伏钊

摘要：静电放电（ESD）发生时，放电参数受气体压强、物体移动速度、温度、湿度、气体类型等多种原因而发生明显变化。在ESD的测试中，静电放电参数测试结果很难呈现低一致性。从理论上和实验上对ESD参数的一致性进行深入研究。在实验条件下，通过调节实验箱中湿度来观察放电电流峰值的变化。对引起放电结果参数明显差异性进行分析。

关键词：静电放电;湿度;一致性

中图分类号：O441 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）09-0226-03

0 引言

关于静电放电参数低重复特性相关的一些问题，已有一些文献进行过讨论。在电子电器设备、科技试验、集成系统、日常生活出现的静电放电过程，很多情况下有气体参与放电存在[1]。我们研究团队已经自主研制的多因素影响静电放电参数测试系统，通过精巧的机电一体化设计，解决了电极向靶高速运动与避免造成仪器损坏这一国际电磁兼容静电放电研究领域的难题[2-5]。在手机集成模块、科学研究军事武器飞行器以及生活中，静电随处可见，静电放电（ESD）将会击穿这些电子设备中某一个模块或者多个模块，从而影响设备正常工作。在电子工业中，每年会因为大量集成电路失效或损坏而造成巨大的经济损失。而静电放电引起集成电路失效或损坏，占了全部三分之一的比例。静电放电发生时，放电间隙的电性质具有低一致特性。一个物体触碰另外一个物体速度、两物体直接间隙、所处环境空气压强和当时温度和湿度等，这几个参数将对放电结果有着很大影响。目前学术界对于两者间移动速度，放电间隙对于ESD参数影响的研究已日渐深入。但是关于环境湿度的对于放电参数影响仍有待商讨[6]。而我们新型ESD测试系统为了完成环境湿度变化对参数的测试，完成对该参数的实验室测量。

1 新型ESD多因素效應测试仪

根据国际标准IEC61000-4-2制造的静电放电发生器（俗称放电枪），它是测试仪关键部分，真实情况重复性太低，而放电枪是对真实情况的进行特定的模拟。

如图1（a）和图1（b）所示，给出了该新型设备结构图。它的具体工作原理如下：

在测试仪内装有摄像头、温度湿度传感显示装置和气压表，用来观察在环境因素变化，便于实验开展。根据机械结构来设计一个0.8m的导轨，在上面配置放电枪，以便于放电枪能够直线运动，通过一个功率较小直流电机来带动导轨运动，电机与导轨运动轨迹友通过曲轴连杆来连接。

之前设计测试仪都是根据物理原理用一种圆周运动来代替直线运动实现放电模拟测试，但毕竟不是真实直线运动，该测试仪为了解决这个问题，把运动轨迹设计成一种真实直线运动。

在测量时的五种参数范围：

（1）电极运动速度可控（0-1.0）m/s;

（2）气体压强可控，1atm-1/20atm;

（3）温度可以控制;

（4）湿度可以控制;

（5）气体种类可以改变。

2 湿度引起放电电流峰值变化

在实验室条件下，用新型ESD测试系统进行固定小间隙静电放电的实验。在正常大气压情况下，放电电压为固定值1kV，分别测得速度为0.2m/s和速度0.6m/s情况下，只改变试验箱内湿度，获得下面波形如图2所示。

理论上讲，带电电压是相同，在相同移动速度下放电的峰值也应该是一样的。但是测试结果显示每次放电产生的电流峰值有较大的波动，这样的结果表明空气中的ESD会受到环境相对湿度的影响，也就是说，湿度是影响ESD参数的一个重要参数。

3 湿度影响ESD结果的分析

大气中含有水分的多少直接影响大气的干湿程度。在物理学中，绝对湿度用来体现对大气湿度的物理量。在环境因为温度和压强一定情况下，1个平方体积的气体中所含水蒸气的质量为绝对湿度，公式为，式中为待测混合气体中所含水蒸气的质量;V为待测混合气体的总体积;为待测混合气体的绝对湿度，其单位为以AH表示。目前，普遍使用相对湿度（RH）来表示湿度。所谓相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度的百分比，即满足关系：。

湿度对静电放电的影响，主要体现在周围存在着气体情况下的电晕放电过程。电晕放电是指气体介质在不均匀电场中的局部自持放电，它是最常见的一种气体放电形式。在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离，因而出现电晕放电。发生电晕放电时在电极周围可以看到光亮 ，并伴有咝咝声。电晕放电可以是相对稳定的放电形式也可以是不均匀电场间隙早期发展阶段击穿过程中的。

最早对电晕放电做系统性研究的是美国工程师F.W.Peek。他在忽略湿度对放电过程影响的前提下，提出了著名的Peek公式，用来描述放电电场与其影响因素之间的数量关系：

其中H为空气的相对湿度，和K为相应的常数，其值由所加电压的特性决定，为周围的空气密度。

上世纪80年代，中国电力科学研究院对气压与湿度影响电晕放电的原理进行了研究，结论显示，当空气的湿度低于65%时，电晕场强随湿度增加略有增加;当空气的湿度在65%-80%范围时，电晕场强随湿度的增加而下降;当空气的湿度在30%-70%范围时，电晕场强随湿度的增加而明显增加。场强变化将直接影响到放点弧长，从而影响放电电流。

在一定湿度情况下，电晕场强随湿度的升高而减小，主要是由于密闭空气中水分子分布不均。从图2（a）和图2（b）中，可以看出空气相对湿度对静电放电峰值电流影响比较明显。目前新的集成电路设备要通过ESD的五项测试，即使都采用一样的实验装置，湿度不同将导致测试结果截然不同。在工期生产中，比如电路板车间就需要在一定的湿度车间生产。一般情况下，世需要佩戴静电手环，但是在进行ESD抗扰度测试时应考虑湿度的影响。

4 结语

多种环境变量对非接触静电放电参数测量结果产生较低的共性，现有的电磁兼容测试体系中只对接触式放电提出要求并未制定非接触静电放电测试的标准。为探索非接触静电放电受单一环境变量影响作用，所以基于新型测试仪进行湿度影响（单一变量）放电结果实验分析。

参考文献

[1] GB/T 17626.2-2006，电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验[S].

[2] 阮方鸣，孙晓平，杨向东，等.电极移动速度效应检测仪系统的研究[J].环境技术，2014（z2）：22-25.

[3] 阮方鸣，章俊华，陈辉林，等.非接触静电放电测试低重复特性分析研究[J].电波科学学报，2014，29（5）：940-944+1007.

[4] 阮方鸣，龚博翔，俞亚堃，等.静放电多因素影响参数测试系统温湿度控制的设计[J].环境技术，2014（z2）：91-94+102.

[5] 刘潇潇，阮方鸣.空气湿度对静电放电参数低重复性的影响分析[J].中国新技术新产品，2014（19）：51-52.

[6] 原青云，孙永卫，张希军，等.接近速度和相对湿度对静电放电强度的影响[J].军械工程学院学报，2011，23（4）：30-34.