靜電問題、ESD對策及靜電的意外用途——利用靜電發(fā)電

來源：JLE電路保護與器件更新時間：2024-07-13 閱讀：

在一些國家和地區(qū)，“靜電”是冬季干燥的禍根。靜電就像字面一樣是靜態(tài)的，也就是電荷*1不移動，保持帶電狀態(tài)*2的電。

因衣服摩擦等而使帶電的人與不帶電的物體之間可能會產(chǎn)生幾千伏的高電壓。此時，當(dāng)人接觸或接近該個物體時，帶電的電荷會立即流向物體從而產(chǎn)生放電。這種靜電現(xiàn)象被稱為ESD：Electro-Static Discharge（靜電放電）*3。

此外，如果帶電物體之間的電荷極性（正/負）相同，則它們相互排斥，如果它們的電荷極性不同，則相互吸引。在后一種情況下，會導(dǎo)致不必要的灰塵和污垢等可能會粘附在產(chǎn)品上。

下面分別列出了靜電引起的典型問題和有效利用靜電的示例。

*1 電荷：電是物質(zhì)的固有屬性之一，這種電的來源稱為電荷。有正電（正）和負電（負）兩種極性，這種電荷的行為和舉動能引起各種電現(xiàn)象。

*2 帶電：例如，如果讓電荷不易移動、電流不易流動的物質(zhì)——絕緣體貼在一起相互摩擦，則可能會進入其中一方帶有較多的正電荷或負電荷的狀態(tài)。這種電荷累積后的狀態(tài)稱為帶電。

*3 包括ESD（靜電放電）在內(nèi)，放電時電荷移動，也就是有電流流動，因此ESD好像不應(yīng)該被認為是靜電現(xiàn)象。但是，鑒于ESD是瞬時放電且電流很小，我們在此將ESD視為一種靜電現(xiàn)象。

靜電問題1：ESD（靜電放電）與ESD破壞

IC等電子設(shè)備中發(fā)生ESD可能會導(dǎo)致電子設(shè)備發(fā)生故障和誤動作。電子設(shè)備因發(fā)生高電壓下的瞬時放電而無法正常工作被稱為“ESD破壞”，它不僅在電子產(chǎn)品的制造工序中，而且在產(chǎn)品購買者使用時都會導(dǎo)致故障和問題。

此外，衣服等特別容易因摩擦而帶電和發(fā)生ESD，例如，如果帶電作業(yè)人員在制造現(xiàn)場接觸產(chǎn)品，則皮膚會感受到刺激和疼痛，給人帶來痛苦。而且，帶電作業(yè)人員可能會導(dǎo)致ESD破壞，從而產(chǎn)生缺陷產(chǎn)品（照片1）。

照片1：特別是在使用電子設(shè)備的制造現(xiàn)場，需要注意影響成品率的ESD破壞

靜電問題2：帶電引起的灰塵、污垢等異物的粘附

空氣中的灰塵、污垢、金屬粉末等異物與工件*4和產(chǎn)品分別帶正電/負電或負電/正電后，就會像前面所述的那樣在雙方之間產(chǎn)生吸引力，異物會粘附到后者上面。

例如，如果異物粘附在金屬（導(dǎo)體）設(shè)備的外殼或車體上，則可能會導(dǎo)致噴涂質(zhì)量下降。此外，如果異物粘附在樹脂（絕緣體）薄膜、片材、食品容器等產(chǎn)品上，則可能會出現(xiàn)次品，還有，在保管過程中也會由于粘附了細小的異物而使產(chǎn)品受到玷污，可能會導(dǎo)致質(zhì)量下降和投訴。而且，在薄膜類產(chǎn)品的制造和加工工序中，基材扭曲和邊角起翹可能會導(dǎo)致在形成涂膜的藥劑和液體材料的涂抹工序以及卷繞過程中出現(xiàn)問題（照片2）。

*4 工件：制造過程中的加工對象物體。例如，在金屬外殼的壓制成型工序中，壓制材料被稱為工件，而在外殼涂裝工序中，外殼本身就被稱為工件。

靜電的意外用途：與降雪時利用靜電發(fā)電相關(guān)的研究

在空氣干燥的冬季，靜電在各種工業(yè)產(chǎn)品和人們的生活中造成上述問題。除此之外，在寒冷地區(qū)，太陽能電池板上的積雪會導(dǎo)致太陽能發(fā)電的效率顯著降低，再加上供暖使電力需求增加，有可能成為大問題。

靜電一直被認為只會造成這些影響和問題，但是，與利用降雪產(chǎn)生靜電的能量收集*5相關(guān)的研究也在進行。

*5 能量收集：指從熱量、陽光、照明、人體運動和機器工作產(chǎn)生的振動等日常環(huán)境中收集能量，再將其其轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)。

例如，美國的一個研究團隊正在研究和開發(fā)一種裝置，該裝置可以從與雪接觸或摩擦而產(chǎn)生的靜電中獲取電能。人們發(fā)現(xiàn)雪在一定的溫度范圍內(nèi)會帶正電。當(dāng)帶正電的雪和帶負電的物體因接觸或摩擦而緊密接觸或滑動時，就會產(chǎn)生電壓?；谶@一原理，研究團隊實現(xiàn)了利用雪的能量收集，并成功地從該裝置中獲取了電能。由于該裝置在薄、輕和柔軟性方面非常出色，因此有望獲得廣泛的應(yīng)用。

功能性防寒用具就是其中的一個使用示例。通過在衣服表面或鞋底安裝該設(shè)備進行發(fā)電，再通過加熱器進行取暖，在降雪期間進行冬季體育活動等戶外活動中感知運動和身體狀態(tài)，這些都可以不使用事先充好電的二次電池等即可實現(xiàn)（照片4）。

此外，人們認為，通過采用這種設(shè)備本身就能進行感知的機制，可以更加容易地在電力供應(yīng)困難的地方的設(shè)置和運行氣象觀測設(shè)備。

照片4：通過將與雪接觸時會發(fā)電的設(shè)備使用在衣服上，可以獲得可穿戴加熱器和傳感器等所需要的電力（照片為示意圖）

基于這樣的新想法，與能量收集相關(guān)的研究和開發(fā)不斷多樣化并取得進步，對未來能量獲取的新選項將會增加的期望不斷上升。

在制造現(xiàn)場和設(shè)計階段都必不可少——靜電對策和ESD對策

除了用于上面提到的能量收集等，靜電還被用于打印機、復(fù)印機、除塵器以及各種制造和加工設(shè)備等。然而，比起這些有益的方面，可以說開頭提到的ESD破壞和異物粘附等問題更引人關(guān)注。為了避免這些問題，只能全力實施各種對策。以下介紹具體對策的一些示例。

防止制造工序中產(chǎn)生次品的靜電對策

帶電即靜電的一個眾所周知的原因是由物體或人在運動時的摩擦而產(chǎn)生的帶電（摩擦帶電）。這種帶電在產(chǎn)品的制造工序中也經(jīng)常發(fā)生。針對由這些原因引起的靜電問題的典型對策是使用“靜電消除器”，它通過用空氣將離子吹到對象物體上來中和帶電電荷。

除靜電器有對在搬運線等上面帶電的工件上的靜電進行中和并將其去除的桿型、對在手工裝配工序等當(dāng)中產(chǎn)生的靜電進行中和并將其去除的帶風(fēng)扇鼓風(fēng)機型、一邊將空氣集中吹到目標點一邊去除靜電，從而將因靜電而粘附的異物去除的槍型等各種各樣的形式。

此外，佩戴腕帶將靜電釋放到地面（GND）以防止作業(yè)人員的手導(dǎo)致ESD也可以說是防止因人而產(chǎn)生的ESD破壞導(dǎo)致產(chǎn)生缺陷產(chǎn)品的基本對策（照片5）。

使用電子設(shè)備時，ESD對策也很重要。“ESD保護裝置”中的靜電對策

電子設(shè)備中的ESD等靜電危害不僅會發(fā)生在制造工序中，還會發(fā)生在購買者的使用過程中。例如，如果電子設(shè)備中的IC等電子器件因開關(guān)操作等而產(chǎn)生ESD，就會導(dǎo)致誤動作或因SED破壞而發(fā)生故障。因此，在設(shè)計階段就需要針對靜電危害和ESD采取對策。

電子設(shè)備在使用過程中特別容易產(chǎn)生ESD的地方是人用手操作的地方，例如按鈕、插拔USB等插頭的連接器等各種外部接口等。換句話說，操作導(dǎo)致向IC瞬間施加高電壓，從而產(chǎn)生ESD后，電子設(shè)備發(fā)生故障或出問題的風(fēng)險會增加（圖 1）。因此，可以毫不夸張地說，電子設(shè)備中需要ESD對策的地方，就是用戶接觸或接近的各個地方。