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在航空航天、军事武器、工业生产中,电极(带电体与受电体)间存在运动速度的小间隙(1μm---1mm)静电放电是普遍存在的。小间隙、低电压(约300V---2000V)的静电放电产生的频带极宽的瞬时放电脉冲,对微电子系统和产品的正常工作会构成严重威胁。已有研究表明,小间隙静电放电参数与电极(带电体与受电体)间的运动速度有明显的依赖关系。深入研究这种依赖关系,揭示小间隙放电中电极移动速度效应的内部机理,对于航空航天仪器设备的静电放电危害防护,对于工业生产安全,对于电子、电器系统静电放电敏感度测试标准的修订和完善,都具有重要的参考价值和现实意义。
本研究主要讨论以下四个方面的问题:第一,静电放电参数与电极移动速度的相关性;第二,静电放电参数与带电体所带电压关系和临界现象;第三,静电放电中放电参数的电极移动速度效应的内部机理分析;第四,人体生物电阻抗的估算方法。
基于带电人体手握金属小棒以一定速度向靶电极放电实验,测量了放电电流波形,得到电流峰值、电流变化率峰值,电流上升时间,计算出放放电弧长。这些放电参数,与电极向靶的移动速度有十分强的相关性。用统计软件SPSS(StatisticsPackageforSocialScience)处理放电参数与电极移动速度,结果表明:人体带电电压小于等于300V时,电极移动速度几乎与放电参数无关;人体带电电压超过500V后,直到1500V,电极移动速度与放电参数有非常强的相关性。电极速度与放电电流峰值、与放电电流变化率峰值有强正相关性,与放电间隙的弧长有强负相关性。当人体带电电压超过2000V后,人体静电放电参数受电极移动速度影响的效应已经大大削弱,相关性很低。在带电人体电压为约800V时,带电人体静电放电参数与电极移动速度的相关性最强,也就是说,放电参数的电极移动速度效应最大。以慢速度和快速度向放电靶移动电极,会使放电参数的结果产生20%以上的差异。带电人体在800V时的放电性质随着电极移动速度的变化,呈现出一种特殊的临界现象。
为获得准确的电极移动速度,对所使用的PS600/700系统进行校正是必要的。设计了一个自由落体运动实验用来对加速度系统加以校正。对加速度计用线性时不变系统加以等效,从而推导出加速度计的校正公式。加速度计直接测量结果与和自由落体运动结果比较,证明了所提出的校正公式的有效性。
对小间隙静电放电的分析,可以采用S.Bonisch等提出的表面过程加气体电子雪崩组成的模型。从放电的时间序列来看,表面过程在整个放电过程时间序列的前面100ps以下,而气体电子雪崩过程大概从时间序列的数百ps开始到几个ns的范围。可以考虑用此模型分析带电人体手握金属小棒向受电体以不同速度移动放电所引起放电参数发生显著变化的结果。当带电体所带电压小于等于300V时,放电间隙中的电场强度还未达到使其中气体电离击穿的程度,也不能够使阴极材料内的电子大量溢出,所以这种情况下电极移动速度不会对放电电流产生明显的影响。同时,由于电极问电场较弱,γ过程从阴极表面产生和释放出来的电荷,只有较少部分能够到达阳极,所以形成电流很小。当带电体所带电压高于500V后,随着带电体向受电体以一定的速度移动,两电极的间隙减小、场强增大导致间隙内的气体电离、电子雪崩、击穿,最后使放电间隙成为导电通道。
分析电极移动速度对放电参数产生显著影响的机理,需要了解小间隙静电放电的模型和它所对应的放电理论,即Townsend放电理论和流光放电理论。Townsend放电理论认为,电子受两个电极之间电场的加速,轰击中性粒子使之电离的α过程,和正离子轰击阴极表面产生大量次级(二次)电子的γ过程,是使放电间隙变成导电通道的原因。他更为强调γ过程在造成放电间隙击穿过程中的作用。而流光放电理论则认为,单个电子的雪崩最后会产生贯通间隙的流光…快速传播的高度电离(等离子体)区域,从而形成导电通道。由于放电间隙在击穿后处于非线性状态,所以要采用全波分析的时域计算方法来处理,即采用FDTD,MOM,TLM等方法来处理。
空气作为一种流体,服从流体力学的基本原理和规律。应用流体力学中的连续性原理和Bernoulli定理,分析放电间隙内部压强与间隙外部压强,在电极移动速度下所产生的差别,可以从理论上给出一种对放电参数电极移动速度效应产生机理新的解释。两极间的相对快速移动,会改变放电间隙内外空气的状态,形成气体流动的流管。依据流体力学的基本原理,放电间隙内外压强差使放电间隙的气体压强减小,而据气体放电理论,气压很低接近真空将使阴极发射出的电子更容易到达阳极,从而引起放电电流增大、电流上升时间减小、放电弧长缩短等放电参数的显著变化。然而在慢速移动电极时,放电间隙里的气体压强与静止电极时基本相同。电离后产生的电子在向阳极运动时要经历大量碰撞,所以相对于静止状态的固定间隙放电,慢速运动电极不会使放电参数产生明显的改变。
人体的生物电阻抗,对于静电放电参数的计算,对于电磁生物效应的分析都有重要作用。考虑横电磁模小室里电磁波与腔体壁、与置于腔体中的生物体要发生相互作用,出现镜像反射和互阻抗。引入天线算法,依据人体的柱体模型,可以对人体的生物电阻抗进行估算。这种估算法,对于生物医学工程应用,对于静电放电参数估算,可以提供有益的参考作用。