高志良 宋 博 王若玨 何積浩 路子威

（北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100086）

防靜電工作區(qū)內(nèi)人體靜電電位在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

高志良 宋 博 王若玨 何積浩 路子威

（北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100086）

人體靜電是靜電防護(hù)工程中主要危害源之一。本文采用接觸式靜電電位測(cè)量方法，提出了基于RS485總線的防靜電工作區(qū)（簡(jiǎn)稱(chēng)EPA）內(nèi)人體靜電電位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了EPA內(nèi)人員操作時(shí)防靜電腕帶的靜電電位在線監(jiān)測(cè)裝置及其配套夾具，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)裝置和整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試方法。測(cè)試結(jié)果表明，該方案實(shí)現(xiàn)了靜電電位連續(xù)監(jiān)測(cè)、限值報(bào)警和記錄可追溯，能夠有效提高航天型號(hào)科研生產(chǎn)場(chǎng)所的靜電防護(hù)在線計(jì)量保障能力。

靜電電位 在線監(jiān)測(cè) 接觸式測(cè)量 EPA 可追溯

AbstractHuman body electrostatic discharge is one of the main hazardous factors in the field of electrostatic discharge protection engineering.According to the contact measurement for electrostatic potential，this paper puts forward a online monitor system based on RS485 bus for human body electrostatic potential，develops one type of anti-static wrist strap and its fixture used in EPA（Electrostatic discharge Protection Area） operation，and designs the specialized measurement method for device and the whole system.The test results shows that the design realizes electrostatic continuous measurement，limit alarming and record traceability，and helps strengthen the ability of electrostatic protection and online measurement in aerospace industry workshop.

Key wordsElectrostatic potentialOnline monitor Contact measurementEPA Traceability

1 引言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品逐漸呈現(xiàn)出越來(lái)越輕、薄、短、小、集成度高的趨勢(shì)，同時(shí)MOS電路、貼裝器件、微波器件、集成電路等靜電敏感器件的大量使用，元器件的靜電敏感電壓越來(lái)越低，電子產(chǎn)品抗靜電能力越來(lái)越差，越來(lái)越容易受到靜電損傷。靜電損傷已經(jīng)成為影響電子產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和成品率的重要因素之一[1]。

人體靜電是靜電防護(hù)工程中主要危害源之一。人體與各種物體發(fā)生接觸—分離時(shí)，常常會(huì)帶上幾千伏甚至上萬(wàn)伏的靜電，在防靜電工作區(qū)（Electrostatic Protection Area，EPA）等場(chǎng)所，人體作為帶電的靜電導(dǎo)體，一旦形成高壓、瞬態(tài)大電流并伴隨強(qiáng)電磁輻射時(shí)，容易對(duì)電子元器件、彈藥、武器裝備等靜電敏感物質(zhì)造成嚴(yán)重危害[2]。

靜電防護(hù)工程中[3]，一般是確保人體的靜電電位不超過(guò)限值要求，因此人體靜電電位是極為重要的測(cè)量指標(biāo)。一般取大地為零電壓參考點(diǎn)，靜電電壓在元器件靜電放電敏感度等級(jí)劃分、物體帶電量計(jì)量等方面獲得非常廣泛的應(yīng)用[4]。因此，研究一種適合人體靜電電位在線監(jiān)測(cè)并具有記錄可追溯功能的方法，對(duì)于保證EPA靜電安全性、故障及時(shí)報(bào)警和診斷分析能力提高具有十分重要意義。

2 人體靜電電位在線監(jiān)測(cè)方案

目前，非接觸式測(cè)量對(duì)測(cè)試距離、被測(cè)件幾何尺寸具有較為嚴(yán)格要求，對(duì)人體靜電電位進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)難以實(shí)現(xiàn)[5]；在EPA內(nèi)操作時(shí)，人體防護(hù)裝備、防靜電腕帶等都屬于靜電導(dǎo)體，這種場(chǎng)合的人體靜電電位需要采用接觸式測(cè)量方法[6]。人體的防靜電腕帶通過(guò)限流電阻與大地相連。由于人體、限流電阻都屬于靜電導(dǎo)體，整個(gè)防護(hù)體系中ESD防護(hù)設(shè)備形成一個(gè)等勢(shì)體。因此，可通過(guò)監(jiān)測(cè)防靜電腕帶上的電位來(lái)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)人體靜電電位的目的[7]。

人體靜電電位在線監(jiān)測(cè)總體方案主要由人體靜電電位監(jiān)測(cè)裝置、網(wǎng)絡(luò)總線、上位機(jī)及軟件等組成，如見(jiàn)圖1所示，當(dāng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中人體靜電電位超過(guò)預(yù)設(shè)報(bào)警電壓時(shí)進(jìn)行報(bào)警，并通過(guò)總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)集中顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)具有靜電電位報(bào)警、靜電泄放、記錄可追溯功能。

根據(jù) GJB 3007A，GB 50611，GB 50944等標(biāo)準(zhǔn)，防靜電工作區(qū)一般設(shè)計(jì)分為三級(jí)，一級(jí)是室內(nèi)控制靜電電位絕對(duì)值不大于100V；二級(jí)是室內(nèi)控制靜電電位絕對(duì)值不大于200V；三級(jí)是室內(nèi)控制靜電電位絕對(duì)值不大于1 000V。同時(shí)，GJB 548B對(duì)GJB 1649中HBM模型靜電放電敏感電壓的分級(jí)方式進(jìn)行了更新，采用七級(jí)分級(jí)方法，其中3B等級(jí)對(duì)應(yīng)電壓值8000V。而且，ANSI/ESD S20.20—2014和IEC 61340—5—1中，均對(duì)HBM模型100V以上靜電放電敏感電壓提出了靜電防護(hù)措施建議。綜上，本文選取100V、200V、1 000V和8 000V作為典型靜電防護(hù)電壓在線監(jiān)測(cè)的等級(jí)閾值。

3 靜電電位監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

4.1 電路設(shè)計(jì)

防靜電腕帶的靜電電位監(jiān)測(cè)電路原理如圖2所示，主要分為監(jiān)測(cè)電路和報(bào)警電路兩個(gè)部分，其中：CL1～CL4表示測(cè)量用電容器，需根據(jù)人體對(duì)地電容值選用不同數(shù)值電容器；K1～K4表示選擇測(cè)量電壓檔位開(kāi)關(guān)（不相容），電壓檔位用來(lái)設(shè)定安全閾值即監(jiān)測(cè)電位值；R1～R2表示測(cè)量電容兩端電壓分壓電阻；J表示報(bào)警后立即連通繼電器，用于快速釋放測(cè)量電容器電荷；比較器、DA、單片機(jī)、蜂鳴器主要用于輔助設(shè)定監(jiān)測(cè)電壓并在電壓超限后進(jìn)行報(bào)警響應(yīng)處理。

監(jiān)測(cè)電路工作原理如下：測(cè)量電容的一個(gè)極端作為靜電電位測(cè)量極，當(dāng)測(cè)量極與腕帶接觸良好，另一個(gè)電容極接地。四個(gè)測(cè)量電容分別對(duì)應(yīng)100V、200V、1 000V、8 000V檔位，工作前需要設(shè)置到指定的監(jiān)測(cè)電位檔位，通過(guò)切換電容器進(jìn)行不同靜電監(jiān)測(cè)電位設(shè)置。

由于處于靜電防護(hù)環(huán)境的人體的電勢(shì)處處相等，防靜電腕帶上積累的靜電荷會(huì)流向測(cè)量電容器，最終在測(cè)量電容器上產(chǎn)生與腕帶相同電位，即相當(dāng)于一個(gè)對(duì)電容進(jìn)行充電的過(guò)程。充電后的電容器獲得一定的能量，當(dāng)人體靜電電壓達(dá)到監(jiān)測(cè)電壓值，分壓電阻上的電位將高于比較電壓（正電壓、負(fù)電壓分別通過(guò)兩個(gè)比較器實(shí)現(xiàn)），使得比較器輸出高電平，單片機(jī)僅在開(kāi)關(guān)接入測(cè)量電容的瞬態(tài)時(shí)刻采樣比較器狀態(tài)，判斷超過(guò)報(bào)警限值后控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)傳輸報(bào)警信息到上位機(jī)并且連通繼電器泄放電荷。靜電電位在線監(jiān)測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是在人體靜電電位超過(guò)檔位電壓時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警；二是在人體靜電電壓過(guò)大時(shí)，通過(guò)分壓電阻支路進(jìn)行泄漏放電。

3.2 測(cè)量電容值計(jì)算

在靜電電位在線監(jiān)測(cè)電路中，電容器一個(gè)探測(cè)極與腕帶相連，當(dāng)人體產(chǎn)生一定的電位，就存在一個(gè)等效電容器充電過(guò)程，其原理如圖3所示。其中，C1表示人體的等效電容，C2表示測(cè)量用電容器，R表示人體及接地線連接的電阻值，K表示電容器選擇開(kāi)關(guān)，U1’和U2’表示充放電過(guò)程中電容器兩端電壓值。

根據(jù)電量守恒定律，充電結(jié)束后腕帶等效電容C1所帶電荷量Q1與測(cè)量電容器C2所帶電荷量Q2的和，應(yīng)與測(cè)量電容器電極未接觸人體前，人體上所帶電荷量Q相等，得到公式（1）

式中：U1——未對(duì)C2充電時(shí)，C1積累的靜電電位；U1′——C1對(duì)C2充電穩(wěn)定后，C1剩余靜電電位；U2′——C2充電到電壓閾值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警電路的靜電電位。

由公式（1）推導(dǎo)可得

由人體靜電電位監(jiān)測(cè)電路工作原理可知，當(dāng)電容器充電過(guò)程基本穩(wěn)定時(shí)，測(cè)量電容器和人體等效電容器在同一靜電電位上，而且該電壓值與分壓器支路U3相等，電荷Q通過(guò)分壓器泄放過(guò)程的初始瞬態(tài)電壓U3，有：

將公式（3）代入公式（2）得到：

人體電容與溫度、濕度、地面絕緣性能、鞋的絕緣性能以及人體的姿態(tài)、著裝等有關(guān)[8，9]。根據(jù)IEC-61340—3—1參考值，結(jié)合EPA內(nèi)人員的靜電防護(hù)處理情況，選擇人體電容值為300pF。取靜電防護(hù)等級(jí)U1為100V，分壓電阻支路兩端電壓U3為5V經(jīng)過(guò)分壓電阻后，進(jìn)入比較器電壓為2.5V），代入公式（4）得到：C2=5.7nF。

同理，靜電防護(hù)等級(jí)為200V、1 000V、8 000V時(shí)，代入公式（4）均可獲得相應(yīng)的測(cè)量電容值。但一般購(gòu)買(mǎi)不到實(shí)際計(jì)算電容值的電容，具體選用時(shí)考慮到電容耐壓要求，選擇各個(gè)檔位相對(duì)計(jì)算值稍大一點(diǎn)電容見(jiàn)表1。

表1 防靜電腕帶靜電電位測(cè)量電容值選擇

考慮到實(shí)際選擇電容值與計(jì)算得到的電容值有偏差，本文選用單片機(jī)作為運(yùn)行控制單元，對(duì)DA輸出比較電壓進(jìn)行調(diào)整控制，在校準(zhǔn)測(cè)試環(huán)節(jié)由外部輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓后，調(diào)整確定單片機(jī)軟件程序中設(shè)定值，按照設(shè)定的100V、200V、1 000V、8 000V電壓閾值分別進(jìn)行校準(zhǔn)，完成全部檔位報(bào)警電壓設(shè)置后，固化單片機(jī)軟件程序，從而實(shí)現(xiàn)后續(xù)不同檔位測(cè)量電容器與檔位電壓的技術(shù)指標(biāo)對(duì)應(yīng)。人體靜電電位在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)例如圖4所示。

3.3 電位測(cè)量夾具設(shè)計(jì)

為確保靜電電位測(cè)量端與人體保持可靠連接，滿(mǎn)足人員日常操作時(shí)對(duì)防靜電腕帶的靈活性需要，本文專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了防靜電腕帶的靜電電位在線監(jiān)測(cè)夾具。腕帶夾具參考了腕帶本身設(shè)計(jì)思想，采用雙腕帶扣結(jié)構(gòu)，兩個(gè)腕帶扣緊挨放置，中間采用靈活連接方式，并將靜電電位測(cè)量線與腕帶本身接地線采用并聯(lián)方式形成一股包裝線，不影響腕帶本身正常使用如圖5所示。

3.4 上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)

利用Java工具，本文開(kāi)發(fā)了基于RS485總線聯(lián)結(jié)各個(gè)靜電電位在線監(jiān)測(cè)裝置的上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了靜電電位監(jiān)測(cè)與報(bào)警情況、記錄人員操作狀態(tài)、存儲(chǔ)電位監(jiān)測(cè)終端信息、監(jiān)測(cè)過(guò)程可見(jiàn)且狀態(tài)可追溯等功能，軟件界面如圖6所示。

4 靜電電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試方法

4.1 系統(tǒng)搭建

利用防靜電腕帶電位測(cè)量端、測(cè)量夾具、串口線、RS485總線、上位機(jī)等組成靜電電位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示。搭建系統(tǒng)時(shí)需要確保防靜電接地狀況良好，靜電電位在線計(jì)量裝置與防靜電腕帶共地連接，保證線路連接可靠。

4.2 測(cè)試方案

利用耐高壓標(biāo)準(zhǔn)電容、高壓源、高壓表、高壓繼電器、可調(diào)電位器、控制按鈕以及萬(wàn)用表等組成測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示，分別對(duì)靜電電位監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行100V、200V、1000V、8000V等四個(gè)檔位電壓測(cè)試，同時(shí)檢查外觀和功能正常性、軟件運(yùn)行功能。其中，標(biāo)準(zhǔn)電容300pF對(duì)應(yīng)人體靜電電容；100V/200V檔位低電壓測(cè)試時(shí)，利用萬(wàn)用表進(jìn)行電壓值輔助確認(rèn)。

本方案是利用標(biāo)準(zhǔn)電容來(lái)模擬人體電容為帶電標(biāo)準(zhǔn)電容充電，然后利用帶電標(biāo)準(zhǔn)電容對(duì)人體靜電電位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)放電。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電容充電到不同的檔位電壓，獲得對(duì)應(yīng)放電電壓后驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)正確性。因此，需要保證帶電標(biāo)準(zhǔn)電容放電時(shí)的電壓準(zhǔn)確性，其中關(guān)鍵因素是帶電標(biāo)準(zhǔn)電容在充電后、放電前，標(biāo)準(zhǔn)電容自身電壓保持的時(shí)效性。測(cè)試方案合理性計(jì)算分析過(guò)程如下：

1）標(biāo)準(zhǔn)電容所在電路板的電阻率約為5×109MΩ·cm，電路板厚度為2mm，標(biāo)準(zhǔn)電容對(duì)應(yīng)面積約為300cm2，泄露電阻R約為5×109MΩ·cm×2mm/300cm2=3.33×106MΩ。

2）對(duì)于300pF標(biāo)準(zhǔn)電容，充電后1秒時(shí)間內(nèi)電壓降低百分比為1/RC×100%=0.1%。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，標(biāo)準(zhǔn)電容在充電后的電壓泄露是非常緩慢的，通過(guò)控制充電后再放電的時(shí)間間隔，能夠有效滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)電容放電時(shí)的電壓穩(wěn)定性要求。

4.3 測(cè)試結(jié)果

按照靜電電位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試方案，搭建測(cè)試系統(tǒng)并完成了整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括外觀和功能測(cè)試、檔位報(bào)警電壓測(cè)試、報(bào)警臨界電壓分時(shí)測(cè)試、軟件監(jiān)控功能測(cè)試等。測(cè)試結(jié)果表明，各個(gè)檔位電壓測(cè)試最大允許誤差5%優(yōu)于同類(lèi)產(chǎn)品，報(bào)警臨界電壓分時(shí)測(cè)試最大允許誤差4%滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸速度要求，達(dá)到了人體靜電電位在線監(jiān)測(cè)研制目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用接觸式靜電電位測(cè)量原理，研制了人體靜電電位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了EPA內(nèi)人員操作時(shí)靜電電位在線監(jiān)測(cè)、報(bào)警、存儲(chǔ)和可追溯功能，對(duì)提高航天科研生產(chǎn)環(huán)境中靜電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用和靜電防護(hù)計(jì)量保障水平起到重要作用。同時(shí)，該裝置能夠與現(xiàn)有腕帶在線監(jiān)測(cè)儀結(jié)合，形成腕帶電位一體在線監(jiān)測(cè)裝置，提高靜電防護(hù)工位在線監(jiān)測(cè)、報(bào)警和故障追溯能力，具有十分廣泛的軍用和民用靜電防護(hù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。

[1]朱立穎，喬明，劉業(yè)楠等.LEO航天器高壓大功率太陽(yáng)電池陣靜電放電試驗(yàn)與分析[J].航天器工程.2015，24（4）：65～70.

[2]魏明，魏光輝.人體靜電電位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào).2006，18（增刊）：88～91.

[3]劉民，郭德華.靜電防護(hù)工程學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)化[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化.2014，（5）：64～68.

[4]付洋洋，王強(qiáng)，張貴新等.基于表面電位測(cè)量的表面電荷反演計(jì)算[J]. 高電壓技術(shù).2013，39（1）：88～95.

[5]劉民，馮文武，袁亞飛.靜電防護(hù)測(cè)量?jī)x器綜述[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào).2011，25（11）：925～934.

[6]Pedro Llovera，Philippe Molinie，Anabel Soria，Alfredo Quijano.Measurements of electrostatic potentials and electric fields in some industrial applications：Basic principles[J].Journal of Electrostatics.2009，67（2-3）：457～461.

[7]常天海，周青.電子產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的靜電監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)研究[J].中國(guó)物理學(xué)會(huì)第十五屆靜電學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2009：133～135.

[8]李金梅，朱鳴，李強(qiáng)等.環(huán)境溫濕度對(duì)人體靜電電位影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 消防科學(xué)與技術(shù).2014，33（12）：1370～1373.

[9]張?jiān)婆?，孫立富，李義鵬等.個(gè)體靜電防護(hù)用品防護(hù)有效性研究[J]. 中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備.2015，（2）：5～7.

Study on Online Monitor of Human Body Electrostatic Potential in Electrostatic Protection Area

GAO Zhi-liang SONG Bo WANG Ruo-jue HE Ji-hao LU Zi-wei
（Beijing Orient Institute for Measurement&Test，Beijing 100086，China）

TN710

A

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.03.07

2017-03-15，

2017-04-10

高志良（1985.08-），男，工程師，碩士，主要研究方向：電磁學(xué)計(jì)量、靜電防護(hù)技術(shù)與計(jì)量管理。

1000-7202（2017）03-0031-05