一种氧化钒热敏薄膜噪声测试方法技术

本发明专利技术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。该发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化钒热敏薄膜噪声测试方法
本专利技术涉及红外探测器
，尤其涉及热敏薄膜噪声测试。技术背景氧化钒、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。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1/f噪声为主，服从Hooge经验公式：，式中SV(f)、SI(f)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；γ为频率指数，通常取1。这些噪声在薄膜通较小电流（µA量级）或者电压时是很微弱的。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。
技术实现思路
：本专利技术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。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1，选择电流源或电压源适配以及对应的电流放大模块或电压放大模块，测试低噪声电流或电压放大系统背景噪声；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GI，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GI使后续数据对增益进行对应处理并得到功率谱密度，并且进行多次平均得到系统背景噪声SCi，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SCv，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样2.1）将样品接入到电路适配模块中，加以直流电压V样；2.2）选择电流放大，调节电流放大器的放大倍数GI，通过采集后得到放大后的电压平均值VI，通过公式I样=VI×GI得到通过样品的电流I样；2.3）根据R=V样/I样得到样品阻值R；2.4）调节直流电压V样，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，样品测试时，样品电流控制在µA量级，通过V=I样×R计算得到样品的电压；3.2）分别使I样在1µA~15µA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，进行电流放大器或电压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压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V均；6.4）通过公式Vn+=V-V均得到放大后的样品噪声电压Vn+；6.5）通过公式I=Vn+*GI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样*R样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或者进行曲线拟合，获取下列参数的值：A,H,β,γ或者B,H,β,γ；7.2）对步骤7.1）中所得的参数A,H,β,γ或者B,H,β,γ分析筛选样品。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、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。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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GI，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GI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SCi，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样2.1）将样品接入到电路适配模块中，加以直流电压V样；2.2）选择电流放大，调节电流放大器的放大倍数GI，通过采集后得到放大后的电压平均值VI，通过公式I样=VI×GI得到通过样品的电流I样；2.3）根据R=V样/I样得到样品阻值R；2.4）调节直流电压V样，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，样品测试时，样品电流控制在µA量级，通过V=I×R计算得到样品的电压；3.2）使I在1µA~15µA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V均；6.4）通过公式Vn+=V‑V均得到放大后的样品噪声电压Vn+；6.5）通过公式I=Vn+*GI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或者进行曲线拟合，获取下列参数的值：A,H,β,γ或者B,H,β,γ；7.2）对步骤7.1）中所得的参数A,H,β,γ或者B,H,β,γ分析筛选样品。...

【技术特征摘要】
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1，选择电流源或电压源适配以及对应的电流放大模块，测试低噪声电流或电压放大系统背景噪声；1.1）选择电流源适配以及对应的电流放大模块，测试低噪声电流放大系统背景噪声；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GI，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；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GI使后续数据对增益进行对应处理并得到功率谱密度，并且进行多次平均得到系统背景噪声SCi，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样:2.1）将样品接入到电路适配模块中，加以直流电压V样；2.2）选择电流放大，调节电流放大器的放大倍数GI，通过采集后得到放大后的电压平均值VI，通过公式I样=VI×GI得到通过样品的电流I样；2.3）根据R=V样/I样得到样品阻值R；2.4）调节直流电压V样，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，样品测试时，样品电流控制在µA量级，通过V样=I样×R样计算得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾德恩，王志辉，郭瑞，程旭，侯剑章，袁凯，李伟，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51