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【實作實驗室】木頭也能抗靜電?7 種材料抗靜電測試大賽

   

作者:實作派

買主機板或硬碟時,會發現這些東西常會裝在抗靜電包裝袋裡面,但這些袋子真的能抗靜電嗎?有什麼方法可以測試他們的功能呢?阿信助教就來教各位利用居家材料做簡單的測試,讓你馬上知道哪些材料可以抗靜電。

下面列出一般常見的三種抗靜電材料,我依照它們的表面電阻率 Surface Resistivity 由小到大列在下方,它們有各自的用途與目的。

  • 導電材料 Conductive Material

(1) Rs<100 KΩ/sq
(2) 保護 IC 電子元件為主

  • 靜電消散材料 Static Dissipative Material

(1) 100 KΩ/sq<Rs<100 GΩ/sq
(2) 保護電路板半成品為主

  • 抗靜電材料 Anti-Static Material

(1) 100 GΩ/sq<Rs<1 TΩ/sq
(2) 避免成品存放區累積靜電

表面電阻率 Surface Resistivity

大部分電子科系的朋友們應該都聽過電阻率,一般我們討論電阻公式時都會把電阻率拿出來用,但可能比較少聽到「表面電阻率」,基本上它們的概念是一樣的。

  • 電阻率 Volume Resistivity

也稱為體積電阻率,可視為 1 單位立方體材料所形成的電阻,通常用來敘述電流通過某立體材料的電阻特性,例如液體、土壤或是水泥,常見的電阻率單位為 Ω⋅cm 或者 Ω⋅m 。

  • 表面電阻率 Surface Resistivity

可視為任意正方形表面所形成的電阻,常見的表面電阻率單位為 Ω 或是 Ω/sq。你可能會發現單位裡面有個 sq 那到底是什麼意思,它其實一個不具有物理意義的單位,只是個標註而已,指的就是「任意正方形」面積,也就是 Square 的意思,而且只要是正方形,無論面積大小,表面電阻一定會相同(由於表面電阻率的單位與一般電阻一樣,為了識別才加一個 sq,這樣看的人才知道這是表面電阻率。關於表面電阻率詳細的介紹可以看 Surface Resistivity and Surface Resistance Measurements) 。

通常表面電阻率是用來描述電流通過材料表面的特性,雖然電流也會流到材料內部,但它只敘述表面,所以它是討論材料表面特性的學問,也就是材料的同一面,如果要討論的是材料正反面之間的阻抗,那就要觀察電阻率了,雖然它很薄但畢竟還是有厚度和體積的。

通常平面呈現的材料會以「表面電阻率」來討論,例如塑膠布和紙張;若以立體呈現的材料會以「電阻率」討論,如土壤、水泥,但水泥有時也會以表面電阻率來呈現,因為一般完成的建築不太可能敲下來測試,只能測表面。

觀察靜電的利器——驗電器

靜電顧名思義是有固定一票電荷停在某個地方,隨時找機會做電荷平衡,平衡的瞬間就是所謂的「靜電放電」ElectroStatic Discharge(ESD),兩個物體彼此的電荷落差如果越大,放電程度越劇烈,落差小放電程度就小。

通常靜電放電的時間很短,除非有示波器才能看到放電的瞬間電壓,這部分請看靜電會電死人嗎?電光石火的破壞王。不過對於這次的主題,用示波器的成本較高,也不直覺,所以這次我找了一個便宜好用的方式來觀察抗靜電的效果——驗電器。

如下圖,驗電器是一個歷史悠久的裝置,國中的基礎理化有教,它可以輕易觀察到靜電的現象。它的構造是金屬棒下面掛著兩片鋁箔,只要有電荷在上面,鋁箔就會因同性相斥而分開,我真心覺得這是個很聰明的裝置,上面長得像天線的金屬只是我為了增加感應面積用的。

驗電器 Electroscope(圖片來源:實作派提供)

如果要使用驗電器來觀察抗靜電材料,就必須要先把電荷放進驗電器。怎麼做呢?

首先將塑膠捲和手摩擦產生靜電,讓塑膠靠近上方金屬的左邊,於是金屬上的正電荷(先假設吸引的是正電)會往左方靠,負電荷會因為排斥而跑到右邊,接著用手指輕輕碰一下金屬的右邊(這動作等同於接地),於是負電荷會透過手指瞬間流到大地,但正電荷仍然被塑膠捲的負電吸引著。

接著移開手指,再移開塑膠捲,如此一來金屬裝置就全部是正電荷了,此時你會發現鋁箔是張開的,這樣就完成了放入電荷的工作,很簡單吧!

接著我們開始做實驗,看看這些靜電材料是不是如它們所號稱的可以排掉靜電荷。

靜電導電泡棉

下圖中黑色的東西稱為導電泡棉 Static Conductive Foam,用來把 IC 插在上頭當作寄送的載具。為了避免 IC 被靜電打壞,導電泡棉的表面電阻率會設計得比較低,因此當我們將導電泡棉觸碰金屬時,電荷會很快排掉,當然鋁箔也很快就會合起來。

導電泡棉一眨眼就讓鋁箔合起來(圖片來源:實作派提供)

金屬化的抗靜電包裝袋

買硬碟的時候通常會用一種銀色的包裝袋,稱為「金屬化的抗靜電包裝袋」 Anti-Static Metalized Bag,它是在普通的塑膠材料上加上一層很薄的金屬成分,薄到表面阻抗大約是 MΩ 甚至 GΩ 級,因此無法拿來作為導線,不過由於靜電的電壓動輒上千甚至上萬伏特,用來緩和的排除靜電算是綽綽有餘。

金屬化的抗靜電包裝袋(圖片來源:實作派提供)

一般的抗靜電包裝袋

平常購買一些較低價的電子產品,通常它們會裝在有顏色的泡泡袋內,或是有黑色網格的塑膠袋,這些都是抗靜電包裝袋,它們正確的材料名稱是「靜電消散材料」Static Dissipative Material。這些袋子是在普通的泡泡袋上面,塗上一層抗靜電漆,所以如果用久了表面出現掉漆的現象,抗靜電的效果就會打折扣。下圖看到的粉紅色只是為了識別用,顏色並非來自抗靜電漆。

經過實驗,這種普通的抗靜電包裝袋確實能讓鋁箔合起來,雖然比前面幾種材料要慢一些,但不會慢超過 1 秒鐘,所以它還是有排除靜電效果的。

普通的抗靜電包裝袋(圖片來源:實作派提供)

紙張也能抗靜電

阿信助教以往在國外活動的時候最怕搭車,因為氣候乾燥時開車門很容易被電到,每次開車門都戒慎恐懼,後來發現紙張有抗靜電的效果,各位也可以試看看,它讓鋁箔合起來,大概也是一秒鐘以內的事情。

只要電荷平衡時不要讓電荷衝太快,手指就不會感到刺痛,所以抗靜電材料才會需要利用很大的電阻來對抗靜電高壓。

紙張也能抗靜電(圖片來源:實作派提供)

木頭也抗靜電

之前看到網路文章說木頭可以抗靜電,開車門不用怕被電,也不知道真假,所以就拿鉛筆來試看看,因為它外面是木頭做的,經過測試木頭真的可以讓鋁箔合起來,表示它有抗靜電效果。

木頭也能抗靜電(圖片來源:實作派提供)

陶瓷不會累積靜電

基本上我想得到的材料應該都試得差不多了,剛好看到手邊有以前捏陶土的成品,順手也拿來試看看,發現鋁箔合起來的速度非常慢,大約十幾秒才合起來。

這種電荷消散速度很慢的材料,我們會給它另一種名稱,叫做「抗靜電材料」Anti-Static Material,你是不是覺得這哪招?名字怎麼都很像,對!就是這麼像。

這種材料通常用於電子成品的存放,例如工廠的倉庫,它的目的在於讓靜電無法累積,所以不講求一秒消散,而以長期的眼光來看待,因此才有所謂的抗靜電箱、桌墊、地墊、管材等等材料。

陶瓷不會累積靜電(圖片來源:實作派提供)

表面電阻率測量

我先說這是個失敗實驗的經驗分享。

我確實很想測量 Anti-Static Material 的表面電阻率,但是動輒幾十 Mega 歐姆的電阻,需要很高的電壓才能產生些微的電流,於是我只能拿家裡的最高電壓 110 V 來實驗,下圖就是我想做的實驗環境,由於阻抗實在太高,我盡量把 L 縮短,另外我在上方蓋了抗靜電材料作為電阻並聯,想試試看這樣是不是能通過多一點電流,好讓電表 sense 到,將來計算時再把電阻乘以 2 就行。

(圖片來源:實作派提供)

我拿工業包裝用的抗靜電泡棉來試,它通常是粉紅色,如前面所說粉紅色只是辨識用,真正的抗靜電效果來自於表面的塗層,我用泡棉夾了兩個金屬絞鍊當做電極,間距大約 3.69 mm,再靠近的話我怕不小心短路,就先使用這個距離了。

(圖片來源:實作派提供)

把電表打到交流電流檔位,插上 110 V 交流電後,我看到電表上出現 1.2 uA,心想這真是太好了,真的有讀值出現!馬上就可以著手計算表面電阻了。

(圖片來源:實作派提供)

但身為工程師有專業的直覺,由於這個電表的最小測量範圍是 400 uA,誤差 0.1 uA,這個讀值幾乎是貼在此電表的下限,我總覺得要有對照組才是,因為我懷疑這 1.2 uA 可能是雜訊,於是我把電表探棒移開,讓它兩端都 Open,照理說應該是要 0 A,結果發現讀值依舊是 1.2 uA,這下我確定這個讀值來自空間中的電磁感應,也就是說探棒的長度形成了天線,感應到屋子內的 60 Hz 電源訊號。這部分的理解請看【實作實驗室】手摸示波器探棒為何有弦波? ,原理是一樣的。

所以用家裡的 110 V 其實很難測量抗靜電材料的表面電阻,需要使用高阻計才能測量;高阻計提供上千伏的電壓讓材料產生電流,還有隔離箱環境能避免雜訊干擾,特別的參數還是得交給專業的儀器測量!

(本文經同意轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:賴佩萱)

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