TWI460737B - 電磁波消磁裝置及其消磁方法 - Google Patents

Description

電磁波消磁裝置及其消磁方法

本發明是有關於一種電磁波消磁裝置及其消磁方法，特別是能快速且準確消除磁場之一種電磁波消磁裝置及其消磁方法。

極低頻(Extremely Low Frequency，ELF)至低頻(Low Frequency，LF)磁場對於晶圓廠製程之良率的有不良影響。當製程低於28奈米，極低頻(ELF)與低頻(LF)磁場對製程與檢測設備之影響更為嚴重；晶圓廠將針對極低頻和低頻磁場變化敏感的設備，如電子顯微鏡SEMs、TEMs、STEMs、FIB writers、E-beam writer等相關設備，晶圓廠要求這些設備必須在磁場強度低於0.3 mG環境下作動，透過防電磁波干擾裝置來降低磁場對機臺的影響。

傳統主動式消除技術之理論基礎，係利用磁場感測器(sensor)先行偵查特定位置之低頻磁場，並依據量測結果決定干擾磁場之強度及方向等資料；經取得干擾磁場之訊息後，則於欲消磁保護之特定區域四周架設電流框架，以合成與原有磁場反向且相等大小的低頻磁場，藉以達到抵消磁場之目的，如第1圖所示。主動式消除技術的理論係依據畢歐-沙伐定律(Biot-Savart law)所推論(如第(1)式所示)。根據此定律，空間中的一小段電流可在三維空間中產生磁場。

(a)傳統消磁裝置技術問題：

荷姆茲線圈所產生反向人工磁場強度與線圈內電流大小與圈數成正比，定電流下、所需人工磁場強度越大，則需要增加線圈數，當增加線圈數時(如第1及第2圖所示)，銅導線構成線圈之寄生電容、電阻與電感，將造成人造磁場有時間的延遲。

(b)傳統控制邏輯程式技術問題

主動消磁裝置之控制邏輯，當裝置需要一個數值，使用傳統迴圈收斂，是透過一次又一次的和所需要的數值比較，調整其大小，來接近所需要的數值，而迴圈越多，則接近數值時間越長。

(c)傳統產磁電路與其技術問題

由於電路中存在雜散電感成分，因此功率開關在導通或截止暫態時會有突波、高頻震盪或超射(Overshoot)現象的發生，是因為開關元件的囤積電荷、電路上的雜散電容與電感受開關間切換的高速電壓變化(dt/dv)、或高速電流變化(dt/di)的刺激而引起的，此突波常對電路造成干擾，或打穿一些耐力不足的件，若超過功率開關的安全操作區域(SOA)，則功率開關將會壞，因此需於原電路上加入緩振電路(Snubber)。

RCD鉗位(Clamp)不同於緩振電路模式，其目的是限製開關管關斷瞬間其兩端的最大尖峰電壓，而開關管本身的損耗基本不變。在工作原理上電壓鉗位模式RC的放電時間常數比抑制電壓上升率模式更長。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失，提升人造磁場的頻率與精準的強度來快速降低外界磁場之電磁波消磁裝置及其消磁方法，實為目前迫切需要解決之問題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種電磁波消磁裝置及其消磁方法，以解決目前傳統消磁裝置、控制邏輯程式以及產磁電路之技術不盡理想的問題。

根據本發明之目的，提出一種電磁波消磁裝置，其包含一感測單元、複數個數位產磁單元、一類比產磁單元以及一處理模組。感測單元係感測磁場之強度及方向。處理模組連接該感測單元、該複數個數位產磁單元及該類比產磁單元，並根據該感測單元所感測之結果，發出控制訊號以控制該複數個數位產磁單元及/或該類比產磁單元產生不同單位的磁場強度，來消除該磁場之強度。其中，該類比產磁單元能產生的磁場強度不大於各該數位產磁單元能產生的磁場強度。

根據本發明之目的，再提出一種電磁波消磁方法，包含下列步驟：由一感測單元感測磁場之強度及方向；以及根據該感測單元所感測之結果，利用一處理模組發出控制訊號以控制複數個數位產磁單元及/或一類比產磁單元產生不同單位的磁場強度，來消除該磁場之強度；其中，該類比產磁單元能產生的磁場強度不大於各該數位產磁單元能產生的磁場強度。

較佳地，該處理模組透過輸出埠以1或0的訊號來控制該複數個數位產磁單元產生不同整數單位的磁場強度。

較佳地，該類比產磁單元更包含一類比電路及一單閘產磁線圈。

較佳地，該處理模組控制該類比產磁單元產生0~1單位的磁場強度。

較佳地，各該數位產磁單元更包含一數位電路以及一單閘產磁線圈。

較佳地，該數位電路更包含一場效電晶體、一第一電阻以及一第二電阻，該場效電晶體之源極耦接該第一電阻之第一端，該場效電晶體之汲極耦接該第二電阻之第一端，該場效電晶體之閘極耦接該第一電阻之第二端及該第二電阻之第二端。

較佳地，該數位電路藉由該場效電晶體、該第一電阻以及該第二電阻來消除該數位電路中電流之過衝現象。

本發明前述各方面及其它方面依據下述的非限制性具體實施例詳細說明以及參照附隨的圖式將更趨於明瞭。

為利　貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

請參閱第3圖，其係為本發明之電磁波消磁裝置一實施例之方塊圖。如圖所示，本發明之電磁波消磁裝置3，其可包含一感測單元30、複數個數位產磁單元31、一類比產磁單元32以及一處理模組33。感測單元30可感測其所在磁場之強度及方向。處理模組33係電性連接感測單元30、複數個數位產磁單元31及類比產磁單元32。在實際實施上，處理模組33較佳可為中央處理器(Central Processing Unit，CPU)或微處理器(Micro-Processing Unit)等的控制器。其中，處理模組33可根據該感測單元30所感測之結果301，發出控制訊號331以控制該複數個數位產磁單元31及/或該類比產磁單元32產生不同單位的磁場強度，來消除該磁場之強度。其中，類比產磁單元32能產生的磁場強度不大於各該數位產磁單元31能產生的磁場強度。

請一併參閱第4圖，其係為本發明之電磁波消磁裝置一實施例之架構示意圖。如圖所示，在本實施例中，其以N個單閘產磁線圈40來取代傳統的一個N閘產磁線圈；並搭配新式的控制邏輯程式與電路架構，始能有效縮短產生正確人工磁場的時間來提高消除磁場之頻率，並透過新式電路架構來增加所需人工磁場的準確度。

請參閱第5圖，其係為本發明一實施例之控制邏輯程式之流程圖。如圖所示，首先，步驟51：感測外界磁場之強度及方向。接著步驟52：處理模組選擇最靠近數值之數位電路架構，來產生人造磁場Bg=B1+B2+B3~+Bn。步驟53：處理模組量測數位電路產生之磁場強度。步驟54：處理模組再利用類比電路架構來產生人造磁場B0。最後步驟55：處理模組量測最終產生的磁場強度。如此，其可依序透過數位以及類比電路來達到準確磁場數值Bg=B1+B2+B3~+Bn+B0具有快速接近及準確達到所需之磁場強度數值之優點。

請參閱第6圖，其係為本發明另一實施例之控制邏輯程式之流程圖。如圖所示，本實施例與前一實施例之差異為在步驟62：處理模組同時選擇最靠近數值之數位電路架構和類比電路架構，來產生人造磁場Bg=B1+B2+B3~+Bn+B0。如此，其可一次性地透過數位以及類比電路來達到準確磁場數值Bg=B1+B2+B3~+Bn+B0具有快速及準確達到所需之磁場強度數值之優點。

請參閱第7圖，其係為本發明之電磁波消磁裝置一實施例之架構示意圖。如圖所示，在本實施例中，其可依據磁場感測器量測結果並透過微處理機(FPGA或MCU)計算決定干擾磁場之強度及方向等資料；經取得干擾磁場之訊息後，透過微處理機(FPGA或MCU)之輸出端(output port)輸出控制訊號1或0，以控制N閘數位產磁電路與類比產磁電路，快速且準確產生所需要的人工磁場，達到消除環境磁場的目的。其中，第7圖圖中之圓圈部分即為單閘圓形產磁線圈示意圖。

舉例來說，若感測器量測到環境磁場為6(單位)，透過FPGA之output輸出端打開1^st 、2^nd 和3^rd 之數位產磁電路，產生反向人工磁場總和為為6(單位)。若感測器量測到環境磁場為6.2(單位)，先透過FPGA之輸出端打開1^st 、2^nd 和3^rd 之數位產磁電路，產生反向人工磁場總和為6(單位)，再打開類比電路使反向人工磁場總和接近為6.2(單位)。

<本發明電路架構之一實施例>

請參閱第8圖，其係為本發明之電磁波消磁裝置一實施例之數位電路架構之示意圖。如圖所示，電路區塊81為直流-直流(DC-DC)方塊，其係將外部直流電壓位準轉至本電路裝置所需之直流電壓位準。電路區塊82為功率金氧半場效電晶體(POWER MOSFET)之驅動電路，用於驅動產磁電路(如第8圖中的電路區塊83)與防止大電流破壞微處理機(MCU或FPGA)，其中L1為大型產磁線圈，係依據畢歐-沙伐定律(Biot-Savart law)所推論。根據此定律，線圈L1中的電流可在空間中產生所需磁場。

由於電路中存在雜散電感成分，因此功率開關在導通或截止暫態時會有突波、高頻震盪或超射(Overshoot)現象的發生，大多使用加入緩振電路(Snubber)或RCD鉗位(Clamp)模式來解決此一問題，RCD鉗位模式是限制開關管關斷瞬間其兩端的最大尖峰電壓，以電路區塊84來取代RCD鉗位電路之二極體、但容與電阻，電阻R1和R2提供場效電晶體M1閘極之電壓準位來確保電晶體導通(其可依照電晶體為PMOS或NMOS將閘集結於VDD或GND)，場效電晶體M1的源極與汲閘極定義以電壓高低決定，當超射現象的發生時，超射現象區為源極，又場效電晶體M1為導通，超射之電壓或電流將導入場效電晶體M1的汲閘流入電路區塊83內功率金氧半場效電晶體之寄生電容或接地來達到消除超射異常。

請參閱第9圖，其係為本發明之電磁波消磁裝置一實施例之類比電路架構之示意圖。如圖所示，場效電晶體M1及場效電晶體M2有阻絕電源雜訊的功能。電壓Vbias提供場效電晶體M1和M2的電壓來達到阻絕電源雜訊的功能並提供一穩定電流源。場效電晶體M3、M4及放大器與其電壓Vref之功能亦是阻絕電源，利用放大器二輸入端點5和點6之電壓相等(以放大器輸出端控制場效電晶體M4(負回授使點5和點6之電壓相等))來阻絕並固定電流。磁場感測器之量測訊號由Vin輸入，電阻R1和電容C1構成低通濾波器來濾除高頻雜訊，並利用接面場效電晶體J1將電壓訊號轉換程電流訊號。電阻R2為可變電阻其功用可為調整電流大小，電感L2為荷姆滋線圈之電感值，第9圖中右側二放大器與電阻R5，R3，R4為儀表放大器，其功能是相磁感測器量測到的磁場轉成電流，流經荷姆滋線圈來產生磁場。

<本發明之功效>

本發明所提出之電磁波消磁裝置及其消磁方法可降低超射現象來提升產生人工磁場電流穩定值準確度與縮短穩定之時間。請參閱第10 A以及10 B圖，其係為本發明之電磁波消磁裝置一實施例之產磁電路感值之模擬圖。如圖所示，透過P-SPICE模擬產磁電路感值共約為16uH，時脈為第10 A以及10 B圖中之101，4閘正方型線圈達到穩定電流0.1A之時間為第10 A以及10 B圖中之模擬結果102(10us內無法穩定)，4閘正方型線圈以RCD鉗位或緩振電路模式來消除超射異常為第10 A以及10 B圖中之模擬結果103，其達到穩定電流0.1A之時間(約7us內穩定)，4閘正方型線圈以本發明架構來消除超射異常為第10 A以及10 B圖中之模擬結果104，其達到穩定電流1A之時間(約2us內穩定)。由以上的結果，可明顯發現本發明之單閘架構之RLC時間比傳統多閘短。模擬結果102之超射約0.12A，模擬結果103之超射約0.025A，以本發明架構設計電路超射約0.05A。

綜上所述，本發明所提出之電磁波消磁裝置及其消磁方法可縮短產生正確人工磁場的時間來提升消除外界磁場的頻率，並透過其電路架構來增加所需人工磁場的準確度。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1．．．傳統消磁裝置

3．．．電磁波消磁裝置

30．．．感測單元

301．．．感測結果

31．．．複數個數位產磁單元

32．．．類比產磁單元

33．．．處理模組

331．．．控制訊號

40．．．N個單閘產磁線圈

51～55、61～63．．．步驟流程

81、82、83、84．．．電路區塊

L1、L2．．．電感線圈

R1、R2、R3、R4、R5．．．電阻

M1、M2、M3、M4．．．場效電晶體

Vbias、Vref．．．電壓

5、6．．．輸入端點

C1．．．電容

J1．．．接面場效電晶體

101．．．時脈

102、103、104．．．模擬結果

第1圖　係為傳統主動式消除裝置之架構示意圖。

第2圖　係為N閘線圈產生磁場示意圖。

第3圖　係為本發明之電磁波消磁裝置一實施例之方塊圖。

第4圖　係為本發明之電磁波消磁裝置一實施例之架構示意圖。

第5圖　係為本發明一實施例之控制邏輯程式之流程圖。

第6圖　係為本發明另一實施例之控制邏輯程式之流程圖。

第7圖　係為本發明之電磁波消磁裝置一實施例之架構示意圖。

第8圖　係為本發明之電磁波消磁裝置一實施例之數位電路架構之示意圖。

第9圖　係為本發明之電磁波消磁裝置一實施例之類比電路架構之示意圖。

第10 A及10 B圖　係為本發明之電磁波消磁裝置一實施例之產磁電路感值之模擬圖。

3．．．電磁波消磁裝置

30．．．感測單元

301．．．感測結果

31．．．複數個數位產磁單元

32．．．類比產磁單元

33．．．處理模組

331．．．控制訊號

Claims (14)

1. 一種電磁波消磁裝置，包含：一感測單元，感測磁場之強度及方向；複數個數位產磁單元；一類比產磁單元；以及一處理模組，連接該感測單元、該複數個數位產磁單元及該類比產磁單元，並根據該感測單元所感測之結果，發出控制訊號以控制該複數個數位產磁單元及/或該類比產磁單元產生不同單位的磁場強度，來消除該磁場之強度；其中，該類比產磁單元能產生的磁場強度不大於各該數位產磁單元能產生的磁場強度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電磁波消磁裝置，其中該處理模組透過輸出埠以1或0的訊號來控制該複數個數位產磁單元產生不同整數單位的磁場強度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電磁波消磁裝置，其中該類比產磁單元更包含一類比電路及一單閘產磁線圈。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電磁波消磁裝置，其中該處理模組控制該類比產磁單元產生0~1單位的磁場強度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電磁波消磁裝置，其中各該數位產磁單元更包含一數位電路以及一單閘產磁線圈。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電磁波消磁裝置，其中該數位電路更包含一場效電晶體、一第一電阻以及一第二電阻，該場效電晶體之源極耦接該第一電阻之第一端，該場效電晶體之汲極耦接該第二電阻之第一端，該場效電晶體之閘極耦接該第一電阻之第二端及該第二電阻之第二端。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電磁波消磁裝置，其中該數位電路藉由該場效電晶體、該第一電阻以及該第二電阻來消除該數位電路中電流之過衝現象。
8. 一種電磁波消磁方法，包含下列步驟：由一感測單元感測磁場之強度及方向；以及根據該感測單元所感測之結果，利用一處理模組發出控制訊號以控制複數個數位產磁單元及/或一類比產磁單元產生不同單位的磁場強度，來消除該磁場之強度；其中，該類比產磁單元能產生的磁場強度不大於各該數位產磁單元能產生的磁場強度。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電磁波消磁方法，更包含下列步驟：透過該處理模組之輸出埠，以1或0的訊號來控制該複數個數位產磁單元產生不同整數單位的磁場強度。
10. 如申請專利範圍第8項所述之電磁波消磁方法，其中該類比產磁單元更包含一類比電路及一單閘產磁線圈。
11. 如申請專利範圍第8項所述之電磁波消磁方法，更包含下列步驟：以該處理模組控制該類比產磁單元產生0~1單位的磁場強度。
12. 如申請專利範圍第8項所述之電磁波消磁方法，其中各該數位產磁單元更包含一數位電路以及一單閘產磁線圈。
13. 如申請專利範圍第12項所述之電磁波消磁方法，其中該數位電路更包含一場效電晶體、一第一電阻以及一第二電阻，該場效電晶體之源極耦接該第一電阻之第一端，該場效電晶體之汲極耦接該第二電阻之第一端，該場效電晶體之閘極耦接該第一電阻之第二端及該第二電阻之第二端。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電磁波消磁方法，更包含下列步驟：藉由該場效電晶體、該第一電阻以及該第二電阻，消除該數位電路中電流之過衝現象。