一种氧化钒热敏薄膜噪声测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种氧化钒薄膜低频微弱噪声测试方法，该方法包括：电源电路适配设计；在测试电路中采用可选择的电流或电压放大电路设计，这个设计区别于的单一的进行电流或者单一的电压放大，本设计可以对两种放大方式进行选择以及彼此之间的对比；测试时高速采集并对噪声进行时域和频域、功率密度谱、氧化钒噪声曲线拟合以及曲线参数提取、样品优劣判断等分析；在测试环境中针对电磁和气流扰动进行了氧化钒样品的屏蔽、测试电路的屏蔽和包括采集卡以及工控机在内的屏蔽的三层屏蔽室的设计，三层屏蔽均是使用金属结构屏蔽，可以屏蔽电磁和气流的扰动。该发明的方法可实现氧化钒热敏薄膜低频噪声的可重复精确测试。
【专利说明】一种氧化钒热敏薄膜噪声测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及红外探测器【技术领域】，尤其涉及热敏薄膜噪声测试。
技术背景
[0002]氧化钒、非晶硅等半导体热敏电阻薄膜材料的电阻随温度升高而降低，并具有较大的电阻温度系数(TCR)和良好的工艺兼容性等优点，因此被广泛用于微测辐射热计型非制冷红外探测器和微测辐射热计型非制冷太赫兹探测器。热敏薄膜材料的噪声(特别是低频噪声)是制约热敏材料器件灵敏度和检测精度的一个关键因素，随着微测辐射热计灵敏度要求的不断提升，检测和控制热敏薄膜材料的噪声尤为重要。对氧化钒薄膜性能的改善通过工艺的改变或者掺杂来实现，材料性能与噪声特性之间有着直接的关系，噪声的性能反应出薄膜材料的优劣。
[0003]对于噪声的测量进而反映薄膜的性能是一个比较可行的方法，对于噪声的测量主要关注于低频(〈100Hz)，低频噪声主要以Ι/f噪声为主，服从Hooge经验公式:
,式中S^fhSjf)分别为噪声电压和电流功率谱密度；A为与材料有
关的常数；V、I为单元两端所加的偏压和电流；β为指数因子，对于材料均匀的单元β =2 ；f为频率；Y为频率指数，通常取I。这些噪声在薄膜通较小电流(μΑ量级)或者电压时是很微弱的。
[0004]现在普遍采用的方法是通过较方便简单的对样品加偏置电压，经放大仪器放大后用频谱分析仪器进行分析，这种方式是使用现有频谱仪，不乏存在测试方法单一，采样速率较低，测试时间较慢等缺点。其数据保存较麻烦，并且采用仪器只能使用仪器所囊括的功能来分析，没有针对性和可变性，这些都会给研究人员带来麻烦以及数据的准确性不足。
[0005]
【发明内容】
:
本发明针对现有噪声测试技术的不足，提出了针对热敏薄膜材料的噪声测试方法。兼顾半导体热敏薄膜材料高电阻温度系数特征和不同热敏材料制备工艺差别，并考虑到膜后处理的工艺要求。在测试样品及其制备工艺设计中尽量减少非热敏薄膜噪声对测试结果的影响，并在测试样品中针对性的散热方案，以尽量真实反映热敏薄膜材料的噪声特性，对于样品可以进行电压或者电流的提取并放大，通过高速采集卡进行快速采集，对采集到的数据进行分析，其中采集数据、采样速率、功率密度谱平均叠加次数进行所需调整，并对数据的分析结果进行保存。数据分析时进行曲线拟合，得到氧化钒噪声参数可以直接进行氧化钒样品优劣性进行一个初步的准确性判断。为氧化钒热敏薄膜质量控制及其制备工艺优化等提供可靠的依据。
[0006]为了解决上述技术问题，本方面采用了如下的技术方案:
一种氧化钒热敏薄膜噪声测试方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤I，选择电流或电压适配以及对应的电流或电压放大模块，测试低噪声电流放大系统背景噪声；
1.1)选择电流源适配以及对应的电流放大模块；1.2)将低噪声电流放大模块输入短接，对采集卡选择对应端口进行采集，观察时域波形，逐步增大低噪声放大增益G1，观察到明显的噪声信号后暂停；
1.3)设置采样率、采样数，此时采样率可以设置成采集卡最大采样率fM，采样数至少是采样率的20倍以上，一般可设置成50 ；
1.4)按照步骤1.3)设置的参数进行采样，按照步骤1.2)中低噪声电流放大系统的增益G1使后续数据对增益进行对应处理得并得到功率谱密度，并且进行多次平均得到系统背景噪声Sa，平均次数最大值是步骤1.3)中采样数与采样率的倍数；
1.5)选择电压源适配以及对应的电压放大模块，对于电压放大模块的系统背景噪声Scv的测试参考1.2)~1.4)步骤
1.5.1)将低噪声电压放大模块输入短接，对采集卡选择对应端口进行采集，观察时域波形，逐步增大低噪声放大增益Gv，观察到明显的噪声信号后暂停；
1.5.2)设置采样率、采样数，此时采样率可以设置成采集卡最大采样率fM，采样数至少是采样率的20倍以上，一般可设置成50 ；
1.5.3)按照步骤1.5.2)设置的参数进行采样，按照步骤1.5.1)中设置的噪声电压放大的增益Gv使后续数据对增益进行对应处理得并得到功率谱密度，并且进行多次平均得到系统背景噪声S。，平均次数最大值是步骤1.5.2)中采样数与采样率的倍数；
步骤2，测试样品的阻值R # 2.1)将样品接入到电路适配模块中，加以直流电压乂# ；
2.2)选择电流放大，调节电流放大器的放大倍数G1，通过采集后得到放大后的电压平均值V1，通过公式I # =V1 X G1得到通过样品的电流I # ;
2.3)根据R=V#/I样得到样品阻值R ；
2.4)调节直流电压V#，重复2.1)~2.3)进行多次的测试并对测试结果R取平均得R
样；
步骤3，获取样品所通电流和对应的所加电压的值
3.1)根据步骤2中测试样品的阻值R#，样品测试时，样品电流控制在μΑ量级，通过V=IXR计算得到样品的电压；
3.2)分别使I在?μΑ~15μΑ范围内变化，计算对应的样品电压范围值；
步骤4，按照步骤3中得到的样品应该所加电压值进行对直流电压源的调整，使得电压值是所需的样品电压值，或者使用直流电流源直接调节；
步骤5，对于步骤4中的电压方式和电流方式，进行电流放大器和/或电流放大器的增益的调整，使放大后得到的电压满足采集卡的采集要求；
步骤6，对噪声进行采集和处理
6.1)对采集卡选择对应端口进行采集，观察到明显的噪声信号后暂停；
6.2)设置步骤5中低噪声放大器的增益G，使后续数据处理时对增益进行对应处理，设置采样率、采样数，此时若只采用一路采集，即电压放大或者电流放大，则采样率设置成采集卡最大采样率fM，如果采用两路同时放大并采集，则采样率设置成fM/4，采样数都设置成50 ；
6.3)按照步骤6.2)设置的参数进行采样得到电流放大器放大后电压信号V，并对电压信号进行一个求平均值Vis;6.4)通过公式Vn+=V-Vtt得到放大后的样品噪声电压Vn+ ；
6.5)通过公式I=V1^G1得到样品通过的实际样品噪声电流，G为电流放大器或电压放大器的增益；
6.6)通过公式Vn=I*R得到实际样品产生的噪声Vn ；
6.7)对Vn进行功率谱密度变化并且50次平均得到噪声功率谱密度Sn (f);
步骤7，对得到的噪声功率谱密度数据处理和分析
7.1)根据样品噪声的功率谱密度公式S￥?=A+ff/p/fy或者^(?)=Β+ΗΙρ/y进行曲线拟合，获取下列参数的值:Α, H, β , Y或者B, H, β，Y ;
7.2)对步骤7.1)中所得的参数A, H, β , Y或者B, H, β，Y分析筛选样品。
[0007]步骤8，通过对样品的时序波形及其数据、功率谱密度波形及其数据、曲线拟合曲线及其参数进行存档和保存；
步骤9，对于步骤3中所获取的其他电压和电流范围取自己所需值按照步骤4~步骤8进行相同处理。
[0008]薄膜低 频微弱噪声测试系统包括适配电路、放大电路、接口设计以及噪声处理。对应整个系统中的电信号传输采用同轴电缆(BNC)进行，可以屏蔽电磁干扰。其中适配电路是根据薄膜样品的电极的引出而做的电压源或者电流源两种不同的选择，两种方式原理类似，但是可以进行对比，从不同角度分析噪声的状态。适配电路的电源的不同选择，对后续的噪声的采集有所不同，对应的电阻匹配也有不同，电压源采用正负电源的联合使用，使得适配电路中的电阻需要与测试样品电阻以及正负电源的大小进行匹配，采用电流源时，电路中的匹配电阻是串联来使用。两种不同的电源以及适配电路的选择，需要后端的放大模块有两种对应的设计，针对电压源获取的噪声是电压，进行电压的放大，而对应电流源获取的噪声是电流，需要进行电流的放大，并且最终转化为电压，保证后续的噪声采集是一致的。采集模块是利用有高速采样率的采集卡，对放大后的噪声进行采集，转换为数字信号进行分析以及结果的保存。
[0009]因为本发明采用以上技术方案，所以具备以下有益效果:
1、对于氧化钒样品噪声的提取有电流和电压提取两种方式可以选择，有一个比对和验证效果；
2、使用高速数据采集卡进行采集，可以设定所用采集卡最高的采集速率，使得测试具有快速性和准确性；
3、采集数据、采样速率、功率密度谱平均叠加次数进行自主调整；
4、保存数据方便，可以直接对数据进行保存和调取；
5、本发明由于采用氧化钒样品的屏蔽、测试电路的屏蔽和包括采集卡以及工控机在内的屏蔽的三层屏蔽室的设计，三层屏蔽均是使用金属结构屏蔽，可以屏蔽电磁和气流的扰动。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1:现有氧化钒热敏薄膜噪声测试方法的系统框图 图2:本发明氧化钒热敏薄膜噪声测试系统框图
图3:本发明的测试过程示意图 图4:本发明电路适配模块原理图 图5:本发明所测的噪声功率谱密度图 图6:本发明测试系统装置模块图。
【具体实施方式】
[0011]一种氧化钒薄膜低频微弱噪声测试方法，该方法包括:电源电路适配设计；在测试电路中采用可选择的电流或电压放大电路设计，这个设计区别于的单一的进行电流或者单一的电压放大，本设计可以对两种放大方式进行选择以及彼此之间的对比；测试时高速采集并对噪声进行时域和频域、功率密度谱、氧化钒噪声曲线拟合以及曲线参数提取、样品优劣判断等分析；在测试环境中针对电磁和气流扰动进行了氧化钒样品的屏蔽、测试电路的屏蔽和包括采集卡以及工控机在内的屏蔽的三层屏蔽室的设计，三层屏蔽均是使用金属结构屏蔽，可以屏蔽电磁和气流的扰动。该发明的方法可实现氧化钒热敏薄膜低频噪声的可重复精确测试。
[0012]参见附图2，本发明的测试系统包括:电磁屏蔽装置、适配电路、放大系统和数据控制采集以及处理分析系统，其中，电磁屏蔽装置有屏蔽样品的第一级屏蔽、含样品及其屏蔽在内且包括适配电路、放大系统的第二级屏蔽和包括前两个屏蔽在内及采集卡和工控计算机在内的第三级屏蔽；适配电路是包括电源适配和需要获取电流或者电压的适配模块，具有可选一和同时选二的测试；放大系统实现对获取的电压和电流信号进行不同类别的放大，并且输出都是电压信号，可供后续采集卡直接采集；数据采集采集之后进行时域频域以及曲线拟合，得到氧化钒的噪声噪声参数，进而判断样品的优劣。所有的模块之间的接口都选用同轴电缆(BNC)进行连接，充分保障环境所引入的噪声最小化。
[0013]本发明所述的测试方法实施步骤如图3所示，氧化钒薄膜噪声测试具体流程如下:
步骤1，选择电流或电压适配以及对应的电流或电压放大模块，测试系统背景噪声；
1.1)电压适配模块和放大模块都是两种可选择的模块，可以首先选择电流源适配以及对应的电流放大模块；
1.2)将低噪声电流放大系统输入短接，对控制采集卡选择对应端口进行采集，观察时域波形，逐步增大低噪声放大系统增益G1，观察到明显的噪声信号后暂停；
1.3)设置步骤1.2)中低噪声放大器的增益G1,使后续数据处理时对增益进行对应处理，设置采样率、采样数，此时采样率可以设置成采集卡最大采样率fM，采样数至少是采样率的20倍以上，一般设置成50;
1.4)按照步骤1.3)设置的参数进行采样得到功率谱密度，并且进行多次平均得到系统背景噪声Sa，平均次数最大值是步骤1.3)中采样数与采样率的倍数；
1.5)选择电压源适配以及对应的电压放大模块，对于电压放大模块的系统背景噪声Scv的测试参考1.2)?1.4)步骤。
[0014]步骤2，测试样品的阻值R#
2.1)将样品接入到适配模块中，加以直流电压V# ；
2.2)选择电流放大，调节电流放大器的放大倍数G1，通过采集后可以得到放大后的电压平均值V1，通过公式Iti=V1XG1得到通过样品的电流I样；2.3)根据R=Vti/I #可以得到样品阻值R ;
2.4)调节直流电压V#，重复2.1)~2.3)进行多次的测试并对测试结果R取平均得R样。
[0015]步骤3，获取样品所通电流和对应的所加电压的值
3.1)根据步骤2中测试样品的阻值R#，样品测试时，样品电流控制在μΑ量级，通过V=IXR计算得到样品的电压；
3.2)分别使I在?μΑ~15μΑ范围内变化，计算对应的样品电压范围值；
步骤4，按照步骤3中得到的样品应该所加电压值进行对直流电压源的调整，使得电压值是所需的样品电压值，或者使用直流电流源直接调节；
步骤5，对于步骤4中的电压方式和电流方式，进行电流放大器和/或电流放大器的增益的调整，使放大后得到的电压满足采集卡的采集要求；
步骤6，对噪声进行采集和处理；
6.1)选择采集卡选择对应端口进行采集，观察到明显的噪声信号后暂停；
6.2)数据处理时对步 骤5中低噪声放大器的增益G进行对应换算，设置采样率、采样数，此时若只采用一路采集，即电压放大或者电流放大，则采样率可以设置成采集卡最大采样率fM，如果采用两路同时放大并采集，则采样率可以设置成fM/4，采样数都设置成50 ；
6.3)按照步骤6.2)设置的参数进行采样得到电流放大器放大后电压信号V，并且对电压信号进行一个求平均值Vis;
6.4)通过公式Vn+=V-Vtt得到放大后的样品噪声电压Vn+ ；
6.5)通过公式I=V1^G1得到样品通过的实际样品噪声电流，G为电流放大器或电压放大器的增益；
6.6)通过公式Vn=I*R得到实际样品产生的噪声Vn ；
6.7)对Vn进行功率谱密度变化并且50次平均得到噪声功率谱密度Sn (f);
步骤7，对得到的噪声功率谱密度数据处理和分析
7.1)根据样品噪声的功率谱密度公式
【权利要求】
1.一种氧化钒热敏薄膜噪声测试方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤I，选择电流或电压适配以及对应的电流或电压放大模块，测试低噪声电流放大系统背景噪声； 。 1.1)选择电流源适配以及对应的电流放大模块； 。 1.2)将低噪声电流放大系统输入短接，对采集卡选择对应端口进行采集，观察时域波形，逐步增大低噪声放大系统增益G1，观察到明显的噪声信号后暂停；。 1.3)设置采样率、采样数，此时采样率可以设置成采集卡最大采样率fM，采样数至少是采样率的20倍以上，一般设置成50 ； 。 1.4)按照步骤1.3)设置的参数进行采样，按照步骤1.2)中低噪声电流放大系统的增益G1使后续数据对增益进行对应处理得并得到功率谱密度，并且进行多次平均得到系统背景噪声Sa，平均次数最大值是步骤1.3)中采样数与采样率的倍数； 。 1.5)选择电压源适配以及对应的电压放大模块，对于电压放大模块的系统背景噪声Scv的测试参考1.2)~1.4)步骤； 步骤2，测试样品的阻值R # 。 2.1)将样品接入到电路适配模块中，加以直流电压乂# ； 。 2.2)选择电流放大，调节电流放大器的放大倍数G1，通过采集后得到放大后的电压平均值V1，通过公式I # =V1 X G1得到通过样品的电流I # ; 。 2.3)根据R=V#/I样得到样品阻值R ；。 2.4)调节直流电压V#，重复2.1)~2.3)进行多次的测试并对测试结果R取平均得R样； 步骤3，获取样品所通电流和对应的所加电压的值 。 3.1)根据步骤2中测试样品的阻值R#，样品测试时，样品电流控制在μΑ量级，通过V=IXR计算得到样品的电压； 。 3.2)使I在ΙμΑ~15μΑ范围内变化，计算对应的样品电压范围值； 步骤4，按照步骤3中得到的样品应该所加电压值进行对直流电压源的调整，使得电压值是所需的样品电压值，或者使用直流电流源直接调节； 步骤5，对于步骤4中的电压方式和电流方式，进行电流放大器和/或电流放大器的增益的调整，使放大后得到的电压满足采集卡的采集要求； 步骤6，对噪声进行采集和处理 。 6.1)对采集卡选择对应端口进行采集，观察到明显的噪声信号后暂停； 。 6.2)设置步骤5中低噪声放大器的增益G，使后续数据处理时对增益进行对应处理，设置采样率、采样数，此时若只采用一路采集，即电压放大或者电流放大，则采样率设置成采集卡最大采样率fM，如果采用两路同时放大并采集，则采样率设置成fM/4，采样数都设置成。50 ； 。6.3)按照步骤6.2)设置的参数进行采样得到电流放大器放大后电压信号V，并对电压信号进行一个求平均值Vis; 。 6.4)通过公式Vn+=V-Vtt得到放大后的样品噪声电压Vn+ ； 。 6.5)通过公式I=V1^G1得到样品通过的实际样品噪声电流，G为电流放大器或电压放大器的增益；`6.6)通过公式Vn=I*R得到实际样品产生的噪声Vn ； `6.7)对Vn进行功率谱密度变化并且50次平均得到噪声功率谱密度Sn (f); 步骤7，对得到的噪声功率谱密度数据处理和分析； `7.1)根据样品噪声的功率谱密度公式Sv(f)=A+HVp/fY或者y进行曲线拟合,获取下列参数的值:Α，H, β，Y或者B, H, β , Y ； `7.2)对步骤7.1)中所 得的参数A, H, β , Y或者B, H, β，Y分析筛选样品。
【文档编号】G01R29/26GK103969518SQ201410215757
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月21日 优先权日:2014年5月21日
【发明者】顾德恩, 王志辉, 郭瑞, 程旭, 侯剑章, 袁凯, 李伟, 蒋亚东 申请人:电子科技大学