李 震，張青林

(安徽經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 信息工程系，合肥 230051)

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袖珍型靜電泄放器的分析研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 震，張青林

(安徽經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 信息工程系，合肥 230051)

靜電普遍存在于人們的生產(chǎn)和生活中，不同場(chǎng)所產(chǎn)生的靜電強(qiáng)度有差異，造成后果的嚴(yán)重程度有區(qū)分。如靜電不能及時(shí)消除，加油、加氣站很容易因靜電泄放時(shí)的電弧引燃油料或燃?xì)鈱?dǎo)致火災(zāi)。在電子器件的制造、安裝、傳遞、運(yùn)輸、試驗(yàn)、存儲(chǔ)、測(cè)量和調(diào)試等過程中，這些物品相互摩擦或與人體摩擦都會(huì)產(chǎn)生較高的靜電壓；一些實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程中靜電隨時(shí)會(huì)產(chǎn)生，隨時(shí)隨地需要進(jìn)行泄放。立足于教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所，基于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形美觀、安裝方便、牢固耐用、成本低廉等方面的考慮，設(shè)計(jì)一款人體靜電泄放器，采用級(jí)聯(lián)觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，摒棄了傳統(tǒng)的“球”部件設(shè)計(jì)，使之體積小，重量輕，便于安裝操作。

靜電產(chǎn)生途徑；危害；級(jí)聯(lián)觸點(diǎn)；袖珍設(shè)計(jì)

0 引 言

靜電的產(chǎn)生主要與人們所處的空間環(huán)境有關(guān)，物質(zhì)(或物體)觸碰并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)在其分界面會(huì)產(chǎn)生靜電，導(dǎo)體靠近帶電體時(shí)會(huì)因感應(yīng)而產(chǎn)生靜電。長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)的人，化纖類、毛皮類、服裝鞋帽等摩擦“生電”會(huì)嚴(yán)重一些。干燥的季節(jié)，當(dāng)這種逐漸積累起來的靜電電壓超過3 000 V時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“打人”現(xiàn)象，放電時(shí)可聽到“噼啪”的聲響，觸摸金屬導(dǎo)體的手就會(huì)感到麻痛。人身上的靜電雖然電壓很高，但電流很小，蘊(yùn)含的能量較小，不會(huì)產(chǎn)生類似“觸電”致傷的危險(xiǎn).

宥于部分人對(duì)靜電的產(chǎn)生不太了解，通常l～2kV以下的靜電放電感是覺察不到的，但卻能使器件因電擊而損傷損壞。比如廣泛使用的MOS電路和IC器件的擊穿電壓約為300V。在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，靜電對(duì)其造成的損傷是在人們不知不覺的過程中發(fā)生的。器件的失效分析較為困難，因?yàn)殪o電放電的沖擊與其他瞬變過程中的尖峰電壓造成的器件損傷損壞有時(shí)很難區(qū)分。一些器件在受靜電損傷以后，并非不能使用，而只是特性有所下降，且會(huì)大大縮短元器件的使用壽命。專業(yè)人員未必當(dāng)時(shí)就能發(fā)現(xiàn)，結(jié)果造成了潛在的失效隱患，并在后來某種特定的條件下，會(huì)導(dǎo)致器件失效。如器件氧化層出現(xiàn)孔洞，電路長(zhǎng)時(shí)間工作之后，金屬化電遷移引起短路燒毀，導(dǎo)致器件損壞，殃及整個(gè)設(shè)備。自從人類邁入信息化時(shí)代，伴隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展和高分子材料的廣泛應(yīng)用，靜電的作用力、放電和感應(yīng)現(xiàn)象引起的危害十分嚴(yán)重。[1]據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)電子行業(yè)部門每年因靜電危害造成的損失高達(dá)100億美元；英國(guó)電子產(chǎn)品每年因靜電造成的損失為20億英鎊；日本電子元器件的不合格品中，約占半數(shù)是因?yàn)殪o電放電造成的。問題嚴(yán)重性還在于很多人對(duì)防靜電知識(shí)的不了解和對(duì)靜電危害的認(rèn)識(shí)不足，常把一些因靜電放電造成的設(shè)備性能下降或故障，歸咎為是元器件早期老化失效。

生產(chǎn)、生活中存在靜電并具有相當(dāng)大的危害，因此就要設(shè)法予以消除。一種比較通用的人體靜電泄放器為立式的(如圖1)，高度在1 100mm上下。其關(guān)鍵的元件——觸摸球直徑有大有小，大約在100mm～300mm，早期的靜電泄放器觸摸球直徑更大一些，如圖1所示。這樣的靜電泄放器在特定的場(chǎng)所放置，供工作人員泄放靜電使用，但它存在這樣一些問題。一是體積大，重量相對(duì)較重，還有因接地線需要可靠安裝接地，占有較大的空間；二是移動(dòng)不方便，挪動(dòng)時(shí)有相關(guān)連線牽扯；三是多人操作場(chǎng)所宜配備多套，投資較大。 一些改進(jìn)型靜電泄放器，去掉了底座和立柱，將關(guān)鍵器件放電球安裝在墻壁上，但操作或移動(dòng)明顯不方便。針對(duì)上述各種不足，需要解決的問題是：大幅度減小靜電泄放器的尺寸，使其袖珍化，方便安裝于操作者近旁；重新構(gòu)建靜電泄放的方法途徑，突破現(xiàn)有靜電泄放器結(jié)構(gòu)，摒棄“球”的設(shè)計(jì)；降低靜電泄放器的生產(chǎn)制造成本，滿足多處、多點(diǎn)大批量使用的需要。

圖1 立式人體靜電泄放器

1 不同場(chǎng)所的靜電危害及分析研究

靜電作為一種常見物理現(xiàn)象，普遍存在于人們的生產(chǎn)和生活中。不同的場(chǎng)所產(chǎn)生的靜電強(qiáng)度是不一樣的，其造成后果的嚴(yán)重程度是有差別的。

對(duì)于易燃、易爆危險(xiǎn)崗位或區(qū)域，如道路上到處可見的加油、加氣站，如靜電不能及時(shí)消除，很容易因靜電泄放時(shí)的電弧引燃油料或燃?xì)鈱?dǎo)致火災(zāi)。加油、加氣站產(chǎn)生靜電的主要來源有：汽車油罐車在運(yùn)油(或液態(tài)氣)過程中產(chǎn)生靜電；裝卸過程中儲(chǔ)罐產(chǎn)生靜電；油(氣)品在輸油管線中流動(dòng)產(chǎn)生靜電；油(氣)品流經(jīng)過濾器、泵和計(jì)量器具時(shí)產(chǎn)生靜電；作業(yè)人員人體產(chǎn)生靜電等。這一連串的位置或崗位都要使用靜電泄放器能將所積累的靜電電荷安全地泄放掉，并要連續(xù)不間斷地消除靜電，避免因靜電而引發(fā)的火災(zāi)爆炸事故和人體電擊現(xiàn)象的發(fā)生。此外，這些場(chǎng)所不僅需要及時(shí)作靜電泄放，還要求具有防爆功能。

對(duì)于電子電器等設(shè)備制造、產(chǎn)品生產(chǎn)場(chǎng)所，與生產(chǎn)有關(guān)的人和物都會(huì)產(chǎn)生靜電。(1)人體靜電。工作服和內(nèi)衣摩擦?xí)r產(chǎn)生的靜電是人體靜電的主要原因之一。人體靜電與個(gè)人體質(zhì)有關(guān)，人體呈現(xiàn)的電容越小，摩擦“生電”越容易；人體電阻越小，感應(yīng)帶電越容易。[2]人體靜電與人的操作速度有關(guān)，操作速度越快，積聚的靜電電量就越大。(2)儀器和設(shè)備的靜電。儀器和設(shè)備也會(huì)由于摩擦或靜電感應(yīng)而帶上靜電，如傳送帶在傳動(dòng)過程中由于與轉(zhuǎn)軸的接觸和分離產(chǎn)生靜電，或是接地不良的儀器金屬外殼在電場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生靜電，儀器設(shè)備帶電后，與元器件接觸也會(huì)產(chǎn)生靜電放電，并造成靜電損傷。(3)器件本身的靜電。電子元器件的外殼(主要指陶瓷、玻璃和塑料封裝管)與絕緣材料互相摩擦，也會(huì)產(chǎn)生靜電。(4)其他靜電。在電子器件的制造、安裝、傳遞、運(yùn)輸、試驗(yàn)、存儲(chǔ)、測(cè)量和調(diào)試等過程中，會(huì)遇到各種各樣的由絕緣材料制成的物品，這些物品相互摩擦或與人體摩擦都會(huì)產(chǎn)生較高的靜電壓。這些現(xiàn)象是客觀存在的，因此，在生產(chǎn)制造過程中要從以下幾個(gè)方面加以防范。一是從元器件的設(shè)計(jì)和制造上進(jìn)行抗靜電設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化；二是采取防護(hù)措施，使器件在制造、運(yùn)輸和使用過程中盡量避免靜電帶來的侵害或損壞。 這些場(chǎng)所需要密集安裝靜電泄放器，對(duì)生產(chǎn)過程中涉及的操作人員、設(shè)備、器件等及時(shí)作靜電泄放。顯而易見，減小靜電泄放器的體積和成本，可有效擴(kuò)大生產(chǎn)區(qū)域的有效空間，有利于降低產(chǎn)品的總成本。此外，還不排除靜電泄放器兼有防爆功能的要求。

對(duì)于教學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，如教學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)，同生產(chǎn)崗位相比，循環(huán)周期性操作的頻度相對(duì)較低，涉及到的器具也比較有限。固定設(shè)備的防靜電措施考慮在先，一般比較穩(wěn)妥。除實(shí)驗(yàn)過程中涉及易燃易爆介質(zhì)外，多數(shù)時(shí)候需要防范靜電，尤其是人體靜電造成的危害。主要防范體現(xiàn)在以下方面：一是抑制靜電的產(chǎn)生；二是促使靜電電荷的泄放；三是消除帶電體里的電荷。除了部分生產(chǎn)場(chǎng)所外，為了消除靜電，需要分布多個(gè)靜電泄放裝置。絕大多數(shù)情況下，泄放器需要緊靠操作者近旁，如實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。靜電隨時(shí)會(huì)產(chǎn)生，隨時(shí)隨地需要進(jìn)行泄放。當(dāng)然，靜電泄放器要盡可能體積小，重量輕，安裝在便于操作的位置。還要求結(jié)構(gòu)牢靠、價(jià)格低廉。

現(xiàn)就高等院校來說，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室還需要突出實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置或設(shè)備，一眼看過去排列整齊，規(guī)范整潔，便于師生使用、操作和控制。對(duì)于防靜電設(shè)備，工作人員希望占有的空間要小，甚至越小越好。這樣主次設(shè)備分明，有利于查看、管理，有利于防止出現(xiàn)意外。因此，大幅度減小靜電泄放器尺寸，縮小體積，降低造價(jià)有著十分重要的意義。

2 袖珍型靜電泄放器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立足于教學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，基于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小重量輕、外形美觀、安裝方便、牢固耐用、成本低廉的考慮，設(shè)計(jì)如圖2 所示的人體靜電泄放器。[3]具體結(jié)構(gòu)，請(qǐng)參見“圖2袖珍人體靜電泄放器結(jié)構(gòu)圖”。它的最大外圓真經(jīng)是20mm，最大長(zhǎng)度是50mm；工作溫度為-40℃～60℃；3. 響應(yīng)時(shí)間為<1s；耐靜電壓為±20KV。其中：1——壓頭；2——固定套；3——連接套；4——導(dǎo)電片；5——第一導(dǎo)電柱；6——旋轉(zhuǎn)板；7——第一觸點(diǎn)；8——第二觸點(diǎn)；9——接地線 ；10——鎖緊螺桿；11——第二導(dǎo)電柱。固定套2上部設(shè)有按壓式壓頭1，壓頭1頂部設(shè)有導(dǎo)電片4，導(dǎo)電片4通過置于壓頭1中的第一導(dǎo)電柱5與第一觸點(diǎn)7連接。固定套2底端螺紋連接有連接套3，連接套3頂部設(shè)有兩個(gè)第二觸點(diǎn)8，兩個(gè)第二觸點(diǎn)8分別與置于連接套3內(nèi)的兩個(gè)第二導(dǎo)電柱11連接。接地線9自第二導(dǎo)電柱11底部引出，并采用鎖緊螺桿10固定壓緊，接地線9采用接地處理等，使電荷排出。當(dāng)手指觸碰導(dǎo)電片4時(shí)，此時(shí)并未施加按壓壓力，即第一觸點(diǎn)7與第二觸點(diǎn)8并未觸碰，因此并不會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象。隨著壓頭1在固定套2中向下移動(dòng)一定行程，第一觸點(diǎn)7與第二觸點(diǎn)8觸碰，此時(shí)電荷開始移動(dòng)，并通過接地線9排出，而該放電過程中，人體(手指)并不會(huì)出現(xiàn)“觸電”的感覺，從而達(dá)到安全有效排出靜電的目的。[4]

作為一種特殊設(shè)計(jì)，導(dǎo)電片4通過卡接或粘接方式固定在壓頭1的頂部，導(dǎo)電片采用較薄的銅片制成。從理論角度分析，導(dǎo)電片4的厚度相對(duì)薄一些 ，靜電泄放效果會(huì)好一些。為方便調(diào)整，兩個(gè)第二觸點(diǎn)8均為呈夾角為5～90°的L形銅板，兩個(gè)第二觸點(diǎn)8相對(duì)排布，并通過螺栓固定在第二導(dǎo)電柱11的頂部。夾角范圍的選取視安裝而定，需要保證當(dāng)壓頭1在固定套2中行進(jìn)一定距離后，第二觸點(diǎn)8能夠與第一觸點(diǎn)7觸碰。為便于裝配，固定套2、壓頭1和連接套3均由絕緣材料制成，第一導(dǎo)電柱5、第一觸點(diǎn)7、第二觸點(diǎn)8和第二導(dǎo)電柱11的材質(zhì)均為銅質(zhì)。其中第一導(dǎo)電柱5自身質(zhì)量要盡可能小些，以減小其固有電容；第一觸點(diǎn)7與第二觸點(diǎn)8間的初始距離可根據(jù)靜電泄放電壓來確定，工作上限電壓高，兩者距離相應(yīng)加大，以適應(yīng)不同型號(hào)靜電泄放器的要求。[5]按照上述設(shè)計(jì)做成的靜電泄放器實(shí)物器件，請(qǐng)見圖3所示。

圖2 袖珍人體靜電泄放器結(jié)構(gòu)圖

圖3 靜電泄放器外形圖

上述靜電泄放器，可適用于家居、汽車、電子電氣類教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)車間等處所使用。為清楚起見，附上增加了安裝板的示意說明圖，請(qǐng)參見“圖4靜電泄放器安裝示意圖”。其中：“1”～“9”同圖2，11——第二導(dǎo)電柱；12——安裝板；13——安裝孔；14——通孔.固定套2置于安裝板12中，安裝板12上設(shè)有供固定套2穿過的通孔14。同時(shí)，固定套2上設(shè)有螺紋，旋轉(zhuǎn)板6旋入螺紋中將固定套2安裝固定在安裝板12中.為方便固定，安裝板12上設(shè)有數(shù)個(gè)安裝孔13，從而方便將安裝板12安裝固定在墻體等場(chǎng)所。

圖4 靜電泄放器安裝示意圖

本袖珍型靜電泄放器的創(chuàng)新點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。采用級(jí)聯(lián)觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，摒棄了傳統(tǒng)的“球”部件設(shè)計(jì)，改變了泄放器結(jié)構(gòu)與形狀，從而大幅度減小了與之相關(guān)元器件的尺寸。與帶放電球的靜電泄放器相比較有下述特點(diǎn)：一是采用級(jí)聯(lián)觸點(diǎn)，調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)觸點(diǎn)可改變耐靜電電壓值；二是級(jí)聯(lián)觸點(diǎn)可做成全封閉型，靜電泄放器內(nèi)外隔離，達(dá)到防爆要求；三是結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕。立式帶放電球靜電泄放器外圍直徑和高度為Φ300mm×1100mm，而袖珍型靜電泄放器直徑和長(zhǎng)度僅為Φ20mm×50mm，體積大大縮??；四是經(jīng)適當(dāng)改變級(jí)聯(lián)觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)和尺寸，做成便攜式的，可隨身攜帶，用于移動(dòng)設(shè)備靜電泄放。如上汽車(轎車)開門前作靜電泄放；五是袖珍型靜電泄放器便于生產(chǎn)制造、裝配調(diào)試，而且用材省，因此成本低廉。

3 結(jié)束語

很多專業(yè)人士熱心靜電泄放器的研究，設(shè)計(jì)出了不同型式的泄放器。這里所介紹的“袖珍型靜電泄放器”獲得了國(guó)家實(shí)用新型專利(專利號(hào)：ZL201320061206.6)。它是用一種簡(jiǎn)單有效的靜電泄放器具，快速導(dǎo)走所攜帶的靜電，確保在科學(xué)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，有效防范設(shè)備、器件不因靜電影響實(shí)驗(yàn)效果或遭受損壞；[6]在產(chǎn)品生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)過程中消除靜電造成的危害，保障產(chǎn)品的產(chǎn)銷安全，提高經(jīng)濟(jì)收益；還有居家活動(dòng)中，不因人體攜帶靜電而影響日常生活質(zhì)量。

[1] 李承，徐安靜.電路原理與電機(jī)控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014：94-99.

[2] 李忠明.電路分析[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2014：370-373.

[3] 張赪.電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)寶典可靠性原則2000條[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016：160-169.

[4] 李紹炎.自動(dòng)機(jī)與自動(dòng)線[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2015：230-237.

[5] 胡向東等.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：75-93.

[6] 武麗.電工技術(shù)(電工學(xué)I)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：152-159.

[責(zé)任編輯:李 軍]

Analysis Research and Structure Design of Pocket Type Electrostatic Discharge Device

LI Zhen，ZHANG Qing-lin

(Department of Information Engineering, Anhui Economic Management Institute, Hefei 230051,China)

Electrostatic exists in the production and life of the people in different places. The static strength is different, there is the distinction between the severity of the consequences. The refueling stations, such as static electricity can not be eliminated in time, it is easy for arc ignition when the electrostatic discharge of oil or gas to fire. Electronic device manufacturing, installation, transfer transport, storage, test, measurement and debugging process, these items and human friction or friction will generate high static voltage to each other. Some experimental training in the process of static electricity at any time will be produced, the need for relief. Whenever and wherever possible based on the teaching experiment and training places, has the advantages of simple structure, beautiful appearance, convenient installation, firm durable, low cost and other considerations based on the design of a human body electrostatic discharge device, using the contact cascade structure, abandon the traditional “ball” component design, the small size, light weight, easy to install and operate.

electrostatic generation approach; hazard; cascade contact; pocket design

2016-07-08

2016-07-25

安徽省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(2014jyxm731)、安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A163)資助。

李 震(1976—)，女，安徽合肥人，安徽經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院信息工程系講師，碩士；研究方向：電子信息工程。

TN402

A

2096-2371(2016)04-0115-05