防静电工作区内人体静电电位在线监测技术研究.pdf

2 0 1 7 年6 月 宇航计测技术 J u n ，2 0 1 7 第3 7 卷第3 期 J o u r n a lo fA s t r o n a u t i cM e t r o l o 耵a n dM e a s u r e m e n t V 0 1 3 7 N o 3 文章编号：1 0 0 0 7 2 0 2 ( 2 0 1 7 ) 0 3 0 0 3 l 一0 5D O I ：1 0 1 2 0 6 0 j i s s n 1 0 0 0 一7 2 0 2 2 0 1 7 0 3 0 7 防静电工作区内人体静电电位在线监测技术研究 高志良宋博王若珏何积浩路子威 ( 北京东方计量测试研究所，北京1 0 0 0 8 6 ) 摘要人体静电是静电防护工程中主要危害源之一。本文采用接触式静电电位测量方法，提出了基于 R S 4 8 5 总线的防静电工作区( 简称E P A ) 内人体静电电位在线监测系统，开发了E P A 内人员操作时防静电腕带的静 电电位在线监测装置及其配套夹具，专门设计了监测装置和整个系统的测试方法。测试结果表明，该方案实现了 静电电位连续监测、限值报警和记录可追溯，能够有效提高航天型号科研生产场所的静电防护在线计量保障能力。 关键词静电电位在线监测接触式测量E P A 可追溯 中图分类号：T N 7 1 0文献标识码：A S t u d yo nO n l i n eM o n i t o ro fH u m a nB o d y E l e c t r o s t a t i cP o t e n t i a li n E l e c t r o s t a t i cP r o t e c t i o nA r e a G A OZ h i l i a n gS O N GB oW A N GR u o j u eH EJ i - h a oL UZ i - W e i ( B e i j i n gO r i e n tI n s t i t u t ef o rM e a s u r e m e n t & T e s t ，B e i j i n g1 0 0 0 8 6 ，C h i n a ) A b S t r a C tH u m a nb o d ye l e c t r o s t a t i cd i s e h a 唱ei so n eo ft h em a i nh a z a r d o u s a c t o r si nt h et i e l d o f e l e c t m s t a t i cd i g c h a 唱ep r o t e c t i o ne n g i n e e r i n g A c c o r d i n gt ot h ec o n t a c tm e a s u r e m e n tf o re l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a l ，t h i sp a p e rp u t s f o r w a r dao n l i n em o n i t o r s y s t e mb a s e do nR S 4 8 5b u sf o rh u m a nb o d ye l e c t m s t a t i cp o t e n t i a l ，d e V e l o p s o n et y p eo fa n t i s t a t i cw r i s t s t r a pa n di t s f i x t u r eu s e di nE P A ( E l e c t r D s t a t i cd i s c h a r g eP r o t e c t i o nA r e a )o p e r a t i o n ， a n dd e s i g n st h es p e c i a l i z e dm e a s u r e m e n tm e t h o df o rd e V i c ea n dt h ew h o l es y s t e m T h et e s tr e s u l t ss h o w st h a t t h ed e s 培nr e a l i z e se l e c t r o s t a t i cc o n t i n u o u sm e a s u r e m e n t ，l i m i ta l a 瑚i n ga n dr e c o r dt r a c e a b i l i t y ，a n dh e l p ss t r e n 群h e nt h ea b i l i t yo fe l e c t r o s t a t i cp m t e c t i o na n do n “n em e a s u r e m e n ti na e r o s p a c ei n d u s t r yw o r k s h o p K e Vw o r d sE l e c t m s t a t i cp o t e n t i a l 0 n l i n em o n i t o rC o n t a c tm e a s u r e m e n tE P AT r a c e a b i l i t y 1引言 随着电子技术的不断发展，电子产品逐渐呈现 出越来越轻、薄、短、小、集成度高的趋势，同时M O S 电路、贴装器件、微波器件、集成电路等静电敏感器 件的大量使用，元器件的静电敏感电压越来越低， 电子产品抗静电能力越来越差，越来越容易受到静 电损伤。静电损伤已经成为影响电子产品质量稳 定性和成品率的重要因素之一。 人体静电是静电防护工程中主要危害源之 一。人体与各种物体发生接触一分离时，常常会带 上几千伏甚至上万伏的静电，在防静电工作区 收稿日期：2 0 1 7 一0 3 1 5 ，修回日期：2 0 1 7 一0 4 1 0 作者简介：高志良( 1 9 8 5 0 8 一) ，男，工程师，硕士，主要研究方向：电磁学计量、静电防护技术与计量管理。 万方数据 3 2 宇航计测技术 2 0 1 7 年 ( E 1 e c t r o s t a t i cP r o t e c t i o nA r e a ，E P A ) 等场所，人体作 为带电的静电导体，一旦形成高压、瞬态大电流并 伴随强电磁辐射时，容易对电子元器件、弹药、武器 装备等静电敏感物质造成严重危害心 。 静电防护工程中bJ ，一般是确保人体的静电电 位不超过限值要求，因此人体静电电位是极为重要 的测量指标。一般取大地为零电压参考点，静电电 压在元器件静电放电敏感度等级划分、物体带电量 计量等方面获得非常广泛的应用4 。因此，研究一 种适合人体静电电位在线监测并具有记录可追溯 功能的方法，对于保证E P A 静电安全性、故障及时 报警和诊断分析能力提高具有十分重要意义。 2 人体静电电位在线监测方案 目前，非接触式测量对测试距离、被测件几何 尺寸具有较为严格要求，对人体静电电位进行在线 监测难以实现b 1 ；在E P A 内操作时，人体防护装备、 防静电腕带等都属于静电导体，这种场合的人体静 电电位需要采用接触式测量方法6 | 。人体的防静电 腕带通过限流电阻与大地相连。由于人体、限流电 阻都属于静电导体，整个防护体系中E s D 防护设备 形成一个等势体。因此，可通过监i 贝0 防静电腕带上 的电位来实现在线监测人体静电电位的目的 7 。 人体静电电位在线监测总体方案主要由人体 静电电位监测装置、网络总线、上位机及软件等组 成，如见图1 所示，当监测过程中人体静电电位超过 预设报警电压时进行报警，并通过总线传输到上位 机集中显示和存储数据，同时具有静电电位报警、 静电泄放、记录可追溯功能。 图1 人体静电电位在线监测系统框架 根据G J B3 0 0 7 A ，G B5 0 6 1 1 ，G B5 0 9 4 4 等标 准，防静电工作区一般设计分为三级，一级是室内 控制静电电位绝对值不大于1 0 0 V ；二级是室内控制 静电电位绝对值不大于2 0 0 V ；三级是室内控制静电 电位绝对值不大于l0 0 0 V 。同时，G J B5 4 8 B 对 G J B1 6 4 9 中H B M 模型静电放电敏感电压的分级方 式进行了更新，采用七级分级方法，其中3 B 等级对 应电压值8 0 0 0 V 。而且，A N S I E S DS 2 0 。2 0 一2 0 1 4 和I E C6 1 3 4 0 一5 一l 中，均对H B M 模型1 0 0 V 以上 静电放电敏感电压提出了静电防护措施建议。综 上，本文选取1 0 0 V 、2 0 0 V 、10 0 0 V 和80 0 0 V 作为典 型静电防护电压在线监测的等级阈值。 3 静电电位监测装置设计 4 1 电路设计 防静电腕带的静电电位监测电路原理如图2 所 示，主要分为监测电路和报警电路两个部分，其中： C 矿c “表示测量用电容器，需根据人体对地电容值 选用不同数值电容器；K 一五表示选择测量电压档位 开关( 不相容) ，电压档位用来设定安全阈值即监测 电位值；蜀尼表示测量电容两端电压分压电阻；，表 示报警后立即连通继电器，用于快速释放测量电容 器电荷；比较器、D A 、单片机、蜂鸣器主要用于辅助 设定监测电压并在电压超限后进行报警响应处理。 监测电路 |；l| 姆酗 幽麴 T 串 辛争 ( + ) 报警电路 上 ： 图2 人体静电电位监测电路示意图 监测电路工作原理如下：测量电容的一个极端 作为静电电位测量极，当测量极与腕带接触良好， 另一个电容极接地。四个测量电容分别对应1 0 0 v 、 2 0 0 V 、10 0 0 V 、80 0 0 V 档位，工作前需要设置到指定 的监测电位档位，通过切换电容器进行不同静电监 测电位设置。 由于处于静电防护环境的人体的电势处处相 等，防静电腕带上积累的静电荷会流向测量电容 器，最终在测量电容器上产生与腕带相同电位，即 相当于个对电容进行充电的过程。充电后的电 容器获得一定的能量，当人体静电电压达到监测电 压值，分压电阻上的电位将高于比较电压( 正电压、 负电压分别通过两个比较器实现) ，使得比较器输 葶 万方数据 第3 期 防静电工作区内人体静电电位在线监测技术研究 3 3 出高电平，单片机仅在开关接人测量电容的瞬态时 刻采样比较器状态，判断超过报警限值后控制蜂鸣 器进行报警，同时传输报警信息到上位机并且连通 继电器泄放电荷。静电电位在线监测装置可以实 现两个功能：一是在人体静电电位超过档位电压时 能够及时报警；二是在人体静电电压过大时，通过 分压电阻支路进行泄漏放电。 3 2 测量电容值计算 在静电电位在线监测电路中，电容器一个探测 极与腕带相连，当人体产生一定的电位，就存在一个 等效电容器充电过程，其原理如图3 所示。其中，c 1 表示人体的等效电容，G 表示测量用电容器，届表示 人体及接地线连接的电阻值，K 表示电容器选择开 关，“和改，表示充放电过程中电容器两端电压值。 C C 2 卜 图3 测量电容器充放电过程原理图 根据电量守恒定律，充电结束后腕带等效电容 G 所带电荷量O 与测量电容器G 所带电荷量0 的 和，应与测量电容器电极未接触人体前，人体上所 带电荷量p 相等，得到公式( 1 ) Q = C 1 U 1 Q ，。C U ，( 1 ) Q 2 = C 2 U 2 Q = Q 1 + Q 2 式中：M 未对G 充电时，G 积累的静电电位； U7 G 对G 充电稳定后，G 剩余静电电位； 踢L G 充电到电压阈值时，触发报警电路的静电 电位。 由公式( 1 ) 推导可得 c ，：坠旦c ，( 2 ) “2 由人体静电电位监测电路工作原理可知，当电 容器充电过程基本稳定时，测量