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静电基本原理介绍

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静电定义


静电,就是一种处于静止状态的电荷或者说不流动的电荷,当电荷聚集在某个物体上或表面时就形成了静电,电荷分为正电荷和负电荷两种,静电现象也分为两种:正静电和负静电。当正电荷聚集在某个物体上时就形成了正静电,当负电荷聚集在某个物体上时就形成了负静电。但无论是正静电还是负静电,当带静电物体接触零电位物体或与其有电位差的物体时都会发生电荷转移。


静电产生


(1) 接触带电:接触带电是一种由于物体之间的接近而产生带正负电电荷的现象。由于所有的物体都是由原子组成的,原子内部的原子核由带正负电荷的电子组成,在一般的情况下,原子的电子和质子的数量都是相同的,保持一种电平衡。当物体之间接近时,原子内的电子由于接触而移动,当负电子离开物体时,物体就带正电,这些电子遇到其他物体时,其他物体就带负电,这就是静电产生的原因。


(2) 摩擦带电:摩擦带电是由于接触的表面共同摩擦引起带电的情况。与接触带电相比,摩擦带电产生电荷量比较大,这是由于两个接触物体表面的凹凸不平的位置一起摩擦,摩擦的新区域也在不断地增加,接触区域的增加会导致产生更大的电荷量。


(3) 分离带电:当接触的物体分离时,比如撕下胶带或去掉LCD玻璃基板上的保护薄膜,就会发生强烈的带电现象。这种现象和以上描述的“接触带电”是相同的,但是一般称作“分离带电”的原因是由于物体由分离而带电。一般来说接触的越紧密,电荷的密度就越高,静电电荷就会越严重。


(4) 静电诱导:静电诱导是一种只有当物体导电时才会发生的现象。当带电的物体靠近导体时,导体的表面就会产生与物体相反极性的电荷。例如,当带正电的物体靠近导体时,导体内部的电子就会发生移动,使负电荷出现在面对带电物体的导体表面上,而正电荷出现在另一端。这是由于集中在导体表面的电荷的一致化引起的,这种状态就称之为“诱导”。


(5) 极化:当一个绝缘体靠近一个带电物体或者被放在电极之间并且带有一定的电压时,分子内部就会产生改变,但是由于绝缘体不导电并且绝缘体内部的电子无法移动,所以就会导致绝缘体的某个部分带正电而其他部分带负电,但是绝缘体所带电荷的总量仍然接近于0 V(两极带电)。这种现象被称作“极化”。尽管极化和感应看上去很相似,但当绝缘体接地时电子并不会离开物体。


静电危害


人体对静电的感觉:由于人体的电容相对比较小,所以在人体未接地的情况下如果到处行走就会产生电荷,形成静电,随着电荷的积蓄就会产生很多的问题,最常见的就是在冬季脱毛衣或者用手触摸门把手时受到“电击”伤害;另外就是如果和带电物体接触时会释放静电,从而产生干扰。由于人体的感觉和体内的电荷电位差存在一定的关系,所以人体对于不同的电荷电位存在显著的感觉差异:


人体内的电荷电位(kV)

“电击”程度

1.0

无感觉

2.0

手指产生感觉、但无痛感

3.0

有针刺般的刺痛感

4.0

-

5.0

手掌及前臂有痛感

6.0

手指有强烈痛感,上臂沉重

7.0

手指及手掌有强烈痛感及麻痹感

8.0

手掌及前臂有麻痹感

9.0

手腕有强烈痛感,手感觉麻痹

10.0

整只手有痛感并感觉有电流通过

11.0

手指有强烈的麻痹感,整只手有强烈的电击感

12.0

整只手感觉遭受重击


静电引起的火灾与爆炸:静电的释放不仅会对人体产生一定的影响,更有甚者会引起严重的事故,例如火灾和爆炸。在一些使用高绝缘性聚合材料的行业中,像聚合薄膜这类产品生产和传送过程中会接触到许多金属轴,因此电荷密度非常高,当从轴上取下时就会引发瞬间的静电释放,当一个很大的薄膜带有电荷时,临近导体周围的电场也变得更大,在易燃的环境中就会导致火灾; 如果是在使用易燃气体的行业中,当易燃气体与空气混合时会产生火花,从而点燃气体导致爆炸。


电磁干扰:由于静电的释放是一个很快的过程,伴随着静电的释放,会产生一定的电磁波。这些电磁波就会影响周围工作场所中的测量仪器或通信设备,例如引起系统故障或崩溃。


对各行各业的影响:静电的释放不仅会对人体和周围环境产生一定的影响,那对各行各业也会产生一定的影响,它们的影响方式存在一定的差异,但都会导致出现相关的问题,以下梳理了一些静电对不同行业的影响 :


半导体行业

由于在半导体制造或者检测行业中在光刻工序(晶圆加工-氧化-光刻-刻蚀-薄膜沉积-互连-测试-封装)中涉及的每一次设备加工、检测、物料转移过程中都需要对晶圆去除静电否则极易引起对晶圆及芯片产生损伤,导致性能的下降甚至直接报废

电子行业

静电的释放会引起电路或者设备的故障;常见的就是造成电子元器件的损伤,如果在IC中发生静电释放时,由于静电的瞬间释放产生的高压电流会瞬间穿过IC内部,就会导致高绝缘性二氧化硅(绝缘层)得破坏,导致内部电路的损伤

粉末传输

由于粉末颗粒在传输的过程中会相互摩擦,产生静电,那就会导致比如粉末结块、散乱、筛选故障等,严重的静电释放会引起灰尘爆炸和电击


常见静电消除方法


(1) 静电消除器:使用静电消除器是比较明显的除静电方法,通过提供和带电物体具有相反极性的离子,来进行静电中和,根据电离空气分子的方式,静电消除器可做分为“电晕放电型”和“光照型”。 


(2) 增加湿度:增加湿度就是提高空气中的湿度,减少静电荷的积累。在有静电危险的工厂中,在工艺条件允许的情况下,可以安装空气加湿器、喷雾器或洒水等办法,增加空气的相对湿度来降低电荷的积累。 


(3) 静电接地:接地是静电消除简单、直接、基本的方法,主要是用来消除导电体上的静电,而不适合用来去除绝缘体上的静电。 


(4) 加抗静电剂:抗静电添加剂是特制的辅助剂,一般只需加入千分之几甚至万分之几的量,即可有效减少生产过程中产生的静电,采用抗静电添加剂,应以不影响产品的质量为原则,还应注意防止某些添加剂的毒性和腐蚀性对产品和环境造成的影响。


(5) 穿戴抗静电的相关衣物:在日常的工厂操作或者是家具生活中,我们可以穿戴抗静电的鞋子或者衣物来降低静电的相关影响。


相关工程师



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