LabVIEW開(kāi)發(fā)人體動(dòng)態(tài)電位器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電子設(shè)備的集成密度顯著提高。電子設(shè)備的防靜電能力變差，電子設(shè)備對(duì)靜電放電的易感性也更嚴(yán)重。人類(lèi)是各種科研活動(dòng)的主要焦點(diǎn)，也是靜電防護(hù)中的主要危險(xiǎn)源之一。如果一個(gè)人執(zhí)行接觸分離動(dòng)作，他將被充電數(shù)千伏甚至數(shù)十千伏。如果該人觸摸設(shè)備或組件并引起較大的脈沖電流將放電。它會(huì)永久損壞設(shè)備。即使沒(méi)有放電，千伏級(jí)電壓也可能導(dǎo)致互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)芯片的軟故障或硬故障。隨著芯片制造技術(shù)發(fā)展到5納米水平，芯片的防靜電能力變?nèi)?，無(wú)法處理100V甚至更低。因此，監(jiān)測(cè)人類(lèi)活動(dòng)引起的靜態(tài)電壓具有重要意義。由于人類(lèi)活動(dòng)復(fù)雜，電壓可以是幾伏到千伏，運(yùn)動(dòng)速度可以是0.1-10米/秒，并且很難正確記錄代表它們的波形。因此，設(shè)計(jì)一種精度高、動(dòng)態(tài)性能好的人體動(dòng)態(tài)電位器對(duì)于提高電子靜電安全性具有重要意義。

人體電位器有兩種類(lèi)型，非接觸式和接觸式模式。非接觸式電位器的原理是利用探頭和帶電物體之間的電場(chǎng)來(lái)測(cè)試表面電位。由于它不與靜止的帶電物體接觸，因此不會(huì)影響表面電位。非接觸式測(cè)量通常用于測(cè)量絕緣體和隔離導(dǎo)體表面的接地電壓;但是，對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體，測(cè)量結(jié)果受測(cè)試距離的影響很大，并且頻段較窄。項(xiàng)目介紹了用于測(cè)量人體充電電壓的接觸模式人體動(dòng)態(tài)靜電電位器的設(shè)計(jì)。人體電位測(cè)量系統(tǒng)利用等電位原理，采用接觸法測(cè)量人體靜電，可有效提高系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)性能。

為了克服以前儀器在低壓下的測(cè)量誤差弱點(diǎn)，提出了具有以下新穎特性的同軸電容器傳感器。

電容分壓器（CVD）用于代替電阻分壓器，可以避免寄生電容和大尺寸1TΩ電阻器。分析可能影響電容器傳感器值的內(nèi)外同軸電容器的結(jié)構(gòu)、尺寸、距離和相對(duì)位置，以實(shí)現(xiàn)高精度。

分析了電容值對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。溫度可能導(dǎo)致分壓器比發(fā)生較大變化。分析了溫度對(duì)高壓電容器和低壓電容器的影響。與現(xiàn)有其他儀器相比，所提設(shè)備具有測(cè)量誤差小、體積小、溫度補(bǔ)償小等優(yōu)點(diǎn)。

人體動(dòng)態(tài)電位器用于測(cè)量人體通過(guò)EPA中的各種活動(dòng)產(chǎn)生的電壓，切比雪夫不等式用于預(yù)測(cè)短期測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生的長(zhǎng)期靜電電壓值。這些數(shù)據(jù)將用于支持敏感組件靜電保護(hù)的ESD標(biāo)準(zhǔn)，以避免EPA中人為活動(dòng)造成的ESD風(fēng)險(xiǎn)。

VDR測(cè)試設(shè)置采用信號(hào)發(fā)生器（Agilent33250A）向多功能標(biāo)準(zhǔn)源（Fluke5522A）生成低壓信號(hào)，高壓源的輸出連接到同軸CVD的電極。輸出電壓Vo由運(yùn)算放大器OPA129隔離，該運(yùn)算放大器具有1000TΩ輸入電阻，然后由帶有24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測(cè)量，并顯示在上位機(jī)軟件中。

校準(zhǔn)設(shè)置經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的高壓源FLUKE5522A用作標(biāo)準(zhǔn)電壓源，為1kV范圍提供高壓信號(hào)。6kV范圍的高壓電源是經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和定制的參數(shù)化高壓脈沖電源。輸出電壓幅度范圍為0–15kV;頻率范圍為1Hz–100kHz;脈沖寬度為0–1毫秒;上升沿和下降沿可在50–500ns范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，步長(zhǎng)為10ns。高壓信號(hào)由電位計(jì)測(cè)量，并與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。同時(shí)，示波器RIGOLDS6104通過(guò)高壓探頭連接到高壓源，以檢查基準(zhǔn)電壓的正確性。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種帶有人體動(dòng)態(tài)電位計(jì)的創(chuàng)新ESD測(cè)量技術(shù)。標(biāo)定結(jié)果證明，該系統(tǒng)精度高，動(dòng)態(tài)性能好。該系統(tǒng)用于人類(lèi)活動(dòng)引起的EPAESD的本研究。人體充電過(guò)程被稱(chēng)為復(fù)雜活動(dòng)。在模式行走、隨機(jī)行走和腳移動(dòng)操作過(guò)程中，充電電壓與部落充電時(shí)間、速度、接觸面積和壓力有關(guān)。

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