微小间隙静电放电中两种放电模式的影响研究

阮方鸣 董 墨 吴 亮 王 义周 峰 石 丹 高攸纲

（1.贵州师范大学电子信息系，贵州 贵阳 550001；2.中国电子科技集团第三十研究所，四川 成都 610041；3.北京邮电大学电子工程学院，北京 100876）

引 言

电极移动速度对小间隙静电放电参数有明显的影响。文献［1］－［8］讨论了放电参数如放电电流峰值，电流峰值的时间变化率，电场强度、磁场强度等随着电极移动速度、随着气体压强等的变化情况。在很多文献中具有电极移动速度的静电放电过程被认为是空气放电过程，没有考虑接触放电的影响。电极移动速度为什么会对放电参数产生非常大的影响，至今尚无公认的答案。通过用静电放电模拟器进行实验，我们测试了在不同放电间隙下向靶移动放电的参数，分析了测试结果和电极移动速度影响的物理含义。

1 静电放电模拟器的等效电路

一种常用静电放电发生器的结构示意图如图1所示，它满足国际电工委员会制定的静电放电测试标准IEC61000－4－2。这种类型的静电放电模拟器的结构组成部分包括外壳、集总电容器、触发开关、人体等效电阻、放电头、接地电缆。同时，还外接高压发生器作为充电电源。集总电容作为人体的等效电容，其取值大小为C＝150pF，模拟人体电阻的阻值为R＝330Ω，接地电缆的长度为2m.

与图1的静电放电模拟器相对应，图2给出了一种包含两种不同放电模式的等效电路。该电路中所有的电路元件都用频率域中的符号表示，通过拉普拉斯变换将时域量转换为频域量，便于推导与计算。静电放电实验中放电靶（又称检流器）的有效电阻约为2Ω.该等效电路给出了与空气放电和接触放电两种模式相对应的两种情况。

对于接触放电模式，从图2的右半部分可以看出，放电头上的分布电容不需要考虑。但对于空气放电模式（如图2的左半部分），放电头上的分布电容在整个放电过程中起着非常重要的作用。在用静电放电模拟器进行的放电实验中，所测得的放电电流中通常呈现出两个大的波峰。由静电学理论中电流与电荷的关系可知，放电电流波形曲线下的面积，代表放电过程中电量的多少。如果测得放电电流，就可以通过积分对泄放的电荷量进行估算。在空气放电模式中，人体等效电容和放电头上分布电容两个电容的放电都要加以考虑。但在接触放电模式中，只需要计算人体等效电容的放电电流，静电放电模拟器尖端上分布电容的影响，则无需考虑。

2 实验装置与测量

用静电放电模拟器进行电极向靶有移动速度的小间隙静电放电实验。实验采用的静电放电模拟器型号为EMPEK ESD－2020G，符合国际电工委员会静电放电测试标准IEC61000－4－2.实验装置包括静电放电发生器、静电放电靶（检流器）、高性能数字示波器。放电靶安装在一块面积为50cm×50cm的接地铝板上。在放电靶（检流器）的另一端，通过同轴电缆接到Tektronix DPO7245（BW＝2.5GHz，取样率40GS／s）的数字示波器输入接口上，以便观察和储存放电电流。

在设定的第一种放电间隙情况中，放电模拟器的放电头前端离放电靶约1cm，形成很小的固定间隙（见图3）。当静电放电模拟器充好电后，扣动放电模拟器的触发开关，放电间隙两端电压超过击穿电压，对靶的放电立即发生，连接在靶另一端的数字示波器记录下此时的放电电流波形。

在图4给出的第二种放电间隙情况中，先调节高压电源一定电压，对静电放电模拟器进行充电，再扣动其触发开关，并手握静电放电模拟器从离靶约10cm处以一定的速度向靶移动，并最终碰触到靶上。

实验中使用的静电放电发生器是国产化后的日本系列的产品，型号为EMPEK ESD－2020G.它符合国际电工委员会关于对静电放电进行测试的标准IEC61000－4－2.进行实验测试时的环境条件为：温度T＝20°C，空气相对湿度：RH＝56%.

在电极向放电靶移动并与之碰触放电的过程中，通过同轴电缆接在放电靶另一端的高性能数字示波器，记录下了放电电流波形。

3 测量结果与分析

在用静电放电模拟器进行的实验中，改变充电电压数值，可以测得不同的数据组。图5和图6给出了针对两种不同放电间隙实施放电所测量到的结果，两种放电中高压发生器提供的充电电压（Vc）都是6kV.从图5和图6中看出，两种放电电流峰值和波形的差异都很大。相同的充电电压、相同的静电放电模拟器，结果却得到了非常不同的放电电流，这就说明放电间隙的状态不同造成了放电参数的离散特性。图5所示的是对应于第一种放电间隙情况的结果，即放电头离开放电靶约1cm，直接扣动触发开关放电。图6则是对应于第二种放电间隙状态的放电结果，也就是静电放电模拟器在离开靶约10cm处扣动触发开关，然后手握静电放电模拟器向靶以一定速度运动并最终碰触靶而放电。

从图5（a）看出，放电波形中没有相对其他波峰数值显著大的波峰存在，这是对应于纯空气放电的结果。实验中发现，空气放电产生后在静电放电模拟器中仍然有相当多的电荷没有释放，要经过1～2次碰触放电靶的放电才会完全消耗掉。图5（b）就是空气放电后静电放电模拟器再次碰触靶而放电所测得的放电电流，它是空气放电后残留在放电模拟器中电荷释放的结果。图6是在离放电靶约10cm处扣动触发开关，并向靶以一定速度运动最终与靶相碰触放电的结果。图6（a）给出第一次放电的结果，图6（b）则是第一次放电后残留在静电放电模拟器中电荷再次放电的结果。在一般情况下，如果充电电压相同，放电间隙相同，放电电流的峰值应相同。

从图5和图6给出的测量结果看，除了电压和放电间隙外，在实验中还有其他因素对放电结果产生了影响。环境温度、空气压强和相对湿度是需要考虑的三种可能影响放电结果的因素。

在用静电放电模拟器进行的实验中，空气压强、空气相对湿度、环境温度三种因素并没有发生显著变化。对于第一种放电间隙情况，空气放电几乎在扣动触发开关的同时就产生。但对于第二种放电间隙的情况，扣动触发开关后，静电放电模拟器要向靶运动一定时间后，放电才会产生。图6（a）给出的是第一次放电的波形，留在集总电容里的电荷并未一次放完；图6（b）则给出了第二次放电的波形。

在两种放电间隙状态的放电结果中，可以看出第一种放电间隙的放电电流图5（b）中的第一个放电电流峰值，比第二种放电间隙状态放电电流图6（a）中第一个放电峰值高得多。由此可以推测，在静电放电模拟器向靶移动的过程中，有部分电荷耗散到了周围环境中。

已经 有发 表 的 相 关 文 献［9］－［19］重 点 分 析 了 静 电放电在空气模式下击穿后阻性阶段的性质，讨论放电电流波形与计算方法间的对应关系［20］－［23］，并且指出电极移动速度影响下静电放电的波形如图7所示。该波形也是本实验中用静电放电模拟器对靶直接放电的结果。一个有意义的问题是，需要进一步探索在第二种放电间隙条件下，放电过程中向周围环境消散的电荷量有多少、电极向靶运动速度与气体压强、空气相对湿度以及环境温度之间的关系。

考虑图5（b），图6（a），以及图7三者之间的差别，是什么原因导致三者在第一个峰值上如此大的差别呢？根据本文在第1章所描述的静电放电模拟器的等效电路分析，第一个电流峰值是由静电放电模拟器放电头分布电容放电所引起的，而放电电流波形中，第二个大的峰值则是由静电放电模拟器中的集总电容（人体等效电容）的放电所致。对于微小间隙而言，放电头上分布电容的电荷在触发开关被扣动且放电头与放电靶碰触的同时就放电，几乎没有向周围环境耗散。在第二种放电间隙状态的放电中，静电放电模拟器开关首先被触发，然后以一定速度从约10cm外向靶运动并最后与靶碰触放电。在向靶移动的过程中，放电模拟器前端的放电头上分布电容里的电荷向周围环境耗散几乎殆尽。一旦电极与靶之间的电场强度超过空气击穿场强，放电模拟器电容中的剩余电荷就向放电靶释放形成放电电流。在此放电过程中，由于放电头分布电容较小，贮存的电荷耗散较多，所以放电波形中与之对应的第一个电流峰值就可能低于由放电模拟器集总电容里电荷放电形成的第二个峰值。

图7 直接接触放电电流Vc＝6kV

在空气放电的模式中，随着电压的变化放电电流的幅度值也跟着发生变化。当充电电压从2kV上升到6kV时，两种放电间隙模式下放电电流的峰值差别可以达到甚至超过50% .在充电电压为2kV时，两种放电间隙状态下对应放电电流峰值差别不是很大，随着充电电压增加，这种差别逐渐扩大。

从测量到的实验波形，可以看到第一次放电是空气放电模式的放电，第二次放电则是接触放电模式的放电。因此，有电极向靶移动并最终与靶相碰的静电放电，是同时包含了空气放电模式与接触放电模式的放电过程。

4 结 论

针对不同放电间隙状态用静电放电模拟器进行了实验，研究电极以一定速度向靶移动并与之碰撞放电对放电参数的影响。实验中测得三种放电波形，对放电波形峰值之间的明显差异进行了初步分析。电极与靶之间的相对运动速度和空气相对湿度会对放电波形产生很大的影响。具有电极向靶移动并接触的实际放电过程，是同时包含空气放电与接触放电两种模式的放电过程。真实测得的空气放电电流波形中，没有出现显著尖锐和幅度非常高的峰值。在两种不同放电间隙状态的放电过程中，电极最终都会与靶碰触。即使空气被击穿产生了电弧放电，放电枪的集总电容中仍然有一部分电荷没有完全释放。如果电极与放电靶接触，这些剩余电荷就可能产生第二次甚至第三、第四次放电。空气放电波形有近似相等的幅度，而接触放电则出现了两个明显高于其他幅值的峰值。在电极有向靶移动速度并最后与之碰撞的静电放电过程中，所测得的参数其实是空气放电与接触放电两种放电模式组合的结果，并非已有文献普遍认为的仅仅是空气放电一种模式。从微观与宏观结合上深入探索放电间隙状态对放电性质的影响机理，是以后要做的工作。

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