【實作實驗室】看不到的靜電為什麼會引發爆炸？

| 29 6 月, 2022 at 23:48

作者：實作派

各位應該有以下的經驗，冬天脫毛衣的時候會有劈哩啪啦的靜電聲響、關車門的時候會被電到，按電梯門也會被電到，這些都是靜電造成的現象。

此時心中不免有個疑問，靜電會產生火花表示電壓 V 很高，根據歐姆定律 V=IR，電流也應該很高，那靜電會不會電死人？但經驗上似乎沒聽過有人被靜電電死，難道歐姆定律失效了嗎？

靜電的電壓與放電

其實歐姆定律並沒有失效，差別只在於你對這個公式的了解有多深。一般講 V=IR 是指直流電，所以電壓 V、電流 I、電阻 R，全都是一個固定的數值，但如果要用在靜電分析上面，我們必須考慮時間，因為靜電放電時的電壓會隨著時間而遞減，如下圖，所以歐姆定律要寫成帶有時間參數的形式 V（t）= I（t）×R。

（圖片來源：實作派提供）

為什麼靜電的電壓會在放電過程中遞減？因為人體有電容效應，因此靜電放電時的電壓變化與電容的放電行為相同，它會呈現指數下降的趨勢。那人體的電容是多少？每個人不一樣，所以需要定義一個標準作為產品規格的依據，MIL-STD-883E 規範內的 Method 3015 定義人體放電模型 HBM 的電容為 100 pF。

我在上圖中還特別在 V0 的位置畫了一條切線，這條線與 x 軸的交會處就是所謂的時間常數 τ（Time constant），在學術上我們會拿 τ 來比較電容放電的時間長短，但是在實務上我通常會直接把曲線測試出來看下降程度，這樣一翻兩瞪眼，反正我只要能確認哪顆電容比較適合，能買得到就可以了。

會讓你感到刺痛的就是最高的那個初始電壓 V0，它會高到 KV 等級足以產生火花 Spike 或稱為電弧 Arc，為什麼呢？我們來看下面這個公式：Q=C*V

Q：電荷，單位庫倫 Coulomb
C：電容，單位法拉 Farad
V：電壓，單位伏特 Voltage

這個公式原本來自於電容的定義 C=Q/V，描述單位電壓可以拉住多少電荷。雖然在數學上只要恆等式成立，可以任意移項，例如 Q=CV、C=Q/V、V=Q/C 數學上都一樣，但在物理意義上，則有先來後到的因果關係在，數學在這裡只是工具而已，說明如下：

以往我們對電容充電，都是利用電壓充電，所以電容器都有耐壓，例如 220 uF/16 V 之類，因此電容與電壓是因，電荷的總量是果，但是生活中的靜電，它是透過摩擦/分離，直接產生電荷放進電容器。例如你穿著橡膠鞋走過羊毛地毯，身體就直接累積了大量的電荷，所以電荷是因，電壓是果（由於日常物品的對地電容通常很小，大約是幾十個 pico 法拉等級，所以電壓當然就會竄升到 KV 等級）。

再舉個例子，飛機在三萬英呎高空，對地電容很低，與空氣相對速度又高，合理推斷對地電壓可能會到百萬伏特，但從來也沒辦法測量，我只能在這裡打嘴砲。飛機一旦降落觸地，電容變大，電壓變小，說變小可能都還有 1 萬伏特，總電荷量還是很可觀，所以飛機加油的時候需要先接地排除靜電再加油，否則會產生火花非常危險。

動手做實驗 — 靜電放電
講了那麼多，實際上物體摩擦之後到底帶了多少靜電電壓？我們就來做實驗吧，我不會去測量車身的電壓，那太麻煩。我只會在室內利用簡單的土炮材料模擬靜電放電，而且由於靜電壓很高，會超過示波器的上限，因此我們還需要稍微設計一下實驗的環境。

實驗設計

如下圖，我打算利用塑膠片與自己的衣服摩擦產生靜電，然後將電荷放到自製的 C1 電容內，接著就可以利用 SW1 將電容與電阻 R1 做短路產生放電並用示波器觀察。

靜電放電的接線圖（圖片來源：實作派提供）

既然是要觀察 C1 的放電電壓，為何要將示波器探棒放在 R1 與 R6 之間，而不是直接放在 R1 的上方接點 RED？因為示波器搭配 10X 探棒的檔位最高只到 50 V/DIV，整個螢幕上下橫跨 8 格總共也才 50*8=400 V，而靜電電壓動不動就上千伏特，隨便都破表，所以我們需要做點加工。

分壓器 Voltage Divider

為了觀察完整的靜電高壓，我們需要做分壓，也就是接線圖中的 R1 與 R6。我這裡選擇的是 1/1000 比例的分壓，接下來的問題是，要選用多少阻值的電阻來搭配？大家可以思考一下，下列三種組合，哪一種比較適合？

10M:10K
1M:1K
100K:100

我自己會選擇第一組，原因是它的總電阻最大，所以 C1 放電較慢，示波器較容易抓到漂亮的波形，說它放電慢那也大約只是 500 ns 左右的事情。如果選擇 100K:100，放電速度更快，可能只有幾個 ns 就放電結束了，這樣我會擔心普通的示波器取樣率沒辦法達到這個速度，可能會錯過電壓的最高峰而抓不到波形，下圖就是我做的分壓器。

分壓器—將靜電高壓降低的裝置（圖片來源：實作派提供）

實體接線

實際的接線如下圖，我找了一個全金屬的裝置來當作 C1 電容的其中一個電極，又找了機殼的一片鋁板來當作另一個電極，所以這個電容完全就是 homemade 純手工製作的概念。分壓器的黃色線我後來剪掉了，因為我發現其實黑線的 GND 就夠用。

靜電放電實驗的實體接線圖（圖片來源：實作派提供）

金屬方塊與鋁板中間需要用一個塑膠袋隔起來，因為靜電電壓很高，只有塑膠才能有良好的絕緣，你才看得到高壓的波形。我試過紙張當介電質，靜電一放上去馬上就穿過紙張到達鋁板，也就是電容漏電的意思，示波器會什麼都看不到。

照片中的筆黏了紅色的導線，當作與電容接觸的開關 SW1 角色，因為導線很軟，我將它黏在筆上比較好拿；要放電時就把筆拿起來，把紅色電線與金屬裝置觸碰一下就行了。

靜電怎麼放上去？

接下來有個很重要的動作，就是要把靜電放進 C1 電容，我沒有靜電槍，也沒有高壓線圈，大家猜猜看我是怎麼把電荷放進去的？

講到這裡我先拿出兩個塑膠文件夾給各位看看，志玲姊姊放第一個給大家賞心悅目一下，大家猜到了嗎？我是利用摩擦產生靜電，再利用電荷感應將電荷轉移到金屬裝置上，這個招數在驗電器 Electroscope 上很常用。

靜電放電實驗的實體接線圖（圖片來源：實作派提供）

實際做法就是我先拿文件夾摩擦自己的衣服，此時文件夾會帶負電荷，人造纖維的衣服尤其更容易產生靜電，有著滿滿靜電的文件夾要怎麼讓電容帶電呢？

首先把剛摩擦完的負電荷文件夾靠近金屬方塊的一端，於是金屬上的正電荷會靠近文件夾，負電荷會因為排斥而跑到金屬方塊的另一端，接著用手指輕輕碰一下金屬方塊的另一端，這動作等同於接地，負電荷會瞬間流到大地，但正電荷仍然被文件夾的負電吸引著，接著把手指移開，再把資料夾移開，如此一來金屬裝置就全部是正電荷了。

奇怪的是，我這兩個資料夾，志玲姊姊很不買帳，怎麼摩擦都不起電，連紙屑都吸不起來，我也不知道原因，也許跟志玲姊姊已經嫁人了有關係吧，而另一款資料夾，輕輕鬆鬆就摩擦起電，也能吸紙屑，所以我用這個資料夾來起電。

靜電放電波形

由於我用的電壓探棒是 10X 的形式，所以照理說示波器應該要設定 10X，但我還另外用了 1/1000 倍的分壓器，為了方便顯示電容的電壓，我需要在示波器的顯示刻度上乘以 10*1000=10000，因此示波器的探棒倍數需要設定為 10000 倍。

下圖就是放電之後抓到的電壓，右邊 CH1 框起來的倍數可是 1 萬倍啊！我用示波器這麼久還是頭一次開到 1 萬倍這麼高。就在幾個 ns 之內，電壓衝到 1.3 萬伏特，真的是很驚人啊！

靜電放電的波形（圖片來源：實作派提供）

有人可能很快就發現，這波型怎麼跟我前面畫的不一樣，它怎麼看都不像是指數遞減啊！是的，因為這是純手工土炮的放電裝置，是以手動接觸電容作放電，因此 SW1 在接觸瞬間並非完美的 OFF 變成 ON，它實際上有很多微小的 OFF/ON 交替，我們稱為彈跳現象 Bounce。

如果把時間放大一些，你就會看到有好幾次的彈跳現象，每一次都是呈現指數狀態遞減，電壓峰值也越來越低；如果你的手勢夠好，電線接觸的瞬間幾乎沒有 bounce，那你就有機會看到一根完美的指數型下降波形。

靜電放電的波形（圖片來源：實作派提供）

ESD 靜電放電的損害

你可以發現這些放電現象都在很短時間內就結束了，雖然它的電壓高，但由於時間很短所以總能量很低。不過在放電的瞬間，高電壓仍然有可能產生很大的電流，這些電流幾乎都是安培等級的大小，即便這些電流只能維持 50 ns，還是能讓你的手指很有感覺。我這個土炮實驗能量太小，只能給你看看趨勢，手指去碰 C1 電容的話不會有任何感覺。

如果一般的靜電會讓手指很有感覺，一般的 IC 半導體元件當然就更敏感了，在 IC 搬運過程中很可能有人會直接用手把 IC 拿起來看一看，就把 IC 打壞了而不自知，所以 IC 的包裝才會用所謂的導電材料，這種導電材料並不是一般講的導體，它的阻抗通常是 Mega 級的，但只要能讓靜電消散，就稱為導電材料。

通常 IC 本身會有一定的靜電放電 ElectroStatic Discharge（ESD）保護措施，所以 Datasheet 上也會標示它能夠忍受的靜電電壓。下圖是摘自德州儀器網站上的邏輯閘 SN74LS00 的資料，針對不同形式的放電有不同的耐受程度，簡單說 HBM 是人體去電 IC，CDM 是 IC 自己去電其他物品，當然 IC 本身也會受傷。