高志良 宋 博 王若玨 何積浩 路子威

（北京東方計量測試研究所，北京 100086）

防靜電工作區(qū)內人體靜電電位在線監(jiān)測技術研究

高志良 宋 博 王若玨 何積浩 路子威

（北京東方計量測試研究所，北京 100086）

人體靜電是靜電防護工程中主要危害源之一。本文采用接觸式靜電電位測量方法，提出了基于RS485總線的防靜電工作區(qū)（簡稱EPA）內人體靜電電位在線監(jiān)測系統(tǒng)，開發(fā)了EPA內人員操作時防靜電腕帶的靜電電位在線監(jiān)測裝置及其配套夾具，專門設計了監(jiān)測裝置和整個系統(tǒng)的測試方法。測試結果表明，該方案實現(xiàn)了靜電電位連續(xù)監(jiān)測、限值報警和記錄可追溯，能夠有效提高航天型號科研生產(chǎn)場所的靜電防護在線計量保障能力。

靜電電位 在線監(jiān)測 接觸式測量 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

隨著電子技術的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品逐漸呈現(xiàn)出越來越輕、薄、短、小、集成度高的趨勢，同時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越低，電子產(chǎn)品抗靜電能力越來越差，越來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，常常會帶上幾千伏甚至上萬伏的靜電，在防靜電工作區(qū)（Electrostatic Protection Area，EPA）等場所，人體作為帶電的靜電導體，一旦形成高壓、瞬態(tài)大電流并伴隨強電磁輻射時，容易對電子元器件、彈藥、武器裝備等靜電敏感物質造成嚴重危害[2]。

靜電防護工程中[3]，一般是確保人體的靜電電位不超過限值要求，因此人體靜電電位是極為重要的測量指標。一般取大地為零電壓參考點，靜電電壓在元器件靜電放電敏感度等級劃分、物體帶電量計量等方面獲得非常廣泛的應用[4]。因此，研究一種適合人體靜電電位在線監(jiān)測并具有記錄可追溯功能的方法，對于保證EPA靜電安全性、故障及時報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)測方案

目前，非接觸式測量對測試距離、被測件幾何尺寸具有較為嚴格要求，對人體靜電電位進行在線監(jiān)測難以實現(xiàn)[5]；在EPA內操作時，人體防護裝備、防靜電腕帶等都屬于靜電導體，這種場合的人體靜電電位需要采用接觸式測量方法[6]。人體的防靜電腕帶通過限流電阻與大地相連。由于人體、限流電阻都屬于靜電導體，整個防護體系中ESD防護設備形成一個等勢體。因此，可通過監(jiān)測防靜電腕帶上的電位來實現(xiàn)在線監(jiān)測人體靜電電位的目的[7]。

人體靜電電位在線監(jiān)測總體方案主要由人體靜電電位監(jiān)測裝置、網(wǎng)絡總線、上位機及軟件等組成，如見圖1所示，當監(jiān)測過程中人體靜電電位超過預設報警電壓時進行報警，并通過總線傳輸?shù)缴衔粰C集中顯示和存儲數(shù)據(jù)，同時具有靜電電位報警、靜電泄放、記錄可追溯功能。

根據(jù) GJB 3007A，GB 50611，GB 50944等標準，防靜電工作區(qū)一般設計分為三級，一級是室內控制靜電電位絕對值不大于100V；二級是室內控制靜電電位絕對值不大于200V；三級是室內控制靜電電位絕對值不大于1 000V。同時，GJB 548B對GJB 1649中HBM模型靜電放電敏感電壓的分級方式進行了更新，采用七級分級方法，其中3B等級對應電壓值8000V。而且，ANSI/ESD S20.20—2014和IEC 61340—5—1中，均對HBM模型100V以上靜電放電敏感電壓提出了靜電防護措施建議。綜上，本文選取100V、200V、1 000V和8 000V作為典型靜電防護電壓在線監(jiān)測的等級閾值。

3 靜電電位監(jiān)測裝置設計

4.1 電路設計

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

監(jiān)測電路工作原理如下：測量電容的一個極端作為靜電電位測量極，當測量極與腕帶接觸良好，另一個電容極接地。四個測量電容分別對應100V、200V、1 000V、8 000V檔位，工作前需要設置到指定的監(jiān)測電位檔位，通過切換電容器進行不同靜電監(jiān)測電位設置。

由于處于靜電防護環(huán)境的人體的電勢處處相等，防靜電腕帶上積累的靜電荷會流向測量電容器，最終在測量電容器上產(chǎn)生與腕帶相同電位，即相當于一個對電容進行充電的過程。充電后的電容器獲得一定的能量，當人體靜電電壓達到監(jiān)測電壓值，分壓電阻上的電位將高于比較電壓（正電壓、負電壓分別通過兩個比較器實現(xiàn)），使得比較器輸出高電平，單片機僅在開關接入測量電容的瞬態(tài)時刻采樣比較器狀態(tài)，判斷超過報警限值后控制蜂鳴器進行報警，同時傳輸報警信息到上位機并且連通繼電器泄放電荷。靜電電位在線監(jiān)測裝置可以實現(xiàn)兩個功能：一是在人體靜電電位超過檔位電壓時能夠及時報警；二是在人體靜電電壓過大時，通過分壓電阻支路進行泄漏放電。

3.2 測量電容值計算

在靜電電位在線監(jiān)測電路中，電容器一個探測極與腕帶相連，當人體產(chǎn)生一定的電位，就存在一個等效電容器充電過程，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表示電容器選擇開關，U1’和U2’表示充放電過程中電容器兩端電壓值。

根據(jù)電量守恒定律，充電結束后腕帶等效電容C1所帶電荷量Q1與測量電容器C2所帶電荷量Q2的和，應與測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C2充電時，C1積累的靜電電位；U1′——C1對C2充電穩(wěn)定后，C1剩余靜電電位；U2′——C2充電到電壓閾值時，觸發(fā)報警電路的靜電電位。

由公式（1）推導可得

由人體靜電電位監(jiān)測電路工作原理可知，當電容器充電過程基本穩(wěn)定時，測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通過分壓器泄放過程的初始瞬態(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[8，9]。根據(jù)IEC-61340—3—1參考值，結合EPA內人員的靜電防護處理情況，選擇人體電容值為300pF。取靜電防護等級U1為100V，分壓電阻支路兩端電壓U3為5V經(jīng)過分壓電阻后，進入比較器電壓為2.5V），代入公式（4）得到：C2=5.7nF。

同理，靜電防護等級為200V、1 000V、8 000V時，代入公式（4）均可獲得相應的測量電容值。但一般購買不到實際計算電容值的電容，具體選用時考慮到電容耐壓要求，選擇各個檔位相對計算值稍大一點電容見表1。

表1 防靜電腕帶靜電電位測量電容值選擇

考慮到實際選擇電容值與計算得到的電容值有偏差，本文選用單片機作為運行控制單元，對DA輸出比較電壓進行調整控制，在校準測試環(huán)節(jié)由外部輸入標準電壓后，調整確定單片機軟件程序中設定值，按照設定的100V、200V、1 000V、8 000V電壓閾值分別進行校準，完成全部檔位報警電壓設置后，固化單片機軟件程序，從而實現(xiàn)后續(xù)不同檔位測量電容器與檔位電壓的技術指標對應。人體靜電電位在線監(jiān)測裝置實例如圖4所示。

3.3 電位測量夾具設計

為確保靜電電位測量端與人體保持可靠連接，滿足人員日常操作時對防靜電腕帶的靈活性需要，本文專門設計了防靜電腕帶的靜電電位在線監(jiān)測夾具。腕帶夾具參考了腕帶本身設計思想，采用雙腕帶扣結構，兩個腕帶扣緊挨放置，中間采用靈活連接方式，并將靜電電位測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 上位機軟件開發(fā)

利用Java工具，本文開發(fā)了基于RS485總線聯(lián)結各個靜電電位在線監(jiān)測裝置的上位機軟件，實現(xiàn)了靜電電位監(jiān)測與報警情況、記錄人員操作狀態(tài)、存儲電位監(jiān)測終端信息、監(jiān)測過程可見且狀態(tài)可追溯等功能，軟件界面如圖6所示。

4 靜電電位監(jiān)測系統(tǒng)測試方法

4.1 系統(tǒng)搭建

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

4.2 測試方案

利用耐高壓標準電容、高壓源、高壓表、高壓繼電器、可調電位器、控制按鈕以及萬用表等組成測試系統(tǒng)如圖8所示，分別對靜電電位監(jiān)測裝置進行100V、200V、1000V、8000V等四個檔位電壓測試，同時檢查外觀和功能正常性、軟件運行功能。其中，標準電容300pF對應人體靜電電容；100V/200V檔位低電壓測試時，利用萬用表進行電壓值輔助確認。

本方案是利用標準電容來模擬人體電容為帶電標準電容充電，然后利用帶電標準電容對人體靜電電位在線監(jiān)測系統(tǒng)放電。通過對標準電容充電到不同的檔位電壓，獲得對應放電電壓后驗證監(jiān)測系統(tǒng)的響應正確性。因此，需要保證帶電標準電容放電時的電壓準確性，其中關鍵因素是帶電標準電容在充電后、放電前，標準電容自身電壓保持的時效性。測試方案合理性計算分析過程如下：

1）標準電容所在電路板的電阻率約為5×109MΩ·cm，電路板厚度為2mm，標準電容對應面積約為300cm2，泄露電阻R約為5×109MΩ·cm×2mm/300cm2=3.33×106MΩ。

2）對于300pF標準電容，充電后1秒時間內電壓降低百分比為1/RC×100%=0.1%。計算結果說明，標準電容在充電后的電壓泄露是非常緩慢的，通過控制充電后再放電的時間間隔，能夠有效滿足標準電容放電時的電壓穩(wěn)定性要求。

4.3 測試結果

按照靜電電位在線監(jiān)測系統(tǒng)測試方案，搭建測試系統(tǒng)并完成了整個監(jiān)測系統(tǒng)測試，測試內容包括外觀和功能測試、檔位報警電壓測試、報警臨界電壓分時測試、軟件監(jiān)控功能測試等。測試結果表明，各個檔位電壓測試最大允許誤差5%優(yōu)于同類產(chǎn)品，報警臨界電壓分時測試最大允許誤差4%滿足數(shù)據(jù)傳輸速度要求，達到了人體靜電電位在線監(jiān)測研制目的。

5 結束語

本文采用接觸式靜電電位測量原理，研制了人體靜電電位在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了EPA內人員操作時靜電電位在線監(jiān)測、報警、存儲和可追溯功能，對提高航天科研生產(chǎn)環(huán)境中靜電在線監(jiān)測技術應用和靜電防護計量保障水平起到重要作用。同時，該裝置能夠與現(xiàn)有腕帶在線監(jiān)測儀結合，形成腕帶電位一體在線監(jiān)測裝置，提高靜電防護工位在線監(jiān)測、報警和故障追溯能力，具有十分廣泛的軍用和民用靜電防護在線監(jiān)測技術應用價值。

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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：電磁學計量、靜電防護技術與計量管理。

1000-7202（2017）03-0031-05