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Neues Pikoamperemeter: handlich, einfach, extrem genau

Der Ultrastable Low-noise Current Amplifier misst pA-Stromstärken mit überragender Präzision

PTB-News 1.2015
07.04.2015
Besonders interessant für
  • Metrologieinstitute und Grundlagenforschung
  • Kalibrierlaboratorien
  • Hersteller von Präzisionselektronik

Ein in der PTB entwickeltes handliches Pikoamperemeter ist in der Lage, rückgeführte Messungen kleinster Stromstärken auf bislang unerreicht hohem Präzisionsniveau durchzuführen. Der Ultrastable Low-noise Current Amplifier (ULCA) übertrifft die Präzision bislang erhältlicher Pikoamperemeter um das etwa Hundertfache.

Zweikanaliger ULCA-Prototyp (Frontansicht mit SMA-Anschlüssen)

Die präzise Messung von elektrischen Strömen im Bereich von 100 pA gewinnt zunehmend an Bedeutung – nicht nur für die Kalibrierung von Pikoamperemetern für Anwendungen in der Medizintechnik oder in der Halbleiterindustrie, sondern auch für die Grundlagenforschung im Bereich der Stromerzeugung auf Einzelelektronenbasis. Die Genauigkeit herkömml icher komme rzieller Messgeräte ist dabei auf relative Unsicherheiten von etwa zehn Teilen in einer Million (also 10–5) beschränkt. Höhere Präzision konnte bislang nur durch den Einsatz sehr komplexer metrologischer Verfahren und Apparaturen erzielt werden.

Eine neue Geräteentwicklung, die zurzeit an der PTB vorangetrieben wird, eröffnet neue Messmöglichkeiten mit bisher unerreichter Präzision. Der ULCA basiert auf einem zum Patent angemeldeten neuen Pikoamperemeter-Konzept mit zweistufigem Aufbau: Die erste Stufe realisiert eine 1000-fache Verstärkung des Eingangsstromes, die zweite Stufe eine Strom-zu-Spannung-Wandlung. Das handliche Gerät zeichnet sich neben seiner vergleichsweise einfachen Einsetzbarkeit durch überragende Verstärkereigenschaften aus: Schon die zweite Prototypgeneration des ULCA zeigte ein sehr niedriges Eingangsstromrauschen von nur 2,4 fA/√Hz mit weißem Spektrum bis herab zu sehr niedrigen Frequenzen von etwa 1 mHz. Der optimierte Schaltungsaufbau ermöglicht die Realisierung eines Verstärkungsfaktors mit höchster Stabilität und Linearität (die effektive Transimpedanz beträgt 1 GΩ). Zudem kann der Verstärkungsfaktor mittels eines Kryostromkomparator-Systems, wie es auch für die elektrische Widerstandsmetrologie in der PTB bereits eingesetzt wird, rückgeführt auf das Quanten-Widerstandsnormal (den Quanten-Hall-Effekt) mit einer relativen Unsicherheit von besser als 10–7 bei Mittelungszeiten unter einer Stunde kalibriert werden.

Das Zusammenspiel dieser hervorragenden Eigenschaften ermöglicht es somit, einen Strom der Stärke von 100 pA innerhalb einer Messzeit von nur zehn Stunden mit einer relativen Unsicherheit von einem Teil in zehn Millionen absolut zu messen. Damit übertrifft der ULCA die Präzision bislang erhältlicher Pikoamperemeter um etwa zwei Größenordnungen.

Ansprechpartner

Dietmar Drung
Fachbereich 7.2 Kryophysik und Spektrometrie
Telefon: (030) 3481-7342
E-Mail: dietmar.drung(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

D. Drung, C. Krause, U. Becker, H. Scherer, F. J. Ahlers: Ultrastable low-noise current amplifier: a novel device for measuring small electric currents with high accuracy. Rev. Sci. Instrum. 86, 024703 (2015)