仪表的防静电技术

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,仪表的防静电技术,1,1 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。,2,人体上带不同的静电电压时，静电放电的电流波形,t/ns,I/A,50A,100ns,U,0,=40kV,3,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。,4,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。,5,2）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。,6,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,7,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。,8,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,1.2,0.9,11.7,14.7,1.5,1.8,维尼纶55%、棉45%,0.6,4.5,12.3,12.3,4.8,0.3,聚酯65%、人造丝35%,4.2,8.4,19.2,17.1,4.8,1.2,聚酯65%、棉45%,14.1,15.3,12.3,7.5,14.7,13.8,9,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。,10,因塑料地面或盛器产生的静电电压测量值,11,几点基本概念,1),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。,12,2 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,。,13,人体的电容和电阻,50pF100pF,100pF,50pF,50010k,14,一个人体在,自由空间中的电容,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）。,如果,人体接近墙壁,等周围的某些物体，还会增加,50Pf100Pf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50Pf250Pf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）。,15,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。,若手指尖放电，人体电阻约为10,000；,若手掌放电，人体电阻约为1,000；,若在手持的金属物体上放电，人体电阻约为500；,若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，影响人体电阻的因素还有皮肤表面的水分、,盐和油、皮肤接触面积和压力等。,16,人体静电放电模型,C,R,L,V,17,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。,18,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 61000-4-2,150,300,8,000(最大),4.8,公司A,250,1,000,20,000,50,公司B,150,500,20,000,30,公司C,50,10,000,20,000,10,公司D,300,500,15,000,33.8,公司E,350,100,15,000,39.4,公司F,100,500,10,000,5.0,19,目前，最常用的静电模型来自IEC 61000-4-2：,1995，电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验,（即GB/T 17626.2-1998）。,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试验方法，空气放电则用在不能,使用接触放电的场合中。,20,静电放电的试验等级,接触放电,空气放电,等级,试验电压kV,等 级,试验电压kV,1,2,1,2,2,4,2,4,3,6,3,8,4,8,4,15,21,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,0.1H。,22,典型的静电放电电流波形,40A,t,上升沿,时间,1ns,下降沿,时间,100ns,I,23,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。,24,3 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。,25,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1M,，最小,接地阻抗为250k。,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。,26,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，它可表,示为：,=,式中：材料的介电常数；,材料的,表面电阻率,（/m,2,）。,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）。,27,材料的介电常数,:,PC(聚碳酸酯) =3.17,其它材料=2-11,相差的倍数有限；,而不同材料的,表面电阻率,大小要差10,10,倍。,所以起主要作用的是,表面电阻率。,28,不同类型材料的表面电阻率,材 料,表面电阻率（/m,2,）,静电,导电,010,5,静电,耗散,10,5,10,9,抗静电,10,9, 10,14,静电,非导体,10,14,29,使用接地方式很容易将表面电阻率小于10,5,/m,2,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。,30,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10,12,/m,2,。,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,。,31,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,。,32,目前，仪表常用的面板材料是：,材料名称,表面电阻率,（/m,2,）,主要性能,数据来源,PC（聚碳酸酯）,10,14,-10,15,机械性能佳,德国巴尔,PA（尼龙6）,10,14,化学,稳定性好,德国巴士夫,PA（尼龙66）,10,10,-10,13,化学,稳定性好,德国巴尔,33,由上可知，PA（尼龙）的防静电性能要优于PC（聚碳酸酯）。,为了综和考虑，可以采取如下措施：,1）在原材料中加防静电的,添加剂,；,2）在仪表面板上,涂表面涂层,，使表面电阻率符合要求。,34,4 产品设计中的静电保护,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，主要是通过能量的,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,体或物质的燃烧爆炸；也可以使微电子器件、电磁敏感电路,过热，造成局部热损伤，使电路性能变坏或失效。,35,2）,电容性耦合,。指的是静电放电电流对敏感电路附近的金属,物体或电路放电时,通过放电产生的电场耦合到敏感电路中去,。,静电危害源形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，造成电路失效，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。,36,3）,电感性耦合,。指的是静电放电在设备的金属外壳等导,电材料中引起的强电流可形成,磁场耦合,，其放电能量虽然,不大，但,瞬间的功率十分巨大,，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材料的选择都提,出了苛刻的要求。,37,4）,电磁场耦合,。静电放电引起的射频干扰，对信息化设备,造成电噪声、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造成硬损伤或软损,伤，既可以造成器件或电路的性能参数劣化或完全失效，,也可以形成累积效应，埋下潜在的危害，使电路或设备的,可靠性降低。,38,由于静电放电产生的,效应,，可以分成三类：,1）,硬损伤,。即已造成硬件的实际损坏。,2）,软损伤,。对系统的正常运行有影响，但不会使系统产生物,理上的损坏。譬如使存储位的改变和程序进入死循环等。,3）,短暂状态异常,。没有产生任何错误，但能明显地感觉得到。,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应当有一定的静电抗扰度而不遭损坏（硬,损伤），通常也不会产生软损伤。一般情况下，短暂状态异常是可,以接受的。,39,防止控制系统和电路不受静电放电的干扰和破坏的基本方,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路径（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）,保护敏感电路,，以阻止由放电产生的磁场的进入。,40,4.1 金属火花吸收器的抗静电应用,在设计键盘和控制面板时应当遵循这样一条原则：,静电放电电流,能够直接到地，而不会流过敏感的电路或器件。,若是使用绝缘键盘，那么可以在在键盘与电路之间使用,金属火花,吸收器,，为ESD电流提供可选择的泄放路径。,如下图所示，金属火花吸收器安装在绝缘面板的后面，而且金属,火花吸收器应当接地到机壳或机架的保护地上，,绝不能接到工作地上,。,41,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,42,4.2 印刷线路板上的保护环,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原因。为此，可,沿电路板的边缘设计一,个保护环，并将该保护环接地。,当操作人员手拿电路板时，,可以将人体上的电荷通过保护环释放到接地装置上去。,电路板接入系统后，保护环仍然起到保护它的作用。若,有带电的人或物体靠近电路板，任何产生的放电都有可能是,向接地的保护环，而不是向着电路板上的电路。,43,印刷线路板上的保护环,保护环,接保护地,44,4.3 采用金属屏蔽体,电路,静电放电,45,用一个,接地金属盒,完全罩在一个电路上，并使两者之间,相互分离，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，只要金属盒能够将,电路完全屏蔽，电路就不会损坏。,如果金属屏蔽盒不连续或有孔洞，在金属屏蔽盒的表面,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,电容形成的电压，会在电路中产生新的电压。这样也许会影,响电路的正常工作，所以,要尽可能地完全将电路屏蔽,。,46,4.4 对电缆接插件静电放电的干扰及其对策,目前一般设备的外接电缆接插件经常使用金属外壳的插座，,由于这种插座经常被人体所接触，所以也经常会通过插座对其,附近的元器件造成静电放电干扰。,相应的措施是，,在固定插座时要注意让其金属外壳与地有良,好的导电性能。,使用螺钉固定时要注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。,47,4.5 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）,避免将MOS器件直接连到容易发生静电放电的连,接器引出端,。,3）印刷电路上所有的,回路面积应尽可能的小,。,48,5 控制室防止产生静电的基本措施,为了防止控制室产生静电，控制室的设计应采取下列的措施：,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.保持控制室内的相对湿度在40%-60%之间，北方地区或在干燥的冬季，因静电产生的故障的事例要远大于东南沿海地区或其它季节；,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工作服；,D.在控制室入口处，设置吸尘地毯，以减少静电的生成。,49,2）操作人员应在手腕上带防静电手带，这种手带应有良好的,接地性能。,3）控制柜以及电缆的屏蔽层都必须保持良好的接地。一般，,凡作保护接地的机柜，均可认为已作了静电接地。,50,6 控制系统静电放电抗扰度的试验,控制系统的下列部件需进行静电放电抗扰度试验：,1）系统整体机柜或者单个底座（机笼）；,2）各类卡件；,3）上位机（工控机）；,4）电源或配电箱；,5）端子板或接线排；,6）通讯线（网线）；,7）信号线等。,51,所考虑的试验点包括：,1）与地绝缘的金属外壳；,2）与操作人员容易接触的区域；,3）指示器、发光二极管、缝隙、栅格等。,52,静电放电的试验布局,53,整个试验装置如下图所示。试验时，放电枪的接地电缆,要与被试设备至少保持20cm的距离，以避免感应影响试验结,果。试验速度1次/s，每一个放电点至少放电10次。直接放电,试验应包括在使用中可能接触到的任何地方。,依据IEC标准，控制系统的防静电抗扰度应达到：,空气放电为3级,接触放电为2级.,在试验期间，允许性能降低，但实际工作状态或存储的,数据不允许改变。,54,7 结束语,从1984年M.Honda首先指出间接静电放电是一种新的电,磁干扰源，能对电子设备造成严重威胁，至今已有二十多年,了。,静电的累积以及随后的放电问题，由于不可控制的环境,条件以及微电子器件的广泛应用而变得更加令人关切。,1989年5月3日欧共体颁布了关于协调成员国有关电磁,兼容法律的理事会指令，将EMC作为防护目标。这一指令,于1992年11月9日被转成德国法律设备电磁兼容法。,1995年8月30日修订了该法律，违反了电磁兼容法将被视为,犯罪。1991年，在美国政府工作报告（AD-A243367）中已把,静电放电和十多种电磁危害源综合考虑为电磁环境效应,（Electromagnetic Environment Effect),简称E,3,问题。由,此足见提高电子产品的电磁兼容性的重要性。,55,设备性能的任何一项性能指标的提,高，都必须在产品的设计阶段予以考虑。,谢谢大家,56,