1電壓噪聲測試技術的驗證

　　1.1測試技術驗證方案及驗證標準

　　為了驗證該系統的可靠性，我們采用圖3.9中的測試方法對1M的厚膜電阻進行了電壓噪聲測試，其中Rx為待測阻值為1M的厚膜電阻，Rt為400K繞線電阻，R1為25K可變繞線電阻，R2為10K繞線電阻。

　　這里要注意，以上電阻的阻值都是標稱容值，實際的阻值會與標稱值有一定差異，因此在實際測試時，需要調整R1，直至兩邊電橋平衡。電橋平衡的表現是放大器輸入信號中無直流偏置。放大器采用自行設計的AD743放大電路。驗證標準分別采用一個定性驗證標準和一個定量驗證標準。

　　如果測試結果是正確的，我們會在信號功率譜密度的低頻段看到明顯的1/f噪聲信號曲線，或者是1/f噪聲信號與爆裂噪聲的疊加曲線，這種曲線會隨著頻率的增大而不斷降低，并且在對數坐標中，其斜率近似為-1.同時我們還會在曲線上頻率稍高的部分看到一條直線，該直線為熱噪聲。對于定量驗證標準，我們采用著名的胡格公式（2-9）。根據公式（2-9）我們很容易的推得，器件的電壓功率譜噪聲應該與器件兩端所施加偏置電壓的平方成正比。

　　1.2測試技術驗證結果

　　我們分別在16V和32V的直流偏執下測試了樣品的電壓噪聲，測試結果如圖1所示。圖中在50Hz的整數倍的頻點處的尖峰為計算機電源信號傳入的諧波干擾，從圖中我們可以明顯看出兩條曲線的在低頻端的趨勢均符合1/f噪聲的特點，這說明本測試技術所測得的結果即為器件的1/f噪聲。

　　圖1只是通過定性分析來驗證該測試方法，接下來，我們結合具體數據和低頻噪聲有關理論來證明測試技術的可靠性。現將曲線中的頻點數據列于下表：

　　從上表中我們可以看出，當樣品兩端的偏壓增加了一倍，其噪聲功率譜密度的數值都變為大約原來的4倍，這與胡格公式相吻合，因此說明本研究中設計的新的測試技術是可靠的。

　　2電流噪聲測試技術的驗證

　　2.1測試技術驗證方案及驗證標準

　　該驗證實驗中，我們測試了標稱容值為157 uF的聚合物鉭電解電容的漏電流噪聲。其等效絕緣電阻大于500MΩ，額定電壓為6.3V，測試條件為室溫300K，對器件兩端所加測試電壓為5V，電流放大器采用SR570電流放大器，放大倍數為5×10 7。

　　我們首先對測試數據進行噪聲曲線的直觀定性驗證。對器件及介質材料噪聲信號的功率譜密度性質的研究表明，器件或介質材料功率譜密度譜圖在高頻部分應該為一幅值為常量A并與X軸（頻率坐標軸）平行的直線，該直線即為樣品的白噪聲，是一定會有的噪聲成分。但由于電流放大器對信號的衰減，我們無法觀察到這一與X軸平行直線。如果本方案中的方法正確，我們在展寬頻帶還原信號后的功率譜密度圖中應該可以看到該直線。

　　另一方面，我們還對測試數據進行了定量驗證。如果該方法正確，則該測試方法中的歸一化函數在還原電流噪聲功率譜密度的高頻部分時，能保證其低頻段數據與傳統方法所測得的數據基本一致。

　　2.2測試技術驗證結果

　　圖2是采用傳統方法在上述實驗條件下測得的電流噪聲功率譜密度圖，由于放大器通頻帶過于狹窄，100Hz以上頻帶部分的熱噪聲信號出現衰減失真。

　　圖3是利用本方案展寬頻帶還原后的信號?？梢钥吹竭€原后的信號在500Hz-5KHz的高頻部分出現了應該觀察到的白噪聲，這與低頻噪聲基本理論吻合。

　　圖4.4是采用已有測試方法和本方案方法的對比圖。可以看到還原后的信號在1Hz-100Hz的頻率范圍內與傳統方法沒有失真的低頻段數據吻合度非常高。這說明本方案中的信號還原展寬頻帶的方法在將高頻部分信號還原的同時，能確保對信號未失真的低頻部分數據無明顯影響。在該驗證試驗中，本方案中的測試方法將信號的頻帶展寬了50倍。

　　3電壓噪聲測試技術應用于高阻厚膜電阻的篩選

　　3.1噪聲對高阻厚膜電阻的影響

　　大阻值厚膜電阻主要應用在微電流檢測電路和微弱信號放大系統以及各類傳感器上（雷達、放射性測量儀、夜視系統、紅外測量、電子顯微技術、質普儀）。

　　其工作原理如下：來自于上述傳感器的輸出電流通常很小，甚至會小到pA或fA級，為了采集到如此微弱的信號，我們通常會讓微弱的電流流過一個阻值非常大的電阻，這樣我們就將微弱的電流信號轉換為大到系統可以分辨的電壓信號，使信號的采集工作能正常完成。

　　然而這類系統的分辨率會受到電阻低頻噪聲的影響。由于電阻自身會由熱噪聲產生一個噪聲電壓；并且作為電子器件，電阻本身也會產生1/f噪聲，甚至爆裂噪聲，因此這些噪聲電壓分量的疊加后的電壓就是系統的最小分辨率。由于個體電阻的微觀材料內部缺陷數量有所不同，因此不同電阻的1/f噪聲值幅值會有所不同。同樣的，部分樣品在生產過程中混入了深能級重金屬雜質，因而具有爆裂噪聲，使該器件的噪聲幅值明顯增加。所以在眾多樣品中挑選出噪聲電壓最低的電阻作為傳感器系統的關鍵部件對整個系統的分辨率提高有顯著的作用。

　　3.2噪聲測試實驗方案

　　傳統電壓噪聲測試技術可以用于測試阻值較低的厚膜電阻的電壓噪聲。但當被測貼片電阻的阻值不斷升高時，對于放大器來說，相當于信號源阻抗在不斷增大，因此傳統方法的測試效果會不斷下降。對于電壓噪聲測試來說，相當于噪聲信號不斷逼近系統的本底噪聲，最終當阻值升高達到一定阻值時，會導致樣品的噪聲信號湮滅在系統背底噪聲之中，無法被識別。

　　所以，為了能對高阻厚膜電阻進行低頻噪聲測試技術，我們必須采用其他技術，這里我們采用圖3.9中設計的電壓噪聲測試技術來進行測試。并通過對結果數據的分析來驗證本測試技術。

　　3.3根據噪聲數據進行器件篩選

　　我們對10M的厚膜電阻進行了噪聲測試。從實驗中得到測試數據后，最重要的一步就是根據數據對器件進行篩選，如圖4.5所示。

　　在噪聲篩選方法中，常用的篩選方法有寬帶噪聲電壓判據、譜值比篩選判據、B值篩選判據、點頻值篩選判據。本實驗對10M的若干厚膜電阻用不同的篩選判據進行了篩選。

　　采用不同判據的篩選結果如下：

　?。?）寬帶噪聲電壓篩選

　　噪聲電壓是最直觀的篩選判據，它將頻域上的噪聲頻譜密度轉換為等效噪聲電壓幅值，該幅值決定了該樣品的分辨率。具體的轉換公式為：

　　（1）式中f 1為寬帶噪聲的起始頻率，f 2為寬帶噪聲的截止頻率。在本篩我們使用此篩選判據對若干樣品進行了篩選，點頻譜值的單位為：V 2 /Hz.第一頻點為1Hz，第二頻點為2Hz.選中將f 1設為1Hz，f 2設為1Khz.我們使用此篩選判據對若干樣品進行了篩選，結果如下：

　　從上圖中我們可以看出，不同樣品的低頻噪聲電壓差別很明顯，這也說明了篩選的意義。2號樣品的噪聲電壓最低，因而2號樣品作為傳感器的電流轉電壓部件最合適。

　?。?）譜值比篩選

　　本篩選判據根據第一個頻點的譜值s和第二個頻點和第一個頻點的譜值比r來共同判定器件的類別。設s的均值為s0，方差為s1；r的均值為r0，方差為r1.點頻判據系數為t1，譜值比判據系數為t2.具體判定規則如下：

　　1） s小于等于s0減去t1乘以s1，則為一類品；

　　2） s小于等于s0加上t1乘以s1，且s大于s0減去t1乘以s1，則為二類品；

　　3） s大于s0加上t1乘以s1，則為三類品；

　　4） r小于等于r0加上t2乘以r1，則為一、二類品；

　　5） r大于r0加上t2乘以r1，則為三類品；

　　6）若通過r判定為三類品，則不管s判定的結果如何，該產品為三類品；

　　7）若通過s判定為三類品，則不管r判定的結果如何，該產品為三類品；

　　8）若通過r判定為一、二類品，s判定為一類品，該產品為一類品；

　　9）若通過r判定為一、二類品，s判定為二類品，該產品為二類品。

　　亦可參照下表進行篩選：

　　我們使用此篩選判據對若干樣品進行了篩選，點頻譜值的單位為：V 2 /Hz.第一頻點為1Hz，第二頻點為2Hz.

　　（3）B值篩選

　　本篩選判據根據公式（1）中的B值來判定器件類別。先對B取10為底的對數記為b，設b的均值為b0，方差為b1，篩選判據為t.判定規則如下：

　　1）若b大于b0加上t乘以b1，則該器件為三類品；

　　2）若b小于b0減去t乘以b1，則該器件為一類品；

　　3）若b小于等于b0加上t乘以b1，同時大于等于b0減去t乘以b1，則該器件為二類品；

　　我們使用此篩選判據對若干樣品進行了篩選，B值的單位為：V 2。擬和范圍從1.00Hz到100.00Hz.此模塊需要首先在后臺調用頻譜擬合模塊，對數據進行擬合，獲取B值。篩選結果如下表所示：

　　（4）點頻值篩選

　　本模塊根據第一個頻點（一般為1Hz）的譜值s來判定判定器件類別。設s的均值為s0，方差為s1，篩選判據為t.判定規則如下：

　　1）若s大于s0加上t乘以s1，則該器件為三類品；

　　2）若s小于s0減去t乘以s1，則該器件為一類品；

　　3）若s小于等于s0加上t乘以s1，同時大于等于s0減去t乘以s1，則該器件為二類品；我們使用此篩選判據對若干樣品進行了篩選，其中第一頻點為1Hz.篩選結果如下表所示：

　　3.4高阻值厚膜電阻中的爆裂噪聲

　　在本實驗中，我們發現了大多數高阻厚膜電阻含有明顯的爆裂噪聲，其典型時域波形和頻域功率譜密度如圖4.6和圖4.7所示：

　　厚膜電阻的結構比一般電阻更加復雜，其電阻體的材料分布不是均勻的，而是由許多導電顆粒分布在絕緣材料之中構成的，如圖4.8所示：

　　上圖中的灰色球體是導電顆粒，通常是釕系氧化物RU2O2上圖中黑色部分是絕緣介質，俗稱玻璃釉，通常是由氧化鉛和二氧化硅構成。由圖4.8可見，電阻中的導電顆粒被絕緣介質分離出來，彼此之間一般不會接觸。在制作電阻時，導電顆粒添加的越少，則電阻的阻值越大，這也是常用的一種調節電阻阻值的方式。

　　已有針對厚膜電阻的研究同樣在實驗中的一部分厚膜電阻中發現了爆裂噪聲厚膜電阻中爆裂噪聲的產生和電阻材料的構成有直接的關系。載流子在厚膜電阻中的輸運是通過導電顆粒與絕緣層構成的特殊網絡來實現的，同時載流子輸運機制是由厚膜電阻中導電顆粒之間的絕緣層來決定的，而非電阻體中的金屬氧化物顆粒，因為載流子在這些絕緣層形成的勢壘兩邊進行隧穿導電，勢壘決定時域爆裂噪聲中我們可以看到高阻厚膜電阻中的爆裂噪聲是一種二的高度了載流子的輸運。有研究者認為厚膜電阻中的爆裂噪聲是由釕系厚膜電阻中諸如氣泡，空洞之類的表面缺陷導致的，并且阻值一定的情況下，尺寸更小的厚膜電阻具有更大的爆裂噪聲，且厚膜電阻中的爆裂噪聲主要出現在材料中最高場強的區域。

　　然而，目前對于厚膜電阻中爆裂噪聲的起源尚無定論。有研究者認為爆裂噪聲是由導電顆粒之間非常薄的絕緣玻璃釉中的缺陷導致的［29］，這些缺陷會不斷俘獲或釋放載流子，形成載流子的產生-復合中心，當這些產生-復合中心處于高場強時，則它們會使勢壘發生變化從而引起隧道電流的漲落，導致爆裂噪聲。

　　從圖4.7中的態噪聲，即噪聲脈沖的幅度基本一致。這種爆裂噪聲多見于其他半導體器件，而非厚膜電阻之中［30］。大多數其他種類電阻的爆裂噪聲的脈沖高度是不一樣的，可能會同時存在兩三種高度的脈沖。脈沖的高度是由電阻材料中高場強部位中的微觀缺陷態所導致的。每個足以激發出爆裂噪聲的微觀缺陷，對應著一個脈沖。如果樣品材料中含有多個足以在高場強下激發出爆裂噪聲的缺陷，則該器件的爆裂噪聲時域波形中會含有多種高度的脈沖，其頻域中會含有明顯的洛倫茲譜，因而不會再表現為典型的爆裂噪聲曲線。

　　我們對不同電壓下的爆裂噪聲時域信號進行了測試，如下圖所示：

　　從以上圖中我們可以看到，爆裂噪聲在低電壓下并不明顯，但隨著所加直流偏置電壓的增加而變得強烈。該現象可用電場強度對厚膜電阻中的爆裂噪聲的影響來解釋。厚膜電阻中的爆裂噪聲主要是由絕緣介質中的缺陷在高場強下引起的。因此影響爆裂噪聲的因素有兩個，即電阻體中的缺陷數量和這些缺陷所處的電場強度。當器件偏壓較低時，器件中的電場較低，因此即便有個別缺陷處于高場強，其相對電場強度還是比較小，因而爆裂噪聲不明顯。隨著電壓的不斷增大，電阻體材料的電場強度不斷增加，從而導致個別相對場強較高的缺陷區域的電場的絕對強度大幅增加，從而加強了產生-復合中心對于載流子的俘獲和釋放，導致爆裂噪聲更加明顯。

　　在實際工程應用中，為了降低厚膜電阻的噪聲，除了對電阻進行篩選之外，另外一個有效的方法是盡量使厚膜電阻兩端偏壓置于低電壓水平，以免激發出強烈的爆裂噪聲。同時在應用條件允許的情況下，盡量選擇同阻值中尺寸較大的厚膜電阻也可以有效降低樣品的噪聲水平。