仪表的防静电技术

1、仪表的防静电技术.1 概述 物体的静电的起电-放电ESD普通具有高电位、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，但瞬间的功率非常宏大。 不仅有瞬间大电流集中传输，导致易燃易爆物质的熄灭爆炸，而且还会构成强电磁脉冲，产生频谱很宽的电磁辐射场，对微电子设备呵斥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，是一种难于反复的随机过程，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

2、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。 由于微电子技术的开展和广泛运用,静电防护工程研讨逐渐由原来重点研讨静电放电引起熄灭爆炸之类灾祸事故的防护,转向重点研讨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电路呵斥的破坏，越来越引起人们的注重。因此控制系统的静电抗扰度便成了一项重要的电磁兼容性EMC目的。. 产生静电的缘由大致有二 ： 1静电感应 假设一个带电体接近一个中性导体，那么静电场会使中性导体上处于平衡形状的电荷分别。在间隔带电体最近的导体外表上出现与带电体上电荷

3、极性相反的电荷，而在间隔带电体最远的导体外表上出现与带电体上电荷极性一样的电荷。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。.2摩擦起电 两种物体相互摩擦时。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挪动，构成一方带正电荷，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，那么静电量也愈大，这种残留的电荷由该物体的绝缘性决定。. 物体带电顺序表 电子的挪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

4、烯带负电荷侧. 当两种资料发生接触时，电子将从顺序表中位于左侧的资料转移到顺序表中位于右侧的资料上。可以按此来判别两个物体摩擦时，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资料摩擦，产生电荷的程度就愈大。 产生电荷的数量不仅与顺序表中资料的位置有关，而且还和资料的外表清洁度、接触的压力、摩擦数量、接触面积的大小、外表光滑度以及分别速度等要素有关。同类资料在经过接触、分别后也能产生电荷。一个最明显的例子就是塑料袋，在翻开时能显而易见地觉得到静电的存在。.质地不同的任务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

5、.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. 任务服和内衣摩擦时发生的静电是人体带电的主要原因，质地不同的任务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，普通以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丈量值普通值（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.几点根本概念 1) 静电是一种发生

6、在资料外表上的景象。电荷存在于资料的外表上，而不是资料的内部。 2) 绝缘体上的电荷只能坚持在产生它的区域，并不会分布在资料的整个外表上。正由于如此，绝缘体的接地并不能减少电荷。 3) 由于绝缘体上的电荷不能自在挪动，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) 静电损坏都是经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本人所携带的电荷转移到导电的人体皮肤层上。.2 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，我们总以为只需在两个平板之间才会有电容，实践上一切的物体都有本人的自在空间

7、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。 即使是不规那么外形的物体，它的自在空间电容主要取决于其外表积的函数。.人体的电容和电阻 50pF100pF100pF50pF50010k. 一个人体在自在空间中的电容约为50Pf。除此以外，人体电容还包括脚底与地面之间的电容约100Pf。 假设人体接近墙壁等周围的某些物体，还会添加50Pf100Pf的电容。所以人体电容等于人体自在空间电容与平板电容之和，大小在50Pf250Pf之间变化。 人体电容也可用以下阅历公式表示： C=0.55H+0.008KA/t式中：H人体高度cm； K鞋底资料的介质常数； A两只鞋底的总面积

8、cm2； t鞋底厚度cm。. 人体电阻是非线性的，其值约在5001,000之间，它和人体产生放电的位置有关。 假设手指尖放电，人体电阻约为10,000； 假设手掌放电，人体电阻约为1,000； 假设在手持的金属物体上放电，人体电阻约为500； 假设放电发生在较大的金属物体上，人体电阻可以减小为50。 此外，影响人体电阻的要素还有皮肤外表的水分、盐和油、皮肤接触面积和压力等。.人体静电放电模型 CRLV. 上图是人体的静电放电模型。电荷储存在人体电容中，并经过一个等效的人体电阻产生放电。该静电模型没有思索电感的大小，但是电感对确定放电电流的上升沿时间有决议性的影响，该当将它计算进来。 该图的电路

9、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议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=0.5CU2mJ)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()V(V)能量（mj)IEC 61000-4-21503008,000(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

10、.0. 目前，最常用的静电模型来自即。 其电容为150 pF，放电电阻为330。 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实验方法，空气放电那么用在不能运用接触放电的场所中。 .静电放电的实验等级接触放电空气放电等级试验电压kV等 级试验电压kV12122424363848415. 以下图是电容为150 pF，电阻为500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议着波形的上升时间，设法减小该电感的大小是设计ESD测试仪

11、器的主要难题之一，该电感的大小应小于0.1H。.典型的静电放电电流波形40At上升沿时间1ns下降沿时间100nsI.留意: 通常，人体不会感遭到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，所以元器件的损坏能够来自人们所不能感遭到的、听得见的或看得到的放电。 在相反的极端情况下，假设静电放电电压到达25kV,人体将会觉得到疼痛。.3 静电放电 通常，积累在物体上的电荷有两种释放方式：走漏；火花。 由于火花放电会引起熄灭爆炸之类灾祸事故的发生，所以走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经过空气走漏。湿度愈高，物体上携带的电荷

12、走漏得愈快。 运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。. 假设将带电导体接地，就可以使带电导体上的电荷走漏。由于人体有导电性，所以假设能使人体接地如套上防静电腕带，也能使人体携带的电荷渐渐消逝。 为了把走漏电流限制在人身平安的电流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1M，最小接地阻抗为250k。 但是，由于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逝。为此，可以用电离或添加环境湿度

13、的方法将这些不导电物体上的电荷移走。. 假设物体曾经携带电荷，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，它可表示为： =式中：资料的介电常数； 资料的外表电阻率/m2。 由于静电是一种发生在资料外表上的景象，所以根据材料的外表电阻率，可将资料分成四大类见下表。. 资料的介电常数: PC(聚碳酸酯) =3.17 其它资料=2-11,相差的倍数有限； 而不同资料的外表电阻率大小要差1010倍。 所以起主要作用的是外表电阻率。.不同类型资料的外表电阻率材 料表面电阻率（/m2） 静电导电0105静电耗散105109抗静电109 1014静电非导体1014

14、. 运用接地方式很容易将外表电阻率小于105/m2的资料上所携带的电荷释放掉。静电导体资料耗散电荷的速度最快，所以运用它接近已带电的安装比较危险。假设带电安装与接地的导电资料接触，带电安装将迅速放电，放电电流峰值很大，能够会产生某种损坏。 与静电导体资料相比，应首选静电耗散资料。由于它耗散电荷的速度很慢，很平安。接地的静电耗散资料也可用于防止静电积累，一旦物体带电，也可以平安地泄放这些电荷。. 抗静电资料耗散电荷的速度是最慢的。虽然如此，由于这种资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，资料的外表电阻率不能超越1012

15、/m2。 无论是静电耗散资料还是抗静电资料，假设与其它任何材料或本人分别，都会带电。它们的运用很类似，有时还归入同一组。在静电敏感环境中它们是首选。 . 静电非导体资料不能耗散电荷，但可以坚持本人携带的电荷不变，而不论电荷是何极性。例如聚苯乙烯塑料包装资料和聚乙烯塑袋，在静电敏感环境中严禁运用。 . 目前，仪表常用的面板资料是：材料名称表面电阻率（/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. 由上可知，PA尼龙的防静电性能要优于PC聚碳酸酯。为了综和思索，可以采取

16、如下措施： 1在原资料中加防静电的添加剂； 2在仪外表板上涂外表涂层，使外表电阻率符合要求。.4 产品设计中的静电维护 静电危害源对受害物体的影响，其作用机理除库仑力作用的力学效应外，主要是经过能量的直接传导、电容性耦合、电感性耦合和电磁场辐射等四种方式发生作用： 1直接传导，指的是静电放电电流直接流过敏感电路的情况，这种方式往往是由于静电放电电流产生的热效应对电路产生损坏。 由于静电放电是在ns或s量级的时间内完成的，是一种绝热过程。作为点火源、引爆源，可瞬时引起易燃易爆气体或物质的熄灭爆炸；也可以使微电子器件、电磁敏感电路过热，呵斥部分热损伤，使电路性能变坏或失效。. 2电容性耦合。指的是

17、静电放电电流对敏感电路附近的金属物体或电路放电时经过放电产生的电场耦合到敏感电路中去。 静电危害源构成的电场不仅可以使MOS场效应器件的栅氧化层击穿或金属化线间介质击穿，呵斥电路失效，而且对许多测试仪器和敏感器件的电磁屏蔽提出了更高的要求。 CMOS电路最怕静电，最易因静电而损坏。其氧化膜的耐压界限约为100-150V。所以对于带成千上万伏静电的人一旦接触电路会对器件带来很严重的后果。 . 3电感性耦合。指的是静电放电在设备的金属外壳等导电资料中引起的强电流可构成磁场耦合，其放电能量虽然不大，但瞬间的功率非常宏大，会对电路和器件产生干扰和危害。因此对控制系统的设计和磁屏蔽资料的选择都提出了苛刻

18、的要求。.4电磁场耦合。静电放电引起的射频干扰，对信息化设备呵斥电噪声、电磁干扰，使其产生误动作或功能失效。强电磁脉冲及其浪涌效应对电子设备可以呵斥硬损伤或软损伤，既可以呵斥器件或电路的性能参数劣化或完全失效，也可以构成累积效应，埋下潜在的危害，使电路或设备的可靠性降低。.由于静电放电产生的效应，可以分成三类：1硬损伤。即已呵斥硬件的实践损坏。2软损伤。对系统的正常运转有影响，但不会使系统产生物理上的损坏。譬如使存储位的改动和程序进入死循环等。3短暂形状异常。没有产生任何错误，但能明显地觉得得到。例如CRT显示器上的雪花点、图象滚动和指示灯的瞬间闪烁等。 设计出来的控制系统该当有一定的静电抗扰

19、度而不遭损坏硬损伤，通常也不会产生软损伤。普通情况下，短暂形状异常是可以接受的。. 防止控制系统和电路不受静电放电的干扰和破坏的根本方法有：1抑制干扰源，减小或消除源头上的静电积累；2隔离导体，防止放电；3将敏感电路旁路，为静电放电电流提供可选择的泄放途径分开接地PE和E；4对敏感电路实施屏蔽，使其不受静电放电引起的电场的影响；5维护敏感电路，以阻止由放电产生的磁场的进入。 .4.1 金属火花吸收器的抗静电运用 在设计键盘和控制面板时该当遵照这样一条原那么：静电放电电流可以直接到地，而不会流过敏感的电路或器件。 假设是运用绝缘键盘，那么可以在在键盘与电路之间运用金属火花吸收器，为ESD电流提供

20、可选择的泄放途径。 如以下图所示，金属火花吸收器安装在绝缘面板的后面，而且金属火花吸收器该当接地到机壳或机架的维护地上，绝不能接到任务地上。.金属火花吸收器的抗静点作用 印刷线路板绝缘面板火花吸收器.4.2 印刷线路板上的维护环 操作人员将印刷线路板插拔到母板上去的动作是产生ESD损伤问题的一个常见缘由。为此，可沿电路板的边缘设计一个维护环，并将该维护环接地。当操作人员手拿电路板时，可以将人体上的电荷经过维护环释放到接地安装上去。 电路板接入系统后，维护环依然起到维护它的作用。假设有带电的人或物体接近电路板，任何产生的放电都有能够是向接地的维护环，而不是向着电路板上的电路。.印刷线路板上的维护

21、环 维护环接维护地.4.3 采用金属屏蔽体电路静电放电. 用一个接地金属盒完全罩在一个电路上，并使两者之间相互分别，该电路与金属盒没有任何接触。当发生放电时，由于存在接地引线电感，金属盒的电位就会上升。金属盒内电路的电位差也会随之上升，即使这样，但在金属盒内的电路上的各点之间不会产生电位差。因此，只需金属盒可以将电路完全屏蔽，电路就不会损坏。 假设金属屏蔽盒不延续或有孔洞，在金属屏蔽盒的外表就会产生电位差。这种屏蔽盒内的各部分与电路之间的分布电容构成的电压，会在电路中产生新的电压。这样也许会影响电路的正常任务，所以要尽能够地完全将电路屏蔽。 .4.4 对电缆接插件静电放电的干扰及其对策 目前普

22、通设备的外接电缆接插件经常运用金属外壳的插座，由于这种插座经常被人体所接触，所以也经常会经过插座对其附近的元器件呵斥静电放电干扰。 相应的措施是，在固定插座时要留意让其金属外壳与地有良好的导电性能。运用螺钉固定时要留意其对地通路的电气接触可靠，以防止时间长久后接地电阻增大，又会发生静电放电。.4.5 电路设计和印刷线路板布线 1不选用脉冲边沿触发方式。2防止将MOS器件直接连到容易发生静电放电的连接器引出端。3印刷电路上一切的回路面积应尽能够的小。.5 控制室防止产生静电的根本措施 为了防止控制室产生静电，控制室的设计应采取以下的措施：1防止静电的产生是最彻底的方法，从产生静电的机理看，应该从降低有关物体的绝缘度着手，使两物体即使摩擦也不产生或少产生静电。为此： A.坚持控制室内的相对湿度在40%-60%之间，北方地域或在枯燥的冬季，因静电产生的缺点的事例要远大于东南沿海地域或其它季节； B.铺设具有导电性能的防静电地板或地毯； C.操作人员宜穿防静电任务服； D.在控制室入口处，设置吸尘地毯，以减少静电的生成。.2操作人员应在手腕上带防静电手带，这种手带应