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儀表的防靜電技術

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儀表的防靜電技術
備注：

1 概述 
    物體的靜電的起電--放電（ESD）一般具有高電位、強電
場和寬帶電磁干擾等特點。

與常規電能量相比，靜電能量雖然比較小，但瞬間的功率
十分巨大。

不僅有瞬間大電流集中傳輸，導致易燃易爆物質的燃燒爆
炸，而且還會形成強電磁脈沖，產生頻譜很寬的電磁輻射場，
對微電子設備造成電磁干擾和浪涌效應。

在靜電起電--放電的過程中，ESD參數是不可控的，是一
種難于重復的隨機過程，因此，他的作用往往被人們所忽視。
人體上帶不同的靜電電壓時，靜電放電的電流波形

t/ns
I/A
50A
100ns
U0=40kV
    從圖中可以看出，靜電放電過程，其峰值電流可達數十
安培，實驗室利用ESD模擬器和電流靶可以觀測到數百安培
的靜電放電電流，其電磁輻射場可在附近導線上感應出數百
伏乃至上千伏的電壓。

由于微電子技術的發展和廣泛應用,靜電防護工程研究
逐漸由原來重點研究靜電放電引起燃燒爆炸之類災害事故的
防護,轉向重點研究靜電放電輻射場引發的電磁干擾及相關
危害。

靜電放電（包括接觸放電和空氣放電）對電路的干擾以及對
元器件影響，特別是對場效應器件（CMOS電路）造成的破壞，越
來越引起人們的重視。因而控制系統的靜電抗擾度便成了一項重
要的電磁兼容性（EMC）指標。
 產生靜電的原因大致有二 ：
 1）靜電感應

如果一個帶電體靠近一個中性導體，那么靜電場會使
中性導體上處于平衡狀態的電荷分離。在距離帶電體最近的
導體表面上出現與帶電體上電荷極性相反的電荷，而在距離
帶電體最遠的導體表面上出現與帶電體上電荷極性相同的電
荷。如雷雨云底部分布著大量的電荷，它們產生靜電場，在
雷雨云所覆蓋的地面和各類導體上便會感應出與雷雨云底部
電荷相反符號的電荷。
2）摩擦起電

兩種物體互相摩擦時。由于電子和離子的親和性不同，
會在兩個物體間引起電子和離子的移動，形成一方帶正電
荷，一方帶負電荷，當兩物體分開時，會使一部分的正電荷
與負電荷再度結合，但最后殘留一部分電荷。殘留電荷量
大，則靜電量也愈大，這種殘留的電荷由該物體的絕緣性決
定。
 物體帶電順序表 電子的移動方向
			
帶正電荷側	玻璃	云母	尼龍	羊毛	人造絲	絹	人體皮膚	丙烯	棉布	鋁	紙	麻	琥珀	鐵、銅、鎳	橡膠	金	滌綸	賽璐珞	聚四氟乙烯	帶負電荷側
    當兩種材料發生接觸時，電子將從順序表中位于左
側的材料轉移到順序表中位于右側的材料上。可以按此
來判斷兩個物體摩擦時，它們帶電的極性，還可以大致估計所帶電荷程度的大小，即順序表中相隔愈開的兩種材料摩擦，產生電荷的程度就愈大。

產生電荷的數量不僅與順序表中材料的位置有關，而且還和材料的表面清潔度、接觸的壓力、摩擦數量、接觸面積的大小、表面光滑度以及分離速度等因素有關。同類材料在經過接觸、分離后也能產生電荷。一個最明顯的例子就是塑料袋，在打開時能顯而易見地感覺到靜電的存在。	
質地不同的工作服和內衣摩擦時人體帶電電壓（kV）
工作服	內    衣	內    衣	內    衣	內    衣	內    衣	內    衣
工作服	棉紗	毛	丙烯	聚酯	尼龍	維棉
純棉
	1.2	0.9	11.7	14.7	1.5	1.8
維尼綸55%、棉45%
	0.6	4.5	12.3	12.3	4.8	0.3
聚酯65%、人造絲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
    工作服和內衣摩擦時發生的靜電是人體帶電的主要原

因，質地不同的工作服和內衣摩擦時人體帶電電壓如表所示。

人體各部位所帶的靜電是不均勻的，一般認為以手腕側的電位

最高。
因塑料地面或盛器產生的靜電電壓測量值
	普通值（kV）	最大值（kV）

在毛毯上行走的人	12	39
在聚氯乙烯地板上行走的人
	4	13
在工作臺面前的人
	0.5	3
放在塑料箱內的器件
	3.5	12
放在塑料管內的器件	0.5	3
幾點基本概念
    1) 靜電是一種發生在材料表面上的現象。電荷存在于材料
的表面上，而不是材料的內部。

2) 絕緣體上的電荷只能保持在產生它的區域，并不會分布在
材料的整個表面上。正因為如此，絕緣體的接地并不能減少
電荷。

3) 因為絕緣體上的電荷不能自由移動，所以電荷不會引起
靜電放電。但絕緣體上的電勢會在導體上感應產生電荷。

4) 靜電損壞都是通過導體（包括人體潮濕的皮膚）引起的。

5) 人體是最主要的靜電放電源頭。

6) 任何帶電物體都很容易將自己所攜帶的電荷轉移到導電
的人體皮膚層上。
2 人體的靜電模型（HBM）
        一個物體上所積累的電荷儲存在該物體的電容中。

通常，我們總認為只有在兩個平板之間才會有電容，
實際上所有的物體都有自己的自由空間電容，無非第二
個平板（指地球）無限大而已。這個電容也就是物體可
有的最小電容。

即使是不規則形狀的物體，它的自由空間電容主要取
決于其表面積的函數。
人體的電容和電阻

50pF～100pF
100pF
50pF

500Ω～10kΩ
    一個人體在自由空間中的電容約為50Pf。除此以
外，人體電容還包括腳底與地面之間的電容（約
100Pf）。

如果人體接近墻壁等周圍的某些物體，還會增加
50Pf～100Pf的電容。所以人體電容等于人體自由空間
電容與平板電容之和，大小在50Pf～250Pf之間變化。

人體電容也可用下列經驗公式表示：

C=0.55H+0.008KA/t

式中：H——人體高度（cm）；
      K——鞋底材料的介質常數；
      A——兩只鞋底的總面積（cm2）；
      t——鞋底厚度（cm）。
    人體電阻是非線性的，其值約在500Ω～1,000Ω之
間，它和人體產生放電的位置有關。

若手指尖放電，人體電阻約為10,000Ω；
    若手掌放電，人體電阻約為1,000Ω；
    若在手持的金屬物體上放電，人體電阻約為500Ω；
    若放電發生在較大的金屬物體上，人體電阻可以減
小為50Ω。

此外，影響人體電阻的因素還有皮膚表面的水分、
鹽和油、皮膚接觸面積和壓力等。
人體靜電放電模型

C
R
L
V
    上圖是人體的靜電放電模型。電荷儲存在人體電容中，
并通過一個等效的人體電阻產生放電。該靜電模型沒有考慮
電感的大小，但是電感對確定放電電流的上升沿時間有決定
性的影響，應當將它計算進來。

該圖的電路可以模擬人體的靜電放電，也可以用于靜電
測試。

靜電放電的上升沿時間和其能量是決定放電程度的主要
參數.下表以mJ為單位列出了不同人體靜電放電模型放電產生
的能量。其計算公式為：

W=0.5CU2（mJ)

式中：C——人體對地電容，F；
      V——人體靜電電壓，V。
典型人體靜電模型（HBM）的參數取值 
來源	C(pf)	R(Ω)	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
    目前，最常用的靜電模型來自《IEC 61000-4-2：
1995，電磁兼容 試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗》
（即《GB/T 17626.2-1998》）。

其電容為150 pF，放電電阻為330Ω。

輸出電壓按接觸放電和空氣放電兩種情況分為四個等級
（見下表）。

接觸放電是優先選擇的試驗方法，空氣放電則用在不能
使用接觸放電的場合中。 
靜電放電的試驗等級
接觸放電	接觸放電	空氣放電	空氣放電
等級	試驗電壓kV	等 級	試驗電壓kV
1	2	1	2
2	4	2	4
3	6	3	8
4	8	4	15
    下圖是電容為150 pF，電阻為500Ω的人體靜電模型被充電到
20,000V之后產生的典型的ESD電流波形。

該電流波形的峰值電流為40A，上升沿時間（10%～90%）為1ns,
 下降沿時間為100ns。

與放電頭串聯的電感決定著波形的上升時間，設法減小該電感
的大小是設計ESD測試儀器的主要難題之一，該電感的大小應小于
0.1μH。
典型的靜電放電電流波形

40A
t
上升沿
時間
1ns
下降沿
時間
100ns
I
注意:
    通常，人體不會感受到3,500V以下的電壓所產生的放電。

由于大多數電子器件對數百伏電壓產生的放電都會非常
敏感，所以元器件的損壞可能來自人們所不能感受到的、聽
得見的或看得到的放電。

在相反的極端情況下，若靜電放電電壓達到25kV,人體將
會感覺到疼痛。
3 靜電放電 
    通常，積累在物體上的電荷有兩種釋放方式：

泄漏；
火花。

由于火花放電會引起燃燒爆炸之類災害事故的發生，所以
泄漏是物體放電的首選方式。
      由于濕度的關系，物體攜帶的電荷可以通過空氣泄漏。濕度
愈高，物體上攜帶的電荷泄漏得愈快。

使用離子發生器向空氣中釋放與物體攜帶電荷極性相反的電荷，可
以與物體攜帶的電荷相互抵消。空氣中的離子將被吸附到物體上，與
 物體上的電荷中和，空氣中產生的離子愈多，電荷的中和速度就愈快。
    如果將帶電導體接地，就能夠使帶電導體上的電荷泄漏。
因為人體有導電性，所以若能使人體接地（如套上防靜電腕
帶），也能使人體攜帶的電荷慢慢消失。

為了把泄漏電流限制在人身安全的電流5mA以下，應有足
夠高的接地阻抗，通常防靜電腕帶的接地電阻為1MΩ，最小
接地阻抗為250kΩ。

但是，因為衣物和塑料物體往往是不導電的，所以人體
接地并不能使衣物上的電荷或者人手持的塑料物體上的電荷
消失。為此，可以用電離或增加環境濕度的方法將這些不導
電物體上的電荷移走。
    如果物體已經攜帶電荷，那么物體的放電應該緩慢進
行，以限制電流，防止損壞。
    表示這一特性有一個重要參數——衰減時間τ，它可表
示為：

τ=ερ

式中：ε——材料的介電常數；
      ρ——材料的表面電阻率（Ω/m2）。
    因為靜電是一種發生在材料表面上的現象，所以根據材
料的表面電阻率，可將材料分成四大類（見下表）。
    材料的介電常數ε:

PC(聚碳酸酯) ε=3.17

其它材料ε=2-11,相差的倍數有限；

而不同材料的表面電阻率ρ大小要差1010倍。

所以起主要作用的是表面電阻率ρ。
不同類型材料的表面電阻率
材  料	表面電阻率（Ω/m2） 
靜電導電
	0～105
靜電耗散
	105～109

抗靜電	109 ～ 1014

靜電非導體	≥1014

使用接地方式很容易將表面電阻率小于105Ω/m2的材料
上所攜帶的電荷釋放掉。靜電導體材料耗散電荷的速度最
快，所以使用它靠近已帶電的裝置比較危險。如果帶電裝置
與接地的導電材料接觸，帶電裝置將迅速放電，放電電流峰
值很大，可能會產生某種損壞。

與靜電導體材料相比，應首選靜電耗散材料。因為它耗
散電荷的速度很慢，很安全。接地的靜電耗散材料也可用于
防止靜電積累，一旦物體帶電，也可以安全地泄放這些電荷。
    抗靜電材料耗散電荷的速度是最慢的。盡管如此，因為
這種材料產生電荷的速度小于耗散電荷的速度，所以對防止
物體上的靜電積累卻非常有用。例如粉紅色聚乙烯塑料袋，
為了防止摩擦帶電，材料的表面電阻率不能超過1012Ω/m2。

無論是靜電耗散材料還是抗靜電材料，若與其它任何材
料或自己分離，都會帶電。它們的應用很相似，有時還歸入
同一組。在靜電敏感環境中它們是首選。 
    靜電非導體材料不能耗散電荷，但可以保持自己攜

帶的電荷不變，而不管電荷是何極性。例如聚苯乙烯塑

料包裝材料和聚乙烯塑袋，在靜電敏感環境中嚴禁使用。 
    目前，儀表常用的面板材料是：

材料名稱	表面電阻率
（Ω/m2）	主要性能	數據來源
PC（聚碳酸酯）	1014-1015	機械性能佳	德國巴爾
PA（尼龍6）	1014
	化學
穩定性好	德國巴士夫
PA（尼龍66）	1010-1013
	化學
穩定性好
	德國巴爾
     由上可知，PA（尼龍）的防靜電性能要優于PC（聚碳酸酯）。

為了綜和考慮，可以采取如下措施：

1）在原材料中加防靜電的添加劑；

2）在儀表面板上涂表面涂層，使表面電阻率符合要求。
4 產品設計中的靜電保護 
    靜電危害源對受害物體的影響，其作用機理除庫侖力作
用的力學效應外，主要是通過能量的直接傳導、電容性耦合
、電感性耦合和電磁場輻射等四種方式發生作用：

1）直接傳導，指的是靜電放電電流直接流過敏感電路
的情況，這種方式往往是由于靜電放電電流產生的熱效應對
電路產生損壞。

由于靜電放電是在ns或μs量級的時間內完成的，是一
種絕熱過程。作為點火源、引爆源，可瞬時引起易燃易爆氣
體或物質的燃燒爆炸；也可以使微電子器件、電磁敏感電路
過熱，造成局部熱損傷，使電路性能變壞或失效。
 2）電容性耦合。指的是靜電放電電流對敏感電路附近的金屬
物體或電路放電時通過放電產生的電場耦合到敏感電路中去。

靜電危害源形成的電場不僅可以使MOS場效應器件的柵氧
化層擊穿或金屬化線間介質擊穿，造成電路失效，而且對許
多測試儀器和敏感器件的電磁屏蔽提出了更高的要求。

CMOS電路最怕靜電，最易因靜電而損壞。其氧化膜的耐
壓界限約為100-150V。所以對于帶成千上萬伏靜電的人一旦
接觸電路會對器件帶來很嚴重的后果。 
 3）電感性耦合。指的是靜電放電在設備的金屬外殼等導

電材料中引起的強電流可形成磁場耦合，其放電能量雖然

不大，但瞬間的功率十分巨大，會對電路和器件產生干擾

和危害。因此對控制系統的設計和磁屏蔽材料的選擇都提

出了苛刻的要求。
4）電磁場耦合。靜電放電引起的射頻干擾，對信息化設備

造成電噪聲、電磁干擾，使其產生誤動作或功能失效。強

電磁脈沖及其浪涌效應對電子設備可以造成硬損傷或軟損

傷，既可以造成器件或電路的性能參數劣化或完全失效，

也可以形成累積效應，埋下潛在的危害，使電路或設備的

可靠性降低。
由于靜電放電產生的效應，可以分成三類：

1）硬損傷。即已造成硬件的實際損壞。

2）軟損傷。對系統的正常運行有影響，但不會使系統產生物
理上的損壞。譬如使存儲位的改變和程序進入死循環等。

3）短暫狀態異常。沒有產生任何錯誤，但能明顯地感覺得到。
例如CRT顯示器上的雪花點、圖象滾動和指示燈的瞬間閃爍
等。

設計出來的控制系統應當有一定的靜電抗擾度而不遭損壞（硬
損傷），通常也不會產生軟損傷。一般情況下，短暫狀態異常是可
以接受的。
    防止控制系統和電路不受靜電放電的干擾和破壞的基本方
法有：

1）抑制干擾源，減小或消除源頭上的靜電積累；

2）隔離導體，防止放電；

3）將敏感電路旁路，為靜電放電電流提供可選擇的泄放路徑（分
開接地PE和E）；

4）對敏感電路實施屏蔽，使其不受靜電放電引起的電場的影響；

5）保護敏感電路，以阻止由放電產生的磁場的進入。	 
4.1 金屬火花吸收器的抗靜電應用
    在設計鍵盤和控制面板時應當遵循這樣一條原則：靜電放電電流
能夠直接到地，而不會流過敏感的電路或器件。

若是使用絕緣鍵盤，那么可以在在鍵盤與電路之間使用金屬火花
吸收器，為ESD電流提供可選擇的泄放路徑。

如下圖所示，金屬火花吸收器安裝在絕緣面板的后面，而且金屬
火花吸收器應當接地到機殼或機架的保護地上，絕不能接到工作地上。
金屬火花吸收器的抗靜點作用

印刷線路板
絕緣面板
火花吸收器
4.2 印刷線路板上的保護環 
    操作人員將印刷線路板插拔到母板上去的動作是產生ESD
損傷問題的一個常見原因。為此，可沿電路板的邊緣設計一
個保護環，并將該保護環接地。當操作人員手拿電路板時，
可以將人體上的電荷通過保護環釋放到接地裝置上去。

電路板接入系統后，保護環仍然起到保護它的作用。若
有帶電的人或物體靠近電路板，任何產生的放電都有可能是
向接地的保護環，而不是向著電路板上的電路。
印刷線路板上的保護環

保護環

接保護地
4.3 采用金屬屏蔽體
電路

靜電放電

用一個接地金屬盒完全罩在一個電路上，并使兩者之間
相互分離，該電路與金屬盒沒有任何接觸。當發生放電時，
由于存在接地引線電感，金屬盒的電位就會上升。金屬盒內
電路的電位差也會隨之上升，即使這樣，但在金屬盒內的電
路上的各點之間不會產生電位差。因此，只要金屬盒能夠將
電路完全屏蔽，電路就不會損壞。

如果金屬屏蔽盒不連續或有孔洞，在金屬屏蔽盒的表面
就會產生電位差。這種屏蔽盒內的各部分與電路之間的分布
電容形成的電壓，會在電路中產生新的電壓。這樣也許會影
響電路的正常工作，所以要盡可能地完全將電路屏蔽。 
4.4 對電纜接插件靜電放電的干擾及其對策
    目前一般設備的外接電纜接插件經常使用金屬外殼的插座，
由于這種插座經常被人體所接觸，所以也經常會通過插座對其
附近的元器件造成靜電放電干擾。

相應的措施是，在固定插座時要注意讓其金屬外殼與地有良
好的導電性能。使用螺釘固定時要注意其對地通路的電氣接觸
可靠，以防止時間長久后接地電阻增大，又會發生靜電放電。
4.5 電路設計和印刷線路板布線 
1）不選用脈沖邊沿觸發方式。

2）避免將MOS器件直接連到容易發生靜電放電的連
接器引出端。

3）印刷電路上所有的回路面積應盡可能的小。
5 控制室防止產生靜電的基本措施
    為了防止控制室產生靜電，控制室的設計應采取下列的措施：

1）防止靜電的產生是最徹底的方法，從產生靜電的機理看，應該
從降低有關物體的絕緣度著手，使兩物體即使摩擦也不產生或少產
生靜電。為此：
  
 A.保持控制室內的相對濕度在40%-60%之間，北方地區或在干燥的冬季，因靜電產生的故障的事例要遠大于東南沿海地區或其它季節；
 B.鋪設具有導電性能的防靜電地板或地毯；
 C.操作人員宜穿防靜電工作服；
 D.在控制室入口處，設置吸塵地毯，以減少靜電的生成。
2）操作人員應在手腕上帶防靜電手帶，這種手帶應有良好的
接地性能。

3）控制柜以及電纜的屏蔽層都必須保持良好的接地。一般，
凡作保護接地的機柜，均可認為已作了靜電接地。
6 控制系統靜電放電抗擾度的試驗 
    控制系統的下列部件需進行靜電放電抗擾度試驗：

1）系統整體機柜或者單個底座（機籠）；

2）各類卡件；

3）上位機（工控機）；

4）電源或配電箱；

5）端子板或接線排；

6）通訊線（網線）；

7）信號線等。
    所考慮的試驗點包括：

1）與地絕緣的金屬外殼；

2）與操作人員容易接觸的區域；

3）指示器、發光二極管、縫隙、柵格等。

靜電放電的試驗布局 
    整個試驗裝置如下圖所示。試驗時，放電槍的接地電纜
要與被試設備至少保持20cm的距離，以避免感應影響試驗結
果。試驗速度1次/s，每一個放電點至少放電10次。直接放電
試驗應包括在使用中可能接觸到的任何地方。
 
    依據IEC標準，控制系統的防靜電抗擾度應達到：
空氣放電為3級, 
接觸放電為2級.

在試驗期間，允許性能降低，但實際工作狀態或存儲的
數據不允許改變。

7 結束語
    從1984年M.Honda首先指出間接靜電放電是一種新的電
磁干擾源，能對電子設備造成嚴重威脅，至今已有二十多年
了。

靜電的累積以及隨后的放電問題，由于不可控制的環境
條件以及微電子器件的廣泛應用而變得更加令人關切。

1989年5月3日歐共體頒布了《關于協調成員國有關電磁
兼容法律的理事會指令》，將EMC作為防護目標。這一指令
于1992年11月9日被轉成德國法律《設備電磁兼容法》。
1995年8月30日修訂了該法律，違反了電磁兼容法將被視為
犯罪。1991年，在美國政府工作報告（AD-A243367）中已把
靜電放電和十多種電磁危害源綜合考慮為電磁環境效應
（Electromagnetic Environment Effect),簡稱E3問題。由
此足見提高電子產品的電磁兼容性的重要性。
       設備性能的任何一項性能指標的提
高，都必須在產品的設計階段予以考慮。

謝謝大家

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