磁隧道结传感器噪声自动测试系统设计

摘 要：磁隧道结（MTJ）虽然可以实现相当大的磁阻变化率，但是其噪声尤其是低频下的1/f噪声十分严重。为分析MTJ的噪声来源及大小，设计一套基于LabVIEW的噪声自动测试系统。通过综合分析测试系统噪声来源、建立放大器等效噪声模型，测试得到系统在不同放大倍数下的等效输入噪声电压和噪声电流，并确定最优放大倍数。在此基础上，利用软件运算对放大器噪声进行剔除，以提高测试系统准确度。经过测试标准电阻噪声，验证系统误差可以维持在±5%以内。最后对AlOx基MTJ和磁传感器TMR9002进行测试，得出并解释磁传感器噪声随偏置电流和磁场的变化规律。

关键词：磁隧道结；1/f噪声；LabVIEW；噪声自动测试系统

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）08-0071-05

Abstract： 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 sensor noise changing with the bias current and magnetic field are obtained and interpreted.

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

0 引 言

磁的发现与应用历史悠久，长期以来对人类文明的发展起着重要的推动作用。目前，磁传感器已经应用到工业生产、科学研究、医疗设备等领域，具有十分重要的应用价值。另外，磁传感器在军事上的应用十分广泛，如磁引信、战场环境监测及航空反潜等[1]。

磁电阻传感器相对于其他磁传感器具有饱和磁场低、灵敏度高、功耗低、体积小、工作频带宽等优点，已经成为磁传感器家族中的后起之秀[2]。现阶段的磁电阻传感器主要包括各向异性磁电阻（AMR）传感器、巨磁电阻（GMR）传感器以及隧道结磁电阻（TMR）传感器等[3]。AMR磁传感器技术已经相当成熟，但是由于其各向异性散射导致磁阻变化率不高，所以逐渐被GMR和TMR磁传感器取代。GMR效应的发现是源于对过渡金属导电自旋相关散射机制的研究，可用Mott双电流模型予以解释。目前，GMR磁性多层膜在室温下的磁阻变化率达到了65%以上，远大于AMR磁传感器。而基于自旋相关隧穿效应的TMR磁传感器的磁阻变化率又比GMR大了1～2个数量级，据报道，604%的磁阻变化率已经在MgO基MTJ中得到了实验证实[4]。目前，MTJ除应用在磁传感器领域外，还广泛应用于硬盘读出磁头、磁随机存取存储器（MRAM）中，在高密度信息产业领域占据着重要地位[5]。

对于传感器而言，输出信号和噪声水平同等重要，也就是需要尽可能地提高传感器信噪比（SNR）。MTJ的磁阻变化率相较于其他磁阻传感器具有明显优势，但是其输出噪声尤其是低频下的1/f噪声水平也很高，严重限制了其最小可探测能力[6-7]。为了全面分析MTJ噪声来源，设法降低1/f噪声，提高MTJ探测能力，需要准确可靠高效地实现MTJ噪声测试。

近年来国内外学者在磁电阻传感器噪声测试领域开展了积极的探索和研究[8-10]。美国国家标准与技术研究所（NIST）采用相关算法对一系列磁传感器产品进行了噪声测试，但主要针对的是GMR传感器，而且没能消除放大器噪声电流的影响；Scandurra等[9]利用场效应管、超级电容器和DA转换器等元器件設计了一种可编程、低噪声、高精度的电流源用于低频噪声测量，但是其噪声水平还是高于电池加偏置电阻的串联电路，它更适合应用在对电流准确度要求较高的场合；田武刚等[10]通过建立弱磁传感器特性自动测试系统测试了GMR传感器噪声特性，但是其系统不具备不同偏置电流条件下自动进行噪声测试的能力。总之，目前国内外对磁电阻传感器噪声测试系统进行了一系列改善，但是对于放大器噪声电流的考虑较少，且系统一般缺乏不同偏置电流下噪声自动测试的能力。

本文设计了一套本底噪声较低的MTJ噪声自动测试系统，综合考虑了放大器噪声电压和噪声电流的影响，并通过测试不同放大倍数下的系统本底噪声，确定最优放大倍数。在此基础上对自制的AlOx基MTJ和多维公司的MTJ磁传感器TMR9002进行噪声测试，研究了偏置电流以及磁场变化对噪声的影响。

1 测试系统

由于MTJ的本底噪声比较微弱，一旦测试环节中引入较大的噪声，尤其是1/f噪声，则很难准确判断MTJ噪声的大小。所以，设计测试系统时，尽量减小外界环境和测量电路的噪声是精确获取磁传感器噪声的关键。基于以上考虑，设计并搭建MTJ噪声自动测试系统，如图1所示。

1.1 测试系统组成

该系统主要包含MTJ供电电路、外磁场产生模块、噪声调理电路、噪声频谱获取模块以及输出偏压读取模块。MTJ供电电路由电池、电位器和待测MTJ串联而成，主要用于供给待测器件恒定的偏置电流。外磁场产生模块由功率源Keysight E3649A产生励磁电流，从而在亥姆霍兹线圈中产生所需的外磁场。噪声调理电路由低噪声前置放大器SR560对MTJ输出噪声进行放大并低通滤波（用于抗混叠操作），以便后端信号采集。噪声频谱获取模块采用频谱分析仪Tektronix RSA3303B对调理后的噪声信号进行采样、保持以及傅里叶变换，从而获得需要的噪声频谱。输出偏压读取模块通过纳伏表Keithley 2182获取磁隧道结输出的偏压信号，从而得到器件的响应曲线。纳伏表与MTJ之间通过继电器连接，在测量噪声时自动断开，防止纳伏表对噪声测量产生影响。MTJ供电电路和励磁线圈置于屏蔽筒内，以减少外界环境对测量的干扰。整个系统由带有LabVIEW的计算机通过GPIB总线进行统一的调节和控制，实现了自动化测试。

1.2 放大器噪声评估

测试系统的电路噪声大部分来源于放大器电路，因此对放大器进行噪声评估十分重要。由于双通道相关检测方法对噪声信号的采集电路要求较高，而且只对放大器噪声电压具有抑制作用，对于噪声电流没有效果，所以采用单通道方法事先评估出放大器噪声，然后在后续测量中利用软件运算减去这部分噪声的影响。这种方法的测试电路相对简单，并能消除放大器噪声电流的影响。

放大器内部包含许多元器件，如果对每个单独分析，势必会比较繁琐。为了简化噪声分析，对放大器及其前端电路进行等效电路处理，其等效噪声模型如图2所示[11]。其中Rbias、RMTJ分别为偏置电阻和MTJ电阻，En为放大器噪声电压，In为放大器噪声电流，Rs为信号源电阻（偏置电阻和MTJ的并联电阻），Et为源电阻噪声，Usi为信号源电压，Zi为放大器输入阻抗。放大器内的所有噪声源都可以等效到输入端，用阻抗为零的噪声电压发生器En与输入端串联和用阻抗为无穷大的噪声电流发生器In与输入端并联而成，其内部就成了一个无噪声的放大电路。经过计算，放大器的等效输入噪声Eni满足：

ENT、ENT_bias、ENT_MTJ——总的非热噪声、偏置电阻的非热噪声和MTJ的非热噪声。

由式（2）可以看出，要想偏置电阻对源电阻噪声不产生贡献，首先需满足Rbias>>RMTJ，另外偏置电阻的非热噪声必须接近0，通常选择金属膜电阻作为偏置电阻。这样式（2）可以简化为

E2t=4kTRMTJ+E2 NT_MTJ（3）

对于放大器的噪声项En、In可以通过测量得到。首先将放大器输入端短接，令Rs=0，则有Eni=En，用总输出噪声除以系统增益即可得到En。然后接入一个阻值很大的金属膜电阻，使InRs占据主要成分，结合式（1）利用总的输出噪声除以系统增益后，减去En项和Et项再除以Rs便可求得In分量。

低噪声放大器SR560的输入阻抗为100 MΩ，因此选择0.5，1，2 MΩ的金属膜电阻用于噪声电流的测量。图3为不同放大倍数下放大器的等效输入噪声电压，从图中可以看出，噪声电压随着放大倍数的增大而减小。这是由于放大倍数越大，放大器后端电路的噪声对输入端的影响越小。当放大倍数增大到200以后，放大器噪声电压基本上维持在3～4 nV/的水平。又考虑到放大倍数过大可能会引起放大器过载而损坏，所以在之后的测量中将放大倍数定为200。

选取200放大倍数下噪声曲线对1 kHz附近的数据点进行平均处理，得到放大器等效输入噪声电压为3.443 nV/。表1为室温下（300 K）采用不同阻值的电阻测得的等效输入噪声电流。由表可知，放大器SR560的等效输入噪声电流在pA级别，对于源电阻阻值达到千欧姆及以上的情况，必须要考虑噪声电流的影响。

1.3 软件实现

考虑到测试系统中包含多种仪器设备，采用NI公司的LabVIEW软件对整个硬件系统进行统一控制。LabVIEW采用图形化的编程语言，软件内部集成了许多仪器和接口的控制模块，可以方便地调用。

测试系统的软件流程如图4所示，主要分为如下步骤：1）仪器初始化，配置好仪器的各项参数。2）系统工作模式选择，变偏流模式下固定待测外磁场大小，每次循环时改变一次MTJ的偏流；变磁场模式下刚好相反，固定偏流而改变磁场值。3）偏压和噪声信号读取，设置完偏流和磁场以后，闭合开关，利用纳伏表读取MTJ输出的偏压信号，接下来断开开关，利用频谱分析仪测量输出的噪声信号。4）扫描次数累加，每完成一次偏压和噪声信号的读取，扫描次数加一，同时判断是否达到了预先设置的总扫描周期。5）测试结果保存，如果扫描次数没有达到总扫描周期，则返回继续进行测量；反之就跳出循环并保存测试结果、关闭仪器，从而完成整个测试流程。

測试系统软件界面主要分为仪器参数配置区、仪器状态显示区、测试结果显示区以及数据保存区。仪器参数配置区主要用于确定仪器的接口地址、选择工作模式以及配置偏置电流和磁场电流的大小；仪器状态显示区对各个仪器的开关状态和初始化状态进行显示；测试结果显示区实时显示偏压、噪声等参数的测量结果，并绘出MTJ响应曲线和噪声曲线；数据保存区对最终获得的测试结果进行保存。测试系统界面友好，交互方便，能自动实现对MTJ性能的综合测试，有助于系统地研究MTJ噪声。

2 测试结果分析

2.1 系统误差

在对MTJ磁传感器进行噪声测试之前，需要对测试系统的误差进行评估。选用不同阻值的金属膜标准电阻，通过测量其噪声水平并与电阻白噪声的理论值进行比较来评估系统误差。图5为测量2，10，

47，100 kΩ电阻得到的噪声曲线，可以看到曲线基本上呈水平直线，符合白噪声的频率特性。

对频率为1 kHz附近的数据取平均值并减去放大器噪声电压和噪声电流的影响，即可求出电阻噪声值。最终得到各项噪声和误差值如表2所示，系统误差维持在±5%以内，可见测试系统具有比较高的测试准确度。

2.2 磁传感器测试

评估完测试系统误差以后，对隧道结磁传感器进行噪声测试。首先采用四探针法对制备的AlOx基MTJ测试了响应曲线，结果如图6所示。从图中可以看出，两铁磁层磁矩之间存在明显的平行（低阻值）与反平行（高阻值）状态的转换。经过计算，磁阻变化率约为33.7%，基本达到了理论预期值。

在投入实际应用的磁传感器中，一般将多个MTJ串并联形成惠斯顿电桥来提高热稳定性和最小可探测能力。因此，选用全桥型MTJ磁传感器TMR9002研究了偏置电流和外磁场大小对传感器噪声的影响。

首先在1 V供电电压（偏流约为25 μA）的情况下，测量传感器对磁场的响应曲线，结果如图7所示。由图可知，传感器饱和磁场为±8 Oe，线性范围为±1 Oe。然后在不加外磁场的情况下，分别测量偏流为30，60，90，120 μA时传感器输出噪声，测试结果如图8所示。可以看出，传感器输出噪声会随着偏流的增加而增加，这主要是因为增加偏流会导致传感器的1/f噪声成倍增加，而热噪声会基本保持不变[12]。

保持偏流为30 μA，分别测量传感器在磁场为0，

8，12 Oe时的噪声，测试结果如图9所示。零磁场下传感器内部磁矩对磁场十分敏感，磁矩方向随时可能翻转，处于不稳定的状态，所以噪声较大[13]。8 Oe外磁场环境下传感器基本已经饱和，磁矩翻转到沿外磁场方向以后比较稳定，使得噪声有所降低。等到外磁场增加到12 Oe后，传感器完全饱和，磁噪声的影响几乎可以忽略，所以噪声会进一步降低。同时这也提供了一种分离电噪声和磁噪声的方法，通过增加外磁场将传感器饱和，消除磁噪声影响，从而达到分离的目的。

3 结束语

结合磁传感器研究热潮和噪声测试需要，本文设计了一套基于LabVIEW的磁隧道结传感器噪声自动测试系统。通过建立测试电路的等效噪声模型，综合考虑了各种噪声来源并在传感器噪声测试时予以剔除。通过测量标准电阻的噪声并与理论值相比较，论证了测试系统的高准确度。最后分别对AlOx基MTJ和TMR9002磁传感器进行了测试，得到了磁传感器噪声与偏流和外磁场的关系，并对结果作出解释。测试系统提供了不同偏流、磁场状态下的噪声测试能力，为磁隧道结传感器的噪声理论研究提供可行的测试技术。

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（编辑：商丹丹）

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