Abonnements
zur Bereicherung
10 Januar 2014 | La Revue POLYTECHNIQUE 11/2013 | Recherche et développement

Des dispositifs pour optimiser la mesure de faibles courants

Des chercheurs de la HEIG-VD ont conçu un dispositif capable de mesurer des courants de l’ordre du femtoampère. Il a été réalisé en plusieurs étapes, permettant a chacune d’elle d’apporter des améliorations. A l’aide d’une électronique simple, compacte et de faible coût, des mesures de courants de 100 femtoampères ont pu être réalisées avec des précisions de plus ou moins 20 femtoampères.
La mesure de courants de l’ordre du femtoampère - un femtoampère (fA) correspondant à un débit de 6000 électrons par seconde - implique divers types de contraintes. La principale difficulté réside dans le fait que ces faibles courants sont perturbés par des effets électriques et mécaniques, qui affectent le flux de charges constituant le courant à mesurer. La principale source de perturbation est de nature électromagnétique. Son importance dépend de l’environnement dans lequel le dispositif de la mesure de courant opère. Les interférences électrostatiques, les interférences magnétiques, les courants de fuite, ainsi que les effets électrochimiques sont les phénomènes perturbateurs dominants. D’autres effets, comme l’absorption diélectrique, le bruit acoustique ou le bruit thermique sont également des phénomènes perturbateurs, qui conditionnent la qualité de la mesure. L’objectif principal de ce projet est le développement d’un dispositif de mesure de faibles courants peu sensible à l’ensemble des perturbations existantes.
 
 
La réalisation
Il existe plusieurs façons de mesurer des courants de faibles amplitudes, par résistance shunt ou par résistance de contre-réaction, par exemple. Dans ces deux cas, les résistances utilisées déterminent le niveau de bruit, donc la sensibilité de la mesure du courant. Une alternative à la mesure par résistance de contre-réaction est la mesure par intégration du courant dans une capacité. Cette solution, retenue dans le cadre de ces travaux, est présentée sur le schéma. Comme le montre ce dernier, le dispositif de mesure est constitué de sept blocs distincts. Le courant iS, fourni par la source, est la grandeur à mesurer. Entre la source de courant et le système d’intégration, se situent deux blocs de conditionnement. Le premier, qui est l’étage de commutation, est utilisé afin de modifier la configuration de la source vis-à-vis du reste du montage. Par exemple, il est possible d’inverser le sens du courant par rapport à l’entrée de l’intégrateur. Le second bloc de conditionnement est composé du système de calibration. A l’aide de ce dernier, il est possible de compenser des phénomènes perturbateurs, tels que des fuites de courants. Le bloc intégrateur est constitué d’un amplificateur opérationnel et d’une capacité d’intégration. Lorsqu’un courant est appliqué à l’entrée de ce bloc, la capacité CINTse charge suivant la loi:
 
 
La tension aux bornes de la capacité CINTest principalement déterminée par l’amplitude du courant iS, par la valeur globale des capacités présentes à l’entrée de l’amplificateur (capacités d’intégration et parasites) et par le temps d’intégration. Lorsque la tension aux bornes de la capacité CINTatteint une valeur de seuil UREF, le bloc comparateur effectue une réinitialisation de la capacité d’intégration. La tension aux bornes de CINTdevient nulle et un compteur, représenté par le bloc microprocesseur, est incrémenté. Après ces opérations, une nouvelle mesure peut être effectuée. En fonction de la valeur du compteur il est possible, à partir d’une base de temps de référence, de connaître la valeur moyenne du courant intégré.
 
 
Les résultats obtenus
Le montage du dispositif a été réalisé en plusieurs étapes, permettant à chacune d’elle d’apporter des améliorations de la mesure. Dans un premier temps, l’introduction d’un blindage permet d’améliorer le rapport signal sur bruit de la mesure du courant, de plusieurs ordres de grandeur. Ensuite, une sélection judicieuse des composants a permis de gagner un ordre de grandeur sur le rapport signal sur bruit. A ce stade du projet, il était possible de mesurer des courants de 100 fA avec une précision de ±20 fA pour un temps d’intégration de 300 ms. Ce temps d’intégration correspond au taux d’échantillonnage du système. Cela a comme conséquence que la fréquence maximale du courant doit rester inférieure à 1,5 Hz. Par conséquent, la source de courant doit être de type continu ou «quasi» continu.
Il est possible d’améliorer la précision du dispositif de mesure en effectuant une moyenne sur une série d’acquisitions de mesures du courant. Une précision de ±5 fA a été obtenue pour une moyenne de vingt échantillons. Dans un cas extrême, une précision inférieure au femto ampère a été obtenue pour une moyenne de 200 échantillons. L’inconvénient de cette méthode réside dans le temps nécessaire à l’obtention d’une valeur de courant. En effet, pour une moyenne de 200 échantillons, il faut atteindre 60 s pour une mesure du courant. Pendant ce laps de temps, la source de courant doit être la plus stable possible.
 
La conclusion
Au terme de ce projet, les résultats obtenus sont prometteurs. A l’aide d’une électronique simple, compacte et de faible coût, des mesures de courants de 100 fA ont pu être réalisées avec des précisions de plus ou moins 20 fA.
De plus, le potentiel d’amélioration reste considérable, notamment en ce qui concerne la miniaturisation du dispositif. Il est possible d’imaginer d’intégrer l’électronique du dispositif de la mesure du courant dans un circuit intégré. De nouvelles perspectives d’utilisation pourraient alors voir le jour, particulièrement dans le domaine des biocapteurs et dans du matériel embarqué dans le corps humain.
 
HEIG-VD
Laboratoire de micro-électronique (MNT-LEMI)
CH-1401 Yverdon-les-Bains
Tél.: 024 557 63 30
www.heig-vd.ch