液体分配系统转让专利
申请号 : CN200580046598.7
文献号 : CN100593007C
文献日 : 2010-03-03
发明人 : 凯文·T·奥多尔蒂
申请人 : 先科材料有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种控制系统，在用于通过流动通道将液体从容器分配到下游过程 的系统中使用所述控制系统，所述容器包括外容器和内容器，所述内容器 由柔性材料制成并被所述液体占据，从而所述外容器与所述内容器之间的 压缩空间中的增压流体迫使液体通过所述流动通道离开所述内容器至所述 下游过程，其中所述控制系统包括：压力传感器，所述压力传感器被定位为用于感测所述流动通道中的压 力；以及响应所述压力传感器的控制器，所述控制器适于通过控制所述压缩空 间中的所述增压流体的压力来控制所述液体在所述流动通道中的流动。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述控制器可对分配配方进 行程序控制，其中所述分配配方包括选自由待分配到所述过程的液体的配 方量、所述配方量的液体在其内要分配到所述过程的分配持续时间、液体 特性、过程环境特性及其组合所组成的群组的配方要素。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其中所述控制器根据所述分配配 方控制所述液体在所述流动通道中的流动。
4.根据权利要求1所述的控制系统，还包括：
流体控制器，所述流体控制器响应来自所述控制器的信号调节所述压 缩空间中的压力。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其中所述流体控制器包括断流阀。
6.根据权利要求5所述的控制系统，其中所述断流阀包括电磁阀。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其中所述控制器通过将脉冲宽度 调制驱动信号提供给所述电磁阀来控制所述压缩空间中的所述增压流体的 压力。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其中所述控制器包括比例反馈部 件，所述比例反馈部件用于确定用于调制至所述电磁阀的所述驱动信号的 误差信号，所述误差信号基于通过所述压力传感器感测的所述流动通道中 的压力。
9.根据权利要求7所述的控制系统，其中所述控制器包括比例-积分- 微分(PID)反馈部件，所述比例-积分-微分反馈部件用于确定用于调制至 所述电磁阀的所述驱动信号的误差信号，所述误差信号基于通过所述压力 传感器感测的所述流动通道中的压力。
10.根据权利要求1所述的控制系统，还包括：
压力释放阀，所述压力释放阀连接在压力释放管和所述压缩空间之间， 以帮助释放所述压缩空间中的压力。
11.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述压力释放阀包括断流 阀。
12.根据权利要求11所述的控制系统，其中所述断流阀包括电磁阀。
13.根据权利要求1所述的控制系统，还包括：
停止阀，所述停止阀用于当配方量的液体已经分配到所述过程时终止 所述流体至所述过程的分配。
14.一种用于通过流动通道将液体从容器分配到下游过程的方法，其 中所述容器包括外容器和柔性内容器，所述柔性内容器含有所述液体，所 述方法包括步骤：在所述内容器与所述过程之间的所述流动通道中感测压力；以及控制所述内容器与所述外容器之间的压缩空间中的增压流体的压力， 以迫使液体从所述内容器至所述过程，其中所述增压流体的压力是所述流 动通道中所感测到的所述液体的压力的函数。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述控制步骤还包括控制作为 关于所述过程的信息的函数的所述增压流体的压力。
16.根据权利要求14所述的方法，其中控制所述增压流体的压力还包 括步骤：调节连接在增压流体源和所述压缩空间之间的至少一个流体控制阀。
17.根据权利要求16所述的方法，其中调节至少一个流体控制阀包括 将脉冲宽度调制驱动信号提供给所述至少一个流体控制阀。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括步骤：
当配方量的液体已经分配到所述过程时，终止所述液体至所述过程的 分配。
19.一种液体处理系统，包括：
容器，所述容器用于响应施加到内容器的外壁上的流体压力通过流动 通道将液体从所述内容器分配到下游过程：以及控制器，所述控制器用于提供控制信号，以控制施加到所述内容器的 所述流体压力，所述流体压力是在所述内容器下游在流动通道中感测到的 所述液体的压力的函数。
20.根据权利要求19所述的液体处理系统，还包括：
可连接到所述容器的连接器。
21.根据权利要求20所述的液体处理系统，其中所述连接器包括探针， 所述探针可插入所述内容器并限定从所述容器至过程工具的一部分流动通 道。
22.根据权利要求21所述的液体处理系统，还包括：
压力传感器，所述压力传感器用于感测在所述内容器下游在所述流动 通道中的一位置处的所述液体的压力。
23.根据权利要求19所述的液体处理系统，其中所述控制器进一步提 供所述控制信号，以控制作为分配配方函数的施加到所述内容器的所述流 体压力。
24.根据权利要求23所述的液体处理系统，其中所述分配配方包括选 自由待分配到所述过程的液体的配方量、所述配方量的液体在其内要分配 到所述过程的分配持续时间、液体特性、过程环境特性及其组合所组成的 群组的配方要素。
25.根据权利要求19所述的液体处理系统，还包括：
用于终止所述液体从所述内容器至所述过程的分配的停止阀。
26.根据权利要求19所述的液体处理系统，还包括：
反吸阀，所述反吸阀用于当终止所述液体的分配后将液体吸回所述内 容器中。
27.根据权利要求19所述的液体处理系统，还包括：包含所述内容器 的外容器。
说明书 :
技术领域
本发明涉及液体的分配和输送。具体地，本发明涉及一种用于分配液 体的系统，所述系统可以很容易地控制从相同的输入液体源分配的液体的 体积和速度。
背景技术
在最终使用设施处，流体容器可以直接组装到液体分配系统中，或者 使来自流体容器的液体直接腾空到连接到液体输送系统的贮液器中。液体 分配系统可以可供选择地使容器用于将液体化学制品以规定时间输送到 制造过程。这些过程液体通常通过特定的分配泵从流体容器进行分配。
在薄膜晶体管平板显示器的制造中，需要分配和输送许多贵重的化学 制品。这些化学制品包括光致抗蚀剂、彩色滤光片材料、黑矩阵材料等。 这些化学制品典型地分配在用于旋涂、狭缝式/挤压涂敷或其两者组合的 制造过程中。分配这些化学制品的系统必须为柔性，以允许用相同的化学 输入实现不同量的化学制品和不同的分配速度。不能实现此功能的系统需 要多余的分配设备，从而增加系统的整个成本。
允许用相同的输入液体源实现不同量的化学制品和不同分配速度的 目前大多数分配系统在分配链中使用分配泵。这些泵不仅贵，而且众所周 知有助于为波纹管和隔膜脱落形式以及从泵止回阀上磨损脱落形式的污 染。一些系统试图围绕昂贵的泵设计，所述泵具有其中液体通过驱动气体 被迫使离开容器的设置。然而，很难保持分配的化学制品的量和速度的精 度和灵活性。此外，驱动气体可以被迫使进入分配液体中，从而在液体中 形成微气泡。在沉积的液体中存在微气泡可以在沉积层或次沉积层中造成 缺陷。
改变从相同的输入液体源分配的化学制品的量和速度的另一种传统 方法包括在分配链中使用流动控制装置。在此种类型的系统中，流速通过 封闭反馈环进行控制，而分配的体积通过分配液体的时间量控制。然而， 当在短时间周期内必须分配一定量液体时，使用流动控制装置的一些分配 系统具有很差的稳定性。另外，流动控制装置很贵，因此增加了分配系统 的整个成本。
因此，需要低成本的液体分配系统，所述液体分配系统不使用泵，并 可以很容易地控制从相同的输入流体源分配的流体的量和速度。
发明内容
在一个实施例中，系统还包括来自压力传感器下游的停止阀，所述停 止阀用于当配方量的液体已经分配到制造过程时终止液体至制造过程的 分配。另外，反吸阀可以在流动通道的制造过程端附近用于当终止液体至 制造过程的分配后将液体吸入流动通道的制造过程端。
附图说明
具体实施方式
外容器22提供柔性内容器20(例如，柔性聚合物袋子或衬管)在填充、 输送、处理和分配期间需要的机械支撑和保护。虽然根据用于处理包含在 容器14内的特定液体的政府管理规定也可以使用包括塑料材料的其它材 料，但外容器22典型地由金属构成。例如，容器14为在1994年8月9日授予 Osgar的美国专利第5,335,821号中所显示的容器，该专利在此并入本文供 参考。
增压气体源30通过增压气体通道32连接到压缩空间31(即，外容器22 的内壁和内容器20的外表面之间的空间)。压力调节器34沿增压气体通道 32连接，以调节提供到断流阀36a和36b的压力。在一个实施例中为过程和 微调断流阀的断流阀36a和36b分别沿着增压气体通道32平行连接，以调节 提供给增压气体通道32的来自增压气体源30的压力。多个阀的使用允许对 压缩空间31中的空气压力进行微调。将会理解，虽然显示了两个断流阀36a 和36b，但断流阀36a和36b可以用能够调节从增压气体源30至压缩空间31 的压力的任何装置替换(例如，单个断流阀)。
内容器20的内部通过流动通道40与制造过程13流体连通。流动通道40 典型地设置在探针中，所述探针可插入通过容器的端口并进入内容器20， 以提供液体12和制造过程13之间的流体连通。可选的过滤器42显示连接横 过流动通道40。可供选择地，过滤器42可以一体形成到容器14中。压力变 换器44从过滤器42的下游沿流动通道40连接。停止/反吸阀46连接在接近 制造过程13的流动通道40的端部处。
典型地为基于微处理器的控制器的控制器50连接到断流阀36a和36b、 压力释放阀38a和38b、压力变换器44以及停止/反吸阀46。控制器50从压 力变换器44接收信号，并将信号提供给断流阀36a和36b、压力释放阀38a 和38b以及停止/反吸阀46。
在系统10的一个实施例中，压力调节器34、断流阀36a和36b、压力释 放阀38a和38b、过滤器42、压力变换器44、停止/反吸阀46、以及用于增 压气体源30和控制器50的接口设置在可连接到容器14的单个包装中。包括 所列系统部件的包装接着可以简单地连接到容器14、增压气体源30、控制 器50以及电源(未示出)，以开始将液体从容器14分配到制造过程13。在 传统的系统中，其中所述传统系统包括泵和用于控制液体至制造过程的流 动的流动控制装置，由于这些部件不容易一体形成为单个包装体，因此这 种类型的简单连接形式是不可能的。此外，即使泵或流动控制装置可以很 容易地一体形成为单个包装，由于泵和流动控制装置的高成本也将造成许 多这种包装的产品很贵。应该提及的是可供选择的任何压力调节器34、断 流阀36a和36b、过滤器42、压力变换器44以及停止/反吸阀46也可以个别 地设置在最终使用设施处(即，不是一体形成为单个包装)。
在操作中，控制器50接收作为输入(典型地通过系统10的使用者输入) 的分配配方，所述分配配方包括分配给制造过程的液体的配方量、以及液 体的配方量必须分配到制造过程内的分配持续时间。例如，分配配方可以 命令系统10在1.5秒内分配30mL液体12给制造过程13。而对于另一实例， 分配配方可以命令系统10在十二秒内分配30mL液体12给制造过程13。分 配配方还包括关于液体(例如，粘度、密度等)和制造过程(例如，过程 的环境温度)的其它信息，该信息是控制器50在分配过程期间要考虑的。 控制器50随后将信号提供给停止/反吸阀46，以打开容器14和制造过程13 之间的流体路径。如果断流阀36a和36b关闭，则控制器50也将信号提供给 断流阀36a和36b，以使断流阀36a和/或36b打开。这使得增压气体通过增压 气体通道32从增压气体源30流到压缩空间31。在一个实施例中，增压气体 源30具有在大约60到100磅/平方英寸表压(psig)之间的压力。
优选压缩空气或氮的增压气体通过增压气体源30供给到压缩空间31， 以迫使液体12经由流动通道40通过过滤器42、压力变换器44以及停止/反 吸阀46。当液体12从容器14的内容器20进行分配时，允许空气进入压缩空 间31，从而使柔性内容器20皱折。可选择地，可以提供在增压气体源30 和压缩空间31之间连接的额外气体通道和压力调节器(未示出)，以将预 定的恒定压力提供给压缩空间31。到增压气体源30的该额外连接允许系统 10更快速地达到压缩空间31所需的压力。还应该提及的是，在此实施例中， 当内容器20通过增压气体皱折时，可以使用能够使内容器20皱折以迫使液 体12通过流动通道40的任何装置，包括基于液压或机械的装置。
当液体12流过流动通道40时，压力变换器44感应流过流动通道40 的液体12的压力。根据泊肃叶定律(也称为哈根-泊肃叶(Hagen-Poiseuille) 定律)，在压力变换器44处的流动通道40中的压力与流动通道40中的流 速成比例。流动通道40中的压力优选从过滤器42的下游进行测量，使得 分配的精度不受到由于过滤器42的使用和留有杂质而造成的过滤器限制 的影响。通过压力变换器44感测的压力被提供给控制器50。然后，控制 器50将通过压力变换器44感测的压力与将液体12分配给制造过程13所 需的压力在分配配方的规定(即，分配时间、分配到制造过程13的液体 12的量等)内进行比较。如果必要，控制器50接着通过调节断流阀36a 和36b调节从增压气体源30到压缩空间31的压力，以增加或减少在压缩 空间31处的来自增压气体源30的压力。
当已经调节了至压缩空间31的压力后，同样调节施加到内容器20的压 力，从而使通过流动通道40的流速改变。流速的该变化通过压力变换器44 作为通过流动通道40的对应的压力变化进行测量。液体12至制造过程13 的流速的此闭环控制允许系统10根据分配配方的规定提供液体分配。此 外，通过调节至压缩空间31的压力来改变通过流动通道40的液体12的流速 的能力允许从相同的液体源进行不同的分配配方。
在一个实施例中，断流阀36a和36b为高速/高循环寿命DC电磁阀。当 控制器50从压力变换器44接收信号时，控制器50使用控制算法以产生根据 分配配方、制造过程以及当前的压力参数控制断流阀36a和36b的驱动信 号。在一个实施例中，用于控制断流阀36a和36b的驱动信号为脉冲宽度调 制信号。脉冲宽度调制载波频率根据电磁阀的响应时间进行选择。控制器 50包括比例反馈部件，所述比例反馈部件用于根据在压力变换器44处的当 前压力和必需满足分配配方的流速规定的压力之间的差值计算误差信号。 此误差信号由控制器50使用以调节提供给断流阀36a和36b的驱动信号的 脉冲宽度。这就导致供给到压缩空间31的压力的调节。在另一实施例中， 控制器50另外包括微分和积分反馈部件，以提供分别与压力变换器44处随 着时间的过去而产生的压力的变化率以及随着时间的过去而产生的压力 信号的变化率的变化相关的误差信号。这些误差信号还由控制器50使用以 调制控制断流阀36a和36b的驱动信号。
在分配期间，当必需防止压缩空间31过度增压时，控制器50控制压力 释放阀38a和38b。在一个实施例中，压力释放阀38a和38b为通过具有脉冲 宽度调制信号的控制器50控制的高速/高循环寿命DC电磁阀。当控制器50 从压力变换器44接收信号时，控制器50确定是否已经有过多的压力供给到 压缩空间31。如果控制器50确定压缩空间31中的压力过高，则控制器50 将根据需要打开压力释放阀38a和38b，以将压缩空间31中的压力降低到适 当的水平。在一个实施例中，压力释放阀38a和38b分别为过程和微调断流 阀，以允许对压缩空间31中的空气压力进行微调。这通过压力释放通道37 提供了压缩空间31和压力释放管39之间的流体路径，从而降低压缩空间31 中的压力。随着压缩空间31中压力的下降，压力变换器44连续将信号提供 到与流动通道40中的压力相关的控制器50。当控制器50确定压缩空间31 中的压力已经达到适当的水平时，控制器50关闭压力释放阀38a和38b。可 选地，系统10可以另外包括直接连接到压力释放管39的另一压力释放通道 (未示出)，所述压力释放管在打开时有助于压缩空间31中压力的快速释 放。
当分配到制造过程13的液体12的量与分配配方的规定相对应时，系统 10终止液体12到制造过程13的分配。控制器50发送信号到停止/反吸阀46， 以终止内容器20的内部和制造过程13之间的流体连接。然后，停止/反吸 阀46将在停止/反吸阀46和制造过程13之间的任何液体12抽取或吸取回到 流动通道40内。此反吸过程可防止当满足分配配方的规定后，额外的液体 12从流动通道40滴到或流到制造过程13。
在不偏离本发明的本质和范围的前提下，可以对之前所述的液体分配 系统做出各种修改。例如，对于特定的液体化学制品(例如，用于制作薄 膜晶体管平板显示器的彩色滤光片化学制品)，有时需要输送和储存内容 器20内具有顶隙气体的液体12，以防止液体12衰变。此顶隙气体必须在将 液体12分配到制造过程13之前去除。为了实现此目的，可以将顶隙气体去 除系统组装进系统10内，例如，由K.O′Dougherty、R.Oberg、J.Menning、 G.Eiden以及D.Grant在2004年3月13日提出申请的名为“Liquid Dispensing Method and System with Headspace Gas Removal”的美国专利申请第 10/823,127号中所述，该申请在此并入本文供参考。此外，可以使用美国 专利申请第2003/0205285号中所说明的方法和系统填充容器14以在内容 器20内提供零顶部空间，该申请由W.Kelly和D.Chilcote在2003年11月6日 提出申请且名为“Apparatus and Method for Minimizing the Generation of Particles in Ultrapure Liquids”，该申请也在此并入本文供参考。此外，系 统10扩展为允许从单个容器14具有多个分配点。
本发明的液体分配系统提供了优于传统分配系统的几个优点。例如， 因为系统10在分配链中不使用泵，所以液体12将不会受到在传统系统中通 常由于泵部件的损坏造成的污染。此外，液体12通过内容器20与迫使液体 12通过流动通道40的增压气体隔离。这样就防止了气体在分配过程期间被 迫使进入液体12中，从而防止在液体12中形成有害的微气泡。加之与泵和 其它流动控制装置相比，系统10的部件相对便宜，所以降低了整个分配系 统的成本。此外，系统10的部件可以很容易地一体形成为单个可输送包装， 所述包装可以快速和简单地连接到最终使用设施处的制造过程。
总而言之，允许用相同的输入液体源实现不同化学制品量和不同分配 速度的当前分配系统在分配链中采用分配泵或流动控制装置。然而，这些 部件很贵，还已知有助于液体的污染，以及可以具有较差的稳定性。本发 明的液体分配系统解决了传统液体分配系统的这些和其它缺陷。液体从包 括外容器和被液体占据的柔性内容器的容器分配到制造过程。系统包括用 于提供内容器的内部和制造过程之间的流体连通的流动通道。增压流体源 被设置成与外容器的内壁和内容器之间的空间流体连通。增压流体源使流 体在压力下流入外容器的内壁和内容器之间的空间，以迫使内容器外的液 体通过流动通道至制造过程。压力传感器被定位为用于感测流动通道中的 压力。响应压力传感器的控制器通过调节来自增压流体源的压力控制流动 通道中的压力。
虽然已经参照优选实施例说明了本发明，但本领域普通技术人员将会 认识到，在不偏离本发明的本质和范围的前提下可以对形式和细节进行变 更。