静电的产生及静电放电

二、静电的产生及静电放电

通常我们知道摩擦能起电，例如干燥天气下，塑料梳子梳理头发以后，梳子能吸起细小纸片，这就有了静电。那么为什么会产生静电呢?或者说产生静电的机理是什么?静电产生的机理有多种解释。例如有双电层和接触电位差、静电感应等说法。

(一)静电产生的机理

1.双电层和接触电位差

上述的实例一是由于摩擦产生的静电，两种不同物质发生摩擦可以产生静电。但摩擦不是产生静电的唯一方法，两种物质紧密接触后再分离、物质受压或受热、物质发生电解以及受到其他带电体的感应等，均可能产生静电。

平时，物质的正电荷与负电荷是平衡的，呈现中性，没有带电;当电荷发生转移时，使正负电荷不平衡了，物质成为带电体。

两种物质相接触时，由于某物质的原子中外层电子所处能级不同，或者说该电子被捕获的能力不同，此时会发生电子的转移，在接触面的两面会出现电荷量相等电性不同的电荷，在界面上形成了两层电荷，这就是所谓双电层。其间的电位差就是接触电位差。只有当两种物质紧密接触的间距小于25×10^－8 cm时，才会出现双电层和接触电位差。

物质包括固体、液体或气体。

有实验表明金属与绝缘材料紧密接触时，接触界面上电荷密度约为10^－9～10^－8C/cm²。

按照两个物质接触后的双电层的解释，双电层两边电荷的极性，把带正电的物质排在前面，带负电的排在后面，各种物质可以排列起来，称为静电序列或静电起电序列。试验表明，如果试验条件不同(例如纯度、环境条件、接触的压力、摩擦和分离的速度、发生摩擦时的接触面积等)，结果不完全一致;不同试验者使用不同的材料，得出稍有不同的结果。如表2－15所示。

即使同一种材料，将其两片摩擦后分离，同样可以产生静电。生活中的例子，如塑料薄片压紧后分离会产生静电。

表2－15　典型静电序列

注:各序列中两种物质摩擦时，位于上面的物质带正电，位于下面的物质带负电

2.静电感应

导体在静电场中，不带电的导体在其表面不同部位，可以感应出不同的电荷或者可以使原有的电荷重新分布，称为静电感应。静电感应强弱与电场的强弱及变化速度、被感应导体的大小以及位置等因素有关。

(二)静电产生方式

1.接触分离起电

任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电。当两个不同的物体相互接触时就会使得一个物体失去一些电荷如电子转移到另一个物体使其带正电，而另一个得到一些剩余电子的物体带负电。若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上静电，所以物体与其他物体接触后分离就会带上静电。

2.摩擦起电

实质上摩擦起电是一种接触又分离所造成正负电荷不平衡的过程。摩擦是一个不断接触与分离的过程。因此摩接起电实质上是接触分离起电，而产生静电的最普通方法，就是摩擦生电。材料的绝缘性越好，越容易产生摩擦生电。

摩擦起电是一个机械过程，依靠相对表面移动传送电量。传送的电量取决于接触的次数、表面粗糙度、湿度、接触压力、摩擦物质的摩擦特性以及相对运动速度。一个人或一辆车所带电量产生的与地之间的电压值很大程度上由它们的电容决定。

表2－16列出了一些情况下产生静电电压的大小。

表2－16　典型静电电压

静电出现在物体的表面，而不是物体的内部。由此，绝缘体中的电荷仅保持在产生静电的那些区域，而不会出现在整个表面。因而，绝缘体的接地点不在那些区域时，那些区域上的电荷不会失去。与绝缘体相反，充电导体接地会失去自身电荷。

接触分离起电和摩擦起电有时统称为摩擦起电。

3.感应起电

针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如将其置于一电场中，由于同性相斥，异性相吸，正负离子就会转移，出现电荷重新分布，称为感应起电。

由于静电感应和感应起电，可能在导体或人体上产生很高的电压，可能导致火花放电的危害性。这一危害往往容易被人们疏忽。

表面静电感应电荷Q_S可以用公式2－52表示

这个感应电荷与带电体的总电荷相比虽然比较小，但在一般情况下都不应忽略，而且电位也会因受静电感应而上升，有时也可达数十千伏(U= Q/C)。

在生产、测量等实际过程中，不难找到静电起电的例子。纤维在电场中带电就是感应起电的一例。棉花纤维在均匀电场作用下，由于极化作用，其两端出现电量相等极性相反的电荷也是这种情况。

4.传导起电

对于导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如果与带电物体接触，将发生电荷转移。

(三)静电放电(ESD，Electro Static Discharge)

静电放电(ESD，Electro Static Discharge)是两个具有不同静电电位的物体，由于直接接触或静电场感应引起两物体间的静电电荷的转移。

1.静电放电的形式

当物体处在静电场中时，会感应到静电。静电荷在一定条件下会发生转移，即静电放电。静电放电有两种形式。其一，若该物体与地短接，将引起对地的放电，形成放电电流。其二，当静电电场的能量达到一定程度后，击穿其间介质也产生放电的现象。例如，当人体(在最坏情况下，手持一个金属物，例如一把钥匙)接近一导电物体时，如果气隙上的电压梯度足够高而使气隙击穿，则人体电荷将通过电火花转移到那个物体上。这两种形式都是静电放电，从而高速传送足够的电量。这个高速电量的传送过程即为ESD。在这个过程中，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场。电介质被击穿后，静电电荷会很快泄放得到平衡。这种电荷的快速中和，由于在很小的电阻上快速泄放电压，泄放电流会很大，可能超过20A，如果这种放电通过集成电路或其他静电敏感元件进行，这么大的电流将对设计为仅导通微安或毫安级电流的电路造成严重损害。ESD产生强大的尖峰脉冲电流，这种电流中包含丰富的高频成分，其上限频率可以超过1GHz，取决于电平、相对湿度、靠近速度和放电物体的形状。在这个频率上，典型的设备电缆甚至印制板上的走线会变成非常有效的接收天线。因而，对于典型的模拟或数字电子设备，ESD倾向于感应出高电平的噪声，它会导致电子设备严重损坏或操作失常。

当距ESD位置的距离较近时，无论是电场还是磁场都是很强的。因此在ESD位置附近的电路一般会受到影响。图2－63示出了一个4kV静电放电在不同距离上产生的电磁场。

图2－63　ESD产生的电磁场

2.静电放电对电路的干扰机理

ESD对电路的干扰有两种机理:一种是静电放电电流直接流过电路，对电路造成损坏;另一种是静电放电电流产生的电磁场通过电容耦合，电感耦合或空间辐射耦合等途径对电路造成干扰。

ESD电流产生的场可以直接穿透设备，或通过孔洞、缝隙、通风孔、输入输出电缆等耦合到敏感电路。当ESD电流在系统内部流动时，它们激发路径中所经过的天线，这些天线的发射效率主要依赖于尺寸。ESD脉冲所导致的辐射波长从几厘米到数百米，这些辐射能量产生的电磁噪声将损坏电子设备或骚扰它们的运行。ESD对电路工作影响的机理可参见图2－64。

图2－64　ESD对电路工作影响的机理

3.静电放电干扰耦合路径

产生的几十安的亚纳秒瞬态放电电流沿着复杂的路径流经设备再到地，如果它流经电路布线，则很可能要干扰数字电路运行。放电电流更多的是经过分布电容、机壳连接、走线或电缆电感等路径，而非设计者预期设计的电路。由放电电流产生的强磁场能够在附近导体内感应产生瞬态电压，而这些导体并不在放电电流的路径内。即使不直接对设备放电，对邻近物体的放电(如对金属的桌子或椅子)也将产生很强的辐射场，这一辐射场可以耦合进无防护措施的设备。

能够作为ESD放电吸收点的关键区域包括外露的金属制品、孔隙、前面板元件及连接器等。即使机壳本身是绝缘的，元件及孔隙仍然可以容许经过放电表面与机壳内部电路之间的漏电产生放电。

耦合路径见图2－65。

图2－65　ESD耦合路径

(四)ESD的模型

为了深入研究并防护ESD，通过长期大量的观测，实验研究已经总结出许多ESD产生危害的模型，其中，最常用的3种ESD模型如下所述。

(1)人体模型

1)人体模型概述人体模型即指将“人体——绝缘材料——大地”等效成一个电容器，来研究当人体活动时身体和衣服之间摩擦产生的摩擦电荷以及人体产生的静电电压的大小。人在活动过程中，人的衣服、鞋以及所携带的工具与其他材料摩擦或接触—分离时，可能产生静电。人在脱衣(指合成纤维及毛料)或经头部脱下毛衣时，在衣服之间或衣服与人之间均可能发生放电。若人和椅子的对地绝缘都很高，则“人体——绝缘材料——大地”构成的电容器的电容量C很小，根据U= Q/C的关系式，由于衣服与椅面之间的摩擦和接触——分离使人体带静电Q，则人体与地之间的静电电压U可高达10 000V以上。

经验表明，人在合成纤维的地毯上行走，通过鞋子与地毯的摩擦，只要行走几步，人体上积累的电荷就可以达到10^－6 C以上(这取决于鞋子与地毯之间的电阻)，在“人——地毯——大地”系统里的平均电容约为几十至上百皮法，可能产生的电压要达15kV。

人在活动过程中，衣服与衣服之间也因摩擦而产生静电，但所产生的静电电荷是相反的，脱衣之前一般不显示出来。脱衣时由于摩擦和接触——分离，静电电压可高达数万伏。

对于静电来说，人体相当于良导体。因此，人体在静电场中，或者在静电电荷的作用下会感应起电，甚至成为独立的带电体。

如果空间存在着带电微粒，如带电的水珠或其他离子，并为该空间的人体所吸附，人体也能带电。

由于人体对于静电来说是导体，而在达到静电平衡时，导体是等位体。因此，人体某一部位带电部将造成全身带电。

当人体静电电压为2 000V、人体对地电容为200pF时，放电火花的能量W为:

W=(1/2) CU²=(1/2)200×10^－12×2 000²= 0.4(mJ)

这个能量是足以引燃爆炸性混合物。

2)人体电容人体电容是指人体与大地之间的电容。人体的表面积大概相当于直径1m的球体，因此人体的电容大约为250pF。

人体电容值范围很宽，从100～4 000pF，典型值是在50～250pF。有将近80%的人体其电容值为100pF，或更小。

人体电容C _B可近似用经验公式2－53表示:

上式由两部分组成，第一项中，设人体最大高度为2.2m，算得的电容量约120pF;第二项中，由于不同的鞋底尺寸和材料，算得的电容量约110pF，二者合计为230pF，可取为250pF。

在潮湿条件下，若穿皮鞋，其电容量则很大，可达1.16μF，尽管电容量很大，但并联等效电阻很小，不会积累电荷，不致产生静电危害。

3)人体电阻

人体电阻是非线性的，并与测试方法及测试条件有关，其值在1 500～300 000Ω之间，推荐值为1 500Ω，典型值为1 000～5 000Ω。实测的数据可见表2－17。

影响人体电阻的因素有皮肤表面水分、盐和油、皮肤接触面积和压力等。

表2－17　人体电阻实测例子

4)模型

人体是损坏器件的主要静电放电(ESD)源。对人体进行静电放电试验的电路称人体带电模型，由一个电容和一个电阻串联组成。其中电容是“人体——绝缘材料——大地”等效电容器的电容，电阻是人体所具有的电阻。标准推荐100pF、1 500Ω的人体模型试验电路认为对元器件静电放电(ESD)敏感度试验是合理的。

人体的放电模型是LCR串联网络。电感常常被忽略，但电感值决定了放电电流的上升时间。R的范围是500Ω～10kΩ。取决于人体的哪一部分放电。手指放电，R约为10kΩ，手掌约为1kΩ，若用手握住金属体，约为500Ω。

当人们手持ESD敏感的装置而不先泄放电荷到地，摩擦电荷将会移向ESD敏感的装置而造成损坏。

人体静电的极性与衣服等因素有关，符合静电序列的规律。两种材料在静电序列中的位置相隔越远，产生静电越多。

人体活动速度越快，人体静电电压也越高。如人穿塑料底的鞋在橡胶地面上快走时，静电电压高达2 500V，而慢走时只有800V。

地面电阻、鞋的电阻以及衣服的电阻对人体静电的影响很大。电阻越大，静电衰减越慢，积累的电荷越多，静电压也越高。空气温度与相对湿度对静电产生影响很大。相对湿度低，产生静电危险性越大。人体静电电压受人体对地电容的影响，二者大体上保持反比关系。由于人体对地电容的60%是脚底对地电容，所以单脚站立与双脚站立地面时对地电容相差很大。单脚站立时的人体电压远远大于双脚站立时的人体电压。

关于人体充电最高电压，若人体绝缘良好，一般充电电压高达20 000V时鞋不致击穿。但有的文献介绍，人体充电电压可高达39 000V。一般可以认为人体充电电压最高不至超过25 000V。

(2)微电子器件带电模型

即指这些ESD敏感的装置，尤其对塑料件，在自动化生产过程中会产生摩擦电荷。而这些摩擦电荷通过低电阻的线路非常迅速地泄放到高度导电的牢固接地表面，因产生大电流而造成损坏，或者通过感应使ESD敏感的装置的金属部分带电而造成损坏。

(3)场感类模型

即有强电场围绕，这可能来之于塑性材料或人的衣服，会发生电子转化跨过氧化层。若电位差超过氧化层的介电常数，则会产生电弧以破坏氧化层，其结果为短路。MOS型管的击穿就是场感类模型的代表。