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

美國靜電協會（ESD Association）和國際半導體設備和材料協會（Semiconductor Equipment and Materials International）等組織的靜電控制體系可以幫助企業解決靜電問題。這些體系主要的技術方法是，使用靜電導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，產品本身和工作環境都不可避免地會使用絕緣材料。當絕緣材料就是產品本身的組成部分時，你無法將其替換，如高科技產品制造中會使用含有氧化層的硅片、半導體器件封裝的環氧樹脂、器件引腳上的絕緣材料、環氧樹脂印刷線路板，FPDs行業中的玻璃片等等。此外，適應特殊環境，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中說明空氣離子化的使用方法以及在生產中使用離子化設備產生的影響。對于許多行業來講，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。作為術語使用濟早是用于描述對各種溶液通電后反應——離解并向與自己相反的電極移動的分子稱為離子。瑞典學者S. A. Arrhenius的理論認為移動的離子（ion）是帶電荷的原子，這一理論在電子被發現后得以證實。

離子可以定義為失去電子或獲得電子的原子或分子。電子是電荷轉移的**載體。當一個原子或分子具有相同數量的電子和質子時，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，雙原子結構的氣體分子，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。

在適當的條件下，這些離子會吸附在空氣中的微粒或大的分子團上，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。空氣中數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。此電導會因極性正負而變化。

一個帶電體周圍會產生電場，不同點的電場強度不同，電場驅使電荷平衡。如果一個帶電體周圍被正負兩種空氣離子包圍，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，更準確地講，它是指由于正離子所產生的極性電導。

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

如果一個帶有q電量正電荷或負電荷的物體，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達到平衡。

如果空氣電導不發生變化，則離子中和的速度也是恒定的，電荷衰減時間常數系數τ積與電導的關系是指數關系。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τ等于空氣的介電常數ε除以空氣電導（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、不規則帶電體或多帶電體產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，通常正離子與負離子的數量為1.2：1。在清潔的室外空氣當中，每立方厘米包含有2000~3000個離子。在一個自然通風的建筑里，這個數量會降至500/cm3，在管道通風（空調通風）的建筑里，這個數值很少超過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生空氣離子。其中水滴摩擦產生的主要是負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。一旦相遇就會發生電荷轉移，兩個離子變成兩個中性分子。電荷轉移在離子接觸到接地表面時也同樣會發生，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控器進行調試



通過雙極性空氣離子中和表面靜電


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

空氣電離

人工產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這一點：α射線以及電暈電離。

α射線電離。α射線離子發生器使用Po210作為放射源，它直接產生α粒子。α粒子實質是一個氦原子核，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，形成負離子（見圖2）。



圖2 α射線離子形成：Po210產生α粒子撞擊氣體分子游離出電子



α射線離子發生器產生的正、負離子數量是總平衡的——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用。正、負離子的數量相等意味著離子發生器的平衡度為0V，可以將工作區任何物體上的靜電消除到0V。

α射線離子消除靜電商業化應用主要包括爆炸燃燒危險環境和需要**平衡度的環境。但其處理成本相對昂貴，因為每143天，α射線離子發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射線離子發生器已經可靠使用了25年，但它們仍然是政府管控的產品，而且任何放射性物體都會引起人們的恐慌，因而α射線的離子化產品沒有像電暈電離的離子化產品一樣得到廣泛應用。

電暈電離。電暈離子發生器使用高電壓**產生強電場，使電子遷移。由于固體或空氣中存在放射性物質，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，負電場從電離**推離自由電子，碰撞氣體分子后產生更多的自由電子，后者會被電離**附近的中性分子捕獲，產生負離子。負離子也會負電場的作用下遠離電離**。

電暈電離通常不能提供α射線離子發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離子的數量大致相當，而不能區分離子不同的活性和每一個電極所產生離子的速度。一些離子發生器，包括帶有監測和反饋能力的離子化設備，可以給工作區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生器會讓孤立導體感應帶電，讓使用者事與愿違。

離子化標準。離子發生器的離子平衡度，或者說是偏執電壓，可以使用充電板監測儀（CPM）測量，這在靜電協會（ESDA）關于空氣離子化的標準中進行了定義。ANSI ESD STM3.1是**得到世界范圍認可的離子化的標準，也為許多國際靜電控制標準所推薦。作為標準的測試方法，它只對不同的系統或同一系統的整個過程，定義了測試儀器和測試方法，而沒有指定技術要求，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，放電時間應當予以確定。

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

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

電暈電離離子發生器

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

交流離子化。交流離子化技術的原理是，將交流高壓加在彼此接近的離子發射極上，發射極會以50或 60 Hz的交流頻率交替產生正負離子。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，離子風機和離子風槍也會使用交流電離。在電子產品生產廠，交流離子發生器是器件組裝中濟常用的離子化設備。因為它們的電源線具有不平衡噪信特性，交流離子發生器很少用于有**平衡要求（±15 V以內）的場合。此外，由于高的離子流必然引起高的離子重組，交流離子發生器會導致的粒子水平高，因此它們不適合在潔凈室使用。

穩定直流離子化。標準的直流離子化技術原理是，將正負高壓加在離子發射極上直接產生正負離子，它產生離子的效率比交流要高。由于可以使用低工作電壓，穩定直流的離子發射器在潔凈室中廣泛應用。由于正負高壓電源可以分離使用，使得監測和反饋控制裝置可以在穩定直流離子發生器中使用，平衡度可以控制在5V以下。穩定直流離子發生器可以被用在氣流要求嚴格的室內和高速的網狀結構上。此外，這一技術也可用于離子風機、粒子吧、風槍上。廣泛應用在房間系統、工作表面、氣流罩以及設備上。

脈沖直流式離子化。原理是，通過脈沖系統將正負直流高壓交替加在離子發射極上產生正負離子，并到達工作區時混合。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，允許離子發生器放置在5米以上的天花板上。

脈沖直流式離子發生器用于低氣流的室內，主要在潔凈室和層流罩的應用。這種離子發生器的優點是，它具有靈活多變的特性，周期可以調節，可適應特殊的氣流環境。由于輸出離子的極性隨著周期而改變，脈沖直流離子發生器會產生振蕩電壓，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

無論它是發生了什么樣的變化，人們對呼吸的空氣一定會非常關心。從18世紀開始，就有科學家開始關注這個問題，現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，發現和結論包括殺滅微生物，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生離子影響人體活動的研究開始的。干熱風的吹動會引起空氣正負離子平衡度改變，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，不少小空氣離子對人體影響的結論已經得到承認。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，但對于那些有所反應的人來說，減少空氣中的離子數量或減小正負離子的比例，要比增加它們感覺要好，

只有一些人類科技活動會導致空氣中的離子數量增加，多數活動會消耗空氣離子。工業氣體污染，離散電場，管道通風都在不同程度是影響環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。離子發生器曾經被用于解決這些問題，但這并不是說，使用它們恢復和增加自然空氣中的離子數量只是對身體有好處。研究表明，作為確定的目的，在離子化的環境里工人的表現有所改善，實質上這于消耗離子的工作區有關。由于離子會影響人的行為和情緒，我們一般寧可多一些負離子的環境。

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離子對人體有害。

結論

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生器，產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、辦公室以及家用的空氣除塵。在工業污染控制設計中，這種空氣凈化技術以及所有空氣離子化技術都會有利于員工的呼吸，將逐步被認識接受。

空氣離子化在高科技產品制造中已經得到了重視，但是，世界對于同時兼顧工業過程和生物系統的離子化應用研究還在進行當中。離子化在納米技術、生物工程、以及其他生命科學等領域新應用的研究已經有了發展。