空氣離子化控制靜電非常重要  
   在現(xiàn)有高科技生產(chǎn)企業(yè)因各方面原因，無法對生產(chǎn)現(xiàn)場進行實質(zhì)性的靜電接地，沒有良好的靜電接地靜電就無法消除掉，給生產(chǎn)帶了嚴(yán)重隱患，更不可能保證產(chǎn)品質(zhì)量，隨時隨地都會受到靜電的威脅。
   在高科技產(chǎn)品生產(chǎn)廠，控制靜電是提高生產(chǎn)效率，改善品質(zhì)，增加利潤的基礎(chǔ)。在半導(dǎo)體、硬盤和平面顯示（FPDs）的生產(chǎn)中，靜電控制是基本的生產(chǎn)條件之一。如果不能控制靜電就意味著，產(chǎn)品要因靜電引力導(dǎo)致粒子污染（ESA問題）和靜電放電（ESD問題）而受到損失。

美國靜電協(xié)會（ESD Association）和國際半導(dǎo)體設(shè)備和材料協(xié)會（Semiconductor Equipment and Materials International）等組織的靜電控制體系可以幫助企業(yè)解決靜電問題。這些體系主要的技術(shù)方法是，使用靜電導(dǎo)電材料和靜電耗散材料（包括人體）直接接入大地以消散靜電。

不幸的是，產(chǎn)品本身和工作環(huán)境都不可避免地會使用絕緣材料。當(dāng)絕緣材料就是產(chǎn)品本身的組成部分時，你無法將其替換，如高科技產(chǎn)品制造中會使用含有氧化層的硅片、半導(dǎo)體器件封裝的環(huán)氧樹脂、器件引腳上的絕緣材料、環(huán)氧樹脂印刷線路板，FPDs行業(yè)中的玻璃片等等。此外，適應(yīng)特殊環(huán)境，如耐高溫、耐腐蝕以及潔凈室兼容使用的材料：特氟隆、石英以及許多塑料材料都是絕緣材料。接地不能消除絕緣材料上的靜電荷，因此，多數(shù)情況下，**的辦法就是使用空氣離子化進行靜電中和處理。

盡管多數(shù)的靜電控制體系中都推薦使用空氣離子化，但它們卻很少在文件當(dāng)中說明空氣離子化的使用方法以及在生產(chǎn)中使用離子化設(shè)備產(chǎn)生的影響。對于許多行業(yè)來講，使用空氣離子化控制靜電非常重要，希望通過本文能為空氣離子化的用戶提供一些被忽略的信息。

空氣離子化的劃分

“離子（Ion）”一詞來源于希臘語，原為動詞，是動作的意思，有旅行者的含義。作為術(shù)語使用濟早是用于描述對各種溶液通電后反應(yīng)——離解并向與自己相反的電極移動的分子稱為離子。瑞典學(xué)者S. A. Arrhenius的理論認(rèn)為移動的離子（ion）是帶電荷的原子，這一理論在電子被發(fā)現(xiàn)后得以證實。

離子可以定義為失去電子或獲得電子的原子或分子。電子是電荷轉(zhuǎn)移的**載體。當(dāng)一個原子或分子具有相同數(shù)量的電子和質(zhì)子時，它的電荷是平衡的，或者說是中性的。如果失去一個電子，則該原子或分子帶上正電荷，成為正離子，得到電子則成為負(fù)離子。

但是空氣離子或帶電荷的空氣分子卻不是這種情況。空氣是一種混合氣體，由氮氣、氧氣、二氧化碳、水蒸氣以及其他一些微量氣體組成，其中一種或幾種都可以離子化。某些時候，雙原子結(jié)構(gòu)的氣體分子，如氮氣（N2）和氧氣（O2）可以獲得或失去電子，但另一些時候，化合氣體如二氧化碳（CO2）也能夠如此。無論何種情況，當(dāng)空氣中一種或一種以上的氣體分子獲得或失去電子的時候，我們稱之為空氣離子化。與溶液離子不同的是空氣離子化需要一定的能量才可形成。


通常情況下，未經(jīng)過濾的空氣，所形成的空氣離子是以氣體分子簇形式存在的，10個中性氣體分子包裹在一個帶電的分子周圍。帶電分子可能是氧分子、水分子或氮分子，在這里我們稱之為小空氣離子。小空氣離子會做相對運動，在遭遇相反電荷的離子或接地表面后，它們會失去電荷，又恢復(fù)為中性分子。在潔凈空氣中，小空氣離子的壽命在幾秒鐘到幾分鐘之間。

在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些離子會吸附在空氣中的微?；虼蟮姆肿訄F上，從而形成大的空氣離子。小空氣離子和大空氣離子的相對比例取決于空氣的潔凈程度?？諝庵袛?shù)量具多的懸浮微粒會消耗小空氣離子。

然而，我們在靜電控制中所談的絕緣材料上的靜電荷中和主要靠的是小空氣離子。

空氣電導(dǎo)和電荷中和

如果一個離子暴露在電場中，它會因場強大小和電場方向而移動。電場中移動的離子能夠形成電流。而電流密度取決于空氣的離子數(shù)和相對于電場源移動的速度。電流密度對于該電場來說稱為為空氣的電導(dǎo)。此電導(dǎo)會因極性正負(fù)而變化。

一個帶電體周圍會產(chǎn)生電場，不同點的電場強度不同，電場驅(qū)使電荷平衡。如果一個帶電體周圍被正負(fù)兩種空氣離子包圍，相反極性的離子會向該帶電體移動，并產(chǎn)生電流。這種中和的電流會讓帶電體上電荷和周圍空氣的電導(dǎo)平衡。簡言之就是帶電體吸引相反電荷的空氣離子。
 
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電場強度為E的一個離子將以v的速率移動，它們之間的關(guān)系是

v = kE, (1)

其中k是離子和遷移率。

小空氣離子的遷移率在1.0–2.0 cm2/V•s。單位的含義是小空氣離子在1 V/cm 電場強度下以1 cm/s的速率移動。實驗表明，負(fù)離子的遷移率比正離子的遷移率要高大約15%。

如果空氣中有n個正離子，遷移率為k，電荷量e，在電場強度為E電場下，向帶電體移動所產(chǎn)生的電流密度j的計算為

j = enkE = λE (2)

式中λ等于enk,稱作空氣的正電荷電導(dǎo)，更準(zhǔn)確地講，它是指由于正離子所產(chǎn)生的極性電導(dǎo)。

在電場中，負(fù)離子會向電場相反的方向移動。通過公式2也可以計算負(fù)離子在帶有e電荷數(shù)移動時的電流密度。

如果一個帶有q電量正電荷或負(fù)電荷的物體，周圍一定會形成電場。該物體周圍如果被同時含有正負(fù)兩種離子的空氣所包圍，極性相反的空氣離子會流向該物體，相同極性的離子會遠(yuǎn)離該物體。在空間中不同點的電場不同，但濟終的電荷均衡為q。電荷的移動即為電流，相反極性的離子流動所產(chǎn)生的電流通向帶電體q，這種中和電流能夠讓帶電體的電荷與周圍空氣的極性相反的電導(dǎo)達(dá)到平衡。

如果空氣電導(dǎo)不發(fā)生變化，則離子中和的速度也是恒定的，電荷衰減時間常數(shù)系數(shù)τ積與電導(dǎo)的關(guān)系是指數(shù)關(guān)系。換句話講，初始電荷為q0，衰減后電荷q計算如下：

q = q0–t/τ, (3)

式中時間常數(shù)τ等于空氣的介電常數(shù)ε除以空氣電導(dǎo)（率）λ：


t = ε0/λ; (4)

將此帶入公式3，則有

q = q0–t(enk/ε0), (5)

將電荷中和至均衡的速度取決于離子濃度。

實際上，保持空氣的電導(dǎo)恒定是困難的。許多因素會影響電荷衰減速度，這包括空氣懸浮微粒密度、帶電體周圍離子的損耗率、空氣電離的多相性、不規(guī)則帶電體或多帶電體產(chǎn)生的非均衡電場等等。目前還難以做到消除簡單模型的誤差，**計算衰減時間，因此實際測量離子發(fā)生器的中和特性顯得尤為重要。

空氣離子的特性

空氣中自然的離子中，通常正離子與負(fù)離子的數(shù)量為1.2：1。在清潔的室外空氣當(dāng)中，每立方厘米包含有2000~3000個離子。在一個自然通風(fēng)的建筑里，這個數(shù)量會降至500/cm3，在管道通風(fēng)（空調(diào)通風(fēng)）的建筑里，這個數(shù)值很少超過100/ cm3。

自然的空氣離子主要由空氣、地面以及建筑材料中的放射元素的照射所形成。此外，由水流和海浪產(chǎn)生的水滴摩擦、閃電以及大氣層上部受宇宙射線和太陽射線的照射也會產(chǎn)生空氣離子。其中水滴摩擦產(chǎn)生的主要是負(fù)電荷性的小空氣離子。

在純凈的空氣中，離子的壽命不會超過幾分鐘，其衰減的速度取決于多種因素。離子的密度越高離子與相反極性離子相遇的機率越強。一旦相遇就會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，兩個離子變成兩個中性分子。電荷轉(zhuǎn)移在離子接觸到接地表面時也同樣會發(fā)生，因此，用于中和靜電的離子必須盡量減少極性相反的離子相互作用，同時盡可能與大的接地體隔離開。

此外，大的空氣離子一旦形成，它的運動速度要比小的空氣離子要慢（見公式2）。大空氣離子對空氣電導(dǎo)的影響小，一般不用于靜電荷中和。

小空氣離子能夠在靜電荷電場的作用下在空氣中移動。一個靜電場作用在帶電離子的空氣，會吸引相反極性的空氣離子移向產(chǎn)生電場的電荷（見圖1）。離子被吸引到具有極性相反電荷的物體表面，直至電荷被中和，靜電場消失為止。這是使用空氣離子控制靜電的基本原理。



              正在對手腕帶在線監(jiān)控器進行調(diào)試



通過雙極性空氣離子中和表面靜電


但是，自然空氣所產(chǎn)生的正負(fù)離子數(shù)量太少，不能用于靜電控制，要中和靜電需要的離子濃度要高的多，通常要達(dá)到100,000/cm3 ~1,000,000/cm3.

空氣電離

人工產(chǎn)生空氣離子需要添加或奪取空氣分子的電子，有兩個基本途徑實現(xiàn)這一點：α射線以及電暈電離。

α射線電離。α射線離子發(fā)生器使用Po210作為放射源，它直接產(chǎn)生α粒子。α粒子實質(zhì)是一個氦原子核，與空氣分子碰撞后會將電子撞離出去約3 cm，氣體分子就會失去電子成為正離子。游離的電子又會很快被中性的氣體分子所捕獲，形成負(fù)離子（見圖2）。



圖2 α射線離子形成：Po210產(chǎn)生α粒子撞擊氣體分子游離出電子



α射線離子發(fā)生器產(chǎn)生的正、負(fù)離子數(shù)量是總平衡的——每個被撞擊出電子的分子形成一個正離子，捕獲電子的分子形成一個負(fù)離子，這一點非常有利于在ESD非常敏感的器件的靜電控制的應(yīng)用。正、負(fù)離子的數(shù)量相等意味著離子發(fā)生器的平衡度為0V，可以將工作區(qū)任何物體上的靜電消除到0V。

α射線離子消除靜電商業(yè)化應(yīng)用主要包括爆炸燃燒危險環(huán)境和需要**平衡度的環(huán)境。但其處理成本相對昂貴，因為每143天，α射線離子發(fā)生器的功率會因為放射源的衰減一半而衰減一半，通常它們必須每年更換。雖然α射線離子發(fā)生器已經(jīng)可靠使用了25年，但它們?nèi)匀皇钦芸氐漠a(chǎn)品，而且任何放射性物體都會引起人們的恐慌，因而α射線的離子化產(chǎn)品沒有像電暈電離的離子化產(chǎn)品一樣得到廣泛應(yīng)用。

電暈電離。電暈離子發(fā)生器使用高電壓**產(chǎn)生強電場，使電子遷移。由于固體或空氣中存在放射性物質(zhì)，大氣中會存在一些自由電子。正極強電場的作用下，會吸引這些電子向電離**移動。它們碰到空氣分子，后者被撞擊出更多的電子，失去電子的分子成為正離子。電場會將它們推離電離**，向中和的靜電荷移動。同樣，負(fù)電場從電離**推離自由電子，碰撞氣體分子后產(chǎn)生更多的自由電子，后者會被電離**附近的中性分子捕獲，產(chǎn)生負(fù)離子。負(fù)離子也會負(fù)電場的作用下遠(yuǎn)離電離**。

電暈電離通常不能提供α射線離子發(fā)生器所能夠提供的固有的離子平衡度。目前的方法只能是保證正負(fù)離子的數(shù)量大致相當(dāng)，而不能區(qū)分離子不同的活性和每一個電極所產(chǎn)生離子的速度。一些離子發(fā)生器，包括帶有監(jiān)測和反饋能力的離子化設(shè)備，可以給工作區(qū)提供長時間的離子平衡。離子平衡非常重要，因為一個不平衡的離子發(fā)生器會讓孤立導(dǎo)體感應(yīng)帶電，讓使用者事與愿違。

離子化標(biāo)準(zhǔn)。離子發(fā)生器的離子平衡度，或者說是偏執(zhí)電壓，可以使用充電板監(jiān)測儀（CPM）測量，這在靜電協(xié)會（ESDA）關(guān)于空氣離子化的標(biāo)準(zhǔn)中進行了定義。ANSI ESD STM3.1是**得到世界范圍認(rèn)可的離子化的標(biāo)準(zhǔn)，也為許多國際靜電控制標(biāo)準(zhǔn)所推薦。作為標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，它只對不同的系統(tǒng)或同一系統(tǒng)的整個過程，定義了測試儀器和測試方法，而沒有指定技術(shù)要求，因為空氣離子化使用中會有不同的情況。對于濟終客戶來說，要解決靜電荷問題，放電時間應(yīng)當(dāng)予以確定。

選擇離子化方式。被保護產(chǎn)品的ESD敏感度通常決定了濟佳的離子化設(shè)備種類。越敏感的產(chǎn)品需要離子平衡能力越**，越穩(wěn)定的離子化設(shè)備。它要求使用CPM測量離子化設(shè)備的平衡度不能超過幾十伏。

選擇離子發(fā)生器還可能要考慮其他的一些因素。這包括能否使用氣流，離子發(fā)生器與工作區(qū)的距離，以及潔凈室對于離子發(fā)生器的兼容性等等。

電暈電離離子發(fā)生器

有多種方法可以通過電暈電離產(chǎn)生和推動帶有兩種極性離子的空氣作用到工作區(qū)。這些方法主要區(qū)別在于是否使用交流高壓，直流高壓，或是脈沖直流產(chǎn)生離子。

交流離子化。交流離子化技術(shù)的原理是，將交流高壓加在彼此接近的離子發(fā)射極上，發(fā)射極會以50或 60 Hz的交流頻率交替產(chǎn)生正負(fù)離子。由于高于電離電壓點的時間只占整個時間的一部分，所以交流離子化的效率較低。

交流電離被廣泛地用在離子吧上，它以中低速度消除材料上的靜電。此外，離子風(fēng)機和離子風(fēng)槍也會使用交流電離。在電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠，交流離子發(fā)生器是器件組裝中濟常用的離子化設(shè)備。因為它們的電源線具有不平衡噪信特性，交流離子發(fā)生器很少用于有**平衡要求（±15 V以內(nèi)）的場合。此外，由于高的離子流必然引起高的離子重組，交流離子發(fā)生器會導(dǎo)致的粒子水平高，因此它們不適合在潔凈室使用。

穩(wěn)定直流離子化。標(biāo)準(zhǔn)的直流離子化技術(shù)原理是，將正負(fù)高壓加在離子發(fā)射極上直接產(chǎn)生正負(fù)離子，它產(chǎn)生離子的效率比交流要高。由于可以使用低工作電壓，穩(wěn)定直流的離子發(fā)射器在潔凈室中廣泛應(yīng)用。由于正負(fù)高壓電源可以分離使用，使得監(jiān)測和反饋控制裝置可以在穩(wěn)定直流離子發(fā)生器中使用，平衡度可以控制在5V以下。穩(wěn)定直流離子發(fā)生器可以被用在氣流要求嚴(yán)格的室內(nèi)和高速的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上。此外，這一技術(shù)也可用于離子風(fēng)機、粒子吧、風(fēng)槍上。廣泛應(yīng)用在房間系統(tǒng)、工作表面、氣流罩以及設(shè)備上。

脈沖直流式離子化。原理是，通過脈沖系統(tǒng)將正負(fù)直流高壓交替加在離子發(fā)射極上產(chǎn)生正負(fù)離子，并到達(dá)工作區(qū)時混合。其的靜電消除效果會隨著離子重新組合會降低。但是其作用距離遠(yuǎn)，允許離子發(fā)生器放置在5米以上的天花板上。

脈沖直流式離子發(fā)生器用于低氣流的室內(nèi)，主要在潔凈室和層流罩的應(yīng)用。這種離子發(fā)生器的優(yōu)點是，它具有靈活多變的特性，周期可以調(diào)節(jié)，可適應(yīng)特殊的氣流環(huán)境。由于輸出離子的極性隨著周期而改變，脈沖直流離子發(fā)生器會產(chǎn)生振蕩電壓，限制了它在對此敏感的器件的靜電保護中的使用。

空氣離子對人體的影響

無論它是發(fā)生了什么樣的變化，人們對呼吸的空氣一定會非常關(guān)心。從18世紀(jì)開始，就有科學(xué)家開始關(guān)注這個問題，現(xiàn)在我們把這類問題稱為空氣分子帶電。對空氣離子對各種生物影響的研究貫穿整個20世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)和結(jié)論包括殺滅微生物，刺激植物生長，以及改變動物血液和腦組織的某些化學(xué)物的水平等。在自然空氣中添加或減少離子都會生物造成影響。

空氣離子對人體影響的研究是伴隨對自然界產(chǎn)生離子影響人體活動的研究開始的。干熱風(fēng)的吹動會引起空氣正負(fù)離子平衡度改變，這時人容易生病，情緒也會改變，這都是空氣離子影響的緣故。

盡管缺乏靈床試驗的證據(jù)，不少小空氣離子對人體影響的結(jié)論已經(jīng)得到承認(rèn)。其中一個是，雖然并非所有人對空氣中的離子水平改變會有所察覺或反應(yīng)，但對于那些有所反應(yīng)的人來說，減少空氣中的離子數(shù)量或減小正負(fù)離子的比例，要比增加它們感覺要好，

只有一些人類科技活動會導(dǎo)致空氣中的離子數(shù)量增加，多數(shù)活動會消耗空氣離子。工業(yè)氣體污染，離散電場，管道通風(fēng)都在不同程度是影響環(huán)境空氣離子水平的因素。離子消耗會讓人困倦，注意力分散，感覺不舒服，以及引起**等；人工增加離子濃度效果相反。離子發(fā)生器曾經(jīng)被用于解決這些問題，但這并不是說，使用它們恢復(fù)和增加自然空氣中的離子數(shù)量只是對身體有好處。研究表明，作為確定的目的，在離子化的環(huán)境里工人的表現(xiàn)有所改善，實質(zhì)上這于消耗離子的工作區(qū)有關(guān)。由于離子會影響人的行為和情緒，我們一般寧可多一些負(fù)離子的環(huán)境。

所有對空氣離子對人影響的研究中有一件事情是肯定的， 那就是還沒有任何報告說，高密度的平衡離子或單極的負(fù)離子對人體有害。

結(jié)論

空氣離子除被用于中和靜電外，它還被用于油漆噴涂，包裝袋填充，以及表面覆膜等方面。此外，在靜電沉降方面，人們還會使用單極離子發(fā)生器，產(chǎn)生大量的大的帶電空氣離子，受靜電引力的作用它們會被吸引到帶相反電荷的充電板或接地的表面上，用以工業(yè)、辦公室以及家用的空氣除塵。在工業(yè)污染控制設(shè)計中，這種空氣凈化技術(shù)以及所有空氣離子化技術(shù)都會有利于員工的呼吸，將逐步被認(rèn)識接受。

空氣離子化在高科技產(chǎn)品制造中已經(jīng)得到了重視，但是，世界對于同時兼顧工業(yè)過程和生物系統(tǒng)的離子化應(yīng)用研究還在進行當(dāng)中。離子化在納米技術(shù)、生物工程、以及其他生命科學(xué)等領(lǐng)域新應(yīng)用的研究已經(jīng)有了發(fā)展。