静电场的应用—静电屏蔽课件

静电场的应用静电屏蔽第七第七第七第七组组组长组长：罗罗文霞文霞文霞文霞组员组员：高利荣：高利荣：高利荣：高利荣 侯文攀侯文攀侯文攀侯文攀 刘刘刘刘庆庆 龙龙志勇志勇志勇志勇 孟平孟平孟平孟平 张丽张丽娜娜娜娜 1A目录静电场静电屏蔽原理静电屏蔽的分类静电屏蔽的应用静电屏蔽的意义2A静静电场：当静止当静止电荷的荷的电荷量不随荷量不随时间变化化时，由它，由它产生的生的电场也也不随不随时间变化，化，这种种电场成成为静静电场。3A静静电（static electricity)：是一种：是一种处于静止于静止状状态的的电荷。荷。静静电是一种是一种电能，它存留于物体表面，是能，它存留于物体表面，是正正负电荷在局部范荷在局部范围内失去平衡的内失去平衡的结果，果，是通是通过电子或离子的子或离子的转换而形成的。而形成的。静静电现象是象是电荷在荷在产生和消失生和消失过程中程中产生生的的电现象的象的总称。如摩擦起称。如摩擦起电、人体起、人体起电等等现象。象。4A静电场的应用：静电场广泛应用于工农业中。其主要利用静电感应,静电放电,静电屏蔽，电场力以及高压气体放电等的效应及原理，实现多种加工工艺及设备。1：工业中：静电场广泛应用于电力，机械，纺织，轻工，航空航天以及高技术领域；2：农业方面：利用高压静电场处理种子可提高产量和抗性；3：生活方面：应用于治疗，空气除尘以及厨房抽油烟机等。级5A静静电感感应：指多：指多带点体之点体之间通通过电场的相互作用，的相互作用，改改变物体的物体的电荷分布及荷分布及电位的位的现象。象。如如电容式容式传感感器就是根据静器就是根据静电感感应原理制成。原理制成。电场力的力的应用：用：电场力的力的应用广泛。用广泛。1.工工业中：静中：静电除除尘，静，静电分离，静分离，静电喷涂，砂涂，砂纸生生产等技等技术；2.农业中：利用静中：利用静电场进行无土栽培，改善种子和行无土栽培，改善种子和实物保物保鲜。我。我们所熟知的：所熟知的：电子管，子管，显像管，回旋像管，回旋加速器，静加速器，静电打印机和激光打印机等都是利用打印机和激光打印机等都是利用电场力力对带电粒子的作用而制成的。粒子的作用而制成的。6A电子工子工业中静中静电障害的形成障害的形成静静电的的产生在工生在工业生生产中是不可避免的，其造成的危害主要可中是不可避免的，其造成的危害主要可归结为以下以下两种机理：两种机理：一：一：静静电放放电（ESD）造成的危害：）造成的危害：（1）引起）引起电子子设备的故障或的故障或误动作，造成作，造成电磁干磁干扰。（2）击穿集成穿集成电路和精密的路和精密的电子元件，或者促使元件老化，降低子元件，或者促使元件老化，降低生生产成品率。成品率。（3）高）高压静静电放放电造成造成电击，危及人身安全。，危及人身安全。（4）在多易燃易爆品或粉在多易燃易爆品或粉尘、油、油雾的生的生产场所极易引起爆炸和火所极易引起爆炸和火灾。灾。二：二：静静电引力引力（ESA）造成的危害：）造成的危害：（1）电子工子工业：吸附灰：吸附灰尘，造成集成，造成集成电路和半路和半导体元件的体元件的污染，染，大大降低成品率。大大降低成品率。（2）胶片和塑料工）胶片和塑料工业：使胶片或薄膜收卷不：使胶片或薄膜收卷不齐；胶片、；胶片、CD塑塑盘沾沾染灰染灰尘，影响品，影响品质。（3）造造纸印刷工印刷工业：纸张收卷不收卷不齐，套印不准，吸，套印不准，吸污严重，甚至重，甚至纸张黏黏结，影响生，影响生产。（4）纺织工工业：造成根：造成根丝飘动、缠花断花断头、纱线纠结等危害。等危害。7A静电屏蔽原理如果将如果将导导体放在体放在电场强电场强度度为为E E外的外外的外电场电场中，中，导导体内的自由体内的自由电电子在子在电场电场力的作用下，会逆力的作用下，会逆电场电场方向运方向运动动。这样这样，导导体的体的负电负电荷荷分布在一分布在一边边，正，正电电荷分布在另一荷分布在另一边边，这这就是静就是静电电感感应现应现象。由于象。由于导导体内体内电电荷的重新分布，荷的重新分布，这这些些电电荷在与外荷在与外电场电场相反的方向形成另相反的方向形成另一一电场电场，电场强电场强度度为为E E内。根据内。根据场强场强叠加原理，叠加原理，导导体内的体内的电场强电场强度度等于等于E E外和外和E E内的叠加。当内的叠加。当导导体内部体内部总电场强总电场强度度为为零零时时，导导体内的体内的自由自由电电子不再移子不再移动动。物理学中将。物理学中将导导体中没有体中没有电电荷移荷移动动的状的状态态叫做叫做静静电电平衡平衡。处处于静于静电电平衡状平衡状态态的的导导体，内部体，内部电场强电场强度度处处为处处为零。零。由此可推知，由此可推知，处处于静于静电电平衡状平衡状态态的的导导体，体，电电荷只分布在荷只分布在导导体的外体的外表面上。如果表面上。如果这这个个导导体是中空的，当它达到静体是中空的，当它达到静电电平衡平衡时时，内部也，内部也将没有将没有电场电场。这样这样，导导体的外壳就会体的外壳就会对对它的内部起到它的内部起到“保保护护”作用，使它的内部不受外部作用，使它的内部不受外部电场电场的影响，的影响，这这种种现现象称象称为为静静电电屏蔽屏蔽。8A导体的外壳体的外壳对它的内部起到它的内部起到“保保护”作作用，使它的内部不受外部用，使它的内部不受外部电场的影响，的影响，这种种现象称象称为静静电屏蔽屏蔽。9A+导体内体内电场强度度外外电场强度度感感应电荷荷电场强度度静电平衡时导体内部电场分布10A静静电屏蔽屏蔽实验：法拉第曾法拉第曾经冒着被冒着被电击的危的危险，做了一个，做了一个闻名于世的名于世的实验法拉第法拉第笼实验。法拉。法拉第把自己关在金属第把自己关在金属笼内，当内，当笼外外发生生强大大的静的静电放放电时，他并未受到任何影响。，他并未受到任何影响。11A现象 下图为一处于静电屏蔽状态的鸟笼2024/7/2912A静静电屏蔽分屏蔽分类：1.外屏蔽外屏蔽：空腔内有：空腔内有带电体，但是在静体，但是在静电平平衡衡时导体外壳不接地。体外壳不接地。这时只能屏蔽外只能屏蔽外电场对内内电场的影响，不能屏蔽内的影响，不能屏蔽内电场对外外电场的影响。的影响。2.全屏蔽：空腔内有全屏蔽：空腔内有带电体，但是在静体，但是在静电平平衡衡时导体外壳接地。体外壳接地。这时既能屏蔽外既能屏蔽外电场对内内电场的影响，又能屏蔽内的影响，又能屏蔽内电场对外外电场的影响。的影响。13A静静电屏蔽的屏蔽的应用用为了防止外界信号的干了防止外界信号的干扰，静，静电屏蔽被广泛地屏蔽被广泛地应用科学技用科学技术工作中。例如工作中。例如电子子仪器器设备外面的金属罩，通外面的金属罩，通讯电缆外面包外面包的的铅皮等等，都是用来防止外界皮等等，都是用来防止外界电场干干扰的屏蔽措施。的屏蔽措施。高高压带电作作业(500千伏千伏带电作作业用的屏蔽服用的屏蔽服)很多很多电子子仪器器,比如示波器的接比如示波器的接线都是屏蔽都是屏蔽线汽汽车外的天外的天线有有线电视信号信号线,外面就有一外面就有一层金属金属丝,就就为了静了静电屏蔽屏蔽,使使信号不受干信号不受干扰 在服在服务区怕被人打手机区怕被人打手机,又不能关机又不能关机,找个金属盒子装找个金属盒子装进去去,就就变成了成了您您拨打的用打的用户不在服不在服务区区14A日常生活中的静日常生活中的静电屏蔽屏蔽:很多家用很多家用电器都套有金属外套，如功放机、器都套有金属外套，如功放机、DVD机等。有机等。有线电视的信号的信号线的的铜芯外就包有一芯外就包有一层金属网，金属网，这层金属网可以屏蔽掉干金属网可以屏蔽掉干扰信号，因此有信号，因此有线电视的画面比的画面比较清晰、声音比清晰、声音比较清楚。清楚。15A屏蔽装置屏蔽装置在工程技在工程技术中，如果需要屏蔽的区中，如果需要屏蔽的区域域较大，大，还可采用金属屏蔽网可采用金属屏蔽网,也有良好也有良好的屏蔽效果。在的屏蔽效果。在电子子仪器中器中,为了免受静了免受静电干干扰，常利用接地的，常利用接地的仪器金属外壳作器金属外壳作屏蔽装置。屏蔽装置。电测量量仪器中的某些器中的某些联接接线的的导线绝缘外面包有一外面包有一层金属金属丝网做网做为屏蔽。某些用途的屏蔽。某些用途的电源源变压器中，常在器中，常在初初级绕组与次与次级绕组之之间放置一不放置一不闭合合的金属薄片作的金属薄片作为屏蔽装置。屏蔽装置。16A屏蔽屏蔽产品品 如屏蔽袋、如屏蔽袋、导电袋、有盖的周袋、有盖的周转箱箱,静静电屏蔽服等，利用法拉第杯静屏蔽服等，利用法拉第杯静电屏蔽原理，保屏蔽原理，保护内装物品。内装物品。17A屏蔽袋屏蔽线屏蔽服18A电子装子装备生生产过程中消除静程中消除静电的途径的途径静静电的控制的控制：工工艺控制法目的是在生控制法目的是在生产过程中尽量少地程中尽量少地产生静生静电荷。荷。泄露法泄露法 目的是使静目的是使静电荷通荷通过泄露达到消除。泄露达到消除。静静电屏蔽法采用接地的屏蔽罩把屏蔽法采用接地的屏蔽罩把带电体与其它物体隔体与其它物体隔离开，离开，这样带电体的体的电场将不影响周将不影响周围其它物体，其它物体，这种种屏蔽方法叫内屏蔽方法叫内场屏蔽。有屏蔽。有时也用接地的屏蔽罩把被隔离也用接地的屏蔽罩把被隔离物体包物体包围起来使被隔离物免受外界起来使被隔离物免受外界电场的影响，的影响，这种屏种屏蔽方法叫外蔽方法叫外场屏蔽。屏蔽。复合中和法及其它通复合中和法及其它通过复合中和法来达到静复合中和法来达到静电荷的消荷的消除。除。19A防静防静电屏蔽材料屏蔽材料 的的详细介介绍 适用于适用于PCB(印制印制电路板路板)、IC 等静等静电敏感敏感类高高科技科技电子子产品的运品的运输与包装。具有防静与包装。具有防静电功能。防功能。防静静电屏蔽材料内外屏蔽材料内外层由透明的防静由透明的防静电材料构成，中材料构成，中间为半透明的半透明的导电金属金属层，因而具有良好的防静，因而具有良好的防静电、静静电屏蔽性能，外屏蔽性能，外观银灰色、半透明，可透灰色、半透明，可透视被包被包装物。广泛装物。广泛应用于用于电脑主板、声卡、主板、声卡、显卡等静卡等静电敏敏感的感的电子子产品的包装；品的包装；主要技主要技术参数：常参数：常规厚度：厚度：3mil(【电】密耳密耳(千分之一英寸千分之一英寸)；表面；表面电阻率：内阻率：内层，10的的5次方至次方至10的的11次方；金属次方；金属层，小于，小于50欧姆；外欧姆；外层，小于等，小于等于于10的的11次方；静次方；静电屏蔽：小于等于屏蔽：小于等于30V；电磁干磁干扰衰减：大于等于衰减：大于等于10db。20AIC:即集成即集成电路路是采用半是采用半导体制作工体制作工艺，在一在一块较小的小的单晶硅片晶硅片上制作上上制作上许多晶体管多晶体管及及电阻器阻器、电容器等容器等元器件元器件，并按照多，并按照多层布布线或遂道布或遂道布线的方法将元器件的方法将元器件组合成完整的合成完整的电子子电路。它在路。它在电路中用字母路中用字母“IC”（也有（也有用文字符号用文字符号“N”等）表示。等）表示。21A目前国目前国际上有关静上有关静电屏蔽性能屏蔽性能测试的的标准方准方法有法有：1.美国美国电子工子工业协会会标准准EIA-541 2.英国英国标准准BS7560 这些方法些方法归纳起来可分起来可分为电容放容放电法和双极法和双极性高性高压脉冲放脉冲放电法。法。22A电容放容放电法法:此方法是美国此方法是美国电子工子工业协会会标准准EIA541 推推荐的荐的测试方法方法,其原理是其原理是给200pF电容充上容充上1 V的的电压,电容容传感器探感器探头置于材料包装袋内置于材料包装袋内,其中心其中心约在在试验袋开口端内袋开口端内侧50mm处,并将它并将它们放置在放置在试验装置的上下金属装置的上下金属电极之极之间,电容充容充电后后,利用利用转换开开关关经由一个由一个400K的的电阻通阻通过被被测材料放材料放电,将探将探头上感上感应的的电压信号引人到信号引人到测量量仪器。器。该测试方法操作方法操作简单,能能够比比较客客观地反映地反映材料的屏蔽性能。典型材料的屏蔽性能。典型测试装置装置为美国生美国生产的的ACL-500型静型静电屏蔽屏蔽测试表。表。23A双极性高双极性高压脉冲放脉冲放电法：法：此方法此方法为英国英国标准准BS7506推荐的材料屏蔽性能推荐的材料屏蔽性能测试方方法。此方法将具有法。此方法将具有对称峰称峰值幅度和脉冲波形的高幅度和脉冲波形的高压电场脉冲脉冲对一一规定定宽度的材料放度的材料放电。位于被。位于被试样品品层另一另一侧的的传感器感器,将所将所测得的信号送到信号得的信号送到信号处理理电路。此路。此测试系系统比比较复复杂,所所测试样品品为一个一个试样层,而不是而不是试样袋。袋。虽然此法中采用然此法中采用了正了正负脉冲放脉冲放电,但它是以同步、同幅度、同脉冲波形的放但它是以同步、同幅度、同脉冲波形的放电,其目的是其目的是为了解决了解决单极性放极性放电时在在试样层上存在上存在净电荷荷的的问题,而不是真正用来而不是真正用来检测不同放不同放电极性下的屏蔽性能。极性下的屏蔽性能。此法的最大此法的最大优点是它把所点是它把所测信号信号经过信号信号处理理电路后路后分成了分成了9个个频段段,且能把每个且能把每个频段感段感应的信号峰的信号峰值保留下来保留下来,便于分析材料便于分析材料对于各个于各个频段信号的屏蔽性能。段信号的屏蔽性能。24A阻隔材料静电屏蔽性能测试方法25A1.实验方法与方法与实验装置装置 该项研究采用美国电子工业协会标准EIA-541规定的电容放电方法。实验装置采用自制的屏蔽性能测试装置和美制ACL-500型仪器并进行对比实验。图1 为自制装置的电容探头的结构,图2为电容放电测试法原理图。26A27A28A 电容探头具有高的阻抗(高于10M)和低的电容(5pF或更小),电容探头是镶在一块绝缘材料上厚1.5mm的金属板。实验装置包括上部一块 38mm的金属接触板和一块用以支承被试样品与电容探头的适当尺寸的接地金属板。置电容探头于试验袋内,其中心约在试验袋开口内侧50mm处,将它们放置在实验装置的上下金属板之间。试验电压1 V,使电容器(200pF)充电,然后利用转换开关经由电阻器(400K)对被试材料放电,用美制TDS-680B;数字存储示波器通过电容探头记录下试验袋内感应的电压波形,从波形上测量其感应的峰值电压。29A 被测试样由中国兵器工业总公司140厂阻隔材料包装袋生产分厂提供,共5 种试样(A.B.C.D.E)。此外,试样C按三个不同尺寸(100mm150mm ，150mm200mm，250mm300mm)实验研究。30A 2.实验结果与分析果与分析 2.1自制实验装置在金属基板接地和不接地情况下的实验结果 表表1 为实验结果。可以看出,自制实验装置在实验基板接地与不接地的情况下,试样内感应的电压差别很大。其原因是由于试验基板接地造成的影响。分析如下：31A32A 自制实验装置在试验基板不接地的情况下所测得的实验结果与美制ACL-500静电屏蔽表所测得的结果基本一致,这说明自制实验装置可用于阻隔材料的屏蔽性能测试。33A34A 由图3 ，图4,可以看出,两种情况下试样内感应的峰值电压相差近150v,且从波形上明显看出,在试验基板接地时,干扰信号较大。35A2.2同种阻隔材料不同尺寸的同种阻隔材料不同尺寸的试样其感其感应电压测 试结果果 表2为测试结果。由表2可以看出,只要电容探头离袋口的距离不变,试样内感应的电压与试样尺寸大小稍有变化,但变化不大。而美军标MIL-B-81705C及国军标GJB2605-96中规定的试样尺寸均为100mm 150mm，在实际应用过程中可以适当放宽对试样尺寸的要求,且不至于引起较大的测试误差。36A37A3.实验结论 3.1 3.1 在在测试过程中程中,为了克服因放了克服因放电时在地在地线上感上感应的信号引入到的信号引入到测试系系统中中,保保证测试结果的果的准确性准确性,金属基板与示波器及放金属基板与示波器及放电电源不能向源不能向时接接地。同地。同时,为了保了保证所所测试的的结果具有可比性果具有可比性,必必须保持保持电容探容探头离离试样袋口相等的距离。袋口相等的距离。38A3.2 实验中发现,试样尺寸大小对测试结果影响不太明显。也就是说,在阻隔材料屏蔽性能测试中,可以适当放宽美军标MIL-B-81705C及国军标GJB2605-96中规定的试样尺寸的要求,提高军标的可操作性。39A静静电屏蔽的意屏蔽的意义实际意意义：屏蔽使金属：屏蔽使金属导体壳内的体壳内的仪器器或工作或工作环境不受外部境不受外部电场影响，也不影响，也不对外部外部电场产生影响。生影响。理理论意意义：间接接验证库仑定律。定律。40A课题总结1 加深对静电场应用的了解2 拓宽对静电屏蔽及其应用的认识3 了解放静屏蔽的材料测试方法41A参考文献1.军械工程学院学报-阻隔材料静电屏蔽性能测试方法的实验研究(谭志良 刘尚合 陈砚桥 张卫平)2.科协论坛下半月2010年第12期3.静电屏蔽的原理级应用课件-段小庆4.电子元件技术网-静电屏蔽原理、静电屏蔽的意义、静电屏蔽的应用5.电磁场与电磁波杨儒贵 第二版42A谢谢观赏43A