ESD-måleinstrumenter

Nyttig å vite-- elektrostatiske måleinstrumenter

For å kunne utøve effektiv ESD-kontroll må vi ha ulike instrumenter og apparater til rådighet, bl.a. elektrostatiske feltmålere og voltmetere. Også en ESD Event detektor kan komme til nytte for å detektere skadelige utladninger som vi ellers ikke så lett vil oppdage. Elektrostatiske voltmetere er ikke så anvendelige innen praktisk ESD-sikring som feltmålerne, men det er likevel greit å ha kjennskap til de. Hva er egentlig forskjellen mellom  feltmålere og voltmetere? Vanlige voltmetere duger ikke til måling av statisk elektrisitet, vi trenger berøringsfrie instrumenter som kan måle statiske spenninger på flere tusen volt og som ikke belaster måleobjektet. Håndholdte feltmålere er enkle å bruke og de hjelper oss til å avsløre uønskede oppladbare materialer og gjenstander innenfor et ESD-beskyttet område (EPA). Elektrostatiske felt er årsak til elektrostatisk induksjon og utladninger som kan skade sensitiv elektronikk (ESDS). 
Hvilken type instrument skal vi velge, hvilke begrensninger har de, og hvordan skal de brukes korrekt?

 

Hva er et elektrostatisk felt?

Alle oppladede personer og gjenstander er omgitt av et elektrostatisk felt. Feltet kan være negativt eller positivt, avhengig av om det er overskudd eller underskudd av elektroner i objektet.  I feltet vil motsatte ladninger tiltrekke og like ladninger frastøte hverandre. Elektrostatisk feltstyrke måles i V/m, formel E=V/m.

Felt som omgir isolerende materialer er til større bekymring enn felt som omgir konduktive materialer. Det er fordi isolerende materialer ikke kan lede elektrisk strøm og derfor ikke kan jordes. De holder på sin ladning etter å ha blitt triboelektrisk oppladet. Kun ionisering kan effektivt eliminere elektrostatiske felt fra slike materialer og gjenstander.

 

  Elektrostatiske felt

 

Elektrostatiske feltmålere - hvordan de kalibreres og nøyaktighet

Ved kalibrering av elektrostatiske feltmålere tar man utgangspunkt i ei oppladet metallplate som er isolert fra jord og med en bestemt størrelse, f.eks. 30x30cm, og et bestemt potensial, f.eks. 1000V.  Ved å holde proben (sensoren) på feltmåleren i en avstand på f.eks. 2,5 cm fra platen, merker man av 1000V på målerens skala. En feltmåler gir altså korrekt avlesning av spenning  ved å måle på ei konduktiv plate av samme størrelse og med samme avstand som ble brukt ved kalibrering. Fordi "synsfeltet" hos feltmålerne har en diameter 4-5 ggr større enn distansen til måleobjektet, vil alt som detekteres i "synsfeltet" påvirke måleresultatet, se bilde. Er måleobjektet mindre eller mye større enn "synsfeltet" blir resultatet feil. For å unngå forvrengning av feltet som skal måles må apparatene være godt skjermet.
En vanlig feiloppfatning er at det er en lineær sammenheng mellom avstand og potensial. Ved å måle 
fra en annen avstand eller ved å måle på ei flate med en annen størrelse enn under kalibrering  blir resultatet i beste fall en unøyaktig tilnærming. Feltmålerne måler det elektriske feltet V/d, ikke spenning i volt (V). Hva med måling på isolerende flater? På isolerende flater er ladning ujevnt fordelt, polaritet og overflatespenning varierer fra punkt til punkt. Det er strengt tatt ikke mulig å fastslå potensialet på en oppladet isolator med en elektrostatisk feltmåler. Feltmålerne er ikke særlig egnet til målinger på mindre flater fordi man risikerer elektrostatisk utladning mellom måleobjekt og probe når proben (sensoren) kommer nær inntil objektet.


Elektrostatiske feltmålere 

De enkleste og rimeligste målerne kalles induksjonsprobe-målere. En induksjonsprobe plasseres i en bestemt avstand fra måleobjektet. Feltet fra måleobjektet forårsaker en ladningsforskyvning (polarisering) på proben. Den induserte spenningen på proben benyttes for å gi et mål på feltstyrken. Denne type målere er utsatt for drift og er uegnet til bruk i ionisert luft. Ionisert luft kan påvirke måleresultatet til det ubrukelige ved at uønsket konduktivitet får strømmer til å flyte mot proben og dermed forstyrre målingene. En annen ulempe er at de for hver ny måling må nullstilles mot en jordreferanse for å sikre mot forskyvning av nullpunkt og derfor er de uegnet til kontinuerlige målinger.

Feltmålere med bra nøyaktighet er av chopper-stabilized type. De har god stabilitet og immunitet mot uønskede signaler i omgivelsene og kan brukes i ionisert luft. Både målere av induksjonsprobe- og chopper-stabilized type

er svært avstandssensitive. Feltmålerne er best egnet til måling på større flater.

Hvilken feltmåler skal man velge og hvordan skal den brukes korrekt?
Det anbefales å velge en måler av chopper-stabilized type pga de fordeler som er beskrevet over. 
Leveres både i analog og digital versjon, måleområder opp til 30kV. Målerne har gjerne analog utgang for tilkobling av opptaksutstyr eller X-Y plotter for dokumentasjon. Digitale målere har også optisk avstandssensor som indikerer korrekt avstand til måleobjektet. og mulighet for tilkobling av tilleggsutstyr for test av ioniseringsvifter og måling av kroppsladning.

Uansett hvilken type man velger må både bruker og instrument være jordet når måling utføre (gjelder ikke
elektrostatiske voltmetere).  Avstand til måleobjekt som beskrevet i instrumentets brukermanual må overholdes.

Proben må ikke tilsmusses. Løse gjenstander, f.eks. plastark som ligger på jordplan, kan vise seg å være triboelektrisk oppladet selv om instrumentet viser det motsatte. Det vil du oppdage når arket løftes fra jordplanet. Årsaken er at kapasitansen mot jordplanet avtar og spenningen øker. Det er lett å forstå når man ser nærmere på formelen V=Q/C, V= Spenning, Q= Ladning, C= Kapasitans. Spenningen øker omvendt proporsjonalt med kapasitansen.

 

 

             Analog og digital feltmåler           

 

Elektrostatisk voltmeter

Også elektrostatiske voltmetere har synsfelt som vist på bildet over. Men virkemåten er forskjellig fra feltmålere. De måler potensialet direkte, ikke feltet. Det gjøres ved å drive opp spenningen på en måleprobe inntil feltet foran proben er utlignet (=0). Voltmeterets spenning når feltet er utlignet tilsvarer spenningen på objektet det måles på. Fordi potensialet mellom probe og målepunkt =0 kan proben plasseres nær inntil målepunktet (1-5mm) uten risiko for gnistoverslag og slik bestemme potensialet på svært små objekter, f.eks. integrerte kretser, med stor nøyaktighet. Variasjoner i avstand påvirker ikke måleresultatet som hos feltmålerne. Elektrostatiske voltmetere er mere kompliserte i konstruksjone enn feltmålerne og kostbare i sammenligning. Måler spenninger fra millivolt til flere kilovolt med god nøyaktighet både på små og store objekter. De mest avanserte er av spenningsfølger-type (DC feedback).

       
         
Elektrostatisk voltmeter

ESD Event Detector

Event detektorer  skiller seg klart ut fra feltmålere/voltmetere ved at de registrerer en elektrostatisk utladning (ESD)  i det øyeblikk den skjer og ikke elektrostatiske felt. I mange situasjoner og på mange steder kan det være svært vanskelig , ja nærmest umulig å avsløre skadelige  utladninger uten hjelp av en EED. Det kan være utladninger pga manglende eller dårlig jording, ujordede loddebolter, materialer og verktøy som ikke har bra nok avledningsegenskaper, produksjonsprosesser etc. som kan forårsake utladninger som kan skade/degradere ESDS. Alle elektrostatiske utladninger inneholder høyfrekvente komponenter  i MHz - GHz området. En EED fungerer som en radiomottaker og fanger opp RF-komponentene via sin antenne. Mange varianter av EED detektorer, fra de helt enkle som bare varsler med lydsignal, til de mere avanserte som viser styrken på utladningen og signaturer som indikerer om det er en HBM(Human Body Model) eller CDM(Charged Device Model) utladning. Også triggenivå kan stilles inn og tilkobling av ekstern antenne gjør det mulig å detektere utladninger på vanskelig tilgjengelige steder eller kanskje for risikable for mennesker å bevege seg inn i.  Kontinuerlige målinger over tid er også mulig.

    
     
ESD Event Detector (EED)

Konklusjon

Håndholdte elektrostatiske feltmålere er svært nyttige og uunnværlige instrumenter innen praktisk ESD-sikring. Dessuten er de enkle å bruke. For å ha full nytte av de må man kjenne til deres begrensninger. På konduktive flater og gjenstander kan de gi noenlunde  korrekte måleresultater forutsatt avstand og størrelse på objekt er tilnærmet lik de betingelser instrumentet ble kalibrert under. Videre er det en forutsetning at både bruker og instrument er jordet og at andre felt enn det som skal måles ikke innvirker på målingen. Ved måling på isolerende flater og objekter blir situasjonen en helt annen. Her blir det nærmest meningsløst å fastslå noe annet enn at gjenstanden er oppladet og polaritet. Feltmålere kalles field locators på engelsk. Det er vel nettopp her de har sin verdi, til  lokalisering av felt og ikke til presise målinger på felt.
Elektrostatiske voltmetere er kostbare presisjonsinstrumenter med flere bruksområder enn feltmålerne og er mere kompliserte i bruk og konstruksjon. Derfor er de ikke så "populære" innen praktisk ESD-sikring.

ESD Event detektorer (EED) er utvilsomt nyttige i et produksjonsmiljø fordi uoppdagede utladninger (ESD) kan forringe produktkvalitet etc. og dermed få betydelige negative følger, både økonomisk og anseelsesmessig.

 ELM Kurs & Tjenester                                                           Email: post@elm-esd.no                                                       Tlf. +47 41 18 75 60
 Sørumsgata 8 - 2000 Lillestrøm                                           www.elm-esd.no                                                                    Kontakt