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PicoAmperometro

Misura di Basse Correnti

Per misurare l’intensità di una corrente elettrica è necessario inserire un amperometro in serie con il circuito, in modo tale che la corrente misurata sull’amperometro sia identica alla corrente che fluisce originariamente nel circuito in esame.
Nel caso ideale, l’amperometro non ha alcuna influenza sul circuito. Nelle misure reali, invece, possono essere presenti molte sorgenti di errore che causano incertezze anche di notevole entità nella misura.
Un tradizionale multimetro digitale (DMM) garantisce un livello di precisione sufficiente per molte applicazioni di misura. Nelle misure di correnti continue (DC) di basso e bassissimo livello, molto spesso è invece richiesta una sensibilità superiore a quella fornita da un classico multimetro digitale : in questo caso si deve ricorrere ad un picoamperometro. Questi sono strumenti caratterizzati da elevata sensibilità alle basse e bassissime correnti e possono misurare correnti nel range dei nA (10-9) e dei pA (10-12).

A titolo di esempio riportiamo la seguente relazione tra intensità di corrente e numero di elettroni :

  • 1 aA = 10-18 A = 6 elettroni/s
  • 1 fA = 10-15 A = 6000 elettroni/s
  • 1 pA = 10-12 A = 6000000 elettroni/s

Costruirsi un picoamperometro non è semplice perchè, oltre alla progettazione accurata, è necessario porre molta attenzione alla realizzazione pratica del circuito. Alcuni dettagli come la scelta dei componenti e dei materiali ed il posizionamento sul PCB, che in molti casi non sono così critici, nel caso del picoamperometro sono invece basilari.
Infatti, la presenza di correnti di perdita tra le piste del PCB oppure correnti di offset degli amplificatori operazionali possono rendere la misura di una corrente dell’ordine dei pA completamente errata.

Per questo motivo abbiamo optato per un prodotto professionale prodotto dalla KAFTS Technologies (che ringraziamo)  con il quale abbiamo effettuato una serie di prove di misura su correnti bassissime.
Questo picoamperometro, raffigurato nella immagine di copertina, è caratterizzato dal display sul quale viene visualizzato il valore misurato insieme ad altre informazioni, tra le quali la modalità di funzionamento (range di misura) ed i valori minimo e massimo registrati.
Lo strumento, per aumentare la precisione delle misure, prevede una alimentazione a basso rumore costituita da 4 batterie da 1.5 V.
Lo strumento prevede tre modalità operative :

  • Mode 1 – Risoluzione : 1 pA, Range : +- 500 nA, Sensing Resistor : 1 MOhm.
  • Mode 2 – Risoluzione : 1 nA, Range : +- 500 uA, Sensing Resistor : 1 kOhm.
  • Mode 3 – Risoluzione : 1 uA, Range : +- 50 mA, Sensing Resistor : 10 Ohm.

Il resistore di feedback (sensing resistor) è stato scelto in modo da minimizzare il carico indotto sul circuito in fase di misura e massimizzare il rapporto segnale – rumore (S/N).

Corrente Inversa di un Diodo

Come è noto, polarizzando inversamente un diodo a semiconduttore la corrente che viene a circolare ha un valore bassissimo, molto difficile da misurare con un normale multimetro (DMM) : abbiamo quindi provato a fare questa misura con il nostro picoamperometro.

Per maggiore precisione la corrente di saturazione o, più propriamente, corrente di saturazione inversa, è la corrente che circola quando il diodo viene polarizzato inversamente. Questa corrente è molto piccola (nell’ordine dei nano-ampere) finché non si raggiunge una tensione negativa denominata di “Breakdown”, ove la corrente sale improvvisamente causando la rottura del dispositivo.
La corrente di saturazione inversa in un diodo è dovuta alla diffusione nella giunzione dei portatori di carica minoritari, tale corrente è quasi del tutto indipendente dalla tensione inversa applicata.

L’immagine riportata sotto mostra il setup per la misurazione.

Sono stati provati due diodi, uno al Silicio ed uno al Germanio. Dato che la corrente inversa è legata alla densità dei portatori minoritari ci aspettiamo che sia maggiore, a parità di temperatura, nel caso del Germanio. Infatti per quest’ultimo semiconduttore la banda proibita è sensibilmente minore che nel Silicio e questo porta ad una maggiore produzione di portatori di carica.
I grafici sotto mostrano i dati ottenuti nelle misurazioni. Per il diodo al Silicio abbiamo una corrente di circa 1 nA mentre con il diodo al Germanio abbiamo misurato una corrente inversa di circa 2 μA.

Conduzione Elettrica in una Fiamma

Una prova facile da fare è la misura della conduzione elettrica attraverso una fiamma. Come sappiamo l’aria è un ottimo isolante, i gas allo stato di plasma però, a causa della ionizzazione delle molecole, diventano conduttori. Un modo immediato per produrre uno stato di ionizzazione nell’aria è quello di utilizzare una fiamma : l’alta temperatura della combustione è in grado di produrre una certo quantitativo di ioni che potranno quindi dare luogo ad una corrente elettrica.

Per questa misura abbiamo utilizzato una semplice batteria da 1.5 V. I risultati si vedono nelle immagini sopra : senza fiamma la corrente è praticamente nulla. Ponendo la fiamma tra i due elettrodi la corrente sale fino al valore di alcuni nA, dimostrando quindi la presenza di ioni (e quindi plasma) all’interno della fiamma.

Corrente in un Fotodiodo

Come sappiamo un fotodiodo è sostanzialmente un diodo a semiconduttore caratterizzato da una giunzione p-n drogata asimmetricamente. La zona p, disposta molto vicino alla struttura esterna del fotodiodo è rivestita da uno strato trasparente antiriflesso.
Nel momento in cui un fotone incide sulla superficie del fotodiodo, l’energia, data dall’equazione

se maggiore del bandgap tra banda di valenza e banda di conduzione del dispositivo, causerà la creazione di una coppia elettrone-lacuna libera. Una coppia libera consiste in un elettrone eccitato in banda di conduzione ed una lacuna in banda di valenza. Queste coppie di elettroni-lacune costituiscono una fotocorrente inversa che rappresenta il segnale elettrico prodotto dall’incidenza del fotone.
L’intensità della fotocorrente dipenderà dalla intensità luminosa e sarà in genere di valore piuttosto basso. Il picoamperometro è quindi lo strumento indicato per fare queste misurazioni.

Le immagini sotto mostrano lo schema dei collegamenti ed il setup utilizzato per fare la misurazione.

La misura ha avuto lo scopo di valutare la trasmissione di un filtro polarizzatore in funzione dell’angolo di rotazione (i dettagli sono descritti nel post La Polarizzazione della Luce). I risultati sono mostrati nel grafico sotto, nel quale sono messi a confronto i dati misurati con i valori calcolati previsti dalla teoria. Come si vede l’accordo tra i dati è più che buono.

SiPM Readout

Come ultima misura abbiamo utilizzato un fotomoltiplicatore al silicio (SiPM). Questo è un componente relativamente nuovo che consiste in una matrice di diodi a valanga (APD) funzionanti in “geiger mode”. Quando la polarizzazione supera un valore di soglia, l’arrivo di uno o più fotoni scatena una serie di scariche che si vanno a sommare e producono un segnale in uscita facilmente misurabile. Per i dettagli rimandiamo al post : Fotomoltiplicatori al Silicio (SiPM). Naturalmente, come tutti i componenti a semiconduttore, anche il SiPM presenta una corrente di buio (dark current) che risulta presente anche in assenza di luce. Questa è dovuta alla generazione spontanea di portatori.

Con il picoamperometro abbiamo fatto due misure. Nella prima abbiamo misurato la dark current in funzione della tensione di polarizzazione. Nella seconda abbiamo misurato la corrente del SiPM esponendolo ad una sostanza fosforescente (alluminato di stronzio drogato con europio), in questo modo abbiamo potuto valutare la diminuzione di luminosità col passare del tempo.

Lo schema dei collegamenti è il seguente :

Misura Dark Current

Utilizzando lo schema descritto sopra abbiamo effettuato la misura della dark current di un dispositivo SiPM con superficie di 4×4 mm. Il dispositivo è stato inserito in una scatola a tenuta di luce e la tensione di polarizzazione è stata variata con continuità. La corrente è risultata essere praticamente nulla fino ad un valore di circa 26 V, superato il quale ha cominciato ad aumentare con andamento esponenziale. Il valore di 26 V corrisponde alla tensione di soglia del SiPM affinché si verifichi la scarica a valanga. La tensione normale di funzionamento del SiPM si colloca al di sopra del valore di soglia. Per il nostro componente il range della tensione di lavoro è di 28 – 30 V.

Misura di Luce di Bassa Intensità

Il SiPM viene utilizzato per effettuare misure di luce di bassa e bassissima intensità. Come i tubi fotomoltiplicatori ha la possibilità di funzionare sia in regime di pulse counting che in regime continuo. In regime di pulse counting il SiPM registra gli impulsi che si generano quando i singoli fotoni colpiscono l’area sensibile, in questo caso l’intensità della radiazione è data sia dal numero di impulsi registrati nell’unità di tempo che dalla ampiezza dell’impulso. In questo regime la corrente prodotta dal SiPM ha un andamento impulsivo e non si presta quindi ad essere misurata con un picoamperometro.
Quando l’intensità luminosa invece non è così infinitesima da richiedere il metodo del pulse counting, si può utilizzare il SiPM in regime continuo. In questo caso gli impulsi di corrente sono continui e si sommano fra loro dando luogo ad una microcorrente misurabile con il picoamperometro.

Nella nostra prova abbiamo utilizzato una sotanza fosforescente come sorgente luminosa. Le immagini sotto mostrano il setup, con il SiPM ed il campione posti all’interno del contenitore a tenuta di luce.

Durante il tempo di misura abbiamo letto il valore della corrente ogni 30 secondi. Il risultato è mostrato nel grafico sotto, nel quale si vede come la corrente decresce lentamente da un valore iniziale di oltre 400 μA per ridursi dopo 10 minuti ad un valore inferiore a 100 μA.
L’andamento della corrente rispecchia ovviamente l’intensità luminosa emessa dalla fosforescenza e ricevuta dal SiPM.

Conclusioni

Il picoamperometro della KAFTS Technologies si è dimostrato uno strumento interessante. Ha la possibilità di effettuare precise misure su di un ampio range di valori di corrente : dai pA fino ai mA. Noi lo abbiamo testato sia con correnti molto basse che con correnti maggiori ed ha sempre fornito misure precise e ripetibili. Aggiungiamo che un aspetto non da trascurare è il suo costo contenuto.

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