防静电工作区内人体静电电位在线监测技术研究

高志良 宋 博 王若珏 何积浩 路子威

（北京东方计量测试研究所，北京 100086）

防静电工作区内人体静电电位在线监测技术研究

高志良 宋 博 王若珏 何积浩 路子威

（北京东方计量测试研究所，北京 100086）

人体静电是静电防护工程中主要危害源之一。本文采用接触式静电电位测量方法，提出了基于RS485总线的防静电工作区（简称EPA）内人体静电电位在线监测系统，开发了EPA内人员操作时防静电腕带的静电电位在线监测装置及其配套夹具，专门设计了监测装置和整个系统的测试方法。测试结果表明，该方案实现了静电电位连续监测、限值报警和记录可追溯，能够有效提高航天型号科研生产场所的静电防护在线计量保障能力。

静电电位 在线监测 接触式测量 EPA 可追溯

AbstractHuman body electrostatic discharge is one of the main hazardous factors in the field of electrostatic discharge protection engineering.According to the contact measurement for electrostatic potential，this paper puts forward a online monitor system based on RS485 bus for human body electrostatic potential，develops one type of anti-static wrist strap and its fixture used in EPA（Electrostatic discharge Protection Area） operation，and designs the specialized measurement method for device and the whole system.The test results shows that the design realizes electrostatic continuous measurement，limit alarming and record traceability，and helps strengthen the ability of electrostatic protection and online measurement in aerospace industry workshop.

Key wordsElectrostatic potentialOnline monitor Contact measurementEPA Traceability

1 引言

随着电子技术的不断发展，电子产品逐渐呈现出越来越轻、薄、短、小、集成度高的趋势，同时MOS电路、贴装器件、微波器件、集成电路等静电敏感器件的大量使用，元器件的静电敏感电压越来越低，电子产品抗静电能力越来越差，越来越容易受到静电损伤。静电损伤已经成为影响电子产品质量稳定性和成品率的重要因素之一[1]。

人体静电是静电防护工程中主要危害源之一。人体与各种物体发生接触—分离时，常常会带上几千伏甚至上万伏的静电，在防静电工作区（Electrostatic Protection Area，EPA）等场所，人体作为带电的静电导体，一旦形成高压、瞬态大电流并伴随强电磁辐射时，容易对电子元器件、弹药、武器装备等静电敏感物质造成严重危害[2]。

静电防护工程中[3]，一般是确保人体的静电电位不超过限值要求，因此人体静电电位是极为重要的测量指标。一般取大地为零电压参考点，静电电压在元器件静电放电敏感度等级划分、物体带电量计量等方面获得非常广泛的应用[4]。因此，研究一种适合人体静电电位在线监测并具有记录可追溯功能的方法，对于保证EPA静电安全性、故障及时报警和诊断分析能力提高具有十分重要意义。

2 人体静电电位在线监测方案

目前，非接触式测量对测试距离、被测件几何尺寸具有较为严格要求，对人体静电电位进行在线监测难以实现[5]；在EPA内操作时，人体防护装备、防静电腕带等都属于静电导体，这种场合的人体静电电位需要采用接触式测量方法[6]。人体的防静电腕带通过限流电阻与大地相连。由于人体、限流电阻都属于静电导体，整个防护体系中ESD防护设备形成一个等势体。因此，可通过监测防静电腕带上的电位来实现在线监测人体静电电位的目的[7]。

人体静电电位在线监测总体方案主要由人体静电电位监测装置、网络总线、上位机及软件等组成，如见图1所示，当监测过程中人体静电电位超过预设报警电压时进行报警，并通过总线传输到上位机集中显示和存储数据，同时具有静电电位报警、静电泄放、记录可追溯功能。

根据 GJB 3007A，GB 50611，GB 50944等标准，防静电工作区一般设计分为三级，一级是室内控制静电电位绝对值不大于100V；二级是室内控制静电电位绝对值不大于200V；三级是室内控制静电电位绝对值不大于1 000V。同时，GJB 548B对GJB 1649中HBM模型静电放电敏感电压的分级方式进行了更新，采用七级分级方法，其中3B等级对应电压值8000V。而且，ANSI/ESD S20.20—2014和IEC 61340—5—1中，均对HBM模型100V以上静电放电敏感电压提出了静电防护措施建议。综上，本文选取100V、200V、1 000V和8 000V作为典型静电防护电压在线监测的等级阈值。

3 静电电位监测装置设计

4.1 电路设计

防静电腕带的静电电位监测电路原理如图2所示，主要分为监测电路和报警电路两个部分，其中：CL1～CL4表示测量用电容器，需根据人体对地电容值选用不同数值电容器；K1～K4表示选择测量电压档位开关（不相容），电压档位用来设定安全阈值即监测电位值；R1～R2表示测量电容两端电压分压电阻；J表示报警后立即连通继电器，用于快速释放测量电容器电荷；比较器、DA、单片机、蜂鸣器主要用于辅助设定监测电压并在电压超限后进行报警响应处理。

监测电路工作原理如下：测量电容的一个极端作为静电电位测量极，当测量极与腕带接触良好，另一个电容极接地。四个测量电容分别对应100V、200V、1 000V、8 000V档位，工作前需要设置到指定的监测电位档位，通过切换电容器进行不同静电监测电位设置。

由于处于静电防护环境的人体的电势处处相等，防静电腕带上积累的静电荷会流向测量电容器，最终在测量电容器上产生与腕带相同电位，即相当于一个对电容进行充电的过程。充电后的电容器获得一定的能量，当人体静电电压达到监测电压值，分压电阻上的电位将高于比较电压（正电压、负电压分别通过两个比较器实现），使得比较器输出高电平，单片机仅在开关接入测量电容的瞬态时刻采样比较器状态，判断超过报警限值后控制蜂鸣器进行报警，同时传输报警信息到上位机并且连通继电器泄放电荷。静电电位在线监测装置可以实现两个功能：一是在人体静电电位超过档位电压时能够及时报警；二是在人体静电电压过大时，通过分压电阻支路进行泄漏放电。

3.2 测量电容值计算

在静电电位在线监测电路中，电容器一个探测极与腕带相连，当人体产生一定的电位，就存在一个等效电容器充电过程，其原理如图3所示。其中，C1表示人体的等效电容，C2表示测量用电容器，R表示人体及接地线连接的电阻值，K表示电容器选择开关，U1’和U2’表示充放电过程中电容器两端电压值。

根据电量守恒定律，充电结束后腕带等效电容C1所带电荷量Q1与测量电容器C2所带电荷量Q2的和，应与测量电容器电极未接触人体前，人体上所带电荷量Q相等，得到公式（1）

式中：U1——未对C2充电时，C1积累的静电电位；U1′——C1对C2充电稳定后，C1剩余静电电位；U2′——C2充电到电压阈值时，触发报警电路的静电电位。

由公式（1）推导可得

由人体静电电位监测电路工作原理可知，当电容器充电过程基本稳定时，测量电容器和人体等效电容器在同一静电电位上，而且该电压值与分压器支路U3相等，电荷Q通过分压器泄放过程的初始瞬态电压U3，有：

将公式（3）代入公式（2）得到：

人体电容与温度、湿度、地面绝缘性能、鞋的绝缘性能以及人体的姿态、着装等有关[8，9]。根据IEC-61340—3—1参考值，结合EPA内人员的静电防护处理情况，选择人体电容值为300pF。取静电防护等级U1为100V，分压电阻支路两端电压U3为5V经过分压电阻后，进入比较器电压为2.5V），代入公式（4）得到：C2=5.7nF。

同理，静电防护等级为200V、1 000V、8 000V时，代入公式（4）均可获得相应的测量电容值。但一般购买不到实际计算电容值的电容，具体选用时考虑到电容耐压要求，选择各个档位相对计算值稍大一点电容见表1。

表1 防静电腕带静电电位测量电容值选择

考虑到实际选择电容值与计算得到的电容值有偏差，本文选用单片机作为运行控制单元，对DA输出比较电压进行调整控制，在校准测试环节由外部输入标准电压后，调整确定单片机软件程序中设定值，按照设定的100V、200V、1 000V、8 000V电压阈值分别进行校准，完成全部档位报警电压设置后，固化单片机软件程序，从而实现后续不同档位测量电容器与档位电压的技术指标对应。人体静电电位在线监测装置实例如图4所示。

3.3 电位测量夹具设计

为确保静电电位测量端与人体保持可靠连接，满足人员日常操作时对防静电腕带的灵活性需要，本文专门设计了防静电腕带的静电电位在线监测夹具。腕带夹具参考了腕带本身设计思想，采用双腕带扣结构，两个腕带扣紧挨放置，中间采用灵活连接方式，并将静电电位测量线与腕带本身接地线采用并联方式形成一股包装线，不影响腕带本身正常使用如图5所示。

3.4 上位机软件开发

利用Java工具，本文开发了基于RS485总线联结各个静电电位在线监测装置的上位机软件，实现了静电电位监测与报警情况、记录人员操作状态、存储电位监测终端信息、监测过程可见且状态可追溯等功能，软件界面如图6所示。

4 静电电位监测系统测试方法

4.1 系统搭建

利用防静电腕带电位测量端、测量夹具、串口线、RS485总线、上位机等组成静电电位在线监测系统实物如图7所示。搭建系统时需要确保防静电接地状况良好，静电电位在线计量装置与防静电腕带共地连接，保证线路连接可靠。

4.2 测试方案

利用耐高压标准电容、高压源、高压表、高压继电器、可调电位器、控制按钮以及万用表等组成测试系统如图8所示，分别对静电电位监测装置进行100V、200V、1000V、8000V等四个档位电压测试，同时检查外观和功能正常性、软件运行功能。其中，标准电容300pF对应人体静电电容；100V/200V档位低电压测试时，利用万用表进行电压值辅助确认。

本方案是利用标准电容来模拟人体电容为带电标准电容充电，然后利用带电标准电容对人体静电电位在线监测系统放电。通过对标准电容充电到不同的档位电压，获得对应放电电压后验证监测系统的响应正确性。因此，需要保证带电标准电容放电时的电压准确性，其中关键因素是带电标准电容在充电后、放电前，标准电容自身电压保持的时效性。测试方案合理性计算分析过程如下：

1）标准电容所在电路板的电阻率约为5×109MΩ·cm，电路板厚度为2mm，标准电容对应面积约为300cm2，泄露电阻R约为5×109MΩ·cm×2mm/300cm2=3.33×106MΩ。

2）对于300pF标准电容，充电后1秒时间内电压降低百分比为1/RC×100%=0.1%。计算结果说明，标准电容在充电后的电压泄露是非常缓慢的，通过控制充电后再放电的时间间隔，能够有效满足标准电容放电时的电压稳定性要求。

4.3 测试结果

按照静电电位在线监测系统测试方案，搭建测试系统并完成了整个监测系统测试，测试内容包括外观和功能测试、档位报警电压测试、报警临界电压分时测试、软件监控功能测试等。测试结果表明，各个档位电压测试最大允许误差5%优于同类产品，报警临界电压分时测试最大允许误差4%满足数据传输速度要求，达到了人体静电电位在线监测研制目的。

5 结束语

本文采用接触式静电电位测量原理，研制了人体静电电位在线监测系统，实现了EPA内人员操作时静电电位在线监测、报警、存储和可追溯功能，对提高航天科研生产环境中静电在线监测技术应用和静电防护计量保障水平起到重要作用。同时，该装置能够与现有腕带在线监测仪结合，形成腕带电位一体在线监测装置，提高静电防护工位在线监测、报警和故障追溯能力，具有十分广泛的军用和民用静电防护在线监测技术应用价值。

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Study on Online Monitor of Human Body Electrostatic Potential in Electrostatic Protection Area

GAO Zhi-liang SONG Bo WANG Ruo-jue HE Ji-hao LU Zi-wei
（Beijing Orient Institute for Measurement&Test，Beijing 100086，China）

TN710

A

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.03.07

2017-03-15，

2017-04-10

高志良（1985.08-），男，工程师，硕士，主要研究方向：电磁学计量、静电防护技术与计量管理。

1000-7202（2017）03-0031-05