靜電場的應用-靜電屏蔽

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1、 目 錄 靜 電 場 靜 電 屏 蔽 原 理 靜 電 屏 蔽 的 分 類 靜 電 屏 蔽 的 應 用 靜 電 屏 蔽 的 意 義 靜 電 場 ： 當 靜 止 電 荷 的 電 荷 量 不 隨時 間 變 化 時 ， 由 它 產(chǎn) 生 的 電 場 也不 隨 時 間 變 化 ， 這 種 電 場 成 為 靜電 場 。 靜 電 （ static electricity)： 是 一 種 處 于 靜止 狀 態(tài) 的 電 荷 。 靜 電 是 一 種 電 能 ， 它 存 留 于 物 體 表 面 ， 是正 負 電 荷 在 局 部 范 圍 內(nèi) 失 去 平 衡 的 結 果 ，是 通 過 電 子 或 離 子 的 轉 換 而

2、形 成 的 。靜 電 現(xiàn) 象 是 電 荷 在 產(chǎn) 生 和 消 失 過 程 中 產(chǎn) 生的 電 現(xiàn) 象 的 總 稱 。 如 摩 擦 起 電 、 人 體 起 電等 現(xiàn) 象 。 靜 電 場 的 應 用 ： 靜 電 場 廣 泛 應 用 于 工 農(nóng) 業(yè) 中 。 其 主要 利 用 靜 電 感 應 ,靜 電 放 電 ,靜 電 屏 蔽 ， 電 場 力 以 及 高壓 氣 體 放 電 等 的 效 應 及 原 理 ， 實 現(xiàn) 多 種 加 工 工 藝 及設 備 。1： 工 業(yè) 中 ： 靜 電 場 廣 泛 應 用 于 電 力 ， 機 械 ， 紡 織 ，輕 工 ， 航 空 航 天 以 及 高 技 術 領 域 ；2： 農(nóng) 業(yè)

3、 方 面 ： 利 用 高 壓 靜 電 場 處 理 種 子 可 提 高 產(chǎn) 量和 抗 性 ；3： 生 活 方 面 ： 應 用 于 治 療 ， 空 氣 除 塵 以 及 廚 房 抽 油煙 機 等 。 級 靜 電 感 應 ： 指 多 帶 點 體 之 間 通 過 電 場 的 相 互 作 用 ，改 變 物 體 的 電 荷 分 布 及 電 位 的 現(xiàn) 象 。 如 電 容 式 傳 感器 就 是 根 據(jù) 靜 電 感 應 原 理 制 成 。電 場 力 的 應 用 ： 電 場 力 的 應 用 廣 泛 。1.工 業(yè) 中 ： 靜 電 除 塵 ， 靜 電 分 離 ， 靜 電 噴 涂 ， 砂 紙生 產(chǎn) 等 技 術 ； 2.

4、農(nóng) 業(yè) 中 ： 利 用 靜 電 場 進 行 無 土 栽 培 ， 改 善 種 子 和實 物 保 鮮 。 我 們 所 熟 知 的 ： 電 子 管 ， 顯 像 管 ， 回 旋加 速 器 ， 靜 電 打 印 機 和 激 光 打 印 機 等 都 是 利 用 電 場力 對 帶 電 粒 子 的 作 用 而 制 成 的 。 電 子 工 業(yè) 中 靜 電 障 害 的 形 成靜 電 的 產(chǎn) 生 在 工 業(yè) 生 產(chǎn) 中 是 不 可 避 免 的 ， 其 造 成 的 危 害 主 要 可 歸 結 為 以 下兩 種 機 理 ： 一 ： 靜 電 放 電 （ ESD） 造 成 的 危 害 ： （ 1） 引 起 電 子 設 備 的

5、 故 障 或 誤 動 作 ， 造 成 電 磁 干 擾 。 （ 2） 擊 穿 集 成 電 路 和 精 密 的 電 子 元 件 ， 或 者 促 使 元 件 老 化 ， 降低 生 產(chǎn) 成 品 率 。 （ 3） 高 壓 靜 電 放 電 造 成 電 擊 ， 危 及 人 身 安 全 。 （ 4） 在 多 易 燃 易 爆 品 或 粉 塵 、 油 霧 的 生 產(chǎn) 場 所 極 易 引 起 爆 炸 和火 災 。 二 ： 靜 電 引 力 （ ESA） 造 成 的 危 害 ： （ 1） 電 子 工 業(yè) ： 吸 附 灰 塵 ， 造 成 集 成 電 路 和 半 導 體 元 件 的 污 染 ，大 大 降 低 成 品 率 。

6、 （ 2） 膠 片 和 塑 料 工 業(yè) ： 使 膠 片 或 薄 膜 收 卷 不 齊 ； 膠 片 、 CD塑 盤沾 染 灰 塵 ， 影 響 品 質 。 （ 3） 造 紙 印 刷 工 業(yè) ： 紙 張 收 卷 不 齊 ， 套 印 不 準 ， 吸 污 嚴 重 ， 甚至 紙 張 黏 結 ， 影 響 生 產(chǎn) 。 （ 4） 紡 織 工 業(yè) ： 造 成 根 絲 飄 動 、 纏 花 斷 頭 、 紗 線 糾 結 等 危 害 。 導 體 的 外 殼 對 它 的 內(nèi) 部 起 到 “ 保 護 ” 作用 ， 使 它 的 內(nèi) 部 不 受 外 部 電 場 的 影 響 ，這 種 現(xiàn) 象 稱 為 靜 電 屏 蔽 。 00 EEE

7、 0E+E0E 0E導 體 內(nèi) 電 場 強 度 外 電 場 強 度 感 應 電 荷 電 場 強 度 靜 電 平 衡 時 導 體 內(nèi) 部 電 場分 布 靜 電 屏 蔽 實 驗 ： 法 拉 第 曾 經(jīng) 冒 著 被 電 擊 的 危 險 ， 做 了 一 個聞 名 于 世 的 實 驗 法 拉 第 籠 實 驗 。 法 拉第 把 自 己 關 在 金 屬 籠 內(nèi) ， 當 籠 外 發(fā) 生 強 大的 靜 電 放 電 時 ， 他 并 未 受 到 任 何 影 響 。 2021-6-9 12 現(xiàn) 象 下 圖 為 一 處 于 靜 電 屏 蔽 狀 態(tài) 的 鳥 籠 靜 電 屏 蔽 分 類 ：1.外 屏 蔽 ： 空 腔 內(nèi) 有

8、 帶 電 體 ， 但 是 在 靜 電 平衡 時 導 體 外 殼 不 接 地 。 這 時 只 能 屏 蔽 外 電場 對 內(nèi) 電 場 的 影 響 ， 不 能 屏 蔽 內(nèi) 電 場 對 外電 場 的 影 響 。 2.全 屏 蔽 ： 空 腔 內(nèi) 有 帶 電 體 ， 但 是 在 靜 電 平衡 時 導 體 外 殼 接 地 。 這 時 既 能 屏 蔽 外 電 場對 內(nèi) 電 場 的 影 響 ， 又 能 屏 蔽 內(nèi) 電 場 對 外 電場 的 影 響 。 靜 電 屏 蔽 的 應 用 為 了 防 止 外 界 信 號 的 干 擾 ， 靜 電 屏 蔽 被 廣 泛 地 應 用 科 學 技 術工 作 中 。 例 如 電 子

9、儀 器 設 備 外 面 的 金 屬 罩 ， 通 訊 電 纜 外 面 包的 鉛 皮 等 等 ， 都 是 用 來 防 止 外 界 電 場 干 擾 的 屏 蔽 措 施 。 高 壓 帶 電 作 業(yè) (500千 伏 帶 電 作 業(yè) 用 的 屏 蔽 服 ) 很 多 電 子 儀 器 ,比 如 示 波 器 的 接 線 都 是 屏 蔽 線 汽 車 外 的 天 線 有 線 電 視 信 號 線 ,外 面 就 有 一 層 金 屬 絲 ,就 為 了 靜 電 屏 蔽 ,使信 號 不 受 干 擾 在 服 務 區(qū) 怕 被 人 打 手 機 ,又 不 能 關 機 ,找 個 金 屬 盒 子 裝 進 去 ,就 變 成 了 您 撥 打

10、 的 用 戶 不 在 服 務 區(qū) 日 常 生 活 中 的 靜 電 屏 蔽 : 很 多 家 用 電 器 都 套 有 金 屬 外 套 ， 如 功 放 機 、DVD機 等 。 有 線 電 視 的 信 號 線 的 銅 芯 外 就 包 有 一 層金 屬 網(wǎng) ， 這 層 金 屬 網(wǎng) 可 以 屏 蔽 掉 干 擾 信 號 ， 因 此 有線 電 視 的 畫 面 比 較 清 晰 、 聲 音 比 較 清 楚 。 屏 蔽 裝 置 在 工 程 技 術 中 ， 如 果 需 要 屏 蔽 的 區(qū)域 較 大 ， 還 可 采 用 金 屬 屏 蔽 網(wǎng) ,也 有 良 好的 屏 蔽 效 果 。 在 電 子 儀 器 中 ,為 了 免 受

11、 靜電 干 擾 ， 常 利 用 接 地 的 儀 器 金 屬 外 殼 作屏 蔽 裝 置 。 電 測 量 儀 器 中 的 某 些 聯(lián) 接 線的 導 線 絕 緣 外 面 包 有 一 層 金 屬 絲 網(wǎng) 做 為屏 蔽 。 某 些 用 途 的 電 源 變 壓 器 中 ， 常 在初 級 繞 組 與 次 級 繞 組 之 間 放 置 一 不 閉 合的 金 屬 薄 片 作 為 屏 蔽 裝 置 。 屏 蔽 產(chǎn) 品 如 屏 蔽 袋 、 導 電 袋 、 有 蓋 的 周 轉 箱 ,靜 電屏 蔽 服 等 ， 利 用 法 拉 第 杯 靜 電 屏 蔽 原 理 ， 保 護內(nèi) 裝 物 品 。 屏 蔽 袋屏 蔽 線屏 蔽 服 電

12、子 裝 備 生 產(chǎn) 過 程 中 消 除 靜 電 的 途 徑 靜 電 的 控 制 ： 工 藝 控 制 法 目 的 是 在 生 產(chǎn) 過 程 中 盡 量 少 地 產(chǎn) 生 靜 電 荷 。 泄 露 法 目 的 是 使 靜 電 荷 通 過 泄 露 達 到 消 除 。 靜 電 屏 蔽 法 采 用 接 地 的 屏 蔽 罩 把 帶 電 體 與 其 它 物 體 隔離 開 ， 這 樣 帶 電 體 的 電 場 將 不 影 響 周 圍 其 它 物 體 ， 這 種屏 蔽 方 法 叫 內(nèi) 場 屏 蔽 。 有 時 也 用 接 地 的 屏 蔽 罩 把 被 隔 離物 體 包 圍 起 來 使 被 隔 離 物 免 受 外 界 電 場

13、 的 影 響 ， 這 種 屏蔽 方 法 叫 外 場 屏 蔽 。 復 合 中 和 法 及 其 它 通 過 復 合 中 和 法 來 達 到 靜 電 荷 的 消除 。 防 靜 電 屏 蔽 材 料 的 詳 細 介 紹 適 用 于 PCB(印 制 電 路 板 )、 IC 等 靜 電 敏 感 類 高科 技 電 子 產(chǎn) 品 的 運 輸 與 包 裝 。 具 有 防 靜 電 功 能 。 防靜 電 屏 蔽 材 料 內(nèi) 外 層 由 透 明 的 防 靜 電 材 料 構 成 ， 中間 為 半 透 明 的 導 電 金 屬 層 ， 因 而 具 有 良 好 的 防 靜 電 、靜 電 屏 蔽 性 能 ， 外 觀 銀 灰 色 、

14、 半 透 明 ， 可 透 視 被 包裝 物 。 廣 泛 應 用 于 電 腦 主 板 、 聲 卡 、 顯 卡 等 靜 電 敏感 的 電 子 產(chǎn) 品 的 包 裝 ； 主 要 技 術 參 數(shù) ： 常 規(guī) 厚 度 ： 3mil(【 電 】 密 耳(千 分 之 一 英 寸 )； 表 面 電 阻 率 ： 內(nèi) 層 ， 10的 5次 方至 10的 11次 方 ； 金 屬 層 ， 小 于 50歐 姆 ； 外 層 ， 小 于等 于 10的 11次 方 ； 靜 電 屏 蔽 ： 小 于 等 于 30V； 電 磁干 擾 衰 減 ： 大 于 等 于 10db。 IC: 即 集 成 電 路 是 采 用 半 導 體 制 作

15、工 藝 ，在 一 塊 較 小 的 單 晶 硅 片 上 制 作 上 許 多 晶 體 管及 電 阻 器 、 電 容 器 等 元 器 件 ， 并 按 照 多 層 布線 或 遂 道 布 線 的 方 法 將 元 器 件 組 合 成 完 整 的電 子 電 路 。 它 在 電 路 中 用 字 母 “ IC”（ 也 有 用文 字 符 號 “ N”等 ） 表 示 。 目 前 國 際 上 有 關 靜 電 屏 蔽 性 能 測 試 的 標 準 方法 有 ： 1.美 國 電 子 工 業(yè) 協(xié) 會 標 準 EIA-541 2. 英 國 標 準 BS7560 這 些 方 法 歸 納 起 來 可 分 為 電 容 放 電 法 和

16、 雙 極性 高 壓 脈 沖 放 電 法 。 電 容 放 電 法 : 此 方 法 是 美 國 電 子 工 業(yè) 協(xié) 會 標 準 EIA541 推薦 的 測 試 方 法 , 其 原 理 是 給 200pF電 容 充 上 1 V的電 壓 , 電 容 傳 感 器 探 頭 置 于 材 料 包 裝 袋 內(nèi) , 其 中 心約 在 試 驗 袋 開 口 端 內(nèi) 側 50mm處 , 并 將 它 們 放 置 在試 驗 裝 置 的 上 下 金 屬 電 極 之 間 , 電 容 充 電 后 , 利 用轉 換 開關 經(jīng) 由 一 個 400K的 電 阻 通 過 被 測 材 料 放 電 , 將 探頭 上 感 應 的 電 壓 信

17、號 引 人 到 測 量 儀 器 。 該 測 試 方 法 操 作 簡 單 , 能 夠 比 較 客 觀 地 反 映材 料 的 屏 蔽 性 能 。 典 型 測 試 裝 置 為 美 國 生 產(chǎn) 的ACL-500型 靜 電 屏 蔽 測 試 表 。 雙 極 性 高 壓 脈 沖 放 電 法 ： 此 方 法 為 英 國 標 準 BS7506推 薦 的 材 料 屏 蔽 性 能 測 試 方法 。 此 方 法 將 具 有 對 稱 峰 值 幅 度 和 脈 沖 波 形 的 高 壓 電 場 脈 沖對 一 規(guī) 定 寬 度 的 材 料 放 電 。 位 于 被 試 樣 品 層 另 一 側 的 傳 感 器 , 將 所 測 得 的

18、 信 號 送 到 信 號 處 理 電 路 。 此 測 試 系 統(tǒng) 比 較 復 雜 , 所 測 試 樣 品 為 一 個 試 樣 層 , 而 不 是 試 樣 袋 。 雖 然 此 法 中 采 用了 正 負 脈 沖 放 電 , 但 它 是 以 同 步 、 同 幅 度 、 同 脈 沖 波 形 的 放電 , 其 目 的 是 為 了 解 決 單 極 性 放 電 時 在 試 樣 層 上 存 在 凈 電 荷的 問 題 , 而 不 是 真 正 用 來 檢 測 不 同 放 電 極 性 下 的 屏 蔽 性 能 。 此 法 的 最 大 優(yōu) 點 是 它 把 所 測 信 號 經(jīng) 過 信 號 處 理 電 路 后分 成 了 9

19、個 頻 段 , 且 能 把 每 個 頻 段 感 應 的 信 號 峰 值 保 留 下 來 , 便 于 分 析 材 料 對 于 各 個 頻 段 信 號 的 屏 蔽 性 能 。 阻 隔 材 料 靜 電 屏 蔽 性 能 測 試 方 法 1.實 驗 方 法 與 實 驗 裝 置 該 項 研 究 采 用 美 國 電 子 工 業(yè) 協(xié) 會 標 準EIA-541規(guī) 定 的 電 容 放 電 方 法 。 實 驗 裝 置 采用 自 制 的 屏 蔽 性 能 測 試 裝 置 和 美 制 ACL-500型 儀 器 并 進 行 對 比 實 驗 。 圖 1 為 自 制 裝 置 的 電 容 探 頭 的 結 構 , 圖 2為 電 容

20、 放 電 測 試 法 原 理 圖 。 電 容 探 頭 具 有 高 的 阻 抗 (高 于 10M) 和 低 的 電 容(5pF或 更 小 ), 電 容 探 頭 是 鑲 在 一 塊 絕 緣 材 料 上 厚1.5mm的 金 屬 板 。 實 驗 裝 置 包 括 上 部 一 塊 38mm的 金屬 接 觸 板 和 一 塊 用 以 支 承 被 試 樣 品 與 電 容 探 頭 的 適 當尺 寸 的 接 地 金 屬 板 。 置 電 容 探 頭 于 試 驗 袋 內(nèi) , 其 中 心約 在 試 驗 袋 開 口 內(nèi) 側 50mm處 , 將 它 們 放 置 在 實 驗 裝置 的 上 下 金 屬 板 之 間 。 試 驗 電

21、 壓 1 V, 使 電 容 器(200pF)充 電 , 然 后 利 用 轉 換 開 關 經(jīng) 由 電 阻 器 (400K)對 被 試 材 料 放 電 , 用 美 制 TDS-680B ; 數(shù) 字 存 儲 示 波器 通 過 電 容 探 頭 記 錄 下 試 驗 袋 內(nèi) 感 應 的 電 壓 波 形 , 從波 形 上 測 量 其 感 應 的 峰 值 電 壓 。 被 測 試 樣 由 中 國 兵 器 工 業(yè) 總 公司 140廠 阻 隔 材 料 包 裝 袋 生 產(chǎn) 分 廠 提供 , 共 5 種 試 樣 (A. B.C.D.E)。 此 外 , 試 樣 C按 三 個 不 同 尺 寸(100mm 150mm ， 1

22、50mm 200mm，250mm 300mm)實 驗 研 究 。 2.實 驗 結 果 與 分 析 2.1自 制 實 驗 裝 置 在 金 屬 基 板 接 地 和 不接 地 情 況 下 的 實 驗 結 果 表 1 為 實 驗 結 果 。 可 以 看 出 , 自 制 實 驗裝 置 在 實 驗 基 板 接 地 與 不 接 地 的 情 況 下 , 試 樣內(nèi) 感 應 的 電 壓 差 別 很 大 。 其 原 因 是 由 于 試 驗基 板 接 地 造 成 的 影 響 。 分 析 如 下 ： 自 制 實 驗 裝 置 在 試 驗 基 板 不 接 地的 情 況 下 所 測 得 的 實 驗 結 果 與 美 制ACL-

23、500靜 電 屏 蔽 表 所 測 得 的 結 果 基本 一 致 , 這 說 明 自 制 實 驗 裝 置 可 用 于阻 隔 材 料 的 屏 蔽 性 能 測 試 。 由 圖 3 ， 圖 4,可 以 看 出 , 兩 種 情況 下 試 樣 內(nèi) 感 應 的 峰 值 電 壓 相 差 近150v, 且 從 波 形 上 明 顯 看 出 , 在 試 驗基 板 接 地 時 , 干 擾 信 號 較 大 。 2.2同 種 阻 隔 材 料 不 同 尺 寸 的 試 樣 其 感 應 電 壓 測 試 結 果 表 2為 測 試 結 果 。 由 表 2可 以 看 出 , 只 要 電 容 探 頭離 袋 口 的 距 離 不 變 ,

24、試 樣 內(nèi) 感 應 的 電 壓 與 試 樣 尺 寸 大 小稍 有 變 化 , 但 變 化 不 大 。 而 美 軍 標 MIL-B-81705C及 國軍 標 GJB2605-96中 規(guī) 定 的 試 樣 尺 寸 均 為 100mm 150mm， 在 實 際 應 用 過 程 中 可 以 適 當 放 寬 對 試 樣 尺 寸的 要 求 , 且 不 至 于 引 起 較 大 的 測 試 誤 差 。 3.實 驗 結 論 3.1 在 測 試 過 程 中 , 為 了 克 服 因 放 電 時 在 地 線上 感 應 的 信 號 引 入 到 測 試 系 統(tǒng) 中 , 保 證 測 試 結 果 的準 確 性 , 金 屬 基

25、板 與 示 波 器 及 放 電 電 源 不 能 向 時 接地 。 同 時 , 為 了 保 證 所 測 試 的 結 果 具 有 可 比 性 , 必須 保 持 電 容 探 頭 離 試 樣 袋 口 相 等 的 距 離 。 3.2 實 驗 中 發(fā) 現(xiàn) , 試 樣 尺 寸 大 小 對 測 試 結 果影 響 不 太 明 顯 。 也 就 是 說 , 在 阻 隔 材 料 屏 蔽 性能 測 試 中 , 可 以 適 當 放 寬 美 軍 標 MIL-B-81705C及 國 軍 標 GJB2605-96中 規(guī) 定 的 試 樣尺 寸 的 要 求 , 提 高 軍 標 的 可 操 作 性 。 靜 電 屏 蔽 的 意 義 實

26、 際 意 義 ： 屏 蔽 使 金 屬 導 體 殼 內(nèi) 的 儀 器或 工 作 環(huán) 境 不 受 外 部 電 場 影 響 ， 也 不 對外 部 電 場 產(chǎn) 生 影 響 。 理 論 意 義 ： 間 接 驗 證 庫 侖 定 律 。 課 題 總 結 1 加 深 對 靜 電 場 應 用 的 了 解 2 拓 寬 對 靜 電 屏 蔽 及 其 應 用 的 認 識 3 了 解 放 靜 屏 蔽 的 材 料 測 試 方 法 參 考 文 獻 1. 軍 械 工 程 學 院 學 報 -阻 隔 材 料 靜 電 屏 蔽 性 能測 試 方 法 的 實 驗 研 究 (譚 志 良 劉 尚 合 陳 硯橋 張 衛(wèi) 平 ) 2. 科 協(xié) 論 壇 下 半 月 2010年 第 12期 3. 靜 電 屏 蔽 的 原 理 級 應 用 課 件 -段 小 慶 4.電 子 元 件 技 術 網(wǎng) -靜 電 屏 蔽 原 理 、 靜 電 屏 蔽的 意 義 、 靜 電 屏 蔽 的 應 用 5. 電 磁 場 與 電 磁 波 楊 儒 貴 第 二 版