第2章靜電的物理效2.1靜電放電概述2.2氣體放電的物理過程及其2.3靜電放電的類型2.4靜電放電的能量特征2.5靜電放電模型2.6靜電放電與引燃2.7靜電的力學(xué)效應(yīng)思考題習(xí)題

2.1靜電放電概述

1.靜電放電的定義

所謂靜電放電(ElectrostaticDischarge，ESD)，是指兩個(gè)電位不等的帶電體(通常是一個(gè)帶電體與一個(gè)接地體之間)形成的電場強(qiáng)度超過兩者之間介質(zhì)的絕緣擊穿場強(qiáng)時(shí)，因介質(zhì)發(fā)生高度電離而使帶電體上電荷趨于減少或消失的現(xiàn)象。能夠發(fā)生靜電放電的帶電體叫ESD源。

2.靜電放電的特點(diǎn)靜電放電具有以下特點(diǎn)：

(1)靜電放電是一個(gè)強(qiáng)電場的作用過程。由靜電放電的定義可以看出，靜電放電是由于帶電體之間的電介質(zhì)發(fā)生電擊穿、電離引起的。所謂介質(zhì)的電擊穿，是指介質(zhì)在強(qiáng)電場作用下，其絕緣性能遭到破壞，由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體的過程。使介質(zhì)發(fā)生電擊穿的臨界場強(qiáng)叫擊穿場強(qiáng)，相應(yīng)的電壓叫擊穿電壓。各種介質(zhì)的擊穿電壓是不同的。表2.1列出了不同介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)。必須指出：使介質(zhì)發(fā)生電擊穿，從而引起靜電放電的最直接因素是電場強(qiáng)度，而不是電壓，因?yàn)殡妷撼c場強(qiáng)有關(guān)外，還與發(fā)生放電的帶電體(又叫電極)之間的距離有關(guān)。

(2)靜電放電在多數(shù)情況下是一個(gè)瞬態(tài)大電流過程。發(fā)生靜電放電時(shí)，介質(zhì)被擊穿發(fā)生電離，所產(chǎn)生的帶電離子在電場力的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，從而形成離子電流，又叫放電電流。又因?yàn)樵诎l(fā)生靜電放電時(shí)，帶電體或稱ESD源上的電荷不像有源放電那樣，可以得到持續(xù)的供給，所以放電電流持續(xù)的時(shí)間是極短的。一般一次放電持續(xù)的時(shí)間僅為微秒(μs)甚至納秒(ns)量級。過去一般認(rèn)為ESD過程是一個(gè)小電流的過程，主要是當(dāng)時(shí)的測量電流的儀器對極短暫的放電過程不能響應(yīng)，只能測量出多次放電過程中電流的平均值。現(xiàn)在隨著測量技術(shù)和測量儀器的進(jìn)步，已證明在大多數(shù)情況下，靜電放電會產(chǎn)生瞬時(shí)大電流。

(3)靜電放電具有脈沖性質(zhì)。靜電放電從本質(zhì)上說是帶電體上儲存的靜電能量迅速釋放的過程。但是對于帶電的導(dǎo)體和介質(zhì)來說，其釋放能量的形式是不同的。當(dāng)帶電導(dǎo)體對接地體發(fā)生靜電放電時(shí)，其儲存的能量一般是一次性地全部釋放，因而放電的脈沖性質(zhì)不明顯，有些導(dǎo)體的放電，如電暈放電也會表現(xiàn)出較明顯的脈沖性質(zhì)。但帶電介質(zhì)對接地體發(fā)生靜電放電時(shí)與導(dǎo)體有很大的不同，不能通過一次放電釋放其全部能量，而只是釋放其中的一部分，隨后還會發(fā)生第二次、第三次以至更多次的放電，亦即介質(zhì)放電具有多次、間歇的脈沖性質(zhì)。

(4)靜電放電不僅會產(chǎn)生熱效應(yīng)，而且會產(chǎn)生明顯的電磁效應(yīng)。靜電放電時(shí)形成的放電電流會形成所謂的靜電放電電磁脈沖(ESD/EMP)。其頻帶為幾百千赫茲至幾百兆赫茲(即105~109Hz)，而幅值可達(dá)幾十毫伏。靜電放電的熱效應(yīng)和電磁效應(yīng)是靜電在工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中造成許多危害的根源所在。以往傳統(tǒng)的靜電防護(hù)主要關(guān)心的是靜電放電電流的熱效應(yīng)引起的危害，即ESD產(chǎn)生的注入電流對電火工品或粉塵的引燃、引爆問題，而忽略了ESD的電磁脈沖效應(yīng)。

(5)靜電放電可在各種物質(zhì)形態(tài)中發(fā)生。

ESD可在氣體中發(fā)生，也可以在固態(tài)的或是液態(tài)的、粉塵態(tài)的物質(zhì)中發(fā)生。

2.2氣體放電的物理過程及其特征

1.氣體放電的物理過程

1)碰撞電離階段氣體放電是氣體介質(zhì)被高度電離的結(jié)果。使中性氣體分子分離為正、負(fù)離子(包括自由電子)的過程叫氣體的電離。

理論研究表明，電子的平均自由程約為同壓強(qiáng)下氣體原子或分子自由程的5.6倍(例如，實(shí)驗(yàn)測出在10-4mmHg壓力下，電子平均自由程的數(shù)量級為102cm，即為幾米)。在這樣長的過程中，自由電子受外電場加速就可能獲得較大的速度和能量。但當(dāng)外電場較弱時(shí)，自由電子速度不大，它所具有的能量達(dá)不到原子激發(fā)的要求，原子不吸收其能量。這樣，自由電子與原子或分子的碰撞只能是彈性的。顯然，在彈性碰撞階段空氣不能發(fā)生電離。而當(dāng)外電場足夠強(qiáng)時(shí)，被加速的電子能量隨之增大，其動(dòng)能可能全部交給與之碰撞的氣體原子或分子，并使后者激發(fā)或電離，這就發(fā)生了具有能量轉(zhuǎn)移的非彈性碰撞。顯然，只有彈性碰撞發(fā)展到非彈性碰撞階段才會引起電離，這就叫碰撞電離。

設(shè)電離是一次性的(即原子或分子與電子作非彈性碰撞后又失掉一個(gè)電子變成單價(jià)離子)，若以

Wi表示電離能，且自由電子的動(dòng)能必須不小于Wi

才能使原子電離，又以(U1-U2)m表示氣體原子發(fā)生電離所需的最小電位差(又稱電離電位)，則發(fā)生電離時(shí)應(yīng)有式中，e為電子電量。可以用實(shí)驗(yàn)的方法測量各種氣體的電離電位，如H2

的電離電位是15.4V，N2為15.8V，He為24.27V，Ar為15.69V。

2)電子雪崩階段碰撞電離新產(chǎn)生的電子與原有電子一起被電場加速，又進(jìn)一步引起新的碰撞電離，每一次碰撞都使得電子與正離子數(shù)目倍增，這樣，電離將連鎖式地進(jìn)行，如圖2.1所示。在此過程中，笨重的正離子遷移得很緩慢，可視作靜止不動(dòng)，僅僅電子以雪崩的形式增加，這種現(xiàn)象被形象地稱為電子雪崩。

圖2.1電子雪崩的形成

在通常放電條件下，正離子尚不足以引起碰撞電離，即不直接參與形成雪崩。但當(dāng)正離子到達(dá)陰極之際，將會從陰極撞擊出電子(俗稱次級電子)，它擔(dān)負(fù)著補(bǔ)給形成雪崩核的作用。此外，由于正離子移動(dòng)速度緩慢，在很長的空間范圍內(nèi)停留，所以其電荷將對空間的電位、電場發(fā)生顯著的影響，間接使電子運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，從而也對氣體放電發(fā)生一定的影響，這種作用稱為空間電荷效應(yīng)。

設(shè)以某個(gè)電子最初的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，并設(shè)引起電子雪崩后該電子逆著電場方向前進(jìn)了x(cm)，則該處的電子數(shù)目將從一個(gè)增為式中，α

為氣體的電離常數(shù)，指一個(gè)電子逆著電場方向前進(jìn)1cm時(shí)所引起碰撞電離的次數(shù)，即自由程的倒數(shù)，單位是1/cm；d是兩極之間的距離，單位是cm。應(yīng)當(dāng)注意式(2.2)僅適用于均勻電場的情況。

3)電離的自持階段必須指出，即使放電進(jìn)入電子雪崩階段，只要外加電場停止作用，放電也將中止。這是因?yàn)榇藭r(shí)只有電子具有電離中性分子的本領(lǐng)，而正離子尚不能引起碰撞電離。這就使得氣體放電具有單向簇射的性質(zhì)，即一個(gè)電子與中性分子碰撞，從分子中擊出一個(gè)電子，同時(shí)剩下一個(gè)正離子；向陽極運(yùn)動(dòng)的這兩個(gè)電子再與中性分子碰撞，又給出兩個(gè)電子與兩個(gè)正離子，依此類推。但因正離子不能對中性分子電離，故外加電場一旦停止作用，則在電離電子飛到陽極后，放電也就終止了。

如果加在兩極上的電位差足夠大，以致正離子也獲得了電離中性分子的能力，則放電就具有了雙向簇射性質(zhì)。即正離子與中性分子碰撞時(shí)也將擊出一個(gè)電子，同時(shí)得到一個(gè)正離子，如圖2.2所示，它們在分別向兩極移動(dòng)的過程中都能使中性分子再電離，這時(shí)電離電流已不再是原來氣體內(nèi)存在的少量電子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，而是由于氣體本身所產(chǎn)生大量電子和其他帶電離子而引起的，因此稱為自激導(dǎo)體。

圖2.2自持階段示意圖這時(shí)空氣實(shí)際上變成了導(dǎo)體，通常稱為擊穿，即使外加電勢差消失，放電電流仍將維持下去，此時(shí)氣體放電進(jìn)入自持階段(或叫自源階段)。從理論上可以證明：氣體獲得自持放電的電流強(qiáng)度為

式中，Is

是氣體未發(fā)生電離時(shí)的飽和電流，單位為A。

4)電子及離子的消失階段放電時(shí)產(chǎn)生的電子和正離子分別達(dá)到極性相反的電極后，電子被陽極所吸收，而正離子在陰極處拉出電子復(fù)合為中性分子。此外，電離的逆過程，即電子與正離子的復(fù)合，或電子、離子由放電區(qū)域向外界擴(kuò)散發(fā)生逸散，也會使得電荷載體消失。這些消失過程支配著放電通道中電子和離子的密度，對于放電形態(tài)有一定的影響。

2.氣體放電的伏安特性如圖2.3所示，將空氣置于電極之間，并在極板上施加可調(diào)的直流電壓，測量氣體放電的伏安特性，得到電流隨電壓變化的關(guān)系曲線——?dú)怏w放電的伏安特性曲線，如圖2.4所示。

圖2.3測量伏安特性的電路圖

圖2.4氣體放電伏安特性曲線在靜電放電的情況下，起放電電源作用的是空間電荷或物體上積累的靜電荷，所儲存的能量既是有限的，又不具有維持持續(xù)放電的能力。故其放電情況屬于后者，即光跡閃亮后放電即告終止。但在很多情況下，由于帶電體上靜電荷的繼續(xù)積累，將會發(fā)生多次間歇放電。由圖2.4可以看出，氣體導(dǎo)電不遵循歐姆定律(除電流很小時(shí))，放電電流與外加電壓不成比例。

2.3靜電放電的類型

氣體放電有很多種分類方法。按維持放電的條件可分為非自持放電(需要從外部提供帶電粒子才能維持的放電)和自持放電(放電本身能使帶電粒子的產(chǎn)生和復(fù)合得到平衡，即使不從外部提供帶電粒子，其自身也能維持下去的放電)；按擊穿程度可分為局部擊穿和全路擊穿；按電極間的電場分布分為均勻電場放電和非均勻電場放電；按放電形態(tài)分為電暈放電和火花放電等。從前面的討論可以看出，在研究靜電放電和介質(zhì)擊穿時(shí)，我們實(shí)際上是以金屬電極間施加直流電壓所形成的放電代替了真正意義上的放電。事實(shí)上，這兩種放電是有區(qū)別的。首先，在靜電放電的情況下，放電電源的正電荷，并不像外加直流電源那樣具有維持持續(xù)放電的能力，在很多情況下，它只能提供短暫發(fā)生的局部擊穿能量；其次在放電通道長度相同的條件下，靜電放電釋放的能量要比金屬電極間產(chǎn)生的放電能量小得多，放電波形也要復(fù)雜一點(diǎn)?？傊?，靜電放電要比外加直流電源的金屬電極放電復(fù)雜，但仍經(jīng)常用對后者的研究取代對前者的研究，這主要因?yàn)橥饧又绷麟娫吹慕饘匐姌O的放電較之靜電放電容易實(shí)現(xiàn)，也容易復(fù)現(xiàn)，當(dāng)然兩者之間也具有相似的規(guī)律。

2.3.1電暈放電

1.電暈放電的定義若作用于空氣介質(zhì)的外電場是非均勻的，如圖2.5所示的針尖

平板電極，當(dāng)在兩極間施加一定電壓時(shí)(如針尖電極接高壓，平板電極接地)，則在兩極之間形成一定的非均勻電場分布，其中尖端附近的場強(qiáng)要比其他地方的場強(qiáng)大得多，當(dāng)極間電壓升高至某一臨界值Uc

時(shí)，氣體首先在尖端附近的高場強(qiáng)區(qū)域被電離，發(fā)生局部放電而形成霧狀光輝區(qū)，這種放電形式叫電暈放電(CoronaDischarge)。簡言之，電暈放電就是帶電體表面附近氣體中發(fā)生局部放電的現(xiàn)象，或在不均勻電場中以局部擊穿形式出現(xiàn)的一種氣體放電。開始出現(xiàn)放電的臨界電壓Uc

稱為起暈電壓，相應(yīng)的電場強(qiáng)度叫起暈場強(qiáng)Ec，霧狀光輝區(qū)稱為電暈區(qū)，能夠發(fā)生電暈放電的電極(如上所述的針尖)叫電暈極。

圖2.5針尖

平板電極結(jié)構(gòu)

2.電暈放電的特點(diǎn)

1)電暈放電只在非常不均勻的電場中才會發(fā)生在圖2.5中，若從起暈電壓Uc開始繼續(xù)提高極間電壓，則針尖附近的電暈區(qū)范圍將隨之?dāng)U大，直到擴(kuò)大至對面的平板電極，放電貫穿了整個(gè)極隙間的氣體從而過渡到火花放電，氣體達(dá)到了完全擊穿，所以可以認(rèn)為電暈放電是一種不完全的火花放電。但若將尖端電極改用曲率半徑很大的導(dǎo)體甚至采用平板電極，則隨著電壓的上升，放電一般不經(jīng)過電暈階段而直接發(fā)展到完全擊穿。具體地說，只有當(dāng)某一電極或兩個(gè)電極本身的尺寸較極間距離小很多時(shí)才會出現(xiàn)電暈放電。例如在空氣中，兩根平行細(xì)導(dǎo)線間的放電，只有當(dāng)兩導(dǎo)線間距離d

與細(xì)導(dǎo)線的半徑r

之比d/r>5.85時(shí)，才能產(chǎn)生電暈放電，否則隨著極間電壓的升高，兩極間直接產(chǎn)生火花放電。除兩平行細(xì)線電極結(jié)構(gòu)外，其他能產(chǎn)生電暈放電的典型的電極結(jié)構(gòu)有：共軸的細(xì)導(dǎo)線、共軸圓筒、細(xì)線

平板電極。此外，處于空氣中的帶電體及接地體表面上有突起或棱角處有時(shí)也會發(fā)生電暈放電，又稱尖端放電。

2)電暈放電電流具有脈沖性質(zhì)在圖2.5所示的針尖

平板電極中，若針尖接高壓直流電源的負(fù)極，平板接正極，即電暈極為負(fù)，則電暈區(qū)生成的陽離子向電暈極趨近并被吸收，而電子則跑到電暈區(qū)之外，一般是電子先附著在具有電子親合性的氣體分子上形成負(fù)離子后，再趨向陽極。反之若電暈極為正，則電暈區(qū)產(chǎn)生的電子趨向電暈極并被吸收，而正離子則跑出電暈區(qū)趨向陰極平板，因此無論在何種情況下，在兩電極間都會由于電子和離子的定向運(yùn)動(dòng)而形成一定的電流，叫電暈電流。在這個(gè)過程中，由于離子與中性氣體分子間也要反復(fù)進(jìn)行碰撞，故中性氣體分子也在其運(yùn)動(dòng)方向上被驅(qū)動(dòng)，在兩極間產(chǎn)生每秒數(shù)米的低速氣流，叫電暈風(fēng)。所以在觀察電暈放電時(shí)，不僅看到尖端附近的霧狀光環(huán)，有時(shí)還能聽到“嘶嘶”的聲響，就是電暈風(fēng)形成的。

圖2.6是電暈極為負(fù)時(shí)，電暈放電電流隨時(shí)間的變化關(guān)系。電暈放電電流具有周期性的脈沖形式這一現(xiàn)象最早于1938年由Trichel所發(fā)現(xiàn)，被稱為Trichel脈沖，由于這些脈沖正好處于射頻段，因此會產(chǎn)生強(qiáng)烈的射頻(radiofrequency)干擾，對于航空、航天以及武器裝備中的微電子系統(tǒng)產(chǎn)生危害。

圖2.6電暈放電電流隨

3)電暈放電形態(tài)及擊穿電壓與電暈極性有關(guān)通常把電暈極為負(fù)時(shí)發(fā)生的電暈放電叫負(fù)電暈，此時(shí)電暈區(qū)里存在大量電子或負(fù)離子；把電暈極為正時(shí)發(fā)生的電暈放電叫正電暈，此時(shí)電暈區(qū)里存在大量正離子。實(shí)驗(yàn)表明：這兩種電暈的形態(tài)是不同的。負(fù)電暈的電暈區(qū)范圍小，輝光明亮而集中，且顏色呈淺藍(lán)色。相反正電暈的電暈區(qū)范圍大，輝光暗淡而分散，顏色呈淡紅色。此外這兩種電暈在一定的極隙下，負(fù)電暈的擊穿電壓要比正電暈高。這一點(diǎn)在靜電應(yīng)用技術(shù)中是非常有用的。

4)電暈放電是一種小電流，是空氣被局部電離的過程電暈放電是空氣的一種局部電離或不完全擊穿，故產(chǎn)生的放電電流很小，在直流電暈情況下一般為1微安至數(shù)百微安，而由靜電放電引起的電暈放電電位就更小了，因此一般不具備引燃、引爆的能力。這一特性使電暈放電在靜電應(yīng)用技術(shù)和靜電防護(hù)技術(shù)中都獲得了重要的應(yīng)用。

3.電暈放電參數(shù)的計(jì)算電暈放電的起暈電壓Uc(或起暈場強(qiáng)Ec)和擊穿電壓Ub(或擊穿場強(qiáng)Eb)是表示電暈放電的重要參數(shù)，下面給出幾種電極結(jié)構(gòu)發(fā)生電暈放電時(shí)有關(guān)參數(shù)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。

1)針尖

平板電極如圖2.7所示，對針(錐)尖

平板這對電極所建立的不均勻電場來說，估算起暈場強(qiáng)Ec

和起暈電壓Uc的公式分別為空氣的相對密度是一無量綱量，規(guī)定在t=25℃，氣壓為p=760mmHg的測試條件下，D=1。在其他溫度和氣壓下：

針尖電極如前所述與電暈極性有關(guān)，當(dāng)針尖為負(fù)時(shí)，即對于負(fù)電暈有當(dāng)針尖為正極時(shí)，即對于正電暈有

式中，d均為極間距離；Ub

為擊穿電壓(kV)。應(yīng)當(dāng)注意式(2.7)和式(2.8)僅當(dāng)極間距離為30~125cm時(shí)才適用。

2)細(xì)導(dǎo)線

圓筒電極這種電極又稱共軸圓筒

導(dǎo)線電極，如圖2.8所示。設(shè)圓筒電極的半徑為R，細(xì)導(dǎo)線電極的半徑為r，則當(dāng)二者之比R/r>10時(shí)，起暈場強(qiáng)可表示為

圖2.8細(xì)導(dǎo)線-圓筒電極

式中的系數(shù)η可查閱有關(guān)手冊；Eb

為介質(zhì)厚度也為d

的一個(gè)平行板電容器電場的擊穿場強(qiáng)，Eb的確定與d

值有關(guān)，當(dāng)d

約為0.1cm時(shí)：當(dāng)d

約為1cm時(shí)：當(dāng)d

為其他值時(shí)可參考Eb-lnd曲線。相應(yīng)的起暈電壓為這種電極的擊穿電壓(指負(fù)電暈)為x

3)細(xì)線

平板電極細(xì)線

平板電極的結(jié)構(gòu)如圖2.9所示，其所產(chǎn)生的電場是一種極不均勻的電場，計(jì)算起暈電場的經(jīng)驗(yàn)公式為式中k

為細(xì)導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)，對于光滑導(dǎo)線，k=1；r

為細(xì)導(dǎo)線電極的半徑。相應(yīng)的起暈電壓為

圖2.9細(xì)線-平板電極示意圖細(xì)線

平板電極電場的擊穿電壓從形式上仍可用公式：

其中的系數(shù)η可查閱有關(guān)資料。有時(shí)發(fā)生電暈放電的電暈極可以同時(shí)是陽極和陰極，當(dāng)陰極和陽極曲率都很大時(shí)(如針尖

針尖電極或細(xì)導(dǎo)線

細(xì)導(dǎo)線電極)，兩電極附近的電場都比中間區(qū)域強(qiáng)得多，則負(fù)電暈和正電暈兩種形式同時(shí)出現(xiàn)，稱為雙極電暈。式(2.9)~(2.16)中，Ec、Eb

的單位為kV/cm，Uc、Ub

的單位為kV，d、r、R

的單位為cm。

2.3.2火花放電

1.火花放電的定義

火花放電(SparkDischarge)是電極間的電位差足夠高時(shí)，致使極間氣相空間全路徑被擊穿的一種放電形式，如圖2.10所示。

圖2.10火花放電示意圖

2.火花放電的特點(diǎn)

(1)火花放電伴隨著強(qiáng)烈的發(fā)光和爆裂聲響。(2)火花放電也具有脈沖性質(zhì)(間歇性)。(3)火花放電的引燃引爆能力和電磁破壞力均較強(qiáng)。(4)火花放電既可以在均勻電場中發(fā)生，也可以在非均勻電場中發(fā)生。(5)火花放電的類型主要決定于電極間隙和氣體壓強(qiáng)的乘積。還應(yīng)當(dāng)指出：人體形成的靜電火花放電與一般導(dǎo)體形成的靜電火花放電是不完全相同的。在一般情況下，帶電導(dǎo)體發(fā)生靜電放電時(shí)，形成一次火花通道便能放掉絕大部分甚至全部能量，即放電不具有明顯的脈沖性質(zhì)。但對于帶電人體的火花放電來說，人體阻抗是隨多種隨機(jī)因素而變化的，例如：隨人體靜電電位變化而變化，人的著裝也使人體與真正導(dǎo)體有很大不同，故人體發(fā)生火花放電時(shí)經(jīng)歷多次火花形成、消失的過程，即重復(fù)放電。每次放電過程僅能釋放人體靜電能量的一部分，呈現(xiàn)出一定的脈沖性。

3.火花放電擊穿電壓的估算

1)帕邢(Paschen)定律

帕邢定律是指在均勻電場中，氣體間隙的擊穿電壓Ub

和氣體壓強(qiáng)p

與極間距離d

的關(guān)系，可表示為式中：B

為氣體性質(zhì)常數(shù)(V/Pa·cm)；p

為氣體的壓強(qiáng)(Pa)；d

是極間距離(cm)；A

是氣體性質(zhì)常數(shù)(1/Pa·cm)；γ為系數(shù)，γ

的意義是一個(gè)正離子撞擊陰極表面而使陰極逸出的電子數(shù)目，由實(shí)驗(yàn)加以確定。一些氣體的A、B實(shí)驗(yàn)值如表2.2所列。

由帕邢定律也可繪出空氣的Ub

隨pd

變化的關(guān)系曲線，如圖2.11所示。由圖看出，對于空氣來說，在1.01×105Pa(即一個(gè)大氣壓)下，當(dāng)極間距離為7.5×10-6m，

pd=0.76Pa·m時(shí)，擊穿電壓有一最小值，約等于327V。

圖2.11空氣的Ub-pd

曲線

2)懷特赫德(Whitehead)經(jīng)驗(yàn)公式

該經(jīng)驗(yàn)公式按放電時(shí)氣體的壓強(qiáng)p(以atm為單位)與極間距離d(以cm為單位)的乘積pd(atm·cm)取不同范圍的值，有如下三種形式：

此外還可得出氣壓p=1atm的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，均勻電場中擊穿場強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式：

2.3.3刷形放電

1.刷形放電的定義

刷形放電(BrushDischarge)是發(fā)生于帶電的導(dǎo)體和絕緣體之間的一種放電，放電通道在導(dǎo)體一端是集中在某一點(diǎn)上，而在絕緣體的一端呈分散的樹枝狀，如圖2.12所示。刷形放電的絕緣體可以是固體、液體和氣體。

圖2.12刷形放電

2.刷形放電的特點(diǎn)

(1)刷形放電也伴有聲光，但放電范圍分布在較大的范圍內(nèi)，能量相對不夠集中，故在單位空間范圍內(nèi)釋放的能量較小，其放電等效能量約為1.0~3.6mJ，具有一定的引燃能力，但低于火花放電，強(qiáng)于電暈放電。

(2)刷形放電能量與放電的導(dǎo)體尺寸及絕緣體的表面積有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，導(dǎo)體線度越大，絕緣體帶電面積越大，刷形放電釋放的能量也越大。

(3)刷形放電的區(qū)域大小與帶電極性有關(guān)。當(dāng)絕緣體相對于導(dǎo)體為正電位時(shí)，發(fā)生刷形放電時(shí)在絕緣體上所形成的放電區(qū)域?yàn)榫鶆虻膱A形，放電面積比較小，所釋放的能量也比較少。反之，當(dāng)絕緣體相對于導(dǎo)體為負(fù)電位時(shí)，發(fā)生刷形放電時(shí)在絕緣體上所形成的放電區(qū)域是不規(guī)則的星狀區(qū)域，放電面積也比較大，所釋放的能量也比較多。

2.3.4沿面放電

沿面放電(dischargealongsurface)又稱為傳播型刷形放電，也稱利奇登別爾格(Lichtenberg)放電，它是沿氣體與固體界面的一種放電現(xiàn)象，或者說，是固體介質(zhì)在氣體中的表面擊穿。當(dāng)沿面放電發(fā)展成貫穿性的擊穿時(shí)，稱為閃絡(luò)。閃絡(luò)時(shí)電極間的電壓叫閃絡(luò)電壓。也可以這樣理解：沿面放電是指帶電絕緣體接近接地體時(shí)，幾乎在與帶電體和接地體之間發(fā)生放電的同時(shí)，沿帶電絕緣體表面發(fā)生的一種放電。沿面放電具有固定形狀的發(fā)光，一般是樹枝狀，如圖2.13所示，且形狀一旦形成基本不再改變。沿面放電的能量很大，有時(shí)甚至達(dá)到數(shù)焦耳，因此其引燃引爆能力極強(qiáng)。

圖2.13沿面放電

1.沿面放電發(fā)生的條件經(jīng)推算，只有當(dāng)固體的表面電荷面密度大于2.7×10-4C/m2

時(shí)，才有可能發(fā)生沿面放電，但在常溫、常壓條件下，這樣高的面電荷密度是難以出現(xiàn)的。因?yàn)榭諝庵袉螛O性固體的表面電荷密度的極限是2.7×10-5C/m2，超過這一數(shù)值時(shí)就會使空氣電離，從而由于中和作用而使固體電荷密度降低。

2.影響閃絡(luò)電壓的因素沿面放電的發(fā)生和伸展條件相當(dāng)復(fù)雜，要像前述的氣體放電形式那樣給出表面電壓(即閃絡(luò)電壓)的定量表示是困難的。當(dāng)固體介質(zhì)處于均勻電場中，且電場線與固體和氣體的界面平行時(shí)，則發(fā)生沿面放電時(shí)影響閃絡(luò)電壓的因素有如下幾個(gè)：

(1)閃絡(luò)電壓與固體介質(zhì)材料的種類有關(guān)。不同種類的材料閃絡(luò)電壓不同，且對同一種性質(zhì)閃絡(luò)電壓隨極間距離的增大而升高，如圖2.14所示。

圖2.14均勻電場中的閃絡(luò)電壓與極間距離的關(guān)系

(2)閃絡(luò)電壓與介質(zhì)表面的吸水性有關(guān)。吸水性越好閃絡(luò)電壓越低。

(3)閃絡(luò)電壓與介質(zhì)表面電阻的均勻性有關(guān)。表面電阻越不均勻和介質(zhì)表面有傷痕裂紋時(shí)，閃絡(luò)電壓降低。

(4)閃絡(luò)電壓與介質(zhì)表面的沾污情況有關(guān)。有沾污時(shí)閃絡(luò)電壓降低。

(5)與電極和固體介質(zhì)接觸的緊密程度有關(guān)。接觸越不緊密，閃絡(luò)電壓越低。

(6)受空氣相對濕度的影響。在空氣相對濕度低于50%~60%時(shí)，閃絡(luò)電壓較高且隨溫度變化不大；當(dāng)空氣相對濕度超過50%~60%時(shí)，閃絡(luò)電壓隨溫度的增大而急劇降低。

2.4靜電放電的能量特征

2.4.1導(dǎo)體對導(dǎo)體的放電能量導(dǎo)體放電時(shí)其儲存的能量一般是一次性全面釋放。導(dǎo)體放電時(shí)之所以可以一次性釋放能量，本質(zhì)上還是因?yàn)閷?dǎo)體所帶電荷是分布于表面上，且處于可以自由移動(dòng)的狀態(tài)，故一旦出現(xiàn)放電通道，即可沿通道運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)移。而介質(zhì)帶電后，電荷基本處于束縛狀態(tài)，難于分散和轉(zhuǎn)移，故放電具有脈沖性。設(shè)導(dǎo)體的放電間距恒定，則放電時(shí)放出的靜電能量為式中，C

表示導(dǎo)體間的電容，ΔU1

和ΔU2

分別表示放電前后導(dǎo)體間的電位差。導(dǎo)體放電能量示意圖如圖2.15所示。

圖2.15導(dǎo)體放電能量示意圖在很多種情況下，測量電量轉(zhuǎn)移量更為方便，所以可將上式作如下變換。放電過程中電量的轉(zhuǎn)移量為將其代入能量的表達(dá)式得根據(jù)式(2.26)只需測出放電前導(dǎo)體電位差及放電中轉(zhuǎn)移的電量和導(dǎo)體間的電容，即可求出放電能量。

2.4.2電容的概念

1.孤立導(dǎo)體的電容孤立導(dǎo)體可視作與大地構(gòu)成的電容器，設(shè)導(dǎo)體帶電量為q，電位(即對地電位差)為U，則孤立導(dǎo)體的電容為即孤立導(dǎo)體的電容在數(shù)值上等于導(dǎo)體每升高1V電位所需的電量。

2.兩導(dǎo)體之間的電容(即電容器的電容)兩個(gè)任意形狀彼此靠近的導(dǎo)體，在周圍無任何其他導(dǎo)體或帶電體時(shí)，即組成一個(gè)電容器。設(shè)給兩個(gè)導(dǎo)體分別帶上q

的電量，其間電位差為ΔU，則電容器的電容為可見，電容器的電容在數(shù)值上等于兩導(dǎo)體間電位差為1V時(shí)，導(dǎo)體所帶的電量。它只與導(dǎo)體的尺寸、形狀、相對位置及其間介質(zhì)有關(guān)。

對于其他形狀的電容器有平行板電容器：

圓柱形電容器：球形電容器：

3.部分電容(多導(dǎo)體系統(tǒng)的電容)在由多個(gè)導(dǎo)體組成的多個(gè)體系中，電容的概念就比較復(fù)雜了。我們先看一個(gè)例子，在靜電測量中，有一種典型的測量，是由非接觸式靜電電位計(jì)測量絕緣導(dǎo)體的帶電電位，其電路圖如圖2.16所示。

圖2.16非接觸式電位計(jì)測量原理圖

1)自有部分電容自有部分電容指多導(dǎo)體系統(tǒng)中，每一導(dǎo)體對參考導(dǎo)體(一般取大地)之間的電容。如上例中的Ct、Cs、Ci

分別是導(dǎo)體

A、探頭P、儀表B對大地的電容，因而屬于自有部分電容。某個(gè)導(dǎo)體的自有部分電容在數(shù)值上等于除參考導(dǎo)體以外的所有導(dǎo)體連接在一起時(shí)，為使該導(dǎo)體與參考導(dǎo)體之間建立1V的電位差該導(dǎo)體所帶的電量，如圖2.17所示，顯然它與孤立導(dǎo)體電容的概念是不同的(自有部分電容一般用C10，C20…表示)。

圖2.17自有部分電容

2)互有部分電容

由于除該兩導(dǎo)體外，周圍還存在著其他導(dǎo)體，所以互有部分電容的概念不同于電容器的概念。如圖2.18所示，導(dǎo)體2與除導(dǎo)體1以外的所有其他導(dǎo)體(包括參考導(dǎo)體)相連時(shí)，為使導(dǎo)體2與導(dǎo)體1之間建立1V的電位差，導(dǎo)體2上所帶的電量稱為互有部分電容(互有部分電容一般用C12、C13…表示)。

上例中被測導(dǎo)體

A

和探頭P之間的電容為互有電容C0。在這個(gè)多導(dǎo)體系統(tǒng)中，自有電容Ct、Cs、Ci

和互有電容C0

構(gòu)成了

A

與P之間的總電容，其等值電容的電路圖如圖2.19所示。這里Ci

與Cs

并聯(lián)，再與Ct

串聯(lián)，然后又與C0

并聯(lián)，故

A、P之間的等值電容為

圖2.19等效電容

4.典型電極的電容計(jì)算公式

1)孤立導(dǎo)體孤立圓盤(半徑為R)：孤立平板(面積為A)：

孤立方框(方框由圓導(dǎo)線制成，圓導(dǎo)線半徑為r，方框邊長為d，且r?d)：

孤立圓環(huán)(圓環(huán)由導(dǎo)線制成，圓導(dǎo)線半徑為r，環(huán)半徑為R)：

孤立長棒(棒長為l，棒半徑為r)：

2)非孤立導(dǎo)體電極球與平板電極(如圖2.20所示)：球與球形電極(如圖2.21所示)：

圖2.20球與平板電極

圖2.21球與球形電極圓柱與平板平行電極(如圖2.22所示，l為柱長)：

圖2.22圓柱與平板平行電極圓柱與平板垂直電極(如圖2.23所示，l為柱長)：

圖2.23圓柱與平板垂直電極平行圓柱電極(如圖2.24所示，l為柱長)：圖2.24常用導(dǎo)體(對地)的電容值如表2.3所示。

2.4.3介質(zhì)對導(dǎo)體放電的能量

1.大脈沖放電測試法前面已得出導(dǎo)體對導(dǎo)體釋放能量的計(jì)算公式，現(xiàn)在以此為基礎(chǔ)討論帶電絕緣體與導(dǎo)體放電，如帶電的塑料薄膜對接地金屬球的放電。如圖2.25所示，當(dāng)金屬球不斷向帶電塑料表面接近時(shí)，也具有間歇性的脈沖性質(zhì)，其脈沖間隔和峰值電壓雖然都是隨機(jī)的，但因是刷形放電，所以偶爾會出現(xiàn)可能成為點(diǎn)火源的大脈沖放電。

圖2.25大脈沖放電原理圖

大脈沖放電的特性與導(dǎo)體之間的放電十分相似，因此可以從式(2.26)出發(fā)并通過實(shí)驗(yàn)對其修正，得出帶電介質(zhì)對導(dǎo)體大脈沖放電能量的估算公式：式中：W

表示大脈沖放電能量；α

表示修正系數(shù)；ΔU1d表示帶電介質(zhì)放電前的表面靜電位；Qtd表示大脈沖放電時(shí)的電荷轉(zhuǎn)移量：Cd

表示微分電容。

微分電容的含義是大脈沖放電時(shí)的電荷轉(zhuǎn)移量與相應(yīng)的電位之比，即大脈沖放電的電量轉(zhuǎn)移量也可按以下經(jīng)驗(yàn)公式求出：

式中Qtd的單位是nC，D

為金屬球直徑，單位是mm。

2.一次性放電測試法設(shè)介質(zhì)放電時(shí)與轉(zhuǎn)移無限小的電荷元dq所對應(yīng)的放電能量為dW，則有dW=udq，其中u

是放電軌跡上的起始點(diǎn)和最終點(diǎn)之間的電位差，故帶電介質(zhì)一次放電中釋放的總能量為

雖然原則上可按式(2.47)計(jì)算帶電介質(zhì)的放電能量，但因帶電介質(zhì)表面一般不是等位面，而且?guī)щ姳砻娴男螤睢⒊叽缫搽y以精確地加以確定，所以在具體應(yīng)用該式時(shí)是相當(dāng)困難的。為此，可用帶電介質(zhì)表面的最大電位，亦即介質(zhì)與接地體之間的最大電位差um取代式(2.47)中逐點(diǎn)變化的電位u，這樣可近似估算出介質(zhì)的放電能量為

式中，q

是帶電介質(zhì)發(fā)生一次放電中所轉(zhuǎn)移的電荷總量。為確定q，可采用示波器法和直接檢查靜電放電火花法。2.5靜電放電模型

靜電放電(ESD)是一個(gè)復(fù)雜多變的過程。這主要表現(xiàn)在以下幾方面：靜電放電有各種不同的類型，能產(chǎn)生靜電放電的物體(ESD源)是多種多樣的。同一ESD源對不同的物體放電時(shí)，往往產(chǎn)生不同的結(jié)果；同一ESD源對同一物體放電的結(jié)果也因環(huán)境條件的不同而異。這種復(fù)雜多變性使得人們難以深入地研究ESD規(guī)律，難以準(zhǔn)確有效地對ESD危害進(jìn)行評估。2.5.1人體模型(HBM)人體模型用來模擬帶電人體向其他物體發(fā)生靜電放電的過程。人是生產(chǎn)和科研活動(dòng)的主體，人體是產(chǎn)生靜電危害最主要的ESD源。人體在日?；顒?dòng)和生產(chǎn)操作中都可能產(chǎn)生不同數(shù)值的靜電，其靜電電位從數(shù)十伏至數(shù)萬伏不等。

人體作為導(dǎo)體存在電容和電阻，盡管人體也有電感，不過量值通常為零點(diǎn)幾微享，在大多數(shù)情況下可不予以考慮?；谝陨险J(rèn)識，人體的電氣模型可視為電容器與電阻器串聯(lián)所組成的系統(tǒng)。為建立人體的ESD模型，需首先估算典型的人體電阻值和電容值。

1.人體電阻

1)人體自身電阻人體自身電阻是指由人體皮膚和體內(nèi)機(jī)體組織(如血液、肌肉、骨骼等)所決定的電阻。它決定了人體靜電放電特征和承受靜電電擊的能力。自身電阻具有相當(dāng)寬的取值范圍，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道約在25~10MΩ之間變化。但在靜電條件下，主要考慮0.5~5kΩ的變化范圍(公稱電阻一般取1.5kΩ)。人體自身電阻雖然主要取決于人體皮膚和內(nèi)部組織本身，但受外界條件的影響也非常明顯，主要是受水分的潤濕、測試電壓及對地絕緣程度(鞋子與地面)等因素的影響。

人體各部位電阻及其受汗?jié)?、水潤濕的影響情況如表2.4所列。

人體自身電阻和測試電壓的關(guān)系曲線如圖2.26所示。由圖可見，二者之間的變化是非線性關(guān)系，測試電壓升高時(shí)，人體自身電阻呈下降趨勢。

圖2.26人體電阻和測試電壓的關(guān)系曲線

2)人體對地電阻人體自身電阻決定了人體靜電放電特性和人體抗擊靜電電擊的能力。但就實(shí)際情況而言，人的生產(chǎn)操作和日?；顒?dòng)都是著裝(包括鞋子)條件下在地面上進(jìn)行的，所以在靜電防護(hù)技術(shù)中，討論人體對地電阻也是非常重要的。人體對地電阻是指人體在正常穿戴情況下對大地的泄漏電阻值，即放電回路中人體的等效電阻。它主要取決于鞋襪和地坪的材料，表2.5和表2.6分別是人體赤腳站在不同材料地坪上的對地電阻以及人體穿不同種類的鞋子站在導(dǎo)體地面上的對地電阻。

2.人體電容

一般認(rèn)為人體的電容由兩部分組成，一部分是人體雙腳對地面的電容，它可等效為雙腳通過鞋底與地面構(gòu)成的平行板電容器的電容；另一部分是人體其他部分(主要是軀干)對地面及周圍導(dǎo)體的電容，它可等效為一個(gè)孤立導(dǎo)體的電容。在估算這部分電容時(shí)需把人體等效為幾何形狀較為規(guī)則的導(dǎo)體(如十字架、柱形、球形)，其中最常用的是球形，并把這一孤立導(dǎo)體球的半徑取作人體身高的一半，而人體總電容則為以上這兩部分電容并聯(lián)的結(jié)果。

由此可得人體電容的估算公式為

為方便起見，將上式化為pF為單位，并將ε0=8.85×10-12F/m代入后則有式中，εr

為鞋底材料的相對電容率，S是兩個(gè)鞋底的總面積，d

是鞋底的厚度，H

是人體的身高。

應(yīng)當(dāng)指出，按照式(2.49)計(jì)算出的電容要比一些報(bào)道中測量的人體電容值偏大。造成這一結(jié)果的原因是：總的來說人體的高度要比其寬度和厚度大得多，在計(jì)算時(shí)取球體半徑r=H/2，往往會過高地估計(jì)了第二部分的電容。考慮到這一點(diǎn)，有些學(xué)者提出在計(jì)算時(shí)不管人體身高如何，都取等效球的半徑r=0.5m，這樣得到的第二部分電容為56pF(或者按孤立圓柱體電容器計(jì)算第二部分電容，可稱為靜態(tài)電容)。

3.人體ESD模型

1)早期的人體ESD模型

1962年，美國國家礦務(wù)局通過對22個(gè)人進(jìn)行電容測試，得出人體電容在90~98pF之間，而對100個(gè)人進(jìn)行兩手之間電阻的測試，得出人體電阻的平均值為4kΩ。這些測試結(jié)果為建立人體ESD模型提供了最早的依據(jù)，并一度被許多公司和機(jī)構(gòu)采用。

2)中期的ESD模型

20世紀(jì)六七十年代，人體靜電放電對微電子元器件造成的擊穿損害已相當(dāng)嚴(yán)重，因此電子行業(yè)中的很多研究者致力于對人體ESD模型的研究。他們用比較真實(shí)的人體放電和各種模擬人體放電電路在放電時(shí)對元器件的損壞情況，來確定典型的人體模型參數(shù)。如1976年Kirk等人用這種方法得到人體參數(shù)為C=132~190pF，R=87~190Ω。

3)現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)的人體ESD模型

在廣泛研究考察了電子行業(yè)中各種ESD模型后，美國海軍司令部在1980年5月發(fā)布的DOD1686標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的ESD模型，即用100pF的電容器串聯(lián)1.5kΩ的電阻作為標(biāo)準(zhǔn)的人體ESD模型。這種模型參數(shù)很快被人們普遍接受。其原因與其說是這種模型比較準(zhǔn)確，不如說人們希望達(dá)到統(tǒng)一。此后在1988年和1989年分別發(fā)布的美國軍標(biāo)MIL-STD1686A和MIL-STD883C中仍使用這一人體電氣模型。從實(shí)用的角度看，人體的ESD模型是基于帶有靜電的操作者在工作過程中與電子元器件的管腳接觸，將儲存于人體的靜電通過元器件放電而使之失效而建立的。標(biāo)準(zhǔn)人體ESD模型對敏感電子元器件測試電路如圖2.27所示。

圖2.27人體ESD模型對敏感電子元器件的測試電路器件帶電模型2.5.2器件帶電模型(CDM)

器件帶電模型是以模擬的帶電元器件向其他物體發(fā)生靜電放電的過程。器件帶電模型是RLC電氣結(jié)構(gòu)，如圖2.28所示。圖2.28器件帶電模型

2.5.3電場感應(yīng)模型(FIM)當(dāng)對地絕緣的人體、電子元器件或其他物體處于靜電場中時(shí)，它們會因?yàn)殪o電感應(yīng)或極化而帶電；當(dāng)外電場足夠強(qiáng)時(shí)，這些物體上的感應(yīng)靜電位可達(dá)到足夠高，從而引發(fā)這些物體與其他物體之間的靜電放電。這類靜電放電過程稱為電場感應(yīng)靜電放電。

在模擬這一放電過程時(shí)，可根據(jù)參與放電的物體的不同，分別由人體帶電模型、器件帶電模型等模擬這些ESD源，相應(yīng)取值參考也按前述。由此可見，電場感應(yīng)模型并不是具體模擬某一ESD源，而是總體描述由于靜電場的電場感應(yīng)作用導(dǎo)致靜電放電而引起元器件失效的一種機(jī)制。2.5.4其他ESD模型

1.人體金屬模型(HMM)人體金屬模型用來模擬帶電的人體通過手持的小金屬物件如螺絲釘、鑰匙等對其他物體產(chǎn)生放電的過程。當(dāng)帶電人體手持小金屬物件時(shí)，由于金屬物件的尖端效應(yīng)，使其周圍的場強(qiáng)大大增強(qiáng)，再加上金屬物件的電極效應(yīng)，導(dǎo)致放電時(shí)等效電阻大大減小。因此，在同等條件下，與單位人體放電相比，它產(chǎn)生的放電電流峰值大，持續(xù)時(shí)間短，瞬時(shí)功率更大。所以，在建立該模型時(shí)仍取RC

串聯(lián)電路模型，放電電容取150pF，而放電電阻卻比人體模型小得多，取0.5kΩ或0.15kΩ。

2.家具模型(CFM)在建立家具模型時(shí)，仍應(yīng)用與帶電器件模型相似的RLC

電氣結(jié)構(gòu)，如圖2.28所示。電路中C為家具的儲能電容，L為回路電感，R

為放電電阻，其中C是最重要的模型參數(shù)，在給定帶電電壓時(shí)，它決定了帶電家具所儲存靜電能量的大小，該模型中

一

般

取C=150pF。另外，因家具帶電時(shí)，電荷主要分布在家具上的導(dǎo)體部分，故家具放電電阻比人體小得多，在模型中通常取R=15Ω，L=0.2~0.4mH。

3.ESD模擬器建立ESD模型的主要目的之一是根據(jù)模型來設(shè)計(jì)、制作相應(yīng)的靜電模擬器，以便用來實(shí)現(xiàn)各種模擬功能和對靜電敏感元器件進(jìn)行系統(tǒng)檢測。盡管ESD源的電氣模型非常簡單，但要制作出既能反映出真實(shí)ESD過程的主要特點(diǎn)又要具有很高的放電重復(fù)性的靜電模擬器，則是一件非常復(fù)雜的事情。這是因?yàn)镋SD本身只是一個(gè)瞬變過程，涉及頻率很高的高頻成分，因此模擬器中各種器件的布置、寄生參數(shù)及接地線與放電電阻的幾何尺寸，形狀都會對放電波形產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。另外，在ESD模擬器中，既有靜電高壓發(fā)生器又有控制和測量部分的低壓線路，所以，為保證放電電流波形滿足一定要求，在設(shè)計(jì)制作ESD模擬器時(shí)還需解決其自身的電磁兼容性問題。

在使用ESD模擬器對靜電敏感器件或系統(tǒng)進(jìn)行檢測時(shí)，如采用的放電方式不同，所要求的模擬器件的結(jié)構(gòu)及放電電極的形狀也不相同。ESD模擬器對被測物體進(jìn)行測試時(shí)，使模擬器的放電電極逐漸接近被測物體，直到電極和被測物體之間形成火花擊穿通道導(dǎo)致發(fā)生放電為止?？諝夥烹姺绞降奶攸c(diǎn)是放電由外部空氣擊穿形成火花通道而觸發(fā)，同時(shí)為減小電極的電暈效應(yīng)，放電電極的頂端一般都被制作成球狀?？諝夥烹姺绞降闹饕秉c(diǎn)是放電的重復(fù)性差，這是因?yàn)榭諝夥烹姺绞缴婕巴獠炕鸹ㄍǖ赖男纬蛇^程，而溫度、濕度以及模擬器放電電極接近被測物體的速度都會引起放電過程的顯著變化。由于這個(gè)原因，空氣放電方式已逐漸被接觸放電方式所替代。該方法的要點(diǎn)是在放電之前，先將ESD模擬器的放電電極與被測物體的敏感部分保持緊密的金屬接觸，之后由模擬器內(nèi)部的高壓繼電器觸發(fā)靜電放電，從而避免了空氣放電方式中影響因素很多的空氣擊穿過程，因此具有很好的放電重復(fù)性，也能反映實(shí)際ESD過程的主要特點(diǎn)。2.6靜電放電與引燃

靜電危害的主要形式之一是靜電放電火花作為點(diǎn)火源而引起的燃爆事故，又叫靜電災(zāi)害。形成靜電災(zāi)害的必要條件，一是帶電體積累足夠高的靜電電位而發(fā)生靜電放電，二是帶電體周圍存在可燃性混合物。2.6.1可燃性混合物與燃爆的概念

1.可燃性混合物

所謂可燃性混合物，是指可燃性物質(zhì)與助燃物質(zhì)，通常指空氣的混合物。凡能與空氣中的氧氣或其他氧化劑起反應(yīng)的物質(zhì)都叫可燃性物質(zhì)，如可燃性氣體(煤氣、氫氣)、可燃液體(輕質(zhì)油品、酒精)、可燃性固體(木材、紙張)；而助燃物質(zhì)主要是氧氣。由于空氣中含有21%的氧氣且空氣廣泛存在于各個(gè)場所，所以是最常見的助燃物質(zhì)。我們把可燃物質(zhì)與空氣的混合物簡稱為可燃性混合物。

應(yīng)當(dāng)指出：大部分可燃性物質(zhì)(包括固體、液體、氣體)其燃燒是在蒸氣或氣體狀態(tài)下進(jìn)行的，也就是說，固體燃燒一般并不是固體本身的燃燒，而是固體受熱后先熔化，再蒸發(fā)成蒸氣，然后燃燒，也有的受熱后不經(jīng)熔化而直接分解出可燃性氣體而燃燒。同樣，液體燃燒也并非液體本身的燃燒，而是液體蒸發(fā)出的蒸氣被分解、氧化而燃燒。

2.燃爆

1)燃燒

通常所說的燃燒就是物質(zhì)與氧的化合反應(yīng)，且是一種伴有發(fā)熱、發(fā)光的強(qiáng)烈氧化反應(yīng)。有些還包括分解反應(yīng)，如有些物質(zhì)的燃燒是物質(zhì)先分解，然后發(fā)生化合反應(yīng)。

2)燃爆

爆炸是什么?它與燃燒又有什么關(guān)系?爆炸是指壓力在瞬間向四周猛烈擴(kuò)散的現(xiàn)象。爆炸分為物理性爆炸和化學(xué)性爆炸。

基于以上論述，本教材討論的爆炸都是化學(xué)爆炸，并且由于這種爆炸與燃燒之間密切的關(guān)系，對于這兩個(gè)術(shù)語一般不再加以區(qū)別，而統(tǒng)稱為燃爆。2.6.2點(diǎn)火源和靜電放電火花的引燃機(jī)制

1.點(diǎn)火源

如果空間只存在燃爆混合物，而沒有點(diǎn)火源(又叫火種)，當(dāng)然也不會引起燃爆。所以，點(diǎn)火源是燃爆的必要條件之一。點(diǎn)火源主要是熱能源，常見的有以下幾種：

(1)明火：如火柴火、蠟燭火、打火機(jī)的火焰等。

(2)高溫物體：如暖氣管、煙囪。

(3)由電能以外的其他形式能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿幕鸱N。

常見的能量轉(zhuǎn)換形式有以下幾種：由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，如摩擦發(fā)熱、撞擊發(fā)熱，如鋼鐵摩擦碰撞時(shí)從表面飛濺出來的高溫金屬顆粒形成的火花，砂石、花崗巖、水泥等在受到外力撞擊時(shí)，由于巖石的晶體破碎而產(chǎn)生的火花；由化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，如分解熱、聚合熱、氧化反?yīng)；由光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，如陽光聚焦而產(chǎn)生的熱；由核能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，如核聚變時(shí)產(chǎn)生的熱能。

(4)電火種。電火種有三類：電氣火種、雷電火種和靜電火種。其中電氣火種是電荷通過電力線路或電氣設(shè)備所形成的火種，又分為導(dǎo)體過熱火種、瞬態(tài)過電壓引起的絕緣擊穿火種、油浸式電氣爆炸形成的火種及電氣火花類火種。電氣火種主要指電氣運(yùn)行過程中產(chǎn)生的電弧或電火花，包括帶負(fù)荷操作各種開啟開關(guān)、電焊機(jī)焊接、帶負(fù)荷導(dǎo)線故障性中斷時(shí)產(chǎn)生的電火花。雷電火種即雷電沖擊波火種、球雷火種，即通常人們所說的火球。靜電火種是靜電放電形成的火花。根據(jù)前面的介紹，靜電火種又分為火花放電、刷形放電、沿面放電等幾種類型。由此可見，靜電放電火花只是諸多點(diǎn)火源中的一種。

2.靜電放電火花的引燃機(jī)理

1)對可燃蒸氣、氣體與空氣混合物的引燃靜電放電火花引燃可燃蒸氣、氣體混合物的機(jī)理有兩種假說，即鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論和純熱學(xué)反應(yīng)理論。

(1)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論。近代關(guān)于物質(zhì)燃燒的基本理論認(rèn)為：燃燒是一種活性基或稱游離基，如OH基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。最初的游離基可經(jīng)熱分解、電離、光照或機(jī)械作用而產(chǎn)生，它是一種不穩(wěn)定的、瞬變的中間物，可以很快與助燃物質(zhì)如氧氣化合，并放出熱量，這熱量又促成新的游離基產(chǎn)生，然后再與氧化合，使燃燒連鎖式地進(jìn)行下去，直到終止。

(2)純熱學(xué)反應(yīng)理論。這種理論認(rèn)為：放電瞬間在靜電放電通道中能建立起一個(gè)點(diǎn)狀熱源，這個(gè)熱源所施放出的熱量能把一定半徑的球形容積內(nèi)的氣體加熱到某個(gè)極高的溫度，例如達(dá)到可燃物質(zhì)的燃燒溫度，于是就發(fā)生燃燒反應(yīng)。當(dāng)放電中止后，如果在熱點(diǎn)半徑所決定的球形區(qū)域內(nèi)溫度下降不大，且所耗散的能量又很快由燃燒所補(bǔ)充，則就會使燃燒繼續(xù)下去，以致釀成火災(zāi)。反之若熱點(diǎn)能量很快通過導(dǎo)熱及輻射而耗散，使熱點(diǎn)周圍的溫度達(dá)不到燃燒反應(yīng)的溫度，則可燃性物質(zhì)不發(fā)生燃燒。

2)對可燃性粉塵與空氣混合物的引燃

這種引燃與蒸氣或氣體引燃本質(zhì)上是相同的，其區(qū)別僅在于粉塵與空氣混合物的引燃實(shí)際上包括了兩個(gè)階段。在第一個(gè)階段，點(diǎn)火源的熱量使粉體物質(zhì)分解，并形成蒸氣或氣體與空氣的混合物，第二個(gè)階段點(diǎn)火源引燃已形成的可燃性混合物。靜電放電作為點(diǎn)火源能引燃可燃性物質(zhì)，歸根結(jié)底還是在靜電放電通道釋放出比較大的靜電能量，且這種能量主要是以熱的形式釋放。根據(jù)前面討論的靜電放電模型，火花放電、刷形放電和沿面放電所釋放的能量都比較大而且比較集中，特別是火花放電的火花柱中心溫度可達(dá)上萬度，外側(cè)溫度也達(dá)數(shù)千度，因而有很強(qiáng)的引燃能力。相反，電暈放電能量很小，屬低溫放電，一般不會引燃。

2.6.3物質(zhì)的燃爆性能參數(shù)

1.最小點(diǎn)火能

1)最小點(diǎn)火能的定義最小點(diǎn)火能是指在常溫常壓下，將可燃性物質(zhì)與空氣混合，在最敏感的條件下(即各種影響因素，諸如可燃性物質(zhì)的性質(zhì)和濃度、電極的形狀和火花間隙、電路參數(shù)等均處于各自最敏感的條件)引燃該混合物所需的最低能量。這個(gè)參數(shù)對于判斷靜電危害、保證安全生產(chǎn)十分重要。

2)最小點(diǎn)火能的測試方法最小點(diǎn)火能的測量方法比較復(fù)雜，目前應(yīng)用較多的是電容器放電火花法。即使用電容器放電來引燃可燃性物質(zhì)與空氣的混合物，而用剛好可引燃的電容器所儲存的能量作為該種可燃性物質(zhì)的最小點(diǎn)火能。其計(jì)算公式為式中，Wm

為電容器儲存的能量，C

為電容器的電容，U

為放電時(shí)的電壓。各種可燃物質(zhì)的最小點(diǎn)火能有很大不同，表2.7給出了一些典型數(shù)值。

3)影響點(diǎn)火能的主要因素

(1)與可燃性物質(zhì)混合物的氣體種類有關(guān)。表2.7列出的都是可燃性物質(zhì)與空氣混合物混合時(shí)的最小點(diǎn)火能，這也是使用最多的一種情況。

(2)與相混合氣體的溫度和壓強(qiáng)有關(guān)。圖2.29和2.30分別表示丙烷與空氣混合物的最小點(diǎn)火能隨氣體的溫度(T)和壓強(qiáng)(p)變化的關(guān)系曲線。由圖可見，當(dāng)溫度升高或壓強(qiáng)增大時(shí)，物質(zhì)的最小點(diǎn)火能將降低。這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高或壓強(qiáng)增大時(shí)物質(zhì)的活性增大，對靜電放電變得更為敏感。

圖2.29最小點(diǎn)火能與溫度的關(guān)系

圖2.30最小點(diǎn)火能與壓強(qiáng)的關(guān)系

(3)對于可燃性粉塵，粒徑越大最小點(diǎn)火能越高。例如對于醋酸纖維粉塵與空氣的混合物來說，當(dāng)粉塵粒徑由270目變?yōu)?50目時(shí)，其最小點(diǎn)火能相應(yīng)地從0.13mJ上升到1.15mJ。這是因?yàn)榱Ｗ涌善鸬綗岬钠帘巫饔?，從而提高了粉塵與空氣混合物的最小點(diǎn)火能。

2.爆炸濃度范圍

1)概念及其計(jì)算單一種類氣體蒸氣的爆炸濃度范圍可按下式計(jì)算。式(2.52)和式(2.53)中，Amin和

Amax分別表示爆炸濃度下限和上限，N

表示可燃性氣體或蒸氣的一個(gè)分子完全燃燒時(shí)所需要的氧原子數(shù)。

如果是多種氣體蒸氣的混合物，則有式中，A

表示多種可燃性物質(zhì)混合物的下限(或上限)，An

表示各種氣體或蒸氣的爆炸下限(或上限)，Hn

表示各種氣體或蒸氣所占的百分比。表2.8是一些典型的可燃性氣體或蒸氣的爆炸濃度范圍(體積百分比，指與空氣混合)

2)影響可燃性物質(zhì)爆炸濃度范圍的主要因素

(1)與混合的氣體種類有關(guān)。含氧量增加時(shí)，其爆炸濃度范圍隨之?dāng)U大。如氫氣與空氣混合物的爆炸濃度范圍為4.0%~75.0%，但與氧氣混合時(shí)，則擴(kuò)大為4.0%~94.0%。反之，在混合物中摻入氮、二氧化碳等不燃?xì)怏w，降低混合物的含氧量，可縮小爆炸濃度范圍。

(2)溫度、壓強(qiáng)的影響。溫度升高時(shí)燃爆速度加快，一般會導(dǎo)致爆炸濃度范圍擴(kuò)大，但遠(yuǎn)沒有含氧量的影響明顯。壓強(qiáng)增大時(shí)，爆炸上限顯著提高，壓強(qiáng)減小時(shí)，上限降低，當(dāng)壓強(qiáng)降低到一定程度時(shí)，上限會降低到與爆炸下限重合，而使得爆炸濃度范圍縮小成一個(gè)點(diǎn)，這一壓強(qiáng)稱為可燃性物質(zhì)的臨界壓強(qiáng)。顯然，當(dāng)壓強(qiáng)低于臨界壓強(qiáng)時(shí)，將不再發(fā)生燃爆。

(3)容器尺寸的影響。如果燃爆是在容器中發(fā)生，則容器尺寸對爆炸范圍也有影響。容器直徑越小，爆炸范圍也越小，當(dāng)直徑小到某一定值時(shí)，燃爆不再發(fā)生，這一直徑稱為臨界直徑。如甲烷的臨界直徑為0.4~0.5m，乙炔的臨界直徑為0.1~0.2m。

2.7靜電的力學(xué)效應(yīng)

靜電的力學(xué)效應(yīng)是指因帶電體周圍的電場具有力的作用，所以表現(xiàn)出帶電體吸引或排斥附近輕小物體的現(xiàn)象。靜電力的一個(gè)重要特性在于，它能夠通過電場對處于其中的其他物體施加作用，這樣不僅在常溫常壓下，就是在真空中，在高溫、高壓以及低溫、低壓場合，靜電力都能對其他帶電體進(jìn)行非接觸的作用。2.7.1靜電力的分類及其特征

1.靜電力的種類

1)庫侖力庫侖力是指外電場與置于其中的其他帶電體之間的作用。兩個(gè)點(diǎn)電荷q1、q2

之間作用的庫侖力是靜電力中最簡單的形式：式中r0

為r方向的單位矢量。若點(diǎn)電荷q所在處的外電場為E，則作用于該點(diǎn)電荷上的力為實(shí)際的帶電體并非點(diǎn)電荷，必然具有一定尺寸和形狀，這樣在帶電體上各處的E

并不能看作處處均勻，因而需要首先求出帶電體上各處的場強(qiáng)E

的分布，然后用積分的方法計(jì)算其所受的庫侖力。

2)電像力帶電體的電荷與其自身激發(fā)的電場之間也會產(chǎn)生相互作用力，稱為電像力。例如在負(fù)電荷q

對接地導(dǎo)體平板的情況下，電像力可以簡單按照q與位于平板另一側(cè)的像電荷-q之間的庫侖力計(jì)算出來。

3)極化力Ⅰ(取向力)當(dāng)電介質(zhì)處于外電場中時(shí)將會發(fā)生極化，電介質(zhì)物體產(chǎn)生的極化電荷與外電場間的相互作用力叫極化力(取向力)，如圖2.31所示。特別在均勻電場中，取向力表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)力，當(dāng)取向完成，即電場能量變至最小時(shí)，達(dá)到平衡，作用力為零極化電荷產(chǎn)生的電偶極矩為p，外電場為E

時(shí)，取向力矩

M

為

圖2.31取向極化力

4)極化力Ⅱ(梯度力)當(dāng)空間各處電場不均勻時(shí)，電介質(zhì)物體的極化電荷與該非均勻電場間的相互作用力將使其移向電場強(qiáng)度的區(qū)域，如圖2.32所示。由于這種極化力源于電場本身的梯度，故稱其為梯度力。在圖示的例子中，電介質(zhì)物體左右兩方產(chǎn)生的極化電荷及作用電場強(qiáng)度不同，總的效果是產(chǎn)生了指向左方的力。

圖2.32梯度極化力設(shè)電介質(zhì)物體為一半徑為a，相對介電常數(shù)為εr

的球體，則其在外電場中所受的梯度極化力為式中ε0

為真空中的介電常數(shù)，

5)極化力Ⅲ(珠串形成力)當(dāng)外電場中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電介質(zhì)物體時(shí)，它們極化后將會彼此之間相互作用而形成珠串，這種極化力叫珠串力。珠串力的計(jì)算一般比較復(fù)雜。

2.靜電力與其他種類力的比較為了了解靜電力的特征，以明確靜電力學(xué)效應(yīng)引起的危害的范圍，可將靜電力與作用于同一物體上的其他力作一比較。

1)與磁場力的比較從本質(zhì)上說，磁場力與電場力均為麥克斯韋應(yīng)力。磁場的麥克斯韋應(yīng)力由下式給出：式中，μ0為真空的磁導(dǎo)率，μr為磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率，B

為磁感應(yīng)強(qiáng)度。電場的麥克斯韋應(yīng)力為式中ε0、εr

分別是真空中的介電常數(shù)和電介質(zhì)的相對介電常數(shù)，E

為電場強(qiáng)度。E

的大小由介質(zhì)的絕緣擊穿所限制，在常溫常壓下的大氣(εr=1)中，E的上限值為3.6×106V/m，故fe

的上限值fem=3.98N/m2。由上可見，磁場力較之電場力高出四個(gè)數(shù)量級，亦即靜電力的大小通常只相當(dāng)于磁場力的萬分之一，是一種很小的力，故靜電力只對輕小物體才起作用。

2)與質(zhì)量力的比較與物體質(zhì)量成比例的力為質(zhì)量力，重力、浮力、慣性力、離心力均屬質(zhì)量力，一般其大小等于質(zhì)量與加速度的乘積。當(dāng)靜電力對物體發(fā)生作用時(shí)，往往同時(shí)存在著質(zhì)量力，后者往往起對抗或妨礙靜電力的作用。但與質(zhì)量力不同，靜電力是作用于物體表面的表面力。因此，對于表面積相對于體積大得多的微粒、纖維、薄片狀物體，靜電力比質(zhì)量力占有顯著的優(yōu)勢，從而可能成為支配物體運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿Α?/p>

3)與黏滯力的比較質(zhì)量力與物體尺寸的三次方有關(guān)，靜電力與物體尺寸的平方有關(guān)，而物體在黏性媒質(zhì)中所受的黏滯力則與其尺寸的一次方成比例。因此，隨著尺寸的減小，黏滯力