Brevet FR3112393A1 — publié le 20220114

L’invention concerne un dispositif (1) de détermination de la résistance électrique d’un système (S), le dispositif comprenant : - un émetteur d'électrons (10) par effet de champ apte à émettre des électrons lorsque le potentiel électrique d'émission V e de l’émetteur d’électrons est supérieur à une valeur seuil V L , l’extrémité émettrice dudit émetteur étant au moins partiellement conductrice ; - un équipement (20) apte à déterminer le potentiel électrique d’émission V e de l’émetteur d’électrons ; - une source de tension (40) adaptée pour appliquer au dispositif (1) une différence de potentiel E et générer un champ électrique au niveau de l’émetteur (10); - un détecteur d'électrons (80) apte à détecter tout ou partie des électrons émis par l'émetteur d’électrons de manière à mesurer l’intensité du courant I mes circulant entre l’émetteur et le détecteur ; - des moyens de liaison électrique (91, 92) adaptés pour relier électriquement le système (S) et le dispositif (1) de telle manière que l’intensité de courant circulant entre l’émetteur et le détecteur puisse traverser également ledit système. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Dispositif de détermination de la résistance électrique d’un système et procédé associé Domaine technique de l’invention L’invention se situe dans le domaine de la mesure des variables électriques, plus précisément de la mesure de résistance électrique. L’invention vise particulièrement la détermination de très grandes valeurs de résistance électrique. Etat de la technique La mesure de très grandes valeurs de résistance électrique est un élément clé dans la fabrication de voltmètres à très haute impédance ou d'ampèremètres à très faible courant, ainsi que dans la caractérisation des matériaux isolants électriques et des dispositifs associés. Un principe connu pour mesurer une grande valeur de résistance électrique d’un système consiste en l’application d’une haute tension au système dont on cherche à mesurer la résistance et en l’utilisation d’un capteur de courant à effet Hall, telle une sonde ou pince ampérométrique, pour mesurer l’intensité et en déduire la résistance. Cependant, les dispositifs mettant en œuvre ce principe ne permettent pas de mesurer des valeurs de résistance plus grandes que 10 10 ou 10 11 Ohms et certains isolants électriques ne peuvent ainsi pas être caractérisés. Il existe également un dispositif de type électromètre, permettant de réaliser des mesures de résistance jusqu’à 200 Tera Ohms (200 TΩ), soit 2.10 1 4 Ohms. Cela est généralement utilisé pour des mesures d'isolement électrique. Dans ce type de dispositif, la mesure de très grandes résistances est directement liée à l’emploi d’une source stable de très faible courant. Un électromètre connu de la société Keithley® permet de mesurer 10fA (10 -14 A) avec une sensibilité de 1fA (10 - 1 5 A). Cependant, il est recherché un dispositif permettant de déterminer des valeurs de résistance au-delà de 200TΩ, pouvant atteindre 10 22 Ω. Or, la limitation de la mesure d'une grande valeur de résistance est limitée par le bruit thermique, même pour un dispositif de type électromètre tel que décrit précédemment. L’invention vise à surmonter les inconvénients précités de l’art antérieur. Plus particulièrement elle vise à réaliser un dispositif permettant de mesurer la résistance d’un système présentant une très grande valeur de résistance électrique, au-delà du Tera Ohm, voire au-delà de 10 15 Ohms et pouvant atteindre 10 22 Ohms. Un premier objet de l’invention permettant de remédier à ces inconvénients est un dispositif de détermination de la résistance électrique d’un système, le dispositif comprenant : - un émetteur d'électrons par effet de champ apte à émettre des électrons (générant ainsi un courant) lorsque le potentiel électrique d’émission V e de l’émetteur d’électrons est supérieur à une valeur seuil V L ; - un équipement apte à déterminer le potentiel électrique d’émission V e de l’émetteur d’électrons; - une source de tension adaptée pour appliquer au dispositif une différence de potentiel E et générer un champ électrique au niveau de l’émetteur ; - un détecteur d'électrons apte à détecter tout ou partie des électrons émis par l'émetteur d’électrons de manière à mesurer l’intensité du courant I mes circulant entre l’émetteur et le détecteur, et - des moyens de liaison électrique adaptés pour relier électriquement le système dont la résistance électrique est à déterminer et le dispositif, de telle manière que le courant circulant entre l’émetteur et le détecteur puisse traverser également ledit système. Selon la présente invention, le potentiel électrique d’émission peut être désigné par raccourci « potentiel d’émission ». De manière générale, dans la présente invention, le terme « potentiel » désigne un potentiel électrique. Un émetteur d’électrons à émission de champ (ou émission à froid) est une source d’électrons qui comprend un matériau émetteur dont la géométrie ou la conformation permet d’atteindre un champ électrique important lorsqu’il est soumis à un potentiel électrique. Sous l’effet d’un tel champ électrique, des électrons traversent par effet tunnel une barrière de potentiel depuis le niveau de Fermi, à température ambiante et sont émis par le matériau. L’application du champ électrique au matériau peut être combinée au chauffage du matériau, afin d’obtenir une émission Schottky, ce qui permet de réduire le potentiel électrique d’extraction des électrons. L’extrémité du matériau émetteur doit être au moins partiellement conductrice. Le matériau émetteur comprend généralement un fil conducteur (métallique ou semi-conducteur) dont une extrémité est taillée en pointe. Le matériau le plus courant est le tungstène. Le matériau émetteur forme une cathode (généralement dénommée « cathode froide »). Pour extraire les électrons depuis l’émetteur, le dispositif comprend un extracteur d’électron, l’extracteur étant disposé entre l’émetteur et le détecteur. L’extracteur d’électron comprend généralement une électrode d’extraction, formant anode, configurée pour générer un champ électrique lorsqu’on lui applique un potentiel électrique d’extraction. Ainsi, les électrons sont émis vers ladite électrode, et sont dirigés vers le détecteur. L’émetteur est polarisé négativement par rapport à l’extracteur. Par exemple, l’émetteur est polarisé négativement par rapport à l’électrode d’extraction qui est mise à la terre. Alternativement à une électrode, l’extracteur peut comprendre une grille d’extraction formant anode. Par grille, on entend une électrode présentant une ou plusieurs ouvertures pour le passage des électrons. Selon un mode de réalisation, l’équipement apte à déterminer le potentiel électrique d’émission V e de l’émetteur d’électrons comprend un analyseur d’énergie. Selon un mode de réalisation, l’équipement apte à déterminer le potentiel électrique d’émission V e de l’émetteur d’électrons comprend : - une grille retardatrice disposée entre l’émetteur et le détecteur, en particulier entre l’extracteur et le détecteur, et - une source de tension retardatrice connectée à la grille retardatrice, et apte à appliquer à ladite grille retardatrice un potentiel retardateur N permettant de retarder et d’arrêter les électrons arrivant sur le détecteur. Le détecteur d'électrons permet généralement de compter tout ou partie des électrons émis. Ainsi, un moyen de comptage des électrons est généralement associé au détecteur ou compris dans le détecteur. Selon un mode de réalisation, le détecteur comprend un multiplicateur d'électrons, par exemple un channeltron ou encore une plaque à microcanaux. De préférence, le dispositif comprend une chambre à vide, de préférence à ultra-vide (c’est-à-dire entre 10 -6 et 10 -9 Pa), la chambre à vide étant apte à recevoir au moins l’émetteur d’électrons, tout ou partie de l’équipement pour déterminer le potentiel électrique d’émission, tout ou partie du détecteur d'électrons, et éventuellement tout ou partie de l’extracteur d’électrons. Cela peut être une chambre à vide classique (dans laquelle le vide est formé par une pompe à vide, voire à ultra-vide) ou une enceinte scellée renfermant un guetter ou sorbeur. De préférence, le dispositif comprend en outre au moins une traversée électrique étanche, ladite traversée électrique étant adaptée pour relier électriquement de manière étanche l’intérieur et l’extérieur de la chambre à vide, et étant isolée électriquement, correspondant typiquement à une résistivité supérieure ou égale à 10 18 Ω.cm. Cela peut être typiquement une traversée en saphir. La traversée électrique permet de faire passer des liaisons notamment électriques entre le système à mesurer qui n’est pas disposé dans la chambre à vide et les éléments disposés dans la chambre à vide, et de manière plus générale entre les éléments disposés dans la chambre à vide et les éléments à l’extérieur de la chambre à vide. Au moins un moyen de liaison électrique adapté pour relier électriquement le système et le dispositif traverse ladite traversée étanche. Dans le cas de résistances élevées, les mesures de résistance peuvent être faussées par la circulation de courants de fuite qui cheminent à la surface du système à mesurer, par exemple au travers de l’humidité et/ou de contaminants superficiels dont la résistance est moins importante que celle du système. De façon à éliminer les courants de fuite, le dispositif de mesure comprend une garde apte à contenir le système à mesurer et/ou à être connecté au système à mesurer. Une garde est définie comme un moyen de protection configuré pour réduire le courant de fuite et/ou répartir le potentiel autour du système à mesurer. La garde peut être connectée électriquement au détecteur, de manière à permettre une mesure différentielle. Un second objet de l’invention est un procédé de détermination de la résistance d’un système mettant en œuvre le dispositif selon l’invention, le procédé comprenant les étapes suivantes : - une étape de connexion du système aux moyens de liaison électrique du dispositif ; - une étape d’émission d’électrons pour une valeur de différence de potentiel E appliquée au dispositif ; - une étape de mesure de l’intensité de courant I e traversant le système, pour la valeur de différence de potentiel E, ladite étape de mesure comprenant la mesure de l’intensité du courant I mes circulant entre l’émetteur et le détecteur lorsque les électrons émis ne sont pas ralentis avant d’atteindre le détecteur, de sorte que le courant mesuré I mes par le détecteur corresponde au courant I e traversant le système ; - une étape de détermination du potentiel électrique d’émission V e de l’émetteur d’électrons pour la valeur de différence de potentiel E ; - une étape de calcul de la résistance R S du système à mesurer donnée par l'équation Il est précisé que l’émission d’électrons est réalisée par l’émetteur d’électrons, que la mesure de l’intensité du courant circulant entre l’émetteur et le détecteur est permise par le détecteur, et que la détermination du potentiel électrique d’émission est permise par l’équipement apte à déterminer le potentiel électrique d’émission de l’émetteur d’électrons. Selon un mode de réalisation, l’étape de détermination du potentiel électrique d’émission V e de l’émetteur comprend : - une étape d’application à l’équipement d’une valeur de potentiel retardateur limite N L suffisante pour arrêter les électrons arrivant sur le détecteur, de sorte que l’intensité mesurée I mes au niveau du détecteur diminue jusqu’à une valeur I 0 (I 0 correspondant à la limite de détection), - le potentiel électrique d’émission V e recherché étant égal à la valeur du potentiel retardateur limite N L ; l’étape de mesure de l’intensité du courant I e étant réalisée pour un potentiel retardateur N nul. Ce mode de réalisation est adapté pour un dispositif dont l’équipement apte à déterminer le potentiel électrique d’émission V e de l’émetteur d’électrons comprend une grille retardatrice disposée entre l’émetteur et le détecteur, en particulier entre l’extracteur et le détecteur, et une source de tension retardatrice connectée à la grille retardatrice, et apte à appliquer à ladite grille retardatrice un potentiel retardateur N permettant de retarder et d’arrêter les électrons arrivant sur le détecteur. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard de la figure annexée : représente un exemple de dispositif de détermination de la résistance électrique selon l’invention. Dispositif (1) de détermination de la résistance électrique d’un système (S), le système (S) présentant des bornes de raccordement électrique, ledit dispositif comprenant : - une chambre à vide (50) couplée par une première et une deuxième liaison électrique (91, 92) aux bornes du système (S), la chambre à vide comprenant au moins : - un émetteur d'électrons (10) relié à une borne du système (S) par la première liaison électrique (91), l’émetteur étant un émetteur par effet de champ apte à émettre des électrons lorsque le potentiel électrique d'émission V e de l’émetteur d’électrons est supérieur à une valeur seuil V L , l’extrémité émettrice dudit émetteur étant au moins partiellement conductrice ;- un équipement (20) apte à déterminer le potentiel électrique d’émission V e de l’émetteur d’électrons ; et - un détecteur d'électrons (80) apte à détecter tout ou partie des électrons émis par l'émetteur d’électrons de manière à mesurer l’intensité du courant I mes circulant entre l’émetteur et le détecteur ; - une source de tension (40) adaptée pour appliquer une différence de potentiel E entre la chambre à vide et l’autre borne du système (S) via la deuxième liaison électrique (92), la différence de potentiel permettant de générer un champ électrique au niveau de l’émetteur d’électrons (10); les liaisons électriques (91, 92) étant adaptées de manière que le courant I mes circulant entre l’émetteur (10) et le détecteur (80) traverse également ledit système (S), la mesure dudit courant I mes permettant de calculer la valeur de la résistance électrique du système (S). Dispositif (1) selon la revendication 1, comprenant en outre un extracteur d’électron (30) configuré pour extraire les électrons depuis l’émetteur (10) vers le détecteur d’électrons (80), l’extracteur étant disposé entre l’émetteur et le détecteur. Dispositif (1) selon la revendication 2, l’extracteur d’électrons comprenant une électrode d’extraction ou une grille d’extraction (31) disposée entre l’émetteur (10) et le détecteur (80) et configurée pour générer un champ électrique lorsqu’on lui applique un potentiel électrique d’extraction. Dispositif (1) selon la revendication 3, l’électrode d’extraction ou la grille d’extraction (31) étant reliée à une borne de terre (T). Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’équipement (20) comprenant un analyseur d’énergie d’électrons. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’équipement (20) comprenant : - une grille retardatrice (21) disposée entre l’émetteur (10) et le détecteur (80) et - une source de tension retardatrice (22) connectée à ladite grille retardatrice, et apte à appliquer à ladite grille retardatrice un potentiel retardateur N permettant de retarder et d’arrêter les électrons arrivant sur le détecteur (80). Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le détecteur (80) comprenant un multiplicateur d'électrons, par exemple un channeltron, ou encore une plaque à microcanaux. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un moyen de comptage (81) des électrons associé au, ou compris dans le, détecteur (80). Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel la chambre à vide (50) est apte à recevoir au moins l’émetteur d’électrons (10), tout ou partie de l’équipement (20), tout ou partie du détecteur d'électrons (80), et éventuellement tout ou partie de l’extracteur d’électrons (30). Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une traversée électrique étanche (60), ladite traversée électrique étant adaptée pour relier électriquement de manière étanche l’intérieur et l’extérieur de la chambre à vide (50) et étant isolée électriquement, au moins la première liaison électrique (91) traversant ladite traversée étanche. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre une garde (70), le système à mesurer (S) étant connecté à, et/ou disposé dans, ladite garde, la garde étant configurée pour réduire le courant de fuite et/ou répartir le potentiel autour du système à mesurer, la garde pouvant être connectée électriquement au détecteur de manière à permettre une mesure différentielle. Procédé de détermination de la résistance d’un système (S) mettant en œuvre le dispositif selon l’une des revendications 1 à 11, le procédé comprenant les étapes suivantes : - une étape de connexion du système (S) aux liaisons électriques (91, 92) du dispositif ; - une étape d’émission d’électrons pour une valeur de différence de potentiel E appliquée aux bornes du dispositif ; - une étape de mesure de l’intensité de courant I e traversant le système (S), pour la valeur de différence de potentiel E, ladite étape de mesure comprenant la mesure de l’intensité du courant I mes circulant entre l’émetteur et le détecteur lorsque les électrons émis ne sont pas ralentis avant d’atteindre le détecteur, de sorte que le courant mesuré I mes corresponde au courant I e traversant le système ; - une étape de détermination du potentiel électrique d'émission V e des électrons émis pour la valeur de différence de potentiel E ; - une étape de calcul de la résistance R S du système à mesurer (S) donnée par l'équation Procédé de détermination selon la revendication 12, mettant en œuvre le dispositif selon la revendication 6 ou l’une des revendications 7 à 11 en combinaison avec la revendication 6, l’étape de détermination de la tension d'émission V e comprenant : - une étape d’application à l’équipement (20) d’une valeur de potentiel retardateur N L suffisante pour arrêter les électrons arrivant sur le détecteur, de sorte que l’intensité mesurée I mes au niveau du détecteur (80) diminue jusqu’à une valeur I 0 , correspondant à la limite de détection du détecteur, - le potentiel électrique d’émission recherché V e étant égal à la valeur de potentiel retardateur limite N L ; l’étape de mesure du courant I e étant réalisée pour un potentiel retardateur N nul.