Nanovolt

Ein Nanovolt (nV) ist 10−9 Volt, eine Einheit so klein, dass sie an der Grenze der praktischen elektrischen Messung liegt. Es stellt ein Milliardstel der Potentialdifferenz über eine einzelne Alkali-Batteriezelle dar. Die Arbeit in diesem Maßstab erfordert Geräte mit außergewöhnlicher Rauschunterdrückung und Abschirmung, denn thermisches Rauschen in Leitern, elektromagnetische Störungen von benachbarten Maschinen und sogar das Johnson-Rauschen der Widerstände selbst können ein echtes Nanovolt-Signal leicht überlagern.

Nanovolt-Messungen treten in drei Haupt-Messzusammenhängen auf. Erstens bei der Kalibrierung und Kompensation von Thermoelementen, wo die Spannungsausgänge von Thermoelementen in kleinstem Maßstab überprüft werden: eine Temperaturänderung von 0,1 Grad Celsius bei einem Thermoelement Typ K erzeugt ungefähr 4 Mikrovolt, aber die Ausgleichsschaltungen der Referenzstelle müssen Schwankungen auf Nanovolt-Ebene berücksichtigen. Zweitens bei Hall-Effekt-Sensoren und Magnetometrie, wo schwache Magnetfeld-Signale zu Mikrovolt- oder Nanovolt-Ausgaben führen, die sorgfältige Verstärkung und Filterung erfordern. Drittens bei der Präzisions-Widerstandsmessung nach der Kelvin-Methode (Vierdraht-Methode), wo Kontaktwider­stände und Leitungswider­stände im Mikroohm-Bereich Nanovolt-Offsets über Milliampere-Ströme erzeugen können.

Herausforderungen bei der Messung im Nanovolt-Bereich

Das Erfassen und Überprüfen von Nanovolt-Signalen erfordert Isolierung von der 50/60 Hz Netzfrequenz, ihren Oberwellen und Schaltfrequenz-Rauschen von nahegelegenen Stromversorgungen. Geschirmte, verdrillte Messleitungen mit ordnungsgemäßer Erdung sind obligatorisch. Nanovolt-Messer, die typischerweise als rauscharme Verstärker mit Verstärkungen zwischen 1000 und 106 arbeiten, erreichen eingangsreferenzierte Rausch­unter­drückungen im Bereich von 5 bis 50 nV pro Quadratwurzel Hertz, abhängig von der Bandbreite. Offset-Drift in diesen Instrumenten, verursacht durch Temperaturänderungen und Alterung von Komponenten, wird bedeutsam, wenn Signale über Stunden oder Tage im Nanovolt-Bereich liegen. Schutzschirme um Niederstromeingänge und Faraday-Käfige um komplette Mess-Aufbauten sind Standardpraxis.

Der Begriff Nanovolt findet Eingang in die Normungsarbeit bei Präzisions-Elektrik-Kalibrierung. Kalibrierzertifikate für Spannungsreferenzen und Digitalisiergeräte spezifizieren häufig die Leistung bis auf die Nanovolt-Ebene, besonders für Instrumente, die in Primär-Metrologie-Laboren oder in der Langzeit-Stabilitätsüberwachung von Referenzstandards eingesetzt werden. Eine 10 V Präzisions-Referenz mit einer spezifizierten Drift von 5 ppm pro Jahr kann ungefähr 50 Nanovolt pro Tag driften, eine Größe, die nur über Wochen kontinuierlicher Vergleichsmessung sichtbar wird.

In industriellen Umgebungen sind Nanovolt-Messungen in der Routine-Qualitätskontrolle selten, aber essentiell in der Halbleiter-Prozessentwicklung, wo ultra-genaue Bias-Spannungen und Leckströme eine Charakterisierung unterhalb der Mikrovolt-Schwelle erfordern. Metrologie-Service-Labore unterhalten Nanovolt-Messer-Systeme, kalibriert gegen nationale Standards, hauptsächlich um die Leistung von Instrumenten zu überprüfen, die in empfindlichen Forschungs- und Fertigungsumgebungen eingesetzt werden, wo kleine Spannungsfehler sich in messbare Produktmängel fortpflanzen.