تخلیۀ الکترواستاتیک (الکتریسیتۀ ساکن، ایستا برق، شوک ساکن)[1]

احتمالاً برای شما هم پیش آمده باشد که وقتی با کفش­ های ورزشی خود بر روی فرشی راه می­ روید و بعد دست خود را با فلزی تماس می­ دهید احساس شوک می­ کنید. در این فرایند چه رخ داده است؟ در واقع، این عمل همان تخلیۀ بار الکتریکی ساکن (electrostatic discharge) است که به طور اختصاری آن را ESD می ­نامند که همان انتقال الکترون است. علم الکترواستاتیک با نام ­های دیگر الکتریسیتۀ ساکن و یا ایستا برق نیز شناخته می­ شود. این فرایند ESD اگرچه ساده به نظر می­ رسد اما اثرات قابل ملاحظه­ ای در الکترونیک، میکروالکترونیک و نانوالکترونیک و به طور کلی در هر صنعتی که از ادوات الکترونیکی استفاده شود، دارد. در بسیاری از صنایع همین فرایند کوچک می­ تواند سبب انفجار و رخ دادهای بزرگی شود که هم از لحاظ مالی و هم جانی آن صنعت را تحت تاثیر قرار دهد. در کنار ESD، رخ دادهای دیگری مانند استرس بیش از حد الکتریکی (EOS)، تداخل الکترومغناطیس (EMI) و الکترومغناطیس سازگار (EMC) در هر صنعتی با توجه به کارکرد آن ممکن است به وجود آید که شناسایی و رفع عوامل ایجاد آنها یک ضرورت مهم است. در این مقالۀ کوتاه به بررسی و شناخت پدیدۀ ESD پرداخته خواهد شد.

      هنگامی که دو جسم باردار الکتریکی مانند بدن انسان و یک وسیله الکترونیکی با یکدیگر تماس پیدا می ­کنند، الکتریسیته ساکن تخلیه می­ شود. همانطور که اشاره شد، این پدیده ESD (تخلیه الکترواستاتیک) نامیده می­ شود. ESD تولید شده از بدن انسان می ­تواند در حد چند هزار ولت باشد که همیشه توسط انسان قابل حس کردن نیست. مشکل ESD در ارتباط با ابزارهای الکترونیکی این است که اگرچه انسان انتقال ESD کمتر از 3500 ولت را احساس نمی ­کند، اما اکثر دستگاه­ های الکترونیکی مانند کامپیوتری الکترونیکی به شارژ کمتر از نیمی از این سطح حساس هستند. این پالس ولتاژ بالا، با لمس هر دستگاه الکترونیکی وارد آن می ­شود و در نتیجه مدارهای آی سی داخل آن دچار اختلال می­ شوند یا حتی از بین می­ روند. به منظور جلوگیری از تخریب یک محصول یا سیستم به دلیل نفوذ ESD به دستگاه الکترونیکی، لازم است که قطعۀ متقابلی نصب شوند که ESD را سرکوب یا حذف می ­کنند. این نکته نیز هائز اهمیت است که همین ولتاژ غیر قابل لمس توسط انسان می­تواند اثرات مضری بر سلامت هر موجود زنده­ای داشته باشد که در مقالۀ https://ntp-electronic.com/ArticleCategory/%D8%A7%D8%AB%D8%B1-%D8%AA%D8%AE%D9%84%DB%8C%DB%80-%D8%A8%D8%A7%D8%B1-%D8%B3%D8%A7%DA%A9%D9%86-%D8%A8%D8%B1-%D8%B3%D9%84%D8%A7%D9%85%D8%AA-%D8%A8%D8%AF%D9%86 مورد بررسی قرار گرفته است.

     فقدان یا وجود بیش از حد الکترون­ ها پیش زمینه لازم برای یک رویداد ESD است، اما تنها شرط لازم برای وقوع ESD نیست. روش اصلی ایجاد اقلام دارای بار استاتیکی با مالش یا جدا کردن مواد است که معمولاً به عنوان روش تریبوالکتریک شناخته می­ شود. اصطلاح تریبوالکتریک از کلمه یونانی باستان تریبو به معنای مالیدن گرفته شده است. بار تریبوالکتریک به این صورت تعریف می‌شود: «بار الکتریکی که در اثر حرکت اصطکاکی یا جداسازی دو سطح ایجاد می‌شود». تریبوالکتریفیکاسیون مواد در هر زمانی که دو ماده غیرمشابه با یکدیگر در تماس باشند اتفاق می ­افتد. اتم­ های بیرونی یکی از مواد برخی از الکترون­ها را از دیگری جدا می­ کنند. انرژی اضافی مالش باعث تبادل بیشتر الکترون ­ها می شود و بار بیشتری ایجاد می­ کند. حرکت سریع باعث افزایش این اثر می­ شود. روش دیگری برای ایجاد یک آیتم باردار استاتیکی، روش القایی است که بار الکتریکی موجود را در یک جسم، ناشی از تأثیر میدان الکتریکی مجاور، دوباره توزیع می‌کند. مشخصه­های روش های تریبوالکتریک و القایی در زیر خلاصه می­ شوند.  

روش تریبوالکتریک[1]:

·        ایجاد بار استاتیکی در اثر اصطکاک؛

·        تولید بار استاتیک از طریق تماس و جداسازی مواد؛

·        روش پرایم که به وسیله آن وسایل الکترونیکی در تولید به صورت استاتیک شارژ می­ شوند.

تریبوالکتریک فرآیندی است که طی آن دو جسم بدون بار اولیه در تماس با یکدیگر باردار می شوند و سپس از هم جدا می شوند. این فرآیند برای همه مواد بسیار عایق اتفاق می‌افتد، اما وقوع آن در پلیمرها اهمیت فنی و تجاری بسیار زیادی دارد و به‌عنوان علت ایجاد الکتریسیته ساکن دردسرساز است. تریبوالکتریک یک مورد خاص از پدیده عمومی ذخیره بار است. پلیمرها می توانند بارهای الکتریکی را برای مدت طولانی ذخیره کنند، البته اگر به اندازه کافی عایق باشند. بارهای ذخیره شده ممکن است واقعی (یعنی بار خالص اضافه می شود) یا قطبی یا ترکیبی از هر دو باشد. بارهای واقعی شامل لایه‌هایی از بارهای مثبت یا منفی است که در سطوح یا نزدیک سطوح به دام افتاده یا در سرتاسر توده توزیع شده‌اند (بارهای حجمی). بارهای واقعی ممکن است به طور ناهمگن در ساختارهای مولکولی یا حوزه ای شبه قطبش دوقطبی قرار گیرند. بارهای پلاریزاسیون واقعی ناشی از تراز منجمد دوقطبی است که ممکن است نتیجه ساختار مولکولی باشد. این جنبه، خواص پیزو- و پیرالکتریک را ایجاد می کند. ماندگاری ذخیره بار در پلیمرها به رسانایی، خواص انتقال بار و فرکانس های شل شدن قطبی بستگی دارد.

تریبوالکتریک را می توان تنها با در نظر گرفتن ساختار نواری پلیمرها و به عنوان مثال، یک فلز در تماس به عنوان منبع بارهای اضافی درک کرد. اگر پلیمرهای عایق به‌عنوان جامدات با گاف نواری پهن و بدون هیچ حالتی در گاف در نظر گرفته شوند، در این صورت انتقال بار از فلز در تماس نمی‌تواند رخ دهد.

نوع بعدی حالت اساسی تری است، زیرا از حالت های توده ای ذاتی تشکیل شده است. این امر به ویژه در مورد پلیمرهای گروه آونگی که در آنها حالت های الکترونیکی گروه آویز نقش غالب را ایفا می کنند، صادق است. برای چنین موادی، هر بار اضافی روی گروه‌های آویز منفرد قرار می‌گیرد و یون‌های مولکولی را تشکیل می‌دهد. انرژی این حالات الکترونیکی به دلیل برهمکنش قوی الکترون-فونون بین بار اضافی و درجات آزادی زیاد موجود در مولکول‌های بزرگ و قابل تغییر شکل، در معرض اثرات آرام‌سازی زیادی است. نوارهای انرژی گسترده مرتبط با زنجیره اشباع شده توسط یک شکاف باند وسیع از هم جدا می شوند، در حالی که حالت های یون مولکولی مرتبط با افزودن (آنیون) یا خروج یک الکترون اضافی (کاتیون) در این شکاف قرار دارند. انبساط ناهمگن این حالات به دلیل نوسانات پلاریزاسیون ایستا ناشی از ماهیت آمورف بی نظم پلیمر رخ می دهد. بار به حالت‌های پلیمری منتقل می‌شود که از نظر انرژی در حدود 0.4 eV از سطح فرمی فلز در تماس است. منفی یا مثبا بودن بار در پلیمر به این بستگی دارد که آیا از نظر انرژی برای افزودن یک الکترون مطلوب تر است یا برای برداشتن آن. فرض بر این است که حالت یون مولکولی اشغال شده بسیار پایدار است زیرا بار منتقل شده به دلیل محلی سازی شدید آن به حالت های خالی با انرژی پایین تر نفوذ نمی کند.

روش القایی:

·        عدم تماس فیزیکی بین اشیاء؛

·         تعامل میدان الکتریکی با اجسام باردار الکترواستاتیکی؛

·         جذب یا دفع الکترون­ها مطابق با قطبیت میدان؛

·         قطبی شدن خود جسم قطبی.

مهمترین مواردی که منجر به تخلیه الکترواستاتیک (ESD) می­شوند عبارتند از:

● تماس با انسان: هنگامی که شخصی با یک قطعه یا ابزار الکتریکی تماس می گیرد، ممکن است الکتریسیته ساکن به دلیل اصطکاک بین پوست، لباس و سطح آن قطعه ایجاد شود. هنگامی که این شارژ ساکن با قطعه الکترونیکی تماس پیدا می کند، ممکن است در آن تخلیه شود و شاید منجر به آسیب ناشی از ESD شود.

● جداسازی مواد: جداسازی مواد، مانند برداشتن پوشش های محافظ یا جداسازی اجزا، ممکن است الکتریسیته ساکن تولید کند. جداسازی مواد با پتانسیل های الکتریکی مختلف می تواند منجر به ایجاد الکتریسیته ساکن شود که می تواند در اجزای الکترونیکی اطراف تخلیه شود و منجر به آسیب ناشی از ESD شود.

● وسایل الکترونیکی: در حین استفاده، وسایل الکترونیکی مانند ترانسفورماتورها، سوئیچ ها و موتورها می توانند الکتریسیته ساکن تولید کنند و ممکن است به دلیل حرکت اجزا یا تعامل مواد مختلف این اتفاق بیفتد که به طور بالقوه منجر به رویدادهای ESD می­ شود.

● مواد بسته بندی: بسته بندی مورد استفاده برای محافظت از وسایل و قطعات الکتریکی نیز می­تواند باعث بروز ESD شود. به عنوان مثال، مواد بسته بندی عایق ممکن است بار استاتیکی ایجاد کنند، که هنگام دست زدن یا باز کردن، ممکن است به تجهیزات یا قطعات الکترونیکی تخلیه شود و منجر به آسیب ناشی از ESD شود.

بنابراین، می توان شناخته شده ترین نمونه های تخلیه الکترواستاتیک را به شرح زیر آورد:

رعد و برق (رعد و برق): بارها شاهد رعد و برق در هوای بارانی بوده ایم. همانطور که از اسم این پدیده مشخص است شامل دو بخش صدا و نور است. با حرکت ابرهای چگال از کنار یکدیگر و نیز در مجاورت زمین، ابرها باردار می شوند و همان پدیده ای رخ می دهد که شما در لمس دستگیرۀ فلزی درب پس از راه رفتن بر روی فرش حس می کنید. تخلیۀ بار بین ابرها و بین ابر و زمین سبب دیده شدن جرقه­ای بزرگ میگردد که همراه با نور است و از آنجا که سرعت نور به مراتب از سرعت صوت بیشتر است ابتدا شما نور آن را در آسمان مشاهده می کنید و سپس صدای آن را خواهید شنید.

تخلیه درب خودرو یا اجسام بزرگ فلزی (رادیاتور)

هنگام درآوردن ژاکت با الیاف مصنوعی موهای شما به سمت بیرون جهت گیری می کنند: احتمالاً برای شما پیش آمده باشد که در حال درآوردن لباس کاموایی خود هستید که موهایتان نیز با حرکت لباس به سمت بیرون جهت گیری می کنند. در این فرایند چه رخ داده است؟ درواقع، شما با درآوردن لباس در حال ایجاد تماس و مالش بین مو و لباستان هستید و همان اثر تریبوالکتریکی که در بالا به آن اشاره شد در حال رخ دادن است.

برداشتن فویل بسته بندی یا نایلون های فریزر - فویل به بدنه می چسبد: زمانی که شما سعی در باز کردن فویل های نازک فلزی هستید و یا در حال درآوردن یک نایلون فریزر از کشوی آشپرخانه هستید مشاهده می کنید که فویل یا نایلون به سطوح می چسبد و همان اثر تریبوالکتریک در حال رخ دادن است.

      تخلیه استاتیکی در آزمایشگاه الکترونیک یا محیط تولید لازم نیست به اندازه یک صاعقه برای آسیب رساندن به قطعات یا سیستم های الکتریکی پرانرژی باشد زیرا اندازه و خواص مواد ویژگی های حساس به ESD بسیار کوچک است و به راحتی جریان الکتریکی را هدایت می کند. بسیاری از رویدادهای ESD که منجر به آسیب به وسایل الکترونیکی می شوند برای اپراتورها و تجهیزات آزمایشی در صورت وقوع غیرقابل محسوس هستند. هر چه رطوبت بیشتر باشد بار استاتیکی تولید شده کمتر است. رطوبت موجود در هوا مقاومت سطحی مواد را با ایجاد یک فیلم رسانا بر روی سطح عایق کاهش می دهد. این فیلم اجازه می دهد تا بار سطحی دوباره توزیع شود و غلظت بار کاهش یابد. وقوع الکترواستاتیک رایج در شکل زیر قابل مشاهده است:

*** در مطالعات مربوط به ESD باید توجه داشته باشیم که آن را با نوسانی که با زدن کلید روشن هر دستگاهی ممکن است رخ دهد اشتباه نگیریم.

نتیجه گیری [2]:

همانطور که گفتیم، ESD مخفف ElectroStatic Discharge است. اختلاف پتانسیل زیاد باعث ایجاد پالس های ولتاژ بالای الکتریکی در قطعات یا دستگاه های الکترونیکی می شود و این امر خود سبب جرقه یا خرابی در ادوات الکتریکی می گردد. هر یک از ما قبلا ESD را تجربه کرده ایم. بهترین درک شناخته شده احساس شوک الکتریکی هنگام لمس دستگیره در است. با این حال، همانطور که در بالا نیز به آن اشاره شد، بسیاری از تخلیه های الکترواستاتیک زیر آستانه درک انسان هستند، اما می توانند برای قطعات الکترونیکی مضر باشند. مردم فقط می توانند یک تخلیه را در حدود 3000 ولت احساس کنند. در مقابل، 35 ولت برای از بین بردن یک جزء نیمه هادی کافی است و دقیقا از همین جا ضرورت استفاده از ابزارهای آنتی استاتیک مشخص می گردد.

ESD  زمانی رخ می دهد که مواد عایق به یکدیگر مالیده و از یکدیگر جدا شوند، یعنی همان رخ داد اثر تریبوالکتریک. برای مثال، در طول حرکات روزمرۀ زیر این پدیده ممکن است بارها رخ دهد: قدم زدن روی کفپوش های پلاستیکی، اصطکاک روی لباس های مصنوعی، جابجایی ظروف پلاستیکی، باز کردن رول نوارهای چسب، حرکت تسمه نقاله.

در یک کارگاه یا کارخانۀ تولیدی که تسمه نقاله در بخش های مختلفی ممکن است به کار برده شود به دلیل حرکت دائم آن و تماس با سطح دیگر ممکن است، عدم ایمنی ESD ممکن است خسارات جبران ناپذیری را تحمیل کند.