16-人体静电放电参数对带电电压的依赖关系研究

第 24卷 � 第 5期 2009年 10月 � � � � � � � � � � � � 电 � 波 � 科 � 学 � 学 � 报CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE � � � � � � � � � Vol. 24, No. 5� � October, 2009 � � 文章编号 � 1005�0388( 2009) 05�0979�04 人体静电放电参数对带电电压的 依赖关系研究 阮方鸣1, 2 � 石 � 丹2 � 杨 � 乘1 � 沈远茂2 � 高攸纲2 ( 1.贵州师范大学物理与电子学院 ,贵州 贵阳 550003; 2.北京邮电大学环境电磁学研究所,北京 100876) 摘 � 要 � 在带电电压为 200~ 3000V 的范围内测量了带电人体放电电流和上升时 间, 计算了其他放电参数;研究了放电参数与电压和电极速度的相关性。将 Rampe� Weizel定理用于空气中带电人体的小间隙静电放电模型。观察发现在电压为 800V 时放电参数在电极运动速度影响下出现临界值。当电压高于 1000V, 或低于 600V 时, 电极移动速度对放电参数的影响出现降低的趋势。 关键词 � 静电放电;电极速度;放电电流;带电电压 中图分类号 � O441� 4 � � � � 文献标志码 � A Correlation between discharge parameters and charge voltage in electrostatic discharge from human body RUAN Fang�ming1, 2 � SHI Dan2 � YANG Cheng1 � SHEN Yuan�mao2 � GAO You�gang2 (1. School o f Phy sics & Electronics Science , Guizhou No rmal Univer sity , Guiyang Guiz hou 550001, China; 2. Resear ch I nstitute of E MC, Beij ing Univ er sity of P ost & T echnology , Beij ing 100876, China) Abstract � A couple of discharge parameters are measured and analyzed, correlat ion invest ig ation ar e performed betw een charg e voltag e, approach speed and discharg e par ameters. Rampe�Weazel formula is employed to model short�gap elect rostat ic discharge( ESD) in air f rom char ged human body . Thresho ld phenomenon appears at charg e voltag e of 800V at w hich discharg e parameters reach ex tr eme values w hereas the st rongest effect ex ists fo r mov ing speed o f elect rode on dischar ge parameter s. T he inf luence of charge vo ltag e and moving speed of electr ode on discharge par ame� ter s has an obvious reduct ive tendency for charg e vo ltag e below 600V or over 1000V. Key words � elect rostat ic discharge; elect rode speed; dischar ge current ; charg e vo ltag e 引 � 言 随着电子产品高芯片速率、低功耗、小型化的发 展趋势,静电放电所带来的电磁兼容问题日益严重, 因而受到人们的普遍关注。在带电体电压为数百伏 到约 2000V的静电放电中产生的高强度、宽频谱瞬 收稿日期: 2008�11�27. � � � � 基金项目:国家自然科学基金项目( No. 60971078) ; 贵州省国际科技合作项目( No. G [ 2008] 700115) ;国家高科技发展计划项目( No. 2007AA01Z281) 联系人:阮方鸣 E�mail: ruan. fm9@ gmail. com 时脉冲,对电子信息系统威胁非常大[ 1]。在带电金属 体向受电体接近并最后碰撞的放电中,带电体所带电 压和电极的移动速度对放电参数的影响是不同 的[ 2~ 5] 。出于提高电子系统对静电放电的电磁干扰 能力的考虑,有必要对放电参数与电压及放电参数与 电极速度关系从量的角度加以研究。针对不同的电 压,本研究讨论了人体手握金属小棒向靶(受电体)移 动放电过程中,电极移动速度与放电电流强度参数之 间的关系。同时, 基于 Rampe�Weizel定理讨论了人 体手握金属小棒向靶运动放电的电路模型,讨论了放 电参数与电压、电极移动速度之间的相关性。涉及到 的放电参数包括峰值电流、上升时间、放电通道电阻、 放电间隙击穿场强和放电弧长。 1 � 静电放电的测量方法与电路模型 1� 1 � 测量方法 在带电人体手握金属小棒向靶移动放电过程 中,需要采用同时测量放电电流与接近速度的实验 装置[ 6] 。一块 1 m � 2 m 的铝板垂直地放在另一块 边长为 1 m 的接地铝板上。特性阻抗为 50� 的 SMA 连接器前端与置于铝板中央、直径为 6 mm 的 圆形金属薄片(即放电靶)相连接;放电靶另一端则 通过特性阻抗为 50� 的同轴电缆接至高性能数字 示波器。 该数字示波器的频带宽度为 6 GHz, 取样率为 20GS/ s。已充电的实验者手握一不锈钢金属小棒 (长5 cm ,前端曲率半径为4 mm) , 从离开靶距离 10 cm 外向靶移动放电。与此同时,用基于压电效应的 加速度计记录下金属小棒的移动速度。实验室温度 为 25 ,空气相对湿度为 24%。 1� 2 � 静电放电的电路模型 为了电压和电极移动速度对更多的放电参 数的影响, 提出了基于 Rampe�Weizel定理的静电 放电模型[ 7] 。放电间隙两端的电压可以由如下的式 ( 1)示(见图 1所示的电路模型)。 v g( t) = r g( t ) i ( t) ( 1a) v g( t) = V C - 1 2!∀- ∀!∀- ∀ { Z0 - ZB ( j�) } � i( ) # ej�( t- ) d�d ( 1b) 式中, v g 为放电间隙两端的电压; V c 为加到实验者 身上的电压; Z0 是放电负载的阻抗; ZB ( j�)是包括 金属小棒在内的整个人体的阻抗; rg 是放电通道的 电阻; i ( t ) 是放电电流。只要将这些参量带入式 ( 1b)中, 就可以求出放电间隙两端的电压。参量 图 1 � 计算放电电流的电路模型 ZB ( j�)可以用网络分析仪测量计算得出。 知道了放电间隙两端的电压 v g ,放电间隙的通 道电阻 r g就可以从测得的放电电流 i ( t )由下面式 ( 2)求出: � � � r g( t ) = v g ( t ) i ( t ) ( 2) 在求出了放电间隙两端的电压 v g和放电间隙的通 道电阻 r g 后,利用 Rampe�Weizel定理( 3) ,放电间 隙的弧长就可以求出如下 r g( t ) = ! 2∀ p!t0 i 2( )d ( 3) 式中, !是放电弧长; ∀= 1� 1 � 104 ( atm cm2 / V 2s)是 火花放电常数; p 是气体压强; i( t )是放电电流。 图 2是用网络分析仪测量得到的人体阻抗波 形。将所测量的实部、虚部分别平方求和,然后再开 方,就得到了总的阻抗。 ZT = Z 2 I + Z 2 R ( 4) 基于测量到的电流波形和前述公式, 图3提供 了一种估算出放电间隙通道电阻 rg 和放电弧长 ! 的方法。在时间轴相同的前提下,在用式( 3)计算出 的放电间隙电阻波形中, 对应测量和计算出电流的 最大值时刻,就可得到放电通道的阻抗值和相应的 放电弧长。 图 2 � 含金属小棒人体阻抗的测量 2 � 结果与讨论 在电压变化范围为 200~ 1500V 的条件下, 用 人体放电实验装置测量了大量放电电流波形数据。 图 3给出了对应不同电极移动速度变化时,在不同 980 电 � 波 � 科 � 学 � 学 � 报 第 24卷 图 3 � 通道电阻与弧长的确定 人体带电电压情况下的放电电流波形。 在低电压 V C = 300V 时, 放电电流峰值几乎不 随电极移动速度的变化( v 2 - v 1= 29� 02 cm/ s)而改 变( I p2- I p1 = 0� 04A )。当电压超过 400V 后, 电极 速度对放电电流峰值的影响逐步增强, 在电压为 800V 时, 电极速度对电流峰值影响最大(速度变化 v 2- v 1= 29� 02 cm/ s,电流变化 I p2 - I p1= 2� 2A)。 电压超过 1000V 后,电极移动速度对放电参数 的影响呈现出下降趋势。也就是说, 在电压为 500V, 600V, 1000V, 1100V 和 1500V, 电极移动速 度对放电电流峰值的影响介于 300V 和 800V 电压 时电极速度对放电电流峰值影响之间。 图 4、图 5和图 6给出了在电极速度影响下放 电电流、放电间隙电压和放电间隙通道电阻随着时 间的变化。从图 4看出, 放电电流峰值在人体带电 ( a)低电压时的放电电流 � ( b)电压较高时的放电电流 图 4 � 放电电流随时间的变化 电压 V C ∃ 400V几乎不受电极移动速度的影响; 在 电压 V C> 600V后, 放电参数随着电极移动速度有 显著改变;在电压为 800V 时, 放电参数随电极移动 速度的变化达到最大。而当带电体的电压值超过 1000V后,电极移动速度对放电参数的影响逐渐减 弱。 放电间隙两端在放电开始后的电压(又称火花 电压) , 如图 5 所示。在人体带电电压低于 600V ( a)电压较低时放电 � � 间隙两端电压 � � � � ( b)电压较高时放电 � � 间隙两端电压 图 5 � 放电间隙电压随时间的变化 时,电极移动速度对该电压的影响较弱。而当人体 所带电压超过 600V 后, 电极移动速度越快, 则火花 电压越小。 从图 6看出, 在电压为 200V 时放电间隙通道 电阻几乎不随电极速度而改变; 但当电压为 800V 时,电极快速移动的通道电阻,则远远小于电极慢速 移动电极时放电的通道电阻。 ( a)电压 V C= 200V � ( b)电压 V C = 800V 图 6 � 通道电阻对电压和电极速度的依赖关系 3 � 结 � 论 在带电体电压变化范围为 200~ 3000V,电极速 度变化范围( 1� 0~ 50) cm/ s时,测量了带电人体放 电电流和电流上升时间。同时, 用基于 Rampe� Weizel公式的电路模型, 计算了放电间隙通道电 阻、放电弧长和击穿场强。在带电电压为 800V 时, 电极移动速度对放电参数的影响出现极值;而对电 压低于 600V 和高于 1000V 的情况,电极移动速度 的影响呈现减弱趋势, 尽管此时的放电电流随着电 压而增加。在带电体电压小于等于 600V 时, 上升 时间为 70ps, 放电间隙击穿场强为 2� 0 � 107V/ m, 放电间隙通道电阻为 70~ 80�。在带电电压范围 800~ 1000V 的条件下,电极的移动速度对放电参数 产生的影响非常强。当带电电压高于 1500V 后,电 极移动速度对放电参数的影响明显减弱。 根据小间隙静电放电模型[ 8] ,可以推测表面过 程向雪崩过程过渡的临界点大致出现在带电电压为 800V 时,所以造成电极速度的影响在此电压时出现 极值。当电压高于 1000V后,放电过程主要由气体 981第 5期 � � � � � � � � 阮方鸣等:人体静电放电参数对带电电压的依赖关系研究 电子雪崩所控制,电极速度对放电参数的影响逐渐 减弱。关于在小间隙静电放电中,电极移动速度为 什么和如何影响放电参数的内部机理, 将在下一步 工作中做进一步深入研究。 参考文献 [ 1] � HONDA M. 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Sept. 9�13, 2001: 373�384. � � 阮方鸣 � ( 1958 - ) , 男, 贵州 人,北京邮电大学电磁场与微波技 术专业博士研究生, 贵州师范大学 教授, 中国电子学会高级会员, IEEE 正式会员。2004~ 2005在日 本名古屋工业大学藤原环境电磁学 研究所作访问研究员。已主持完成贵州省省级自然 科学研究基金项目二项, 主持在研国家自然科学基 金贵州省自然科学基金、贵州省国际科技合作项目 各一项; 参研国家自然科学基金和 863 项目数项。 近年来出席了在日本、中国、瑞士、美国、俄罗斯等国 召开的国际电磁兼容学术会议并交流论文。作为第 一作者已经发表论文 40篇。主要研究兴趣:静电放 电理论与测试,电磁生物效应,电磁兼容设计。 � � 高攸纲 � ( 1928 - ) , 男, 江苏 人, 北京邮电大学教授, 博士生导 师,中国电子学会和中国通信学会 会士, 联合国信息科学院院士。 IEEE EMC Society 中国分会主席, U RSI电磁噪声与干扰委员会中国 分会主席,中国电子学会电磁兼容分委员会主任,中 国通信学会电磁兼容委员会主任。1953 年在苏联 莫斯科电力工程学院获得副博士学位。已出版专著 10本,在国内外发表学术论文 200余篇。 982 电 � 波 � 科 � 学 � 学 � 报 第 24卷