靜電量測

在採取靜電對策之前,首先必須要檢查清楚是否有靜電。也就是要從「找出」靜電開始。然而靜電棘手之處就是我們無法看見其本身的樣貌。
如薄膜吸附或有灰塵附著等,用肉眼就可能看得見的問題發生時,我們就可以判斷該處有靜電。另外,若使用專用的測量儀,即可在沒有發生明顯問題的地方找出靜電、還可得知量測位置的靜電量。

何謂靜電感測器

首先要介紹測量儀。
要查明是否有靜電,需使用稱為靜電感測器的專用測量儀。只要將靜電感測器朝向要量測的物體,即可簡單測出該物體的靜電量。

只需將感測器部位朝向目標物即可量測
  1. A:只需將感測器部位朝向目標物即可量測。

測量儀的類型

量測靜電的儀器正式名稱為「表面電位感測器」或「靜電電位測量儀」。
下圖左邊的例子是正在量測電路基板的靜電。只需要將靜電感測器朝向電路基板即可量測靜電量。
在製造現場有各種不同的靜電量測需求,包括需要在生產線的多處位置上進行量測,或需要在特定位置持續量測並加以紀錄等。靜電感測器也會根據不同用途有各種不同類型,因此配合使用目的及條件來選擇測量儀很重要。

手持式靜電感測器
可拿在手上進行量測
可拿在手上進行量測
線上裝設型靜電感測器
裝設於生產線上進行量測
裝設於生產線上進行量測

靜電量的大小與單位

量測靜電量大小的「尺標」是什麼呢?就是「電壓」。靜電量的大小是以電壓的強弱來表示。
假設使用靜電感測器量測了某樣物品,產品A測得100 V,產品B測得500 V,此時,電壓高的產品B的靜電量較多,代表帶有較多的電。由此可判斷電壓越強帶電量越大,電壓越弱帶電量越小。

感測器上會像這樣顯示電壓,因此能馬上得知靜電量的大小。
  1. A:感測器上會像這樣顯示電壓,
    因此能馬上得知靜電量的大小。

使用表面電位計時的注意事項

包括使用上的訣竅以及2點量測環境相關注意事項。

量測上的注意事項
若進行初始調整時量測距離與被量測目標物的大小與量測時不同,則量測值將不會顯示正確值。
  • 距離依賴性
    與被量測目標的距離不同,傳達到量測器的電力線條數也會產生變化。因此,距離若遠於調整時的基準距離,則量測值變小;若較近,則量測值變大。
  • 被量測目標的大小依賴性
    將被量測目標換算成無限大數值的量測器相當多。被量測目標物若充分大於量測感測器的檢測範圍時,越能顯示出正確的量測值,但若小於上述量測範圍時,則將顯示較小的量測值。(圖1)
圖1 被量測目標物的大小依賴性
圖1 被量測目標物的大小依賴性
圖1 被量測目標物的大小依賴性
量測環境相關注意事項
在表面電位的量測中必須注意的是量測金屬板上貼附的薄膜,以及在中間夾入薄膜的金屬板。此時即使帶電,電位仍會顯示趨近0 V 的數值。圖2 是夾入樹脂薄膜的金屬板之範例。由圖可見金屬板雖然帶電,但在接地的金屬側出現感應電荷,從外部與此抵銷,而呈現未帶電狀態。因此,接地的金屬上貼附的被量測物是否帶電,無法透過表面電位計得知。
圖2 夾入樹脂薄膜的金屬板範例
圖2 夾入樹脂薄膜的金屬板範例

距離依存性較小的量測方法

電壓回饋型表面電位計

表面電位計並非檢測電位,而是檢測電場強度,因此具有距離依賴性。電壓回饋型表面電位計可調節高電壓電源的輸出電壓,以針對與表面電位計同樣的表面電位感測器提供電位,使感測器的輸出為零,亦即表面電位感測器檢測出的電場強度為零。表面電位感測器檢測出的電場強度為零時,是在被量測目標的電壓與感測器的電壓一致時。也就是說,高電壓電源的輸出電壓為被量測目標的電壓。圖3 是電壓回饋型表面電位計的構成例。

圖3 電壓回饋型表面電位計的構成例
圖3 電壓回饋型表面電位計的構成例

電壓回饋型表面電位計具有距離依賴性較小的優點,但可量測的電壓範圍限制在可輸出高電壓電源的電壓範圍內。
但是,亦有些產品是透過控制高電壓電源的輸出電壓,依據該輸出電壓與表面電位計的輸出值,來量測被量測目標的表面電位。這種方法可量測的電壓範圍不會受到高電壓電源的輸出電壓範圍的限制,可量測更廣大的電壓範圍。

其他量測方法

除了先前介紹使用表面電位測量儀的方法之外,靜電還有以下三種量測方法。

  1. 箔片驗電器
  2. 庫倫計(電流積分法)
  3. 法拉第籠(Faraday Cage)法

1. 箔片驗電器

可靠近帶電物體,驗出是否有帶電。
圖4 是箔片驗電器的概要。上部有金屬電極,與此相連的金屬棒放入玻璃瓶的內部。金屬棒前端裝有金屬箔片。
若將帶電物體靠近金屬電極,可能因靜電而使電極感應到與帶電物體呈逆極性的電荷,金屬箔片側則出現與帶電物體呈相同極性的電荷。由於箔片間的電荷為相同極性,因此會因為對電荷之間產生作用的力道(庫倫力)而相斥,使箔片張開。帶電物體的帶電越強,箔片張開幅度越大。若將帶電物體拉遠,電荷感應則消失,箔片閉合。由於此方法不需要電源,可輕鬆使用。但是,受到重力方向的影響,光靠驗電器測不出帶電極性,帶電強度無法數值化,基於上述理由,在生產現場不太使用。

圖4 箔片驗電器的原理圖與示意圖
圖4 箔片驗電器的原理圖與示意圖
圖4 箔片驗電器的原理圖與示意圖

2. 庫倫計(電流積分法)

庫倫計是將探針接觸帶電物體,量測電荷量,類似三用電錶。但是,它可量測普通三用電錶無法量測的極微小電流(電荷)。圖5 是庫倫計的概要。以此量測電荷量時,若帶電物體並非如導體般可移動電荷的物質,則無法量測。此外,帶電物體會因量測而失去電荷,因此針對1 個樣本僅限量測1 次。基於上述理由,故不太使用。較常用於量測表面電位計不易量測的小型元件帶電量時。

圖5 庫倫計的量測原理

將帶電物體的電荷移動至
量測用電容Cm,量測Vm。

圖5 庫倫計的量測原理

3. 法拉第籠(Faraday Cage)法

與庫倫計相同,它可以量測帶電的電荷量,而且量測電荷量時不會失去電荷。法拉第籠法如其名稱所示,係指使用稱為法拉第籠(Faraday Cage)的容器量測電荷量的方法。
圖6 是法拉第籠法的原理圖,包括了與完全絕緣的內側電極接地的外側電極。內側電極內部若放入帶電物體,將依帶電物體的帶電大小,在內側電極感應電荷。外側電極則進行接地。其原理是量測內側電極與外側電極的電位差Vm,以求出帶電物體的電荷量。
法拉第籠法可正確量測帶電的電荷,但只能量測放入法拉第籠中的帶電物,因此在製造現場多半使用可簡便量測的表面電位計。

圖6 法拉第籠(Faraday Cage)的量測原理
圖6 法拉第籠(Faraday Cage)的量測原理

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