Метод обеспечения функциональной надежности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов Кузнецов Вадим Вадимович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Кузнецов Вадим Вадимович. Метод обеспечения функциональной надежности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов: диссертация ... кандидата технических наук: 05.12.04 / Кузнецов Вадим Вадимович;[Место защиты: Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" - Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования].- Москва, 2014.- 149 с.

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ источников по тематике электростатического разряда и измерения характеристик электростатических полей 13

1.1. Введение 13

1.2. Понятие электростатического поля и заряда 14

1.3. Методы испытаний и модели воздействия ЭСР на РЭА 16

1.4. Методы защиты электронных компонентов от влияния статического электричества 24

1.5. Вопросы моделирования процесса ЭСР 29

1.6. Моделирование элемента защиты от ЭСР 30

1.7. Методы измерения характеристик электростатических полей 32

1.8. Методы калибровки измерителей напряжённости электростатического поля и электростатического потенциала 40

1.9. Цель и задачи работы 43

Глава 2. Разработка метода моделирования CBM ЭСР . 45

2.1. Введение 45

2.2. Анализ эквивалентных схем воздействия CDM и ЭСР на электронный компонент 47

2.3. Разработка метода измерения емкостей, входящих в модель ЭСР при помощи электрометра 53

2.4. Разработка схемотехнической модели воздействия HBM и CDM ЭСР на полевой транзистор с изолированным затвором . 55

2.5. Модель воздействия CBM ЭСР на полевой транзистор с изолированным затвором 60

2.6. Разработка схемотехнической модели воздействия CDM ЭСР на корпус интегральной микросхемы 67

2.7. Разработка приближённого метода расчёта перенапряжений на затворе МДП-транзистора при ЭСР 74

2.8. Выводы 77

Глава 3. Разработка метода и аппаратуры для контроля электростатического потенциала 80

3.1. Введение 80

3.2. Исследование характеристик электронной лампы в обращён-ном режиме 82

3.3. Разработка схемотехники электрометров на основе ламп в об-ращённом режиме 91

3.4. Разработка метода и аппаратуры для контроля электростатического потенциала с применением электрометра и емкостного делителя 96

3.5. Выводы 100

Глава 4. Экспериментальное исследование разработанных методов 102

4.1. Введение 102

4.2. Исследование модели воздействия ЭСР на печатные узлы 103

4.3. Программа ESD-MOSFET-calc для приближённого расчёта порога отказа МДП-транзисторов при воздействии ЭСР 109

4.4. Экспериментальная проверка методик контроля электростатического потенциала в условиях приборостроительного предприятия 111

4.5. Применение разработанного электрометра для исследования электризации кабелей 120

4.6. Выводы 133

Заключение 135

Литература 141

Методы испытаний и модели воздействия ЭСР на РЭА
Разработка метода измерения емкостей, входящих в модель ЭСР при помощи электрометра
Разработка метода и аппаратуры для контроля электростатического потенциала с применением электрометра и емкостного делителя
Экспериментальная проверка методик контроля электростатического потенциала в условиях приборостроительного предприятия

Введение к работе

Актуальность работы

Вся радиоэлектронная аппаратура (РЭА), выпускаемая в настоящее время чувствительна к электростатическому разряду (ЭСР). Воздействие ЭСР на современные электронные компоненты может вызывать их необратимое повреждение или скрытые дефекты.

Источниками электризации могут быть как перенос электростатических зарядов со стороны оборудования и персонала для наземной аппаратуры, так и потоки высокоэнергетических заряженных частиц для бортовой аппаратуры космических аппаратов (КА). Источниками разряда могут служить: контакт РЭА с носителями заряда: человеком (HBM-модель), с оборудованием (MM-модель), или заряженной РЭА с заземлённым оборудованием (CDM модель).

Исследованию ЭСР и моделированию воздействия ЭСР на РЭА посвящены работы Саенко В.С., Пожидаева Е.Д., Кечиева Л.Н., Кириллова В.Ю., Абрамешина А.Е., Марченко М.В., Вострикова А.В., а из зарубежных исследователей: Pommerenke D., Ashton R., Sowariraj M.S.B., Colnar J., Trotman J., Bonisch S.

Документ ESDA вводит в рассмотрение новый источник разряда — ЭСР от заряженной печатной платы (CBM модель — charged board model). Рассмотрение данного вопроса началось только в 2007-2008 годах, точные данные по CBM ЭСР отсутствуют, и исследования в данном направлении являются актуальными. Актуальной является разработка методов моделирования данного вида ЭСР.

На основании полученных результатов моделирования возможно обоснование необходимых методик контроля статической электризации для оценки реальной электромагнитной обстановки. Применение методик контроля позволяет выявить опасность возникновения ЭСР и оценить эффективность мероприятий по предотвращению ЭСР. Тем самым достигается повышение качества изготовления бортовой аппаратуры КА. Разработка научных и технических основ проектирования, конструирования, технологии производства, испытания и сертификации производимой бортовой аппаратуры КА к воздействию ЭСР и повышение качества данной аппаратуры относятся к приоритетным задачам развития промышленности, и избранная тема диссертации является актуальной.

¹ Industry Council on ESD Target Levels. — White Paper 2: A Case for Lowering Component Level CDM ESD Specifcations and Requirements, April, 2010.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является повышение устойчивости радиоэлектронной аппаратуры к поражающим факторам электризации за счёт выявления влияния характеристик печатного монтажа на порог отказа электронных компонентов при ЭСР и принятия мер по предотвращению ЭСР.

Задачи исследований

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

Провести обзор и анализ механизмов воздействия ЭСР на РЭА, моделей испытаний на воздействие ЭСР, методов и средств защиты от ЭСР, существующих методов моделирования ЭСР и защитных компонентов, существующих методов и средств контроля электростатических полей, зарядов и потенциалов. На основании проведённого обзора сформулировать целевую задачу.
Создать методику моделирования воздействия CBM ЭСР на электронные компоненты и печатные узлы на основе схемотехнического моделирования эквивалентной электрической схемы воздействия ЭСР. Разработать эквивалентную схему CBM ЭСР. Разработать способы представления физических параметров объекта воздействия ЭСР в виде параметров эквивалентной электрической схемы.
Разработать методику и аппаратуру для контроля электростатических потенциалов для применения в условиях сборочного цеха приборостроительных предприятий, предназначенную для выявления потенциальной опасности накопления заряда печатным монтажом. К данной аппаратуре предъявляется требование повышенной устойчивости к перегрузкам по входу, которые могут иметь место в результате ошибочных действий операторов.
Выполнить экспериментальную проверку разработанной методики моделирования CBM ЭСР. Для этого разработать стенд для проведения CBM ЭСР тестирования. Сравнить пороги отказа электронных компонентов, полученные в результате моделирования и в результате измерений.
На основании разработанной методики контроля статического потенциала разработать практическую схему прибора для контроля статического потенциала. Внедрить данный прибор в технологический процесс производства РЭА.

Научная новизна

В результате расчётов установлено и экспериментально подтверждено, что порог отказа электронного компонента при CBM ЭСР (напряжение ЭСР после при котором компонент отказывает) составляет 50% и менее от порога отказа при CDM ЭСР. Эксперименты и моделирование, выполненные по оригинальной методике, независимо подтвердили результаты ранее опубликованных экспериментальных исследований.
Создана методика моделирования воздействия электростатического разряда по модели заряженного компонента на печатные узлы, состоящая в представлении объекта воздействия ЭСР в виде эквивалентной электрической схемы и последующем её моделировании с помощью программного обеспечения (ПО) для схемотехнического моделирования. По известным параметрам ПП и электронного компонента можно рассчитать порог отказа при CBM ЭСР.
Для экспериментальной проверки созданной методики моделирования ЭСР разработан стенд и выполнены сравнительные исследования результатов расчётов и экспериментов. Произведён сравнительный анализ полученных экспериментальных данных с данными зарубежных источников.

Теоретическая значимость

Результаты и методы диссертации могут быть полезными как с теоретической, так и с практической точек зрения специалистам в области электростатического разряда. Диссертационное исследование способствует дальнейшему развитию исследований по совершенствованию методик моделирования воздействия ЭСР на РЭА.

Разработанная методика моделирования CBM ЭСР позволяет упростить расчёт порога отказа электронных компонентов при CBM ЭСР, благодаря представлению объекта воздействия ЭСР в виде эквивалентной электрической схемы, состоящей из элементов с сосредоточенными параметрами.

² Colnar, J. Decreased CDM ratings for ESD-sensitive devices in printed circuit boards / J. Colnar, J. Trotman, R. Petrice // In Compliance. — 2010. — P. 38 — 41.

Практическая значимость

Разработанная методика схемотехнического моделирования воздействия ЭСР на МОП-транзисторы с использованием ПО с открытым исходным кодом Qucs имеет применение для выявления чувствительности печатных узлов различных изделий спецтехники к ЭСР на этапе разработки КД.
На основе разработанной модели CBM ЭСР выработаны рекомендации по рациональному конструированию ПП для условий эксплуатации, где имеется опасность накопления заряда ПП.
На основе созданной методики контроля электростатических потенциалов разработана практическая схема контактного прибора для контроля электростатических потенциалов, на которую получен патент на полезную модель №118066 [23]. Данное средство контроля внедрено в техпроцесс монтажа РЭА.
Решена задача сопряжения электрометра с устройствами обработки данных и разработана оригинальная схема гальванической развязки, на которую получен патент на полезную модель №127555 [].
В ходе исследований показана возможность применения ПО с открытым исходным кодом для решения научных и инженерных задач: моделирования, обработки данных эксперимента и т.п. Для моделирования используется ПО Qucs, для обработки результатов эксперимента — система численных расчётов Octave, для разработки ПО — набор библиотек С++ Qt4, для подготовки текстовых документов — система вёрстки L^ATEX.
В ходе исследований в исходный код ПО Qucs были внесены изменения для оптимизации его использования в учебном и исследовательском процессе. Изменения приняты в текущую выпускаемую версию ПО.

Положения, выносимые на защиту:

1. Для расчёта порога отказа электронных компонентов при CBM ЭСР достаточно представить объект воздействия ЭСР (печатный узел) в виде эквивалентной электрической схемы с сосредоточенными параметрами

(эквивалентная индуктивность и ёмкость). Возможен автоматизированный расчёт переходного процесса в данной эквивалентной схеме при помощи ПО для схемотехнического моделирования общего назначения.

Порог отказа МДП-транзисторов при CBM ЭСР снижается на 50% и более по сравнению с порогом отказа при CDM ЭСР. Снижение порога отказа подтверждается результатами экспериментов и моделирования. Степень снижения порога отказа определяется эквивалентной ёмкостью печатного монтажа.
Экспериментально установлено, что печатные платы могут накопить статический заряд достаточный, чтобы вызвать CBM ЭСР при контакте платы с заземлённым объектом и отказ электронных компонентов, установленных на плате.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих научных конференциях:

Международная научно-техническая конференция (НТК): «Инновационные информационные технологии», г. Прага, 2012 г.
Международная научно-техническая конференция «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий — ИНФО-2013», г.Сочи, 2013 г.
Всероссийская научно-техническая конференция «Наукоёмкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе», г. Калуга, 2012 г.
Вторая всероссийская научно-техническая конференция «Системы управления беспилотными космическим и атмосферными летательными аппаратами», г.Москва, МОКБ «Марс», 2012 г.
Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России. Пятые Зворыкинские чтения», г. Муром, 2013 г.
Всероссийская научно-техническая конференция «Наукоёмкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе», г. Калуга, 2013 г.

Всероссийская научно-техническая конференция «Технологии, измерения и испытания в области электромагнитной совместимости — Техно ЭМС», г. Москва, 2013 г.
Региональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Наукоёмкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе», г. Калуга, 2012 г.
Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов, посвящённая 50-летию МИЭМ, г. Москва, 2012 г.

Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ — г. Москва., 2013 г.,
Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ, г. Москва, 2014 г., диплом за лучшую аспирантскую научную работу.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 24 печатных работах, из них 3 статьи в изданиях из перечня ВАК. Общий объём публикаций 7,73 печатных листов, из которых личный вклад автора 5,76 печатных листов.

Личный вклад автора Личный вклад автора состоит в разработке и анализе эквивалентной схемы CBM электростатического разряда, разработке методики моделирования данного типа ЭСР, в постановке экспериментальных работ и обработке результатов экспериментов. Автором предложено оригинальное средство контроля электростатических потенциалов.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 147 страниц, включая 65 рисунков. Библиография включает 80 наименований на 8 страницах.

Методы испытаний и модели воздействия ЭСР на РЭА

В целях моделирования воздействия ЭСР на РЭА и определение реальных порогов чувствительность электронных компонентов практикуется использование моделей воздействия ЭСР на аппаратуру.

Исторически впервые была предложена модель тела человека (Human Body Model — HBM). С XIX века эта модель использовалась для анализа воспламенения взрывчатых веществ под воздействием ЭСР. Позже эта модель была принята рядом стандартов.

Данная модель имитирует разряд от кончика пальца человека на устройство. Типовая электрическая схема имитатора, базирующегося на НВМ — модели показана на рис. 1.2.

Номиналы элементов схемы по разным стандартам могут отличаться. Так в некоторых источниках указывается значение ёмкости 200 пФ и сопротивления 1500 Ом. Физический смысл элементов схемы HBM-модели иллю-16

Как видно из рисунков 1.2 и 1.3 конденсатор на схеме имитирует ёмкость тела человека, которая имеет порядок 150 пФ. Резистор 330 Ом имитирует сопротивление цепи разряда. Конденсатор заряжается от источника высокого напряжения через высокоомное сопротивление порядка 10 МОм. Ключ имитирует прикосновение человека к компоненту. При его переключении происходит разряд.

В испытателях микросхем на воздействие ЭСР компонент помещается в специальную панель и для наблюдения процесса разряда используется осциллограф. Компонент фиксируется как отказавший если после тестирования он не более не выполняет соответствующих функций и не соответствует паспортным данным.

После завершения тестирования компонеты должны квалифицироваться по классу их устойчивости к ЭСР [60]:

1. Класс 0 — любой компонент, который отказывает после ЭСР с амплитудой более 250 В;

2. Класс 1А — любой компонент, который выдерживает испытания ЭСР с амплитудой 250 В, но отказывает после разряда с амплитудой 500 В;

3. Класс 1В — любой компонент, который выдерживает испытания ЭСР с амплитудой 500 В, но отказывает после разряда с амплитудой 1000 В;

4. Класс 1С — любой компонент, который выдерживает испытания ЭСР с амплитудой 1000 В, но отказывает после разряда с амплитудой 2000 В;

5. Класс 2 — любой компонент, который выдерживает испытания ЭСР с амплитудой 2000 В, но отказывает после разряда с амплитудой 4000 В;

6. Класс 3А — любой компонент, который выдерживает испытания ЭСР с амплитудой 4000 В, но отказывает после разряда с амплитудой 8000 В;

7. Класс 3В — любой компонент, который выдерживает испытания ЭСР с амплитудой 8000 В;

Разряд подобный разряду, описываемому HBM-моделью, может происходить от заряженного проводящего объекта, например, металлического инструмента или элемента крепления. Такой разряд является самым худшим случаем разряда по HBM-модели и описывается моделью механизма (Machine Model — MM). Элекрическая схема соответствующая этой модели показана на рис. 1.4

Как видно из схемы здесь отсутствует последовательный резистор 330 Ом, но имеется последовательная индуктивность 0,5 мкГн, которая формирует форму колебательного напряжения модели. Индуктивность косвенно определена через параметры формы сигнала напряжения.

После завершения испытаний компоненты должны классифицироваться по классу их устойчивости к воздействию ЭСР:

1. Класс А — любой компонент, который отказывает после ЭСР с амплитудой не более 200 В;

2. Класс B — любой компонент, который выдерживает ЭСР с амплитудой 200 В, но отказывает после разряда с амплитудой 400 В;

3. Класс С — любой компонент, который выдерживает ЭСР с амплитудой 400 В;

В производстве РЭА особенно широко распространён ещё один вариант ЭСР. Компонент может зарядиться например при скольжении вниз по поверхности конвейера. Если затем он прикоснётся к какому-либо металлическому предмету, например к установочной головке, то произойдёт быстрый разряд. Соответствующая модель известна как СDM-модель или модель заряженного компонента. Разряд в этом случае может быть более разрушительным чем для НВМ-модели. Хотя продолжительность разряда очень мала (часто менее 1 нс), пиковый ток может достигать десятков ампер.

Имитаторы CDM ЭСР используются обычно для испытаний микросхем. Чувствительность компонентов к ЭСР согласно CDM-модели зависит от размеров их корпуса: с уменьшением размера корпуса микросхемы она существенно возрастает.

Разработка метода измерения емкостей, входящих в модель ЭСР при помощи электрометра

Для проведения измерений ёмкости системы «тестируемый компонент — калибровочная пластина» (С на рис. 1.6) была разработана методика измерения ёмкости при помощи зондового измерителя электростатических потенциалов. Традиционные методы измерения ёмкости связаны с воздействием на объект измерения испытательным сигналом переменного тока с радиочастотой [68, 77]. При этом в нашем случае результат будут искажать помехи, наводимые на щупы измерителя ёмкости и паразитные реактивности щупов. Принцип измерения электростатических потенциалов зондовым методом основан на явлении электростатической индукции [75].

В нашем случае если вместо зонда использовать корпус микросхемы соединив вход электрометра с одним из выводов микросхемы, а в качестве объекта — калибровочную пластину испытательной установки, то зная потенциал калибровочной пластины 0 и входную ёмкость электрометра, можно рассчитать ёмкость С2. Эта ёмкость в нашем случае будет соответствовать емкости системы «тестируемый компонент — калибровочная пластина». Напряжение вх отсчитывается по шкале электрометра и определяется по выражению (3.1).

При этом ёмкость 2 будет равна с учётом того что обычно 2 С4, и следовательно вх В качестве электрометра был использован прибор на лампах в обращён-ном режиме собственной разработки автора [66]. Данный прибор отличается простотой в эксплуатации и устойчивостью к перегрузкам по входной цепи.

Результаты измерений для микросхем различных типов приведены в таблице 2.1.

С применением такого же метода возможно измерение и ёмкости между выводами ИМС. Для проведения такого измерения необходимо предварительно механически удалить из ИМС кристалл. В результате проведённых измерений для ИМС в корпусе DIP было получено значение 1пФ. При проведении измерений источник высокого напряжения подключался через зажим типа «крокодил» к выводу ИМС с удалённым кристаллом, а вход электрометра подключался к соседнему выводу ИМС. Таким образом измерялась ёмкость между выводами ИМС.

Также была измерения и ёмкость корпуса ИМС без кристалла. Для проведения такого измерения все выводы ИМС были закорочены, а кристалл удалён механически. Такое измерения позволяет определить ёмкость кристалла как разность между ёмкостью корпуса и ёмкостью корпуса без кристалла. В результате измерений было установлено, что ёмкость кристалла ИМС составляет около 1 пФ и ей при построении моделей для DIP-корпуса можно пренебречь, так как ёмкость корпуса определяется в основном ёмкостью выводной рамки. Для корпусов для поверхностного монтажа такое допущение несправедливо и ёмкость кристалла необходимо включать в модель. Данную ёмкость необходимо соединять с линией питания VDD, что соответствует структуре микросхем КМДП [29, 63], в которых линия VDD соединяется с подложкой. В цепь данного конденсатора необходимо включать сопротивление, соответствующее объёмному сопротивлению подложки.

Разработка схемотехнической модели воздействия HBM и CDM ЭСР на полевой транзистор с изолированным затвором

Имея в распоряжении принцип построения схемотехнической модели воздействия ЭСР на многовыводные электронные компоненты можно применить его к построению схемотехнической модели воздействия ЭСР на МДП-транзисторы. МДП-транзистор является трёхвыводным компонентом. Его особенностью является значительная ёмкость затвор-исток зи (от 200 до 3000 пФ), которую необходимо учитывать при моделировании.

В качестве объекта исследований был выбран n-МДП транзистор с изолированным затвором IRF510. Данный прибор относится к классу силовых высоковольтных МДП-транзисторов. МДП-транзисторы этого типа и аналогичные широко применяются в различных устройствах силовой электроники. Напряжение пробоя подзатворного диэлектрика для такого транзистора равно 75–80 В. Для данного транзистора имеются результаты тестирования на устойчивость к ЭСР по модели тела человека (HBM ЭСР). Эти данные приведены в руководстве по применению фирмы-изготовителя AN-986 [12]. В данном источнике приведены осциллограммы напряжения на затворе тестируемого транзистора (производилось тестирование транзисторов IRF510 и IRF730) при действии импульса ЭСР от испытательного стенда. Параметры тестовой схемы отличаются от рекомендуемых для HBM модели в международных стандартах [60]. В частности сопротивление резистора выбрано равным 470 Ом, а не 1500 Ом. Ёмкость конденсатора также выбрана равной 235 пФ, а не 150 пФ, как в указано в стандарте.

Представляет интерес сначала провести схемотехническое моделирование воздействия HBM ЭСР на такой транзистор и сравнить полученные осциллограммы напряжения на затворе с приведёнными в [12]. Напряжение тестирования в руководстве [12] было выбрано равным 240 В, поэтому при моделировании будем использовать такое же напряжение.

Схема для исследования воздействия ЭСР на МДП-транзистор в программе Qucs показана на рис.2.5. На схеме цепь сток-исток транзистора по постоянному току перемычкой. В процессе моделирования перемычка заменялась резистором сопротивлением до 2 кОм и никакого воздействия на результаты моделирования такая замена не оказала. Данное требование регламентируется фирмой-изготовителем при проведении тестов данных транзисторов на воздействие ЭСР. В результате моделирования снимем осциллограммы напряжения переходного процесса на разрядном конденсаторе и на затворе тестируемого транзистора и сравним их с результатам измерений из руководства [12].

Разработка метода и аппаратуры для контроля электростатического потенциала с применением электрометра и емкостного делителя

Рассмотрим подробнее зондовый метод измерения электростатических потенциалов [54].Принцип измерения электростатических потенциалов зондовым методом основан на явлении электростатической индукции [75]. Эквивалентную схему бесконтактного измерения потенциала при помощи электрометра (электрометрического измерителя напряжения) иллюстрирует рис.

На схеме ёмкость С2 (ёмкость связи) зависит только от расстояния между зондом и объектом и от геометрии зонда. Если размеры объекта много больше зонда то его можно приближённо считать плоскостью и ёмкость С2 не будет в этом случае зависеть от геометрии объекта [75]. И в данном случае для заданного расстояния между зондом и объектом будет всегда постоянной. Из рассмотрения эквивалентной схемы измерения можно записать выражение для напряжения на входе электрометра:

В выражении (3.1), как отмечалось выше для заданного расстояния до объекта измерения и геометрии зонда при условии, что размеры объекта много больше размеров зонда, ёмкость С2 является постоянной. Входная ёмкость электрометра С4 зависит только от его схемотехники и также является постоянной. Поэтому напряжение на входе электрометра будет пропорционально напряжению на объекте:

В выражении (3.2) коэффициент зависит только от геометрии зонда и расстояния между зондом и объектом и не зависит от потенциала объекта. Поэтому достаточно проградуировать зондовый электрометр по электростатическому потенциалу только в какой либо одной точке. Зная потенциал объекта относительно земли 01 и по показаниям отсчётного устройства электрометра определив напряжение на его входе вх1 можно найти из выражения (3.2) найти коэффициент и по нему проградуировать шкалу электрометра в единицах электростатического потенциала:

Каждой геометрии зонда и каждому расстоянию между зондом и объектом будет соответствовать свой коэффициент .

Чтобы измеряемое напряжение вх не зависело от расстояния от датчика до объекта необходимо, каким-то образом устранить зависимость ёмкости С2 от расстояния. Далее был предложен один из возможных методов. На схеме рис.3.11 ёмкость С2 можно выполнить и в виде сосредоточенного высоковольтного конденсатора. Одна обкладка конденсатора С2 в данном случае будет соединена с объектом измерения, например к ней может быть подключён щуп. Другая обкладка конденсатора будет связана со входом электрометра. Тогда ёмкости С2 и С4, соединённые последовательно, образуют емкостной делитель. Такая схема используется для измерения высоких напряжений и её применение для данной цели описано в [35]. Схема измерения при этом преобразуется так, как показано на рис.3.12.

. Контактное измерение электростатического потенциала объекта. 0 сопротивление объекта, ёмкость объекта.

Ёмкость объекта С0 заряжена до напряжения 0. Как ёмкость объекта С0 на рис.3.12 обозначена сумма емкостей С1 и С3 на рис.3.11:

При проведении контактных измерений электростатический заряд объекта будет перераспределяться между ёмкостью объекта C0 и суммарной ёмкостью объекта и входной ёмкостью измерителя, и согласно закону сохранения заряда измеряемый потенциал будет меньше, чем потенциал объекта. Поэтому входная ёмкость контактного измерителя электростатических потенциалов должна быть много меньшей, чем ёмкость объекта. Ёмкость объекта измерения, например для тела человека, равна 150-200 пФ по данным различных источников.

В нашем случае входной ёмкостью измерителя будет ёмкость конденсаторов С2 и С4 (ёмкость связи и входная ёмкость электрометра) на рис.3.12, соединённых последовательно. Так как обычно С2С4, а ёмкость С4 равна сумме входной ёмкости и ёмкости кабеля и имеет порядок 50-100 пФ, то входная ёмкость такого контактного измерителя будет много меньше ёмкости объекта, и измеритель не будет искажать значение потенциала объекта.

В результате проведённого исследования был произведён анализ современной элементной базы, на основании которого сделан вывод о том, что для построения электрометра, обладающего повышенной устойчивостью к длительным и импульсным перегрузкам необходимо применять ламповую схемотехнику.

В настоящее время специализированные электрометрические лампы более не выпускаются промышленностью и для их замены целесообразно использовать обыкновенные приёмно-усилительные лампы в обращённом режиме.

В ходе исследований было произведено измерение вольт-амперных характеристик ламп в обращённом режиме с целью отбора наиболее подходящих для использования в схеме электрометра ламп. Была разработана схемотехника электрометр на лампах в обращённом режиме в мостовом включении. Были получены измерения характеристик данного прибора. Прибор имеет линейность передаточной характеристики, достаточную для применения с целью контроля электростатических потенциалов в промышленности.

Экспериментальная проверка методик контроля электростатического потенциала в условиях приборостроительного предприятия

Практическая схема контактного измерителя с емкостным делителем может быть построена различными способами. В ходе исследований была разработана схема контактного измерителя электростатических потенциалов на электронных лампах в обращённом режиме. Прототипом разработанной схемы является электрометр на электронных лапах в обращённом режиме [66], описанный в разделе 3.3. Ламповая схемотехника здесь применена с целью повышения устойчивости электрометра к перегрузкам по входной цепи. Перегрузки по входной цепи могут иметь место при контактной методике измерений, так как электростатический потенциал объекта заранее неизвестен и на вход прибора могут попадать импульсные перенапряжения до нескольких киловольт в результате ошибочных действий оператора. По сравнению с прототипом в разработанном измерителе использован емкостной делитель по входу и подавлен плавающий потенциал второй сетки. Плавающий потенциала второй стеки может приводить к смещению нуля при измерениях [54].

Схема электрическая принципиальная разработанного измерителя электростатических потенциалов для промышленного применения показана на рис.4.5

Как видно из приведённой схемы, измеритель построен по мостовой схеме на двойном триоде. Для балансировки моста служит резистор R1. Анод левого по схеме триода соединён с датчиком. Прибор имеет два входа с различной чувствительностью. Для подключения датчика используется коакси-1 альный кабель со сплошной полиэтиленовой изоляцией RG-58. Применение подобного типа кабеля возможно для электрометрических схем по данным [54], так как полиэтилен является неполярным диэлектриком с низкой утечкой. Разбалансировка моста регистрируется микроамперметром PA1, включённым в диагональ моста. В другую диагональ моста включён источник питания 5 В. В схеме применён двойной триод 6Н23П, как обладающей наибольшей линейностью характеристики в обращённом режиме из испытанных ламп.

На схеме на рис.4.5 в цепях катодов ламп включены интегральные стабилизаторы напряжения DA1 и DA2 типа TL431. Они смещают рабочую точку лампы в область отрицательного смещения на аноде и подавляют плавающий потенциал анода [54], что дополнительно уменьшает дрейф нуля и позволяет повысить стабильность показаний.

По входу прибора включён емкостной делитель, образуемый двумя отрезками коаксиального кабеля L1 и L2. Устройство такого емкостного делителя понятно из принципиальной схемы. Соединение конденсатора связи с анодом лампы VL1.1 осуществляется через центральную жилу коаксиального кабеля. К центральной жиле кабеля также подключён щуп (Вход 1), который используется для проведения измерений с высокой чувствительностью без емкостного делителя. Данный щуп соединён напрямую с анодом лампы VL1.1. В оплётке кабеля на расстоянии L1 выполнен разрыв и к оплётке подключен ещё один щуп (Вход 2). Ёмкость связи (С2 на рис.3.12) образуется между центральной жилой и отрезком оплётки кабеля L1 и определяется длиной отрезка L1. Входная ёмкость (C4 на рис.3.12) равна сумме ёмкость отрезка L2, ёмкости анод-катод лампы и ёмкости монтажа. Коэффициент деления емкостного делителя определяется по формуле (3.4). Его можно варьировать и калибровать прибор на разное напряжение полного отклонения стрелочного прибора на всю шкалу, включая параллельно входу прибора конденсатор с малой утечкой (например фторопластовый или полистирольный) известной ёмкости. При этом изменяется ёмкость С4.

Выражение для напряжения на входе электрометра (3.1) справедливо только в том случае, если на ёмкости связи и входной ёмкости электрометра нет начального заряда. По этой причине необходимо перед проведением измерений данные ёмкости разряжать замыканием на землю.

Для выполнения данного требования служит конструктивное исполнение щупов прибора. Измеритель имеет два щупа. Длинный щуп подключен к внешней обкладке конденсатора связи, а короткий щуп к центральной жиле коаксиального кабеля. В промежутке между измерениями щупы вставляются в отверстие в заземлённом металлическом корпусе измерителя, чем обеспечивается разряд входной ёмкости прибора и ёмкости связи путём замыкания этих емкостей на землю.

Опытный образец измерителя был изготовлен на предприятии ОАО «Калужский электромеханический завод» и использован для контроля остаточного электростатического потенциала на персонале и оборудовании на участке поверхностного монтажа в производственных условиях. Опытный образец имеет предел измерения с емкостным делителем 200 В, а без емкостного делителя — 20 В.

Перед установкой измерителя на участок поверхностного монтажа сборочного цеха он был испытан на дрейф нуля. Экспериментально было определено время прогрева прибора до выхода показаний в ноль. Оно составило не более 7 минут. В дальнейшем в течении 8 часов дрейфа нуля измерителя с помощью применяемого отсчётного устройства (микроамперметр стрелочный М24 с током полного отклонения 50 мкА) обнаружено не было.

До использования данного измерителя контроль персонала на наличие электростатических зарядов производился косвенным путём при помощи тестера заземления. С помощью тестера заземления контролировалось качество заземления операторов через антистатические браслеты. Возможность прямого контроля и оценки остаточного статического заряда на персонале и оборудовании отсутствовала. При использовании разработанного измерителя электростатических потенциалов появилась возможность контроля электростатических потенциалов. С использованием данного измерителя были выявлены остаточные электростатические потенциалы на персонале участка поверхностного монтажа от нуля до 30 В. Такое максимальное значение остаточного электростатического потенциала является значительно ниже опасного уровня (100 В) для наиболее чувствительных к статическому электричеству электронных компонентов, применяемых в производстве.

К недостатком разработанного измерителя можно отнести необходимость его прогрева в течении не более 7 минут перед проведением измерений. Данный недостаток не является препятствием к применению данного прибора.

К достоинствам данного измерителя можно отнести высокую устойчивость к воздействию перегрузок по входу, что повышает надёжность прибора в эксплуатации и гарантирует исправность прибора после ошибочных действий оператора.