磁隧道結傳感器噪聲自動測試系統設計

胡悅國，潘孟春，李裴森，陳棣湘，杜青法，胡佳飛

（國防科學技術大學機電工程與自動化學院，湖南長沙410073）

磁隧道結傳感器噪聲自動測試系統設計

胡悅國，潘孟春，李裴森，陳棣湘，杜青法，胡佳飛

（國防科學技術大學機電工程與自動化學院，湖南長沙410073）

磁隧道結（MTJ）雖然可以實現相當大的磁阻變化率，但是其噪聲尤其是低頻下的1/f噪聲十分嚴重。為分析MTJ的噪聲來源及大小，設計一套基于LabVIEW的噪聲自動測試系統。通過綜合分析測試系統噪聲來源、建立放大器等效噪聲模型，測試得到系統在不同放大倍數下的等效輸入噪聲電壓和噪聲電流，并確定最優放大倍數。在此基礎上，利用軟件運算對放大器噪聲進行剔除，以提高測試系統準確度。經過測試標準電阻噪聲，驗證系統誤差可以維持在±5%以內。最后對AlOx基MTJ和磁傳感器TMR9002進行測試，得出并解釋磁傳感器噪聲隨偏置電流和磁場的變化規律。

磁隧道結；1/f噪聲；LabVIEW；噪聲自動測試系統

0 引言

磁的發現與應用歷史悠久，長期以來對人類文明的發展起著重要的推動作用。目前，磁傳感器已經應用到工業生產、科學研究、醫療設備等領域，具有十分重要的應用價值。另外，磁傳感器在軍事上的應用十分廣泛，如磁引信、戰場環境監測及航空反潛等[1]。

磁電阻傳感器相對于其他磁傳感器具有飽和磁場低、靈敏度高、功耗低、體積小、工作頻帶寬等優點，已經成為磁傳感器家族中的后起之秀[2]。現階段的磁電阻傳感器主要包括各向異性磁電阻（AMR）傳感器、巨磁電阻（GMR）傳感器以及隧道結磁電阻（TMR）傳感器等[3]。AMR磁傳感器技術已經相當成熟，但是由于其各向異性散射導致磁阻變化率不高，所以逐漸被GMR和TMR磁傳感器取代。GMR效應的發現是源于對過渡金屬導電自旋相關散射機制的研究，可用Mott雙電流模型予以解釋。目前，GMR磁性多層膜在室溫下的磁阻變化率達到了65%以上，遠大于AMR磁傳感器。而基于自旋相關隧穿效應的TMR磁傳感器的磁阻變化率又比GMR大了1～2個數量級，據報道，604%的磁阻變化率已經在MgO基MTJ中得到了實驗證實[4]。目前，MTJ除應用在磁傳感器領域外，還廣泛應用于硬盤讀出磁頭、磁隨機存取存儲器（MRAM）中，在高密度信息產業領域占據著重要地位[5]。

對于傳感器而言，輸出信號和噪聲水平同等重要，也就是需要盡可能地提高傳感器信噪比（SNR）。MTJ的磁阻變化率相較于其他磁阻傳感器具有明顯優勢，但是其輸出噪聲尤其是低頻下的1/f噪聲水平也很高，嚴重限制了其最小可探測能力[6-7]。為了全面分析MTJ噪聲來源，設法降低1/f噪聲，提高MTJ探測能力，需要準確可靠高效地實現MTJ噪聲測試。

近年來國內外學者在磁電阻傳感器噪聲測試領域開展了積極的探索和研究[8-10]。美國國家標準與技術研究所（NIST）采用相關算法對一系列磁傳感器產品進行了噪聲測試，但主要針對的是GMR傳感器，而且沒能消除放大器噪聲電流的影響；Scandurra等[9]利用場效應管、超級電容器和DA轉換器等元器件設計了一種可編程、低噪聲、高精度的電流源用于低頻噪聲測量，但是其噪聲水平還是高于電池加偏置電阻的串聯電路，它更適合應用在對電流準確度要求較高的場合；田武剛等[10]通過建立弱磁傳感器特性自動測試系統測試了GMR傳感器噪聲特性，但是其系統不具備不同偏置電流條件下自動進行噪聲測試的能力。總之，目前國內外對磁電阻傳感器噪聲測試系統進行了一系列改善，但是對于放大器噪聲電流的考慮較少，且系統一般缺乏不同偏置電流下噪聲自動測試的能力。

本文設計了一套本底噪聲較低的MTJ噪聲自動測試系統，綜合考慮了放大器噪聲電壓和噪聲電流的影響，并通過測試不同放大倍數下的系統本底噪聲，確定最優放大倍數。在此基礎上對自制的AlOx基MTJ和多維公司的MTJ磁傳感器TMR9002進行噪聲測試，研究了偏置電流以及磁場變化對噪聲的影響。

1 測試系統

由于MTJ的本底噪聲比較微弱，一旦測試環節中引入較大的噪聲，尤其是1/f噪聲，則很難準確判斷MTJ噪聲的大小。所以，設計測試系統時，盡量減小外界環境和測量電路的噪聲是精確獲取磁傳感器噪聲的關鍵。基于以上考慮，設計并搭建MTJ噪聲自動測試系統，如圖1所示。

圖1 噪聲自動測試系統結構框圖

1.1 測試系統組成

該系統主要包含MTJ供電電路、外磁場產生模塊、噪聲調理電路、噪聲頻譜獲取模塊以及輸出偏壓讀取模塊。MTJ供電電路由電池、電位器和待測MTJ串聯而成，主要用于供給待測器件恒定的偏置電流。外磁場產生模塊由功率源Keysight E3649A產生勵磁電流，從而在亥姆霍茲線圈中產生所需的外磁場。噪聲調理電路由低噪聲前置放大器SR560對MTJ輸出噪聲進行放大并低通濾波（用于抗混疊操作），以便后端信號采集。噪聲頻譜獲取模塊采用頻譜分析儀Tektronix RSA3303B對調理后的噪聲信號進行采樣、保持以及傅里葉變換，從而獲得需要的噪聲頻譜。輸出偏壓讀取模塊通過納伏表Keithley 2182獲取磁隧道結輸出的偏壓信號，從而得到器件的響應曲線。納伏表與MTJ之間通過繼電器連接，在測量噪聲時自動斷開，防止納伏表對噪聲測量產生影響。MTJ供電電路和勵磁線圈置于屏蔽筒內，以減少外界環境對測量的干擾。整個系統由帶有LabVIEW的計算機通過GPIB總線進行統一的調節和控制，實現了自動化測試。

1.2 放大器噪聲評估

測試系統的電路噪聲大部分來源于放大器電路，因此對放大器進行噪聲評估十分重要。由于雙通道相關檢測方法對噪聲信號的采集電路要求較高，而且只對放大器噪聲電壓具有抑制作用，對于噪聲電流沒有效果，所以采用單通道方法事先評估出放大器噪聲，然后在后續測量中利用軟件運算減去這部分噪聲的影響。這種方法的測試電路相對簡單，并能消除放大器噪聲電流的影響。

放大器內部包含許多元器件，如果對每個單獨分析，勢必會比較繁瑣。為了簡化噪聲分析，對放大器及其前端電路進行等效電路處理，其等效噪聲模型如圖2所示[11]。其中Rbias、RMTJ分別為偏置電阻和MTJ電阻，En為放大器噪聲電壓，In為放大器噪聲電流，Rs為信號源電阻（偏置電阻和MTJ的并聯電阻），Et為源電阻噪聲，Usi為信號源電壓，Zi為放大器輸入阻抗。放大器內的所有噪聲源都可以等效到輸入端，用阻抗為零的噪聲電壓發生器En與輸入端串聯和用阻抗為無窮大的噪聲電流發生器In與輸入端并聯而成，其內部就成了一個無噪聲的放大電路。經過計算，放大器的等效輸入噪聲Eni滿足：

圖2 放大器等效噪聲模型

其中，源電阻噪聲Et滿足：

式中：k——玻爾茲曼常數；

T——熱力學溫度；

ENT、ENT_bias、ENT_MTJ——總的非熱噪聲、偏置電阻

的非熱噪聲和MTJ的非熱噪聲。

由式（2）可以看出，要想偏置電阻對源電阻噪聲不產生貢獻，首先需滿足Rbias＞＞RMTJ，另外偏置電阻的非熱噪聲必須接近0，通常選擇金屬膜電阻作為偏置電阻。這樣式（2）可以簡化為

對于放大器的噪聲項En、In可以通過測量得到。首先將放大器輸入端短接，令Rs=0，則有Eni=En，用總輸出噪聲除以系統增益即可得到En。然后接入一個阻值很大的金屬膜電阻，使InRs占據主要成分，結合式（1）利用總的輸出噪聲除以系統增益后，減去En項和Et項再除以Rs便可求得In分量。

低噪聲放大器SR560的輸入阻抗為100MΩ，因此選擇0.5，1，2 MΩ的金屬膜電阻用于噪聲電流的測量。圖3為不同放大倍數下放大器的等效輸入噪聲電壓，從圖中可以看出，噪聲電壓隨著放大倍數的增大而減小。這是由于放大倍數越大，放大器后端電路的噪聲對輸入端的影響越小。當放大倍數增大到200以后，放大器噪聲電壓基本上維持在的水平。又考慮到放大倍數過大可能會引起放大器過載而損壞，所以在之后的測量中將放大倍數定為200。

圖3 不同放大倍數下SR560的等效輸入噪聲電壓

選取200放大倍數下噪聲曲線對1 kHz附近的數據點進行平均處理，得到放大器等效輸入噪聲電壓為表1為室溫下（300K）采用不同阻值的電阻測得的等效輸入噪聲電流。由表可知，放大器SR560的等效輸入噪聲電流在pA級別，對于源電阻阻值達到千歐姆及以上的情況，必須要考慮噪聲電流的影響。

表1 放大器SR560的等效輸入噪聲電流

1.3 軟件實現

考慮到測試系統中包含多種儀器設備，采用NI公司的LabVIEW軟件對整個硬件系統進行統一控制。LabVIEW采用圖形化的編程語言，軟件內部集成了許多儀器和接口的控制模塊，可以方便地調用。

圖4 測試系統軟件流程

測試系統的軟件流程如圖4所示，主要分為如下步驟：1）儀器初始化，配置好儀器的各項參數。2）系統工作模式選擇，變偏流模式下固定待測外磁場大小，每次循環時改變一次MTJ的偏流；變磁場模式下剛好相反，固定偏流而改變磁場值。3）偏壓和噪聲信號讀取，設置完偏流和磁場以后，閉合開關，利用納伏表讀取MTJ輸出的偏壓信號，接下來斷開開關，利用頻譜分析儀測量輸出的噪聲信號。4）掃描次數累加，每完成一次偏壓和噪聲信號的讀取，掃描次數加一，同時判斷是否達到了預先設置的總掃描周期。5）測試結果保存，如果掃描次數沒有達到總掃描周期，則返回繼續進行測量；反之就跳出循環并保存測試結果、關閉儀器，從而完成整個測試流程。

測試系統軟件界面主要分為儀器參數配置區、儀器狀態顯示區、測試結果顯示區以及數據保存區。儀器參數配置區主要用于確定儀器的接口地址、選擇工作模式以及配置偏置電流和磁場電流的大小；儀器狀態顯示區對各個儀器的開關狀態和初始化狀態進行顯示；測試結果顯示區實時顯示偏壓、噪聲等參數的測量結果，并繪出MTJ響應曲線和噪聲曲線；數據保存區對最終獲得的測試結果進行保存。測試系統界面友好，交互方便，能自動實現對MTJ性能的綜合測試，有助于系統地研究MTJ噪聲。

2 測試結果分析

2.1 系統誤差

在對MTJ磁傳感器進行噪聲測試之前，需要對測試系統的誤差進行評估。選用不同阻值的金屬膜標準電阻，通過測量其噪聲水平并與電阻白噪聲的理論值進行比較來評估系統誤差。圖5為測量2，10，47，100kΩ電阻得到的噪聲曲線，可以看到曲線基本上呈水平直線，符合白噪聲的頻率特性。

圖5 不同標準電阻的噪聲曲線

對頻率為1kHz附近的數據取平均值并減去放大器噪聲電壓和噪聲電流的影響，即可求出電阻噪聲值。最終得到各項噪聲和誤差值如表2所示，系統誤差維持在±5%以內，可見測試系統具有比較高的測試準確度。

表2 標準電阻測試下的系統誤差

2.2 磁傳感器測試

評估完測試系統誤差以后，對隧道結磁傳感器進行噪聲測試。首先采用四探針法對制備的AlOx基MTJ測試了響應曲線，結果如圖6所示。從圖中可以看出，兩鐵磁層磁矩之間存在明顯的平行（低阻值）與反平行（高阻值）狀態的轉換。經過計算，磁阻變化率約為33.7%，基本達到了理論預期值。

在投入實際應用的磁傳感器中，一般將多個MTJ串并聯形成惠斯頓電橋來提高熱穩定性和最小可探測能力。因此，選用全橋型MTJ磁傳感器TMR9002研究了偏置電流和外磁場大小對傳感器噪聲的影響。

圖6 AlOx基磁隧道結的響應曲線

圖7 隧道結傳感器TMR9002對磁場的響應曲線

圖8 不同偏流下TMR9002的噪聲曲線

首先在1 V供電電壓（偏流約為25 μA）的情況下，測量傳感器對磁場的響應曲線，結果如圖7所示。由圖可知，傳感器飽和磁場為±8 Oe，線性范圍為±1 Oe。然后在不加外磁場的情況下，分別測量偏流為30，60，90，120μA時傳感器輸出噪聲，測試結果如圖8所示。可以看出，傳感器輸出噪聲會隨著偏流的增加而增加，這主要是因為增加偏流會導致傳感器的1/f噪聲成倍增加，而熱噪聲會基本保持不變[12]。

圖9 不同磁場下TMR9002的噪聲曲線

保持偏流為30μA，分別測量傳感器在磁場為0，8，12Oe時的噪聲，測試結果如圖9所示。零磁場下傳感器內部磁矩對磁場十分敏感，磁矩方向隨時可能翻轉，處于不穩定的狀態，所以噪聲較大[13]。8Oe外磁場環境下傳感器基本已經飽和，磁矩翻轉到沿外磁場方向以后比較穩定，使得噪聲有所降低。等到外磁場增加到12Oe后，傳感器完全飽和，磁噪聲的影響幾乎可以忽略，所以噪聲會進一步降低。同時這也提供了一種分離電噪聲和磁噪聲的方法，通過增加外磁場將傳感器飽和，消除磁噪聲影響，從而達到分離的目的。

3 結束語

結合磁傳感器研究熱潮和噪聲測試需要，本文設計了一套基于LabVIEW的磁隧道結傳感器噪聲自動測試系統。通過建立測試電路的等效噪聲模型，綜合考慮了各種噪聲來源并在傳感器噪聲測試時予以剔除。通過測量標準電阻的噪聲并與理論值相比較，論證了測試系統的高準確度。最后分別對AlOx基MTJ和TMR9002磁傳感器進行了測試，得到了磁傳感器噪聲與偏流和外磁場的關系，并對結果作出解釋。測試系統提供了不同偏流、磁場狀態下的噪聲測試能力，為磁隧道結傳感器的噪聲理論研究提供可行的測試技術。

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（編輯：商丹丹）

Design of automated noise test system for magnetic tunnel junction sensors

HU Yueguo，PAN Mengchun，LI Peisen，CHEN Dixiang，DU Qingfa，HU Jiafei
（College of Mechanics Engineering and Automation，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

The magnetic tunnel junction（MTJ）can achieve large magnetic reluctance change rate，but its noise especially the 1/f noise at low frequencies is much severe.To analyze the sources and level of the MTJ noise，an automated noise test system based on LabVIEW is designed.By comprehensively analyzing the sources of system noise and establishing the equivalent noise model of the amplifier，the equivalent input noise voltage and noise current of the system under different magnifications are acquired，and the optimal magnification is determined.On the basis of this，the noise of the amplifier is eliminated by software operation to improve the accuracy of the testing system.After testing the standard resistance noise，the system error can be maintained within±5%.Finally，based on the tests for AlOx-based MTJ and magnetic sensor TMR9002，the rules of magnetic sensornoisechangingwiththebiascurrentandmagneticfieldareobtainedand interpreted.

magnetic tunnel junction；1/f noise；LabVIEW；automated noise test system

A

1674-5124（2017）08-0071-05

2016-07-21；

2016-09-23

國家自然科學基金（51507178，U1430105，51175507）

胡悅國（1991-），男，湖南桃江縣人，碩士研究生，專業方向為磁電阻傳感器噪聲機理及抑制。

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.015