nanovolt

Un nanovolt (nV) est 10-9 volts, une unité si petite qu'elle se situe à la frontière de la mesure électrique pratique. Il représente un milliardième de la différence de potentiel aux bornes d'une seule pile alcaline. Travailler à cette échelle nécessite un équipement avec un rejet de bruit et un blindage extraordinaires, car le bruit thermique dans les conducteurs, les interférences électromagnétiques des machines à proximité et même le bruit Johnson des résistances elles-mêmes peuvent facilement masquer un véritable signal nanovolt.

Les nanovolts apparaissent dans trois principaux contextes de mesure. Premièrement, dans l'étalonnage et la compensation des thermocouples, où les sorties de tension des thermocouples sont vérifiées aux plus petites échelles : un changement de 0,1 degré Celsius dans un thermocouple de type K produit environ 4 microvolts, mais les circuits de compensation de la jonction de référence doivent tenir compte des variations au niveau du nanovolt. Deuxièmement, dans les capteurs à effet Hall et la magnétométrie, où les signaux de champ magnétique faibles se traduisent par des sorties microvolt ou nanovolt qui nécessitent une amplification et un filtrage minutieux. Troisièmement, dans la mesure de résistance de précision utilisant la méthode Kelvin (à quatre fils), où les résistances de contact et les résistances de fil dans la gamme des micro-ohms peuvent générer des décalages de nanovolts avec des courants de l'ordre du milliampère.

Défis de mesure à l'échelle du nanovolt

La détection et la vérification des signaux nanovolt exigent une isolation de la fréquence secteur de 50/60 Hz, de ses harmoniques et du bruit de commutation des alimentations électriques à proximité. Un câblage blindé à paires torsadées avec une mise à la terre appropriée est obligatoire. Les nanovoltmètres, fonctionnant généralement comme des amplificateurs à faible bruit avec des gains compris entre 1000 et 106, atteignent des seuils de bruit rapportés à l'entrée de l'ordre de 5 à 50 nV par racine carrée de hertz, selon la bande passante. La dérive d'offset dans ces instruments, causée par les changements de température et le vieillissement des composants, devient significative lorsque les signaux occupent la plage du nanovolt pendant des heures ou des jours. Les blindages de garde autour des entrées à faible courant et les enceintes de Faraday autour des configurations de mesure entières sont une pratique courante.

Le terme nanovolt entre dans les travaux de normalisation en étalonnage électrique de précision. Les certificats d'étalonnage pour les références de tension et les numériseurs spécifient souvent des performances jusqu'au niveau du nanovolt, en particulier pour les instruments utilisés dans les laboratoires de métrologie primaire ou dans la surveillance de la stabilité à long terme des étalons de référence. Une référence de précision de 10 V avec une dérive spécifiée de 5 parties par million par an peut dériver d'environ 50 nanovolts par jour, une quantité qui ne devient visible qu'après des semaines de comparaison continue.

Dans les environnements industriels, les mesures de nanovolts sont rares dans le contrôle qualité de routine, mais essentielles dans le développement de processus semi-conducteurs, où des tensions de polarisation et des courants de fuite ultra-précis nécessitent une caractérisation en dessous du seuil du microvolt. Les laboratoires de services de métrologie maintiennent des systèmes de nanovoltmètres étalonnés par rapport aux étalons nationaux, principalement pour vérifier les performances des instruments utilisés dans les environnements de recherche et de fabrication sensibles où de petites erreurs de tension se propagent en défauts de produit mesurables.