基于F-P干涉原理的RRAM噪声检测装置及方法

基于f-p干涉原理的rram噪声检测装置及方法
技术领域
1.本发明属于阻变存储器噪声检测技术领域，涉及一种基于f-p干涉原理的rram噪声检测装置，本发明还涉及一种基于f-p干涉原理的rram噪声检测装置的检测方法。


背景技术：

2.伴随着科学技术的日新月异，人工智能在众多新技术中都扮演着重要角色，而存储器又在人工智能中起着重要作用。电阻随机存取存储器(rram)作为新一代存储技术，因其高速、低成本、存储密度强、以及优异的可扩展性而被认为是最突出的新兴存储技术之一，其在人工智能领域具有广阔应用前景。但是其使用寿命的长短、稳定性的高低都直接影响整个智能系统的稳定性和安全性。通过测量存储器低频噪声的特性就可以间接判断出其内部潜在缺陷的有无，因此通过检测rram内部噪声从而判断其内部缺陷对于rram在人工智能领域的运用具有深远意义。
3.现如今对半导体器件中的噪声测量主要有直流偏置技术、交流偏置技术以及采用频谱分析仪分析噪声信号等，这些技术在噪声提取以及噪声分析方面取得了重大突破，但是仍有许多不足之处。在噪声的提取方面，不同的器件测试系统不同，目前主要使用交、直流偏置技术，采用放大器对噪声进行放大测量，而放大器不仅本身产生的背景噪声会对rram噪声产生影响，而且对于较大的噪声频谱密度的测量所需放大器又较为昂贵，因此对器件噪声的提取存在一定的限制；对于采用直流偏置技术测量噪声，输出噪声电压相比较器件电压很小，因此对于输出噪声的精度也需要得到优化提升。本文发明了一种采用光学检测的方法来测量rram噪声的装置，且不单限于测量rram噪声，也可广泛应用于各种电子产品内部噪声的测量。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于f-p干涉原理的rram噪声检测装置，解决了现有技术中存在的测量噪声的精度低、外部设备干扰以及设备限制大的问题。
5.本发明的另一目的是提供一种基于f-p干涉原理的rram噪声检测装置的检测方法。
6.本发明所采用的第一技术方案是，基于f-p干涉原理的rram噪声检测装置，包括屏蔽箱，屏蔽箱内部设置有直流偏置电路，直流偏置电路通过刺刀螺母连接器bnc转接头与屏蔽箱外部的光纤传感器连接，窄带光源与光电耦合器连接后与光纤传感器连接，光纤传感器输出端经光电耦合器后与光电二极管连接，光电二极管与示波器连接。
7.本发明第一技术方案的特点还在于，
8.屏蔽箱外部采用双层结构的金属屏蔽层，内部采用可吸收电磁波的材料层。
9.偏置直流电路具体结构为：包括与光纤传感器的一端连接的隔直流电容器，隔直流电容器同时还依次与滑动变阻器、直流电流表、单刀双掷开关、直流电源连接，直流电源的正极与单刀双掷开关连接，直流电源的负极与光纤传感器的另一端连接，隔直流电容器与滑动变阻器之间还连接有阻变存储器的一端，阻变存储器的另一端与直流电源的负极连
接。单刀双掷开关的两个触头分别为触头a和触头b。
10.直流电源，采用两节3v干电池供电，滑动变阻器，采用最大阻值为20ω的线绕电阻器；光纤传感器为光纤传感器噪声检测探头，初始腔长为0.4～0.6mm，示波器用于接收光电二极管输出的数据；窄带光源发射器为dfb光纤激光器，中心波长为1550nm；所述光电耦合器为3db光电耦合器。
11.光纤传感器制作方法如下：
12.步骤a、将光纤端插入陶瓷插针然后用胶将两者进行固定；
13.步骤b、将塑料板剪成圆形，且直径与圆形套筒后用电钻在圆形塑料板中心打孔，此孔与陶瓷插针规格相同，将陶瓷插针钻好的塑料板上并将两者固定粘结；
14.步骤c、将带有陶瓷插针塑料板压电陶瓷片形套筒压电陶瓷片瓷插针间的距离，在距离为0.5～0.6mm之间取到干涉信号的最佳距离，最后将陶瓷插针固定；
15.步骤d、将压电陶瓷片极接到被测电路。
16.本发明所采用的第二技术方案是，
17.基于f-p干涉原理的rram噪声检测装置的检测方法，具体按照以下步骤实施：
18.步骤1、单刀双掷开关接触头a后通过调节线绕电阻器调节所需电流，然后将单刀双掷开关接触头b进行rram噪声检测；
19.步骤2、隔直流电容器用于隔离rram两端产生的直流分压，光纤传感用于感应经耦合电容隔离后的噪声信号，当有噪声信号产生时，产生的电场经所述光纤传感器探头收集并作用于压电陶瓷片两极，并使压电陶瓷片发生振动形变，光纤传感探头端面和压电陶瓷片上表面两个反射面间距发生变化，导致光强和干涉相位发生变化，变化原理如下：
[0020][0021]
式中：r为光纤探头端面和压电陶瓷片上表面反射率，为任意两束光的相位差，其中n为f-p腔内介质的折射率，l为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线夹角，i0为入射光光强；
[0022]
步骤3、产生变化的光信号经光电耦合器作用将信号传输至光电二极管，通过光电转换将信号传输到示波器上进行采集。
[0023]
步骤4、通过观察示波器即可观察出噪声的原始信号图。
[0024]
本发明的有益效果是，本发明的目的是提供一种基于f-p干涉原理的rram噪声检测装置，采用dfb光纤激光器，具有高稳定性、窄带宽、与光纤兼容等优点，利用该光源对光纤f-p传感器进行传感有着高稳定性、高灵敏度、高精度等优点。本发明区别于传统的使用放大器对噪声信号进行采集，而采用f-p光纤传感器直接收集rram低频噪声，具有操作简单、无数据采集背景噪声、精确度高、响应快、测量频率宽等优点。本发明中f-p光纤传感器采用的压敏材料具有灵敏度高、质量轻、稳定性好、易制作等优点，结合光学测量技术能快速准确的测量出噪声电信号。本发明对于被测原件外部用屏蔽层隔开，测量设备为无源系统，具有抗干扰能力强、无污染噪声等优点，大大提高了rram噪声测量的准确性。为半导体等电子器件的噪声测量提供了一种全新的测量技术。
附图说明
[0025]
图1是f-p光纤传感rram噪声检测流程图；
[0026]
图2是f-p光纤传感rram噪声检测系统结构示意图；
[0027]
图3是光纤噪声检测探头示意图。
[0028]
图中：直流偏置电路1、屏蔽箱100、电磁波吸收材料层109、单刀双掷开关101、102触头a、103触头b、直流电流表104、滑动变阻器105、阻变存储器106、直流电源107、隔直流电容器108、光纤传感器2、示波器3、窄带光源4、光电耦合器5、光电二极管6、陶瓷插针7、塑料板8、光纤9、压电陶瓷10、套管11。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0030]
本发明基于f-p干涉原理的rram噪声检测装置，结构如图1～3所示，包括屏蔽箱100，屏蔽箱100内部设置有直流偏置电路1，直流偏置电路1通过刺刀螺母连接器bnc转接头与屏蔽箱100外部的光纤传感器2连接，窄带光源4与光电耦合器5连接后与光纤传感器2连接，光纤传感器2输出端经光电耦合器5后与光电二极管6连接，光电二极管6与示波器3连接显示检测到的噪声信号。
[0031]
屏蔽箱100外部采用双层结构的金属屏蔽层，内部采用可吸收电磁波的材料层109，用于屏蔽外界干扰噪声。
[0032]
偏置直流电路1具体结构为：包括与所述光纤传感器2的一端连接的隔直流电容器108，隔直流电容器108同时还依次与滑动变阻器105、直流电流表104、单刀双掷开关101、直流电源107连接，直流电源107的正极与单刀双掷开关101连接，直流电源107的负极与所述光纤传感器2的另一端连接，所述隔直流电容器108与滑动变阻器105之间还连接有阻变存储器106的一端，阻变存储器106的另一端与直流电源107的负极连接。单刀双掷开关101的两个触头分别为触头a102和触头b103，在单刀双掷开关101接触头a102时，由直流电流表可得到工作电流的具体数值，接着进行滑动变阻器105相关阻值的调节，从而获得所需电流，在单刀双掷开关101接触头b103时即可进行噪声的测量。
[0033]
直流电源107，采用两节3v干电池供电，用于给直流偏置电路提供稳定输入电源；所述直流电流表104，将量程调节为0～0.6a，用于测量直流偏置电路中电流是否为所需电流；所述滑动变阻器105，采用最大阻值为20ω的线绕电阻器，用于调节直流偏置电路所需电流值；所述电容器108，采用合适容值的耦合电容，用于隔离被测器件两端的直流电压；所述光纤传感器2为光纤传感器噪声检测探头，初始腔长为0.4～0.6mm，用于收集阻变存储器发出的噪声信号；所述示波器3用于接收光电二极管6输出的数据；所述窄带光源发射器4为dfb光纤激光器，中心波长为1550nm，用于发射所需窄带光源；所述光电耦合器5为3db光电耦合器，用于接收窄带光源4发射的光源并经光纤检测探头2反射后通过3db光电耦合器传输给光电二极管6；所述光电二极管6，用于接收光电耦合器5的数据然后传输给示波器3。
[0034]
光纤传感器2制作方法如下：
[0035]
步骤a、将光纤9尾端插入陶瓷插针7中，然后用胶将两者进行固定；
[0036]
步骤b、将塑料板8裁剪成圆形，且直径与圆形套筒11内径相同，然后用电钻在圆形塑料板中心打孔，此孔与陶瓷插针7规格相同，将陶瓷插针7插入钻好的塑料板上并将两者
固定粘结；
[0037]
步骤c、将带有陶瓷插针7的塑料板8和压电陶瓷片10固定在圆形套筒11内，调整压电陶瓷片10和陶瓷插针7之间的距离，在距离为0.5～0.6mm之间取到干涉信号的最佳距离，最后将陶瓷插针固定；
[0038]
步骤d、将压电陶瓷片10两电极接到被测电路。
[0039]
基于f-p干涉原理的rram噪声检测装置的检测方法，具体按照以下步骤实施：
[0040]
步骤1、单刀双掷开关101接触头a102后通过调节线绕电阻器105调节所需电流，然后将单刀双掷开关101接触头b103进行rram噪声检测；
[0041]
步骤2、隔直流电容器108用于隔离rram两端产生的直流分压，光纤传感器2用于感应经108耦合电容隔离后的噪声信号，当有噪声信号产生时，产生的电场经所述光纤传感器2探头收集并作用于压电陶瓷片10两极，并使压电陶瓷片10发生振动形变，光纤传感器2探头端面和压电陶瓷片10上表面两个反射面间距发生变化，导致光强和干涉相位发生变化，变化原理如下：
[0042][0043]
式中：r为光纤探头端面和压电陶瓷片上表面反射率，为任意两束光的相位差，其中n为f-p腔内介质的折射率，l为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线夹角，i0为入射光光强；
[0044]
步骤3、产生变化的光信号经光电耦合器5作用将信号传输至光电二极管6，通过光电转换将信号传输到示波器上进行采集。
[0045]
步骤4、通过观察示波器即可观察出噪声的原始信号图。
[0046]
本发明采用干电池107对电路供电，单刀双掷开关101接触头a102后通过调节线绕电阻器105调节所需电流，然后将单刀双掷开关101接触头b103进行rram噪声检测，108为一耦合电容，用于隔离rram两端产生的支流分压，2为光纤传感噪声检测探头，用于感应经108耦合电容隔离后的噪声信号，所述的光纤传感噪声检测探头2，当有噪声信号产生时，产生的电场经探头收集并作用于压电陶瓷片两极，并使其发生振动形变，光纤探头端面和压电陶瓷片上表面两个反射面间距发生变化，导致光强和干涉相位发生变化，其变化原理如下：
[0047][0048]
式中：r为光纤探头端面和压电陶瓷片上表面反射率，为任意两束光的相位差，其中n为f-p腔内介质的折射率，l为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线夹角，i0为入射光光强；
[0049]
产生变化的光信号经3db耦合器作用将信号传输至光电二极管，通过光电转换将信号传输到示波器上进行采集。
[0050]
光纤探头内部具体结构参见图3，图中，7为陶瓷插针、8为塑料板、9为光纤、10为压电陶瓷片、11为圆形套管。压电陶瓷片10用引出线与bnc传输线连接。该光纤探头具体制作方法如下所示：
[0051]
(1)选择8/125单模光纤其接口类型为fc/apc，将光纤尾端部分剥掉涂覆层露出光纤的纤芯部分，然后把光纤端面切平或抛光；
[0052]
(2)将处理好的光纤9插入陶瓷插针7里并用胶将两者进行固定粘接，把塑胶板8裁剪成和压电陶瓷片10直径相同的圆；
[0053]
(3)用电钻在剪裁好的圆形塑胶板中心钻孔(孔径和陶瓷插针规格相同)，将陶瓷插针插入钻好孔的塑胶板上并将两者固定粘接；
[0054]
(4)在保证压电陶瓷片和光纤端面二者平行的前提下，用解调系统可获取由光纤端面反射光和压电陶瓷片反射光产生的干涉的信号，微调光纤端面和压电陶瓷片的距离，取合适的腔长范围，使得干涉信号质量最佳，用胶进行粘接固定，即完成传感器的制作。
[0055]
本发明装置主要用于检测rram器件内部低频噪声，但不仅限于rram器件噪声的测量。通过采用干电池使rram处于通态，使得偏置电路本底噪声尽可能很低；装置中的滑动变阻器可以调节所需电流；屏蔽箱外层采用双层金属屏蔽，内层采用高磁导率材料，可有效吸收干扰噪声，屏蔽效果较好；通过bnc将屏蔽箱内所测噪声信号传输到光纤传感器，经传感器检测后传输到示波器显示。本发明避免了使用放大器，一定程度上减少了系统背景噪声的影响，使得所测数据更加精确。
[0056]
本发明不同于以往的采用放大器对噪声放大后进行测量分析，而是采用基于f-p干涉原理的一种新型检测装置来直接对电噪声进行测量，避免了放大器本身对噪声信号的影响。同时，本发明具有灵敏度高、精确性好、响应快、无干扰噪声等优点。