專(zhuān)利名稱(chēng)：用于泵中的機(jī)械活塞的位置控制的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及流體泵。特別是，本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于在半導(dǎo)體制造中使用的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)單級(jí)或多級(jí)泵中的機(jī)械活塞的位置控制的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
已經(jīng)有很多用途需要對(duì)由泵送裝置分配流體的量和/或速率進(jìn)行精確控制。在半導(dǎo)體處理中，例如重要的是控制光化學(xué)藥品(例如光致抗蝕劑)施加在半導(dǎo)體晶片上的量和速率。在處理過(guò)程中施加在半導(dǎo)體晶片上的涂層通常需要在晶片表面上有特定平直度和/或均勻厚度(它以埃來(lái)測(cè)量)。處理化學(xué)藥品施加(即分配)在晶片上的速率必須仔細(xì)控制，以便保證處理液體均勻施加。在目前，在半導(dǎo)體工業(yè)中使用的光化學(xué)藥品通常非常昂貴，價(jià)格為每升$1000或更高。因此很希望保證使用最少但足夠量的化學(xué)藥品，并保證該化學(xué)藥品不會(huì)由于泵送裝置而受到損害。不幸的是，由于很多相互關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，在目前的泵送系統(tǒng)中可能很難獲得這些希望的量。例如，由于引入供給源的問(wèn)題，不同系統(tǒng)的壓力可能變化。由于流體動(dòng)力學(xué)特性，不同流體所需的壓力也不同(例如，具有更高粘性的流體需要更大壓力)。在工作時(shí)，來(lái)自泵送系統(tǒng)(例如步進(jìn)馬達(dá))各個(gè)部件的振動(dòng)可能對(duì)泵送系統(tǒng)的性能有不利影響，特別是在分配階段。在利用氣動(dòng)泵的泵送系統(tǒng)中，當(dāng)螺線管起動(dòng)時(shí)，可能引起較大的壓力峰值。在利用多級(jí)泵的泵送系統(tǒng)中，工作中的較小故障可能在液體中引起尖銳的壓力峰值。這些壓力峰值和隨后的壓力降可能損害流體(即可能不利地改變流體的物理特征)。另外，壓力峰值可能導(dǎo)致流體壓力積累，這可能使得分配泵分配比預(yù)定更多的流體，或者以具有不利動(dòng)態(tài)特征的方式來(lái)分配流體。而且，由于這些問(wèn)題相互關(guān)聯(lián)，因此有時(shí)解決一個(gè)問(wèn)題可能引起更多問(wèn)題和/或使得情況更差。通常，泵送系統(tǒng)不能在循環(huán)過(guò)程中令人滿意地控制壓力變化。因此需要新的泵送系統(tǒng)，它能夠提供實(shí)時(shí)、平滑的運(yùn)動(dòng)以及對(duì)流體運(yùn)動(dòng)和分配量進(jìn)行極其精確和可重復(fù)的位置控制。特別是，泵中的機(jī)械活塞需要精確和可重復(fù)的位置控制。本發(fā)明實(shí)施例能夠解決這些和更多需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提供了用于泵中的機(jī)械活塞的精確和可重復(fù)位置控制的系統(tǒng)和方法，它基本消除或減少了在半導(dǎo)體制造中使用的現(xiàn)有泵送系統(tǒng)和方法的缺點(diǎn)。特別是，本發(fā)明實(shí)施例提供了具有馬達(dá)驅(qū)動(dòng)泵的泵送系統(tǒng)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)泵是分配泵。 在本發(fā)明的實(shí)施例中，分配泵可以是多級(jí)或單級(jí)泵的一部分。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，兩級(jí)分配泵通過(guò)永磁體同步馬達(dá)(PMSM)和利用場(chǎng)定向控制(FOC)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來(lái)驅(qū)動(dòng)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，分配泵由無(wú)刷DC馬達(dá)(BLDCM)來(lái)驅(qū)動(dòng)，該無(wú)刷DC馬達(dá)有位置傳感器，用于實(shí)時(shí)位置反饋。這里所述的本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)包括能夠提供實(shí)時(shí)平滑運(yùn)動(dòng)以及對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)和分配量的極其精確和可重復(fù)的位置控制。本發(fā)明的目的是降低發(fā)熱，同時(shí)不會(huì)不希望地?fù)p害分配閥的精確位置控制。該目的可通過(guò)具有定制控制方案的本發(fā)明實(shí)施例來(lái)實(shí)現(xiàn)，該定制控制方案設(shè)置成增加用于關(guān)鍵函數(shù)(例如分配)的馬達(dá)位置控制算法的操作頻率，并減少對(duì)于非關(guān)鍵函數(shù)的可選范圍的操作頻率。本發(fā)明實(shí)施例的另一優(yōu)點(diǎn)是提高速度控制。這里的定制控制方案可以使馬達(dá)在非常低的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)仍保持恒定速度，這使得這里所述的新泵送系統(tǒng)能夠在很寬的速度范圍內(nèi)工作，且變化最小，從而大大提高了分配性能和工作能力。


參考下面的說(shuō)明并結(jié)合附圖，可以更完全地了解本發(fā)明和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，在附圖中，相同參考標(biāo)號(hào)表示相同特征，且附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、具有無(wú)刷DC馬達(dá)的馬達(dá)組件的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、利用無(wú)刷DC馬達(dá)的多級(jí)泵(“多級(jí)泵”)的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、利用多級(jí)泵的泵送系統(tǒng)的示意圖；圖4是用于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的閥和馬達(dá)定時(shí)的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、比較無(wú)刷DC馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)的平均力矩輸出和速度范圍的曲線圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、在無(wú)刷DC馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)之間比較平均馬達(dá)電流和負(fù)載的曲線圖；圖7是表示在30kHz馬達(dá)操作和IOkHz馬達(dá)操作之間的差異的曲線圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、表示無(wú)刷DC馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)在不同階段的循環(huán)正時(shí)的線圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、解釋步進(jìn)馬達(dá)和無(wú)刷DC馬達(dá)在過(guò)濾處理開(kāi)始時(shí)的壓力控制正時(shí)的線圖；以及圖10是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、表示使用無(wú)刷DC馬達(dá)的單級(jí)泵的視圖。
具體實(shí)施例方式下面將參考附圖介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，附圖并不必須按比例畫(huà)出，且各個(gè)附圖中，相同標(biāo)號(hào)用于表不相同和相應(yīng)的部件。本發(fā)明實(shí)施例涉及具有多級(jí)(“多級(jí)”)泵的泵送系統(tǒng)，用于在半導(dǎo)體制造過(guò)程中將流體供給和分配至晶片上。具體地說(shuō)，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種使用多級(jí)泵的泵送系統(tǒng)，它包括供給級(jí)泵，該供給級(jí)泵由步進(jìn)馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)；以及分配級(jí)泵，該分配級(jí)泵由無(wú)刷DC馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)，用于極其精確和可重復(fù)地控制流體運(yùn)動(dòng)和流體在晶片上的分配量。應(yīng)當(dāng)知道，使用這里所述的這種泵的多級(jí)泵和泵送系統(tǒng)是作為實(shí)例提供，而不是進(jìn)行限制，且本發(fā)明實(shí)施例可以用于其它的多級(jí)泵結(jié)構(gòu)。下面將更詳細(xì)地介紹具有精確和可重復(fù)的位置控制的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)泵送系統(tǒng)的實(shí)施例。圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的馬達(dá)組件3000的示意圖，該馬達(dá)組件3000有馬達(dá)3030和與它連接的位置傳感器3040。在圖1所示的實(shí)例中，隔膜組件3010通過(guò)絲杠3020而與馬達(dá)3030連接。在一個(gè)實(shí)施例中，馬達(dá)3030是永磁體同步馬達(dá)(“PMSM”)。在刷式DC馬達(dá)中，電流極性通過(guò)換向器和電刷而改變。不過(guò)，在PMSM中，通過(guò)與轉(zhuǎn)子位置同步轉(zhuǎn)換的功率晶體管來(lái)進(jìn)行極性反轉(zhuǎn)。因此，PMSM可以有類(lèi)似“無(wú)刷”的特征，并認(rèn)為比刷式DC馬達(dá)更可靠。另外，PMSM可以通過(guò)由轉(zhuǎn)子磁體產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通而獲得更高效率。PMSM的另外優(yōu)點(diǎn)包括減小振動(dòng)、降低噪音(通過(guò)省略電刷)、高效散熱、占地面積更小和轉(zhuǎn)子慣性更低。根據(jù)定子怎樣纏繞，由于馬達(dá)運(yùn)動(dòng)而在定子中引起的反電動(dòng)勢(shì)(back-electromagnetic force)可以有不同型面。一種型面可以是梯形形狀，另一型面可以是正弦曲線形狀。在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)PMSM將表示所有類(lèi)型的無(wú)刷永磁體馬達(dá)，并可用于與術(shù)語(yǔ)無(wú)刷DC馬達(dá)(“BLDCM”)互換。在本發(fā)明實(shí)施例中，BLDCM 3030可以用作泵(例如圖2中所示的多級(jí)泵100)中的供給馬達(dá)和/或分配馬達(dá)。在該實(shí)例中，多級(jí)泵100包括供給級(jí)部分105和分開(kāi)的分配級(jí)部分110。供給級(jí)105和分配級(jí)110可以包括滾轉(zhuǎn)隔膜泵，以便在多級(jí)泵中泵送流體。供給級(jí)泵150 (“供給泵150”)例如包括供給腔室155，用于收集流體；供給級(jí)隔膜160，用于在供給腔室155中運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)移流體；活塞165，用于使供給級(jí)隔膜160運(yùn)動(dòng)；絲杠170 ;以及供給馬達(dá)175。絲杠170通過(guò)螺母、齒輪或者用于從馬達(dá)向絲杠170施加能量的其它機(jī)構(gòu)而與供給馬達(dá)175連接。供給馬達(dá)175使得螺母旋轉(zhuǎn)，該螺母再使絲杠170旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)活塞165。供給馬達(dá)175可以為任意合適馬達(dá)(例如步進(jìn)馬達(dá)、BLDCM等)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，供給泵175使用步進(jìn)馬達(dá)。分配級(jí)泵180 (“分配泵180”)可以包括分配腔室185、分配級(jí)隔膜190、活塞192、絲杠195和分配馬達(dá)200。分配馬達(dá)200可以為任意合適馬達(dá)，包括BLDCM。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，分配馬達(dá)200使用圖1的BLDCM 3030。分配馬達(dá)200可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器(“DSP”)(利用在分配馬達(dá)200處的場(chǎng)定向控制“F0C”)、通過(guò)多級(jí)泵100上的控制器或者通過(guò)單獨(dú)的泵控制器(例如泵100的外部)來(lái)進(jìn)行控制。分配馬達(dá)200還可以包括編碼器(例如細(xì)線旋轉(zhuǎn)位置編碼器或位置傳感器3040)，用于實(shí)時(shí)反饋分配馬達(dá)200的位置。使用位置傳感器使得活塞192的位置能夠精確和可重復(fù)地進(jìn)行控制，這導(dǎo)致精確和可重復(fù)地控制分配腔室185中的流體運(yùn)動(dòng)。例如，使用2000線編碼器，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，它向DSP發(fā)送8000脈沖，這可以以0. 045的旋轉(zhuǎn)度來(lái)精確測(cè)量和控制。此外，BLDCM可以在很小或無(wú)振動(dòng)的情況下以較低速度運(yùn)轉(zhuǎn)。分配級(jí)部分110還可以包括壓力傳感器112，該壓力傳感器112確定在分配級(jí)110處的流體壓力。由壓力傳感器112確定的壓力可以用于控制各泵的速度。合適的壓力傳感器包括基于陶瓷和聚合物的壓阻和電容壓力傳感器，包括由德國(guó)Korb的Metallux AG制造的壓力傳感器。在流體流的透視圖中，過(guò)濾器120位于供給級(jí)部分105和分配級(jí)部分110之間，以便從處理流體中過(guò)濾雜質(zhì)。多個(gè)閥(例如進(jìn)口閥125、隔離閥130、阻擋閥135、清洗閥140、通氣閥145和出口閥147)可以合適定位，以便控制流體怎樣流過(guò)多級(jí)泵100。多級(jí)泵100的閥可以打開(kāi)或關(guān)閉，以便允許或限制流體流向多級(jí)泵100的各個(gè)部分。這些閥可以為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)(例如氣體驅(qū)動(dòng))的隔膜閥，它們根據(jù)要維持的是壓力還是真空而進(jìn)行打開(kāi)或關(guān)閉。也可以是其它合適閥。工作時(shí)，多級(jí)泵100可以包括準(zhǔn)備段、分配段、充裝段、預(yù)過(guò)濾段、過(guò)濾段、通氣段、清洗段和靜態(tài)清洗段(見(jiàn)圖4)。在供給段，進(jìn)口閥125打開(kāi)，供給級(jí)泵150使得供給級(jí)隔膜160運(yùn)動(dòng)(例如拉動(dòng))，以便將流體吸入供給腔室155中。一旦足夠量的流體充入供給腔室155中，進(jìn)口閥125關(guān)閉。在過(guò)濾段，供給級(jí)泵150使得供給級(jí)隔膜160運(yùn)動(dòng)，以便使流體離開(kāi)供給腔室155。隔離閥130和阻擋閥135打開(kāi)，以便允許流體流過(guò)過(guò)濾器120至分配腔室185。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，隔離閥130可以首先打開(kāi)(例如在“預(yù)過(guò)濾段”)，以便能夠在過(guò)濾器120中產(chǎn)生壓力，然后，阻擋閥135打開(kāi)，以便允許流體流入分配腔室185中。根據(jù)另一實(shí)施例，隔離閥130和阻擋閥135可以打開(kāi)，且供給泵運(yùn)動(dòng)，以便在過(guò)濾器的分配側(cè)產(chǎn)生壓力。在過(guò)濾段，分配泵180能夠運(yùn)動(dòng)至初始位置。如美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 60/630384(標(biāo)題為 “SYSTEM AND METHOD FOR A VARIABLE HOME POSITION DISPENSE SYSTEM，，，申請(qǐng)人為L(zhǎng)averdiere等，申請(qǐng)日為2004年11月23日(ENTG1590))和PCT申請(qǐng)No. PCT/US2005/042127 (標(biāo)題為 “SYSTEM AND METHOD FOR VARIABLE HOME POSITION DISPENSESYSTEM”，申請(qǐng)人為L(zhǎng)averdiere等，申請(qǐng)日為2005年11月21日(ENTG1590/PCT))中所述(這兩篇文獻(xiàn)都被本文參引)，分配泵的初始位置可以是這樣的位置，它使得在分配泵處有用于分配循環(huán)的最大可用容積，但是小于分配泵可以提供的最大可用容積。初始位置根據(jù)分配循環(huán)的各種參數(shù)來(lái)進(jìn)行選擇，以便減小多級(jí)泵100的無(wú)用滯留容積。類(lèi)似地，供給泵150可以運(yùn)動(dòng)至初始位置，該初始位置提供的容積小于它的最大可用容積。當(dāng)流體流入分配腔室185中時(shí)，流體壓力增加。分配腔室185中的壓力可以通過(guò)調(diào)節(jié)供給泵150的速度來(lái)控制，如美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 11/292559 (標(biāo)題為“SYSTEM AND METHODFOR CONTROL OF FLUID PRESSURE”，申請(qǐng)人為 Gonnella 等，申請(qǐng)日為 2005 年 12 月 2 日(ENTG1630))中所述，該文獻(xiàn)被本文參引。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)分配腔室185中的流體壓力達(dá)到預(yù)定壓力設(shè)置點(diǎn)時(shí)(例如由壓力傳感器112來(lái)確定)，分配級(jí)泵180開(kāi)始使得分配級(jí)隔膜190后退。換句話說(shuō)，分配級(jí)泵180增加分配腔室185的可用容積，以便允許流體流入分配腔室185中。這例如可以通過(guò)以預(yù)定速率使分配馬達(dá)200反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而使得分配腔室185中的壓力降低。當(dāng)分配腔室185中的壓力下降至低于設(shè)置點(diǎn)(在系統(tǒng)的公差內(nèi))時(shí)，供給馬達(dá)175的速率增大，從而使得分配腔室185中的壓力達(dá)到設(shè)置點(diǎn)。當(dāng)壓力超過(guò)設(shè)置點(diǎn)(在系統(tǒng)的公差內(nèi))時(shí)，供給馬達(dá)175的速率減小，從而使得下游分配腔室185中的壓力減小。增大和減小供給馬達(dá)175速度的過(guò)程可以重復(fù)進(jìn)行，直到分配級(jí)泵達(dá)到初始位置，在該位置點(diǎn)，兩個(gè)馬達(dá)可以停止。根據(jù)另一實(shí)施例，第一級(jí)馬達(dá)的速度在過(guò)濾段中可以使用“死區(qū)”控制方案來(lái)控制。當(dāng)分配腔室185中的壓力達(dá)到初始界限值時(shí)，分配級(jí)泵可以使得分配級(jí)隔膜190運(yùn)動(dòng)，以便使流體更自由地流入分配腔室185中，從而使得分配腔室185中的壓力降低。當(dāng)壓力降低至低于最小壓力界限值時(shí)，供給馬達(dá)175的速度增大，從而使得分配腔室185中的壓力增大。當(dāng)分配腔室185中的壓力增大至超過(guò)最大壓力界限值時(shí)，供給馬達(dá)175的速度降低。還有，增大和減小供給馬達(dá)175的速度的過(guò)程可以重復(fù)進(jìn)行，直到分配級(jí)泵達(dá)到初始位置。在通氣段開(kāi)始時(shí)，隔離閥130打開(kāi)，阻擋閥135關(guān)閉，通氣閥145打開(kāi)。在另一實(shí)施例中，阻擋閥135可以在通氣段中保持打開(kāi)，在通氣段結(jié)束時(shí)關(guān)閉。在該時(shí)間中，當(dāng)阻擋閥135打開(kāi)時(shí)，控制器能夠了解壓力，因?yàn)榉峙淝皇抑械膲毫?該壓力可以由壓力傳感器112來(lái)測(cè)量)將受到過(guò)濾器120中的壓力的影響。供給級(jí)泵150向流體施加壓力，以便通過(guò)打開(kāi)的通氣閥145而從過(guò)濾器120中除去空氣泡。供給級(jí)泵150可以控制成以預(yù)定速率進(jìn)行通氣，能夠有更長(zhǎng)的通氣時(shí)間和更低的通氣速率，從而能夠精確控制通氣浪費(fèi)量。當(dāng)供給泵是氣動(dòng)類(lèi)型泵時(shí)，流體流限制器可以布置在通氣流體通路中，且施加在供給泵上的氣動(dòng)壓力可以增加或降低，以便保持“通氣”設(shè)置點(diǎn)壓力，從而對(duì)在其它情況下無(wú)法控制的方法進(jìn)行一些控制。在清洗段開(kāi)始時(shí)，隔離閥130關(guān)閉，阻擋閥135關(guān)閉(當(dāng)它在通氣段打開(kāi)時(shí))，通氣閥145關(guān)閉，且清洗閥140打開(kāi)，進(jìn)口閥125打開(kāi)。分配泵180向分配腔室185中的流體施加壓力，以便使空氣泡通過(guò)清洗閥140排出。在靜態(tài)清洗段，分配泵180關(guān)閉，但是清洗閥140保持打開(kāi)，以便繼續(xù)通氣。在清洗或靜態(tài)清洗段中除去的任何多余流體都可以從多級(jí)泵100排出(例如返回流體源或丟棄)，或者重新循環(huán)至供給級(jí)泵150。在準(zhǔn)備段，進(jìn)口閥125、隔離閥130和阻擋閥135可以打開(kāi)，清洗閥140關(guān)閉，這樣，供給級(jí)泵150可以達(dá)到源(例如源瓶)的周?chē)鷫毫?。根?jù)另一實(shí)施例，全部閥在準(zhǔn)備段都關(guān)閉。在分配段，出口閥147打開(kāi)，分配泵180向分配腔室185中的流體施加壓力。因?yàn)槌隹陂y147可以反應(yīng)成比分配泵180更慢地進(jìn)行控制，因此出口閥147可以首先打開(kāi)，且預(yù)定時(shí)間后再起動(dòng)分配馬達(dá)200。這防止分配泵180通過(guò)局部打開(kāi)的出口閥147而將流體推出。而且，這防止流體由于閥打開(kāi)(它是微型泵)而從分配噴嘴向上運(yùn)動(dòng)，隨后通過(guò)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行向前流體運(yùn)動(dòng)。在其它實(shí)施例中，可以同時(shí)使出口閥147打開(kāi)和由分配泵180開(kāi)始分配。還可以進(jìn)行附加反吸段，在該附加反吸段中，除去在分配噴嘴中的多余流體。在反吸段中，出口閥147可以關(guān)閉，且第二馬達(dá)或真空可以用于將多余流體吸出出口噴嘴。也可選擇，出口閥147可以保持打開(kāi)，分配馬達(dá)200可以使該流體反向回到分配腔室中。反吸段幫助防止多余流體滴至晶片上。圖3是使用多級(jí)泵100的泵送系統(tǒng)10的示意圖。泵送系統(tǒng)10還可以包括流體源15和泵控制器20，它們與多級(jí)泵100 —起工作，以便將流體分配至晶片25上。多級(jí)泵100的操作可以由泵控制器20來(lái)控制。泵控制器20可以包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)27 (例如RAM、ROM、閃存、光盤(pán)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器或者其它計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì))，該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)27包含一組控制指令30，用于控制多級(jí)泵100的操作。處理器35 (例如CPU、ASIC、RISC、DSP或其它處理器)可以執(zhí)行這些指令。泵控制器20可以在泵100的內(nèi)部或者外部。具體地說(shuō)，泵控制器可以存在于多級(jí)泵100上，或者通過(guò)用于傳遞控制信號(hào)、數(shù)據(jù)或其它信息的一個(gè)或多個(gè)通信鏈路而與多級(jí)泵100連接。例如，泵控制器20在圖3中表示為通過(guò)通信鏈路40和45而與多級(jí)泵100通信連接。通信鏈路40和45可以是網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)、全球局域網(wǎng)、DeviceNet網(wǎng)或者其它本領(lǐng)域已知或發(fā)展的網(wǎng)絡(luò))、總線(例如SCSI總線)或者其它通信鏈路。泵控制器20可以實(shí)現(xiàn)為在它上面的PCB板、遙控器，或者以其它合適方式實(shí)現(xiàn)。泵控制器20可以包括合適的界面(例如網(wǎng)絡(luò)界面、I/O界面、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和其它部件)，以便使泵控制器20能夠與多級(jí)泵100通信。泵控制器20可以包括本領(lǐng)域已知的各種計(jì)算機(jī)部件，包括處理器、存儲(chǔ)器、界面、顯示裝置、外圍設(shè)備或者其它計(jì)算機(jī)部件。泵控制器20可以控制多級(jí)泵中的各種閥和馬達(dá)，以使多級(jí)泵精確分配流體，包括低粘性流體(即小于100厘泊)或其它流體。在美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)NO. 60/741657 (標(biāo)題為“I/O INTERFACE SYSTEM ANDMETHOD FOR A PUMP”，申請(qǐng)人為Cedrone等，申請(qǐng)日為2005年12月2日(ENTG1810))中所述的I/O界面連接器介紹了可用于使泵控制器20與各種界面和制造工具連接的I/O適配器。圖4提供了用于多級(jí)泵100的各操作段的閥和分配馬達(dá)正時(shí)的示意圖。盡管各閥表示為在段變化過(guò)程中同時(shí)關(guān)閉，但是閥的關(guān)閉時(shí)間可以稍微分開(kāi)(例如100毫秒)，以便降低壓力峰值。例如，在通氣和清洗段，隔離閥130可以稍微在通氣閥145之前關(guān)閉。不過(guò)應(yīng)當(dāng)知道，在本發(fā)明的不同實(shí)施例中也可以采用其它的閥正時(shí)。另外，多個(gè)段可以一起進(jìn)行(例如充裝/分配階段可以同時(shí)進(jìn)行，這時(shí)，進(jìn)口閥和出口閥可以在分配/充裝段打開(kāi))。還應(yīng)當(dāng)知道，各循環(huán)中并不必須重復(fù)特定段。例如，清洗和靜態(tài)清洗段可以并不在每個(gè)循環(huán)都執(zhí)行。類(lèi)似地，通氣段可以并不在每個(gè)循環(huán)都執(zhí)行。還有，在重新裝入之前可以執(zhí)行多個(gè)分配。各個(gè)閥的打開(kāi)和關(guān)閉可以引起流體中的壓力峰值。例如，在靜態(tài)清洗段結(jié)束時(shí)關(guān)閉清洗閥140可以使得分配腔室185中的壓力增大。這種情況可能出現(xiàn)，因?yàn)楦鏖y可以在它關(guān)閉時(shí)排出少量流體。例如，清洗閥140可以在它關(guān)閉時(shí)向分配腔室185中排出少量流體。因?yàn)楫?dāng)由于清洗閥140關(guān)閉引起壓力增大時(shí)出口閥147關(guān)閉，因此在隨后的分配段中當(dāng)壓力并不降低時(shí)可能使得流體“射出”至晶片上。為了在靜態(tài)清洗段(或者附加段)中釋放該壓力，分配馬達(dá)200可以反向，以便使活塞192退回預(yù)定距離，以便補(bǔ)償由于阻擋閥135和/或清洗閥140關(guān)閉而引起的任何壓力增大。由閥(例如清洗閥140)關(guān)閉引起的壓力增大的一個(gè)校正實(shí)施例在美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 60/741681(標(biāo)題為“SYSTEM AND METHOD FORCORRECTING FOR PRESSURE VARIATIONS USING A MOTOR”，申請(qǐng)人為 Gonnela 等，申請(qǐng)日為2005年12月2日(ENTG1420-3))中介紹，該文獻(xiàn)被本文參引。通過(guò)避免關(guān)閉閥產(chǎn)生夾帶空間和在夾帶空間之間打開(kāi)閥，也可以減小處理流體中的壓力峰值。美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 60/742168 (標(biāo)題為“METHOD AND SYSTEM FOR VALVESEQUENCING IN A PUMP”，申請(qǐng)人為 Gonnella 等，申請(qǐng)日為 2005 年 12 月 2 日(ENTG1740))介紹了用于正時(shí)閥打開(kāi)和關(guān)閉的一個(gè)實(shí)施例，以便降低在處理流體中的壓力峰值。還應(yīng)當(dāng)知道，在準(zhǔn)備段中，在分配腔室185中的壓力可以根據(jù)隔膜的特性、溫度或其它因素而變化。分配馬達(dá)200可以進(jìn)行控制，以便補(bǔ)償該壓力偏移，如美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 60/741682 (標(biāo)題為 “SYSTEM AND METHOD FOR PRESSURE COMPENSATION IN A PUMP”，申請(qǐng)人為James Cedrone,申請(qǐng)日為2005年12月2日(ENTG1800))中所述，該文獻(xiàn)被本文參引。因此，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種具有平穩(wěn)流體處理特征的多級(jí)泵，它能夠避免或減小可能的有害壓力變化。本發(fā)明實(shí)施例還可以使用其它泵控制機(jī)構(gòu)和閥襯，以便幫助降低處理流體壓力的不利影響。用于多級(jí)泵100的泵組件的附加實(shí)例可以在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 11/051576 (標(biāo)題為“PUMP CONTROLLER FOR PRECISION PUMPING APPARATUS”，申請(qǐng)人為Zagars等，申請(qǐng)日為2005年2月4日(ENTG1420-2))中知道，該文獻(xiàn)被本文參引。在一個(gè)實(shí)施例中，多級(jí)泵100包括作為供給馬達(dá)175的步進(jìn)馬達(dá)和作為分配馬達(dá)200的BLDCM 3030。合適的馬達(dá)和相關(guān)部件可以由Dover, NH, USA的EAD Motors等獲得。在工作時(shí)，BLDCM 3030的定子產(chǎn)生定子通量，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)子通量。在定子通量和轉(zhuǎn)子通量之間的相互作用限定了力矩，并因此限定了 BLDCM 3030的速度。在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)用于實(shí)現(xiàn)全部場(chǎng)定向控制(F0C)。FOC算法在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中使用的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行軟件指令中實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器以及芯片級(jí)硬件外圍設(shè)備可以有計(jì)算能力、速度和可編程性，以便在微秒范圍內(nèi)以相對(duì)較少的附加成本來(lái)控制BLDCM 3030和完全執(zhí)行FOC算法?？梢杂糜趯?shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)DSP實(shí)例是可由Dallas，TX, USA中的Texas Instruments Inc.獲得的 16 位 DSP (部件號(hào)為 TMS320F2812PGFA)。BLDCM 3030可以包括至少一個(gè)位置傳感器，以便感測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)子位置。在一個(gè)實(shí)施例中，位置傳感器可以在BLDCM 3030的外部。在一個(gè)實(shí)施例中，位置傳感器可以在BLDCM3030的內(nèi)部。在一個(gè)實(shí)施例中，BLDCM 3030可以無(wú)傳感器。在圖1所示的實(shí)例中，位置傳感器3040與BLDCM 3030連接，用于BLDCM 3030的實(shí)際轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)反饋，它由DSP使用，以便控制BLDCM 3030。具有位置傳感器3040的附加優(yōu)點(diǎn)是它證實(shí)了極其精確和可重復(fù)的機(jī)械活塞位置控制(例如圖2的活塞192)，這意味著在活塞移動(dòng)分配泵中極其精確和可重復(fù)地控制流體運(yùn)動(dòng)和分配量(例如圖2的分配泵180)。在一個(gè)實(shí)施例中，活塞傳感器3040是細(xì)線旋轉(zhuǎn)位置編碼器。在一個(gè)實(shí)施例中，位置傳感器3040為2000線編碼器。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，2000線編碼器可以向DSP提供8000脈沖或計(jì)數(shù)。當(dāng)使用2000線編碼器時(shí)，可以以0. 045旋轉(zhuǎn)度來(lái)精確測(cè)量和控制。也可以使用其它合適的編碼器，例如，位置傳感器3040可以是1000或8000線編碼器。BLDCM 3030可以以非常低的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，且仍然保持恒定速度，這意味著很少或者無(wú)振動(dòng)。在其它技術(shù)例如步進(jìn)馬達(dá)中，不能夠在不將振動(dòng)引入泵送系統(tǒng)中的情況下以較低速度運(yùn)轉(zhuǎn)，這是由于較差的恒定速度控制產(chǎn)生的。該變化將引起較差的分配性能，并導(dǎo)致非常窄的操作窗口范圍。另外，振動(dòng)可能對(duì)處理流體有不利影響。下面的表I和圖5 — 9比較了步進(jìn)馬達(dá)和BLDCM，并顯示了利用BLDCM 3030作為多級(jí)泵100中的分配馬達(dá)200的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。表I
權(quán)利要求
1.一種泵，其包括分配泵，其中，所述分配泵是活塞位移泵，它包括分配腔室；活塞;分配級(jí)隔膜，所述分配級(jí)隔膜位于所述分配腔室和所述活塞之間；無(wú)刷DC馬達(dá)；以及絲杠，所述絲杠連接所述活塞和所述無(wú)刷DC馬達(dá)；其中，所述無(wú)刷DC馬達(dá)由計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)所包含的軟件指令來(lái)控制，所述軟件指令能由執(zhí)行控制方案的處理器來(lái)執(zhí)行，且所述處理器與所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)和所述泵通信連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，還包括位置傳感器，所述位置傳感器與所述無(wú)刷DC馬達(dá)連接，并與所述處理器進(jìn)行通信，用于提供所述無(wú)刷DC馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)位置反饋。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵，其中所述位置傳感器在內(nèi)部或外部與所述無(wú)刷DC馬達(dá)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵，其中所述位置傳感器可操作以提供測(cè)量，所述測(cè)量便于以O(shè). 045的無(wú)刷DC馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)度來(lái)控制所述活塞。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，其中所述控制方案設(shè)置成通過(guò)使得所述無(wú)刷DC馬達(dá)在單個(gè)循環(huán)過(guò)程中以至少兩個(gè)控制器頻率運(yùn)行而產(chǎn)生最少的熱量，所述至少兩個(gè)控制器頻率包括用于所述單個(gè)循環(huán)的分配部分的第一頻率。
6.一種控制泵中的機(jī)械活塞的位置的方法，包括使所述機(jī)械活塞與無(wú)刷DC馬達(dá)連接；使用位置傳感器，用于所述機(jī)械活塞的實(shí)時(shí)位置反饋；以及根據(jù)執(zhí)行控制方案的軟件指令來(lái)控制所述無(wú)刷DC馬達(dá)的控制循環(huán)的操作頻率；其中，所述軟件指令存在于計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，并可由處理器來(lái)執(zhí)行；所述處理器與所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)和所述泵通信連接；所述控制方案在分配過(guò)程中增大所述無(wú)刷DC馬達(dá)的所述操作頻率，以便提高所述機(jī)械活塞的位置控制，而在非分配操作的過(guò)程中減小所述無(wú)刷DC馬達(dá)的所述操作頻率，以便使產(chǎn)生的熱量最少。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括在循環(huán)的分配部分中使得所述無(wú)刷DC馬達(dá)的所述操作頻率增大至大約30kHz。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括在循環(huán)的非分配部分中使得所述無(wú)刷DC馬達(dá)的所述操作頻率減小至大約IOkHz。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述泵是單級(jí)泵或多級(jí)泵。
全文摘要
本發(fā)明所披露的系統(tǒng)和方法的實(shí)施例利用無(wú)刷DC馬達(dá)(BLDCM)驅(qū)動(dòng)泵系統(tǒng)中的單級(jí)或多級(jí)泵，用于實(shí)時(shí)、平滑運(yùn)動(dòng)以及極其精確和可重復(fù)地對(duì)流體運(yùn)動(dòng)和分配量進(jìn)行位置控制，其在半導(dǎo)體制造中非常有用。該BLDCM可以利用位置傳感器，來(lái)對(duì)執(zhí)行定制場(chǎng)定向控制方案的處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)位置反饋。本發(fā)明的實(shí)施例能夠通過(guò)定制控制方案，根據(jù)潛在函數(shù)的關(guān)鍵程度，通過(guò)增加和減小BLDCM的操作頻率來(lái)減小產(chǎn)生的熱量，而不會(huì)損害分配泵的精確位置控制。該控制方案能夠以非常低的速度運(yùn)行BLDCM，同時(shí)保持恒定的速度，這就使得泵系統(tǒng)能夠在很寬的速度范圍下操作，具有很小的變化，大大地增加了分配性能和操作能力。
文檔編號(hào)F04B49/06GK103016324SQ20121036559
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2006年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月21日
發(fā)明者G·戈納拉, J·塞德羅恩, I·加什蓋 申請(qǐng)人:恩特格里公司