仪表的防静电技术

1仪表的防静电技术概述物体的静电的起电--放电（ESD）一般具有高电位、强电场和宽带电磁干扰等特点。与常规电能量相比，静电能量虽然比较小，但瞬间的功率十分巨大。不仅有瞬间大电流集中传输，导致易燃易爆物质的燃烧爆炸，而且还会形成强电磁脉冲，产生频谱很宽的电磁辐射场，对微电子设备造成电磁干扰和浪涌效应。在静电起电--放电的过程中，ESD参数是不可控的，是一种难于重复的随机过程，因此，他的作用往往被人们所忽视。人体上带不同的静电电压时，静电放电的电流波形t/nsI/A50A100nsU0=40kV从图中可以看出，静电放电过程，其峰值电流可达数十安培，实验室利用ESD模拟器和电流靶可以观测到数百安培的静电放电电流，其电磁辐射场可在附近导线上感应出数百伏乃至上千伏的电压。由于微电子技术的发展和广泛应用,静电防护工程研究逐渐由原来重点研究静电放电引起燃烧爆炸之类灾害事故的防护,转向重点研究静电放电辐射场引发的电磁干扰及相关危害。静电放电（包括接触放电和空气放电）对电路的干扰以及对元器件影响，特别是对场效应器件（CMOS电路）造成的破坏，越来越引起人们的重视。因而控制系统的静电抗扰度便成了一项重要的电磁兼容性（EMC）指标。产生静电的原因大致有二：1）静电感应如果一个带电体靠近一个中性导体，那么静电场会使中性导体上处于平衡状态的电荷分离。在距离带电体最近的导体表面上出现与带电体上电荷极性相反的电荷，而在距离带电体最远的导体表面上出现与带电体上电荷极性相同的电荷。如雷雨云底部分布着大量的电荷，它们产生静电场，在雷雨云所覆盖的地面和各类导体上便会感应出与雷雨云底部电荷相反符号的电荷。）摩擦起电两种物体互相摩擦时。由于电子和离子的亲和性不同，会在两个物体间引起电子和离子的移动，形成一方带正电荷，一方带负电荷，当两物体分开时，会使一部分的正电荷与负电荷再度结合，但最后残留一部分电荷。残留电荷量大，则静电量也愈大，这种残留的电荷由该物体的绝缘性决定。物体带电顺序表电子的移动方向带正电荷侧玻璃云母尼龙羊毛人造丝绢人体皮肤丙烯棉布铝纸麻琥珀铁、铜、镍橡胶金涤纶赛璐珞聚四氟乙烯带负电荷侧当两种材料发生接触时，电子将从顺序表中位于左侧的材料转移到顺序表中位于右侧的材料上。可以按此来判断两个物体摩擦时，它们带电的极性，还可以大致估计所带电荷程度的大小，即顺序表中相隔愈开的两种材料摩擦，产生电荷的程度就愈大。产生电荷的数量不仅与顺序表中材料的位置有关，而且还和材料的表面清洁度、接触的压力、摩擦数量、接触面积的大小、表面光滑度以及分离速度等因素有关。同类材料在经过接触、分离后也能产生电荷。一个最明显的例子就是塑料袋，在打开时能显而易见地感觉到静电的存在。质地不同的工作服和内衣摩擦时人体带电电压（kV）工作服内衣棉纱毛丙烯聚酯尼龙维棉纯棉1.20.911.714.71.51.8维尼纶55%、棉45%0.64.512.312.34.80.3聚酯65%、人造丝35%4.28.419.217.14.81.2聚酯65%、棉45%14.115.312.37.514.713.8工作服和内衣摩擦时发生的静电是人体带电的主要原因，质地不同的工作服和内衣摩擦时人体带电电压如表所示。人体各部位所带的静电是不均匀的，一般认为以手腕侧的电位最高。因塑料地面或盛器产生的静电电压测量值普通值（kV）最大值（kV）在毛毯上行走的人1239在聚氯乙烯地板上行走的人413在工作台面前的人0.53放在塑料箱内的器件3.512放在塑料管内的器件0.53)静电是一种发生在材料表面上的现象。电荷存在于材料的表面上，而不是材料的内部。2)绝缘体上的电荷只能保持在产生它的区域，并不会分布在材料的整个表面上。正因为如此，绝缘体的接地并不能减少电荷。3)因为绝缘体上的电荷不能自由移动，所以电荷不会引起静电放电。但绝缘体上的电势会在导体上感应产生电荷。4)静电损坏都是通过导体（包括人体潮湿的皮肤）引起的。5)人体是最主要的静电放电源头。6)任何带电物体都很容易将自己所携带的电荷转移到导电的人体皮肤层上。人体的静电模型（HBM）一个物体上所积累的电荷储存在该物体的电容中。通常，我们总认为只有在两个平板之间才会有电容，实际上所有的物体都有自己的自由空间电容，无非第二个平板（指地球）无限大而已。这个电容也就是物体可有的最小电容。即使是不规则形状的物体，它的自由空间电容主要取决于其表面积的函数。～100pF100pF50pF500Ω～10kΩ。除此以外，人体电容还包括脚底与地面之间的电容（约100Pf）。如果人体接近墙壁等周围的某些物体，还会增加50Pf～100Pf的电容。所以人体电容等于人体自由空间电容与平板电容之和，大小在50Pf～250Pf之间变化。人体电容也可用下列经验公式表示：C=0.55H+0.008KA/t式中：H——人体高度（cm）；K——鞋底材料的介质常数；A——两只鞋底的总面积（cm2）；t——鞋底厚度（cm）。人体电阻是非线性的，其值约在500Ω～1,000Ω之间，它和人体产生放电的位置有关。若手指尖放电，人体电阻约为10,000Ω；若手掌放电，人体电阻约为1,000Ω；若在手持的金属物体上放电，人体电阻约为500Ω；若放电发生在较大的金属物体上，人体电阻可以减小为50Ω。此外，影响人体电阻的因素还有皮肤表面的水分、盐和油、皮肤接触面积和压力等。上图是人体的静电放电模型。电荷储存在人体电容中，并通过一个等效的人体电阻产生放电。该静电模型没有考虑电感的大小，但是电感对确定放电电流的上升沿时间有决定性的影响，应当将它计算进来。该图的电路可以模拟人体的静电放电，也可以用于静电测试。静电放电的上升沿时间和其能量是决定放电程度的主要参数.下表以mJ为单位列出了不同人体静电放电模型放电产生的能量。其计算公式为：W=0.5CU2（mJ)式中：C——人体对地电容，F；V——人体静电电压，V。典型人体静电模型（HBM）的参数取值来源C(pf)R(Ω)V(V)能量（mj)IEC61000-4-21503008,000(最大)4.8公司A2501,00020,00050公司B15050020,00030公司C5010,00020,00010公司D30050015,00033.8公司E35010015,00039.4公司F10050010,0005.0目前，最常用的静电模型来自《IEC61000-4-2：1995，电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》（即《GB/T17626.2-1998》）。其电容为150pF，放电电阻为330Ω。输出电压按接触放电和空气放电两种情况分为四个等级（见下表）。接触放电是优先选择的试验方法，空气放电则用在不能使用接触放电的场合中。，电阻为500Ω的人体静电模型被充电到20,000V之后产生的典型的ESD电流波形。该电流波形的峰值电流为40A，上升沿时间（10%～90%）为1ns,下降沿时间为100ns。与放电头串联的电感决定着波形的上升时间，设法减小该电感的大小是设计ESD测试仪器的主要难题之一，该电感的大小应小于0.1μH。注意:通常，人体不会感受到3,500V以下的电压所产生的放电。由于大多数电子器件对数百伏电压产生的放电都会非常敏感，所以元器件的损坏可能来自人们所不能感受到的、听得见的或看得到的放电。在相反的极端情况下，若静电放电电压达到25kV,人体将会感觉到疼痛。静电放电通常，积累在物体上的电荷有两种释放方式：泄漏；火花。由于火花放电会引起燃烧爆炸之类灾害事故的发生，所以泄漏是物体放电的首选方式。由于湿度的关系，物体携带的电荷可以通过空气泄漏。湿度愈高，物体上携带的电荷泄漏得愈快。使用离子发生器向空气中释放与物体携带电荷极性相反的电荷，可以与物体携带的电荷相互抵消。空气中的离子将被吸附到物体上，与物体上的电荷中和，空气中产生的离子愈多，电荷的中和速度就愈快。如果将带电导体接地，就能够使带电导体上的电荷泄漏。因为人体有导电性，所以若能使人体接地（如套上防静电腕带），也能使人体携带的电荷慢慢消失。为了把泄漏电流限制在人身安全的电流5mA以下，应有足够高的接地阻抗，通常防静电腕带的接地电阻为1MΩ，最小接地阻抗为250kΩ。但是，因为衣物和塑料物体往往是不导电的，所以人体接地并不能使衣物上的电荷或者人手持的塑料物体上的电荷消失。为此，可以用电离或增加环境湿度的方法将这些不导电物体上的电荷移走。如果物体已经携带电荷，那么物体的放电应该缓慢进行，以限制电流，防止损坏。表示这一特性有一个重要参数——衰减时间τ，它可表示为：τ=ερ式中：ε——材料的介电常数；ρ——材料的表面电阻率（Ω/m2）。因为静电是一种发生在材料表面上的现象，所以根据材料的表面电阻率，可将材料分成四大类（见下表）。材料的介电常数ε:PC(聚碳酸酯)ε=3.17其它材料ε=2-11,相差的倍数有限；而不同材料的表面电阻率ρ大小要差1010倍。所以起主要作用的是表面电阻率ρ。不同类型材料的表面电阻率材料表面电阻率（Ω/m2）静电导电0～105静电耗散105～109抗静电109～1014静电非导体≥1014Ω/m2的材料上所携带的电荷释放掉。静电导体材料耗散电荷的速度最快，所以使用它靠近已带电的装置比较危险。如果带电装置与接地的导电材料接触，带电装置将迅速放电，放电电流峰值很大，可能会产生某种损坏。与静电导体材料相比，应首选静电耗散材料。因为它耗散电荷的速度很慢，很安全。接地的静电耗散材料也可用于防止静电积累，一旦物体带电，也可以安全地泄放这些电荷。抗静电材料耗散电荷的速度是最慢的。尽管如此，因为这种材料产生电荷的速度小于耗散电荷的速度，所以对防止物体上的静电积累却非常有用。例如粉红色聚乙烯塑料袋，为了防止摩擦带电，材料的表面电阻率不能超过1012Ω/m2。无论是静电耗散材料还是抗静电材料，若与其它任何材料或自己分离，都会带电。它们的应用很相似，有时还归入同一组。在静电敏感环境中它们是首选。静电非导体材料不能耗散电荷，但可以保持自己携带的电荷不变，而不管电荷是何极性。例如聚苯乙烯塑料包装材料和聚乙烯塑袋，在静电敏感环境中严禁使用。目前，仪表常用的面板材料是：材料名称表面电阻率（Ω/m2）主要性能数据来源PC（聚碳酸酯）1014-1015机械性能佳德国巴尔PA（尼龙6）1014化学稳定性好德国巴士夫PA（尼龙66）1010-1013化学稳定性好德国巴尔由上可