KR20130036380A - System and method for position control of a mechanical piston in a pump - Google Patents

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KR20130036380A KR1020137007190A KR20137007190A KR20130036380A KR 20130036380 A KR20130036380 A KR 20130036380A KR 1020137007190 A KR1020137007190 A KR 1020137007190A KR 20137007190 A KR20137007190 A KR 20137007190A KR 20130036380 A KR20130036380 A KR 20130036380A
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Abstract

본원에 개시된 시스템 및 방법의 실시예는, 유체의 운동과 토출량에 대하여 실시간 제어와, 원만한 동작의 제어, 그리고 매우 정확하고 반복적인 위치 제어를 행하기 위한, 반도체 제조에 유용한 펌핑 시스템에서, BLDCM을 이용하여 단단 펌프 혹은 다단 펌프를 구동한다. BLDCM은 맞춤 필드 지향 제어 방식을 실행하는 프로세서에 실시간으로 위치를 피드백하는 위치 센서를 채용할 수 있다. 본 발명의 실시예는 맞춤 제어 방식을 통하여 기본 기능(들)의 임계성에 따라 BLDCM의 작동 주파수를 높이고 낮춤으로써, 토출 펌프의 정확한 위치 제어를 바람직하지 못하게 양보하는 일 없이 열 발생을 줄일 수 있다. 상기 제어 방식은 BLDCM을 매우 낮은 속도로 구동시키면서 일정한 속도를 유지할 수 있으며, 이로써 펌핑 시스템은 진동을 최소화하고 토출 성능과 작업 능력을 실질적으로 증대시키면서 넓은 속도 범위로 작동할 수 있게 된다.Embodiments of the systems and methods disclosed herein utilize a BLDCM in a pumping system useful in semiconductor manufacturing for real time control of fluid movement and discharge rate, smooth motion control, and highly accurate and repeatable position control. To drive a single stage pump or a multiple stage pump. The BLDCM can employ a position sensor that feeds back the position in real time to a processor that implements a custom field-oriented control scheme. Embodiments of the present invention can reduce heat generation without undesirably yielding accurate position control of the discharge pump by raising and lowering the operating frequency of the BLDCM in accordance with the criticality of the basic function (s) through a custom control scheme. The control scheme maintains a constant speed while driving the BLDCM at a very low speed, thereby allowing the pumping system to operate over a wide speed range while minimizing vibration and substantially increasing dispensing performance and work capacity.

Description

펌프에 있어서 기계식 피스톤의 위치 제어를 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR POSITION CONTROL OF A MECHANICAL PISTON IN A PUMP}SYSTEM AND METHOD FOR POSITIONING CONTROL OF MECHANICAL PISTON IN PUMPS {{SYSTEM AND METHOD FOR POSITION CONTROL OF A MECHANICAL PISTON IN A PUMP}

관련 출원에 대한 상호 참조Cross-reference to related application

본원은 2005년 12월 2일자로 출원된 "펌프에 있어서 기계식 피스톤의 위치 제어를 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR POSITION CONTROL OF A MECHANICAL PISTON IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,660호와, 2006년 9월 1일자로 출원된 "펌프에 있어서 기계식 피스톤의 위치 제어를 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR POSITION CONTROL OF A MECHANICAL PISTON IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/841,725호를 우선권으로 주장하는데, 사실상 두 특허 출원 모두 본원에 그 내용이 참조로 인용되어 있다.This application is filed on December 2, 2005, entitled "SYSTEM AND METHOD FOR POSITION CONTROL OF A MECHANICAL PISTON IN A PUMP." / 741,660, filed on September 1, 2006, entitled "SYSTEM AND METHOD FOR POSITION CONTROL OF A MECHANICAL PISTON IN A PUMP." Application No. 60 / 841,725 is claimed as priority, in fact both patent applications are incorporated herein by reference.

본 발명은 유체 펌프에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 실시예는 반도체 제조에 유용한 모터 구동식 단단 혹은 다단 펌프에 있어서 기계식 피스톤의 위치를 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fluid pump. In particular, embodiments of the present invention relate to systems and methods for controlling the position of a mechanical piston in a motor driven single or multistage pump useful in semiconductor manufacturing.

유체가 펌핑 장치에 의해 토출되는 양 및/또는 속도에 대하여 정확한 제어를 필요로 하는 많은 용례가 있다. 반도체 처리에서는, 예컨대 포토레지스트 화학 물질과 같은 광화학 물질이 반도체 웨이퍼에 도포되는 양과 속도를 제어하는 것이 중요하다. 처리 중에 반도체 웨이퍼에 도포되는 코팅은 대개 웨이퍼 표면에 걸쳐서 소정의 평탄도 및/또는 균일한 두께를 필요로 하는데, 평탄도 및/또는 두께는 옹스트롬(Å) 단위로 측정되는 것이다. 처리 화학 물질이 웨이퍼에 도포(즉, 토출)되는 속도는, 처리 액체가 균일하게 도포되는 것을 보장하도록 신중하게 제어되어야만 한다.There are many applications that require precise control over the amount and / or speed at which fluid is discharged by the pumping device. In semiconductor processing, it is important to control the amount and speed at which photochemicals, such as photoresist chemicals, are applied to the semiconductor wafer. Coatings applied to semiconductor wafers during processing usually require a certain flatness and / or uniform thickness over the wafer surface, the flatness and / or thickness being measured in angstroms. The rate at which the processing chemicals are applied (ie, ejected) to the wafer must be carefully controlled to ensure that the processing liquid is applied uniformly.

오늘날 반도체 산업에서 사용되는 광화학 물질은 대개 매우 고가이며, 리터당 $ 1000에 달한다. 따라서, 최저의 양이지만 충분한 양의 화학 물질을 사용하는 것과, 펌핑 장치가 화학 물질에 손상을 입히지 않는 것을 보장하는 것이 매우 바람직하다.Photochemicals used in the semiconductor industry today are usually very expensive, reaching $ 1000 per liter. Therefore, it is highly desirable to use the lowest but sufficient amount of chemicals and to ensure that the pumping device does not damage the chemicals.

불행하게도, 이러한 바람직한 특성은 현재의 펌핑 시스템으로 달성하기가 매우 곤란할 수 있는데, 그 이유는 서로 관련지어져 있는 장애물이 다수 존재하기 때문이다. 예컨대, 입력 전원 문제로 인해, 압력은 시스템별로 다를 수 있다. 유체의 동적 특성과 속성으로 인하여, 압력은 유체별로 다를 필요가 있다(예컨대, 유체의 점성이 클수록 더 큰 압력을 필요로 함). 작동시에, 펌핑 시스템의 여러 부분(예컨대, 스텝 모터)에서 일어나는 진동은 펌핑 시스템의 성능에, 특히 토출 단계에서의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 공압 펌프를 이용하는 펌핑 시스템의 경우, 솔레노이드가 켜질 때에 큰 압력 스파이크가 야기될 수 있다. 또한, 다단 펌프를 이용하는 펌핑 시스템의 경우, 작동시의 작은 돌발 고장이 액체에 강렬한 압력 스파이크를 야기할 수 있다. 이러한 압력 스파이크와 뒤이은 압력 하강은 유체에 손상을 입힐 수 있다(즉, 유체의 물리적 특성을 바람직하지 못하게 변화시킬 수 있다). 추가적으로, 압력 스파이크는 유체 압력의 상승으로 이어질 수 있으며, 이로 인하여 토출 펌프는 의도했던 것보다 더 많은 유체를 토출하게 되거나 혹은 유체를 바람직하지 못한 동적 특성을 갖는 방식으로 토출하게 된다. 또한, 전술한 장애물이 서로 관련지어져 있기 때문에, 때때로 해결책은 더 많은 문제를 야기하거나 및/또는 문제를 악화시킬 수 있다.Unfortunately, this desirable feature can be very difficult to achieve with current pumping systems because there are a number of obstacles associated with each other. For example, due to input power issues, the pressure may vary from system to system. Due to the dynamic nature and properties of the fluid, the pressure needs to vary from fluid to fluid (eg, the greater the viscosity of the fluid, the greater the pressure required). In operation, vibrations that occur in various parts of the pumping system (eg step motors) can negatively affect the performance of the pumping system, in particular in the discharge stage. In pumping systems using pneumatic pumps, large pressure spikes can be caused when the solenoid is turned on. In addition, in the case of a pumping system using a multistage pump, a small breakdown in operation may cause intense pressure spikes in the liquid. This pressure spike and subsequent pressure drop can damage the fluid (ie, change the physical properties of the fluid undesirably). In addition, the pressure spike can lead to an increase in the fluid pressure, which causes the discharge pump to discharge more fluid than intended or to discharge the fluid in a manner with undesirable dynamic properties. In addition, because the aforementioned obstacles are related to each other, sometimes the solution may cause more problems and / or worsen the problems.

일반적으로, 펌핑 시스템은 사이클 동안에 압력 변동을 만족할 만하게 제어할 수 없다. 유체의 운동과 토출량에 대하여 실시간 제어와, 원만한 동작의 제어, 그리고 매우 정확하고 반복적인 위치 제어를 제공할 수 있는 새로운 펌핑 시스템이 요구되고 있다. 특히, 펌프에 있어서 기계식 피스톤의 정확하고 반복적인 위치 제어가 요구되고 있다. 본 발명의 실시예는 이러한 요구 및 그 이상에 대처할 수 있다.In general, the pumping system cannot satisfactorily control the pressure fluctuations during the cycle. There is a need for a new pumping system that can provide real-time control of fluid movement and discharge rate, smooth motion control, and highly accurate and repeatable position control. In particular, there is a demand for accurate and repeatable positional control of mechanical pistons in pumps. Embodiments of the present invention can address these needs and more.

본 발명의 실시예는 펌프에 있어서 기계식 피스톤의 정확하고 반복적인 위치 제어를 위한 시스템 및 방법을 제공하는데, 이 실시예는 반도체 제조에 사용되던 이전에 개발된 펌핑 시스템 및 방법의 단점을 실질적으로 없애거나 줄인다. 구체적으로, 본 발명의 실시예는 모터 구동식 펌프를 구비한 펌핑 시스템을 제공한다.Embodiments of the present invention provide a system and method for accurate and repeatable position control of a mechanical piston in a pump, which substantially eliminates the disadvantages of previously developed pumping systems and methods used in semiconductor manufacturing. Or reduce it. Specifically, embodiments of the present invention provide a pumping system having a motor driven pump.

본 발명의 일 실시예에서, 모터 구동식 펌프는 토출 펌프이다.In one embodiment of the invention, the motor driven pump is a discharge pump.

본 발명의 여러 실시예에서, 토출 펌프는 다단 펌프 혹은 단단 펌프의 일부일 수 있다.In various embodiments of the present invention, the discharge pump may be a multistage pump or part of a single stage pump.

본 발명의 일 실시예에서, 2단 토출 펌프는 필드 지향 제어(FOC)를 이용하는 영구자석 동기식 모터(PMSM)와 디지털 신호 처리기(DSP)에 의해 구동된다.In one embodiment of the invention, the two stage discharge pump is driven by a permanent magnet synchronous motor (PMSM) and a digital signal processor (DSP) using field directed control (FOC).

본 발명의 일 실시예에서, 토출 펌프는 실시간 위치 피드백용의 위치 센서를 구비하는 무브러시 DC 모터(BLDCM)에 의해 구동된다.In one embodiment of the invention, the discharge pump is driven by a brushless DC motor (BLDCM) having a position sensor for real time position feedback.

본원에 개시된 본 발명의 여러 실시예의 장점으로는, 유체의 운동과 토출량에 대하여 실시간 제어와, 원만한 동작의 제어, 그리고 매우 정확하고 반복적인 위치 제어를 제공할 수 있다는 점이 있다.An advantage of the various embodiments of the present invention disclosed herein is that it can provide real time control over fluid movement and discharge amount, smooth motion control, and very accurate and repeatable position control.

본 발명의 목적은 토출 펌프의 정확한 위치 제어를 바람직하지 못하게 양보하는 일 없이 열 발생을 줄이는 것이다. 이러한 목적은 토출 등과 같이 중요한 기능에 대해서는 모터의 위치 제어 알고리즘의 작동 주파수를 증대시키고 중요하지 않은 기능에 대해서는 작동 주파수를 최적 범위로 감소시키도록 구성되어 있는 맞춤 제어 방식을 갖는 본 발명의 여러 실시예에서 달성 가능하다.It is an object of the present invention to reduce heat generation without undesirably yielding accurate position control of the discharge pump. This object is achieved by various embodiments of the present invention having a custom control scheme configured to increase the operating frequency of the position control algorithm of the motor for important functions, such as ejection, and to reduce the operating frequency to an optimal range for non-critical functions. Achievable at

본 발명의 실시예에 의해 제공되는 다른 장점은 향상된 속도 제어이다. 본원에 개시된 맞춤 제어 방식은 모터를 매우 낮은 속도로 작동시킬 수 있고, 또한 일정한 속도를 유지할 수 있으며, 이로써 본원에 개시된 새로운 펌핑 시스템은 진동을 최소화하고 토출 성능과 작업 능력을 실질적으로 증대시키면서 넓은 속도 범위로 작동할 수 있게 된다.Another advantage provided by embodiments of the present invention is improved speed control. The custom control scheme disclosed herein can operate the motor at a very low speed and also maintain a constant speed, thereby allowing the new pumping system disclosed herein to achieve a wide speed while minimizing vibration and substantially increasing the discharge performance and working capacity. It will work as a range.

유사한 도면 부호로 유사한 구성 요소를 표시하고 있는 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조해 보면, 본 발명과 그 장점을 더 완전하게 이해할 수 있을 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention and its advantages will be more fully understood by reference to the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which like elements are denoted by like reference numerals.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터를 구비한 모터 조립체의 모식도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터가 실시된 다중 단 펌프("다단 펌프)의 모식도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다단 펌프가 실시된 펌핑 시스템의 모식도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관련하여 밸브 및 모터의 타이밍을 보여주는 모식도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터와 스텝 모터 간의 평균 토크 출력 및 속도의 범위를 비교하여 보여주는 도표.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터와 스텝 모터 간의 평균 모터 전류 및 부하를 비교하여 보여주는 도표.
도 7은 30 kHz의 모터 작동과 10 kHz의 모터 작동 간의 차이점을 보여주는 도표.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터와 스텝 모터의 여러 단에 있어서의 압력 제어 타이밍을 예시하는 차트.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터와 스텝 모터의 여과 공정의 초기에 있어서의 압력 제어 타이밍을 예시하는 차트.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 무브러시 DC 모터가 실시된 단단 펌프의 모식도.
1 is a schematic diagram of a motor assembly with a brushless DC motor, in accordance with an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of a multi-stage pump ("multi-stage pump) implemented with a brushless DC motor, according to one embodiment of the invention.
Figure 3 is a schematic diagram of a pumping system implemented with a multi-stage pump, according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram showing timing of a valve and a motor in accordance with an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a comparison of the range of average torque output and speed between a brushless DC motor and a step motor, according to an embodiment of the invention.
Figure 6 is a diagram showing a comparison of the average motor current and load between a brushless DC motor and a step motor, according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing the difference between motor operation at 30 kHz and motor operation at 10 kHz.
8 is a chart illustrating pressure control timing at various stages of a brushless DC motor and step motor, in accordance with an embodiment of the present invention.
9 is a chart illustrating the pressure control timing at the beginning of the filtration process of a brushless DC motor and a step motor, according to an embodiment of the invention.
10 is a schematic diagram of a single-stage pump implemented with a brushless DC motor according to an embodiment of the present invention.

여러 도면에 있어서 유사하고 대응하는 부분을 지시하는 데에 유사한 도면 부호를 사용하고 있고 축척에 맞게 도시된 것은 아닌 상기 도면을 참조로 하여, 이하에서는 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.In the drawings, like reference numerals are used to designate like and corresponding parts and will not be drawn to scale, with reference to the drawings.

본 발명의 실시예는 반도체 제조 동안에 유체를 웨이퍼 상에 공급 및 토출하기 위한 다중 단("다단") 펌프를 구비한 펌핑 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 실시예는, 유체의 운동 및 유체의 웨이퍼 상으로의 토출량을 매우 정확하게 그리고 반복적으로 제어하기 위하여, 스텝 모터에 의해 구동되는 공급 단 펌프와 무브러시 DC 모터에 의해 구동되는 토출 단 펌프를 포함하는 다단 펌프가 실시되어 있는 펌핑 시스템을 제공한다. 본원에 기술된 다단 펌프와 이러한 펌프가 실시된 펌핑 시스템은 제한의 의도로 제공된 것이 아니라 예로서 제공된 것이며, 본 발명의 실시예는 그 밖의 다단 펌프 형태에 대해서도 실시될 수 있음을 유의하라. 이하에서는 위치 제어가 매우 정확하게 그리고 반복적으로 이루어지는 모터 구동식 펌핑 시스템의 실시예를 상세히 기술한다.Embodiments of the present invention relate to a pumping system having a multistage ("multistage") pump for supplying and discharging fluid onto a wafer during semiconductor fabrication. Specifically, embodiments of the present invention provide a discharge stage driven by a feed stage pump driven by a stepper motor and a brushless DC motor, in order to control the movement of the fluid and the discharge volume onto the wafer very accurately and repeatedly. Provided is a pumping system in which a multistage pump including a stage pump is implemented. Note that the multistage pumps described herein and the pumping system in which such pumps are implemented are provided by way of example and not by way of limitation, and embodiments of the invention may be practiced with other multistage pump forms. The following describes in detail an embodiment of a motor driven pumping system in which position control is very accurately and repeatedly.

도 1은 모터(3030)와 이 모터에 결합된 위치 센서(3040)를 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 조립체(3000)의 개략도이다. 도 1에 도시된 예에서, 다이어프램 조립체(3010)는 리드 나사(3020)를 통해 모터(3030)에 연결된다. 일 실시예에서, 모터(3030)는 영구자석 동기식 모터("PMSM")이다. 브러시 DC 모터의 경우, 전류의 극성은 정류자 및 브러시에 의해 변경된다. 그러나, PMSM의 경우, 극성의 역전은 전력 트랜지스터를 회전자의 위치와 동기식으로 스위칭하는 것을 통해 수행된다. 따라서, PMSM은 "브러시가 없는" 것을 특징으로 할 수 있고, 브러시 DC 모터보다 믿을만한 것으로 고려된다. 추가적으로, PMSM은 회전자의 자석을 이용하여 회전자 자속을 발생시킴으로써 효율이 향상될 수 있다. PMSM의 다른 장점으로는 진동 감소, (브러시의 제거를 통한) 노이즈 감소, 효율적인 열 소산, 작은 점유 공간 및 작은 회전자 관성 등이 있다. 회전자의 운동에 의해 고정자 내에 유도되는 역자기력은, 고정자가 권취되는 방식에 따라 서로 다른 프로파일을 가질 수 있다. 어느 한 프로파일은 사다리꼴 형상을 가질 수 있고, 다른 프로파일은 사인파 모양을 가질 수 있다. 본원에서 용어 "PMSM"은 모든 타입의 무브러시 영구자석 모터를 대표하도록 되어 있으며, 용어 "무브러시 DC 모터(BLDCM)"와 서로 바꿔서 사용될 수 있다.1 is a schematic diagram of a motor assembly 3000 according to one embodiment of the present invention having a motor 3030 and a position sensor 3040 coupled to the motor. In the example shown in FIG. 1, the diaphragm assembly 3010 is connected to the motor 3030 through lead screws 3020. In one embodiment, the motor 3030 is a permanent magnet synchronous motor ("PMSM"). In the case of a brush DC motor, the polarity of the current is changed by the commutator and the brush. However, in the case of PMSM, reversal of polarity is performed through synchronous switching of the power transistor with the position of the rotor. Thus, a PMSM can be characterized as "brushless" and is considered more reliable than a brush DC motor. In addition, the PMSM can improve efficiency by generating rotor magnetic flux using a magnet of the rotor. Other advantages of PMSM include vibration reduction, noise reduction (by removing the brush), efficient heat dissipation, small footprint and small rotor inertia. The reverse magnetic forces induced in the stator by the movement of the rotor may have different profiles depending on how the stator is wound. One profile may have a trapezoidal shape, and the other profile may have a sinusoidal shape. The term "PMSM" is used herein to represent all types of brushless permanent magnet motors and may be used interchangeably with the term "brushless DC motor (BLDCM)".

본 발명의 실시예에서, BLDCM(3030)은 도 2에 도시된 다단 펌프(100) 등과 같은 펌프에 공급 모터 및/또는 토출 모터로서 이용될 수 있다. 이 예에서, 다단 펌프(100)는 공급 단 부분(105)과 별도의 토출 단 부분(110)을 포함한다. 공급 단(105)과 토출 단(110)은 다단 펌프(100)에서 유체를 펌핑하는 롤링 다이어프램 펌프를 포함할 수 있다. 예컨대, 공급 단 펌프(150)["공급 펌프(150)"]는 유체를 수집하기 위한 공급 챔버(155), 공급 챔버(155) 내에서 움직여서 유체를 변위시키는 공급 단 다이어프램(160), 공급 단 다이어프램(160)을 이동시키기 위한 피스톤(165), 리드 나사(170), 및 공급 모터(175)를 포함한다. 리드 나사(170)는 너트, 기어, 또는 에너지를 모터에서 리드 나사(170)로 부여하기 위한 그 밖의 기구를 통하여 공급 모터(175)에 결합된다. 공급 모터(175)는 너트를 회전시키고, 이 너트가 다시 리드 나사(170)를 회전시키며, 이로 인해 피스톤(165)이 움직이게 된다. 공급 모터(175)는 임의의 적절한 모터(예컨대, 스텝 모터, BLDCM 등)일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 공급 모터(175)는 스텝 모터로 실시된다.In an embodiment of the present invention, the BLDCM 3030 may be used as a supply motor and / or a discharge motor in a pump such as the multistage pump 100 shown in FIG. In this example, the multistage pump 100 includes a feed end portion 105 and a separate discharge end portion 110. Supply stage 105 and discharge stage 110 may include a rolling diaphragm pump for pumping fluid in multistage pump 100. For example, feed stage pump 150 (“feed pump 150”) is a feed chamber 155 for collecting fluid, a feed stage diaphragm 160 that moves within the feed chamber 155 to displace the fluid, a feed stage A piston 165, lead screw 170, and feed motor 175 for moving the diaphragm 160 are included. Lead screw 170 is coupled to feed motor 175 via a nut, gear, or other mechanism for imparting energy from the motor to lead screw 170. The supply motor 175 rotates the nut, which in turn rotates the lead screw 170, which causes the piston 165 to move. Supply motor 175 may be any suitable motor (eg, step motor, BLDCM, etc.). In one embodiment of the invention, the supply motor 175 is implemented as a step motor.

토출 단 펌프(180)["토출 펌프(180)"]는 토출 챔버(185), 토출 단 다이어프램(190), 피스톤(192), 리드 나사(195) 및 토출 모터(200)를 포함할 수 있다. 토출 모터(200)는 BLDCM을 비롯한 임의의 적절한 모터일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 토출 모터(200)는 도 1의 BLDCM(3030)으로 실시된다. 토출 모터(200)는 토출 모터(200)에서 필드 지향 제어("FOC")를 이용하는 디지털 신호 처리기("DSP")에 의해, 다단 펌프(100)에 탑재된 제어기에 의해, 또는 별도의[예컨대, 펌프(100)의 외부에 있는] 펌프 제어기에 의해 제어될 수 있다. 토출 모터(200)는 토출 모터(200)의 위치를 실시간 피드백하기 위한 인코더[예컨대, 미세 라인 회전 위치 인코더 또는 위치 센서(3040)]를 더 포함할 수 있다. 위치 센서를 사용하면, 피스톤(192)의 위치가 정확하게 그리고 반복적으로 제어되고, 이로써 토출 챔버(185)에 있어서 유체의 운동에 대한 정확하고 반복적인 제어가 행해진다. 예컨대, 일 실시예에 따라 DSP에 8000 펄스를 제공하는 2000 라인 인코더를 사용하면, 회전 각도를 0.045°단위로 정확하게 측정하고 제어할 수 있다. 또한, BLDCM은 저속에서 진동이 거의 없거나 전혀 없는 상태로 구동될 수 있다. 또한, 토출 단 부분(110)은 토출 단(100)에 있어서의 유체의 압력을 측정하는 압력 센서(112)를 더 포함할 수 있다. 압력 센서(112)에 의해 측정된 압력은 여러 펌프의 속도를 제어하는데 사용될 수 있다. 적절한 압력 센서로는 세라믹 및 폴리머 기반의, 압전저항형 및 용량성 압력 센서 등이 있으며, 이러한 센서로는 독일 코르브 소재의 Metallux AG에서 제조되는 것이 있다.The discharge stage pump 180 (“discharge pump 180”) may include a discharge chamber 185, a discharge stage diaphragm 190, a piston 192, a lead screw 195, and a discharge motor 200. . Discharge motor 200 may be any suitable motor, including BLDCM. In one embodiment of the invention, the discharge motor 200 is implemented with the BLDCM 3030 of FIG. The discharge motor 200 is controlled by a digital signal processor ("DSP") using field-oriented control ("FOC") in the discharge motor 200, by a controller mounted on the multistage pump 100, or by a separate [ Can be controlled by a pump controller that is external to the pump 100. The discharge motor 200 may further include an encoder (eg, a fine line rotational position encoder or a position sensor 3040) for feeding back the position of the discharge motor 200 in real time. Using a position sensor, the position of the piston 192 is precisely and repeatedly controlled, whereby accurate and repeatable control of the movement of the fluid in the discharge chamber 185 is made. For example, using a 2000 line encoder that provides 8000 pulses to the DSP according to one embodiment, the angle of rotation can be accurately measured and controlled in 0.045 ° increments. In addition, the BLDCM can be driven with little or no vibration at low speeds. In addition, the discharge end portion 110 may further include a pressure sensor 112 for measuring the pressure of the fluid in the discharge end (100). The pressure measured by the pressure sensor 112 can be used to control the speed of several pumps. Suitable pressure sensors include ceramic and polymer based, piezoresistive and capacitive pressure sensors, such as those manufactured by Metallux AG of Corv.

공정 유체로부터 불순물을 여과하기 위한 필터(120)는, 유체의 흐름의 관점에서 보면 공급 단 부분(105)과 토출 단 부분(110) 사이에 위치한다. 다수의 밸브[예컨대, 유입 밸브(125), 격리 밸브(130), 차단 밸브(135), 퍼지 밸브(140), 배출 밸브(145) 및 유출 밸브(147) 등]가 적절히 배치되어, 유체가 다단 펌프(100)를 통과하는 방식을 제어할 수 있다. 다단 펌프(100)의 여러 부분으로의 유체 흐름을 허용하거나 제한하도록, 다단 펌프(100)의 밸브가 개폐된다. 다단 펌프의 밸브는 정압 혹은 부압(진공)이 인가되는가에 따라 개방되거나 폐쇄되는 공압에 의해 작동되는 (즉, 가스 구동식) 다이어프램 밸브일 수 있다. 그 밖의 적절한 밸브도 가능하다.A filter 120 for filtering impurities from the process fluid is located between the feed end portion 105 and the discharge end portion 110 in terms of the flow of the fluid. A number of valves (eg, inlet valve 125, isolation valve 130, shutoff valve 135, purge valve 140, outlet valve 145, outlet valve 147, etc.) are suitably disposed to provide fluid The manner of passing through the multi-stage pump 100 can be controlled. The valve of the multistage pump 100 is opened and closed to allow or restrict fluid flow to various portions of the multistage pump 100. The valve of the multistage pump may be a diaphragm valve (ie gas driven) operated by pneumatic pressure which opens or closes depending on whether positive pressure or negative pressure (vacuum) is applied. Other suitable valves are also possible.

작동 시에, 다단 펌프(100)는 준비 구간, 토출 구간, 충전 구간, 예비 여과 구간, 여과 구간, 배출 구간, 퍼지 구간, 정적 퍼지 구간을 포함할 수 있다(도 4 참조). 공급 구간 동안에는 유입 밸브(125)가 개방되고 공급 단 펌프(150)가 공급 단 다이어프램(160)을 움직여서(예컨대, 당겨서) 유체를 공급 챔버(155) 안으로 끌어들인다. 충분한 양의 유체가 공급 챔버(155)에 채워지면, 유입 밸브(125)가 폐쇄된다. 여과 구간 동안에는 공급 단 펌프(150)가 공급 단 다이어프램(160)을 움직여서 유체를 공급 챔버(155)로부터 변위시킨다. 유체가 필터(120)를 지나서 토출 챔버(185)로 유동하는 것을 허용하도록, 격리 밸브(130)와 차단 밸브(135)가 개방된다. 일 실시예에 따르면, 필터(120)에 있어서 압력이 상승하는 것을 허용하도록 격리 밸브(130)가 먼저 (예컨대, "예비 여과 구간"에서) 개방된 이후에, 유체가 토출 챔버(185) 안으로 유동하는 것을 허용하도록 차단 밸브(135)가 개방될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 격리 밸브(130)와 차단 밸브(135)가 모두 개방될 수 있고, 필터의 토출 측에 있어서 압력을 상승시키도록 공급 펌프가 움직일 수 있다. 여과 구간 동안에, 토출 펌프(180)는 홈 위치에 이르게 될 수 있다. Laverdiere 등이 2004년 11월 23일자로 출원한 "가변 홈 위치 토출 장치용 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR A VARIABLE HOME POSITION DISPENSE SYSTEM)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/630,384호와, Laverdiere 등이 2005년 11월 21일자로 출원한 "가변 홈 위치 토출 장치용 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR A VARIABLE HOME POSITION DISPENSE SYSTEM)"이란 명칭의 국제 특허 출원 PCT/US2005/042127호, 및 2008년 9월 30일자로 출원한 대응하는 미국 국내 단계 특허 출원 제11/666,124호에 기술되어 있는 바와 같이, 토출 펌프의 홈 위치는 토출 사이클 동안에 토출 펌프에 가장 큰 가용 체적을 제공하는 위치일 수 있지만, 이 가용 체적은 토출 펌프가 제공할 수 있는 최대 가용 체적보다는 작은데, 상기 특허 출원들의 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다. 다단 펌프(100) 중에서 사용하지 않은 보유 체적을 줄이기 위해, 토출 사이클과 관련된 여러 파라미터에 기초하여 홈 위치를 선택한다. 이와 마찬가지로, 공급 펌프(150)는 그 최대 가용 체적보다 작은 체적을 제공하는 홈 위치에 이르게 될 수 있다.In operation, the multistage pump 100 may include a preparation section, a discharge section, a filling section, a preliminary filtration section, a filtration section, a discharge section, a purge section, and a static purge section (see FIG. 4). During the feed section, the inlet valve 125 is opened and the feed stage pump 150 moves (eg, pulls) the feed stage diaphragm 160 to draw fluid into the supply chamber 155. When a sufficient amount of fluid is filled in the supply chamber 155, the inlet valve 125 is closed. During the filtration section, the feed stage pump 150 moves the feed stage diaphragm 160 to displace the fluid from the feed chamber 155. Isolation valve 130 and shutoff valve 135 are opened to allow fluid to flow past filter 120 into discharge chamber 185. According to one embodiment, fluid flows into the discharge chamber 185 after the isolation valve 130 is first opened (eg, in the "preliminary filtration zone") to allow the pressure in the filter 120 to rise. The shutoff valve 135 can be opened to allow for the use. According to another embodiment, both the isolation valve 130 and the shutoff valve 135 may be open and the feed pump may move to increase the pressure on the discharge side of the filter. During the filtration section, the discharge pump 180 can be brought to the home position. US Provisional Patent Application No. 60 / 630,384 entitled "SYSTEM AND METHOD FOR A VARIABLE HOME POSITION DISPENSE SYSTEM" filed November 23, 2004 by Laverdiere et al., Laverdiere International Patent Application No. PCT / US2005 / 042127, entitled "SYSTEM AND METHOD FOR A VARIABLE HOME POSITION DISPENSE SYSTEM", filed November 21, 2005, and 2008 As described in the corresponding US National Stage Patent Application No. 11 / 666,124, filed September 30, the home position of the discharge pump may be the position that provides the largest available volume to the discharge pump during the discharge cycle. This available volume is smaller than the maximum available volume that the discharge pump can provide, the contents of which are incorporated herein by reference. In order to reduce the unused retention volume among the multistage pumps 100, the home position is selected based on several parameters related to the discharge cycle. Likewise, feed pump 150 may be brought to a home position providing a volume less than its maximum available volume.

유체가 토출 챔버(185)에 유입될 때, 유체의 압력이 증가한다. Gonnella 등이 2005년 12월 2일자로 출원한 "유압의 제어를 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL OF FLUID PRESSURE)"이란 명칭의 미국 특허 출원 제11/292,559호(현재 특허 허여됨)에 기술된 바와 같이, 토출 챔버(185) 내의 압력은 공급 펌프(150)의 속도를 조절하는 것을 통해 제어될 수 있는데, 상기 특허 출원의 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 토출 챔버(185) 내의 유체 압력이 예정된 압력 설정점에 도달할 때[예컨대, 압력 센서(112)에 의해 결정됨], 토출 단 펌프(180)는 토출 단 다이어프램(190)을 뒤로 당기기 시작한다. 다시 말해서, 토출 단 펌프(180)는 유체의 토출 챔버(185)로의 유입을 허용하도록 토출 챔버(185)의 가용 체적을 증대시킨다. 이는, 예컨대 토출 모터(200)를 예정된 속도로 역회전시켜서 토출 챔버(185) 내의 압력을 줄이는 것을 통해 실시될 수 있다. 토출 챔버(185) 내의 압력이 (시스템의 공차 범위 내에서) 설정점 아래로 떨어지는 경우, 토출 챔버(185) 내의 압력을 설정점에 도달하게 하도록 공급 모터(175)의 속도가 증대된다. 상기 압력이 (시스템의 공차 범위 내에서) 설정점을 넘어서는 경우, 공급 모터(175)의 속도는 줄어들고, 하류측 토출 챔버(185) 내의 압력이 감소하게 된다. 공급 모터(175)의 속도를 증가 및 감소시키는 공정은, 토출 단 펌프가 홈 위치에 도달할 때까지 반복될 수 있고, 이 시점에 공급 모터와 토출 모터가 모두 멈춰질 수 있다.When the fluid enters the discharge chamber 185, the pressure of the fluid increases. In US Patent Application No. 11 / 292,559 (currently patented) entitled "SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL OF FLUID PRESSURE" filed December 2, 2005 by Gonnella et al. As described, the pressure in the discharge chamber 185 can be controlled through adjusting the speed of the feed pump 150, the contents of which are incorporated herein by reference. According to one embodiment of the invention, when the fluid pressure in the discharge chamber 185 reaches a predetermined pressure set point (e.g., determined by the pressure sensor 112), the discharge stage pump 180 is discharge stage diaphragm ( 190) start pulling back. In other words, the discharge stage pump 180 increases the available volume of the discharge chamber 185 to allow the inflow of fluid into the discharge chamber 185. This can be done, for example, by reducing the pressure in the discharge chamber 185 by rotating the discharge motor 200 at a predetermined speed. When the pressure in the discharge chamber 185 falls below the set point (within the tolerance range of the system), the speed of the supply motor 175 is increased to bring the pressure in the discharge chamber 185 to reach the set point. When the pressure exceeds the set point (within the tolerance range of the system), the speed of the feed motor 175 is reduced and the pressure in the downstream discharge chamber 185 is reduced. The process of increasing and decreasing the speed of the supply motor 175 can be repeated until the discharge stage pump reaches the home position, at which point both the supply motor and the discharge motor can be stopped.

다른 실시예에 따르면, 여과 구간 동안에 제1 단 모터의 속도는 "무반응 영역" 제어 방식을 사용하여 제어될 수 있다. 토출 챔버(185) 내의 압력이 초기 임계값에 도달할 때, 토출 단 펌프는 유체의 보다 자유로운 토출 챔버(185)로의 유입을 허용하도록 토출 단 다이어프램(190)을 이동시킬 수 있고, 이에 의해 토출 챔버(185) 내의 압력이 하강하게 된다. 압력이 최저 압력 임계값 아래로 떨어지는 경우, 공급 모터(175)의 속도가 증대되어, 토출 챔버(185) 내의 압력이 증가하게 된다. 토출 챔버(185) 내의 압력이 최대 압력 임계값을 넘어서게 되는 경우, 공급 모터(175)의 속도가 줄어든다. 게다가, 공급 모터(175)의 속도를 증가 및 감소시키는 공정은, 토출 단 펌프가 홈 위치에 도달할 때까지 반복될 수 있다.According to another embodiment, the speed of the first stage motor during the filtration section can be controlled using a "no-response zone" control scheme. When the pressure in the discharge chamber 185 reaches an initial threshold, the discharge stage pump may move the discharge stage diaphragm 190 to allow the inflow of fluid into the freer discharge chamber 185, whereby the discharge chamber The pressure in 185 drops. When the pressure falls below the lowest pressure threshold, the speed of the supply motor 175 is increased, resulting in an increase in the pressure in the discharge chamber 185. When the pressure in the discharge chamber 185 exceeds the maximum pressure threshold, the speed of the supply motor 175 is reduced. In addition, the process of increasing and decreasing the speed of the supply motor 175 can be repeated until the discharge stage pump reaches the home position.

배출 구간이 시작될 때, 격리 밸브(130)는 개방되고, 차단 밸브(135)는 폐쇄되며, 배출 밸브(145)는 개방된다. 다른 실시예에서, 차단 밸브(135)는 배출 구간 동안에 개방된 채로 유지되고, 배출 구간이 끝날 때 폐쇄될 수 있다. 이러한 기간 동안에, 차단 밸브(135)가 개방되어 있다면, 압력 센서(112)에 의해 측정될 수 있는 토출 챔버 내의 압력이 필터(120)의 압력에 의해 영향을 받을 것이기 때문에, 압력은 제어기에 의해 파악될 수 있다. 공급 단 펌프(150)는 개방된 배출 밸브(145)를 통하여 기포를 필터(120)로부터 제거하도록 유체에 압력을 가한다. 배출이 예정된 속도로 일어나게 하여, 배출 시간을 늘리고 배출 속도를 늦추는 것을 허용하며, 이를 통해 배출물의 양을 정확하게 제어하는 것을 허용하도록, 공급 단 펌프(150)를 제어할 수 있다. 공급 펌프가 공압 스타일 펌프인 경우, 유체 유동 저항체가 배출 유로에 설치될 수 있고, 공급 펌프에 인가되는 공기 압력은 "배출" 설정 압력을 유지하도록 증대되거나 감소되어, 달리 제어되지 않는 방법에 대해 약간의 제어를 제공할 수 있다.When the discharge zone begins, the isolation valve 130 is open, the shutoff valve 135 is closed, and the discharge valve 145 is open. In another embodiment, the shutoff valve 135 remains open during the discharge interval and may be closed at the end of the discharge interval. During this period, if the shutoff valve 135 is open, the pressure is detected by the controller because the pressure in the discharge chamber, which can be measured by the pressure sensor 112, will be affected by the pressure of the filter 120. Can be. Feed stage pump 150 pressurizes the fluid to remove air bubbles from filter 120 via open discharge valve 145. The feed stage pump 150 can be controlled to allow the discharge to occur at a predetermined rate, thereby increasing the discharge time and slowing down the discharge rate, thereby allowing accurate control of the amount of discharge. If the feed pump is a pneumatic style pump, a fluid flow resistor can be installed in the outlet flow path, and the air pressure applied to the feed pump is increased or decreased to maintain the "outlet" set pressure, slightly for a method that is not otherwise controlled. It can provide control of.

퍼지 구간이 시작될 때, 격리 밸브(130)는 폐쇄되고, 차단 밸브(135)는 배출 구간에서 개방되어 있었다면 폐쇄되며, 배출 밸브(145)가 폐쇄되고, 퍼지 밸브(140)가 개방되며, 그리고 유입 밸브(125)가 개방된다. 토출 펌프(180)는 기포를 퍼지 밸브(140)를 통해 배출하도록 토출 챔버(185) 내의 유체에 압력을 인가한다. 정적 퍼지 구간 동안에, 토출 펌프(180)는 정지되지만, 퍼지 밸브(140)는 개방 상태로 유지되어 공기를 계속 배출한다. 퍼지 구간 또는 정적 퍼지 구간 동안에 제거되는 임의의 잉여 유체는 다단 펌프(100)의 밖으로 보내지거나(예컨대, 유체 공급원으로 되돌려 보내지거나 버려짐) 또는 공급 단 펌프(150)로 재순환될 수 있다. 준비 구간 동안에, 공급 단 펌프(150)가 공급원(예컨대, 공급 용기)의 주변 압력에 이를 수 있도록, 유입 밸브(125), 격리 밸브(130) 및 차단 밸브(135)는 개방되고 퍼지 밸브(140)는 폐쇄될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 준비 구간에서 모든 밸브는 폐쇄될 수 있다.When the purge section begins, the isolation valve 130 is closed, the shutoff valve 135 is closed if it was open in the discharge section, the discharge valve 145 is closed, the purge valve 140 is open, and the inlet The valve 125 is opened. The discharge pump 180 applies pressure to the fluid in the discharge chamber 185 to discharge the bubbles through the purge valve 140. During the static purge interval, the discharge pump 180 is stopped, but the purge valve 140 remains open to continue to discharge air. Any excess fluid removed during the purge section or the static purge section may be sent out of the multistage pump 100 (eg, returned or discarded to a fluid source) or recycled to feed stage pump 150. During the preparation period, the inlet valve 125, the isolation valve 130 and the shutoff valve 135 are opened and the purge valve 140 so that the feed stage pump 150 can reach the ambient pressure of the source (eg, the supply vessel). ) May be closed. According to another embodiment, all valves may be closed in the preparation section.

토출 구간 동안에, 유출 밸브(147)는 개방되고 토출 펌프(180)는 토출 챔버(185) 내의 유체에 압력을 인가한다. 유출 밸브(147)는 토출 펌프(180)보다 느리게 제어에 응답할 수 있기 때문에, 유출 밸브(147)가 먼저 개방되고 예정된 약간의 기간이 지난 이후에 토출 모터(200)가 기동될 수 있다. 이는 토출 펌프(180)가 유체를 부분 개방된 유출 밸브(147)를 통과하게 밀어넣는 것을 방지한다. 또한, 이는 유출 밸브의 개방으로 인해 유체가 토출 노즐을 향해 올라가는 것(이는 미니 펌프임)과, 뒤이어 토출 모터의 작동으로 인해 유체가 전진 운동하는 것을 방지한다. 다른 실시예에서는, 유출 밸브(147)가 개방되고 이와 동시에 토출 펌프(180)에 의해 토출이 시작될 수 있다.During the discharge interval, the outlet valve 147 opens and the discharge pump 180 applies pressure to the fluid in the discharge chamber 185. Since the outlet valve 147 can respond to control slower than the outlet pump 180, the outlet motor 147 can be started after the outlet valve 147 is first opened and after a predetermined period of time. This prevents the discharge pump 180 to push the fluid through the partially open outlet valve 147. This also prevents the fluid from rising towards the discharge nozzle (which is a mini pump) due to the opening of the outlet valve and subsequently the fluid from moving forward due to the operation of the discharge motor. In another embodiment, the outlet valve 147 can be opened and at the same time discharge can be initiated by the discharge pump 180.

토출 노즐 내의 잉여 유체를 제거하는 추가적인 흡입(suckback) 구간이 수행될 수 있다. 흡입 구간 동안에, 유출 밸브(147)는 폐쇄될 수 있고, 보조 모터 또는 진공을 이용하여 잉여 유체를 토출 노즐 밖으로 빨아낼 수 있다. 별법으로서, 유출 밸브(147)는 개방 상태로 유지될 수 있고, 유체를 토출 챔버 내로 다시 빨아들이도록 토출 모터(200)를 역회전시킬 수 있다. 흡입 구간은 잉여 유체가 웨이퍼 상으로 적하(滴下)하는 것을 방지하는데 기여한다.An additional suckback section may be performed to remove excess fluid in the discharge nozzle. During the intake section, the outlet valve 147 can be closed and the excess fluid can be sucked out of the discharge nozzle using an auxiliary motor or vacuum. Alternatively, the outlet valve 147 may remain open and may rotate the discharge motor 200 back to draw fluid into the discharge chamber. The suction section contributes to preventing the excess fluid from dripping onto the wafer.

도 3은 다단 펌프(100)가 실시된 펌핑 시스템(10)을 보여주는 모식도이다. 펌핑 시스템(10)은 유체를 웨이퍼(25) 상으로 토출하기 위해 다단 펌프(100)와 함께 작동하는 유체 공급원(15) 및 펌프 제어기(20)를 더 포함할 수 있다. 다단 펌프(100)의 작동은 펌프 제어기(20)에 의해 제어될 수 있다. 펌프 제어기(20)는 다단 펌프(100)의 작동을 제어하기 위한 제어 명령(30)의 세트가 들어있는 컴퓨터 판독 가능한 매체(27)(예컨대, RAM, ROM, 플래시 메모리, 광디스크, 자기 디스크, 또는 그 밖의 컴퓨터 판독 가능한 매체)를 포함할 수 있다. 프로세서(35)(예컨대, CPU, ASIC, RISC, DSP 또는 그 밖의 프로세서)는 상기 명령을 실행한다. 구체적으로, 펌프 제어기는 다단 펌프(100)에 내장되거나, 또는 제어 신호, 데이터 혹은 그 밖의 정보를 전달하기 위한 하나 이상의 통신 링크를 통하여 다단 펌프(100)에 연결될 수 있다. 예를 들면, 펌프 제어기(20)는 통신 링크(40 및 45)를 통하여 다단 펌프(100)에 통신 연결되는 것으로 도 3에 도시되어 있다. 통신 링크(40 및 45)는 네트워크(예컨대, 이더넷, 무선 네트워크, 글로벌 네트워크, DeviceNet 네크워크 또는 당업계에 알려져 있거나 개발되고 있는 그 밖의 네트워크), 버스(예컨대 SCSI 버스), 또는 그 밖의 통신 링크일 수 있다. 펌프 제어기(20)는 내장 PCB 기판 혹은 원격 제어기로서 실시되거나, 그 밖의 적절한 방식으로 실시될 수 있다. 펌프 제어기(20)가 다단 펌프(100)와 통신하는 것을 허용하기에 적합한 인터페이스(예컨대, 네트워크 인터페이스, I/O 인터페이스, 아날로그-디지털 변환기 및 그 밖의 구성 요소)가 펌프 제어기(20)에 포함될 수 있다. 펌프 제어기(20)는 프로세서, 메모리, 인터페이스, 디스플레이 장치, 주변 장치 또는 그 밖의 컴퓨터 부품 등을 비롯한 당업계에 공지된 다양한 컴퓨터 부품을 포함할 수 있다. 펌프 제어기(20)는 다단 펌프의 여러 밸브 및 모터를 제어하여, 다단 펌프가 저점도 유체(즉, 100 센티푸아즈 미만) 또는 그 밖의 유체 등을 비롯한 유체를 정확하게 토출할 수 있게 한다. Cedrone 등이 2005년 12월 2일자로 출원한 "펌프 용의 I/O 인터페이스 시스템 및 방법(I/O INTERFACE SYSTEM AND METHOD FOR A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,657호(2006년 11월 20일에 미국 특허 출원 제11/602,449호 및 국제 출원 제PCT/US06/45127호로 전환됨)에 기술되어 있는 I/O 인터페이스 커넥터가, 펌프 제어기(20)를 다양한 인터페이스 및 제조 도구에 연결하는데 사용될 수 있는 I/O 어댑터를 제공하는데, 상기 출원들 모두의 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다.3 is a schematic diagram showing a pumping system 10 in which a multistage pump 100 is implemented. The pumping system 10 may further include a fluid source 15 and a pump controller 20 that operate with the multistage pump 100 to discharge the fluid onto the wafer 25. The operation of the multistage pump 100 may be controlled by the pump controller 20. The pump controller 20 is a computer readable medium 27 (eg, RAM, ROM, flash memory, optical disk, magnetic disk, or containing a set of control instructions 30 for controlling the operation of the multistage pump 100). Other computer readable media). The processor 35 (eg, CPU, ASIC, RISC, DSP or other processor) executes the above instructions. In particular, the pump controller may be embedded in the multistage pump 100 or may be connected to the multistage pump 100 via one or more communication links for conveying control signals, data or other information. For example, the pump controller 20 is shown in FIG. 3 as being communicatively connected to the multistage pump 100 via communication links 40 and 45. The communication links 40 and 45 may be networks (eg, Ethernet, wireless networks, global networks, DeviceNet networks or other networks known or developed in the art), buses (eg SCSI buses), or other communication links. have. The pump controller 20 may be implemented as an embedded PCB substrate or remote controller, or in other suitable manner. An interface (eg, network interface, I / O interface, analog-to-digital converter and other components) suitable for allowing the pump controller 20 to communicate with the multistage pump 100 may be included in the pump controller 20. have. The pump controller 20 may include various computer components known in the art, including processors, memory, interfaces, display devices, peripherals or other computer components, and the like. The pump controller 20 controls the various valves and motors of the multistage pump to enable the multistage pump to accurately discharge fluid, including low viscosity fluids (ie, less than 100 centipoise) or other fluids. United States Provisional Patent Application No. 60 / 741,657, entitled "I / O INTERFACE SYSTEM AND METHOD FOR A PUMP," filed December 2, 2005 by Cedrone et al. (2006 I / O interface connectors, described in US Patent Application No. 11 / 602,449 and International Application No. PCT / US06 / 45127, on November 20, 2011, connect pump controller 20 to various interfaces and manufacturing tools. To provide an I / O adapter that can be used to, the contents of all of the above applications are incorporated herein by reference.

도 4는 다단 펌프(100)의 여러 작동 구간에 있어서 밸브 및 토출 모터의 타이밍을 모식적으로 보여준다. 구간이 바뀌는 동안에 몇몇 밸브가 일제히 폐쇄되는 것으로 도시되어 있지만, 압력 스파이크를 줄이기 위해 이들 밸브의 폐쇄 타이밍은 약간 구분되게(예컨대, 100 밀리초) 조절될 수 있다. 예컨대, 배출 구간과 퍼지 구간 사이에서는, 배출 밸브(145)를 폐쇄하기 바로 전에 격리 밸브(130)를 폐쇄할 수 있다. 그러나, 본 발명의 다양한 실시예에서는 다른 밸브 타이밍이 이용될 수 있음을 유의하라. 추가적으로, 몇몇 구간은 함께 수행될 수 있다(예컨대, 충전/토출 단계는 동시에 수행될 수 있으며, 이 경우에 유입 밸브와 유출 밸브 모두가 충전/토출 구간에서 개방될 수 있다). 또한, 특정 구간은 매(每) 사이클마다 반복 수행할 필요가 없음을 유의하라. 예컨대, 퍼지 구간과 정적 퍼지 구간은 매 사이클마다 수행되지는 않는다. 이와 마찬가지로, 배출 구간은 매 사이클마다 수행되지는 않는다. 또한, 재충전 이전에 여러 번의 토출이 수행될 수 있다.4 schematically shows the timing of the valve and the discharge motor in the various operating sections of the multistage pump 100. While several valves are shown to be closed in unison during the interval change, the closing timing of these valves can be adjusted slightly (eg, 100 milliseconds) to reduce pressure spikes. For example, between the discharge section and the purge section, the isolation valve 130 may be closed just before closing the discharge valve 145. However, note that other valve timings may be used in various embodiments of the present invention. In addition, several sections may be performed together (eg, the fill / discharge step may be performed simultaneously, in which case both the inlet and outlet valves may be opened in the fill / discharge section). Also note that a particular section does not need to be repeated every cycle. For example, the purge interval and the static purge interval are not performed every cycle. Likewise, the discharge section is not performed every cycle. In addition, several ejections may be performed before recharging.

여러 밸브의 개폐는 유체에 있어서 압력 스파이크를 일으킬 수 있다. 정적 퍼지 구간이 끝날 때 퍼지 밸브(140)를 폐쇄하면, 예컨대 토출 챔버(185)의 압력이 상승하게 될 수 있다. 각 밸브는 폐쇄될 때 소량의 유체를 변위시킬 수 있기 때문에, 이러한 압력 상승이 일어날 수 있다. 예컨대, 퍼지 밸브(140)의 폐쇄시에는 소량의 유체가 퍼지 밸브에 의해서 토출 챔버(185)를 향해 변위될 수 있다. 퍼지 밸브(140)의 폐쇄로 인하여 압력의 상승이 일어날 때 유출 밸브(147)가 폐쇄되기 때문에, 압력이 줄어들지 않는다면 이후의 토출 구간 동안에, 유체의 웨이퍼 상으로의 "스피팅(spitting)"이 발생할 수 있다. 이러한 압력을 정적 퍼지 구간 동안에 또는 추가적인 구간 동안에 해제하기 위해, 토출 모터(200)는 차단 밸브(135) 및/또는 퍼지 밸브(140)의 폐쇄에 의해 야기된 임의의 압력 증가를 보상하는 예정된 거리만큼 피스톤(192)을 후퇴시키도록 역회전될 수 있다. 밸브[예컨대, 퍼지 밸브(140)]의 폐쇄에 의해 야기된 압력 상승을 교정하는 것에 관한 일 실시예가, Gonnella 등이 2005년 12월 2일자로 출원한 "모터를 이용하여 압력 변동을 교정하는 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR CORRECTING FOR PRESSURE VARIATIONS USING A MOTOR)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,681호(2006년 11월 20일에 미국 특허 출원 제11/602,472호 및 국제 출원 제PCT/US06/45176호로 전환됨)에 기술되어 있으며, 상기 출원들 모두의 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다.Opening and closing several valves can cause pressure spikes in the fluid. Closing the purge valve 140 at the end of the static purge section may cause the pressure in the discharge chamber 185 to rise, for example. This pressure rise can occur because each valve can displace a small amount of fluid when it is closed. For example, when the purge valve 140 is closed, a small amount of fluid may be displaced toward the discharge chamber 185 by the purge valve. Since the outflow valve 147 closes when a pressure rise occurs due to the closing of the purge valve 140, if the pressure does not decrease, during the subsequent ejection interval, "spitting" of the fluid onto the wafer may occur. Can be. In order to release this pressure during the static purge section or during the further section, the discharge motor 200 is provided by a predetermined distance to compensate for any pressure increase caused by the closing of the shutoff valve 135 and / or the purge valve 140. It may be reversed to retract the piston 192. One embodiment for correcting the pressure rise caused by the closing of a valve (eg, purge valve 140) is described in Gonnella et al., Filed December 2, 2005, entitled "System for Correcting Pressure Fluctuations Using Motors." And U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 741,681 entitled "SYSTEM AND METHOD FOR CORRECTING FOR PRESSURE VARIATIONS USING A MOTOR" (US Patent Application No. 11 / 602,472 and International Application No. PCT / Converted to US06 / 45176), the contents of all of which are incorporated herein by reference.

또한, 공정 유체에 있어서의 압력 스파이크는, 갇힌 공간들을 형성하도록 밸브를 폐쇄하고 이러한 갇힌 공간들 사이에 있는 밸브를 개방하는 것을 회피함으로써 줄어들 수 있다. Gonnella 등이 2005년 12월 2일자로 출원한 "펌프에 있어서 밸브의 작동 순서를 정하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR VALVE SEQUENCING IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/742,168호(2006년 11월 20일에 미국 특허 출원 제11/602,465호 및 국제 출원 제PCT/US06/44980호로 전환됨)에는, 공정 유체에 있어서 압력 스파이크를 줄이기 위한 밸브 개방 및 폐쇄 타이밍의 일 실시예가 기술되어 있는데, 상기 출원들 모두의 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다.In addition, the pressure spike in the process fluid can be reduced by closing the valve to form confined spaces and avoiding opening the valve between these confined spaces. US Provisional Patent Application No. 60 / 742,168, entitled "SYSTEM AND METHOD FOR VALVE SEQUENCING IN A PUMP," filed December 2, 2005 by Gonnella et al. (Converted to US Patent Application No. 11 / 602,465 and International Application No. PCT / US06 / 44980 on November 20, 2006) describes one embodiment of valve opening and closing timing to reduce pressure spikes in process fluids. The contents of all of the above applications are hereby incorporated by reference.

또한, 준비 구간 동안에, 토출 챔버(185) 내의 압력은 다이어프램의 속성, 온도, 또는 그 밖의 인자에 기초하여 바뀔 수 있음을 유의하라. James Cedrone이 2005년 12월 2일자로 출원한 "펌프에 있어서 압력을 보상하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR PRESSURE COMPENSATION IN A PUMP)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,682호(2006년 11월 20일에 미국 특허 출원 제11/602,508호 및 국제 출원 제PCT/US06/45175호로 전환됨)에 기술되어 있는 바와 같이, 토출 모터(200)는 이러한 압력 드리프트를 보상하도록 제어될 수 있으며, 상기 출원들 모두는 본원에 그 내용이 참조로 인용되어 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 잠재적으로 유해한 압력 변동을 회피하거나 혹은 경감할 수 있는 원만한 유체 취급 특성을 갖춘 다단 펌프를 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예는 압력이 공정 유체에 미치는 유해한 영향을 줄이는 것을 돕도록 다른 펌프 제어 기구 및 밸브 라이닝을 채용할 수 있다. 다단 펌프(100)용 펌프 조립체의 추가적인 예는, Zagars 등이 2005년 2월 4일자로 출원한 "정밀 펌핑 장치용 펌프 제어기(PUMP CONTROLLER FOR PRECISION PUMPING APPARATUS)"란 명칭의 미국 특허 출원 제11/051,576호(현재, 미국 특허 제7,476,087호)에서 확인할 수 있을 것이며, 이 특허 출원의 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다.Also, note that during the preparation period, the pressure in the discharge chamber 185 may change based on the nature, temperature, or other factors of the diaphragm. U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 741,682, entitled "SYSTEM AND METHOD FOR PRESSURE COMPENSATION IN A PUMP," filed December 2, 2005 by James Cedrone. Discharge motor 200 can be controlled to compensate for this pressure drift, as described in US Patent Application No. 11 / 602,508 and International Application No. PCT / US06 / 45175 on November 20, All of these applications are incorporated herein by reference. Accordingly, embodiments of the present invention provide a multistage pump having smooth fluid handling characteristics that can avoid or mitigate potentially harmful pressure fluctuations. Embodiments of the present invention may also employ other pump control mechanisms and valve linings to help reduce the deleterious effects of pressure on process fluids. A further example of a pump assembly for a multistage pump 100 is described in US Patent Application No. 11/11 entitled "PUMP CONTROLLER FOR PRECISION PUMPING APPARATUS," filed February 4, 2005 by Zagars et al. 051,576 (currently US Pat. No. 7,476,087), the contents of which are incorporated herein by reference.

일 실시예에서, 다단 펌프(100)는 스텝 모터를 공급 모터(175)로서 포함하고 BLDCM(3030)을 토출 모터(200)로서 포함한다. 적절한 모터 및 관련 부품은 미국 뉴햄프셔주 도버에 소재하는 EAD Motors와 같은 곳으로부터 입수할 수 있다. 작동시에 BLDCM(3030)의 고정자는 고정자 자속을 일으키고 회전자는 회전자 자속을 일으킨다. 고정자 자속과 회전자 자속 간의 상호작용은 BLDCM(3030)의 토크, 더 나아가 속도를 형성한다. 일 실시예에서, 디지털 신호 처리기(DSP)는 모든 필드 지향 제어(FOC)를 수행하는데 사용된다. FOC 알고리즘은 컴퓨터 판독 가능한 매체에 수록되는 컴퓨터 실행 소프트웨어 명령으로 구현된다. BLDCM(3030)을 제어하고 FOC 알고리즘을 수 마이크로초 내에 완전히 실행하는 계산 능력, 속도 및 프로그램 가능성을 갖는 디지털 신호 처리기를, 현재는 비교적 미미한 부가 비용을 들여서 온칩 하드웨어 주변기기와 함께 사용할 수 있다. 본원에 개시된 발명의 실시예를 구현하는데 이용될 수 있는 DSP의 한 가지 예로는 텍사스주 달라스 소재의 텍사스 인스트루먼츠 인크에서 시판하는 16-비트 DSP(부품 번호 TMS320F2812PGFA)가 있다.In one embodiment, the multistage pump 100 includes a step motor as a supply motor 175 and a BLDCM 3030 as a discharge motor 200. Suitable motors and related components are available from such sources as EAD Motors, Dover, New Hampshire. In operation, the stator of the BLDCM 3030 generates stator flux and the rotor produces rotor flux. The interaction between the stator flux and the rotor flux forms the torque and, moreover, the speed of the BLDCM 3030. In one embodiment, a digital signal processor (DSP) is used to perform all field-oriented control (FOC). The FOC algorithm is implemented as computer executable software instructions contained on a computer readable medium. Digital signal processors with computational power, speed, and programmability to control the BLDCM 3030 and fully execute the FOC algorithm in a few microseconds can now be used with on-chip hardware peripherals at relatively insignificant additional costs. One example of a DSP that may be used to implement embodiments of the invention disclosed herein is a 16-bit DSP (part number TMS320F2812PGFA) available from Texas Instruments Inc. of Dallas, Texas.

BLDCM(3030)은 실제 회전자 위치를 감지하는 적어도 하나의 위치 센서를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 위치 센서는 BLDCM(3030)의 외부에 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 위치 센서는 BLDCM(3030)의 내부에 위치할 수 있다. 일 실시예에서, BLDCM(3030)은 센서를 구비하지 않을 수 있다. 도 1에 도시된 예에서, 위치 센서(3040)는 BLDCM(3030)의 실제 회전자 위치를 실시간으로 피드백하기 위해 BLDCM(3030)에 결합되어 있는데, DSP는 상기 BLDCM(3030)의 실제 회전자 위치를 사용하여 BLDCM(3030)을 제어한다. 위치 센서(3040)를 구비한 구성은, 기계식 피스톤[예컨대, 도 2의 피스톤(192)]의 위치에 대하여 매우 정확하고 반복적인 제어가 이루어져서, 토출 펌프[예컨대, 도 2의 토출 펌프(180)]의 피스톤 변위 시에 유체의 이동 및 토출량에 대하여 매우 정확하고 반복적인 제어가 확실하게 이루어진다는 추가적인 이점이 있다. 일 실시예에서, 위치 센서(3040)는 미세 라인 회전 위치 인코더이다. 일 실시예에서, 위치 센서(3040)는 2000 라인 인코더이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 2000 라인 인코더는 DSP에 8000 펄스 또는 카운트를 제공할 수 있다. 2000 라인 인코더를 사용하면, 회전 각도를 0.045°단위로 정확하게 측정하고 제어할 수 있다. 다른 적절한 인코더도 또한 사용될 수 있다. 예컨대, 위치 센서(3040)는 1000 또는 8000 라인 인코더일 수 있다.The BLDCM 3030 may include at least one position sensor that detects the actual rotor position. In one embodiment, the position sensor may be located outside of the BLDCM 3030. In one embodiment, the position sensor may be located inside the BLDCM 3030. In one embodiment, the BLDCM 3030 may not have a sensor. In the example shown in FIG. 1, the position sensor 3040 is coupled to the BLDCM 3030 to feed back the actual rotor position of the BLDCM 3030 in real time, with the DSP being the actual rotor position of the BLDCM 3030. To control the BLDCM 3030. The configuration with the position sensor 3040 is a very accurate and repeatable control of the position of the mechanical piston (eg, the piston 192 of FIG. 2), so that the discharge pump (eg, the discharge pump 180 of FIG. 2) There is an additional advantage that a very accurate and repeatable control of the movement and discharge amount of the fluid is ensured at the time of displacement of the piston. In one embodiment, the position sensor 3040 is a fine line rotational position encoder. In one embodiment, the position sensor 3040 is a 2000 line encoder. According to one embodiment of the present invention, the 2000 line encoder may provide 8000 pulses or counts to the DSP. With the 2000 line encoder, the angle of rotation can be accurately measured and controlled in 0.045 ° increments. Other suitable encoders may also be used. For example, the position sensor 3040 may be a 1000 or 8000 line encoder.

BLDCM(3030)은 매우 낮은 속도로 작동될 수 있으면서도 등속도를 유지할 수 있는데, 이는 진동이 거의 없거나 전혀 없다는 것을 의미한다. 스텝 모터 등과 같은 다른 기술에서는, 저속 작동시에 항상 진동이 펌프 시스템에 유발되었는데, 이러한 진동은 취약한 등속도 제어에 기인한 것이었다. 이러한 진동은 토출 성능을 악화시킬 것이고, 그 결과 작동의 윈도우 영역이 매우 좁아진다. 추가적으로, 진동은 공정 유체에 유해한 영향을 미칠 수 있다. 표 1과 도 5 내지 도 9는 스텝 모터와 BLDCM을 비교하고, BLDCM(3030)을 다단 펌프(100)의 토출 모터(200)로서 이용할 때 나타나는 많은 장점을 입증한다.The BLDCM 3030 can be operated at very low speeds while still maintaining constant velocity, which means little or no vibration. In other technologies, such as step motors, vibrations have always been induced in the pump system during low speed operation, which is due to poor equal speed control. This vibration will worsen the discharge performance and as a result the window area of operation becomes very narrow. In addition, vibrations can have deleterious effects on process fluids. Tables 1 and 5-9 compare the step motor with the BLDCM and demonstrate many of the advantages of using the BLDCM 3030 as the discharge motor 200 of the multistage pump 100.

항목Item 스텝 모터Step motor BLDCMBLDCM 부피 분해능(㎕/스텝)Volume resolution (μl / step) 1One 0.1 (10배 향상)0.1 (10x improvement) 기본 동작Default behavior 작동, 멈춤, 대기, 작동, 대기 멈춤;
저속에서 모터의 진동과
"토출의 플리커링"을 야기함
Work, stop, stand by, work, stand by;
The vibration of the motor at low speed
Causes "flickering of discharge"
연속 동작,
멈추지 않음
Continuous motion,
Do not stop
모터 전류, 전력Motor current, power 최대 조건에 관한 전류를 세팅하고,
요구되는 바와는 관계없이 전력 소비
Set the current for the maximum condition,
Power consumption regardless of what is required
부하에 적응 가능Adaptable to the load
토크 전달Torque transmission 낮음lowness 높음height 속도 성능Speed performance 10∼30x10-30x 30,000x30,000x

표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 스텝 모터에 비해 BLDCM은 상당히 증대된 분해능과 더불어, 연속적인 회전 동작, 낮은 전력 소비, 높은 토크 전달율 및 넓은 속도 범위를 제공할 수 있다. BLDCM의 분해능은 스텝 모터에 의해 제공되는 분해능에 비해 대략 10배 이상일 수 있다는 점을 유의하라. 이러한 이유로, BLDCM에 의해 제공될 수 있는 증분의 최소 단위는, 스텝 모터와 관련하여 일반적으로 사용되는 용어인 "스텝"과는 구분되게 "모터 증분"이라 한다. 이러한 모터 증분은 연속 동작을 제공할 수 있는 일 실시예에 따른 BLDCM에 있어서 측정 가능한 최소의 운동 단위인 반면에, 스텝 모터는 불연속적인 스텝으로 작동한다.As can be seen in Table 1, compared to step motors, BLDCMs can offer continuous rotational operation, low power consumption, high torque transfer rates and a wide range of speeds, with significantly increased resolution. Note that the resolution of the BLDCM can be approximately 10 times more than the resolution provided by the step motor. For this reason, the smallest unit of increment that can be provided by the BLDCM is referred to as "motor increment", distinct from the term "step" which is generally used in connection with a step motor. This motor increment is the smallest measurable unit of motion in the BLDCM according to one embodiment that can provide continuous operation, while the step motor operates in discrete steps.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDCM과 스텝 모터의 평균 토크 출력 및 속도 범위를 비교하여 보여주는 도표이다. 도 5에 예시된 바와 같이, BLDCM은 고속에서 스텝 모터의 토크 출력보다 거의 일정하게 높은 토크 출력을 유지할 수 있다. 또한, BLDCM의 속도 범위는 스텝 모터에 비해 더 넓다(예컨대, 1000배 이상). 이와는 대조적으로, 스텝 모터는 낮은 토크 출력을 갖는 경향이 있고 이러한 토크 출력도 속도의 증가시에 바람직하지 못하게 하락하는 경향이 있다(즉, 토크 출력이 고속에서 줄어든다).FIG. 5 is a diagram illustrating an average torque output and a speed range of a BLDCM and a stepper motor according to an exemplary embodiment of the present invention. As illustrated in FIG. 5, the BLDCM can maintain a torque output that is substantially constant above the torque output of the stepper motor at high speed. In addition, the speed range of the BLDCM is wider (eg 1000 times or more) than the step motor. In contrast, step motors tend to have low torque outputs and these torque outputs also tend to drop undesirably upon increasing speed (ie, torque output decreases at high speeds).

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDCM과 스텝 모터의 평균 모터 전류 및 부하를 비교하여 보여주는 도표이다. 도 6에 예시된 바와 같이, BLDCM은 시스템에 걸리는 부하에 적응 및 순응할 수 있고, 부하를 감당하는데 필요한 전력만을 사용한다. 이와는 대조적으로, 스텝 모터는 요구되는 바와는 관계없이, 최대 조건에 맞춰 세팅된 전류를 사용한다. 예컨대, 스텝 모터의 피크 전류는 150 밀리암페어(mA)이다. 1 lb 부하를 움직이는 데에는 10 lb 부하의 경우만큼의 전류를 필요로 하지 않음에도, 1 lb 부하뿐만 아니라 10 lb 부하를 움직이는 데에도 150 mA의 전류가 동일하게 사용된다. 그 결과, 스텝 모터는 작동 시에 부하와 상관없이 최대 조건에 관한 전력을 소비하고, 이는 에너지의 비효율적이고 비경제적인 사용을 초래한다.6 is a diagram showing a comparison of the average motor current and load of the BLDCM and step motor according to an embodiment of the present invention. As illustrated in FIG. 6, the BLDCM can adapt and adapt to the load on the system and uses only the power necessary to bear the load. In contrast, the stepper motor uses a current set for maximum conditions, regardless of what is required. For example, the peak current of the stepper motor is 150 milliamps. Although a 1 lb load does not require as much current as a 10 lb load, 150 mA of current is equally used to move a 10 lb load as well as a 1 lb load. As a result, the stepper motor consumes power in terms of maximum conditions at run time, regardless of the load, which results in inefficient and inefficient use of energy.

BLDCM의 경우에는, 부하가 증가하거나 감소함에 따라 전류가 조절된다. 임의의 특정 시점에 있어서, BLDCM은 자기(自己) 보상을 하고, BLDCM 자체를 요구 속도로 회전시키는데 필요한 전류량을 BLDCM 자체에 공급하며, 부하를 움직이기 위한 힘을 필요한 만큼만 일으킬 것이다. 모터가 움직이지 않는 경우 전류는 매우 낮을 수 있다(10 mA 미만). BLDCM의 제어는 자기 보상 타입이므로(즉, 시스템에 걸리는 부하에 따라 그에 맞게 전류를 조절할 수 있으므로), 모터가 움직이지 않는 경우라도 항상 켜져 있다. 이와는 대조적으로, 용례에 따라서 스텝 모터는 움직이지 않을 때 꺼질 수 있다.In the case of BLDCM, the current is regulated as the load increases or decreases. At any particular point in time, the BLDCM will self-compensate, supply the BLDCM itself with the amount of current needed to rotate the BLDCM itself at the required speed, and generate only the force needed to move the load. If the motor is not moving, the current can be very low (<10 mA). The control of the BLDCM is self-compensating (ie, the current can be adjusted according to the load on the system), so it is always on even if the motor is not moving. In contrast, depending on the application, the stepper motor can be turned off when not moving.

위치 제어를 유지하려면, BLDCM에 관한 제어 방식을 매우 자주 운용할 필요가 있다. 일 실시예에서, 제어 루프는 30 kHz로, 즉 사이클당 약 33 ㎳로 운용된다. 따라서, 33 ㎳마다 제어 루프는 BLDCM이 제 위치에 있는가를 체크한다. 만약 제 위치에 있다면, 어떠한 동작도 시도하지 않는다. 만약 제 위치에 있지 않다면, 전류를 조절하고 BLDCM을 제 위치로 강제 이동시키려는 시도를 한다. 이와 같은 신속한 자기 보상 동작에 의해 매우 정확한 위치 제어가 가능해지며, 이는 몇몇 용례에서 매우 바람직하다. 제어 루프를 통상적인 경우(예컨대, 10 kHz)에 비해 고속(예컨대, 30 kHz)으로 운용한다는 것은, 시스템에서 열이 과잉 발생한다는 것을 의미한다. 이는 BLDCM이 전류의 전환을 더 자주 행할수록 열 발생 기회가 더 많아지기 때문이다.In order to maintain position control, it is necessary to operate the control scheme regarding BLDCM very frequently. In one embodiment, the control loop operates at 30 kHz, i.e. at about 33 Hz per cycle. Therefore, every 33 ms the control loop checks if the BLDCM is in place. If in position, no action is attempted. If it is not in place, it attempts to regulate the current and force the BLDCM into position. This fast self-compensation operation allows very accurate position control, which is highly desirable in some applications. Operating the control loop at high speed (eg 30 kHz) compared to the conventional case (eg 10 kHz) means that the system is overheating. This is because the more often the BLDCM switches current, the greater the chance of heat generation.

본 발명의 한 가지 양태에 따르면, 몇몇 실시예에서 BLDCM은 열 발생을 감안하여 구성된다. 구체적으로, 제어 루프는 단일 사이클 동안에 2가지 서로 다른 속도로 운용되도록 구성된다. 사이클 중 토출 구간 동안에, 제어 루프는 고속(예컨대, 30 kHz)으로 운용된다. 사이클 중 토출 이외의 구간 동안에, 제어 루프는 저속(예컨대, 10 kHz)으로 운용된다. 이러한 구성은 토출 구간 동안의 매우 정확한 위치 제어가 중요한 용례에서 특히 유용할 수 있다. 예를 들면, 토출 기간 동안에 제어 루프는 30 kHz로 운용되며, 이러한 운용은 뛰어난 위치 제어를 제공한다. 나머지 기간에는 속도가 10 kHz로 되돌아간다. 이와 같이 함으로써 온도를 크게 낮출 수 있다.According to one aspect of the invention, in some embodiments the BLDCM is configured in view of heat generation. Specifically, the control loop is configured to operate at two different speeds during a single cycle. During the discharge period of the cycle, the control loop operates at high speed (eg 30 kHz). During periods other than discharge during the cycle, the control loop operates at a low speed (eg 10 kHz). This configuration can be particularly useful in applications where very accurate position control during the ejection interval is important. For example, during the discharge period the control loop operates at 30 kHz, which provides excellent position control. In the remaining period, the speed returns to 10 kHz. By doing in this way, temperature can be reduced significantly.

사이클 중 토출 구간은 용례에 따라 맞춰질 수 있다. 예를 들면, 토출 시스템은 20초 사이클을 수행할 수 있다. 한 번의 20초 사이클에서, 5초는 토출을 위한 것일 수 있고, 나머지 15초는 로깅(logging) 또는 재충전 등을 위한 것일 수 있다. 사이클과 사이클 사이에는, 15∼20초의 준비기간이 있을 수 있다. 따라서, BLDCM의 제어 루프는 사이클 중 작은 비율(예컨대, 5초)을 고주파수(예컨대, 30 kHz)로 운용하고, 사이클 중 큰 비율(예컨대, 15초)을 저주파수(예컨대, 10 kHz)로 운용할 것이다.The discharge section of the cycle can be tailored depending on the application. For example, the discharge system may perform a 20 second cycle. In one 20 second cycle, 5 seconds may be for discharging, the remaining 15 seconds may be for logging, recharging, or the like. Between cycles, there may be a preparation period of 15 to 20 seconds. Thus, the control loop of the BLDCM can operate at a high rate (e.g., 30 kHz) at a small rate (e.g., 30 seconds) during a cycle, and at a low frequency (e.g., 10 kHz) at a high rate (e.g., 15 seconds) during a cycle. will be.

당업자라면 전술한 파라미터(예컨대, 5초, 15초, 30 kHz, 10 kHz 등)가 예시적인 것이고 한정의 의도가 없다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 작동 속도와 시간은 본원에 개시된 본 발명의 범위 및 정신 내에서 적합하게 조절되거나 또는 다른 방식으로 맞춰질 수 있다. 이러한 프로그램 가능한 파라미터를 결정하는 데 경험적 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 10 kHz는 매우 통상적인 BLDCM 운용 주파수이다. 다른 속도를 사용할 수도 있지만, BLDCM의 제어 루프를 10 kHz보다 느리게 운용하면, 위치 제어를 상실할 위험에 처할 수 있다. 일반적으로 위치 제어를 회복하기가 어렵기 때문에, BLDCM은 위치를 유지하는 것이 바람직하다.Those skilled in the art will appreciate that the aforementioned parameters (eg, 5 seconds, 15 seconds, 30 kHz, 10 kHz, etc.) are exemplary and are not intended to be limiting. The speed and time of operation may be suitably adjusted or otherwise adjusted within the scope and spirit of the invention disclosed herein. Empirical methods can be used to determine these programmable parameters. For example, 10 kHz is a very common BLDCM operating frequency. Other speeds may be used, but running the control loop of the BLDCM slower than 10 kHz may risk losing position control. It is generally desirable to maintain the position of the BLDCM, since it is difficult to regain position control.

본 발명의 이러한 양태의 한 가지 목표는, 위치 제어의 수준을 바람직하지 못하게 낮추는 일 없이 사이클 중 토출 이외의 구간 동안에 속도를 최대한 낮추는 것이다. 본원에 개시된 실시예에서 상기 목표는 BLDCM에 관한 맞춤 제어 방식을 통해 수행될 수 있다. 맞춤 제어 방식은, 토출 등과 같은 중요한 기능에 대하여 약간 과잉의/증강된 위치 제어를 확보하기 위해, 주파수를 (예컨대, 30 kHz로) 증대시키도록 되어 있다. 또한, 맞춤 제어 방식은 중요하지 않은 기능이 낮은 주파수(예컨대, 10 kHz)로 운용될 수 있게 함으로써 열 발생을 줄이도록 되어 있다. 추가적으로, 맞춤 제어 방식은 사이클 중 토출 이외의 구간 동안에 저주파수로 운용되어 야기되는 임의의 위치 제어 상실을 최소화하도록 되어 있다.One aim of this aspect of the invention is to lower the speed as much as possible during sections other than discharge during the cycle without undesirably lowering the level of position control. In the embodiments disclosed herein, the above goal may be performed through a custom control scheme for BLDCM. The custom control scheme is intended to increase the frequency (e.g., to 30 kHz) in order to ensure slightly excess / enhanced position control for important functions such as discharge. In addition, the custom control scheme is intended to reduce heat generation by allowing non-critical functions to be operated at lower frequencies (eg 10 kHz). In addition, the custom control scheme is intended to minimize any loss of position control caused by operating at low frequencies during periods other than discharge during the cycle.

맞춤 제어 방식은 압력에 의해 특징 지워질 수 있는 바람직한 토출 프로파일을 제공하도록 되어 있다. 이러한 특징화는 압력 신호의 편차를 기초로 할 수 있다. 예컨대, 평탄한 압력 프로파일은 원만한 동작, 작은 진동, 더 나아가 양호한 위치 제어를 암시할 것이다. 이와는 대조적으로, 기준에서 벗어난 압력 신호는 열악한 위치 제어를 암시할 것이다. 도 7은 30 kHz의 모터 작동과 10 kHz의 모터 작동(0.5 mL/s로 10mL) 간의 차이점을 예시하는 도표이다. 처음 20초는 토출 단계이다. 도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이, 토출 단계 동안에, 30 kHz의 토출은 10 kHz의 토출에 비해 더 원만하고 노이즈가 적은 압력 프로파일을 갖는다.The custom control scheme is adapted to provide a desirable discharge profile that can be characterized by pressure. This characterization can be based on the deviation of the pressure signal. For example, a flat pressure profile will suggest smooth operation, small vibrations, and even better position control. In contrast, pressure signals outside the reference will suggest poor position control. 7 is a diagram illustrating the difference between motor operation at 30 kHz and motor operation at 10 kHz (10 mL at 0.5 mL / s). The first 20 seconds is the discharge phase. As can be seen in FIG. 7, during the ejection step, a 30 kHz ejection has a smoother and less noise pressure profile than a 10 kHz ejection.

위치 제어에 관한 한, BLDCM을 10 kHz로 운용하는 것과 15 kHz로 운용하는 것의 차이는 미미할 수 있다. 그러나, 속도가 10 kHz 아래로 (예컨대, 5 kHz로) 떨어진다면, 이 속도는 양호한 위치 제어를 충분히 유지할 수 있을 정도로 빠르지 못할 수 있다. 예컨대, BLDCM의 일 실시예는 유체를 토출하도록 되어 있다. 위치 제어 루프가 1 ㎳ 미만(즉, 약 10 kHz 이상)으로 운용되는 경우, 눈으로 볼 수 있는 영향은 없다. 그러나, 위치 제어 루프의 운용 시간이 1, 2, 또는 3 ㎳ 범위까지 올라가면, 유체에서의 영향을 눈으로 볼 수 있게 된다. 다른 예를 들면, 밸브의 타이밍이 1 ㎳ 미만으로 바뀌는 경우, 어떠한 유체의 변화도 눈으로 확인할 수 없다. 그러나, 밸브의 타이밍이 1, 2, 또는 3 ㎳ 범위로 바뀐다면, 유체의 변화를 눈으로 확인할 수 있다. 따라서, 맞춤 제어 방식은 시간 제약적 기능(예컨대, 모터, 밸브 등의 타이밍)을 약 10 kHz 이상으로 운용하는 것이 바람직하다.As far as position control is concerned, the difference between running BLDCM at 10 kHz and running at 15 kHz can be marginal. However, if the speed drops below 10 kHz (eg, to 5 kHz), this speed may not be fast enough to maintain good position control. For example, one embodiment of the BLDCM is adapted to discharge the fluid. If the position control loop is operated below 1 kHz (ie above about 10 kHz), there is no visible effect. However, when the operating time of the position control loop rises to the 1, 2, or 3 ms range, the effect on the fluid is visible. In another example, when the timing of the valve changes to less than 1 Hz, no change in fluid can be visually confirmed. However, if the timing of the valve changes in the 1, 2, or 3 ms range, the change in fluid can be visually observed. Accordingly, the custom control scheme preferably operates time-constrained functions (eg, timing of motors, valves, etc.) at about 10 kHz or more.

다른 고려 사항으로는 토출 시스템의 내부 순환이 있다. 토출 시스템이 1 kHz 정도로 느리게 운용되도록 세팅된다면, 1 ㎳의 경우보다 나은 분해능은 나타나지 않고, 1 ㎳의 경우보다 나을 필요가 있는 계산은 수행될 수 없다. 이러한 경우에, 10 kHz는 토출 시스템에 있어서 실용적인 주파수이다. 전술한 바와 같이, 전술한 수치는 예시적인 것이다. 10 kHz 미만(예컨대, 5 kHz 또는 심지어 2 kHz)의 속도를 세팅하는 것도 가능하다.Another consideration is the internal circulation of the discharge system. If the discharging system is set to run as slowly as about 1 kHz, no better resolution is achieved than in the case of 1 Hz, and calculations that need to be better than in the case of 1 Hz cannot be performed. In this case, 10 kHz is a practical frequency for the discharge system. As mentioned above, the above numerical values are exemplary. It is also possible to set rates below 10 kHz (eg 5 kHz or even 2 kHz).

이와 마찬가지로, 성능 요건을 충족시킨다면, 30 kHz를 초과하는 속도도 세팅 가능하다. 본원에 개시된 예시적인 토출 시스템은 다수의 라인(예컨대, 8000 라인)을 갖는 인코더를 사용한다. 라인들 간에 걸리는 시간이 속도이다. BLDCM이 매우 느리게 작동되더라도, 라인 간의 간격이 매우 미세하므로, 매우 신속하게 다음 라인에 도달할 수 있고, 이에 기초하여 인코더에 펄스를 제공한다. BLDCM이 1 rps로 구동된다는 것은, 1초 내에 8000 라인을 지나고, 더 나아가 8000 펄스를 발생시킨다는 것을 의미한다. 펄스의 폭이 바뀌지 않는다면(즉, 펄스의 폭이 목표 폭에서 벗어나 있지 않고 거듭 동일하게 유지된다면), 이는 속도 제어가 매우 양호함을 암시한다. 펄스의 폭에 동요가 나타난다면, 이는 시스템 설계(예컨대, 공차) 및 용례에 따라 반드시 나쁜 것은 아니지만 취약한 속도 제어를 암시한다.Similarly, speeds in excess of 30 kHz can be set if the performance requirements are met. The example ejection system disclosed herein uses an encoder with multiple lines (eg, 8000 lines). The time taken between lines is speed. Although the BLDCM operates very slowly, the spacing between the lines is very fine, so that the next line can be reached very quickly, thereby providing a pulse to the encoder. Driving the BLDCM at 1 rps means passing 8000 lines in one second and further generating 8000 pulses. If the width of the pulse does not change (ie, the width of the pulse does not deviate from the target width and remains the same again), this suggests that the speed control is very good. If fluctuations appear in the width of the pulse, this implies poor speed control, although not necessarily bad, depending on system design (eg, tolerance) and application.

다른 고려 사항은 디지털 신호 처리기(DSP)의 처리 능력의 실제 한계에 관한 것이다. 예를 들어, 1회의 사이클에서 토출을 위해, 위치 제어기, 전류 제어기 등에 대한 모든 필요한 계산을 수행하는데 거의 약 20 ㎲가 걸릴 수 있다. 30 kHz의 운용은 약 30 ㎲가 걸리는데, 이는 전술한 계산을 행하면서 남은 시간으로는 제어기의 모든 나머지 공정을 운용하기에 충분한 시간이다. 30 kHz보다 빠른 속도로 운용될 수 있는 더 강력한 프로세서를 사용하는 것도 가능하다. 그러나, 30 ㎳보다 빠른 속도의 작동은 한계 효용 감소를 초래한다. 예컨대, 50 kHz의 운용은 겨우 약 20 ㎲가 걸린다(1/50000 Hz = 0.00002 s = 20 ㎲). 이러한 경우에, 50 kHz에서 더 나은 속도 성능이 확보될 수 있지만, 시스템이 갖는 시간은 제어기를 구동시키는데 필요한 모든 처리를 수행하기에는 부족하고, 그에 따라 처리 문제가 야기된다. 게다가 50 kHz로 운용하면 전류의 전환이 훨씬 더 빈번하게 이루어질 것이고, 이는 전술한 열 발생 문제의 원인이 된다.Another consideration concerns the practical limitation of the processing power of a digital signal processor (DSP). For example, for discharge in one cycle, it may take almost 20 ms to perform all necessary calculations for the position controller, current controller, and the like. The 30 kHz operation takes about 30 ms, which is enough time to run all the rest of the controller with the time left to perform the above calculations. It is also possible to use more powerful processors that can operate at speeds higher than 30 kHz. However, operation at speeds higher than 30 Hz results in a decrease in marginal utility. For example, a 50 kHz operation only takes about 20 Hz (1/50000 Hz = 0.00002 s = 20 Hz). In this case, better speed performance can be ensured at 50 kHz, but the time the system has is insufficient to perform all the processing necessary to drive the controller, thus causing processing problems. Moreover, operating at 50 kHz will make the switching of current much more frequent, which causes the above-mentioned heat generation problem.

요컨대, 열 방출을 줄이기 위한 한 가지 해법은, 토출 작업 동안에는 고주파수(예컨대, 30 kHz)로 운용되고 토출 이외의 작업(예컨대, 재충전) 동안에는 저주파수(예컨대, 10 kHz)로 떨어지거나 되돌아가도록 BLDCM을 구성하는 것이다. 맞춤 제어 방식과 관련 파라미터를 구성하는데 있어서 고려하는 인자로는, 위치 제어 성능, 프로세서의 처리 능력과 관련이 있는 계산 속도, 및 계산 이후에 전류가 전환되는 횟수와 관련이 있는 열 발생 등이 있다. 전술한 예에서는, 토출 이외의 작업 동안에 행해지는 10 kHz 운용에 있어서 위치 제어 성능의 손실이 미미하고, 토출 작업 동안에 행해지는 30 kHz 운용에 있어서 위치 제어가 뛰어나며, 그리고 열 발생이 상당히 줄어든다. 열 발생을 줄이는 것을 통해, 본 발명의 실시예는 온도의 변화가 토출되는 유체에 영향을 미치지 못하게 한다는 기술적인 장점을 제공할 수 있다. 이는 민감한 및/또는 값비싼 유체의 토출 단계를 수반하는 용례에 있어서 특히 유용할 수 있는데, 이러한 경우에는 열 또는 온도 변화가 유체에 영향을 미칠 수 있는 모든 가능성을 배제시키는 것이 매우 바람직할 것이다. 또한, 유체를 가열하는 것도 토출 작업에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 영향 중 하나를 자연적인 액 잘림(suck back) 효과라 한다. 액 잘림 효과는, 토출 작업에서 열이 발생할 때, 이 열이 유체를 팽창시키는 것을 설명한다. 유체가 펌프의 외부에서 냉각하기 시작할 때, 유체는 수축하고 노즐의 단부에서 움츠러든다. 따라서, 자연적인 액 잘림 효과로 인하여, 부피가 정확하지 않을 수 있고 일정하지 않을 수 있다.In short, one solution to reducing heat dissipation is to configure the BLDCM to operate at high frequencies (e.g., 30 kHz) during discharging operations and to fall back or fall back to low frequencies (e.g., 10 kHz) during operations other than discharging (e.g. recharging). It is. Factors to consider in configuring a custom control scheme and associated parameters include position control performance, computational speed related to the processor's processing power, and heat generation related to the number of times the current is switched after computation. In the above example, the loss of position control performance is minimal in the 10 kHz operation performed during the operation other than the discharge, the position control is excellent in the 30 kHz operation performed during the discharge operation, and the heat generation is considerably reduced. Through reducing heat generation, embodiments of the present invention can provide technical advantages that change in temperature does not affect the fluid being discharged. This may be particularly useful in applications involving the ejection of sensitive and / or expensive fluids, in which case it would be highly desirable to rule out any possibility that heat or temperature changes may affect the fluid. In addition, heating the fluid may also affect the discharging operation. One such effect is called the natural suck back effect. The liquid cutting effect explains that when heat is generated in the discharging operation, this heat expands the fluid. When the fluid begins to cool outside of the pump, the fluid contracts and withdraws at the end of the nozzle. Thus, due to the natural liquid cutting effect, the volume may not be accurate and may be inconsistent.

도 8은 본 발명의 일 실시예 따른 여러 단계에 있어서 스텝 모터 및 BLDCM의 사이클 타이밍을 예시하는 차트이다. 전술한 예에 따라, 공급 모터(175)는 스텝 모터로 실시되고, 토출 모터(200)는 BLDCM으로 실시된다. 도 8에서 음영 영역은 모터가 작동 상태임을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스텝 모터와 BLDCM은 여과 사이클 동안의 압력 제어를 용이하게 하는 방식으로 구성될 수 있다. 스텝 모터와 BLDCM의 압력 제어 타이밍의 일례가 도 9에 주어져 있는데, 이 도면에서 음영 영역은 모터가 작동 상태임을 나타낸다.8 is a chart illustrating the cycle timing of a step motor and a BLDCM at various stages in accordance with one embodiment of the present invention. According to the above-described example, the supply motor 175 is implemented as a step motor, and the discharge motor 200 is implemented as a BLDCM. The shaded areas in FIG. 8 indicate that the motor is in operation. According to one embodiment of the invention, the step motor and the BLDCM can be configured in a manner that facilitates pressure control during the filtration cycle. An example of the pressure control timing of the stepper motor and BLDCM is given in FIG. 9, where the shaded area indicates that the motor is in operation.

도 8 및 도 9는 공급 모터(175)와 토출 모터(200)의 예시적인 구성을 예시한다. 보다 구체적으로, 일단 압력 신호의 설정점에 도달하면, BLDCM[즉, 토출 모터(200)]은 프로그램된 여과 속도로 역회전하기 시작할 수 있다. 그 사이에, 스텝 모터[즉, 공급 모터(175)]의 속도는 압력 신호의 설정점을 유지하기 위해 바뀐다. 이러한 구성은 몇 가지 장점을 제공한다. 예컨대, 유체에 압력 스파이크가 일어나지 않고, 유체에 작용하는 압력이 일정하며, 점도 변동에 관한 조절이 필요치 않고, 시스템 간의 차이가 없으며, 유체 상에 진공이 나타나지 않을 것이다.8 and 9 illustrate exemplary configurations of the supply motor 175 and the discharge motor 200. More specifically, once the set point of the pressure signal is reached, the BLDCM (ie, the discharge motor 200) may begin to rotate back at the programmed filtration rate. In the meantime, the speed of the step motor (i.e., the supply motor 175) is changed to maintain the set point of the pressure signal. This configuration offers several advantages. For example, no pressure spikes will occur in the fluid, the pressure acting on the fluid will be constant, no adjustments to viscosity fluctuations will be needed, no differences between systems, and no vacuum will appear on the fluid.

다단 펌프에 관하여 기술하였지만, 본 발명의 실시예는 단단 펌프에도 채용될 수 있다. 도 10은 펌프(4000)용 펌프 조립체의 모식도이다. 펌프(4000)는 전술한 다단 펌프(100)의 하나의 단, 즉 토출 단과 유사할 수 있으며, 본원에 기술된 바와 같은 BLDCM의 실시예에 의해 구동되는 롤링 다이어프램과 단일 챔버를 포함할 수 있고, 위치 제어를 위한 제어 방식도 전술한 다단 펌프와 동일하거나 유사하다. 펌프(4000)는 이 펌프(4000)를 통과하는 여러 유로를 형성하고 펌프의 챔버를 적어도 부분적으로 형성하는 토출 블럭(4005)을 포함할 수 있다. 토출 블럭(4005)은 PTFE, 개질 PTFE, 또는 그 밖의 재료로 이루어진 일체형 블럭일 수 있다. 이러한 재료는 다수의 공정 유체와 반응하지 않거나 최소의 반응만을 나타내기 때문에, 이러한 재료를 사용하면 추가 하드웨어를 최소화하면서 유로 및 펌프 챔버를 토출 블럭(4005)에 직접 가공할 수 있게 된다. 따라서, 토출 블럭(4005)은 통합형 유체 매니폴드를 제공함으로써 배관에 대한 필요성을 줄인다.Although a multistage pump has been described, embodiments of the present invention may also be employed in single stage pumps. 10 is a schematic diagram of the pump assembly for the pump 4000. The pump 4000 may be similar to one stage, ie, the discharge stage, of the multistage pump 100 described above, and may include a single chamber and a rolling diaphragm driven by an embodiment of the BLDCM as described herein, The control scheme for position control is also the same as or similar to the multistage pump described above. The pump 4000 may include a discharge block 4005 that forms several flow paths through the pump 4000 and at least partially forms a chamber of the pump. The discharge block 4005 may be an integral block made of PTFE, modified PTFE, or other material. Since these materials do not react or exhibit only minimal reaction with a large number of process fluids, the use of these materials allows the flow path and pump chamber to be processed directly into the discharge block 4005 with minimal additional hardware. Thus, the discharge block 4005 reduces the need for piping by providing an integrated fluid manifold.

토출 블럭(4005)은 복수 개의 외부 입구 및 출구, 예컨대 유체를 받아들이는 입구(4010)와, 유체를 퍼징/배출하기 위한 퍼지/배출 출구(4015), 그리고 토출 구간 동안에 유체가 토출되는 토출 출구(4020) 등을 포함할 수 있다. 도 10의 예에서는, 펌프가 단 하나의 챔버를 구비하기 때문에, 토출 블럭(4005)은 외부 퍼지 출구(4015)를 포함한다. Iraj Gashgaee가 2005년 12월 2일자로 출원한 "O-링이 없는 슬림형 연결구와 그 조립(O-RING-LESS LOW PROFILE FITTING AND ASSEMBLY THEREOF)"이란 명칭의 미국 가특허 출원 제60/741,667호(2006년 11월 20일에 미국 특허 출원 제11/602,513호 및 국제 출원 제PCT/US06/44981호로 전환됨)는, 토출 블럭(4005)의 외부 입구 및 출구를 유체 라인에 연결하는데 사용될 수 있는 O-링이 없는 연결구의 실시예를 기술하고 있으며, 상기 특허 출원들 모두의 내용 전체가 본원에 참조로 인용되어 있다.The discharge block 4005 includes a plurality of external inlets and outlets, such as an inlet 4010 for receiving fluid, a purge / discharge outlet 4015 for purging / draining the fluid, and a discharge outlet for discharging fluid during the discharge section ( 4020), and the like. In the example of FIG. 10, since the pump has only one chamber, the discharge block 4005 includes an external purge outlet 4015. United States Provisional Patent Application No. 60 / 741,667, entitled "O-RING-LESS LOW PROFILE FITTING AND ASSEMBLY THEREOF," filed December 2, 2005 by Iraj Gashgaee. US Patent Application No. 11 / 602,513 and International Application No. PCT / US06 / 44981, issued on November 20, 2006, provide an O- line that can be used to connect the outer inlet and outlet of the discharge block 4005 to the fluid line. An embodiment of a ringless connector is described and the entire contents of all of the above patent applications are incorporated herein by reference.

토출 블럭(4005)은 유체를 입구로부터 [예컨대, 적어도 부분적으로 밸브 플레이트(4030)에 의해 형성되는] 유입 밸브로, 유입 밸브로부터 펌프 챔버로, 펌프 챔버로부터 퍼지/배출 밸브로, 그리고 펌프 챔버로부터 출구(4020)로 보낸다. 펌프 커버(4225)는 펌프 모터를 손상으로부터 보호할 수 있는 한편, 피스톤 하우징(4027)은 피스톤에 대한 보호를 제공할 수 있으며, 폴리에틸렌 또는 그 밖의 폴리머로 형성될 수 있다. 밸브 플레이트(4030)는 유체의 흐름을 펌프(4000)의 여러 부품으로 향하게 하도록 구성될 수 있는 밸브 시스템(예컨대, 유입 밸브와, 퍼지/배출 밸브)을 위한 밸브 하우징을 제공한다. 밸브 플레이트(4030)와 대응 밸브는 밸브 플레이트(230)와 관련하여 전술한 방식과 유사하게 형성될 수 있다. 유입 밸브와 퍼지/배출 밸브 각각은 밸브 플레이트(4030)에 적어도 부분적으로 통합되며, 해당 다이어프램에 정압 혹은 부압이 인가되는가에 따라 개방되거나 폐쇄되는 다이어프램 밸브이다. 별법으로서, 몇몇 밸브는 토출 블럭(4005)의 외부에 있거나, 추가적인 밸브 플레이트에 배치될 수 있다. 도 10에 도시된 예에서는, 밸브 플레이트(4030)와 토출 블럭(4005) 사이에 PTFE 시트를 개재하여 여러 밸브의 다이어프램을 형성한다. 밸브 플레이트(4030)는 해당 다이어프램에 정압 또는 부압을 인가하기 위한 각 밸브 용의 밸브 제어 입구(도시 생략)를 포함한다.Discharge block 4005 is a fluid inlet valve (eg, at least partially formed by valve plate 4030) from the inlet to the inlet valve to the pump chamber, from the pump chamber to the purge / discharge valve, and from the pump chamber. To exit 4020. The pump cover 4225 can protect the pump motor from damage, while the piston housing 4027 can provide protection for the piston and can be formed of polyethylene or other polymer. Valve plate 4030 provides a valve housing for a valve system (eg, inlet valve and purge / discharge valve) that can be configured to direct the flow of fluid to various parts of pump 4000. The valve plate 4030 and the corresponding valve may be formed similarly to the manner described above with respect to the valve plate 230. Each of the inlet valve and the purge / discharge valve is at least partially integrated into the valve plate 4030 and is a diaphragm valve that opens or closes depending on whether a positive or negative pressure is applied to the diaphragm. Alternatively, some valves may be external to the discharge block 4005 or disposed on additional valve plates. In the example shown in FIG. 10, diaphragms of various valves are formed between the valve plate 4030 and the discharge block 4005 via a PTFE sheet. The valve plate 4030 includes a valve control inlet (not shown) for each valve for applying positive pressure or negative pressure to the corresponding diaphragm.

다단 펌프(100)와 마찬가지로, 펌프(4000)는 유체 방울이 전자 기기를 수용하고 있는 펌프(4000)의 영역에 들어가는 방지하기 위한 몇몇 특징부를 포함할 수 있다. "방적(防滴) 특징부"는 돌출 립, 경사부, 부품 간의 시일, 금속/폴리머 계면의 오프셋, 및 전자 기기를 액적으로부터 격리시키기 위한 전술한 다른 특징부를 포함할 수 있다. 전자 기기 및 매니폴드는 펌프 챔버 내의 유체에 열이 미치는 영향을 줄이도록 전술한 방식과 유사하게 구성될 수 있다.Like the multistage pump 100, the pump 4000 may include some features to prevent fluid droplets from entering the area of the pump 4000 that houses the electronic device. “Spinning features” may include protruding lips, bevels, seals between components, offsets of metal / polymer interfaces, and other features described above to isolate electronic devices from droplets. The electronics and manifold can be configured similarly to the manner described above to reduce the effect of heat on the fluid in the pump chamber.

따라서, 본원에 개시된 시스템 및 방법의 실시예는, 유체의 운동과 토출량에 대하여 실시간 제어와, 원만한 동작의 제어, 그리고 매우 정확하고 반복적인 위치 제어를 행하기 위한, 반도체 제조에 유용한 펌핑 시스템에서, BLDCM을 이용하여 단단 펌프 혹은 다단 펌프를 구동할 수 있다. BLDCM은 맞춤 FOC 방식을 실행하는 프로세서에 실시간으로 위치를 피드백하는 위치 센서를 채용할 수 있다. 단단 펌프와 다단 펌프에는 동일하거나 유사한 FOC 방식이 적용될 수 있다.Accordingly, embodiments of the systems and methods disclosed herein are useful in pumping systems useful in semiconductor manufacturing for real time control of fluid movement and discharge amount, smooth motion control, and highly accurate and repeatable position control. BLDCM can be used to drive single or multiple stage pumps. The BLDCM can employ a position sensor that feeds back the position in real time to a processor running a custom FOC scheme. The same or similar FOC scheme can be applied to the single stage pump and the multiple stage pump.

본 발명은 예시적인 실시예를 참조로 하여 본원에 상세히 기술되었지만, 이러한 기술 내용이 단지 예로서 주어진 것이고 한정의 의미를 갖는 것으로 해석되지 않음은 물론이다. 따라서, 전술한 본 발명에 따른 실시예의 세부 사항에 있어서의 많은 변화와 본 발명의 추가적인 실시예가 본 명세서를 참조로 한 당업자에게 명백할 것이고, 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다. 이러한 모든 변화와 추가적인 실시예는 청구된 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 고려된다. 따라서, 본 발명의 범위는 이하의 청구범위와 법률상의 등가물에 의해 결정되어야 한다.Although the invention has been described in detail herein with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that such description is given by way of example only and is not to be construed as limiting. Accordingly, many changes in details of the embodiments according to the invention described above and further embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art with reference to the specification, and of course, can be practiced by those skilled in the art. All such changes and additional embodiments are considered to be within the scope of the claimed invention. Accordingly, the scope of the invention should be determined by the following claims and legal equivalents.

Claims (20)

펌핑 시스템으로서,
펌프;
상기 펌프 내에 있는 토출 펌프를 구동시키는 무브러시 DC 모터;
상기 펌프를 제어하기 위한 소프트웨어 명령을 담고 있는 컴퓨터 판독 가능한 매체; 및
상기 컴퓨터 판독 가능한 매체와 상기 펌프에 통신 연결되는 프로세서
를 포함하고, 상기 토출 펌프는 입구와 출구를 포함하며, 상기 소프트웨어 명령은 유체를 상기 입구로부터 상기 출구로 안내하는 상기 토출 펌프의 작동을 위한 제어 방식에 따라 상기 무브러시 DC 모터를 제어하도록 상기 프로세서에 의해 실행될 수 있고,
상기 제어 방식은 상기 무브러시 DC 모터를 단일 사이클 동안에 적어도 2가지 제어기 주파수로 구동하도록 되어 있는 것인 펌핑 시스템.
As a pumping system,
Pump;
A brushless DC motor for driving a discharge pump in the pump;
A computer readable medium containing software instructions for controlling the pump; And
A processor in communication communication with the computer readable medium and the pump
Wherein the discharge pump includes an inlet and an outlet, and the software command controls the brushless DC motor to control the brushless DC motor in accordance with a control scheme for operation of the discharge pump that directs fluid from the inlet to the outlet. Can be executed by
Wherein the control scheme is adapted to drive the brushless DC motor at at least two controller frequencies during a single cycle.
제1항에 있어서, 상기 적어도 2가지 제어기 주파수는 상기 단일 사이클 중의 토출 부분을 위한 제1 주파수를 포함하는 것인 펌핑 시스템.The pumping system of claim 1, wherein the at least two controller frequencies comprise a first frequency for the discharge portion of the single cycle. 제2항에 있어서, 상기 제1 주파수는 30 kHz인 것인 펌핑 시스템.The pumping system of claim 2, wherein the first frequency is 30 kHz. 제1항에 있어서, 상기 제어 방식은 상기 토출 펌프의 작동 중에 상기 무브러시 DC 모터에 의한 열 발생을 최소화도록 되어 있는 것인 펌핑 시스템.The pumping system of claim 1, wherein the control scheme is adapted to minimize heat generation by the brushless DC motor during operation of the discharge pump. 제1항에 있어서, 상기 적어도 2가지 제어기 주파수는 제1 주파수와 제2 주파수를 포함하고, 상기 제어 방식은 토출 작업 동안에는 상기 무브러시 DC 모터를 제1 주파수로 구동하고 토출 이외의 작업 동안에는 상기 무브러시 DC 모터를 제2 주파수로 구동하도록 되어 있는 것인 펌핑 시스템.The method of claim 1, wherein the at least two controller frequencies comprise a first frequency and a second frequency, and wherein the control scheme drives the brushless DC motor to a first frequency during a discharging operation and the non-discharge during operations other than discharging. Pumping system adapted to drive a brush DC motor at a second frequency. 제5항에 있어서, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수보다 낮은 것인 펌핑 시스템.The pumping system of claim 5 wherein the second frequency is lower than the first frequency. 제6항에 있어서, 상기 제1 주파수는 30 kHz이고 상기 제2 주파수는 10 kHz인 것인 펌핑 시스템.The pumping system of claim 6 wherein the first frequency is 30 kHz and the second frequency is 10 kHz. 토출 펌프를 포함하는 펌프로서, 상기 토출 펌프는,
입구;
출구;
토출 챔버;
피스톤;
상기 토출 챔버와 상기 피스톤 사이에 배치된 토출 단 다이어프램;
무브러시 DC 모터; 및
상기 피스톤과 상기 무브러시 DC 모터를 연결하는 리드 나사
를 구비하는 피스톤 변위 펌프이고, 상기 무브러시 DC 모터는 컴퓨터 판독 가능한 매체 상에 수록되어 있고 상기 입구에서 상기 출구로 유체를 안내하는 상기 토출 펌프의 작동을 위한 제어 방식을 수행하는 프로세서에 의해 실행 가능한 소프트웨어 명령에 의하여 제어되며,
상기 프로세서는 상기 컴퓨터 판독 가능한 매체와 상기 펌프에 통신 연결되고,
상기 제어 방식은 상기 무브러시 DC 모터를 단일 사이클 동안에 적어도 2가지 제어기 주파수로 구동하도록 되어 있는 것인 펌프.
A pump comprising a discharge pump, wherein the discharge pump,
Entrance;
exit;
Discharge chamber;
piston;
A discharge end diaphragm disposed between the discharge chamber and the piston;
Brushless DC motor; And
Lead screw connecting the piston to the brushless DC motor
A piston displacement pump comprising: a brushless DC motor embodied on a computer readable medium and executable by a processor to perform a control scheme for operation of the discharge pump for guiding fluid from the inlet to the outlet. Controlled by software commands,
The processor is communicatively coupled to the computer readable medium and the pump,
Wherein the control scheme is adapted to drive the brushless DC motor at at least two controller frequencies during a single cycle.
제8항에 있어서, 상기 적어도 2가지 제어기 주파수는 상기 단일 사이클 중의 토출 부분을 위한 제1 주파수를 포함하는 것인 펌프.The pump of claim 8, wherein the at least two controller frequencies comprise a first frequency for the discharge portion of the single cycle. 제9항에 있어서, 상기 제1 주파수는 30 kHz인 것인 펌프.10. The pump of claim 9, wherein the first frequency is 30 kHz. 제8항에 있어서, 상기 제어 방식은 상기 토출 펌프의 작동 중에 상기 무브러시 DC 모터에 의한 열 발생을 최소화도록 되어 있는 것인 펌프.9. The pump of claim 8, wherein the control scheme is adapted to minimize heat generation by the brushless DC motor during operation of the discharge pump. 제8항에 있어서, 상기 적어도 2가지 제어기 주파수는 제1 주파수와 제2 주파수를 포함하고, 상기 제어 방식은 토출 작업 동안에는 상기 무브러시 DC 모터를 제1 주파수로 구동하고 토출 이외의 작업 동안에는 상기 무브러시 DC 모터를 제2 주파수로 구동하도록 되어 있는 것인 펌프.9. The apparatus of claim 8, wherein the at least two controller frequencies comprise a first frequency and a second frequency, the control scheme driving the brushless DC motor at a first frequency during a discharging operation and the non-discharging during operations other than discharging. A pump configured to drive the brush DC motor at a second frequency. 제12항에 있어서, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수보다 낮은 것인 펌프.13. The pump of claim 12, wherein the second frequency is lower than the first frequency. 제13항에 있어서, 상기 제1 주파수는 30 kHz이고 상기 제2 주파수는 10 kHz인 것인 펌프.The pump of claim 13, wherein the first frequency is 30 kHz and the second frequency is 10 kHz. 무브러시 DC 모터를 입구와 출구를 갖는 펌프의 기계식 피스톤에 연결하는 연결 단계; 및
상기 무브러시 DC 모터를 토출 작업 동안에는 제1 주파수로 구동하고 상기 펌프의 토출 이외의 작업 동안에는 상기 무브러시 DC 모터를 제2 주파수로 구동하도록 제어하는 제어 단계를 포함하는 방법.
Connecting the brushless DC motor to the mechanical piston of the pump having an inlet and an outlet; And
And controlling the brushless DC motor to drive at a first frequency during a discharging operation and to drive the brushless DC motor at a second frequency during operations other than discharging the pump.
제15항에 있어서, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수보다 낮은 것인 방법.The method of claim 15, wherein the second frequency is lower than the first frequency. 제15항에 있어서, 상기 펌프에 통신 연결된 프로세서에 상기 기계식 피스톤의 실시간 위치 피드백을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.16. The method of claim 15, further comprising providing real time position feedback of the mechanical piston to a processor in communication with the pump. 제15항에 있어서, 상기 무브러시 DC 모터를 단일 사이클 동안에 상기 제1 주파수 및 제2 주파수로 구동하는 단계를 더 포함하는 방법.16. The method of claim 15, further comprising driving the brushless DC motor at the first and second frequencies during a single cycle. 제15항에 있어서, 상기 제어 단계는 사이클 중 토출 부분 동안에는 상기 무브러시 DC 모터의 작동 주파수를 30 kHz로 높이는 단계를 더 포함하는 방법.16. The method of claim 15, wherein the controlling step further comprises raising the operating frequency of the brushless DC motor to 30 kHz during the discharge portion of the cycle. 제15항에 있어서, 상기 제어 단계는 사이클 중 토출 이외의 부분 동안에는 상기 무브러시 DC 모터의 작동 주파수를 10 kHz로 낮추는 단계를 더 포함하는 방법.16. The method of claim 15, wherein said controlling step further comprises lowering the operating frequency of said brushless DC motor to 10 kHz during portions other than discharge during a cycle.
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