 진동을 기계적으로 전달하는 것을 특징으로 하는 전기장 센서.
제2항에 있어서,

상기 진동 생성수단은 상기 전기장의 주파수와 동일한 고유진동수를 가지는 제1 수정판이며;

상기 신호 발생수단은 양단에 전극이 부착되어 있는, 상기 전기장의 주파수와 동일한 고유진동수의 제2 수정판이며;

상기 전달수단은, 그 일단이 상기 제1 수정판의 일면에 부착되고, 그 타단이 상기 제2 수정판의 전극들 중 어느 하나에 부착된 수정막대인 것을 특징으로 하는 전기장 센서.
제3항에 있어서, 상기 제1 수정판은 온도계수가 상온에서 0인, AT-커팅된 수정판인 것을 특징으로 하는 전기장 센서.