口罩静电特性测量
实验题目：口罩静电特性测量
1. 课程简要信息
课程名称：电子设计基础训练
课程学时：理论 $^ { 8 + }$ 实验 48
项目学时：课内2学时 $^ +$ 课外 4学时
适用专业：电子信息类
学生年级：大一春季学期
2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）
口罩静电特性测量实验是以带有静电的物体（本实验选择一次性使用医用口罩）作为被测对象，限制条件为仅利用基本的元件（电阻、电容、电感、二极管、三极管、按键等），设计电路完成对静电特性的测量。分为基本要求和扩展要求。
对于扩展要求，提供手把手快速软件使用教学过程，学生可以在稳定性、便携性与美观性等方面进行发挥设计，设计电路板，完成一个具有实用性的电子产品。
1）基本要求：分析一次性使用医用口罩带静电机理，利用基本元件设计检测静电特性的电路，通过面包板插接或者电路板焊接，实现一次性使用医用口罩静电特性测量，通过 LED等声光方式展示出测量结果；
2） 扩展要求：考虑检测电路的成本、便携性、稳定性以及美观性，通过印刷电路板设计软件设计电路原理图、PCB 图，加工制板并焊接电路进行静电检测；
3）拓展思考：在不会大幅提高成本的情况下，提高静电特性的测量精度或者优化检测结果的显示方式。
3. 实验过程及要求（限 300 字）
1）结合物理电学知识及资料查阅等方式预习带静电体的电场特性，了解一次性使用医用口罩电场强度感应电流特性、如何将电流引入到检测电路中等，完成预习思考题；
2）根据元器件基本知识的学习，结合资料查阅等方式，理解三极管放大原理、三极管放大级联电路，设计口罩静电特性测量电路，建议通过电路仿真软件完成电路功能的仿真；
3） 利用实验室提供的基本元件等实验器材，实现实验电路，并实际测试电路的功能与性能（发挥部分通过制作电路板实现），完成过程思考题；
4）记录实验过程和测试结果并进行分析，包括电路测试的功能性能、改进方案等，完成思考题；
5）撰写实验报告，完成思考题，并提交实验报告和测试视频（提交视频为可选项）。
4. 相关知识及背景（限 150 字）
口罩静电特性测量是将所学的基本元器件认知的知识与中学及大学物理电学知识相融合，形成电子产品从而解决生活中实际问题的典型案例，采用静电场效应定性分析与电流放大定量分析相结合的实验设计方法，同时涉及到静电感应、电流放大、二极管及三极管特性、电路板设计等相关知识，并通过焊接及电路板设计体现劳育与美育。
5. 实验环境条件
实验材料包括面包板、洞洞板、三极管、LED、电阻、电容、电池座、电池、开关和导线等。
实验设备包括万用表、焊接套件等。
扩展要求需要用到电路板设计软件，推荐使用 KiCad，也可以使用 Altium Designer 等。
6. 教学目标与目的（限 150 字）
本实验是在基本元器件学习基础上，结合中学和大学的物理课程知识，对带有静电的物体进行定性的检测，以认知为主要目的，通过元件的直观应用引导学生了解元件的功能与性能，掌握基本的电参量的检测方法并能够理解其局限性，并对测量过程及分析方法做出技术评价。通过发挥部分让学生对电子产品便携性及美观性设计有直观理解。
7. 教学设计与实施进程
本实验是为了对元器件基本认知课程与物理电学的知识进行综合应用，用基本元器件形成一个解决生活问题的电子小产品，容易激发学生实验兴趣。实验的完成需要经历理论知识学习、实验系统使用指导、扩展知识补充、电路设计、电路制作、电路功能及性能、分析与总结等过程。在实验教学中，注重通过问题引导学生分析，应在以下几个方面加强对学生的引导：
1）课程大纲中有基本元器件认知部分，通过科普与专业相结合的方式讲解阻容感、二极管、三极管的基本结构和工作原理；实验之前要求学生结合课程讲解给出的知识点，通过查阅和归纳资料，学习通过三极管进行电流放大的基本原理、点亮发光二极管的条件等；
2） 预习过程中留下思考题：口罩为何要加入静电？有哪些测量静电的方法，各有什么特点？有哪些常见的带静电体，都可以用相同的测量方式测量吗？ 采用实验任务中的测量方式测量口罩静电，会影响口罩的正常使用吗？通过设计的问题引导学生将所学知识与生活结合起来，将之前学习的物理知识与电子信息系统结合起来，从而激发学生实验兴趣；
3）根据课程讲解及预习结果，结合实验室提供的元器件种类及性能参数，设计静电特性测量电路图，鼓励学生通过电路图仿真软件（Multisim 或者 Proteus 等）进行电路功能和性能的仿真测试；
4）实验制作过程：学生根据设计的电路图完成电路的制作，可以选择面包板插接方式、电路板焊接方式等。实验制作过程重点是引导学生熟悉电路制作的基本方法，掌握电路制作的基本技能，理解基本元器件在实际的电子产品中是如何应用并发挥功能的，在电路制作与测量过程中了解电路结构与测量方法的优势与局限性，针对局限性提出设计方案；思考面包板插接、洞洞板焊接、印刷电路板对电路性能是否有影响？放大电路的级数如何选择，放大倍数过小或者过大会有什么影响？天线的形状及尺寸参数对测量有没有影响？如果直流稳压电源供电，对测量结果是否有影响？
5） 针对扩展要求，采用现场讲解与视频讲解相结合的方法，通过逐步操作的方式进行电路图设计软件的快速教学，培养学生快速掌握现代工具基本操作方法的能力，然后学生自行设计原理图与印刷电路板，设计中引导学生理解电子产品在功能性能之外需要考虑的细节，包括但不限于美观性、便携性、实用性和稳定性等；
6） 结果验收：按照实验要求完成相关的实验任务，并得出相关的实验结果（记录实验过程、测试结果），进行实验过程分析、实验结果分析、实验中采用的静电测量方法的优缺点及局限性分析。要求学生能够从实验过程中得到基本结论的同时，将结果进行延伸。同时需要思考几个问题进行回答：用 LED 的亮度作为检测结果是否合适，有哪些更直观的方式展示检测结果？ 成本控制前提下要提高测量的精度可以采用什么方式？不同的工程应用对静电测量结果的精度和展示方式有什么要求？通过实验，你掌握了哪些科研方法？
在实验实施过程中，需要关注的重点与细节包括：
1）面向对象是大一学生，专业知识有限，对实验原理（如三极管的放大特性等）的讲解要结合学生学过的物理知识进行科普化设计，同时要注重线上线下结合方式进行答疑；
2） 发挥部分的电路板设计要引导学生思考电子产品在功能性能之外的特点，注意操作便携性和美观性设计；
3） 发挥部分电路设计软件的教学采用的是“速成”方式，教学中要向学生强调软件是工具，可以快速学习，但是电路设计的思想与电路设计方法需要从电子信息基本知识稳扎稳打的学习掌握；
4）本实验在预习、实验过程、总结中都有引导性的思考题，需要注意完成，有助于实验的延伸。
8. 实验原理及方案
1）实验介绍
疫情期间，口罩成了大家生活的必需品。常见的医用口罩，主要由三层无纺布组成。内层是普通无纺布；外层是做了防水处理的无纺布，主要用于隔绝患者喷出的液体，也就是简单的机械过滤部分；中间的过滤层用的是经过驻极处理的聚丙烯熔喷无纺布；内层用于吸收使用者呼吸时产生的水分。医用口罩的核心材料，是驻极处理之后的聚丙烯熔喷无纺布。这是过滤新冠病毒气溶胶的关键。驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料，具有高效率，低流阻，抗菌，节能等优点，在保证常规滤材的物理碰撞阻隔作用基础上，增加了静电吸附作用。驻极处理使得过滤材料纤维带有电荷，结合熔喷超细纤维材料致密的特点，因此带电纤维间形成了大量的电极，带电纤维不仅能够像磁铁一样吸引环境中大部分的带电微粒，同时也可将未带电的部分颗粒极化，进而吸附一些粒径较小的污染物，甚至病毒这种纳米级的物质也可进行静电吸附或电荷相斥阻隔。
图 1 口罩的内部结构
2）实验方案
测试口罩的静电吸附功能是否可以正常工作有两种思路，一是测量口罩中的静电电荷量，这是很难实现的；另一种是通过测试口罩附近的场强来间接测试口罩中静电的存在，也就是本实验所采用的方法。测量口罩附近的场强我们可以利用静电感应原理来实现，静电感应的原理是当不带电的导体放入电场中，导体中的自由电荷会在电场力的作用下发生定向移动从而使导体两端分别产生等量异种电荷，也就是感应电荷；而电荷定向运动的过程会产生一个微弱的电流，我们可以通过检测这个微小的电流来间接证明口罩中静电的存在性。为了使这个实验效果更为明显，我们需要放大这个电流，使其能够点亮 LED 小灯，通过 LED 小灯的亮灭来确定这个微小电流的存在，实现我们的实验目的。
图 2 静电感应示意图
综上所述，我们电路设计思路如下图所示。首先通过探测天线感应外部电荷的运动电场变化，产生感应电流。由于感应电流的大小为 级别，非常微弱，需要经过三极管电路放大之后达到 级别才可以点亮 LED。值得注意的是，该电路是通过感应电场变化的方式来间接测量口罩的静电荷，LED 的亮度在一定范围内与电场强度正相关，所以电路可以大致判断静电的量从而能够分辨有效口罩和无效口罩。
图 3 电路设计框架图
3）二极管相关知识
实验中我们使用了三极管放大电路，而想要了解三极管器件原理，我们首先要了解二极管的基本原理。晶体二极管是一个由 P型半导体和 N型半导体形成的 P-N结。
N 型半导体是在硅中掺入 $^ { + 5 }$ 价的磷原子，由于磷为 5 价，其中有 4 个电子和周围 4 个硅原子形成共价键，还剩有 1 个电子由于不受共价键束缚可以自由移动。P 型半导体是在硅中掺入 $^ { + 3 }$ 价的硼原子，硼的 3个电子和周围 4 个硅原子形成共价键，还有一个硅原子形成共价键，会出现一个空穴。当把 P型半导体和 N型半导体结合在一起后，虽然原子受共价键作用不能移动，但是空穴和自由电子是可以移动的。由于 P型半导体和 N型半导体中电子和空穴的浓度不同，这些载流子会在浓度差下产生扩散运动，在 P型半导体和 N 型半导体的接触面附近，电子和空穴相互复合消失。在接触面附近，失去电子和空穴的原子变成了带电离子，但由于共价键束缚不可移动，便形成了一个内部电场。这个内电场形成后，载流子在电场力的作用下做漂移运动，反过来又阻止扩散运动。最后这两种运动会达到一个动态的平衡，形成一个空间电荷区，这就是 PN结的形成过程。
图 4 PN 结原理
当不存在外加电压时，由于 P-N 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，也就是图中的死区部分。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。
图 5 二极管特性曲线
由于 PN结内部存在有一个因多数载流子相互扩散而产生的内电场，而内电场的作用方向总是阻碍多数载流子的正向通过，所以多数载流子正向通过 PN结时就需要克服内电场的作用，需要约 0.7伏的外加电压，这是 PN结正向导通的门电压。而反偏时，内电场在电源作用下会被加强也就是 PN结加厚，少数载流子反向通过 PN结时，内电场作用方向和少数载流子通过 PN结的方向一致，也就是说此时的内电场对于少数载流子的反向通过不仅不会有阻碍作用，甚至还会有帮助作用。反偏时少数载流子反向通过 PN结是很容易的，甚至比正偏时多数载流子正向通过 PN结还要容易，这也就是后面三极管大电流形成的原理。
4）三极管相关知识
三极管是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的 PN 结，两个 PN 结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区。三极管的排列方式有 PNP和 NPN两种。NPN 和 PNP 三极管的区别就在于它们控制的电流流向不同，这是它们的物理结构决定的，所以我们在不同的电路中需要考虑电流流向来采用不同的三极管。
图 6 NPN 三极管与 PNP三极管区别
三极管的电流放大作用实际上在于它可以通过小的交流电流输入来控制大的静态电流。下面以NPN 型三极管为例具体介绍三极管的电流放大原理：
对于 NPN管，它是由 2块 N型半导体中间夹着一块 P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e （Emitter）、基极 b (Base)和集电极 c (Collector)。三极管的正常工作状态下，发射结处于正偏状态，集电结处于反偏状态，集电极电源 $E _ { c }$ 要高于基极电源 $E _ { b }$
图 7 三极管内部结构
在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的多数载流子浓度，同时基区做得很薄，而且要严格控制杂质含量，这样接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散但因前者的浓度大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电子流。由于基区很薄,加上集电结的反偏，因为反偏时少数载流子反向通过 PN 结是很容易的，所以注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流 $I _ { c }$ ，只剩下很少（ $1 { \sim } 1 0 %$ ）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源 $E _ { b }$ 重新补给，从而形成了基极电流 $I _ { b }$
图 8 三极管内部电流图
根据基尔霍夫电流定律得：
$$ I _ { e } = I _ { b } + I _ { c } $$
这就是说，在基极补充一个很小的 $I _ { b }$ ，就可以在集电极上得到一个较大的 $I _ { c }$ ，这就是所谓电流放大作用，而且 $I _ { b }$ 与 $I _ { c }$ 是维持一定的比例关系，即：
$$ \beta { \bf \Psi } = \frac { I _ { c } } { I _ { b } } $$
式中 $\beta$ 为放大倍数， $\beta$ 值约为范围在几十到几百之间。
三极管的输入输出曲线如下图所示：
图 9 NPN管的共射极特性曲线
5）探测电路
通过在感应电荷迁移的路径上加入电流检测元件，能够探测感应电流。因此在 PCB（电路板）上需要设计两部分导体，分别在电流探测三极管的两端，一端为天线，另一端为地平面，使其形成一个完整回路，使电流流过。天线需要有一定的面积，以增大自由电荷的储存量；天线的长边方向为探测方向，这个方向上电势差最大，是感应电流的主要流动方向。
图 10 探测电路
6）三极管放大电路
图 11 三极管达林顿放大电路
由于一个三极管的放大倍数不满足实验的需求，本电路中采用了达林顿管的接法，将三个三极管级联，从而可以使电路的放大倍数为三个三极管放大倍数相乘，达到 $1 0 ^ { 6 }$ 程度的放大作用。以下为实际电路的仿真，从右边的输入输出图像中我们可以看到，该电路可以将 $n A$ 级别的感应电流放大到级别。
图 12 三极管电路仿真图
7）整体电路
图 13 整体示意图
实际电路如图所示。所用器件有：天线 AE1 和AE2，三极管 $\mathrm { Q 1 { \sim } Q 6 }$ ，电阻 ${ \tt R } 2 \mathrm { \sim } { \tt R } 5$ ，发光二极管D1 和 D2，电源和开关。其中 R2和 R5 电阻给电路偏置，使三极管工作在放大状态。R3 和 R4 电阻用来保护发光二极管。
正常状态下天线处（两个三极管的基极）无电流流过，三极管不工作。S9014为 NPN型三极管，S9012 三极管是 PNP型三极管。在这个电路中，Q2(S9014)只能放大从天线流出的电流，Q1(S9012）只能放大向天线流入的电流，因此在口罩来回移动时，电流在天线处来回流入流出，此时黄框和红框中的电路交替工作，观察到两个不同颜色 LED 小灯交替闪烁。绘制的 PCB 版图和最终电路成品如下图所示：
图 14 最终成品图
8）实验现象
在检测口罩时，需要将探测器在靠近口罩的地方来回移动，此时 LED 将开始闪烁，且靠近带静电物体和远离带静电物体时闪烁的小灯颜色不同；LED的峰值亮度越大，说明探测到的静电场越强。当 LED的亮度显著降低，说明静电场明显减弱，此时口罩可判断为无效口罩。
图 15 感应电流点亮红灯
图 16 感应电流点亮蓝灯
9. 实验报告要求
实验报告报告作为实验的总结，也是实验的重点之一，要求学生完成实验一周之内提交实验报告，需要反映以下工作：
1） 实验背景与需求分析：根据给定的测量要求，分析口罩带静电成因，如何在不破坏口罩情况下定性测量静电电量；
2） 电路图设计：根据课上讲解的基本元器件的知识，结合查阅资料，形成电路图，电路图设计不限制画图软件；
3） 实验过程记录：要求以图表的形式描述电路制作过程，并对过程中的问题进行记录；
4） 实验测试记录：基本的实验结论，包括测试是否成功，效果如何等；
5） 扩展任务：扩展任务需要设计电路，从电路原理图、PCB 布局、实用性设计等方面进行分析，并给出测试记录；
6）实验结果总结：根据实验过程及结果，对实验设计及操作经验的总结；
7）实验思考部分：根据预习、实验过程等的思考题进行总结。
10.考核要求与方法（限 300 字）
实验考核要求
1） 实验任务：要求每个人独立完成实验任务，包括预习、操作、总结报告；
2） 实验质量：电路连接的正确性、稳定性，发挥部分的电路焊接质量；
3） 实验结果：能够定性的测量静电的强弱特性，通过 LED 的亮度直观的展示；
4） 实验分析：测试结果及实验过程分析、问题分析及经验总结思考（包括但不限于解决方案及
改进方法等）。
5）电路设计：扩展部分实验电路设计要具有美观性和实用性。
6）实验报告：实验报告的规范性与完整性。
实验考核方法
1）通过现场检查电路连接的正确性与稳定性、测试电路的功能与性能进行考核；
2） 对于参与扩展部分实验的，同时考核电路的美观性。
11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）
1）结合生活中的热点，通过简单的电路实现解决实际问题的电子产品，激发学生实验兴趣；2）实验分多层次，插接、焊接、印刷电路板层层递进体现电子产品的便携性、稳定性、实用性和美观性等；3）以思考为起步，在思考中实验，从思考中结束：预习中通过思考题引导实验，实验过程中思考题指导实验，总结中思考题升华实验。