Detektering av elektrostatiska laddningar i en produktionsmiljö

Transkript

1 Licentiatavhandling Detekteing av elektotatika laddninga i en poduktionmiljö Bigitta Andeon Studie fom the Depatment of Technology at Öebo Univeity 23, Öebo 2007

2 Bigitta Andeon 2007 Intitutionen fö teknik, EPE Title: Detekteing av elektotatika laddninga i en poduktionmiljö ISSN:

3 Sammanfattning Det ä ett känt faktum att elektonika komponente ä känliga fö elektika övepänninga (EOS). En to del av dea övepänninga uppkomme om följd av elektotatika uladdninga i inomhumiljön k ESD. Poblemet ä peciellt uttalat inom omåden fö elektonikpoduktion och undehåll, dä ett tot antal me elle minde okyddade komponente och delytem hantea. Ett ätt att fööka komma tillätta med poblemen ä att inätta ESD-kyddade omåden (EPA). Inom en EPA vidta man åtgäde fö att kydda känliga komponente och delytem å att de inte komme att utätta fö okontolleade laddninga om ge pänningnivåe öve 100 V. Med dagen nabba och högt integeade halvledakomponente tendea dock känligheten fö ESD-kado att öka. Läge nivå än 100 V fö en EPA kulle däfö vaa me adekvat. Att kontuea ett ådant omåde ä inte helt enkelt och att detektea och mäta elektotatik potential på å låga nivåe ä vekligen en utmaning. Med detta om bakgund ha denna tudie gjot. Hä peentea en anat till metod fö detekteing och övevakning av oönkad laddninguppbyggnad inom ett begänat omåde, exempelvi en EPA. Metoden ge, unde givna betingele, en möjlighet att katta avtåndet till ett laddat objekt likom potentialen, på ditan fån objektet. Studien kan innehållmäigt äga betå av två dela. Den föta delen omfatta kapitel 1-3. I kapitel 1-2 ge en öveiktlig bekivning av poblemomådet och yftet med abetet peentea. En kot genomgång av befintliga teknike fö laddningindikeing gö i kapitel 3. Den anda delen utgö av kapitel 4-7. Kapitel 4 innehålle en teoetik modell av mätituationen, medan en empiik modell fö mätföfaandet ge i kapitel 5. Fö att imulea och veifiea de bakomliggande idéena ha någa inledande föök gjot, vilka edovia i kapitel 6. I det avlutande kapitlet dikutea någa viktiga lutate dä vi kan kontatea att metoden i och fö ig veka löfteik, men att flea poblem åtetå att löa innan den helt kan utvädea och använda.

4

5 Abtact It i well known that electonic component ae enitive to damage caued by electical ovete, EOS. A geat pat of thee damage ae caued by Electotatic Dichage (ESD) in the indoo envionment. The poblem i epecially ponounced in electonic poduction and maintenance envionment, whee a lage numbe of bae component and ubaemblie ae handled. One way to adde thi poblem i to etablih ESD Potected Aea (EPA). In uch aea, meaue ae taken to aue that component and equipment will not be expoed to voltage exceeding 100 V, caued by undeied electical chage. The highly integated and fat emiconducto device of today become moe and moe enitive to damage caued by ESD, hence a lowe voltage level than 100 V fo an EPA would be moe adequate. Deigning uch an aea i not a tivial tak and to detect and meaue low electotatic voltage i alo a challenge. In thee cicumtance thi tudy ha to be een. Hee, a fit attempt to a poible method of monitoing a limited aea, uch a an EPA, fo the peence of hazadou and unwanted chage i peented. Unde given condition, the method ha the potential of being able to emotely etimate the ditance to a chaged object and the voltage of thi object. The tudy conit of two pat, whee chapte 1-3 make the fit pat, and chapte 4-7 the econd. In chapte 1-2, a bief deciption of the topic i given a well a the aim of the wok. A hot un-though of common technique fo chage detection i given in chapte 3. Chapte 4-7 make the econd pat. A theoetical model of the meauement ituation i given in chapte 4 and in chapte 5 an empiical model of the actual meauing pocedue i peented. Some initial expeiment have been conducted, imulating and veifying the undelying idea and the eult ae peented in chapte 6. The lat chapte peent ome concluding emak, whee it i uggeted that the method ha the potential of being ueful, but yet thee ae eveal poblem left to be olved befoe it can be exploed and ued to it full extent.

6

7 Föod Även om elektotatiken gunde ha vait kända edan länge ha fokningen inom omådet inte vait pioitead, vae ig inom akademin elle på föetagen, utan den ha föt en tynande tillvao både i Sveige och utomland. Mycket ä ännu outfokad mak. I våt land kan vi tacka högpänning- och åkfokningen, famfö allt i Uppala, fö att viktiga bakunkape inte gått föloade och att nya ön famkommit om ytteligae kan bida till att födjupa vå fötåele. Även på Sveige Teknika Fokningintitut, SP, bediv idag vädefull fokning inom elektotatik. Unde de te enate decenniena ha dock vekligheten mycket påtagligt tvingat fam en fokueing på dea fågo. Anledningen ä att elektonikanvändningen ökat och att utvecklingen gått mot me integeade, nabbae och allt minde komponente. Detta ha ökat känligheten fö elektotatika uladdninga, k ESD. En bidagande oak ä ockå vå modena inomhumiljö. En töe användning av plate och annat kontmateial i golv, kläde och ututning, i kombination med to luft, bida till elektotatik uppladdning och dämed öka ockå iken fö uladdninga. Inom elektonikindutin, likom inom dela av den kemika indutin dä en gnitantändning föoakad av en elektotatik uladdning kan få ett allvaligt fölopp, ha medvetenheten om ikena ökat och åd om föebyggande åtgäde eftefåga. Att kunna mäta uppladdning och övevaka pocee ä en viktig del i det föebyggande abetet dä en hel del ännu åtetå att göa. Ett fletal etableade metode finn utvecklade men mätninga inom detta omåde ä föknippade med många våighete. Detta abete ä ett föök att undeöka huuvida laddning låte ig detektea på töe avtånd än bukligt med befintlig teknik, amt om det ä möjligt att äga något om laddningen tolek amt avtåndet till denna. Att jag ha fått möjlighet att ägna mig åt detta ämne beo helt och hållet på tillmötegående fån min handledae, pofeo Dag Stanneby, om iniktfullt vågat tödja detta fotfaande något ovanliga fokningomåde. Ett tot tack ockå till eldjälen Ande Molande om i kaft av mångåig efaenhet och kunkap om ESD och felanaly inpieat mig till att ge mig i kat med uppgiften. Tack ockå till Sylvia och Günte Lüttgen, Odenthal, Tykland, fö tot peonligt engagemang, uppmuntan och ekonomika bidag till dela av detta och tidigae pojekt, genom fokningtiftelen ELSTATIK-Stiftung. Slutligen vill jag tacka min familj fö att ni tå ut med mig i med- och motgång och helhjätat tötta och uppmunta mig. Kalkoga i ma 2007 Bigitta

8

9 Innehåll Kapitel 1 Intoduktion Bakgund Idealmetod... 4 Kapitel 2 Syfte... 5 Kapitel 3 Befintliga teknike Laddning och laddningfödelning Ytladdning Volymladdning Uladdningtype Koonauladdning Gnituladdning Botuladdning Popageande botuladdning Laddningmätning Faaday cup NanoCoulomb-mete Mätning av elektotatik fälttyka Fältmätae med induktionpob Apetue och påvekan på fältet Fältkvan Fältmätae med vibeande pob Fältmätae med adioaktiv eno Detektoe byggda i MEMS-teknik Potentialmätning Elektomete Elektotatika pänningföljae Regleing av uladdningtöm Elekto-optika metode Mätning av uladdningtöm Elektomagnetik detekteing av uladdning Anda type av ESD-Detektoe Kommenta... 31

10 Kapitel 4 Anat Teoetik modell Mätpoceen Kapitel 5 Metod Empiik modell Kalibeing Felanaly Skattningfel beoende på Tayloappoximationen Skattningfel beoende på kuvanpaningfunktionen Skattningfel beoende på mätfel Sammanfattning Kapitel 6 Mätninga och eultat Sytemkomponente Kalibeingpoceen Reultat Avtåndkattningen Potentialkattningen Analy och kommenta Kapitel 7 Slutat och dikuion Fotatt abete Refeene Bilaga 1 Typika mätdata

11 Kapitel 1 Intoduktion På vinten få vi ofta en kaftig töt då vi öppna bildöen, vide på vattenkanen, kye maken elle klappa katten. Oaken ä en elektotatik uladdning av k tatik elekticitet, ESD, (Electotatic Dichage). Nä kläde av kontfibemateial meta ig fat på koppen elle då platak fäte ihop och ä omöjliga att äa åt, ä elektotatika kafte involveade. Alla töt ä poblemen vid låg luftfuktighet. Fenomenet om ådant ha äkeligen vait känt mycket långt tillbaka i den mänkliga hitoien, även om föklaingen ä av enae datum. Den föta kända nedkivna edogöelen hätamma fån geken Thale fån Mileto om levde på 600-talet f K. Han kive: Då man gned ett föemål av bänten med ett tycke tyg, kunde detta föemål edan da till ig lätta objekt om fjäda, håtån etc. Det gekika odet fö bänten ä elekton och däifån ha vi fått od om elekticitet bl a. På gund av tiboelektik uppladdning, tidigae kallad gnidningelekticitet, kunde bänten få den hä egenkapen [1]. I anda ammanhang kan en elektotatik uladdning inte baa vaa obehaglig, utan ockå utgöa ett beväligt poblem då den både kan töa elektonik ututning, föända elle helt fötöa den [2-10]. I denna famtällning komme inte följde och kadevekninga på elektik och elektonik appaatu oakad av taniente och övepänninga vid åkuladdninga att beöa all, även om det fenomenet i alla högta gad ä av elektotatik häkomt. En elektotatik uladdning ge upphov till ett elektomagnetikt fält, en töpul (EMI) om kan oaka töninga till och med då den ke på betydligt avtånd fån ututningen [11-12]. Följdena pänne öve hela kalan, fån må fötetlighete till betydligt allvaligae ake. Dabba töningen indutiell poceututning få man äkna med omtate och föeninga med ökade kotnade om följd. Stöninga på avancead medicink övevakningututning innebä i väta fall att liv äventya. Elektika övepänninga, (electical ovete, EOS), vaav ESD kan äga vaa en undegupp, ä fömodligen den fämta oaken till kado på integeade keta. Skado oakade av övepänninga och ESD upptå om följd av att vämeutvecklingen lokalt kan bli mycket hög, vilket exempelvi kan 1

12 2 Kapitel 1 leda till att metalledae mälte, ofta med avbott om följd. En elektotatik uladdning ikea att helt elle delvi fötöa elektonika komponente [13-17]. ESD-kado beäkna tå fö en mycket to andel av alla fel på tillvekade podukte. Uppkattningvi ö det ig om cika hälften av alla kontateade elektika fel unde ketkottillvekning om häö fån övepänninga och ESD [18]. En to andel av dea fel utgö av degadeinga av komponenten och via ig eventuellt inte föän efte levean och efte en tid användning, vilket kan leda till både eklamatione och mekotnade fö felökning. Ofta ä felen intemittenta, vilket ytteligae bida till att de kan undgå upptäckt vid tet, men följden ä att podukten tillfölitlighet och livlängd minka. Kontuktionen av kyddketa ä en viktig del i komponenttillvekningen [19-20], men ofta ä det en ojämn kamp om fö om utymme, kotnad och nabbhet om ikea att eultea i ofulltändiga kydd. ESD ha följaktligen kommit att få allt töe uppmäkamhet inom data- och elektonikindutin på enae å, på gund av de poblem om elektotatika uladdninga kan föa med ig i vå datoieade och elektonikbeoende väld [21-24]. Allvaliga ike ä natuligtvi ockå föknippade med upp- och uladdninga inom kemik induti och i bandfaliga och exploiva miljöe, dä en gnita elle botuladdning kan få föödande konekvene [25-29]. Man kan ukilja te huvudoake till elektotatik uppladdning [30]: tiboelektik uppladdning induktionuppladdning 1 diekt laddningöveföing Tiboelektik uppladdning föekomme i många olika vadagituatione utan att vi diekt tänke på det. Någa exempel ha edan nämnt. Anda ituatione hämtade fån abetlivet ä till exempel att en opeatö ladda upp då hon/han gå öve ett vinylgolv, en jukhuäng bli uppladdad då den ulla genom koidoen, möntekot ladda upp nä platemballaget avlägna, elektonika komponente ladda upp då de kaka unt i ina föpackninga, löninga då de inne i ledninga, ganulat och pulve vid atning etc. Litan kan göa lång. Vanliga exempel på induktionuppladdning ä t ex nä kuvmejeln ligge näa en tanpotbox av plat, dv den befinne ig i ett tatikt elektikt fält, fö att edan använda i diekt kontakt med ledande dela på ett ketkot, elle nä en metalldunk hämta av en antälld efte att ha tått elektikt iolead näa en uppladdad platcontaine. Diekt laddningöveföing genom avled- 1 Inom elektotatiken använde tidigae odet influen, numea använd induktion, vilket ej ka föväxla med induktion i elektomagnetika ammanhang.

13 Intoduktion 3 ning ke endat mellan konduktiva objekt, och hit hö männikan, med en eitan på ca 1500 Ω. Dea exempel via att man kulle kunna ha nytta av, att i ett tidigt kede kunna avgöa om uppladdning ke elle ha kett. Det ä natuligtvi av to vikt att kunna identifiea vilka pocee om oaka uppladdning fö att man effektivt ka kunna vidta adekvata föebyggande åtgäde. Möjligheten att kontinueligt kunna övevaka en hel lokal, en pecifik abettation elle ett kitikt abetmoment kulle vaa vädefull exempelvi vid tillvekning av elektonik, inom kemik induti, läkemedeltillvekning och exploivämneinduti. 1.1 Bakgund Genom ett me ytematikt tudium av elektotatiken fån 1600-talet och fam till böjan av 1800-talet, då Aleando Volta lade gunden fö elektodynamiken, kunde många gundläggande begepp om elektik laddning, iolato, ledae, kapacitan och pänning fomulea. Coulomb lag fån lutet av 1700-talet bekive kaftvekan mellan elektika laddninga i vila och va gundläggande fö Geoge Geen och Kal Fiedich Gau potentialteoie, vilka fomuleade 1840 och kompletteade 1935 av Otto Fotman [31]. Att mäta tatik elekticitet innebä att man måte betämma gundläggande elektika tohete om töm, pänning, eitan och kapacitan, vilket kan tycka ätt tivialt. I paktiken kilje ig dock elektotatika mätninga en hel del fån taditionella elektika mätmetode. Vi kan nöja o med ett exempel: Spänning betakta vi om en väl definiead tohet. En pänningkälla med en känd ingångeitan kan leveea en kontollead och föutägba töm. Spänningen betakta då om en obeoende tohet, medan tömmen ä en paamete om beo av pänningen. Men i elektotatiken ä det laddning om ä den obeoende paameten, medan pänningen ä beoende både av laddningen tolek och den kapacitan om fö tillfället kan tillkiva det aktuella ytemet. En pänning- elle potentialmätning med en vanlig kontakteande voltmete käve att töm paea genom intumentet. Fö att kunna mäta pänningen på ett elektotatikt laddat objekt måte ingångeitanen ho intumentet vaa mycket hög (>10 14 Ω), anna komme uladdningtömmen att utjämna den uppkomna pänningen, med anda od komme laddningen att föbuka i mätögonblicket och föutättningana om man ä inteead av att mäta, ha föändat adikalt. I ett ådant fall bygge mätföfaandet ofta på mätning av elektotatik fälttyka elle den ymdpotential om laddningen ekundät ge upphov till och fö att eultatet ka bli å väl öveentämmande om möjligt

14 4 Kapitel 1 med vekligheten, käv god kännedom om unde vilka föutättninga ådana mätninga kan göa. Genom kontinuelig övevakning av ett abetmoment elle en lokal kulle man kunna minka följdena av de poblem om dikuteade inledningvi. Detta föutätte tillgång till mätintument om på avtånd och med någolunda peciion kan mäta laddningen (dv potential elle fälttyka) i ymden ut fån föemålet. Det bö ockå vaa iktningkänligt. Idag finn veteligt ingen ådan mätappaatu tillgänglig, utan ikbedömninga måte gunda ig på inpektione, ofta tillfälliga, av inhyda expete elle peonal med god kännedom om mätninga och bedömninga av elektotatika poblem. Bedömningana gunda på kunkap om vilka mateial och föemål om ä uppladdningbaa och däfö bö undvika, vilka abetmoment om ä kitika och däfö käve exta öveyn, hu man kapa uppladdningfia zone, k EPA (electotatic dichage potected aea), vilka kydd- och kontollmetode om ä elevanta fö det abete om ka utföa, hu man kontollea funktionen av ESD-kyddpodukte etc. Mätninga och kontolle om gö ute i poduktionen ke oftat manuellt och på näa håll, med hjälp av en handhållen fältindikato ( 16 ff) elle en fältkvan ( 20 ff). Det käv åväl tillgång till mätintument om peonal med kunkap och tid att använda dem, amt kännedom om va och nä poblem annolikt komme att upptäda. En nackdel med de metode om använd i dea ammanhang, ä att man endat kan få en uppfattning om det uttålade fältet elle ymdpotentialen tolek på den plat dä enon ä placead. Man kan inte enkelt få någon uppfattning om t ex potentialen på laddningkällan, vilket voe önkvät. Mätningen i ig ge helle ingen kunkap om va laddningkällan ä lokaliead. Dea våighete ha fungeat om utgångpunkt fö mitt abete. 1.2 Idealmetod Det voe önkvät att finna en metod om lämpa ig fö kontinuelig övevakning och om kunde fungea i olika miljöe. Fö att kontollea ett töe omåde, kulle man kunna tänka ig ett ytem av enoe ittande i taket. Om laddning hålle på att bygga upp kulle ytemet diekt kunna peka ut platen fö detta, amt egitea uppladdningnivån. De uppmätta vädena (potential elle fälttyka) kulle kunna logga och öveföa tådlöt till en övevakningcental, inte nödvändigtvi i amma lokal. Man kulle ockå kunna ätta en lamnivå fö att edan få en vaningignal då den kitika nivån näma ig. Koigeande åtgäde kulle då kunna ätta in omedelbat utan att onödiga difttopp behövde ke, elle allvaliga ikituatione upptå. Loggade data kulle edan kunna amköa med feltatitik fö att öka påbaheten vid felutfall, poduktiontöninga etc.

15 Kapitel 2 Syfte Taditionell mätning av fälttyka elle potential ut fån ett laddat föemål ge ingen kunkap om avtåndet till det laddade föemålet elle de potential. Syftet med detta abete ä att undeöka om det med utgångpunkt fån det väde om uppmätt vid enon jälv, dv på vi ditan fån ett laddat objekt, ockå ä möjligt att katta avtåndet till objektet amt de potential. Det övegipande yftet ä att fööka finna en metod om kulle kunna använda fö att föutäga va laddninga bygg upp öve en kitik nivå, och föebygga de ike det kan medföa fö den aktuella poceen. Den vekliga ituationen ä komplicead. Olika geometie och kapacitane ho föemål inom ett poduktionomåde, likom näliggande jodplan, komme att få en invekan på de uppmätta eultaten, likom icke-homogena laddningfödelninga på föemål av ioleande mateial. Vid föekomt av laddning på fle föemål än ett komme deutom ett eultat att kunna uppmäta om utgö umman av de olika laddningbidagen fån kingliggande uppladdade föemål. Föändinga i placeingen av makine och annan ututning (kapacitanföändinga) komme ockå att avpegla ig i mäteultaten. Vekligheten ä vå att göa någonting åt, men om en föta utgångpunkt ha i denna tudie begänninga gjot i den omgivande miljön fö att fööka enodla föhållandena. Det innebä att endat en ignifikant laddningkälla använt (i fom av en liten fä) och att invekan av öviga kapacitane i möjligate mån minimeat. Föhoppningen ä att eultaten ka kunna utgöa en gund fö fotatta tudie i en me ealitik miljö. 5

16 6 Kapitel 2

17 Kapitel 3 Befintliga teknike Kapitlet om följe behandla mycket öveiktligt någa väl etableade metode fö detekteing elle mätning av laddning och uladdning, men ge ockå pov på någa nyae teknike. Att ett objekt ä laddat innebä att det innehålle ett öve- elle undekott av elektone. Kunde man ummea vaje enkilt laddningbidag kulle man i pincip kunna få ett mått på föemålet totala laddningmängd. Vaje laddat föemål, med total laddningmängd Q, känneteckna av ett tatikt elektikt vektofält E unt föemålet. Genom att inneluta föemålet i en fä av ledande mateial och mäta tykan på det elektotatika fält om tåla ut fån fäen i alla iktninga och addea bidagen fån vaje enkild punkt (integea öve fäen yta S), kulle man kunna få en uppfattning om föemålet totala laddning, enligt Gau at: S Q E ds = (1) ε Ett intument om bygge på denna gundläggande metod fö laddningmätning ä Faaday cup ( 12). Det laddade föemålet placea då i en luten metallcylinde, vaefte pänningen öve en känd kapacitan mät. Altenativt kan uladdningtömmen mäta. Reultatet omvandla och peentea ofta i nanocoulomb, dv laddning. Ofta behöve man känna till laddningfödelningen och eventuella uladdningike itället fö den totala laddningen på objektet. I å fall ä tykan av det elektotatika fältet fån objektet elle yt- elle ymdpotentialen av töe intee att kontollea. I anda fall ä det den enegimängd om kan utveckla i jälva uladdningen om ä elevant att få en uppfattning om. De intument om kot komme att bekiva hä ha guppeat utifån vilken tohet man i föta hand ave att mäta och inte efte vad man faktikt mäte. 7

18 8 Kapitel 3 Detta gö att indelningen om gjot endat ä att betakta om ett fölag bland flea anda möjliga. Innan vi gå in på befintliga mätmetode i ett uval, ka föt något om laddning och laddningfödelning öveiktligt beöa likom en kot bekivning av olika uladdningtype. 3.1 Laddning och laddningfödelning Elektonen laddning, den negativa elementaladdningen elle enhetladdningen, utgö den minta exiteande fia laddningmängden och uppgå till 19 e = 1, Coulomb. En bit på en elekton definiea om en poitiv laddning, följaktligen ä en poitiv och en negativ elementaladdning numeikt lika toa. Ett uppladdat föemål innehålle ett mycket tot öve- elle undekott av elementaladdninga, ofta i tolekodningen flea hunda miljone. Om ett uppladdat föemål ä litet i föhållande till betakteleavtåndet kan det appoximea med en punktladdning. Den maximala laddningmängd om en punktladdning kan uppnå, betäm av genombottfälttykan, E b, fö det omgivande mediet. Fö fäika föemål med adien och laddningmängden Q kan fälttykan vid föemålet yta beäkna utifån: E = Q 2 4πε ε (2) 0 dä ε ä dielekticitetkontanten ho det omgivande mediet och ε 0 ä dielekticitetkontanten fö vakuum (luft) i [F/m]. Genom att ätta E = Eb få ett uttyck fö den maximala laddningmängd om kan finna på föemålet: Qmax = 4πε ε 0 (3) 2 E b Liknande eonemang kan även göa fö anda geometie unde föutättning att laddningfödelningen ä homogen och man kan bote fån kanteffekte Ytladdning Fö att kunna kaaktäiea en uppladdad yta elektika egenkape, måte man ta eda på laddningfödelningen på ytan. Betå ytan av ett dielektikt mateial bli detta av äkild vikt, efteom laddningfödelningen ofta vaie-

19 Befintliga teknike 9 a en hel del öve en icke-ledande yta. Mätning av den totala laddningmängden ge då inte tilläcklig infomation, utan anda metode, exempelvi mätninga av fälttyka elle ytpotentialmätninga ä me adekvata. Fö det ändamålet nyttja ofta en fältmätae ( 14 ff) elle en elektotatik pänningföljae ( 25 f) om man placea på ett litet avtånd fån den uppladdade ytan. Yteitivitet och avklingningtid ä ytteligae två paameta av vikt fö att kaaktäiea ett mateial elektotatikt. I denna famtällning komme inte eitan- elle eitivitetmätninga att ta upp, inte helle mätning av avklingningtid. Skälet till det ä att vi valt att fokuea på metode fö laddningdetekteing Volymladdning Ho olida ioleande mateial ä oftat volymladdningen av minde intee, utan det ä naae den totala ytladdningen elle ytladdningdeniteten om kaaktäiea mateialet elektotatika egenkape. (Undantag finn fötå, vaav exempelvi tunnfilmelektete utgö ett.) På gund av laddningbäana oölighet i ett dielektikum kan de våligen pida ig öve hela volymen, å att volymladdningdeniteten kan få någon avgöande betydele utifån det pepektiv vi valt att koncentea o på. Laddningmätning i en volym av pulve, ga elle vätka ka vi inte helle beöa annat än mycket kotfattat. Fö att mätninga av volymladdning ka bli tillfölitliga ä föutättningen att laddningfödelningen i volymen ä homogen, vilket ofta inte ä fallet. 3.2 Uladdningtype Elektika uladdninga ta ig olika uttyck bl a beoende på elektodena geometi och ytona ledningfömåga. Hä bekiv kot fya huvudtype: koonauladdning, gnituladdning, botuladdning och popageande botuladdning Koonauladdning Om ett ledande petigt föemål med en adie minde än ca 1 mm placea näa en uppladdad yta upptå en kaftig fältkoncentation i nämate omgivningen unt föemålet pet, vilket innebä att genombottfälttykan lokalt kan övekida (fig. 3.1). Enegideniteten ä låg vafö inte en de met lättantändliga ångo löpe ik att antända av en koonauladdning.

20 10 Kapitel 3 Figu 3.1 Runt en mycket petig elektod, dä genombottfälttykan övekidit, upptå en koonauladdning Gnituladdning En gnita kan betakta om en ent kapacitiv uladdning mellan två elativt toa elektode, utan peta elle kapa kante, av ledande mateial med olika potential (fig. 3.2), exempelvi mellan en fä (adie >1 cm) och jod. Nä genombottfälttykan övekid komme joniation av luftmolekyle att ke läng en mal kanal mellan ledana. På gund av det magnetfält om bilda unt tömkanalen komme denna att föbli mal, vilket få till följd att vämeutvecklingen i den begänade zonen kan bli mycket hög. I pincip all enegi om finn lagad i de två ledana figö, med to ik fö antändning av t ex ångo, gablandninga, pulve och damm (jf ekv (29)). Figu 3.2 Gnituladdning mellan två fäika elektode.

21 Befintliga teknike Botuladdning En botuladdning ke i ett elativt långt gap dä det elektotatika fältet inte ä homogent, exempelvi mellan en fä med någon millimete adie och en plan yta (fig. 3.3). Uladdningvägana ä fle och oegelbundna. Uladdningen böja i en kanal, men då fälttykan efte hand minka, fotätte uladdningen läng många må kanale. Uladdningana kaaktä kilje ig åt beoende på om de ke fån en negativ elle poitiv elektod. En odinä botuladdning ha läge enegidenitet än en gnituladdning, men höge än en koonauladdning. Den kan antända ångo och gablandninga men nomalt ej damm och pulve [28] Popageande botuladdning Popageande botuladdninga ä, om namnet ange, en vaiant av den vanliga botuladdningen, men dä potentialen på den uppladdade ytan av någon oak undetyckt. Denna uladdningtyp ä mycket vanlig och föekomme exempelvi då vi ha en tunn uppladdad yta om befinne ig näa ett jodplan, elle då en tunn platfilm laddat poitivt på ena idan och negativt på den anda. Laddningdeniteten på den yta om ä nämat elektoden kan då övetiga den maximala innan genombott ke, efteom fältlinjena i huvudak gå genom filmen, dä genombottfälttykan oftat ä höge än den i luft, till ytan av motatt polaitet. Följaktligen kan den lagade enegin hä vaa töe än vid en odinä botuladdning. Då man näma ig ytan med en jodad elektod tata uladdningen på amma ätt om vid en vanlig botuladdning, men Figu 3.3 Botuladdning (vänte) och popageande botuladdning (höge).

22 12 Kapitel 3 den popagea edan läng platytan på betydligt avtånd bot fån elektoden, vilket få till följd att det meta av laddningen på ytan komme att neutaliea. Stoa enegimängde kan däfö figöa vafö antändningiken många gånge ä i nivå med den vid en gnituladdning och tundtal töe. Fö att en popageande botuladdning ka tata käv en minta pänning öve ytan. Vilken denna pänning ä beo på ytan tjocklek. Ä ytan < 10 µm ä det oannolikt att det upptå en popageande botuladdning. 3.3 Laddningmätning De fleta teknike gå ut på att man mäte laddningen indiekt, exempelvi genom mätning av det elektotatika fält om utgå fån det uppladdade föemålet elle genom mätning av den potentialkillnad om laddningen oaka öve en känd kapacitan. En elektomete elle en högohmig voltmete använd fö potentialmätningen. Om ytemet amlade kapacitan beteckna C och voltmeten utlag V, å kan laddningen Q enkelt beäkna om: Q = C V (4) Faaday cup Som vi kontateade inledningvi ä en Faaday cup lämplig fö laddningmätninga på patikla och minde föemål. Mätobjektet placea i en ledande behållae om ka vaa oladdad, iolead fån jod och ha en känd kapacitan. Behållaen omge av ett jodat och kämande hölje, fö att påvekan fån extena laddninga och eventuellt omgivande bu ka föhinda (fig. 3.4). Tekniken fungea lika ba fö laddningmätning på ledande om ioleande mateial, unde föutättning att behållaen ä utfomad å att den fånga upp hela fältet fån laddningen om ka mäta, dv att den ä tilläckligt to. Med anda od, då abolutbeloppet av den induceade laddningen på behållaen ä lika med abolutbeloppet av patiklana ammantagna laddning bli mätningen koekt. Ett mått på nettoladdningen få edan genom att potentialen öve den totala kapacitanen mät, elle genom mätning av den integeade tömmen till jod. En vaiant på amma tema använd vid mätning av laddning i ett patikelflöde. Metoden kalla induced-chage detecto [32]. Patiklana tömma då akt igenom en kämad och bottenlö behållae utan att vidöa de vägga. Ett

23 Befintliga teknike 13 Figu 3.4 Laddninga på minde föemål mät lämpligen med en Faaday cup. ocillokop anlut till bägaen via en åtekopplad kapacitan C 1 och en fötäkae. Vaje gång en laddad patikel paea igenom bägaen, inducea en pänning, v i öve C 1. De enkilda laddningmängdena q i via om pänningpule på ocillokopet (fig. 3.5). Vid mätning av laddning på patikla upptå ofta poblem om beo på att patiklana omge av fia jone. Dea kapa i amma ögonblick om uppladdningen ke och eultea i otillfölitliga mätninga. Olika föök ha gjot att komma till ätta med detta. En åtgäd gå i pincip ut på att föe öppningen av behållaen med ett jodat galle dä jonena fånga upp, medan de jämföelevi tynge patiklana tillåt att paea ne genom behållaen. Laddning på iktigt toa föemål gå inte att mäta med en odinä Faaday cup på gund av behållaen begänade tolek. Man kan då tillgipa metoden att till yne öveföa laddning till ett kapacitivt ytem, ekv. (4), genom att famkalla en koonauladdning (fig. 3.1). Genom att föa en petig elektod allt nämae den uppladdade ytan och anluta elektoden till en voltmete, kan man famkalla en uladdning unde föutättning att genombottfälttykan övekid. Uladdningen eultea i att jone av motatt polaitet mot den laddning man vill mäta neutaliea mätföemålet laddning, medan jonena av den anda polaiteten åtadkomme ett utlag på voltmeten på in väg till jod. Då ytemet kapacitan ä känd kan den uppmätta pänningen edan peentea om ett mått på laddning. Ett ådant föfaande käve del att fält-

24 14 Kapitel 3 Figu 3.5 Laddninga på tömmande patikla kan detektea med hjälp av en induced-chage detecto. tykan övetige genombottfälttykan, del att man med elektoden noggant kanna av den uppladdade ytan [33]. Nä fältet famfö elektodpeten inte länge övekide genombottfälttykan avtanna poceen NanoCoulomb-mete En handhållen laddningmätae (mätomåde nc) ä nyligen kontuead [34]. Den kan använda fö mätning av laddning på ioleade metalldela elle uppladdade platyto vid kontoll och ikbedömning, dä gnituladdninga och popageande botuladdninga utgö antändning- elle exploionik. Intumentet övefö laddning fån ytan genom att medvetet famkalla uladdning. Den öveföda laddningen ladda upp en kondenato. Spänningen öve kondenaton bli diekt popotionell mot den öveföda laddningen. 3.4 Mätning av elektotatik fälttyka Mätninga av elektotatika fält ä ofta föenade med våighete, efteom både mätföfaandet och tolkningen av det uppmätta eultatet kan tälla till poblem. En föutättning fö någolunda koekt mätning ä fötå att inga anda laddade yto elle jodade föemål finn i näheten av mätobjektet. Detta kan vaa nog å våt att uppnå i labmiljö, men än me utmanande ä att göa

25 Befintliga teknike 15 mätninga i en poduktionmiljö. Tot detta ä det vädefullt att tillfölitliga mätninga av fälttykan kan göa vid övevakning och kontoll av olika pocee amt fö ikbedömninga. Fö att fälttykemätningana ka bli meningfulla käv bland annat att fältmätaen ä jodad och att fältbilden ä tabil och inte vaiea unde mätföloppet. Unde ideala föhållanden, dv homogen laddningfödelning, homogent fält och må mätavtånd, bli de uppmätta vädena popotionella mot mätavtåndet, vilket ockå betyde att avtåndet mellan poben och föemålet måte vaa känt fö att tolkningen av eultatet kall bli koekt [35]. Alla mätninga av fälttyka bygge på amma elementäa pincip, nämligen fältet egenkap att oaka elektotatik induktion i en platta av ledande mateial. En eno i fom av en jodad metallplatta med aean A, komme unde invekan av fältet E att få en inducead laddning Q motvaande: Q = ε EA ε 0 (5) Ä det omgivande mediet luft, dv. ε 1, uttyck fälttykan idealt om Q E = (6) A ε 0 Ofta mät fälttykan fö att laddningdeniteten ( Q A ) på uppladdade yto ka kunna beäkna. I paktiken komme fältet att ditodea på gund av fältmätaen nävao. Del komme fältet att koncentea till den jodade enon, del upptå laddningföflyttning i föemål av ledande mateial. Vid mätninga av fälttykan fån en laddad iolato dä laddningana ä bundna, måte avtåndet mellan fältmeten och föemålet vaa litet jämföt med enoaean fö att man kall kunna anta att det uppmätta fältet häö fån en lika to yta av iolaton. Vid mätninga på icke-ledande mateial om platfilm elle liknande, komme laddningana åväl att ge upphov till ett elektikt fält utanfö mateialet om att oaka ett fält inuti mateialet. En fältmätae oavett typ komme att egitea det totala fältet, något man måte vaa medveten om då man fööke kvantifiea fältet tolek. Skulle laddningen på de båda idona vaa av motatt polaitet och deutom lika toa, komme följaktligen det uppmätta fältet att bli noll, tot att ytona kan vaa kaftigt uppladdade. Avgöande fö fältmätaen kaaktäitik ä ockå hu to yta poben e vid mätningen. Den uppladdade ytan tolek ka vaa 3-4 gånge å to om

26 16 Kapitel 3 avtåndet mellan poben och den yta man vill mäta på [36]. Detta medfö att poben bö finna näa det uppladdade föemålet, åvida det inte ä en mycket to yta man vill mäta fältet ifån. Efteom mätintumentet måte vaa jodat, finn en ik fö att peta och vaa kante i näheten av enon komme att oaka en koonauladdning, om helt elle delvi neutaliea den laddning om oaka fältet vi vill mäta. Fältmätae ä ofta kalibeade i volt fö mätning på ett givet avtånd fån en plan yta, om hålle kontant pänning och ä av en vi minta tolek. Anda via fälttykan vid enon diekt i V/m. Fö att kapa ett homogent fält unt omking enon montea en jodad metallkiva unt poben. På detta ätt komme poben och de nämate omgivning att utätta fö amma fälttyka. I pincip kan man dela in fälttykemätana i te huvudguppe: Fältmätae byggd på induktionpincipen t ex den vanligt föekommande fältindikaton Fältmätae byggd på amma pincip om ovan, men om alta en växelpänningignal (t ex fältkvanen elle fältmätae med kapacitiv moduleing) Fältmätae med adioaktiv eno Redan 1984 kontateade Voteen [36] att en idealik fältmätae bö ha följande egenkape: liten ölig fö att kunna betämma iktning och tyka på fältet kunna anta amma potential om ymdpotentialen i den punkt man önka mäta tådlöt kunna kicka data, efteom en kabel kulle töa fältet i poben nähet Veteligt finn än idag (2007) inte någon fältmätae avedd fö användning inomhu om uppfylle alla dea kiteie amtidigt Fältmätae med induktionpob Som nämnde inledningvi, bygge många vanliga intument på det faktum att en laddning inducea en pegelladdning på en metallyta (fig. 3.6). Om

27 Befintliga teknike 17 Figu 3.6 Utlaget på voltmeten bli diekt popotionellt mot fälttykan vid enon. metallytan käma fån fältet fån idona och anlut till en voltmete med den totala kapacitanen C, kan fälttykan nu ange om: Q CV E = = (7) ε 0 A ε 0 A Spänningen V öve kondenaton C bli: V ε 0 Q E A = = (8) C C Teoetikt bli utlaget på voltmeten diekt popotionellt mot fälttykan famfö avkännaen. Begänninga ho intumentet i fom av icke-tabila väden och dift, beo bl a på ändlig inimpedan och biatömma i opeationfötäkaen. Mätningen oäkehet komme ig av att enon jälv påveka fältet om vi vill mäta, men ockå på att metallen kan ladda upp diekt av luftbuna laddade patikla, elle täffa av jonanamlinga, exempelvi fån näbelägna koonauladdninga. Fö att delvi komma tillätta med poblemet med fältkoncentation vid enon, låte man ett jodat plan omge enoplattan fö att lokalt kapa ett homogent fält. Fötäkaen minuingång kan lägga på vituell jod (nollpotential) genom åtekoppling via en kapacitan C 1. Om vi anta att en laddning Q på plattan lede till att pänningen V in upptäde på minuingången till fötäkaen och att fötäkningen ä G, å komme vi på utgången att få V ut om [32]:

28 18 Kapitel 3 V = (9) ut GV in Efteom kondenaton C 1 fån böjan ä oladdad, å bli Q = C ( V ut V ) (10) 1 in Kombinea vi dea båda uttyck, å få vi: C1 Vut (1 + G) Q = (11) G och Q C1 E = Vut (12) ε 0 A ε A 0 efteom G>>1. Den uppmätta pänningen bli diekt popotionell mot tykan på fältet och vädet betäm av toleken på kapacitanen C 1. Bia-tömmen i fötäkaen eultea i en långam dift, och felet på utgången V e komme att bli beoende av toleken på bia-tömmen på ingången om: V e i t = (13) bia C 1 dä t ä tiden om föflutit edan bytaen, om kotlute C 1, öppnade (fig. 3.7). Ofta montea enon på en väl engjod teflonkiva och den omgivande jodade kämen på ingånganlutningana betyk med konduktiv fäg. Fältindikaton lämpa ig dåligt fö övevakning unde någon länge tid, efteom nollning av intumentet måte ke egelbundet i fältfi miljö. Plattan käma, exempelvi med handen, vavid åtekopplingkondenaton ladda u. Poblemet med dift kan avhjälpa genom att en jodad lutae ö ig famfö enon, amtidigt om bytaen öve kondenaton lut. Detta kan ke manuellt elle automatikt ungefä 2 gånge vaje minut. En fältindikato ä däemot ett utmäkt hjälpmedel vid nabba kontolle av om t ex en ESDkyddututning lågladdande egenkape finn bevaade, elle då man nabbt och enkelt behöve kontatea om laddning föekomme i en kitik miljö, om exempelvi inom ett ESD-kyddat omåde, EPA. I miljöe med patikla elle jonanamlinga i luften lämpa ig inte en fältindikato å ba.

29 Befintliga teknike 19 Figu 3.7 Fö att föhinda fältkoncentation vid enon omge denna med en jodad ing. Nollning av intumentet ke genom att bytaen öve C 1 lut Apetue och påvekan på fältet Senoe om placea innanfö en öppning i ett jodat hölje ha födelen att invekan av eventuella jontömma minka, amtidigt om enon ä me kyddad fö damm och anda löa patikla om kan tillföa laddning. I och med att poben käma komme även iktningkänligheten att öka vilket kan vaa önkvät, men det fö även med ig en del oönkade konekvene. Senon känne av en läge fälttyka jämföt med om den hade uttit i amma plan om öppningen. Detta innebä att intumentet känlighet minka. Deutom bli fältet vid mätpoben nu inte länge homogent, vafö det bli me kompliceat att göa fyikalika modelle av mätupptällningen påvekan på det omgivande fältet. Fö högta möjliga upplöning käv liten apetuaea och litet mätavtånd, dv den yta om poben e måte hålla å liten om möjligt. Riken med må mätavtånd ä, om tidigae nämnt, att man famkalla övelag mellan poben och det laddade föemålet. Fö att föhinda det måte mätavtåndet öka, vilket i in tu lede till att upplöningen minka [36].

30 20 Kapitel 3 Figu 3.8 Pincipki av en fältkvan Fältkvan Behovet av ett intument om kunde möjliggöa mätninga unde länge tid och om klaa invekan av jontömma i luften, ledde till kontuktionen av den föta fältkvanen. Den ä en vidaeutveckling av induktionpoben, men enon exponea omväxlande fö och käma fån fältet, genom att en jodad platta otea famfö enon. Den ä lätt att använda, ha ba känlighet men dålig patial upplöning. Vi tänke o fö enkelhet kull en eno med fya egment och en oto om betå av två blad. Senoelementen ä jodade via en kapacitan C, paallellt med ingångeitanen R. Två gånge pe vav komme vaje enoelement att exponea fö fältet och två gånge käma det (fig. 3.8). Den exponeade aean a komme nu att vaiea tiangelfomat med tiden [32], [37]. Tiangelvågen (om betå av gundton och övetone) kan bekiva med en Fouieeie: A a = (1 + inωt) + övetone (14) 2 dä vi föenkla uttycket till att omfatta endat den föta temen. Vidae ä A enon totala aea, ω = 2πnp ä vinkelfekvenen i adiane/, n ä otationhatigheten i vav/ och p ä antalet otoblad.

31 Befintliga teknike 21 Genom att exponea fö fältet få enoegmentet med aean a en inducead laddning med tätheten σ = ε 0 E, då den joda. Den totala laddningen bli då: A q = σ a = ε 0 E (1 + inωt) (15) 2 Idealt ä R oändligt och pänningen öve C vaiea linjät med den induceade laddningen, men i paktiken komme töm att flyta genom R, vilket påveka upp- och uladdningpänningen öve kapacitanen C med tidkontanten τ = RC. Den momentana pänningen v, om utveckla öve en impedan Z ä: dq ε 0EAω v = Zi = Z = Z coωt (16) dt 2 Z = 1 R jωc 1 R + jωc = R jωrc + 1 (17) Z = 2 ω R R 2 C (18) 2 2 Om ω R C 2 >>1 å ä: Z R 1 = (19) ω R C ωc Den uppmätta pänningen bli däfö lika med pänningen öve kondenaton C : V ε AE = 0 (20) 2C Sålede ä V endat en funktion av E, efteom A och C ä definieade fö en given geometi ho intumentet. Inignalen till opeationfötäkaen bli diekt popotionell mot det ytte fältet, men ä obeoende av oton hatighet.

32 22 Kapitel 3 Många fältkvana ä potabla och efteom intumentkänligheten inte beo på otationhatigheten kan batteipänningen, och dämed otationhatigheten, tillåta att vaiea. Man måte dock alltid iaktta to föiktighet då man fööke beäkna laddningtätheten utifån väden på det elektika fältet, efteom föekomten av jodplan i näheten lede till en ökning av kapacitanen, vilket i in tu ha to invekan på det eulteande elektika fältet fö en given laddningtäthet. Fö tillfölitliga mätväden käv ockå att intumentet ä jodat amt att oto och enoelement håll ena och toa. En nackdel ä att fältkvanen ä elativt to, att moton ha en begänad livlängd och att epontiden begäna av oton hatighet. Man kan undeöka laddningdeniteten ho gablandninga genom att montea in en fältkvan i den omlutande behållaen hölje. En löning i en containe kan undeöka på liknande ätt. Ett poblem ä dock att fältkvanen oteande dela tendea att tiboelektikt ladda vätkan ytteligae. Genom att anpaa fältkvana på olika ätt, bland annat genom att educea otohatigheten betydligt, kan man till vi del komma tillätta med poblemet. Då mätninga i bandfalig elle exploiv miljö ka göa, täll äkilda kav på mätututningen å att ingen uladdning kan ke på gund av intumentet jälvt, vae ig mellan intument och omgivning, elle inom intumentet Fältmätae med vibeande pob Fältmätae med kapacitiv moduleing använd i intument avedda fö att övevaka något öve en länge tid, efteom det gå att göa dem mycket tabila. Man använde ig av en eno om bygg in i ett kämat hölje, i va öppning enon exponea fö det ytte elektika fältet (fig. 3.9). En modell låte enon vepa tväöve apetuen vavid en vaieande pänning ehåll. Ett annat altenativ ä att låta enon öa ig i iktning till och fån poböppningen fö att på å ätt åtadkomma en modulead ignal. Stoleken på fältet om fånga upp av enon komme att minka då avtåndet fån öppningen öka och tvätom, vilket få till följd att amplituden på den moduleade ignalen ända ig i popotion till detta. I ytteligae anda löninga och i ett föök att öka känligheten ho intumentet, kan man låta en tämgaffel vibea på poben utida famfö enoöppningen, fö att däigenom vaiea kapacitanen mellan enon och mätytan. Genom att åtekoppla den detekteade ignalen och åtemata den till det kämande höljet, komme enon att utätta fö två lika toa men motiktade fält, ett fån mätobjektet och ett fån den omgivande kämen. Fälten om kapa fån dea två källo komme att ta ut vaanda, och efteom umman av de båda fältbida-

33 Befintliga teknike 23 Figu 3.9 Åtekopplad fältmätae med vibeande pob gen bli noll ehåll en tabil ignal om möjliggö tillfölitlig mätning och övevakning unde lång tid Fältmätae med adioaktiv eno Det föekomme även en typ av fältmätae dä enon utgö av adioaktivt mateial. Senon joniea luften i in nämate omgivning. Nä den jonieade luften utätt fö ett elektikt fält komme en töm om ä popotionell mot fältet tolek att flyta. Genom att mäta tömmen få man en indikation om fälttykan. Denna enotyp ä minde vanligt föekommande på gund av de poblem om det adioaktiva ämnet i ig kan innebäa, men ockå däfö att noggannheten ä dålig Detektoe byggda i MEMS-teknik Man ha kontueat en fältkvan i miniaty om ä avedd fö indutiändamål [38]. Senon ä byggd på en kielplatta i MEMS-teknik. Fö att nå god upplöning ä liten apetuaea nödvändig, hä endat 10 x 10 µm. En kyttel, ölig i x-led, omväxlande exponea och käma enon fö det ytte elektika fältet. Skytteln öele åtadkom genom att ett takt elektotatikt fält lägg på kontuktionen undeliggande kamma. Känligheten appotea vaa 35 µv pe kv/m. Ytteligae en typ av fältmätae, byggd enligt tämgaffelpincipen i MEMS-teknik och med en upplöning på 630 V/m, ha bekivit [39]. Dea fältmätae finn veteligt inte fö kommeiellt ändamål ännu.

34 24 Kapitel 3 Å 2005 bekev en mikoeno fö mätning av åväl tatika om vaieande elektika fält, va huvudakliga ändamål va att egitea det elektika fältet unde högpänningledninga [40]. Senon innehålle ett jodat kougeat memban (2.5 x 2.5 mm) om komme att vika av olika mycket beoende på att kaftvekan på membanet vaiea i takt med tykan ho det elektika fält man vill mäta. En optik poitionmätae använd fö att mäta deflektionen ho membanet. Genom att laboea med palttoleken mellan membanet och det omgivande kilet kan man föända gaden av utbuktning och dämed ockå känligheten ho intumentet. Känligheten kan öka ytteligae genom att en känd pänning lägg på membanet. Någa olika användningätt fö denna enotyp bekiv: Senon kan utätta fö ett tatikt elektikt fält med membanet jodat. I detta fall ä kaften om veka på membanet kontant och en funktion av laddningkällan pänning amt avtåndet till laddningen. Den minta detektebaa ignalen ä 5 kv/m. Läge fälttyko bode vaa möjliga att mäta, antingen genom att öka membanet tolek, genom ökad flexibilitet ho membanet och/elle genom att föbätta bufilteingen. I det anda fallet tänke man ig enon utatt fö ett fält om vaiea inufomat med en vi fekven. Då komme membanet att ocillea med dubbla fekvenen. Bandpafilte elle lock-in-fötäkae använd fö educeing av mekanik vibation och omgivande bu. Genom att lägga på en bia, DC elle AC, kan man antingen öka deflektionen och dämed känligheten ho intumentet elle educea effekten av omgivande bu. 3.5 Potentialmätning Elektomete En välbekant metod fö att påvia föekomt av laddning ä att utnyttja det elektotatika fältet kaftvekan på laddninga enligt: F = Q E (21) I de tidigate elektokopen nyttjade pincipen fö att få en viae av guldfolie att ge utlag om laddning induceade på elektoden. Efteom laddninga av lika polaitet epellea, gö viaen utlag om laddning finn nävaande. Genom åen ha det kontueat ett tot antal olika voltmeta (elektometa) om bygge på denna egenkap. Den kaft om veka på de fia induceade

35 Befintliga teknike 25 laddningana ho en ledande platta med aean A unde invekan av ett fält E ge av: F 1 2 = ε 0ε E A (22) 2 En elektomete använd vid kontakteande mätninga av elektotatikt uppladdade objekt. Baun elektomete ä den äldta typen av mekanik elektomete om fotfaande använd. Den bygge på amma pincip om de tidigate, fån 1700-talet anda hälft, nämligen att laddninga av amma polaitet epellea. Vid mätning av elektotatik potential måte ingångeitanen vaa mycket hög ( 3). En elektomete med hög ine eitan känneteckna då enbat av in ingångkapacitan. Om föemålet, va potential V vi ä inteeade av att mäta, ha kapacitanen C och elektometen ingångkapacitan ä C 1 komme den uppmätta potentialen V m att kunna uttycka om: V C = (23) m V C + C1 vilket innebä att C 1 bö hålla å litet om möjligt fö att mätfelet ka bli minta möjliga. Baun-elektometen känneteckna av låg ingångkapacitan (ofta < 20 pf) vilket gö den väl lämpad fö mätninga av pänninga fån 100 V och däöve. Flea olika vaiante av elektometa va vanliga unde 1900-talet föta hälft, en del mycket känliga (mv), men av dea ha de fleta fövunnit, bl a på gund av att de va våa att hantea [33]. Elektonika elektometa ä däemot vanligt föekommande Elektotatika pänningföljae Fö icke-kontakteande mätninga finn elektotatika voltmeta med pänningföljande pob. Intumentet kopiea potentialen ho mätobjektet och åtemata den till enon. Däigenom nolla fältet mellan eno och tetobjekt. Senon potential följe mätobjektet, vilket innebä mycket liten ik fö övelag mellan poben och mätobjektet. Mätninga med en pänningföljande pob innebä att eultatet i hög gad ä obeoende av mätavtåndet, till killnad mot om mätningana utfö med en vanlig fältmätae, utom då avtånden bli å toa att poben även ta in näliggande fält fån anda upp-

36 26 Kapitel 3 laddade objekt. Mätomådet fö denna typ av voltmeta kan vaiea fån millivolt till tiotuental volt, beoende på önkad tillämpning. Den vanligate bygge på pincipen om kapacitiv moduleing ( 22 f). I tävan efte att åtadkomma å känliga intument om möjligt måte alltid en avvägning göa, efteom man fö att få tilläckligt ba ignal-buföhållande inte kan tillåta ett alltfö tot fekvenomfång. Ju töe bandbedd deto me komme man ockå att öka mottagligheten fö bu och anda oönkade töninga. Fö mätninga king 100 volt och däöve utgö inte buet något töe poblem. Det ä fullt möjligt att göa icke-kontakteande mätninga med en upplöning på tiondel millivolt genom att göa mätytemet långammae. Repontide på uppemot ekunden kan göa detta möjligt [36] Regleing av uladdningtöm Då man hälle mycket finfödelade patikla elle pulve av ioleande mateial i en containe, komme mateialet att ladda upp tiboelektikt, ofta till mycket höga nivåe. Vid en gnit- elle popageande botuladdning ( 10 ff) finn to ik fö antändning elle exploion [27]. Fö att kunna göa goda ikbedömninga och vidta tilläckliga föiktighetåtgäde, ä det vanligt att mäta fälttykan elle ymdpotentialen på avtånd fån containen. Fältkvanen ä inte alltid å väl lämpad fö detta, efteom den ge upphov till en fältkoncentation om innebä en ökad ik fö övelag. Fö detta ändamål ha altenativa mätteknike utvecklat. Ett fletal bygge på mätning av koonatömma. En typ av pob avedd fö mätning i omådet 0-30 kv ha bekivit [41]. En koltåd med 1 µm diamete anlut till en tålwie och led genom ett glaö fö tabiliteten kull. Wien anda ände anlut till mätketen. Koltåden pet ticke ut 1 mm famfö öet och komme att famkalla en koonauladdning ( 9) nä det finn en potentialkillnad mellan tåden och det omgivande fältet. Genom att mäta uladdningtömmen och åtemata den i ett egleytem, kan man öka elle minka pänningen på kolfibetåden till de att ingen koonauladdning ke. Reglepänningen bli ett mått på pobpänningen och dämed få även ett mått på potentialen i den punkt om poben befinne ig.

37 Befintliga teknike Elekto-optika metode I via kitallina ämnen, kan bytningindex föända avevät genom påvekan fån ett ytte elektikt fält och bli dubbelbytande. Ändingen i bytningindex ä popotionell mot kvadaten på det elektika fältet, den k Keeffekten. Kitalle om akna inveionymmeti (tanfomationegenkape) uppvia en änding av bytningindex om ä diekt popotionell mot det elektika fältet. En elektik pänning öve kitallen ge ett fält om vide ljuet polaiationplan. Den linjäa elekto-optika effekten benämn Pockel-effekten. Pockel-effekten ä vanligen mycket töe än Ke-effekten [42]. Dea egenkape kan utnyttja fö att modulea inteniteten ho en ljutåle. Ovantående amband kan även utgöa gunden fö mätning av elektika fält, altenativt kan ambandet nyttja fö att kapa kota ljupule med hjälp av k Ke-celle om ä flytande och Pockel-celle i fat ämne [32]. Nedan följe ett exempel på tillämpning: Vid mätning av ytpotential vill man kunna mäta näa povytan fö att ehålla å ba upplöning om möjligt, men då finn alltid ik fö övelag mellan den laddade ytan och poben. Även med en pänningföljande pob ( 25 f) kan det bli poblem på gund av att det inte ä möjligt att tilläckligt nabbt tälla in den kopieade pänningen på amma nivå om tetobjektet, utan tidfödöjningen gö att objektet och poben unde en kot tund komme att uppvia en potentialkillnad. En elekto-optik pob avedd fö mätning av ytpotential och laddningdenitet bekev av Kumada et al 2003 [43]. Senon kan placea mycket näa mätytan, vilket eultea i en upplöning ne till 2 mm. Den induceade pänningen mät optikt genom att Pockel-effekten i en vimutgemaniumkitall utnyttja. Senon utgö av en metallpegel med endat 1 mm diamete. Efteom i pincip hela poben utgö av ett dielektikt mateial komme den inte att påveka fältbilden i mätpunkten. Avkännaen ha inga jodade dela, vafö poben kan placea mycket näa mätobjektet utan ik fö övelag. På gund av kitallen ljubytande egenkape komme ljuet polaiation att ända om en funktion av pänningen mellan kitallen båda ända, dv mellan det om utgö de båda elektodena. Denna pob kan ockå använda vid mätning av höga pänninga. Känligheten ä volt i omådet 3 kv till 10 kv. 3.6 Mätning av uladdningtöm Som ett led i fööken att nämae fötå vad om hände vid ett övelag, ä det vädefullt att kunna mäta och tudea uladdningtömmen vågfom och vaaktighet, topptömma, tig- och falltide amt den öveföda laddningoch enegimängden. Dea faktoe kan vaiea avevät fån gång till annan,