基于LabVIEW的磁阻自动优化测量系统*

吴东阳， 姚志宏

(1.中国科学院 微电子研究所，北京 100029； 2.中国科学院大学，北京 100049； 3.中国科学院 微电子器件与集成技术重点实验室，北京 100029)

0 引 言

测试磁阻效应需要控制磁场、读取磁场、设定角度、施加电流、读取电压等功能，这些功能缺一不可，并且需要较高的精度。传统的手动测量，曲线上的每一个点的测试与数据处理都费时费力。为统合这些功能，现代测试主要通过计算机联系和控制各个仪器，能做到像一个仪器一样使用，这便是虚拟仪器[1]的由来。通过编程使现实中的各种仪器模块化到程序中，它们的数据由程序统合处理，能实时呈现并易于交互。对于有磁场变化的测试，因磁场的变化引起的感生电动势与磁滞效应使磁场扫描的每个点都需要等待秒(s)级的弛豫时间，因而测试采样的点间距(分辨率)与点数对测试效率的影响至关重要。并且在磁阻的测试时，时常能遇到在大部分区域曲线平缓，而特定区域变化迅速的情况。

为了增加变化快速区域的分辨率，本文通过算法，编程实现自动优化分辨率的功能，大大提高了测试效率。

1 测试原理

磁阻效应[2]是如铁磁材料在外加磁场影响下的电阻值，并且其随外加磁场大小、方向的变化而变化的一种效应。磁阻有多种特性分类，如在铁磁体中的各向异性磁阻(AMR)、畴壁磁阻(DWMR)和自旋霍尔磁电阻(SMR)，在多层膜(例如磁隧道结)中的巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)和巨大磁阻(CMR)等[3～8]。

以自旋霍尔磁电阻[9]为例

(1)

式中 自旋霍尔效应的强度可由Δρ/ρ0表征，电阻率ρ(Ω·m)可由电阻R(Ω)求得，ΔR(Ω)为大值Rmax(Ω)减最小值Rmin(Ω)的量。

2 磁阻测试系统开发

2.1 总体设计方案

本文中设计方案的实现，依靠于上位机上的LabVIEW软件环境，通过其特有的图形化编程方式，实现了对各个功能模块的统筹控制、数据收集处理和反馈，并能进行实时交互。而与仪器的通信，是由其自带的VISA这一极具效率的应用程序编程接口(API)统一实现的，并不需要了解各种接口类型的低级通信协议。再由于模块化编程，各模块之间相对独立，大大减小了复杂度与耦合度，更利于程序的维护与功能的更新，并且对于不同的硬件平台也能快速地迁移部署。

下位机在磁阻测试中共实现了4个功能:1)由功率电源、电磁铁和特斯拉计实现的有反馈的磁场产生；2)由步进电机控制转动器而实现的角度转动；3)由精密电流源输出的特定测试电流；4)由精准电压表读取的实际电压。磁阻测试系统的简要流程如图1所示。

图1 简要测试流程

2.2 虚拟仪器具体设计

2.2.1 自动优化分辨率模块

PICKPOINT自动优化分辨率程序模块是本测试系统中最主要的创新。PICKPOINT的LabVIEW简要程序模块如图2所示。

图2 自动优化分辨率简要程序模块

为实现自动加密变化迅速区域的采样间隔，先要进行较为快速的初扫描，然后由输入控件XInput和YInput分别传入初扫描的XY数组。而进入for循环框前还需要Fine Step Size传入加密的采样间隔，用Left Rank、Right Rank为参数的中值滤波器来降噪的YInput，最后是由增益Gain和降噪后YInput的最大最小值综合获得的是否为变化迅速区域的判断条件。

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进入For循环框后，将第T+1次点与第T次点的差值(类比于一阶导数)减去第T次点与第T-1次点的差值，其结果(类比于二阶导数)受增益Gain和降噪后的最大最小值综合调控，而其是否为0，则作为PICKPOINT CORE条件框的判断依据。若其值为0，则进入条件框为“真”的模块；反之，则进入条件框为“假”的模块。只有条件框为“真”的模块会往移位寄存器中添加变化迅速区域的起始与加密后的采样间隔，最终输出到Out。

在实际应用中还需要添加更多的参量和程序，例如两个快速变化区域之间的采样密度和原本扫描范围的两端也需要保存下来才能获得完整的自动优化分辨率后的扫描参数。

2.2.2 磁场控制模块

为了使用电磁铁产生磁场，需要为其提供电流，而恒定的电流通过能在铁芯中心部分产生较为均匀的静磁场。因此,可以拟合一组在平衡状态下的电流与磁场的关系，根据安培定律两者是线性的关系。但由于磁滞的存在，在扫描磁场时，当前的磁场与之前的电流I(t-tc)还有时间t都相关。因此使用反馈来实现较为精确磁场控制。这个控制磁场的LabVIEW程序FIELD CONTROLER，如图3所示。

图3 磁场控制程序模块

在图3的Part 1部分中，由Set Field传入目标磁场，通过Field to Current公式模块线性变成电流值，再通过GSC模块阶梯地变化电流(快速频繁变化的电流因楞次定律使功率电源处于过负载状态影响仪器寿命与安全)，接着，电流通过电磁铁而获得初步磁场(实际上由于设置精确磁场的时间成本太高，在扫描的自变量为磁场时，运行到这一步大都能满足需求)。

Part 2中，使用While循环框不停判断结束循环条件，其中，有2个结束条件在OSCIL模块的第“0”帧内，分别是等待0.5 s后FIELD READ模块检测磁场不变(进入第“0”帧的条件是检测磁场与目标磁场相同)和进入第“0”帧4次。循环时若检测磁场与目标磁场不相同则进入第“1”帧，通过Oscillating公式计算下一个目标电流从而振荡逼近目标磁场。最后，若循环计数超过100但检测磁场仍未收敛到目标磁场则亦会结束循环。一般运行完这个磁场控制程序，磁场结果误差在±0.5Oe以内，误差原因应包括磁滞效应与功率电源的精度不足。

ROTATOR程序模块有几种主要的功能：1)MOTOR的步进电机转动控制功能；2)ROT MODE的模式选择功能；3)DELAY的等待转动结束功能；4)通过Rotator position显示和反馈节点储存角度功能。ROTATOR的LabVIEW程序模块如图4所示。

图4 步进电机转动器程序模块

MOTOR模块实际上只接收ROT MODE传入的正负转动角度和Rotation speed传入的转动速度，后转化成步进电机能执行的16进制代码从而实现转角功能，但并不会反馈当前的角度与是否完成转动，是一个功能单一的核心。

ROT MODE模块中有3种模式，即Rot、Pos和Set pos模式。ROTATOR程序模块使用前需要初始化反馈节点，即角度调零后再启动，而使用中调零的情况，则需要通过ROT MODE的Set pos模式。Set pos模式是通过将Position的值传给Rotator position显示和反馈节点储存，并将0作为转动角度传给MOTOR模块(即不转动)来实现的。Rot模式会直接将Rotation的值作为转动角度传给MOTOR模块，而Pos模式会将Position的值与当前储存角度的差作为转动角度传给MOTOR模块，来实现转动当前位置到Position值的位置。DELAY模块包含拟合得到的绝对转动角度与结束时间关系(步进电机的加、减速的阶段，使它们并不是简单的线性关系)，其会将输入的绝对转动角度转化为时延。在程序运行时，还会将转动的角度与当前位置的和会被转换到±360°内，然后，被显示控件Rotator position显示和反馈节点储存。

2.2.4 其余的程序模块

本文系统中还有一些程序模块未说明，例如电流脉冲高度扫描程序PLUSE、串口磁场强度读取程序FIELD READ、将扫描参数转换为采样点数组的SWEEP X程序、将多个自变量扫描程序相互整合的连续运行程序CONTINUOUS RUNNING、能自动保存实验数据与图片的SAVEFLE程序(内含正则提取参数到文件名并判断路径与文件是否存在功能)等。这些模块相互配合在整个系统中起着重要作用。

3 测试系统验证

3.1 前面板示例

LabVIEW的前面板是和用户交互的界面，测试的参数输入和结果呈现都可由前面板实现。简要磁阻测试的前面板如图5所示。其中的测试器件是在硅/氧化硅基片上磁控溅射5 nm的NiFe薄膜，然后使用光刻与离子束刻蚀得到长50 μm,宽10 μm的霍尔棒器件。测试时是扫描磁场，且磁场在面内与电流垂直，检测电压为纵向电压，如图6(a)所示。

图5 简要磁阻测试前面板

图6 电流磁场电压测试关系

3.2 自动优化分辨率示例

在图7中展示了自动优化的成果。测试器件先是在硅/氧化硅基片上依次磁控溅射8 nm 的Ta,1.2 nm的CoFeB,2 nm的MgO和3 nm的Ta，获得有垂直各向异性的CoFeB，之后使用光刻与离子束刻蚀图型化成霍尔棒。本示例的扫描自变量更换为扫描电流脉冲的高度，即通过扫描脉冲高度渐变的电流获取由自旋轨道矩(SOT)[10]引起的翻转电流，其脉冲宽度为1 ms。测试时磁场在面内与电流平行，检测电压为横向电压，如图6(b)所示。且进行了2次自动优化，分别是从第一次的采样间隔Δx=100 μA到10 μA和第二次从10 μA到1 μA。其中，Enlarged图能很好地看出第二次优化后相比第一次有10倍的分辨率，相比于未优化的曲线更是有100倍的分辨率。

图7 自动优化的垂直各向异性磁阻电流翻转曲线

4 结 论

本文介绍了一种能自动优化分辨率和高度模块化的磁阻测试系统。在扫描磁场的测试中，每个采样点等待时间过长的问题，在优化分辨率后能够得到很好的改进。而高度模块化的系统，增加了易读性减少了复杂度。且正如文中磁场扫描和电流脉冲扫描的转换一样，模块之间的相互更换与结合能简易地实现不同的功能，甚至还能实现更为复杂的功能，例如多自变量自动测量与优化，从而使测试效率大大增加。目前的系统包含了磁场与电流的施加与检测，之后如遇到例如增加光照或压力这样的硬件平台增改，也能通过模块化编程快速且平稳地迁移部署。