蠕动泵原理及在化学机械抛光过程中的应用

蠕动泵 (Peristaltic Pump) 又称软管泵(Tubing Pump)或胶管泵(Hose Pump) ,是正位移泵的一种,由于其特有的无污染、操作简便、很少维护,具有自吸能力,可采用多种泵管材料等优点,广泛应用于一些要求标准较高、保持无菌及防止污染以及一些**关重要的化工工艺场合,如食品加工、制药、化工流程、实验研究、农业及水处理,具体应用场合包括:分配、取样、计量、过滤、发酵等。
 
随着技术的不断提升,蠕动泵已开始由实验室应用转为化学流程控制和生产领域。蠕动泵**显著的优点就是将泵管当作泵室使用。流体只流经泵管而不会污染泵体,泵体也不会污染流体。清洁时只需更换泵管即可。这样可免去高成本的拆卸时间和维护时间。
 
蠕动泵主要由驱动单元、泵头、泵管和控制单元组成。该设计采用电机来驱动一组辊子转动。辊
 
子相继碾过柔软的泵管,对其进行反复的压缩和释放。这种挤压作用产生真空,将流体吸入并通过泵


蠕动泵在正常工作时,通过操作面板或上位机控制电机带动转子转动,转子上的辊子依次碾过泵管,将管挤瘪,从而将泵管中的流体挤压出去。辊子碾过后的泵管恢复原形、形成真空,由此可将后面的流体抽吸进来,在下一轮挤压过程将流体排出,完成整个流体的泵送过程是由挤压泵管、形成真空和流体泵送等过程完成的。
 
2 蠕动泵在化学机械抛光过程中应用的优势
 
 
 
化学机械抛光是指利用抛光机、抛光液、抛
 
光布等在一定的工艺条件下实现材料表面高平坦化的加工过程,其中抛光液的供给由蠕动泵完成,抛光过程中蠕动泵的安装、工作示意图如图 3 所示。

蠕动泵特有的泵送液体与泵体严格分离的结构以及泵管和泵头可随时更换的特点,使得在化学抛光过程中,蠕动泵应用的优势非常明显:
 
(1) 无污染 :在化学抛光过程中,蠕动泵输送的抛光液始终在泵管内流动,不接触泵体,尤其是不与机械传动机构接触,避免了化学机械抛光过程中的金属污染,同时也不会由于抛光液的腐蚀性损坏泵体的机械元件。
 
(2) 具有自吸能力 :蠕动泵在工作过程中,可产生足够的真空吸力将抛光液从夜池中吸到泵管
 
中,从而可免除前期灌泵和吸入管充水过程。这也免除了淹没充水的需要,因此不再需要将泵置于液体源液面以下,使泵的安装位置变得更加灵活,与
 
抛光机本身更好的融为一体。另外,蠕动泵中充水不会流失,因此可免除无谓停机。
 
(3) 操作简便 :蠕动泵的操作非常简单,开箱取出即可使用。泵头的安装只需要用手旋螺钉几分钟内即可安装好,泵管的安装、拆卸、锁紧可根据要求随时进行,不需要任何工具。另外,蠕动泵控制简单,用拨号盘或小键盘即可进行转速控制,通过直
 
观易懂的菜单方式来编程控制较为复杂的任务。另外根据不同的流量要求也可一个蠕动泵同时连接 2~3 个泵头,实现抛光液的多路供给。
 
3 蠕动泵的控制
 
 
随着半导体器件高密度化、微细化和多层化的发展要求,化学机械抛光工艺成为必不可少的工艺步骤,为了满足自动化加工的生产需求,抛光液的供给也由 
早期的手动供给,定量供给向自动供给和流量自动调节方向发展。蠕动泵的控制可通过操作面板进行手动调节,从而控制泵的转速(流量),方向和启动 / 停止等操作,有的还可以设定泵送时间和泵送间隔。为了满足化学机械抛光过程中抛光液的自动控制要求,蠕动泵也可通过上位机实行 RS485 控制或模拟量控制。其自

 
动控制的实现途径以某一品牌蠕动泵为例进行说明。
 
 
3.1 RS485 控制
 
蠕动泵通过 RS485 进行控制,其控制包括:通
 
讯协议设定、设置运行参数、读取运行参数,设置运行地址、读取运行地址,具体内容包括:

 
协议设置:通讯类型—2、4(可选)
 
波特率—9600、19200(可选)
 
数据位—8、16(可选)
 
停止位—1
 
"   —WJ+   速度 + 启动 / 停止状态 + 方向
$    
$设置:     地址      
$ ! —WJ+              
$                      
运行参数 #$                        
$读取:—RJ                  
$ !                    
$ —RJ+ 速度 + 启动 / 停止状态 + 方向
% !            
$                    
"   —WID+ 地址          
$            
$设置:                
$     —WID                
设备地址 #$                        
$读取:—WID                
$ !                    
$ —WID+ 地址          
%                  

 
3.2 模拟量控制
 
模拟量控制可以根据上位机要求选择 0~5 V、
 
0~10 V 和 4~20 mA 模拟量控制,以 0~10 V 模
 
拟量控制为例,其模拟量信号处理与控制示意图如图 5 所示,通过外部控制开关控制蠕动泵的启动 /
 
停止(ex-R/S)、旋转方向(ex-Z/F),通过 LM358 芯片对 0~10 V 外部模拟量信号进行处理,达到控制抛光过程中抛光液流量控制的目的。
 
4 蠕动泵选用依据
 
 
蠕动泵在选择过程中主要考虑的因素为驱动器(电机)、泵头和泵管,在选择过程中要充分考虑应用环境、应用场合、泵送液体的性质等因素。
 
4.1  驱动单元的选择
 
蠕动泵驱动器在选择过程中主要考虑泵送液体的流速、所选管材类型以及调速要求等。
 
一般来说较大流量要求较大的泵管尺寸,较大的泵管,其与辊子的接触面积比较大,受挤压的材料也更多,摩擦力越大,所需驱动器功率越大。 较硬的泵管材料需要更高的能量来挤压泵管,所需驱动器功率也

就越大。也就是说,泵管尺寸越大、硬度越高,能耗则越大。另外,转子、泵管、泵管床等的构型、抽吸高度及出口压力也会对电机扭矩负荷构成影响。系统总扭矩负荷等于每个泵管通道的扭矩负荷与通道数的乘积。
 
选择一款具有足够扭矩和转速的驱动器,以满足泵送及泵头的要求。流速不可调的驱动器适于一些一般性流体输送的应用场合。这种驱动器结构紧凑,能耗较低。不同的齿数比产生不同的扭矩输出。流速可调的驱动器可同时对所有通道的流量进行调节。数字式驱动器可对泵进行**佳控制,其内置转速计可提供及时反馈。还可显示流量值。
 
4.2  泵头的选择
 
泵头的选择主要考虑的因素有:需要泵送液体的流速、更换管道的频繁程度、需要多少通道、化学相容性、精确度等。
 
不同的泵头具有不同的流速范围,在选择泵头时,驱动器的转速与流速直接相关 固定转速还是可变转速 -- 可变转速使得流速可调。 流速或分配容积的精确度 -- 许多驱动器装有转速数控电路,以便获得高精度、可重复的流速。 远程控制或计算机界面 -- 有些驱动器可与您的过程控制器相连

 接,也有的可以用脚踏开关来操控。 外部防护,防止设备遭到损毁 -- 许多驱动器都进行了密闭防护,可防灰尘和水进入。
 
4.3 泵管的选择
 
在所有泵头中,泵管尺寸与流量总是成正比。较大
 
的泵管尺寸及转子直径会产生较大的“流体枕”(泵头中在相邻辊子之间的一段泵中的流体所占空间)。“流
 
体枕”的体积决定特定泵头每转一圈所泵送的流量。
 
在对流量精度要求高的场合,必须使用公差较小的泵管,并对泵进行调校。“公差较小”指的是泵管的内径和璧厚的制造尺寸公差较小。这种泵管可降低通道之间流量的差异程度。对泵进行调校指对泵管锁闭程度进行调节,可进一步降低这种差异程度。
 
所有泵管材料都会受到挤压。受挤压期间,这些泵管的形状和流量都会发生变化。受挤压时间长短、受挤压后泵管的变化量都会随泵管尺寸及材料的不同而不同。在对流量精度要求高的场合下,可
 
在对通过每个通道的流量进行调校前将装有新泵管的泵试运行几分钟。

5 小结
 
 
通过以上分析可以看出,用好蠕动泵的关键在于选好泵头、泵管和驱动器。特定的应用要求决定了选购泵产品时需考虑的功能。针对特定的需求,我们可提供不同类型及形状的泵头、泵管材质及泵管尺寸。不同的组合方式可应对不同的流体输送要求。随
 
着蠕动泵制造技术的不断提升,其使用寿命、化学相容性、流体压力、脉动等限制其应用的制约因素也会不断改善,其应用场合范围会越来越广泛。