1電壓噪聲測(cè)試技術(shù)的驗(yàn)證

　　1.1測(cè)試技術(shù)驗(yàn)證方案及驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)

　　為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，我們采用圖3.9中的測(cè)試方法對(duì)1M的厚膜電阻進(jìn)行了電壓噪聲測(cè)試，其中Rx為待測(cè)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(biāo)稱容值，實(shí)際的阻值會(huì)與標(biāo)稱值有一定差異，因此在實(shí)際測(cè)試時(shí)，需要調(diào)整R1，直至兩邊電橋平衡。電橋平衡的表現(xiàn)是放大器輸入信號(hào)中無直流偏置。放大器采用自行設(shè)計(jì)的AD743放大電路。驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)分別采用一個(gè)定性驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)和一個(gè)定量驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。

　　如果測(cè)試結(jié)果是正確的，我們會(huì)在信號(hào)功率譜密度的低頻段看到明顯的1/f噪聲信號(hào)曲線，或者是1/f噪聲信號(hào)與爆裂噪聲的疊加曲線，這種曲線會(huì)隨著頻率的增大而不斷降低，并且在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，其斜率近似為-1.同時(shí)我們還會(huì)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(duì)于定量驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，我們采用著名的胡格公式（2-9）。根據(jù)公式（2-9）我們很容易的推得，器件的電壓功率譜噪聲應(yīng)該與器件兩端所施加偏置電壓的平方成正比。

　　1.2測(cè)試技術(shù)驗(yàn)證結(jié)果

　　我們分別在16V和32V的直流偏執(zhí)下測(cè)試了樣品的電壓噪聲，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。圖中在50Hz的整數(shù)倍的頻點(diǎn)處的尖峰為計(jì)算機(jī)電源信號(hào)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(shì)均符合1/f噪聲的特點(diǎn)，這說明本測(cè)試技術(shù)所測(cè)得的結(jié)果即為器件的1/f噪聲。

　　圖1只是通過定性分析來驗(yàn)證該測(cè)試方法，接下來，我們結(jié)合具體數(shù)據(jù)和低頻噪聲有關(guān)理論來證明測(cè)試技術(shù)的可靠性。現(xiàn)將曲線中的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)列于下表：

　　從上表中我們可以看出，當(dāng)樣品兩端的偏壓增加了一倍，其噪聲功率譜密度的數(shù)值都變?yōu)榇蠹s原來的4倍，這與胡格公式相吻合，因此說明本研究中設(shè)計(jì)的新的測(cè)試技術(shù)是可靠的。

　　2電流噪聲測(cè)試技術(shù)的驗(yàn)證

　　2.1測(cè)試技術(shù)驗(yàn)證方案及驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)

　　該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，我們測(cè)試了標(biāo)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(cè)試條件為室溫300K，對(duì)器件兩端所加測(cè)試電壓為5V，電流放大器采用SR570電流放大器，放大倍數(shù)為5×10 7。

　　我們首先對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲曲線的直觀定性驗(yàn)證。對(duì)器件及介質(zhì)材料噪聲信號(hào)的功率譜密度性質(zhì)的研究表明，器件或介質(zhì)材料功率譜密度譜圖在高頻部分應(yīng)該為一幅值為常量A并與X軸（頻率坐標(biāo)軸）平行的直線，該直線即為樣品的白噪聲，是一定會(huì)有的噪聲成分。但由于電流放大器對(duì)信號(hào)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?cè)谡箤掝l帶還原信號(hào)后的功率譜密度圖中應(yīng)該可以看到該直線。

　　另一方面，我們還對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量驗(yàn)證。如果該方法正確，則該測(cè)試方法中的歸一化函數(shù)在還原電流噪聲功率譜密度的高頻部分時(shí)，能保證其低頻段數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方法所測(cè)得的數(shù)據(jù)基本一致。

　　2.2測(cè)試技術(shù)驗(yàn)證結(jié)果

　　圖2是采用傳統(tǒng)方法在上述實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)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(hào)出現(xiàn)衰減失真。

　　圖3是利用本方案展寬頻帶還原后的信號(hào)。可以看到還原后的信號(hào)在500Hz-5KHz的高頻部分出現(xiàn)了應(yīng)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(cè)試方法和本方案方法的對(duì)比圖。可以看到還原后的信號(hào)在1Hz-100Hz的頻率范圍內(nèi)與傳統(tǒng)方法沒有失真的低頻段數(shù)據(jù)吻合度非常高。這說明本方案中的信號(hào)還原展寬頻帶的方法在將高頻部分信號(hào)還原的同時(shí)，能確保對(duì)信號(hào)未失真的低頻部分?jǐn)?shù)據(jù)無明顯影響。在該驗(yàn)證試驗(yàn)中，本方案中的測(cè)試方法將信號(hào)的頻帶展寬了50倍。

　　3電壓噪聲測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于高阻厚膜電阻的篩選

　　3.1噪聲對(duì)高阻厚膜電阻的影響

　　大阻值厚膜電阻主要應(yīng)用在微電流檢測(cè)電路和微弱信號(hào)放大系統(tǒng)以及各類傳感器上（雷達(dá)、放射性測(cè)量?jī)x、夜視系統(tǒng)、紅外測(cè)量、電子顯微技術(shù)、質(zhì)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?xí)〉絧A或fA級(jí)，為了采集到如此微弱的信號(hào)，我們通常會(huì)讓微弱的電流流過一個(gè)阻值非常大的電阻，這樣我們就將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為大到系統(tǒng)可以分辨的電壓信號(hào)，使信號(hào)的采集工作能正常完成。

　　然而這類系統(tǒng)的分辨率會(huì)受到電阻低頻噪聲的影響。由于電阻自身會(huì)由熱噪聲產(chǎn)生一個(gè)噪聲電壓；并且作為電子器件，電阻本身也會(huì)產(chǎn)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(tǒng)的最小分辨率。由于個(gè)體電阻的微觀材料內(nèi)部缺陷數(shù)量有所不同，因此不同電阻的1/f噪聲值幅值會(huì)有所不同。同樣的，部分樣品在生產(chǎn)過程中混入了深能級(jí)重金屬雜質(zhì)，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(tǒng)的關(guān)鍵部件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的分辨率提高有顯著的作用。

　　3.2噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案

　　傳統(tǒng)電壓噪聲測(cè)試技術(shù)可以用于測(cè)試阻值較低的厚膜電阻的電壓噪聲。但當(dāng)被測(cè)貼片電阻的阻值不斷升高時(shí)，對(duì)于放大器來說，相當(dāng)于信號(hào)源阻抗在不斷增大，因此傳統(tǒng)方法的測(cè)試效果會(huì)不斷下降。對(duì)于電壓噪聲測(cè)試來說，相當(dāng)于噪聲信號(hào)不斷逼近系統(tǒng)的本底噪聲，最終當(dāng)阻值升高達(dá)到一定阻值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致樣品的噪聲信號(hào)湮滅在系統(tǒng)背底噪聲之中，無法被識(shí)別。

　　所以，為了能對(duì)高阻厚膜電阻進(jìn)行低頻噪聲測(cè)試技術(shù)，我們必須采用其他技術(shù)，這里我們采用圖3.9中設(shè)計(jì)的電壓噪聲測(cè)試技術(shù)來進(jìn)行測(cè)試。并通過對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)的分析來驗(yàn)證本測(cè)試技術(shù)。

　　3.3根據(jù)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行器件篩選

　　我們對(duì)10M的厚膜電阻進(jìn)行了噪聲測(cè)試。從實(shí)驗(yàn)中得到測(cè)試數(shù)據(jù)后，最重要的一步就是根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)器件進(jìn)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(jù)、譜值比篩選判據(jù)、B值篩選判據(jù)、點(diǎn)頻值篩選判據(jù)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)10M的若干厚膜電阻用不同的篩選判據(jù)進(jìn)行了篩選。

　　采用不同判據(jù)的篩選結(jié)果如下：

　　（1）寬帶噪聲電壓篩選

　　噪聲電壓是最直觀的篩選判據(jù)，它將頻域上的噪聲頻譜密度轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)對(duì)若干樣品進(jìn)行了篩選，點(diǎn)頻譜值的單位為：V 2 /Hz.第一頻點(diǎn)為1Hz，第二頻點(diǎn)為2Hz.選中將f 1設(shè)為1Hz，f 2設(shè)為1Khz.我們使用此篩選判據(jù)對(duì)若干樣品進(jìn)行了篩選，結(jié)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(hào)樣品的噪聲電壓最低，因而2號(hào)樣品作為傳感器的電流轉(zhuǎn)電壓部件最合適。

　　（2）譜值比篩選

　　本篩選判據(jù)根據(jù)第一個(gè)頻點(diǎn)的譜值s和第二個(gè)頻點(diǎn)和第一個(gè)頻點(diǎn)的譜值比r來共同判定器件的類別。設(shè)s的均值為s0，方差為s1；r的均值為r0，方差為r1.點(diǎn)頻判據(jù)系數(shù)為t1，譜值比判據(jù)系數(shù)為t2.具體判定規(guī)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(jié)果如何，該產(chǎn)品為三類品；

　　7）若通過s判定為三類品，則不管r判定的結(jié)果如何，該產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品為二類品。

　　亦可參照下表進(jìn)行篩選：

　　我們使用此篩選判據(jù)對(duì)若干樣品進(jìn)行了篩選，點(diǎn)頻譜值的單位為：V 2 /Hz.第一頻點(diǎn)為1Hz，第二頻點(diǎn)為2Hz.

　　（3）B值篩選

　　本篩選判據(jù)根據(jù)公式（1）中的B值來判定器件類別。先對(duì)B取10為底的對(duì)數(shù)記為b，設(shè)b的均值為b0，方差為b1，篩選判據(jù)為t.判定規(guī)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(shí)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(jù)對(duì)若干樣品進(jìn)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(tái)調(diào)用頻譜擬合模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲取B值。篩選結(jié)果如下表所示：

　　（4）點(diǎn)頻值篩選

　　本模塊根據(jù)第一個(gè)頻點(diǎn)（一般為1Hz）的譜值s來判定判定器件類別。設(shè)s的均值為s0，方差為s1，篩選判據(jù)為t.判定規(guī)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(shí)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(jù)對(duì)若干樣品進(jìn)行了篩選，其中第一頻點(diǎn)為1Hz.篩選結(jié)果如下表所示：

　　3.4高阻值厚膜電阻中的爆裂噪聲

　　在本實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)了大多數(shù)高阻厚膜電阻含有明顯的爆裂噪聲，其典型時(shí)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(jié)構(gòu)比一般電阻更加復(fù)雜，其電阻體的材料分布不是均勻的，而是由許多導(dǎo)電顆粒分布在絕緣材料之中構(gòu)成的，如圖4.8所示：

　　上圖中的灰色球體是導(dǎo)電顆粒，通常是釕系氧化物RU2O2上圖中黑色部分是絕緣介質(zhì)，俗稱玻璃釉，通常是由氧化鉛和二氧化硅構(gòu)成。由圖4.8可見，電阻中的導(dǎo)電顆粒被絕緣介質(zhì)分離出來，彼此之間一般不會(huì)接觸。在制作電阻時(shí)，導(dǎo)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(diào)節(jié)電阻阻值的方式。

　　已有針對(duì)厚膜電阻的研究同樣在實(shí)驗(yàn)中的一部分厚膜電阻中發(fā)現(xiàn)了爆裂噪聲厚膜電阻中爆裂噪聲的產(chǎn)生和電阻材料的構(gòu)成有直接的關(guān)系。載流子在厚膜電阻中的輸運(yùn)是通過導(dǎo)電顆粒與絕緣層構(gòu)成的特殊網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)載流子輸運(yùn)機(jī)制是由厚膜電阻中導(dǎo)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?yàn)檩d流子在這些絕緣層形成的勢(shì)壘兩邊進(jìn)行隧穿導(dǎo)電，勢(shì)壘決定時(shí)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(yùn)。有研究者認(rèn)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(dǎo)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(xiàn)在材料中最高場(chǎng)強(qiáng)的區(qū)域。

　　然而，目前對(duì)于厚膜電阻中爆裂噪聲的起源尚無定論。有研究者認(rèn)為爆裂噪聲是由導(dǎo)電顆粒之間非常薄的絕緣玻璃釉中的缺陷導(dǎo)致的［29］，這些缺陷會(huì)不斷俘獲或釋放載流子，形成載流子的產(chǎn)生-復(fù)合中心，當(dāng)這些產(chǎn)生-復(fù)合中心處于高場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，則它們會(huì)使勢(shì)壘發(fā)生變化從而引起隧道電流的漲落，導(dǎo)致爆裂噪聲。

　　從圖4.7中的態(tài)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(dǎo)體器件，而非厚膜電阻之中［30］。大多數(shù)其他種類電阻的爆裂噪聲的脈沖高度是不一樣的，可能會(huì)同時(shí)存在兩三種高度的脈沖。脈沖的高度是由電阻材料中高場(chǎng)強(qiáng)部位中的微觀缺陷態(tài)所導(dǎo)致的。每個(gè)足以激發(fā)出爆裂噪聲的微觀缺陷，對(duì)應(yīng)著一個(gè)脈沖。如果樣品材料中含有多個(gè)足以在高場(chǎng)強(qiáng)下激發(fā)出爆裂噪聲的缺陷，則該器件的爆裂噪聲時(shí)域波形中會(huì)含有多種高度的脈沖，其頻域中會(huì)含有明顯的洛倫茲譜，因而不會(huì)再表現(xiàn)為典型的爆裂噪聲曲線。

　　我們對(duì)不同電壓下的爆裂噪聲時(shí)域信號(hào)進(jìn)行了測(cè)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(qiáng)烈。該現(xiàn)象可用電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)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(zhì)中的缺陷在高場(chǎng)強(qiáng)下引起的。因此影響爆裂噪聲的因素有兩個(gè)，即電阻體中的缺陷數(shù)量和這些缺陷所處的電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)器件偏壓較低時(shí)，器件中的電場(chǎng)較低，因此即便有個(gè)別缺陷處于高場(chǎng)強(qiáng)，其相對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度不斷增加，從而導(dǎo)致個(gè)別相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)較高的缺陷區(qū)域的電場(chǎng)的絕對(duì)強(qiáng)度大幅增加，從而加強(qiáng)了產(chǎn)生-復(fù)合中心對(duì)于載流子的俘獲和釋放，導(dǎo)致爆裂噪聲更加明顯。

　　在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了降低厚膜電阻的噪聲，除了對(duì)電阻進(jìn)行篩選之外，另外一個(gè)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(fā)出強(qiáng)烈的爆裂噪聲。同時(shí)在應(yīng)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。