《電子技術(shù)應(yīng)用》
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用于电子束设备的微电流检测系统
电子技术应用
韩奥，谭小林，吴仕坤，陈章隆，巩小亮
中国电子科技集团公司第四十八研究所
摘要： 设计了一种微电流检测系统，可用于电子束设备皮安量级到纳安量级的微弱电流信号检测。该设计采用跨阻式I/V转换电路结构，综合考虑器件选型、电路级联放大、纯净供电电源、滤波降噪、嵌入式计算、屏蔽与接地等，将皮安级微小电流放大，同时还设计了双量程选择电路，拓展了测量范围至百纳安级，通过MCU微处理器对放大的电信号进行采集及优化处理。实验表明该系统能够实现微弱电流信号的测量，同时可以调整至较大的量程，且测量误差低于0.5%，同时线性度优、响应迅速。
中圖分類號：TM93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257399
中文引用格式： 韓奧，譚小林，吳仕坤，等. 用于電子束設(shè)備的微電流檢測系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2026，52(4)：60-65.
英文引用格式： Han Ao，Tan Xiaolin，Wu Shikun，et al. Micro-current detection system for electron beam equipment[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(4)：60-65.
Micro-current detection system for electron beam equipment
Han Ao，Tan Xiaolin，Wu Shikun，Chen Zhanglong，Gong Xiaoliang
The 48th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation
Abstract： A micro-current detection system is designed in this paper, it can be used to detect the weak current signal of electron beam equipment from picoampere level to nanoampere level. The design uses a transimpedance amplifier I/V conversion circuit structure, considering device selection, circuit cascade amplification, pure power supply, filter noise reduction, embedded computing, shielding and grounding, etc., the picoampere-level micro-current is amplified. At the same time, a dual-range selection circuit is designed to expand the measurement range to the hundred-nana level, and the amplified electrical signal is collected and optimized by the MCU microprocessor. Experiments show that the system can realize the measurement of weak current signal, and can be adjusted to a large range, and the measurement error is less than 0.5%, and the linearity is excellent and the response is fast.
Key words : micro-current detection；transimpedance amplification；I/V conversion；bipolar power supply；multi-range measurement

引言

在電子束設(shè)備中，從電子槍陰極發(fā)射的電子在高壓加速后經(jīng)過透鏡的聚焦，可以形成極細(xì)的電子束，打在不同用途的標(biāo)記上，可以產(chǎn)生不同的信號，例如入射電子、二次電子、背散射電子等。由于電子束流的大小與電子束設(shè)備的性能有著直接的聯(lián)系，精確的信號檢測對調(diào)整電子束設(shè)備工作過程中的各參數(shù)起著至關(guān)重要的作用。隨著大規(guī)模集成電路集成度的增加，電子束設(shè)備的工作對信號檢測的要求愈發(fā)嚴(yán)格，電子束設(shè)備中的各待檢測信號如入射電子、二次電子等，均為電流信號且非常微弱，一般為皮安量級，一般檢測思路為I/V放大轉(zhuǎn)換處理。然而，在對微弱電流信號進(jìn)行檢測時，不能單靠放大技術(shù)，想要成功提取出想要的信號，除了增大微弱信號的幅度外，還必須有效抑制噪聲及其他干擾信號。因此，進(jìn)行電路設(shè)計及測試前需要明確影響測試結(jié)果的各類噪聲的來源與屬性，深入分析噪聲生成的緣由及變化規(guī)律，制定并實施具有針對性的方案，實現(xiàn)對噪聲的有效屏蔽及其他干擾信號的抑制。

目前，微弱電流信號檢測在工程應(yīng)用、航天領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)傳感、光電探測器、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域都有應(yīng)用之處，目前國內(nèi)外在微電流檢測電路開發(fā)中大多停留在納安級，部分文獻(xiàn)對微弱電流檢測的相關(guān)理論及儀器設(shè)計做了說明[1-4]，相關(guān)檢測產(chǎn)品中，部分有體積偏大、便攜性差的問題，部分有成本高昂、維修困難的問題，部分文獻(xiàn)對微弱電流檢測技術(shù)的應(yīng)用及電路設(shè)計做了相關(guān)介紹[5-10]，部分電路設(shè)計中應(yīng)用的T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)I/V轉(zhuǎn)換電路有測試精度不高、噪聲影響明顯的問題，電容積分電路有響應(yīng)慢的問題，部分微電流檢測應(yīng)用電路也有測試范圍有限等問題。

本文設(shè)計的微電流檢測系統(tǒng)通過選擇低噪聲高性能的集成運(yùn)算放大器，設(shè)計對應(yīng)的高反饋電阻的跨阻式I/V轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)，再與二級放大電路組成級聯(lián)放大，實現(xiàn)微弱信號的高增益放大，同時優(yōu)化電源模塊，通過多種方式進(jìn)行降噪濾波，最后基于MCU開發(fā)嵌入式計算程序，進(jìn)一步優(yōu)化了檢測精度。測試結(jié)果表示該系統(tǒng)可以在較強(qiáng)的電磁干擾環(huán)境下測量出皮安級別的信號，并且測量誤差低于0.5%，響應(yīng)迅速，且體積小質(zhì)量輕，便于安裝攜帶。此外特別設(shè)計了量程變更電路，使得該系統(tǒng)在應(yīng)用中對皮安量級的電流與納安量級的電流均具有測試能力與高測試精度。


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作者信息：

韓奧，譚小林，吳仕坤，陳章隆，鞏小亮

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111）

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