CN103016324B - 用于泵中的机械活塞的位置控制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明所披露的系统和方法的实施例利用无刷DC马达（BLDCM）驱动泵系统中的单级或多级泵，用于实时、平滑运动以及极其精确和可重复地对流体运动和分配量进行位置控制，其在半导体制造中非常有用。该BLDCM可以利用位置传感器，来对执行定制场定向控制方案的处理器进行实时位置反馈。本发明的实施例能够通过定制控制方案，根据潜在函数的关键程度，通过增加和减小BLDCM的操作频率来减小产生的热量，而不会损害分配泵的精确位置控制。该控制方案能够以非常低的速度运行BLDCM，同时保持恒定的速度，这就使得泵系统能够在很宽的速度范围下操作，具有很小的变化，大大地增加了分配性能和操作能力。

Description

用于泵中的机械活塞的位置控制的系统和方法

本分案申请是基于申请号为200680050665.7（其国际申请号为PCT/US2006/044907）、申请日为2006年11月20日、发明名称为“用于泵中的机械活塞的位置控制的系统和方法”的中国专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时专利申请No.60/741660（申请日为2005年12月2日，标题为“SYSTEM AND METHOD FOR POSITIONCONTROL OF A MECHANICAL PISTON IN A PUMP”）和60/841725（申请日为2006年9月1日，标题为“SYSTEM ANDMETHOD FOR POSITION CONTROL OF A MECHANICALPISTON IN A PUMP”）的优先权，因此这两篇文献都被本文参引。

技术领域

本发明通常涉及流体泵。特别是，本发明的实施例涉及用于在半导体制造中使用的马达驱动单级或多级泵中的机械活塞的位置控制的系统和方法。

背景技术

已经有很多用途需要对由泵送装置分配流体的量和/或速率进行精确控制。在半导体处理中，例如重要的是控制光化学药品（例如光致抗蚀剂）施加在半导体晶片上的量和速率。在处理过程中施加在半导体晶片上的涂层通常需要在晶片表面上有特定平直度和/或均匀厚度（它以埃来测量）。处理化学药品施加（即分配）在晶片上的速率必须仔细控制，以便保证处理液体均匀施加。

在目前，在半导体工业中使用的光化学药品通常非常昂贵，价格为每升$1000或更高。因此很希望保证使用最少但足够量的化学药品，并保证该化学药品不会由于泵送装置而受到损害。

不幸的是，由于很多相互关联的问题，在目前的泵送系统中可能很难获得这些希望的量。例如，由于引入供给源的问题，不同系统的压力可能变化。由于流体动力学特性，不同流体所需的压力也不同（例如，具有更高粘性的流体需要更大压力）。在工作时，来自泵送系统（例如步进马达）各个部件的振动可能对泵送系统的性能有不利影响，特别是在分配阶段。在利用气动泵的泵送系统中，当螺线管起动时，可能引起较大的压力峰值。在利用多级泵的泵送系统中，工作中的较小故障可能在液体中引起尖锐的压力峰值。这些压力峰值和随后的压力降可能损害流体（即可能不利地改变流体的物理特征）。另外，压力峰值可能导致流体压力积累，这可能使得分配泵分配比预定更多的流体，或者以具有不利动态特征的方式来分配流体。而且，由于这些问题相互关联，因此有时解决一个问题可能引起更多问题和/或使得情况更差。

通常，泵送系统不能在循环过程中令人满意地控制压力变化。因此需要新的泵送系统，它能够提供实时、平滑的运动以及对流体运动和分配量进行极其精确和可重复的位置控制。特别是，泵中的机械活塞需要精确和可重复的位置控制。本发明实施例能够解决这些和更多需要。

发明内容

本发明实施例提供了用于泵中的机械活塞的精确和可重复位置控制的系统和方法，它基本消除或减少了在半导体制造中使用的现有泵送系统和方法的缺点。特别是，本发明实施例提供了具有马达驱动泵的泵送系统。

在本发明的一个实施例中，马达驱动泵是分配泵。

在本发明的实施例中，分配泵可以是多级或单级泵的一部分。

在本发明的一个实施例中，两级分配泵通过永磁体同步马达（PMSM）和利用场定向控制（FOC）的数字信号处理器（DSP）来驱动。

在本发明的一个实施例中，分配泵由无刷DC马达（BLDCM）来驱动，该无刷DC马达有位置传感器，用于实时位置反馈。

这里所述的本发明实施例的优点包括能够提供实时平滑运动以及对于流体运动和分配量的极其精确和可重复的位置控制。

本发明的目的是降低发热，同时不会不希望地损害分配阀的精确位置控制。该目的可通过具有定制控制方案的本发明实施例来实现，该定制控制方案设置成增加用于关键函数（例如分配）的马达位置控制算法的操作频率，并减少对于非关键函数的可选范围的操作频率。

本发明实施例的另一优点是提高速度控制。这里的定制控制方案可以使马达在非常低的速度下运转，同时仍保持恒定速度，这使得这里所述的新泵送系统能够在很宽的速度范围内工作，且变化最小，从而大大提高了分配性能和工作能力。

附图说明

参考下面的说明并结合附图，可以更完全地了解本发明和本发明的优点，在附图中，相同参考标号表示相同特征，且附图中：

图1是根据本发明一个实施例的、具有无刷DC马达的马达组件的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的、利用无刷DC马达的多级泵（“多级泵”）的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的、利用多级泵的泵送系统的示意图；

图4是用于本发明一个实施例的阀和马达定时的示意图；

图5是根据本发明一个实施例的、比较无刷DC马达和步进马达的平均力矩输出和速度范围的曲线图；

图6是根据本发明一个实施例的、在无刷DC马达和步进马达之间比较平均马达电流和负载的曲线图；

图7是表示在30kHz马达操作和10kHz马达操作之间的差异的曲线图；

图8是根据本发明一个实施例的、表示无刷DC马达和步进马达在不同阶段的循环正时的线图；

图9是根据本发明一个实施例的、解释步进马达和无刷DC马达在过滤处理开始时的压力控制正时的线图；以及

图10是根据本发明一个实施例的、表示使用无刷DC马达的单级泵的视图。

具体实施方式

下面将参考附图介绍本发明的优选实施例，附图并不必须按比例画出，且各个附图中，相同标号用于表示相同和相应的部件。

本发明实施例涉及具有多级（“多级”）泵的泵送系统，用于在半导体制造过程中将流体供给和分配至晶片上。具体地说，本发明实施例提供了一种使用多级泵的泵送系统，它包括：供给级泵，该供给级泵由步进马达来驱动；以及分配级泵，该分配级泵由无刷DC马达来驱动，用于极其精确和可重复地控制流体运动和流体在晶片上的分配量。应当知道，使用这里所述的这种泵的多级泵和泵送系统是作为实例提供，而不是进行限制，且本发明实施例可以用于其它的多级泵结构。下面将更详细地介绍具有精确和可重复的位置控制的马达驱动泵送系统的实施例。

图1是根据本发明一个实施例的马达组件3000的示意图，该马达组件3000有马达3030和与它连接的位置传感器3040。在图1所示的实例中，隔膜组件3010通过丝杠3020而与马达3030连接。在一个实施例中，马达3030是永磁体同步马达（“PMSM”）。在刷式DC马达中，电流极性通过换向器和电刷而改变。不过，在PMSM中，通过与转子位置同步转换的功率晶体管来进行极性反转。因此，PMSM可以有类似“无刷”的特征，并认为比刷式DC马达更可靠。另外，PMSM可以通过由转子磁体产生转子磁通而获得更高效率。PMSM的另外优点包括减小振动、降低噪音（通过省略电刷）、高效散热、占地面积更小和转子惯性更低。根据定子怎样缠绕，由于马达运动而在定子中引起的反电动势（back-electromagnetic force）可以有不同型面。一种型面可以是梯形形状，另一型面可以是正弦曲线形状。在本说明书中，术语PMSM将表示所有类型的无刷永磁体马达，并可用于与术语无刷DC马达（“BLDCM”）互换。

在本发明实施例中，BLDCM 3030可以用作泵（例如图2中所示的多级泵100）中的供给马达和/或分配马达。在该实例中，多级泵100包括供给级部分105和分开的分配级部分110。供给级105和分配级110可以包括滚转隔膜泵，以便在多级泵中泵送流体。供给级泵150（“供给泵150”）例如包括：供给腔室155，用于收集流体；供给级隔膜160，用于在供给腔室155中运动和转移流体；活塞165，用于使供给级隔膜160运动；丝杠170；以及供给马达175。丝杠170通过螺母、齿轮或者用于从马达向丝杠170施加能量的其它机构而与供给马达175连接。供给马达175使得螺母旋转，该螺母再使丝杠170旋转，从而驱动活塞165。供给马达175可以为任意合适马达（例如步进马达、BLDCM等）。在本发明的一个实施例中，供给泵175使用步进马达。

分配级泵180（“分配泵180”）可以包括分配腔室185、分配级隔膜190、活塞192、丝杠195和分配马达200。分配马达200可以为任意合适马达，包括BLDCM。在本发明的一个实施例中，分配马达200使用图1的BLDCM 3030。分配马达200可以通过数字信号处理器（“DSP”）（利用在分配马达200处的场定向控制“FOC”）、通过多级泵100上的控制器或者通过单独的泵控制器（例如泵100的外部）来进行控制。分配马达200还可以包括编码器（例如细线旋转位置编码器或位置传感器3040），用于实时反馈分配马达200的位置。使用位置传感器使得活塞192的位置能够精确和可重复地进行控制，这导致精确和可重复地控制分配腔室185中的流体运动。例如，使用2000线编码器，根据一个实施例，它向DSP发送8000脉冲，这可以以0.045的旋转度来精确测量和控制。此外，BLDCM可以在很小或无振动的情况下以较低速度运转。分配级部分110还可以包括压力传感器112，该压力传感器112确定在分配级110处的流体压力。由压力传感器112确定的压力可以用于控制各泵的速度。合适的压力传感器包括基于陶瓷和聚合物的压阻和电容压力传感器，包括由德国Korb的MetalluxAG制造的压力传感器。

在流体流的透视图中，过滤器120位于供给级部分105和分配级部分110之间，以便从处理流体中过滤杂质。多个阀（例如进口阀125、隔离阀130、阻挡阀135、清洗阀140、通气阀145和出口阀147）可以合适定位，以便控制流体怎样流过多级泵100。多级泵100的阀可以打开或关闭，以便允许或限制流体流向多级泵100的各个部分。这些阀可以为气动驱动（例如气体驱动）的隔膜阀，它们根据要维持的是压力还是真空而进行打开或关闭。也可以是其它合适阀。

工作时，多级泵100可以包括准备段、分配段、充装段、预过滤段、过滤段、通气段、清洗段和静态清洗段（见图4）。在供给段，进口阀125打开，供给级泵150使得供给级隔膜160运动（例如拉动），以便将流体吸入供给腔室155中。一旦足够量的流体充入供给腔室155中，进口阀125关闭。在过滤段，供给级泵150使得供给级隔膜160运动，以便使流体离开供给腔室155。隔离阀130和阻挡阀135打开，以便允许流体流过过滤器120至分配腔室185。根据本发明一个实施例，隔离阀130可以首先打开（例如在“预过滤段”），以便能够在过滤器120中产生压力，然后，阻挡阀135打开，以便允许流体流入分配腔室185中。根据另一实施例，隔离阀130和阻挡阀135可以打开，且供给泵运动，以便在过滤器的分配侧产生压力。在过滤段，分配泵180能够运动至初始位置。如美国临时专利申请No.60/630384（标题为“SYSTEM AND METHOD FOR A VARIABLE HOME POSITIONDISPENSE SYSTEM”，申请人为Laverdiere等，申请日为2004年11月23日（ENTG1590））和PCT申请No.PCT/US2005/042127（标题为“SYSTEM AND METHOD FOR VARIABLE HOME POSITIONDISPENSE SYSTEM”，申请人为Laverdiere等，申请日为2005年11月21日（ENTG1590/PCT））中所述（这两篇文献都被本文参引），分配泵的初始位置可以是这样的位置，它使得在分配泵处有用于分配循环的最大可用容积，但是小于分配泵可以提供的最大可用容积。初始位置根据分配循环的各种参数来进行选择，以便减小多级泵100的无用滞留容积。类似地，供给泵150可以运动至初始位置，该初始位置提供的容积小于它的最大可用容积。

当流体流入分配腔室185中时，流体压力增加。分配腔室185中的压力可以通过调节供给泵150的速度来控制，如美国专利申请No.11/292559（标题为“SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL OFFLUID PRESSURE”，申请人为Gonnella等，申请日为2005年12月2日（ENTG1630））中所述，该文献被本文参引。根据本发明的一个实施例，当分配腔室185中的流体压力达到预定压力设置点时（例如由压力传感器112来确定），分配级泵180开始使得分配级隔膜190后退。换句话说，分配级泵180增加分配腔室185的可用容积，以便允许流体流入分配腔室185中。这例如可以通过以预定速率使分配马达200反转来实现，从而使得分配腔室185中的压力降低。当分配腔室185中的压力下降至低于设置点（在系统的公差内）时，供给马达175的速率增大，从而使得分配腔室185中的压力达到设置点。当压力超过设置点（在系统的公差内）时，供给马达175的速率减小，从而使得下游分配腔室185中的压力减小。增大和减小供给马达175速度的过程可以重复进行，直到分配级泵达到初始位置，在该位置点，两个马达可以停止。

根据另一实施例，第一级马达的速度在过滤段中可以使用“死区”控制方案来控制。当分配腔室185中的压力达到初始界限值时，分配级泵可以使得分配级隔膜190运动，以便使流体更自由地流入分配腔室185中，从而使得分配腔室185中的压力降低。当压力降低至低于最小压力界限值时，供给马达175的速度增大，从而使得分配腔室185中的压力增大。当分配腔室185中的压力增大至超过最大压力界限值时，供给马达175的速度降低。还有，增大和减小供给马达175的速度的过程可以重复进行，直到分配级泵达到初始位置。

在通气段开始时，隔离阀130打开，阻挡阀135关闭，通气阀145打开。在另一实施例中，阻挡阀135可以在通气段中保持打开，在通气段结束时关闭。在该时间中，当阻挡阀135打开时，控制器能够了解压力，因为分配腔室中的压力（该压力可以由压力传感器112来测量）将受到过滤器120中的压力的影响。供给级泵150向流体施加压力，以便通过打开的通气阀145而从过滤器120中除去空气泡。供给级泵150可以控制成以预定速率进行通气，能够有更长的通气时间和更低的通气速率，从而能够精确控制通气浪费量。当供给泵是气动类型泵时，流体流限制器可以布置在通气流体通路中，且施加在供给泵上的气动压力可以增加或降低，以便保持“通气”设置点压力，从而对在其它情况下无法控制的方法进行一些控制。

在清洗段开始时，隔离阀130关闭，阻挡阀135关闭（当它在通气段打开时），通气阀145关闭，且清洗阀140打开，进口阀125打开。分配泵180向分配腔室185中的流体施加压力，以便使空气泡通过清洗阀140排出。在静态清洗段，分配泵180关闭，但是清洗阀140保持打开，以便继续通气。在清洗或静态清洗段中除去的任何多余流体都可以从多级泵100排出（例如返回流体源或丢弃），或者重新循环至供给级泵150。在准备段，进口阀125、隔离阀130和阻挡阀135可以打开，清洗阀140关闭，这样，供给级泵150可以达到源（例如源瓶）的周围压力。根据另一实施例，全部阀在准备段都关闭。

在分配段，出口阀147打开，分配泵180向分配腔室185中的流体施加压力。因为出口阀147可以反应成比分配泵180更慢地进行控制，因此出口阀147可以首先打开，且预定时间后再起动分配马达200。这防止分配泵180通过局部打开的出口阀147而将流体推出。而且，这防止流体由于阀打开（它是微型泵）而从分配喷嘴向上运动，随后通过马达运动而进行向前流体运动。在其它实施例中，可以同时使出口阀147打开和由分配泵180开始分配。

还可以进行附加反吸段，在该附加反吸段中，除去在分配喷嘴中的多余流体。在反吸段中，出口阀147可以关闭，且第二马达或真空可以用于将多余流体吸出出口喷嘴。也可选择，出口阀147可以保持打开，分配马达200可以使该流体反向回到分配腔室中。反吸段帮助防止多余流体滴至晶片上。

图3是使用多级泵100的泵送系统10的示意图。泵送系统10还可以包括流体源15和泵控制器20，它们与多级泵100一起工作，以便将流体分配至晶片25上。多级泵100的操作可以由泵控制器20来控制。泵控制器20可以包括计算机可读介质27（例如RAM、ROM、闪存、光盘、磁盘驱动器或者其它计算机可读介质），该计算机可读介质27包含一组控制指令30，用于控制多级泵100的操作。处理器35（例如CPU、ASIC、RISC、DSP或其它处理器）可以执行这些指令。泵控制器20可以在泵100的内部或者外部。具体地说，泵控制器可以存在于多级泵100上，或者通过用于传递控制信号、数据或其它信息的一个或多个通信链路而与多级泵100连接。例如，泵控制器20在图3中表示为通过通信链路40和45而与多级泵100通信连接。通信链路40和45可以是网络（例如以太网、无线网、全球局域网、DeviceNet网或者其它本领域已知或发展的网络）、总线（例如SCSI总线）或者其它通信链路。泵控制器20可以实现为在它上面的PCB板、遥控器，或者以其它合适方式实现。泵控制器20可以包括合适的界面（例如网络界面、I/O界面、模数转换器和其它部件），以便使泵控制器20能够与多级泵100通信。泵控制器20可以包括本领域已知的各种计算机部件，包括处理器、存储器、界面、显示装置、外围设备或者其它计算机部件。泵控制器20可以控制多级泵中的各种阀和马达，以使多级泵精确分配流体，包括低粘性流体（即小于100厘泊）或其它流体。在美国临时专利申请NO.60/741657（标题为“I/O INTERFACESYSTEM AND METHOD FOR A PUMP”，申请人为Cedrone等，申请日为2005年12月2日（ENTG1810））中所述的I/O界面连接器介绍了可用于使泵控制器20与各种界面和制造工具连接的I/O适配器。

图4提供了用于多级泵100的各操作段的阀和分配马达正时的示意图。尽管各阀表示为在段变化过程中同时关闭，但是阀的关闭时间可以稍微分开（例如100毫秒），以便降低压力峰值。例如，在通气和清洗段，隔离阀130可以稍微在通气阀145之前关闭。不过应当知道，在本发明的不同实施例中也可以采用其它的阀正时。另外，多个段可以一起进行（例如充装/分配阶段可以同时进行，这时，进口阀和出口阀可以在分配/充装段打开）。还应当知道，各循环中并不必须重复特定段。例如，清洗和静态清洗段可以并不在每个循环都执行。类似地，通气段可以并不在每个循环都执行。还有，在重新装入之前可以执行多个分配。

各个阀的打开和关闭可以引起流体中的压力峰值。例如，在静态清洗段结束时关闭清洗阀140可以使得分配腔室185中的压力增大。这种情况可能出现，因为各阀可以在它关闭时排出少量流体。例如，清洗阀140可以在它关闭时向分配腔室185中排出少量流体。因为当由于清洗阀140关闭引起压力增大时出口阀147关闭，因此在随后的分配段中当压力并不降低时可能使得流体“射出”至晶片上。为了在静态清洗段（或者附加段）中释放该压力，分配马达200可以反向，以便使活塞192退回预定距离，以便补偿由于阻挡阀135和/或清洗阀140关闭而引起的任何压力增大。由阀（例如清洗阀140）关闭引起的压力增大的一个校正实施例在美国临时专利申请No.60/741681（标题为“SYSTEM AND METHOD FOR CORRECTING FOR PRESSUREVARIATIONS USING A MOTOR”，申请人为Gonnela等，申请日为2005年12月2日（ENTG1420-3））中介绍，该文献被本文参引。

通过避免关闭阀产生夹带空间和在夹带空间之间打开阀，也可以减小处理流体中的压力峰值。美国临时专利申请No.60/742168（标题为“METHOD AND SYSTEM FOR VALVE SEQUENCING IN APUMP”，申请人为Gonnella等，申请日为2005年12月2日（ENTG1740））介绍了用于正时阀打开和关闭的一个实施例，以便降低在处理流体中的压力峰值。

还应当知道，在准备段中，在分配腔室185中的压力可以根据隔膜的特性、温度或其它因素而变化。分配马达200可以进行控制，以便补偿该压力偏移，如美国临时专利申请No.60/741682（标题为“SYSTEM AND METHOD FOR PRESSURE COMPENSATION IN APUMP”，申请人为James Cedrone，申请日为2005年12月2日（ENTG1800））中所述，该文献被本文参引。因此，本发明实施例提供了一种具有平稳流体处理特征的多级泵，它能够避免或减小可能的有害压力变化。本发明实施例还可以使用其它泵控制机构和阀衬，以便帮助降低处理流体压力的不利影响。用于多级泵100的泵组件的附加实例可以在美国专利申请No.11/051576（标题为“PUMPCONTROLLER FOR PRECISION PUMPING APPARATUS”，申请人为Zagars等，申请日为2005年2月4日（ENTG1420-2））中知道，该文献被本文参引。

在一个实施例中，多级泵100包括作为供给马达175的步进马达和作为分配马达200的BLDCM 3030。合适的马达和相关部件可以由Dover,NH,USA的EAD Motors等获得。在工作时，BLDCM 3030的定子产生定子通量，转子产生转子通量。在定子通量和转子通量之间的相互作用限定了力矩，并因此限定了BLDCM 3030的速度。在一个实施例中，数字信号处理器（DSP）用于实现全部场定向控制（FOC）。FOC算法在计算机可读介质中使用的计算机可执行软件指令中实现。这时，数字信号处理器以及芯片级硬件外围设备可以有计算能力、速度和可编程性，以便在微秒范围内以相对较少的附加成本来控制BLDCM 3030和完全执行FOC算法。可以用于实现本发明实施例的一个DSP实例是可由Dallas,TX,USA中的Texas Instruments Inc.获得的16位DSP（部件号为TMS320F2812PGFA）。

BLDCM 3030可以包括至少一个位置传感器，以便感测实际转子位置。在一个实施例中，位置传感器可以在BLDCM 3030的外部。在一个实施例中，位置传感器可以在BLDCM 3030的内部。在一个实施例中，BLDCM 3030可以无传感器。在图1所示的实例中，位置传感器3040与BLDCM 3030连接，用于BLDCM 3030的实际转子位置的实时反馈，它由DSP使用，以便控制BLDCM 3030。具有位置传感器3040的附加优点是它证实了极其精确和可重复的机械活塞位置控制（例如图2的活塞192），这意味着在活塞移动分配泵中极其精确和可重复地控制流体运动和分配量（例如图2的分配泵180）。在一个实施例中，活塞传感器3040是细线旋转位置编码器。在一个实施例中，位置传感器3040为2000线编码器。根据本发明的一个实施例，2000线编码器可以向DSP提供8000脉冲或计数。当使用2000线编码器时，可以以0.045旋转度来精确测量和控制。也可以使用其它合适的编码器，例如，位置传感器3040可以是1000或8000线编码器。

BLDCM 3030可以以非常低的速度运转，且仍然保持恒定速度，这意味着很少或者无振动。在其它技术例如步进马达中，不能够在不将振动引入泵送系统中的情况下以较低速度运转，这是由于较差的恒定速度控制产生的。该变化将引起较差的分配性能，并导致非常窄的操作窗口范围。另外，振动可能对处理流体有不利影响。下面的表1和图5－9比较了步进马达和BLDCM，并显示了利用BLDCM 3030作为多级泵100中的分配马达200的多个优点。

表1

由表1可知，与步进马达相比，BLDCM可以提供大大增加的分辨率，并有连续旋转运动、更低功率消耗、更高力矩传送和更宽速度范围。应当知道，BLDCM分辨率可以比步进马达高或好大约10倍。因此，可以由BLDCM提供的最小改进单元称为“马达增量”，可与术语“步”区分，该“步”通常与步进马达结合使用。根据一个实施例，马达增量是当BLDCM可以提供连续运动时的最小可测量运动单元，而步进马达以离散的步来运动。

图5是根据本发明一个实施例比较步进马达和BLDCM的平均力矩输出和速度范围的曲线图，如图5中所示，BLDCM可以在比步进马达更高的速度下保持近似恒定的高力矩输出。此外，BLDCM的速度范围比步进马达更宽（例如大约1000倍或更大）。相反，步进马达将有更低的力矩输出，它将随着速度增加而不希望地降低（即力矩输出在更高速度时降低）。

图6是根据本发明一个实施例在步进马达和BLDCM之间比较平均马达电流和负载的曲线图。如图6中所示，BLDCM可以改变和调节系统的负载，并只使用承受负载所需的功率。相反，不管是否需要，步进马达都使用设置为用于最大状态的电流。例如，步进马达的峰值电流是150毫安（mA）。相同的150mA用于使得1-lb负载运动和使得10-lb负载运动，即使使得1-lb负载运动并不需要与10-lb负载同样大的电流。因此，在工作时，步进马达消耗最大状态下的功率，而不管负载如何，这使得没有效率和能量浪费。

对于BLDCM，电流随着负载的增加或降低而进行调节。在任意特殊时间点，BLDCM将自己补偿和提供使它自身以所要求速度转动所需的电流量，并根据需要产生使负载运动的力。当马达不运动时，电流可以非常低（低于10mA）。因为具有控制的BLDCM是自我补偿的（即其可以根据系统上的负载适应性地调节电流），因此其总是开启，即使在马达不运动时也是如此。相反，当步进马达根据用途而不运动时，该步进马达将关闭。

为了保持位置控制，BLDCM的控制方案需要非常频繁地运行。在一个实施例中，控制循环以30kHz运行，大约33ms每循环。因此，每33秒，控制循环进行检查，以便查看BLDCM是否处在正确位置。当是这样时，将不做任何事。当不是这样时，它将调节电流，并试图迫使BLDCM到达它应当处于的位置。该快速自我补偿动作能够进行非常精确的位置控制，在一些用途中非常希望这样。使控制循环以比正常情况（例如10kHz）更高的速度（例如30kHz）运行将意味着系统中产生额外热量。这是因为BLDCM转换电流越频繁，越有可能产生热量。

根据本发明的一个方面，在一些实施例中，BLDCM设置成考虑到热量产生。具体地说，控制循环设置成在单个循环中以两个不同速度运行。在循环的分配部分中，控制循环以较高速度（例如30kHz）运行。在循环的其余非分配部分中，控制循环以较低速度（例如10kHz）运行。在分配过程中超级精确位置控制很关键的用途中，该设置可能特别有利。例如，在分配时，控制循环以30kHz运行，它提供了良好的位置控制。其余时间中速度减小至10kHz。这样，温度可以明显降低。

循环的分配部分将根据用途来定制。作为另一实例，分配系统可以进行20秒循环。在一个20秒循环中，5秒可以用于分配，而其余15秒可以用于记录或重新装载等。在循环之间可以有15-20秒的准备时间。因此，BLDCM的控制循环将以较高频率（例如30kHz）运行很小的循环百分数（例如5秒），以较低频率（例如10kHz）运行较大百分数（例如15秒）。

本领域技术人员应当知道，这些参数（例如5秒、15秒、30kHz、10kHz等）的意思是示例性的，而不是进行限制。操作速度和时间可以合适调节或以其它方式设置，只要它们在这里所述的本发明范围和精神内。经验方法可以用于确定这些可编程参数。例如，10kHz是用于驱动BLDCM的相当普通频率。尽管可以使用不同速度，不过比10kHz更慢地运行BLDCM控制循环可能有失去位置控制的危险。因为通常很难重新获得位置控制，因此希望使BLDCM保持位置。

本发明该方面的一个目的是在循环的非分配阶段尽可能地降低速度，而不会不希望地损害位置控制。该目的可在这里所述的实施例中通过用于BLDCM的定制控制方案来获得。定制控制方案设置成增加频率（例如30kHz），以便对于关键功能（例如分配）获得一些额外/增加的位置控制。定制控制方案还通过允许以更低频率（例如10kHz）运行非关键功能而设置成降低热量产生。另外，定制控制方案设置成减小由于在非分配循环中以更低频率运行而引起的任何位置控制损失。

定制控制方案设置成提供合适的分配型面，它可以以压力为特征。该特征可以基于压力信号的偏离。例如，平压力型面将认为是平滑运动，很少振动，因此有更好的位置控制。相反，偏离压力信号将认为有较差的位置控制。图7是介绍在30kHz马达操作和10kHz马达操作（10mL，以0.5mL/s）之间的差异的曲线图。首先的20秒是分配阶段。如图7中所示，在分配阶段中，以30kHz分配具有这样的压力型面，它与在10kHz分配相比具有更小噪音和更平滑。

对于位置控制，BLDCM在10kHz和15kHz运行之间的差异可能并不明显。不过，当速度降低至低于10kHz（例如5kHz）时，可能无法足够快地获得良好位置控制。例如，BLDCM的一个实施例设置成分配流体。当位置循环的运行低于1ms（即大约10kHz或更大）时，人的眼睛不能观察到任何影响。不过，当它达到1、2或3ms的范围时，可以看见对流体的影响。作为另一实例，当阀正时的变化低于1ms时，人的眼睛不能观察到流体结果的任何变化。不过，在1、2或3ms的范围内时，可以看到变化。因此，定制控制方案优选是在大约10kHz或更大的情况下运行时间判定函数（例如定时马达、阀等）。

另一考虑涉及分配系统中的内部计算。当分配系统设置成在低至1kHz的情况下运行时，没有任何比1ms更细的分辨率，且需要小于1ms的计算将不能进行。这时，10kHz将是用于分配系统的实际频率。如上所述，这些数目的意思是示例性的。可以将速度设置成小于10kHz（例如5kHz或者甚至2kHz）。

类似地，可以将速度设置成高于30kHz，只要它满足性能需要。这里所述的示例分配系统使用具有多线（例如8000线）的编码器。在各线之间的时间是速度。即使当BLDCM相当缓慢地运行时，也有非常细的线，因此它们能够非常快，基本对于编码器发出脉冲。当BLDCM每秒运行一圈时，这意味着在该秒中的8000线和因此的8000脉冲。当脉冲的宽度不变（即它们恰好在目标宽度，且一再保持相同）时，它指示非常好的速度控制。当它们振荡时，这指示较差的速度控制，并不必须有害，这取决于系统设计（例如公差）和用途。

另一考虑涉及数字信号处理器（DSP）的处理功率的实际限制。例如，为了在一个循环中分配，可以花费几乎或恰好大约20μs来进行位置控制器、电流控制器等的所有所需计算。在30kHz运行大约30μs，这足以进行这些计算，且留有时间来运行控制器中的所有其它处理。可以使用更强大的处理器，它能够比30kHz更快地运行。不过，比30μs更快地操作导致减小返回。例如，50kHz只有大约20μs（1/50000Hz=0.00002s=20μs）。这时，可以在50kHz获得更好的速度性能，但是系统没有足够时间来进行运行控制器所需的所有处理，因此引起处理问题。还有，以50kHz运行意味着电流将更频繁地转换，这将引起上述热量产生问题。

总之，为了降低热量输出，一种方案是使得BLDCM设置成在分配过程中在较高频率（例如30kHz）下运行，而在非分配操作（例如重新装载）过程中降低或减小至较低频率（例如10kHz）。在设置定制控制方案和相关参数时考虑的因素包括位置控制性能和计算速度（它与处理器的处理能力相关）以及热量产生（它与在计算后的电流转换次数相关）。在上述实例中，在10kHz时的位置性能损失对于非分配操作并不明显，在30kHz时的位置控制对于分配非常好，且总体热量产生明显降低。通过降低热量产生，本发明实施例能够有防止温度变化影响要分配流体的技术优点。这可能在涉及分配敏感和/或昂贵流体时特别有利，在这种情况下，非常希望避免热或温度变化影响流体的任何可能性。加热流体也可能影响分配操作。一个这样的效果称为自然反吸效果。反吸效果解释为当分配操作变热时，它使得流体膨胀。当它开始在泵外部冷却时，流体收缩，并将从喷嘴端部缩回。因此，由于自然反吸效果，容积可能并不精确，并可能不一致。

图8是表示根据本发明一个实施例的、步进马达和BLDCM在不同阶段的循环正时的线图。如上述实例，步进马达用于供给马达175，而BLDCM用于分配马达200。在图8中的阴影区域表示马达在进行操作。根据本发明的一个实施例，步进马达和BLDCM可以设置成使它方便在过滤循环中进行压力控制。步进马达和BLDCM的压力控制正时的一个实例在图9中提供，在该图9中，阴影区域表示马达在进行操作。

图8和9表示了供给马达175和分配马达200的示例结构。更具体地说，一旦达到设置点，BLDCM（即分配马达200）可以开始以编程的过滤速率进行反向。这时，步进马达（即供给马达175）的速率变化，以便保持压力信号的设置点。该结构提供了多个优点。例如，在流体上没有压力峰值，流体上的压力恒定，不需要对于粘性变化来进行调节，系统至系统之间没有变化，且在流体中不会出现任何真空。

尽管介绍了多级泵，但是本发明实施例也可以用于单级泵。图10是用于泵4000的泵组件的示意图。泵4000可以类似于上述多级泵100的一级（所述分配级），并可以包括单个腔室和滚转隔膜泵，该滚转隔膜泵由这里所述的BLDCM实施例来驱动，且有相同或类似的位置控制的控制方案。泵4000可以包括分配块4005，该分配块4005限定通过泵4000的各种流体流动通路，并至少局部限定泵腔室。分配泵块4005可以是PTFE、改性PTFE或其它材料的整体块。因为这些材料并不与很多处理流体反应或者反应很小，因此使用这些材料使得流动通道和泵腔室能够在最少附加硬件的情况下直接机械加工至分配块4005中。因此，分配块4005通过提供集成流体歧管而减少了管路需要。

分配块4005还可以包括各种外部进口和出口，例如包括：进口4010，通过该进口4010来接收流体；清洗/通气出口4015，用于清洗/排出流体；以及分配出口4020，流体在分配段中通过该分配出口4020来进行分配。在图10的实例中，分配块4005包括外部清洗出口4010（当泵只有一个腔室时）。美国临时专利申请No.60/741667（标题为“O-RING-LESS LOW PROFILE FITTING AND ASSEMBLYTHEREOF”，申请人为Iraj Gashgaee，申请日为2005年12月2日（ENTG1760））（该文献被本文参引）介绍了无O形环配件的实施例，它能够用于使得分配块4005的外部进口和出口与流体管线连接。

分配块4005将流体从进口传送至进口阀（例如至少局部由阀板4030来确定），从进口阀传送至泵腔室，从泵腔室传送至通气/清洗阀，并从泵腔室传送至出口4020。泵盖4225可以保护泵马达不受损坏，而活塞壳体4027可以保护活塞，并能够由聚乙烯或其它聚合物形成。阀板4030提供了用于阀系统（例如进口阀和清洗/通气阀）的阀壳体，该阀系统能够设置成引导流体流向泵4000的各个部件。阀板4030和相应阀的形成可以与结合上述阀板230所述方式类似。各进口阀和清洗/通气阀至少局部集成至阀板4030中，并为隔膜阀，它根据施加在相应隔膜上的是压力还是真空而进行打开或关闭。也可选择，一些阀可以在分配块4005的外部，或者布置在附加阀板中。在图10的实例中，PTFE板夹在阀板4030和分配块4005之间，以便形成各阀的隔膜。阀板4030包括用于各阀的阀控制进口（未示出），以便向相应隔膜施加压力或真空。

与多级泵100相同，泵4000可以包括防止流体液滴进入多级泵100的壳体电子元件区域的多个特征。“防液滴”特征可以包括凸出唇缘、倾斜特征、在部件之间的密封件、在金属/聚合物界面处的偏离以及用于使电子元件与液滴隔离的上述其它特征。电子元件和歧管可以以与上述类似的方式设置，以便减小对泵腔室中的流体的热影响。

因此，这里所述的系统和方法的实施例利用BLDCM来驱动泵送系统中的单级泵或多级泵，用于实时、平滑运动以及极其精确和可重复地对流体运动和分配量进行位置控制，有利于半导体制造。BLDCM可以利用位置传感器来将实时位置反馈给执行定制FOC方案的处理器。相同或类似的FOC方案可用于单级和多级泵。

尽管已经参考所示实施例详细介绍了本发明，但是应当知道，说明书只是示例性的，而不是用于进行限制。还应当知道，本领域技术人员参考本说明书后可以对本发明实施例的细节进行多种变化和进行其他实施例。可以认为，所有这些变化和其他实施例都在本发明的范围和精神内。因此，本发明的范围将由下面的权利要求和它们的法律等效物来确定。

Claims (17)

1.一种泵，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；

隔膜，所述隔膜位于所述分配腔室和所述活塞之间；

无刷DC马达；以及

丝杠，所述丝杠连接所述活塞和所述无刷DC马达；

其中，所述无刷DC马达由计算机可读介质所包含的软件指令来控制，所述软件指令能由执行控制方案的处理器来执行，用于控制所述无刷DC马达，以便在单个循环的分配操作过程中以第一频率操作并在单个循环的非分配操作过程中以小于所述第一频率的第二频率操作，所述第一频率和第二频率基于关键的泵功能或非关键的泵功能来选择，所述处理器与所述计算机可读介质和所述泵通信连接。

2.根据权利要求1所述的泵，还包括：位置传感器，所述位置传感器与所述无刷DC马达连接，并与所述处理器进行通信，用于提供所述无刷DC马达的实际转子位置的实时位置反馈。

3.根据权利要求2所述的泵，其中：所述位置传感器在内部或外部与所述无刷DC马达连接。

4.根据权利要求2所述的泵，其中：所述位置传感器可操作以提供测量，所述测量便于以0.045的无刷DC马达的旋转度来控制所述活塞。

5.根据权利要求1所述的泵，其中：所述控制方案设置成用于使得所述无刷DC马达在所述单个循环的过程中以至少两个控制器频率运行，所述控制方案减小所述无刷DC马达在非分配操作过程中的操作频率，从而使产生的热量最少。

6.一种控制泵中的机械活塞的位置的方法，所述泵具有腔室、位于所述腔室和所述机械活塞之间的隔膜和位置传感器，所述方法包括：

通过丝杠使所述机械活塞与无刷DC马达连接，所述位置传感器与所述无刷DC马达连接并设置成用于提供所述无刷DC马达的实际转子位置的实时位置反馈；和

利用来自所述位置传感器的所述实时位置反馈，根据执行控制方案的软件指令来控制所述无刷DC马达，以便在单个循环的分配操作过程中以第一频率操作并在单个循环的非分配操作过程中以小于所述第一频率的第二频率操作，其中，所述第一频率和第二频率基于关键的泵功能或非关键的泵功能来选择；

其中，所述软件指令存在于计算机可读介质上，并能由处理器来执行；

其中，所述处理器与所述计算机可读介质和所述泵通信连接；

其中，在分配操作过程中以所述第一频率操作所述无刷DC马达提高对所述机械活塞的位置控制，而在非分配操作过程中以所述第二频率操作所述无刷DC马达使产生的热量最少。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述控制还包括在所述单个循环的分配部分使得所述无刷DC马达的操作频率增大至大约30kHz，所述关键的泵功能包括所述单个循环的分配部分。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述控制还包括：在所述单个循环的非分配部分使得所述无刷DC马达的操作频率减小至大约10kHz，从而使产生的热量最少。

9.根据权利要求6所述的方法，其中：所述泵是单级泵或多级泵。

10.一种多级泵，其包括：

供给泵，所述供给泵具有：

供给腔室，用于收集流体；

供给级隔膜，用于在供给腔室中运动和转移流体；

供给级活塞，用于使供给级隔膜运动；和

供给马达，用于使活塞促动；

分配泵，所述分配泵具有：

分配腔室；

分配级活塞；

分配级隔膜，所述分配级隔膜位于所述分配腔室和所述分配级活塞之间；

分配马达，其中，所述分配马达是无刷DC马达；以及

位置传感器，所述位置传感器设置成用于提供所述无刷DC马达的实际转子位置的实时位置反馈；以及

控制器，所述控制器设置成用于利用来自位置传感器的实时位置反馈来控制所述无刷DC马达，以便在单个循环的分配操作过程中以第一频率操作并在单个循环的非分配操作过程中以小于所述第一频率的第二频率操作，其中，所述第一频率和第二频率基于关键的泵功能或非关键的泵功能来选择。

11.根据权利要求10所述的多级泵，其中：所述供给马达是步进马达或无刷DC马达。

12.根据权利要求10所述的多级泵，其中：所述控制器包括利用在分配马达处的场定向控制的数字信号处理器。

13.根据权利要求10所述的多级泵，其中：位置传感器在内部或外部与所述无刷DC马达连接。

14.根据权利要求10所述的多级泵，其中：所述第一频率为大约30kHz。

15.根据权利要求10所述的多级泵，其中：所述第二频率为大约10kHz。

16.根据权利要求10所述的多级泵，其中：所述关键的泵功能包括所述单个循环的分配部分。

17.根据权利要求10所述的多级泵，其中，所述控制器设置成用于控制所述无刷DC马达，从而在非分配操作过程中以较低频率操作，以使产生的热量最少。