实现对磁性传感器的噪声测量
应用指南
实现对磁性传感器的噪声测量
磁性传感器广泛应用于需要高灵敏度的场景，如脑功能映射、磁场异常探测、磁性定向和矿产勘查。磁性传感器的灵敏度可以通过信噪比表示，其中信号是指增益信号，噪声则指传感器的固有噪声。传感器制造商必须表征和跟踪传感器固有的 1/f 噪声，这个关键的参数通常以 nT/ √ Hz 表征。近年来出现了一种新型磁性传感器，与标准磁阻传感器相比，它具有更高的灵敏度，并给噪声测量带来了新的挑战。多种噪声源可能破坏测量结果，其中包括环境磁场噪声，电源噪声，以及信号调理电路的附加噪声。隧道磁电阻（TMR）传感器与霍尔效应、各向异性磁电阻（AMR）和巨磁电阻（GMR）等同类技术 2 相比，具备更高的分辨率和更低的功耗，体积更小。由于噪声测量硬件和软件的创新，因此可以对 TMR 传感器的低噪声电平进行精确测量。
磁性传感器的噪声测量——简介
通常情况下，磁性传感器工程师会将噪声表征为与施加的磁场相关。如图 1 所示，磁场通过亥姆霍兹线圈控制。但需格外小心，避免磁场环境产生噪音。然后使用源测量单元（SMU），如是德科技 B1500A，来施加偏置并测量电阻。SMU 噪声必须过滤掉，以便只测量电阻的变化。电阻噪声以电流噪声的形式表现，使用负载电阻转化为电压噪声，并由超低噪声电压放大器放大。所得电压噪声采用高速数字转换器（digitizer）予以分析。如图 2 所示，是德科技E4727A 先进低频噪声分析仪（A-LFNA）具备以上所有功能，结合 A-LFNA 的软件，可以实现强大且精确的磁性传感器噪声测量方案。
低噪声放大器支持高灵敏度测量
如图 2 所示，放大器放大低电平噪声信号，以便数字转换器准确地表述谱密度，从而捕捉磁性传感器的噪声密度。由于放大器的噪声直接增加了被测器件的噪声，这种附加放大器噪声成为了影响灵敏度的关键指标。上一代 1/f 噪声测量系统的放大器因自身噪声水平，无法执行准确的磁性传感器测量。新一代 E4727A 配有最新研发的放大器，具有 -183 dBV2/Hz 本底噪声（相当于一个 28 Ω 电阻的噪声）以及低至 20 Hz 的拐角频率（表 1）。因此能对磁性传感器噪声进行精准的表征。图 3 给出了最新 E4727A 中低噪声放大器的附加电压噪声。与其前身E4725A 相比， E4727A 具有更低的噪声密度，其测量灵敏度居于业界领先地位。
TMR（隧道磁电阻）传感器测量实例
是德科技与日本东北大学应用物理系的安藤实验室开展合作，证实使用是德科技 E4727A 先进低频噪声分析仪（A-LFNA），并结合 A-LFNA 软件，可出色执行快速且可重复的 TMR 传感器1/f 噪声测量。B1500A 半导体参数分析仪用于通过输出模块提供偏置。输出模块体型小巧，能置于非常接近被测器件的位置。
为了避免串扰和电磁干扰，可能需要将其他设备放置于磁屏蔽室外。图 4 显示了完整的测量装置、亥姆霍兹线圈、输出模块、PXI 控制器和 B1500A 半导体参数分析仪。考虑到样本上施加了 10 mV 的恒定电压，亥姆霍兹线圈受到控制，施加 -20 Oe 至 +20 Oe 的磁场。左侧手绘图显示了由此产生的电阻变化。在 0 Oe附近，电阻发生最大变化。中间的绘图显示了在不同磁场设定下，测得的 1/f 噪声电流谱密度（A2/Hz）。在 100 Hz 截取此数据，我们可以根据施加的磁场来绘制 1/f 噪声。此噪声如右侧绘图所示，其中 X 轴为施加的磁场，Y 轴表示 100 Hz 时的 1/f 噪声。1/f 噪声最大值出现在近 0 磁场的位置，这也是电阻变化最快的地方。
磁性传感器 1/f 噪声测量解决方案
用于磁性传感器测量的模块称为“输出模块”。它的两端与磁性传感器的两个端口相连。然而，它们也可以连接到 FET 的漏极和源极或双极晶体管的集电极和发射极之间。E4727A 包含的“夹具模块”，可用于封装器件的测量。双极晶体管、CMOS 器件甚至是电力器件的晶圆上测试，通过易于操作的软件界面控制。所得数据可直接被功能强大的器件建模软件，如 MBP 和 ICCAP 读取。
请下载此文档以了解更多信息。