多种改变离子风机的负载技术将会影响绝缘材料上静电控制

在高科技产品生产厂，控制静电是提高生产效率，改善品质，增加利润的基础。在半导体、硬盘和平面显示（FPDs）的生产中，静电控制是基本的生产条件之一。如果不能控制静电就意味着，产品要因静电引力导致粒子污染（ESA问题）和静电放电（ESD问题）而受到损失。

美国静电协会（ESD Association）和国际半导体设备和材料协会（Semiconductor Equipment and Materials International）等组织的静电控制体系可以帮助企业解决静电问题。这些体系主要的技术方法是，使用静电导电材料和静电耗散材料（包括人体）直接接入大地以消散静电。

不幸的是，产品本身和工作环境都不可避免地会使用绝缘材料。当绝缘材料就是产品本身的组成部分时，你无法将其替换，如高科技产品制造中会使用含有氧化层的硅片、半导体器件封装的环氧树脂、器件引脚上的绝缘材料、环氧树脂印刷线路板，FPDs行业中的玻璃片等等。此外，适应特殊环境，如耐高温、耐腐蚀以及洁净室兼容使用的材料：特氟隆、石英以及许多塑料材料都是绝缘材料。接地不能消除绝缘材料上的静电荷，因此，多数情况下，唯一的办法就是使用空气离子化进行静电中和处理。

尽管多数的静电控制体系中都推荐使用空气离子化，但它们却很少在文件当中说明空气离子化的使用方法以及在生产中使用离子化设备产生的影响。对于许多行业来讲，使用空气离子化控制静电非常重要，希望通过本文能为空气离子化的用户提供一些被忽略的信息。

空气离子化的划分

“离子（Ion）”一词来源于希腊语，原为动词，是动作的意思，有旅行者的含义。作为术语使用最早是用于描述对各种溶液通电后反应——离解并向与自己相反的电极移动的分子称为离子。瑞典学者S. A. Arrhenius的理论认为移动的离子（ion）是带电荷的原子，这一理论在电子被发现后得以证实。

离子可以定义为失去电子或获得电子的原子或分子。电子是电荷转移的唯一载体。当一个原子或分子具有相同数量的电子和质子时，它的电荷是平衡的，或者说是中性的。如果失去一个电子，则该原子或分子带上正电荷，成为正离子，得到电子则成为负离子。

但是空气离子或带电荷的空气分子却不是这种情况。空气是一种混合气体，由氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气以及其他一些微量气体组成，其中一种或几种都可以离子化。某些时候，双原子结构的气体分子，如氮气（N2）和氧气（O2）可以获得或失去电子，但另一些时候，化合气体如二氧化碳（CO2）也能够如此。无论何种情况，当空气中一种或一种以上的气体分子获得或失去电子的时候，我们称之为空气离子化。与溶液离子不同的是空气离子化需要一定的能量才可形成。

通常情况下，未经过滤的空气，所形成的空气离子是以气体分子簇形式存在的，10个中性气体分子包裹在一个带电的分子周围。带电分子可能是氧分子、水分子或氮分子，在这里我们称之为小空气离子。小空气离子会做相对运动，在遭遇相反电荷的离子或接地表面后，它们会失去电荷，又恢复为中性分子。在洁净空气中，小空气离子的寿命在几秒钟到几分钟之间。

在适当的条件下，这些离子会吸附在空气中的微粒或大的分子团上，从而形成大的空气离子。小空气离子和大空气离子的相对比例取决于空气的洁净程度。空气中数量具多的悬浮微粒会消耗小空气离子。

然而，我们在静电控制中所谈的绝缘材料上的静电荷中和主要靠的是小空气离子。

空气电导和电荷中和

如果一个离子暴露在电场中，它会因场强大小和电场方向而移动。电场中移动的离子能够形成电流。而电流密度取决于空气的离子数和相对于电场源移动的速度。电流密度对于该电场来说称为为空气的电导。此电导会因极性正负而变化。

一个带电体周围会产生电场，不同点的电场强度不同，电场驱使电荷平衡。如果一个带电体周围被正负两种空气离子包围，相反极性的离子会向该带电体移动，并产生电流。这种中和的电流会让带电体上电荷和周围空气的电导平衡。简言之就是带电体吸引相反电荷的空气离子。

电场强度为E的一个离子将以v的速率移动，它们之间的关系是

v = kE, (1)

其中k是离子和迁移率。

小空气离子的迁移率在1.0–2.0 cm2/V•s。单位的含义是小空气离子在1 V/cm 电场强度下以1 cm/s的速率移动。实验表明，负离子的迁移率比正离子的迁移率要高大约15%。

如果空气中有n个正离子，迁移率为k，电荷量e，在电场强度为E电场下，向带电体移动所产生的电流密度j的计算为

j = enkE = λE (2)

式中λ等于enk,称作空气的正电荷电导，更准确地讲，它是指由于正离子所产生的极性电导。

在电场中，负离子会向电场相反的方向移动。通过公式2也可以计算负离子在带有e电荷数移动时的电流密度。

如果一个带有q电量正电荷或负电荷的物体，周围一定会形成电场。该物体周围如果被同时含有正负两种离子的空气所包围，极性相反的空气离子会流向该物体，相同极性的离子会远离该物体。在空间中不同点的电场不同，但最终的电荷均衡为q。电荷的移动即为电流，相反极性的离子流动所产生的电流通向带电体q，这种中和电流能够让带电体的电荷与周围空气的极性相反的电导达到平衡。

如果空气电导不发生变化，则离子中和的速度也是恒定的，电荷衰减时间常数系数τ积与电导的关系是指数关系。换句话讲，初始电荷为q0，衰减后电荷q计算如下：

q = q0–t/τ, (3)

式中时间常数τ等于空气的介电常数ε除以空气电导（率）λ：

t = ε0/λ; (4)

将此带入公式3，则有

q = q0–t(enk/ε0), (5)

将电荷中和至均衡的速度取决于离子浓度。

实际上，保持空气的电导恒定是困难的。许多因素会影响电荷衰减速度，这包括空气悬浮微粒密度、带电体周围离子的损耗率、空气电离的多相性、不规则带电体或多带电体产生的非均衡电场等等。目前还难以做到消除简单模型的误差，精确计算衰减时间，因此实际测量离子发生器的中和特性显得尤为重要。