Radiofrekvent detektering av Elektrostatiska urladdningar

Transkript

1 Examensarbete 1 poäng C-nivå Radiofrekvent detektering av Elektrostatiska urladdningar Reg.kod: Oru-Te- EXE84-EL14/4 Marzieh Moshiri och Suna Albayrak Elektronikingenjör programmet 1 p Örebro Vårterminen 4 Examinator: Sune Bergelin RADIO FREQUENCY DETECTING OF ELECTROSTATIC DISCHARGES Örebro universitet Örebro University Institutionen för teknik Department of technology 71 8 Örebro SE-71 8 Örebro, Sweden

2 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Sammanfattning Detta arbete har skett i samverkan med Örebro universitets industripartner Armeka Sverige AB och har utförts vid universitetet. Examensarbetet gick ut på att undersöka möjligheterna att detektera elektrostatiska urladdningar med hjälp av de radiosignaler som avges. Vi skulle söka information om vad som hade gjorts tidigare av andra inom detta område, göra matematisk modellering, labbtest för att se hur spektrum ser ut för de olika typerna av elektrostatiska urladdningar samt ge förslag på hur en detektor skulle kunna se ut. Arbetet har varit inriktade på korona- och gnisturladdningar. Praktiska undersökningar har vi gjort dels genom simulering av modeller som föreställer urladdningar från en uppladdad människa samt från en maskindel och dels mätningar på korona- respektive gnisturladdningar som vi framkallade via labbtest. Vi har gjort olika analyser på de uppfångade urladdningspulserna, både i tids- respektive frekvensplan för att kunna bedöma om det går att skilja korona- från gnisturladdningar med syftet att kunna vidare bygga en ESD-detektor. Från våra undersökningar har vi kommit fram till att pulserna från gnisturladdningar har klart högre energi än koronaurladdningar men frekvensmässigt har vi inte kommit längre än att kunna säga den högsta energin ligger ungefär vid samma område för de båda. Ytterligare arbete och analys krävs för att kunna ge förslag till någon form av detektor. I

3 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Abstract This undergraduate thesis was carried out in cooperation with an industry partner Armeka Sverige AB of Örebro university, and it s been done in the university. This degree thesis brings up the possibilities to examine detecting of electrostatic discharges. We would search information about what has been done earlier within this subject, do mathematical modelling and laboratory test to see how spectrum look like for the pulses from different types of electrostatic discharges. Finally we would give a proposal on how a detectors design could bee. The work has been concentrated on corona-and spark discharges. We have done the practical investigations partly through simulation of models ( Human Body Model, Machine Model) and partly through measurements on corona-respective spark discharges that we developed by laboratory testes. We have done different analyses on the caught discharge pulses, both in time and frequency to find out if its possible to separate corona- from spark discharges, with the purpose to further build a ESD-detector. From our investigations we have concluded that the pulses from spark discharge have higher energy than corona discharges, but in the frequency aspect we have not come further than to say the highest energy lies about at the same area for they both. Additional work and analysis is needed for that be able to give proposal to any shape of detector. II

4 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Förord Det är läge nu att tacka alla våra lärare under de tre studieåren på Örebro universitet som har givit oss de grundläggande kunskaper vilka kom till användning vid genomförandet av detta examensarbete. Vi tackar även Armeka AB som visade intresse för detta examensarbete och hjälpte till att få fram vissa nödvändiga instrument under arbetets gång. Suna Albayrak Marzieh Moshiri III

5 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Innehållsförteckning 1 INLEDNING Bakgrund Urladdningstyper Koronaurladdning ( Corona Discharge ) ( Spark Discharge ) Historik om ESD-detektorer Principen för Storm Scope Static Event Detector (SED) Störpulsdetektorer för radiofrekvenser (Electromagnetic Interference) Lucent ESD detektor (ESD Event Detector) Bärbar ESD-detektor (Portable ESD event detektor) Lokaliseringssystem för ESD (Lucent ESD Event Locator System) Impulsive Disturbances Evaluating System (IDES) Syftet Metoder och verktyg...6 GENOMFÖRANDE AV TEORETISKA MODELLER (SIMULERINGAR) HBM Human Body Model...7. MM Machine Model GENOMFÖRANDE AV LABORATIONSTESTEN Instrument och redskap Mätuppställning Analys av framtagna signaler Korrelationskoefficient Analys av korrelationskoefficientberäkningar Medelvärden (Vrms) Felkällor och begränsningsfaktorer vid mätningar... 4 SLUTSATS OCH DISKUSSION... 5 REFERENSER BILAGOR Bilaga 1 Simuleringsresultaten av praktiska mätningar Bilaga Resultaten av korrelationskoefficientberäkningar...3 IV

6 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 1 Inledning Alla känner till de obehagliga och ofarliga stötar man kan råka ut för, särskilt vintertid då luften är kall och torr. Dessa stötar orsakas av statisk elektricitet vilket ger upphov till elektrostatiska urladdningar (ESD). Det har visat sig att oskyldiga urladdningar ger pulser som har en spänning på flera kv, strömstyrka på 1 tals ampere, stigtider brantare än 1 ns, övertoner på mer än 1 GHz och fältstyrkor över 1V/m vilket kan räknas som en effektiv och mångsidig elektrisk störning med förmåga att skapa allvarliga funktionsproblem och skador på elektronik av olika slag. Därför är det av stor vikt att kunna detektera och lokalisera sådana pulser och dess styrka. 1.1 Bakgrund Elektrostatiska laddningar vållar många problem av varierande karaktär, speciellt vid låg relativ fuktighet. De vanligaste problemen är störningarna som uppträder i samband med statiska urladdningar. Dessa laddningar kan avledas dels via läckströmmar i dissipativa material, dels genom olika typer av urladdningar [1]. Elektrostatiska urladdningar kan orsaka stora skador inom såväl elektronikindustri i form av komponentskador, som inom kemisk industri genom explosioner. Detta har varit skäl till genomförandet av många studier gällande egenskaper hos elektrostatiska upp- respektive urladdningar. Genom bra materialval kan man undvika stora uppladdningar men man vill även kunna detektera när urladdningar förekommer. Framför allt är det av intresse att kunna fastställa vilken typ av urladdning det handlar om. Detta kan avgöra i en given situation om någon skaderisk föreligger eller ej Urladdningstyper Elektrostatisk urladdning sker då föremål som är uppladdat (med statisk elektricitet) kommer i kontakt med, eller tillräckligt nära, annat föremål med annan typ av laddning samt mellan två föremål med samma polaritet men olika potential. Det finns således olika typer av urladdningar beroende på materialegenskaper och form av uppladdningar. I detta kapitel tar vi upp två väsentliga typer som är av betydelse inom elektronikindustrin nämligen korona- och gnisturladdning. [5] Koronaurladdning ( Corona Discharge ) När ett ledande spetsigt föremål kommer i närheten av ett uppladdat objekt som har överskott på ena typen av laddning (+ eller -), oavsett om det är ledande eller isolator, kan genombrottsfältstyrkan överstigas i närheten av spetsen där fältstyrkan är störst. En urladdning äger rum som kallas för koronaurladdning och sker i form av en stillsam urladdning vilken kan synas som en blå ljusgnista i mörkret. 1

7 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Denna typ av urladdningar är mycket långsamma och inträffar vid höga fältstyrkor. Luftens genombrottsfältstyrka vid parallella elektroder för homogent fält sägs vara 3 kv/mm. Bild Exempel på koronaurladdning ( Spark Discharge ) kan förekomma mellan två ledare med olika potential, där en av dem ofta är jordad. Urladdningen startar vid den punkt där genombrottsfältstyrkan har överskridits. Till skillnad från koronaurladdning, sker joniseringen av luften vid gnisturladdning genom en liten smal luftkanal mellan de två objekten. Bild Exempel på gnisturladdning 1.1. Historik om ESD-detektorer Vid elektrostatiska urladdningar skapas kortvariga snabba pulser vilka kan detekteras genom vissa typer av antenner med passande bandbredd. Med hjälp av ESD-detektorer kan man möjliggöra lokalisering och form av ESD vilket kan hjälpa till att hitta åtgärder därmed förhindra förekomsten av ESD-skador. Det har varit en del framgångar att få fram användbara former av ESD-detektorer. I detta avsnitt kommer vi att kortfattat beskriva några typer av detektorer samt vilka företag som har konstruerat dem.

8 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT Principen för Storm Scope Storm Scope var bland de första instrumenten som användes till att mäta elektrostatiska urladdningar. Den är ett passivt system som uppger vädrets tillstånd genom mätning av elektrisk urladdning på ett visst avstånd. En mottagare som med hjälp av en dator mäter avståndet samt karaktär av åskan relaterad till elektriskt aktivitet och rapporterar informationen till en display. Datorn identifierar arean till området där dåligt väder kan förekomma (blixtnedslag). Mätningen bygger på detektering av elektricitetsmängden, vilket var användbart både för väderstationer och för piloter, framför allt för att kunna undvika riskområdet eller agera i tid för andra åtgärder. Med denna teknik som plattform har det konstruerats vissa anordningar för detektering av elektrostatiska urladdningar från nära håll. [7] Static Event Detector (SED) Det var Zero Static Systems som konstruerade den första ESD-detektorn (Static Event Detector - SED) i slutet av 198 talet. Denna detektor var tillräckligt liten för att kunna placeras på ett kretskort för att detektera en ESD-strömpuls genom en extern antenn. Signalen förstärktes och bearbetades för att framkalla förändringar i reflektionsfaktorerna i en LCD (Liquid Cristal Display). Den var konstruerad så att den skulle kunna slå om vid en i förväg bestämd tröskelspänning. SED slår om då den nås av en ESD-transient över den inställda amplituden och är inte känslig för polaritet. Anordningen nollställs med en magnet för att kunna återanvändas. Tyvärr tröskelnivån är inte alltid direkt relaterad till ESD-skador på elektroniska kretsar. Den andra generationen av detektorn konstruerades av Electrostatic Designs och kallades The Static Bug. Där användes Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET). Testmetoden går ut på att förstärka en ESD-puls till att skapa tillräckligt med energi så att kunna skada gaten. Den har ett tröskelvärde på 3V och kan återanvändas tills urladdnings - spänningen överstiger denna nivå och SED:n bli förstörd. Denna typ av SED kräver mer instrumentering för att kunna avgöra hur skadlig pulsen har varit. Motorola har också gjort en liknande detektor baserad på en annan form av MOS teknologi nämligen Metal Oxide Semiconductor Capacitor (MOSCAP). Om man förstör MOS-strukturen visar det sig som en signifikant ökning av läckströmmar. En annan typ av SED är framtagen via Exotic Magneto-Optical Detector (ExMOD). I den utnyttjas Faradayeffekten till att detektera och optiskt registrera en kortvarig strömpuls på en optisk tunnfilmsdetektor. Det magnetiska fältet från ESD-strömmen ändrar filmens magnetmönster och påverkar polarisationsgraden av det synliga reflekterade ljuset från filmen. Olika tröskelvärden kan indikeras genom att man varierar avståndet mellan filmen och strömledningen. [6] 3

9 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT Störpulsdetektorer för radiofrekvenser (Electromagnetic Interference) Vid elektrostatiska urladdningar utstrålas elektromagnetiska vågor vilket producerar elektromagnetiska störpulser (Electromagnetic Interference, EMI) eller radiofrekventa störpulser (Radio Frequency Interference, RFI). Detta system använder en kort, enkel monopol antenn för att kunna fånga upp dessa EMI- eller RFI- pulser och visa urladdningarna i realtid. Detektorn är försedd med ett inbyggt ljud- och LED-larm som varnar då en riskabel urladdning äger rum, men däremot visas inte amplitud- eller frekvensnivåerna. Antennen som används har hög bandbredd (upp till 1GHz) och är inte lämplig för detektering av signaler under 5V Lucent ESD detektor (ESD Event Detector) Lucent har utvecklat en egen teknik för detektering av ESD. Man använder en fältindikator av charge-device model, (FCDM) simulator och en JEDEC 4 pf modul (9 mm diameter metalldisk). Den kan visa både amplitud- och frekvensnivåerna av urladdningen. Här använder man en loopantenn avstämd till 1 GHz och ett bredbands oscilloskop. Den lägsta detekterbara nivån ligger på ungefär 5 V Bärbar ESD-detektor (Portable ESD event detektor) I denna detektor har kretsen byggts så att den kan bearbeta och beräkna elektrostatiska urladdningar i realtid. Vid ESD kan denna teknik anpassas efter känslighetsnivån och ger ett ljudalarm då den känner av ett värde som är högre än den förutbestämda spänningen. Denna metod kan kontinuerligt detektera elektrostatiska urladdningar Lokaliseringssystem för ESD (Lucent ESD Event Locator System) Elektrostatiska urladdningar som har låg nivå är osynliga för mänskligt öga. Det är ibland väldigt svårt att göra en noggrann lokalisering av sådana händelser även med den ovan nämnda detektorn. Analys av automatiserad utrustning, som pick and place maskiner, kräver snabb och exakt lokalisering av urladdning för att kunna lösa ESD-relaterade produktionsproblem på ett effektivt sätt. Med hjälp av avancerad digital teknik har Lucent utvecklat detta lokaliseringssystem. Man kan fånga urladdningen i realtid och visa den exakta lokaliseringen med hjälp av en samling av antenner. Därigenom kan man bestämma urladdningens position samt dess amplitud Impulsive Disturbances Evaluating System (IDES) Stephan Frei och David Pomerenke [] har presenterat ett system för transienta fält som kallas IDES (Impulsive Disturbances Evaluating System). Där registreras information om förekommande fält med kortvariga pulser. Med hjälp av detta system kan följande information utläsas, vilket möjliggör identifiering av urladdningarna. 4

10 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 - Elektriska fältets (E-fältets) toppvärde - Magnetiska fältets (H-fältets) toppvärde - Spektrum från den genererade signalen - Tid, relativ fuktighet samt temperatur Systemets konstruktion visas i blockschemat H- och E-fältpulserna fångas via sensorer med 1 GHz bandbredd och överförs till en enhet för utvärdering och analys av de analoga pulserna (Analog Puls Evaluation). I denna enhet behandlas olika egenskaper hos kommande pulser och omvandlas till en DC- spänning. Toppvärdesdetektorns uppgift är att släppa fram, med 5% pulsbredd, de pulser som är snabbare än 1 ns med 4 db dämpning. Utsignaler från varje toppvärdesdetektor omvandlas till digitala signaler för att kunna lagras i ett RAM (Random Access Memory). Där går att lagra information upp till 54 urladdningar. Systemet samlar data automatiskt under några dagar. Dessa data kan användas för analys, identifiering och jämförelse mellan olika pulser. Blockschema

11 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 1. Syftet Man vet sedan länge problemet med radiostörningar förorsakat av elektriska urladdningar. Moderna elektroniksystem med högohmiga halvledarkretsar är mycket störningskänsliga. I digitaltekniken kan enstaka störpulser medföra bestående förändringar i spänningar och därmed i logiska uttryck. Den snabba stigtiden tillsammans med andra ovannämnda egenskaper hos ESD-pulser, genererar kraftiga övertoner som skapar radiostörningar med hög fältstyrka i området upp till flera GHz. Detta innebär att urladdning som sker vid beröring av något i närheten av en apparat kan räcka för att skapa störningar i den. Därför är det av stor vikt att kunna detektera och lokalisera dessa urladdningar i närheten av känsliga komponenter och system. Storm Scope är namnet på en metod med vars hjälp meteorologer och flygare kan detektera åskväder som närmar sig. Syftet med detta examensarbete är att undersöka om samma eller liknande metoder kan användas för att detektera och klassificera elektrostatiska urladdningar i närområdet. 1.3 Metoder och verktyg Detta arbete har utförts vid Örebro universitet. Nödvändiga teoretiska kunskaper har inhämtats från litteratur, artiklar ur tidskrifter och länkar från Internet. Praktiska undersökningar har gjorts genom mätningar på olika slag av framkallade statiska urladdningar i universitetets laborationslokal. Vid mätningar har använts ett oscilloskop som klarar frekvenser upp till GHz. Kontakt har även tagits med personer inom olika företag för att få fram passande instrument. Genomförande av teoretiska modeller (Simuleringar) Det finns olika typer av testmodeller för att kunna bestämma komponenternas tålighet mot elektrostatiska urladdningar, exempelvis HBM (Human Body Model), MM (Machine Model). Dessa testmodeller simulerar upp- respektive urladdningar som kan förekomma vid olika fall. De flesta urladdningar som förekommer sker genom mänsklig kontakt samt maskindelar. Därför valde vi HBM för att visa hur snabb urladdningen sker från en uppladdad människa samt MM som ger en bättre förståelse för urladdningar som kommer från en uppladdad maskindel. 6

12 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4.1 HBM Human Body Model Denna modell simulerar en urladdning från en uppladdad människa till en komponent. I modellen använder man sig av en kondensator på 1 pf som föreställer en persons kapacitans i förhållande till jord. När kondensatorn är uppladdad kan man med hjälp av en omkopplare ladda ur den över en spole och resistans, där föreställs en urladdning från en människa till en objekt genom luften. J U=1 V Cp 1pF Key = Space Lp uh Rp 1.5kohm Schema HBM testkrets Simuleringsresultaten från HBM-testkrets presenteras i graf och HBM Tidsplan x 1-7 Graf Simulering av HBM i tids plan 7

13 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4.8 HBM Frekvensplan x 1 8 Graf.1.1- Simulering av HBM i frekvensplan. MM Machine Model Denna modell simulerar urladdning från en uppladdad maskin till en komponent. På maskin modellen används en kondensator på pf för att en maskin har högre kapacitans än en människa. Även här laddas kondensatorn ur över en spole och resistans, där föreställs en urladdning från en maskindel till ett objekt genom luften. J U=1 V Cm pf Key = Space Lm.5uH Rm 1ohm Schema.1.-1 MM testkrets 8

14 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Simuleringsresultaten från HBM-testkrets presenteras i graf.1.-1 och.1.- MM Tidsplan x 1-6 Graf.1.-1 Simulering av MM i tidsplan 4 x 14 MM Frekvensplan x 1 8 Graf.1.- Simulering av MM i frekvensplan 9

15 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Från grafen.1.-3 kan man se energiskillnaden mellan HBM och MM utgående från amplituden som har direkt samband med strömmen Human body model Machine model Tid(s) x 1-7 Graf.1.-3 Simulering av HBM och MM i tidsplan 3 Genomförande av laborationstesten I detta kapitel beskrivs de instrument som användes vid framkallning av korona- och gnisturladdningar, tillväga gången av urladdningarnas framkallning samt olika mätningar och analys av de uppfångade pulserna. Syftet är att kunna bedöma om det går att identifiera de två olika urladdnings typerna eller särskilja dem genom deras pulsinnehåll. 3.1 Instrument och redskap Detta kapitel beskriver olika utrustningar och instrument som har använts vid utförandet av de praktiska experimenten. Urladdningsgenerator För att framkalla ett konstgjort förlopp av en gnisturladdning används en urladdningsgenerator som också kallas för ESD-pistol. Denna generator är huvudsakligen uppbyggd av en kondensator som lagrar energi samt ett urladdningsmotstånd. Uppladdningen av kondensatorn sker genom en högspänningsgenerator till en önskad spänning. I figur visas generatorn Keytek MZ/15 EC MiniZap, ESD Test Simulator som vi har använt för att framkalla gnist urladdningar i luften. 1

16 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Vid framkallning av koronaurladdningar använde vi oss av en spik som spetselektrod. Den var kopplad till en högspänningsgenerator med spänningen inställd på 1 KV. Spänningsinställning jordledning Bild Keytek MZ/15 EC MiniZap Bild 3.1- Antenn [8] Antennen DRG som visas i bild använde vi för att fånga upp urladdningspulserna. Den tar emot signaler från MHz upp till GHz. Dämpningsfakta Frekvens (MHz) Dämpning (db) 5,7 5 1, 3 1,3 4 8,8 5 1,9 6 8, ,9 1 5,8 1 7,4 14 7,5 16 9,8 18 8,7 8,7 Tabell Bild Oscilloskop Vi använde ett Agilent infiniium oscilloskop med frekvensområde på 1 GHz och 4 G sample/s. 11

17 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 3. Mätuppställning I detta avsnitt förklarar vi hur våra mätningar gick till väga. Det praktiska arbetet som vi har utfört är uppdelad i två grupper efter form av urladdningar som vi nämnde tidigare alltså korona- och gnisturladdningar. Koronaurladdning Urladdningarna framkallade vi genom att koppla en spik till en högspänningsgenerator som laddar den till 1kV. Urladdningen skedde mot en jordad metall platta med 1cm avstånd från spikens spets. Antennen var kopplad till oscilloskopet och riktad mot urladdningszonen. Anten Spik Högspänningsgenerator Oscilloskop avstånd=1m Figur 3.-1 Mätuppställning vid undersökning av koronaurladdningar De signaler vi fångade via antennen sparades som textfiler för vidare behandling i MATLABprogrammet. Simuleringsresultaten av praktiska mätningar finns i bilaga 1, sidorna 1 till 5. De här typerna av urladdningar framkallade vi med hjälp av ESD- generatorn med passande spets. Vi valde olika spänningar på generatorn nämligen från 5 till 1kV. Avståndet mellan generatorns spets och den jordade metall plattan var varierade mellan,5 till 1 cm. Vid lägre spänningsnivå var det nödvändigt att minska avståndet för att få gnista. Antenn ESD-pistol Oscilloskop avstånd=1m Figur 3.- Mätningsuppställning vid undersökning av gnisturladdningar De signaler vi fångade via antennen sparades som textfiler för vidare behandling i MATLABprogrammet. Simuleringsresultaten av praktiska mätningar visas i bilaga 1 sidorna 6 till 11. 1

18 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT Analys av framtagna signaler I detta avsnitt presenterar vi olika signalanalyser för att kunna bedöma likheter och olikheter dels mellan samma typ av urladdningar och dels mellan de två olika typerna av urladdningar som vi studerar, nämligen korona- och gnisturladdningar Korrelationskoefficient För att kunna se likheter mellan de olika urladdningspulserna beräknade vi korrelationskoefficienten via MATLAB- programmet. Man jämför signalerna sampel för sampel och får ett värde mellan 1 och 1, där minus tecknet visar negativt samband, plus tecknet positivt samband och noll är tecken på inget samband mellan signalerna. Eftersom olika tecken med samma värde tyder på samma signal men med motsatt fas, så är absolutbeloppet mer intressant att studera. Därför är grafernas referens mellan till 1. Beräkningsresultaten av olika korrelationskoefficienter som vi använde vid framtagning av följande diagram finns i bilaga. Från diagram kan vi se att det finns stora likheter mellan olika pulser från koronaurladdningar dock de flesta värdena är ganska jämna och närmare 1. Samma analys i frekvensplanet kan betraktas i diagram , vilket visar att det finns mer likheter när det gäller frekvensområde. Diagram Korrelationskoefficient mellan koronaurladdningar i tidsplan 13

19 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Diagram Korrelationskoefficient mellan koronaurladdningar i frekvensplan Diagram visar att det finns stora olikheter mellan pulser från gnisturladdningar eftersom värdena varierar ganska mycke mellan och 1. Detta var förväntat med tanke på kurvorna som presenteras i bilaga 1 sidorna 6 till 11. Vad det kan bero på diskuterar vi senare i detta kapitel. Diagram visar samma analys i frekvensplanet och även där ser vi stora variationer. Diagram Korrelationskoefficient mellan gnisturladdningar i tidsplan 14

20 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Diagram Korrelationskoefficient mellan gnisturladdningar i frekvensplan Diagram visar att det finns ganska stora skillnader mellan dessa två typer av urladdningar i tidsplanet, dock de flesta värden ligger närmare än 1. Diagram Korrelationskoefficient mellan korona- och gnisturladdningar i tidsplan Diagram Korrelationskoefficient mellan korona- och gnisturladdningar i frekvensplan 15

21 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Med tanke på de stora variationerna som uppmättes mellan gnisturladdningspulserna, tänkte vi välja ut några pulser som vi anser att det är typisk ESD- puls och inte annan typ av störning. Vi gjorde samma analys som ovan med de utvalda pulserna. De utvalda gnisturladdningspulserna är markerad med (utvald) i bilaga 1 sidorna 6 till 11. Resultatet blev enligt följande diagram. Diagram visar att korrelationskoefficienter mellan de utvalda gnisturladdningspulser i tidsplanet ligger närmare 1 vilket tyder på stora likheter mellan dessa pulser. I frekvensplanet (Diagram ) kan man se ännu mer likhet. Diagram Korrelationskoefficient mellan de utvalda gnisturladdningarna i tidsplan Diagram Korrelationskoefficient mellan de utvalda gnisturladdningarna i frekvensplan 16

22 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Diagram Korrelationskoefficient mellan korona- och utvalda gnisturladdningar i tidsplanet Diagram Korrelationskoefficient mellan korona- och utvalda gnisturladdningar i frekvensplanet Analys av korrelationskoefficientberäkningar För att kunna sammanfatta värdena från korelationskoefficienter och även de framtagna diagrammen, har vi med hjälp av Excel- programmet försökt att studera likheter mellan pulser från korona- respektive gnisturladdningar dels mellan sig själva och dels mot varandra. Där valde vi olika tröskelnivåer för att procentuellt beräkna likheter och skillnader i samband med respektive nivå. Förklaring till beräkningar vid framtagning av tabellerna till Lika: Olika: Okänd: Summan av antal pulser som är helt lika, delad med det totala antalet när det gäller jämförelsen mellan korona- samt gnisturladdningar i sig själva. Summan av antal pulser som är helt lika, delad med det totala antalet avseende jämförelsen mellan pulser från korona- och gnisturladdningar. Om man tar bort antal lika och olika från det totala antalet jämförelser (jämförelse dels mellan olika pulser av samma sort och dels mellan pulser av olika sort) och delar den med det totala antalet, så får man den andel som inte går att definiera. Vi har nämnt de okända. 17

23 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Analys av diagrammen till Efter beräkningar på korrelationskoefficienter som vi har förklarat tidigare, presenteras en sammanfattning av de framkomna värdena enligt tabell Lika innebär hur mycket de olika pulser från korona- samt gnisturladdningarna liknar i sig själva procentuellt Det är viktigt att Lika är hög men samtidigt ska Olika som tyder på den andel som inte går att skilja korona- från gnisturladdningar och även Okänd ska vara låg. Värdet på Okänd ska vara låg för att det är av intresse att ha så många definierbara signaler som möjligt. Tabell Sammanfattning på korrelationskoefficient analys i tidsplan Beroende på vilket system man jobbar med dvs. hur stor likhet, olikhet och osäkerhet önskas i samband med varandra, kan val av tröskelnivån varieras. 18

24 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Diagram kan bättre åskådliggöra siffrorna från tabellen ovan. Möjlighet att kunna skilja gnist- och koronaurladdningar Lika [%] Olika [%] Okänd [%],5,1,15,,5,3,35,4,45,5,55,6,65,7,75,8,85,9,95 1 1,5 Tröskelnivå Diagram Kurvorna efter tabell Analys av diagrammen till Här presenteras en sammanfattning av värdena som har fåtts efter ett urval av gnisturladdningar tillsammans med koronaurladdningar. Tabell Sammanfattning på korrelationskoefficient analys i tidsplan 19

25 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Man kan se från tabell att likheten mellan samma typ av urladdningar och även mot varandra är högre än föregående fall då man jämför samma tröskel nivå. Detta betyder att möjligheten att kunna skilja pulserna kommer först efter nivån,3 vilket var strax efter noll nivån i föregående fall. Diagram Kurvorna efter tabell Undersökningar i det här kapitlet visar att det inte går och skilja korona- och gnisturladdningarna från varandra med all säkerhet. Som vi tidigare nämnde beroende på vilken system man jobbar med kan man välja en passande tröskelnivå och utifrån den uppskatta typ av urladdningar.

26 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT Medelvärden (Vrms) Med hjälp av Root Mean Square beräkning av amplituden (Vrms) på de olika grupperna av mätningar har vi fått diagrammet nedan. Som framgår av diagram finns det stora skillnader mellan gnist- och koronaurladdningar avseende pulsernas amplitud och därmed energi. Gnist 153,5 Utvalda gnist 6,38 V Korona 1,7V Diagram Vrms för de olika urladdningsgrupperna 1

27 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 Felkällor och begränsningsfaktorer vid mätningar Vid mätningarna har vi stött på många olika problem. Ett stort problem var de icke ESDrelaterade störningarna runtomkring, vilket försvårade för oss att kunna veta med säkerhet att den fångade pulsen var just den som vi hade framkallat. ESD från människokroppen ESDrelaterad ESD från utrustning Källor till kortvariga störsignaler ESD från möbler Från strömbrytare Icke ESDrelaterad Från start/stopp knappar osv Figur källor som kan generera kortvariga störsignaler 4 Slutsats och diskussion Pulserna från korona- och gnisturladdningar som vi fick genom de praktiska mätningar liknar simuleringspulsen från maskinmodellen (MM) för att även sådana elektrostatiska urladdningar är en typ av maskin urladdning. Genom analyserna som vi har hunnit göra på de praktiska mätningarna, har vi kommit fram till att pulser från gnisturladdningar innehåller klart högre energi än koronaurladdningar. Den högsta energinivån för de båda typerna av urladdningar ligger ungefär vid samma frekvensområden (5 till 11 MHz) därför ansåg vi att analys av frekvensplanet inte var till stor hjälp. Från analys av korrelationskoefficientberäkningar kom vi fram till att man inte kan säga att korona och gnisturladdningar är med all säkerhet identifierbara. Vi anser att det enda man kan göra är att välja en passande tröskelnivå beroende på vilket system man ska jobba med. För att kunna dra en säker slutsats och eventuellt ge förslag på en tänkbar detektor, behövs mer tid för fler tester och analyser, passande labblokal och tillgång till mer lämpliga utrustningar.

28 Examensarbete 1p. Örebro universitet VT 4 5 Referenser [1] ESD - elektrostatiska urladdningar, Risker och skydd vid elektronikhantering, Birgitta Andersson Dag Stranneby [] S. Frei, D. Pomeranke, About the different Methods of observing ESD, EOS/ESD Symposium 97 [3] ESD program management, Teodor Dankelmayer [4] Störningsfrielektronik, Sten Benda [5] [6] EOS/ESD SYMPOSIUM [7] [8] Antennens egenskaper Hornantenner EMCO nt/antennes_cornet/body_drg.html 6 Bilagor Alla fångade pulser vid laborering och värdena från korrelationskoefficientberäkningarna finns tillgängliga i form av bilagor enligt följande uppdelning. 6.1 Bilaga 1 Simuleringsresultaten av praktiska mätningar Koronaurladdningar i tidsplan och frekvensplan Gnist urladdningar i tidsplan och frekvensplan 6. Bilaga Resultaten av korrelationskoefficientberäkningar Tidsplan Frekvensplan 3

29 ÖREBRO UNIVERSITET INSTITUTIONEN FÖR TEKNIK Bilaga 1 Simuleringsresultat av praktiska mätningar Koronaurladdningar i tidsplan och frekvensplan Gnist urladdningar i tidsplan och frekvensplan

30 Koronaurladdningar i tidspalan och frekvensplan Tidsplan.5 Kronaurladdning.8 Kronaurladdning x 1-7 Korona x 1-7 Korona.1 Kronaurladdning.8 Kronaurladdning x 1-7 Korona x 1-7 Korona 4 Bilaga 1 Sida 1

31 .8 Kronaurladdning.5 Kronaurladdning x 1-7 x 1-7 Korona 5 Korona 6.8 Kronaurladdning.5 Kronaurladdning x 1-7 x 1-7 Korona 7 Korona 8.8 Kronaurladdning.4 Kronaurladdning x 1-7 x 1-7 Korona 9 Korona 1 Bilaga 1 Sida

32 .6 Kronaurladdning 1 x 1-4 Kronaurladdning x 1-7 Korona x 1-7 Bakgrundsbrus Frekvensplan.5 Kronaurladdning 3 Kronaurladdning x 1 8 x 1 8 Korona 1 Korona Bilaga 1 Sida 3

33 3 Kronaurladdning.5 Kronaurladdning x 1 8 x 1 8 Korona 3 Korona Kronaurladdning.5 Kronaurladdning x 1 8 x 1 8 Korona 5 Korona 6 3 Kronaurladdning 1 Kronaurladdning x 1 8 x 1 8 Korona 7 Korona 8 Bilaga 1 Sida 4

34 3.5 Kronaurladdning 1.4 Kronaurladdning x 1 8 x 1 8 Korona 9 Korona 1 Kronaurladdning.16 Kronaurladdning x 1 8 Korona x 1 8 Bakgrundsbrus Bilaga 1 Sida 5

35 ar i tidsplan och frekvensplan Tidsplan x 1-7 Gnist 1k a (utvald) x 1-7 Gnist 1k b (utvald) x 1-7 Gnist 1k c x 1-7 Gnist 1k d Bilaga 1 Sida 6

36 x 1-7 Gnist 9k a (utvald) x 1-7 Gnist 9k b (utvald) x 1-7 Gnist 9k c x 1-7 Gnist 9k d x 1-7 Gnist 8k a (utvald) x 1-7 Gnist 8k b Bilaga 1 Sida 7

37 x 1-7 Gnist 8k c x 1-7 Gnist 6k a x 1-6 Gnist 6k b x 1-7 Gnist 5k a x 1-7 Gnist 5k b Bilaga 1 Sida 8

38 Frekvensplan x 1 8 Gnist 1k a (utvald) x 1 8 Gnist 1k b (utvald) x 1 8 Gnist 1k c x 1 8 Gnist 1k d Bilaga 1 Sida 9

39 x 1 8 Gnist 9k a (utvald) x 1 8 Gnist 9k b (utvald) x 1 8 Gnist 9k c x 1 8 Gnist 9k d x 1 8 x 1 8 Gnist 8k a (utvald) Gnist 8k b Bilaga 1 Sida 1

40 x 1 8 Gnist 8k c x 1 8 Gnist 6k a x 1 8 Gnist 6k b x 1 8 Gnist 5k a x 1 8 Gnist 5k b Bilaga 1 Sida 11

41 ÖREBRO UNIVERSITET INSTITUTIONEN FÖR TEKNIK Bilaga Resultat av korrelationskoefficientberäkningar Tidsplan Frekvensplan

42 Bilaga Sida 1

43 Bilaga Sida

44 Bilaga Sida 3

45 Bilaga Sida 4

46 Bilaga Sida 5