是德科技实现对磁性传感器的噪声测量 应用指南

是德科技实现对磁性传感器的噪声测量 应用指南

引言 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 2 与霍尔效应 各向异性磁电阻 (AMR) 和巨磁电阻 (GMR) 等同类技术相比, 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

03 是德科技 实现对磁性传感器的噪声测量 应用指南 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 图 1. 控制单轴磁场的亥姆霍兹线圈 1 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 源测量单元磁电阻传感器 电阻负载电压放大器射频 E4727A 输出模块 低通滤波器 电流放大器放大器 数字转换器 图 2. 捕获以电阻变化形式出现的电压噪声, 然后将其数字化

04 是德科技 实现对磁性传感器的噪声测量 应用指南 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 dbv 2 /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 E4725A E4727A 本底噪声 177 dbv 2 /Hz 183 dbv 2 /Hz 1.4 nv/ Hz 0.67 nv/ Hz 拐角频率 10 khz 20 Hz 表 1. 最新 E4727A 测量系统与前身 E4725A 的低噪声放大器性能比较 10 3 先进低频噪声分析仪 (A-LFNA) 系统的低噪声放大器噪声 E4727A E4725A 10 2 噪声密度 (nv/sqrt (Hz)) 10 1 10 0 10-1 1 10 100 1k 10k 100k 1M 频率 (Hz) 图 3. E4725A 与 E4727A 先进低频噪声分析仪 (A-LFNA) 系统的本底噪声对比

05 是德科技 实现对磁性传感器的噪声测量 应用指南 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 图 4. 亥姆霍兹线圈测量装置 图 5 所示为 TMR 传感器的测量数据 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 (A 2 / 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

06 是德科技 实现对磁性传感器的噪声测量 应用指南 图 5. 日本东北大学应用物理系安藤实验室的测量结果 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 IC- CAP 读取 图 6. E4727A 模块 : 接口模块 输入模块 输出模块和衬底模块

07 是德科技 实现对磁性传感器的噪声测量 应用指南 结论 是德科技 E4727A 先进低频噪声分析仪是新一代分析系统, 可用于 1/f 闪烁噪声和随机电报信号噪声 (RTN) 的表征与分析 分析仪主要针对晶圆上器件 分立封装器件 低噪声集成电路设计, 它能独具一格地支持不同条件下的多种噪声测量, 其中包括 : 超低频率 超低电流 高电流 高电压, 或高功率 由于其先进的噪声灵敏度和模块化设计,E4727A 非常适用于磁性传感器的 1/f 噪声测量 针对器件建模 表征以及统计过程控制, 此解决方案易于操作, 是建立在是德科技强大器件建模技术之上的软件平台 0.03 Hz 到 40 MHz 测量范围的实现, 推动了新型传感器灵敏度和噪声测量的进一步发展 参数项 技术指标 测量器件 场效应晶体管 双极结型晶体管 二 极管 电阻 电路 最大频率范围 0.03 Hz 至 40 MHz 放大器 (AMP) 电压放大器 x3, 电流放大器 x2 电压放大器 本底噪声 -183 dbv 2 /Hz (0.67 nv/ Hz) 拐角频率 20 Hz 电流放大器 本底噪声 1E-23 A 2 /Hz 拐角频率 200 Hz 最大偏置范围 200 V/0.1 A ( 最大 10W) 表 2. E4727A 先进低频噪声分析系统主要技术指标 参考资料 1. Hellwig, Ansgar, Helmholtz Coils for Single Axis Magnetic Field Control, Creative Commons Licence, CC-BY-SA-2.0 and GFDL, http://bit.ly/1ls5k9x. Web. 8 Mar. 2016. 2. Introduction to TMR Magnetic Sensors. MultiDimension. MultiDimension Technology, Co. Ltd., 12 Mar. 2015. Web. 9 Mar. 2016.

08 是德科技 实现对磁性传感器的噪声测量 应用指南 下载软件, 为您开辟测量新视野 是德科技软件将我们渊博的专业技术集于一身, 供您轻松下载使用 从设计首次仿真到产品首次装运, 是德科技软件工具能够帮助工程师团队加快从数据采集到信息处理再到有效分析的过程 电子设计自动化 (EDA) 软件 应用软件如欲了解更多信息, 请访问 : 编程环境 www.keysight.com/find/software 实用软件开始 30 天免费试用 www.keysight.com/find/free_trials 从惠普到安捷伦再到是德科技 传承 75 年创新史, 我们始终帮助您开启测试测量新视野 我们独有的硬件 软件和技术人员资源组合能够帮助您实现下一次突破 1939 年成立的惠普公司起源于电子测量, 是德科技将这一业务传承至今, 并将继续发扬光大 1939 未来 mykeysight www.keysight.com/find/mykeysight 个性化视图为您提供最适合自己的信息! www.keysight.com/find/eesof-a-lfna 如欲获得是德科技的产品 应用和服务信息, 请与是德科技联系 如欲获得完整的产品列表, 请访问 : www.keysight.com/find/contactus 是德科技客户服务热线热线电话 : 800-810-0189 400-810-0189 热线传真 : 800-820-2816 400-820-3863 电子邮件 : tm_asia@keysight.com 是德科技 ( 中国 ) 有限公司北京市朝阳区望京北路 3 号是德科技大厦电话 : 86 010 64396888 传真 : 86 010 64390156 邮编 : 100102 是德科技 ( 成都 ) 有限公司成都市高新区南部园区天府四街 116 号电话 : 86 28 83108888 传真 : 86 28 85330931 邮编 : 610041 是德科技香港有限公司香港北角电器道 169 号康宏汇 25 楼电话 : 852 31977777 传真 : 852 25069233 上海分公司上海市虹口区四川北路 1350 号利通广场 19 楼电话 : 86 21 26102888 传真 : 86 21 26102688 邮编 : 200080 深圳分公司深圳市福田区福华一路 6 号免税商务大厦裙楼东 3 层 3B-8 单元电话 : 86 755 83079588 传真 : 86 755 82763181 邮编 : 518048 广州分公司广州市天河区黄埔大道西 76 号富力盈隆广场 1307 室电话 : 86 20 38390680 传真 : 86 20 38390712 邮编 : 510623 西安办事处西安市碑林区南关正街 88 号长安国际大厦 D 座 501 电话 : 86 29 88861357 传真 : 86 29 88861355 邮编 : 710068 南京办事处南京市鼓楼区汉中路 2 号金陵饭店亚太商务楼 8 层电话 : 86 25 66102588 传真 : 86 25 66102641 邮编 : 210005 苏州办事处苏州市工业园区苏华路一号世纪金融大厦 1611 室电话 : 86 512 62532023 传真 : 86 512 62887307 邮编 : 215021 武汉办事处武汉市武昌区中南路 99 号武汉保利广场 18 楼 A 座电话 : 86 27 87119188 传真 : 86 27 87119177 邮编 : 430071 上海 MSD 办事处上海市虹口区欧阳路 196 号 26 号楼一楼 J+H 单元电话 : 86 21 26102888 传真 : 86 21 26102688 邮编 : 200083 本文中的产品指标和说明可不经通知而更改 Keysight Technologies, 2016 Published in USA, March 24, 2016 出版号 :5992-1486CHCN www.keysight.com