與靜電引起的問題/利用靜電發(fā)電相關(guān)的研究

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(dòng)，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(huì)產(chǎn)生幾千伏的高電壓。此時(shí)，當(dāng)人接觸或接近該個(gè)物體時(shí)，帶電的電荷會(huì)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(fù)）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(huì)導(dǎo)致不必要的灰塵和污垢等可能會(huì)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(fù)電（負(fù)）兩種極性，這種電荷的行為和舉動(dòng)能引起各種電現(xiàn)象。

*2 帶電：例如，如果讓電荷不易移動(dòng)、電流不易流動(dòng)的物質(zhì)——絕緣體貼在一起相互摩擦，則可能會(huì)進(jìn)入其中一方帶有較多的正電荷或負(fù)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(shí)電荷移動(dòng)，也就是有電流流動(dòng)，因此ESD好像不應(yīng)該被認(rèn)為是靜電現(xiàn)象。但是，鑒于ESD是瞬時(shí)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(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備發(fā)生故障和誤動(dòng)作。電子設(shè)備因發(fā)生高電壓下的瞬時(shí)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(shí)都會(huì)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(huì)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(huì)導(dǎo)致ESD破壞，從而產(chǎn)生缺陷產(chǎn)品（照片1）。

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(fù)電或負(fù)電/正電后，就會(huì)像前面所述的那樣在雙方之間產(chǎn)生吸引力，異物會(huì)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(huì)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(huì)出現(xiàn)次品，還有，在保管過程中也會(huì)由于粘附了細(xì)小的異物而使產(chǎn)品受到玷污，可能會(huì)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(huì)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(shí)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(huì)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(rèn)為只會(huì)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(jìn)行。

*5 能量收集：指從熱量、陽光、照明、人體運(yùn)動(dòng)和機(jī)器工作產(chǎn)生的振動(dòng)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(gè)研究團(tuán)隊(duì)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(huì)帶正電。當(dāng)帶正電的雪和帶負(fù)電的物體因接觸或摩擦而緊密接觸或滑動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓?；谶@一原理，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)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(gè)使用示例。通過在衣服表面或鞋底安裝該設(shè)備進(jìn)行發(fā)電，再通過加熱器進(jìn)行取暖，在降雪期間進(jìn)行冬季體育活動(dòng)等戶外活動(dòng)中感知運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)（照片4）。

此外，人們認(rèn)為，通過采用這種設(shè)備本身就能進(jìn)行感知的機(jī)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(yùn)行氣象觀測設(shè)備。

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(jìn)步，對未來能量獲取的新選項(xiàng)將會(huì)增加的期望不斷上升。

在制造現(xiàn)場和設(shè)計(jì)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(jī)、復(fù)印機(jī)、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(shí)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(gè)眾所周知的原因是由物體或人在運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)線等上面帶電的工件上的靜電進(jìn)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(jìn)行中和并將其去除的帶風(fēng)扇鼓風(fēng)機(jī)型、一邊將空氣集中吹到目標(biāo)點(diǎn)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(shí)，ESD對策也很重要。“ESD保護(hù)裝置”中的靜電對策

電子設(shè)備中的ESD等靜電危害不僅會(huì)發(fā)生在制造工序中，還會(huì)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(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作或因SED破壞而發(fā)生故障。因此，在設(shè)計(jì)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(xiǎn)會(huì)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(gè)地方。

圖1：如果沒有ESD對策，因靜電而產(chǎn)生的ESD會(huì)直接到達(dá)IC，導(dǎo)致IC損壞

為了防止以這種方式發(fā)生的ESD危害，需要將帶電的電荷釋放到地面（GND）。實(shí)現(xiàn)這一要求的裝置被稱為“ESD保護(hù)裝置”，可以說它是防止突發(fā)故障等以確保電子設(shè)備穩(wěn)定工作所重要裝置。

ESD保護(hù)裝置“TVS二極管”及其工作原理

電子設(shè)備中使用的典型ESD保護(hù)裝置之一是“TVS二極管（TVS Diode）”。圖2顯示了其連接示例及其工作原理。

圖2：在外部接口（I/O）與IC之間并聯(lián)設(shè)置TVS二極管的示例

在圖2中，TVS二極管設(shè)置在連接外部接口（I/O）和IC的信號線與地面（GND）之間。在正常動(dòng)作期間，TVS二極管開關(guān)功能處于OFF狀態(tài)，信號線與GND絕緣。

另一方面，當(dāng)I/O由于某種原因帶電，I/O與GND之間變?yōu)楦唠妷簳r(shí)，容易產(chǎn)生ESD。如果產(chǎn)生ESD并侵入，TVS二極管將變?yōu)镺N狀態(tài)，ESD將通過TVS二極管從信號線流向GND。

TVS二極管通過這樣的工作原理來保護(hù)IC免受ESD危害。

特別是近年來的信息設(shè)備變得更加小型化，例如支持高速數(shù)據(jù)傳輸I/O——USB4、支持更高電壓和更大電流的電源輸入/輸出功能（USB PD：USB Power Delivery）已開始普及，可以說，由此導(dǎo)致信息設(shè)備的ESD對策變得更加重要（照片6）。

此外，村田制作所提供各種小型化TVS二極管等ESD保護(hù)裝置，以達(dá)成電子設(shè)備小型化和設(shè)備安裝的高密度化等需求。有關(guān)TVS二極管的詳細(xì)信息，請?jiān)L問以下鏈接。

審核編輯 黃宇