CN111998572A - 包括电阻加热器的热电加热/冷却装置 - Google Patents

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Abstract

热电加热/冷却装置可以包括第一导热集管和第二导热集管。多个热电元件可以并联地耦合在所述第一导热集管和第二导热集管之间。另外，电阻加热元件可以设置在所述第二集管上，并且所述第二集管可以位于所述电阻加热元件和所述多个热电元件之间。

Description

包括电阻加热器的热电加热/冷却装置
本申请是申请号为201480080715.0(国际申请号为PCT/US2014/039376)、申请 日为2014年5月23日、发明名称为“包括电阻加热器的热电加热/冷却装置”的中 国专利申请的分案申请。
背景技术
本发明的构思的实施方式涉及温度控制，更具体而言，涉及热电温度控制装置、方法、模块和部件。
可以使用诸如p-BixSb2-xTe3和n-Bi2Te3-xSex之类的热电材料来根据珀尔帖效应提供泵热(例如，冷却和/或加热)和/或发电。例如，在Venkatasubramanian等人的名 称为“Phonon-Blocking Electron-Transmitting Structures”(18th InternationalConference On Thermoelectrics,1999)的文献中讨论了热电材料和结构，借此通过引用将该文献的 全部公开内容结合在本文中。热电装置例如可以包括一个或多个热电对，其中每个热 电对均包括串联地电耦合且并联地热耦合的p型热电元件和n型热电元件，并且一对 热电对中的每个热电元件都可以由诸如碲化铋(p型或n型Bi2Te3)之类的热电材料 形成。
因而，可以将多个p型和n型热电元件并联地热耦合在第一和第二导热集管(header)之间。p型和n型热电元件可以串联地电耦合，从而使得电流通过串联连 接的热电元件在第一方向上(例如，在从第一集管向第二集管的方向上)通过p型热 电元件，并且在第二方向上(例如，在从第二集管向第一集管的方向上)通过n型热 电元件，其中第一方向和第二方向为相反方向。而且，可以将这些方向反过来以使泵 热方向反过来。因而，能够使用施加至串联连接的热电元件的具有第一极性的热电控 制信号来将热从第一集管泵送到第二集管以加热联接至第二集管的负载，并且能够使 用具有(与第一极性相反的)第二极性的热电控制信号将热从第二集管泵送到第一集 管以冷却联接至第二集管的负载。
通过在热交换器(也称为散热器)和负载之间热耦合这种热电部件(或模块)， 因而能够利用热电部件加热和/或冷却负载。例如，在Deane等人的名称为 “ThermoelectricHeating/Cooling Structures Including a Plurality of Spaced ApartThermoelectric Components”的美国公报No.2011/0132000、Koester等人的名称为“Thermoelectric Heat Pumps Providing Active Thermal Barriers and RelatedDevices and Methods”的美国公报No.2009/0205696以及Colja等人的名称为“IntegratedThermoelectric Cooling Element and Positive Temperature Coefficient Heater”的美国公 报No.2009/0188259中讨论了热电加热/冷却的应用。然而，当使用热电部件加热到高 温和/或长时间保持高温时，这种热电部件的可靠性可能下降。
发明内容
根据本发明构思的一些实施方式，一种热电加热/冷却装置包括第一导热集管和第二导热集管、并联地热耦合在所述第一导热集管和第二导热集管之间的多个热电元 件，并且电阻加热元件可以位于所述第二集管上。更具体地说，所述第二集管位于所 述电阻加热元件和所述多个热电元件之间。
通过集成热电泵热和电阻加热，可以降低由热电元件经历的最大/平均温度，并且/或者可以减小加热过程中施加至热电元件的最大/平均电流。因而，可以改善所得 到的装置的可靠性，并且/或者可以增加装置寿命。
所述电阻加热元件可以包括位于所述第二集管上的导电材料图案，诸如金属图案。
所述第二集管可以在该第二集管的与所述多个热电元件相反的表面中限定沟槽，并且所述电阻加热元件的至少多个部分可以凹入在所述沟槽中。另外，电绝缘包覆层 可以设置在所述电阻加热元件上，并且所述电阻加热元件可以位于所述电绝缘包覆层 和所述第二集管之间。此外，所述电绝缘包覆层可以凹入在所述沟槽中。
控制器可以联接至所述多个热电元件和所述电阻加热元件。所述控制器可以被构造成向所述多个热电元件施加第一热电控制信号以将热从所述第一导热集管泵送至 所述第二导热集管，同时向所述电阻加热元件施加电阻加热器控制信号以从所述电阻 加热元件产生热。在施加所述第一热电控制信号和所述电阻加热器控制信号之后，所 述控制器可以被进一步构造成向所述多个热电元件施加第二热电控制信号以将热从 所述第二导热集管泵送至所述第一导热集管。所述控制器可以被构造成在向所述多个 热电元件施加所述第二热电控制信号的同时阻止电流流到所述电阻加热元件，并且/ 或者所述第一热电控制信号和第二热电控制信号可以具有相反的极性。
控制器可以联接至所述多个热电元件和所述电阻加热元件。所述控制器可以被构造成向所述多个热电元件施加具有第一幅度的第一热电控制信号以将热从所述第一 导热集管泵送到所述第二导热集管，同时向所述电阻加热元件施加电阻加热器控制信 号以从所述电阻加热元件产生热。在施加所述第一热电控制信号之后，所述控制器可 以被构造成向所述多个热电元件施加具有第二幅度的第二热电控制信号以继续将热 从所述第一导热集管泵送到所述第二导热集管，同时向所述电阻加热元件继续施加所 述电阻加热器控制信号，以从所述电阻加热元件产生热。所述第一幅度和第二幅度可 以不同，更具体地说，所述第二幅度可以大于所述第一幅度。
所述第一导热集管可以热耦合至热交换器。举例来说，所述第二导热集管可以热耦合至反应容器座以控制聚合酶链式反应(PCR)，或者所述第二导热集管可以热耦 合至被测集成电路装置。
所述多个热电元件可以包括串联电耦合的p型热电元件和n型热电元件，从而使得流过所述p型热电元件的电流的方向与流过所述n型热电元件的电流的方向相反。
根据其它一些实施方式，温度控制装置可以被构造成控制热负载的温度。该温度控制装置可以包括：被构造成提供所述热负载的加热/冷却的热电加热/冷却元件；以 及被构造成提供所述热负载的加热的电阻加热元件。
热电加热/冷却装置可以包括第一导热集管和第二导热集管以及并联地热耦合在所述第一导热集管和第二导热集管之间的多个热电元件。所述第二导热集管可以与所 述负载热耦合，并且所述第二导热集管可以位于所述第一导热集管和所述负载之间。
所述电阻加热元件可以位于所述第二集管上，并且所述第二集管可以位于所述电阻加热元件和所述多个热电元件之间。所述第二集管可以在该第二集管的与所述多个 热电元件相反的表面中限定沟槽，并且所述电阻加热元件的至少多个部分可以凹入在 所述沟槽中。电绝缘包覆层可以设置在所述电阻加热元件上，并且所述电阻加热元件 可以位于所述电绝缘包覆层和所述第二集管之间。另外，所述电绝缘包覆层可以凹入 在所述沟槽中。所述电阻加热元件可以为第一电阻加热元件，第二电阻加热元件可以 热耦合至所述负载，并且该负载可以热耦合在所述第一电阻加热元件和第二电阻加热 元件之间。
所述多个热电元件可以包括串联电耦合的p型热电元件和n型热电元件，从而使得流过所述p型热电元件的电流的方向与流过所述n型热电元件的电流的方向相反。
所述热负载可以热耦合在所述热电加热/冷却元件和所述电阻加热元件之间。
所述负载可以包括与所述热电加热/冷却元件热耦合并与所述电阻加热元件热耦合的聚合酶链式反应(PCR)容器座。
所述负载可以包括被测集成电路装置。另外，定位机构可以被构造成将所述热电加热/冷却元件定位在所述集成电路装置上以提供所述热电加热/冷却元件之间的热耦合，并且被构造成将所述热电加热/冷却元件远离所述集成电路装置重新定位。
所述定位机构例如可以包括伺服机构，该伺服机构被构造成使用定位丝杠将所述热电加热/冷却元件相对于所述集成电路装置定位/重新定位。
控制器可以联接至所述热电加热/冷却元件和所述电阻加热元件。所述控制器可以被构造成向所述热电加热/冷却元件施加热电控制信号以将热泵送至负载，同时向 所述电阻加热元件施加电阻加热器控制信号以从所述电阻加热元件产生热来加热所 述负载。
所述热电控制信号可以包括第一热电控制信号，并且在施加所述第一热电控制信号和所述电阻加热器控制信号之后，所述控制器可以被进一步构造成向所述热电加热 /冷却元件施加第二热电控制信号以从所述负载泵热。
另外，所述控制器可以被构造成在向所述热电加热/冷却元件施加所述第二热电控制信号的同时阻止电流流到所述电阻加热元件，并且所述第一热电控制信号和第二 热电控制信号可以具有相反的极性。
控制器可以联接至所述热电加热/冷却元件和所述电阻加热元件。所述控制器可以被构造成向所述热电加热/冷却元件施加具有第一幅度的第一热电控制信号以将热 泵送至所述负载，同时向所述电阻加热元件施加电阻加热器控制信号以从所述电阻加 热元件产生热。在施加所述第一热电控制信号之后，所述控制器可以被构造成向所述 热电加热/冷却元件施加具有第二幅度的第二热电控制信号以继续将热泵送至所述负 载，同时继续向所述电阻加热元件施加所述电阻加热器控制信号以从所述电阻加热元 件产生热。此外，所述第一幅度和第二幅度可以不同，并且更具体地说，所述第二幅 度可以大于所述第一幅度。
附图说明
图1A和图1B是根据本发明的构思的一些实施方式的热电加热/冷却部件(也被 称为热电部件或TEC)的第一和第二集管的俯视立体图；
图1C是根据本发明的构思的一些实施方式的图1B的第二集管的仰视图；
图1D是根据本发明的构思的一些实施方式的包括图1A、图1B和图1C的第一 和第二集管的热电加热/冷却部件的俯视图；
图2是根据本发明的构思的一些实施方式的沿着图1D的剖面线2-2’截取的热电加热/冷却部件的剖视图；
图3A和图3B是根据本发明的构思的一些实施方式的包括图2的热电加热/冷却 部件的集成电路测试头的剖视图；
图4A是根据本发明的构思的一些实施方式的包括图2的热电加热/冷却部件的聚合酶链式反应热循环仪的剖视图；
图4B是根据本发明的构思的一些实施方式的反应容器座的俯视图；以及
图5是图示了根据本发明的构思的一些实施方式的既提供热电泵热又提供电阻加热的加热/冷却装置的剖视图。
具体实施方式
下面参照附图更全面地描述本发明的构思，在附图中示出了本发明的构思的实施方式。然而，本发明的构思可以以许多不同形式实施，并且不应该解释为限于这里阐 述的实施方式。相反，提供这些实施方式是为了使得本公开将全面完整，并且将向本 领域技术人员充分地传达本发明的构思的范围。在附图中，为了清晰起见可能夸大了 元件、层和区域的大小和相对大小。自始至终相同附图标记表示相同元件。
图2是包括图1A的底部集管、图1B和图1C的顶部集管以及图1A和图1C中 所示的热电(TE)元件P和N的热电加热/冷却部件或TEC(也被称为热电模块)的 剖视图。图1D是图2的具有控制器231的热电加热/冷却部件的俯视图。导热集管 101可以如图1A和图2所示包括位于其顶表面上的导电迹线103，并且导热集管201 可以如图1C和图2所示包括位于其底表面上的导电迹线213。更具体地说，迹线的 加宽部分103a和103b可以如图1D所示例如经由丝焊(wirebond)或其它电互连而 提供与控制器231的电耦合。
每个集管101和201都可以是导热的，同时在其上的迹线103/213之间提供电隔离。根据一些实施方式，例如，集管可以包括上面形成有金属迹线的导热但电绝缘的 基板，例如陶瓷(例如氧化铝)基板。根据其它一些实施方式，集管可以包括具有薄 绝缘层的金属基板，从而在导电迹线之间提供电隔离。
导电迹线103/213可以是形成在相应集管101/201上的导电金属迹线。导电迹线可以通过在相应集管上沉积薄金属层(例如，铜层)并且例如使用光刻方法对金属层 进行构图而形成。根据其它一些实施方式，导电迹线可以使用选择性金属沉积而形成。
因而，迹线103和213可以提供如图1A、图1C和图2所示的p型和n型热电 元件P和N之间的电耦合。热电元件P和N因而可以并联地热耦合在导热集管101 和201之间，并且串联地电耦合，从而使得通过p型热电元件的电流的方向与通过n 型热电元件的电流的方向相反。
通过从控制器231提供具有第一极性的热电控制信号(例如，通过使施加至迹线的加宽部分103a的电压大于施加至迹线的加宽部分103b的电压)，可以使流过p型 热电元件P的电流沿从集管201到集管101的第一方向，并且可以使流过n型热电元 件N的电流沿从集管101到集管201的(与第一方向相反的)第二方向，从而将热 从集管201泵送至集管101。通过从控制器231提供具有第二极性的热电控制信号(例 如，通过使施加至迹线的加宽部分103a的电压小于施加至迹线的加宽部分103b的电 压)，可以使流过n型热电元件N的电流沿从集管201到集管101的第一方向，并 且可以使流过p型热电元件P的电流沿从集管101到集管201的(与第一方向相反的) 第二方向，从而将热从集管101泵送到集管201。
因而，通过施加至迹线的加宽部分103a和103b的热电控制信号的极性以及流过热电元件的所得到的电流能够确定泵热方向。如果集管201的顶表面联接至负载(例 如，被测的集成电路装置或PCR热循环仪的反应容器座)并且集管101的底表面联 接至热交换器，则可以(利用具有第一极性的热电控制信号)将热从负载泵送至热交 换器以对负载进行冷却，或者可以(利用具有第二极性的热电控制信号)将热从热交 换器泵送到负载以对负载进行加热。
如图1B、图1D和图2进一步所示，电阻加热元件203可以集成在集管201的 顶表面上/顶表面中。电阻加热元件203可以包括导电材料203-1的图案(例如，诸如 铜之类的金属的图案)。如图1D所示，电阻加热元件203的加宽部分203a和203b 可以例如经由丝焊或其它电互连而如图1D所示提供与控制器231的电耦合。通过向 电阻加热元件203的加宽部分203a和203b提供电阻加热器控制信号，可以通过电阻 加热元件203产生电流以产生热。因而，可以使用热电泵热和电阻发热的组合来加热 联接至集管201的顶表面的负载，并且可以使用相反的热电泵热来冷却联接至集管 201的顶表面的负载。
如图2进一步所示，可以在集管201的顶表面中限定一沟槽(或多个沟槽)，并 且电阻加热元件203的导电材料203-1可以凹入在该沟槽中。另外，可以在导电材料 203-1上设置绝缘包覆层203-2(例如，薄的氧化硅层)。通过如图2所示将电阻加 热元件203凹入在沟槽中，集管201的平坦顶表面可以给负载提供改进的热耦合。此 外，通过减少绝缘包覆层203-2的厚度，可以降低热传导阻力。通过减少集管201的 顶表面上由电阻加热元件203占据的表面面积能够进一步降低热传导阻力。
如果集管201包括由诸如陶瓷之类的电绝缘材料制成的基板，则导电材料203-1可以直接形成在该集管上。如果集管201包括金属基板，则电绝缘材料的薄层可以设 置在导电材料203-1和集管201之间，以在二者之间提供电隔离。
通过使用热电泵热和电阻加热二者来提供加热，可以实现更高的负载温度，可以实现更快的温度斜率，可以减少热电元件上的应力，并且/或者可以增加热电泵热的 可靠性(包括热电元件P和N的可靠性)。例如，可以同时提供热电泵热(向负载 泵热)和电阻加热，以增加将负载加热到期望温度的加热速率并且/或者增加能够加 热负载的温度。根据其它实施方式，在热斜坡的初始部分期间可以使用电阻加热而不 使用热电泵热，以将负载加热至第一温度，随后同时进行热电泵热和电阻加热以将负 载加热到比第一温度高的第二温度，以减少使用热电泵热的时间量。
根据另外其它实施方式，在温度斜坡的第一部分过程中，可以使用具有第一幅度的第一热电控制信号将热泵送到负载，同时响应电阻加热器控制信号而以电阻方式产 生热；而在第一部分之后的该温度斜坡的第二部分过程中，可以使用具有大于第一幅 度的第二幅度的第二热电控制信号将热泵送到负载，同时继续响应于电阻加热器控制 信号而继续以电阻方式产生热。可以减少使用具有较大幅度的第二热电控制信号的时 间段。
根据另外其它实施方式，可以使用热电泵热而在负载和热交换器之间提供主动热屏障，同时使用电阻加热对负载加热。例如，在Koester等人的名称为“ThermoelectricHeat Pumps Providing Active Thermal Barriers And Related Devices And Methods”的美 国公报No.2009/0205696中讨论了主动热屏障，这里通过引用将该其全部公开内容结合在本文中。当使用热电泵热提供主动热屏障时，使用热电泵热提供负载和热交换器 之间的热隔离，同时利用电阻加热对负载实质加热。用来提供主动热屏障的泵热电流 因而可以小于用来实质加热负载的泵热电流。
在主动冷却过程中，可以使用热电泵热(在相反方向上)来冷却负载，同时阻挡 电流流过电阻加热元件203。
可以使用半导体薄膜沉积技术提供P型和N型热电元件P和N，并且可以使用 微制造技术来制造热电结构(例如，图2的包括集管101和201以及热电元件P和N 的结构)。在这种热电结构中，多个P型和N型热电元件可以在导热集管101和201 之间串联电耦合(其中串联连接在P型和N型热电元件之间交替)以及并联热耦合。 例如，P型和N型热电材料的薄膜(例如，碲化铋或Bi2Te3)可以外延生长在相应基 板上，然后切割以提供基本单晶P型和N型热电元件N和P，该P型和N型热电元 件然后被焊接至集管101和201上的相应导电迹线103和213。在另选方式中，可以 使用块体(例如，更厚并且非结晶)热电材料提供热电元件。
通过使用薄膜基本单晶热电元件N和P，可以减小热电部件的大小并且可以提高性能。块体热电装置例如可以限于大约10W/cm2。然而，使用薄膜基本单晶热电元 件可以允许100W/cm2或更高的泵热容量。因而，基本单晶和/或薄膜热电元件N和 P可以比传统块体热电元件提供显著更高的性能，并且例如图3A和图3B的结构可 以方便在需要与被测集成电路(IC)装置(DUT)反复接触但不能损坏热电元件/部 件的测试头中使用这种高性能热电元件。
举例来说，在Venkatasubramanian的名称为“Thin-Film ThermoelectricCooling And Heating Devices For DNA Genomic And Proteomic Chips,Thermo-Optical Switching Circuits,And IR Tags”的美国公报No.2002/0174660、Venkatasubramanian等人的名 称为“Phonon-Blocking,Electron-Transmitting Low-Dimensional Structures”的美国公 报No.2003/0099279、Venkatasubramanian等人的名称为“Thermoelectric Device Utilizing Double-Sided Peltier Junctions AndMethod Of Making The Device”的美国公 报No.2003/0230332、Venkatasubramanian等人的名称为“Trans-Thermoelectric Device” 的美国公报No.2006/0225773、Venkatasubramanian等人的名称为“Thin film thermoelectric devices for hot-spotthermal management in microprocessors and other electronics”的美国公报No.2006/0086118、Venkatasubramanian的名称为 “Thermoelectric Generators ForSolar Conversion And Related Systems And Methods” 的美国公报No.2006/0243317、O'Quinn等人的名称为“Methods Of Forming Thermoelectric Devices IncludingConductive Posts And/Or Different Solder Materials And Related Methods AndStructures”的美国公报No.2006/0289052、Alley等人的名 称为“Methods Of FormingThermoelectric Devices Including Electrically Insulating Matrixes BetweenConductive Traces And Related Structures”美国公报No. 2006/0289050、Koester等人的名称为“Methods Of Forming Embedded Thermoelectric Coolers With AdjacentThermally Conductive Fields And Related Structures”的美国公报 No.2007/0089773、Venkatasubramanian等人的名称为“Methods Of Forming ThermoelectricDevices Including Superlattice Structures Of Alternating Layers WithHeterogeneous Periods And Related Devices”的美国公报No.2007/0028956、Bharathan等人的名称为“Methods Of Forming Thermoelectric Devices Using Islands OfThermoelectric Material And Related Structures”的美国公报U.No.2007/0215194、Pierce等人的名称为“Methods Of Depositing Epitaxial Thermoelectric FilmsHaving Reduced Crack And/Or Surface Defect Densities And Related Devices”的美国公报No. 2008/0185030、Windheim等人的名称为“Temperature Control IncludingIntegrated Thermoelectric Temperature Sensing And Related Methods AndSystems”的美国公报No. 2008/0168775、Lee等人的名称为“Temperature ControlIncluding Integrated Thermoelectric Sensing And Heat Pumping Devices AndRelated Methods And Systems” 的美国公报No.2008/0264464、Windheim等人的名称为“Thermoelectric Structures Including Bridging Thermoelectric Elements”的美国公报No.2009/0000652以及Alley 等人的名称为“Electronic Assemblies ProvidingActive Side Heat Pumping And Related Methods And Structures”的美国公报No.2009/0072385中讨论了热电装置、结构、部 件、组件以及制造、组装、沉积和/或其操作的方法。借此通过引用将以上参考的所 有专利公报的全部公开内容都结合在本文中。
图3A和图3B是示出了结合有图2的热电部件的测试头的剖视图。如图所示， 集管101可以耦合至热交换器337并且由支撑构件345支撑，可以使用伺服机构361 和定位螺钉355将集管201的表面定位在被测集成电路(IC)装置(DUT)341上。 集管101可以焊接至热交换器337以在其间提供导热连接/界面。根据其它一些实施 方式，集管101可以机械连接至热交换器337(例如，使用螺钉、螺栓等)，热界面 材料或TIM(例如，导热油脂)提供导热界面。根据另外其它实施方式，可以使用热 粘合剂来提供集管101和热交换器337之间的导热连接/界面。根据又一些其它实施 方式，可以将热交换器337的功能集成在集管101中，从而不需要单独的热交换器。
如图3A所示，伺服机构361和定位螺钉355可以提供集管201和IC DUT 341 之间的分离以装载/卸载IC DUT 341。如图3B所示，伺服机构361和定位螺钉355 可以将集管201的表面定位在IC DUT 341上以在集管201和IC DUT 341之间提供热 耦合，以便在热循环过程中进行电测试。印刷布线板(PWB)357可以提供与IC DUT 341的电耦合，以便在使IC DUT341经受热循环的同时进行电测试。印刷布线板357 例如可以提供与IC DUT的可拆卸联接以允许测试不同的IC。因而，印刷布线板357 可以是测试头的元件。根据其它一些实施方式，印刷布线板357和IC DUT 341可以 永久地联接(例如，通过焊接)并且作为单元进行测试，从而使得印刷布线板357 不是测试头的元件。
如以上关于图1D所讨论的，控制器231可以向热电元件P/N提供热电控制信号 以将热泵送至IC DUT或从IC DUT泵热，以提供IC DUT的加热/冷却，并且控制器 231可以向电阻加热元件203提供电阻加热器控制信号以控制由电阻加热元件203产 生的热。通过既提供热电泵热又提供电阻加热，可以改善温度斜坡的控制，可以实现 更高温度，并且/或者可以改善热电泵热元件(例如，热电元件P/N)的可靠性。例如， 可以通过减少流过热电元件P/N的电流、通过减少使用热电元件P/N来泵送更高温度 的热的持续时间和/或通过降低热电元件P/N经受的温度，来改善热电泵热元件的可 靠性。
如图3A和图3B所示，可以将电阻加热元件203集成在热电热泵的集管201中。 根据其它一些实施方式，电阻加热元件203可以设置在印刷布线板357(在IC DUT 341 下面)中/印刷布线板357上，并且热电热泵可以由支撑构件345支撑，从而将热电 热泵和电阻加热元件203设置在IC DUT 341的相对两侧。在这种情况下，可以将电 阻加热元件203从集管201省去。
根据另外其它实施方式，热电热泵(包括集管和热电元件但没有电阻加热元件203)可以设置在印刷布线板357(在IC DUT 341下面)中/印刷布线板357上，并且 电阻加热元件可以由支撑构件345支撑，从而将电热热泵和电阻加热元件203设置在 IC DUT 341的相对两侧。根据其它实施方式，电阻加热元件203可以如图3A和图 3B所示集成在热电热泵的集管201中，并且第二电阻加热元件可以设置在印刷布线 板341中/印刷布线板357上，从而可以将电阻加热设置在IC DUT 341的两侧。根据 进一步实施方式，电阻加热元件203可以如图3A和图3B所示集成在热电热泵的集 管201中，并且第二热电热泵可以设置在印刷布线板341中/印刷布线板357上，从 而可以将热电泵热设置在IC DUT 341的两侧。
图4A是示出了结合有图2的热电部件的聚合酶链式反应(PCR)热循环仪的剖 视图。如图所示，集管101可以热耦合至热交换器337，并且集管201(包括集成的 电阻加热元件203)可以热耦合至反应容器座401。另外，电阻加热器415可以热耦 合至反应容器座401，从而将反应容器座401热耦合在电阻加热器415和热电元件P/N 之间。在具有电阻加热器415的情况下，可以将电阻加热元件203从集管101省去， 或者在具有电阻加热元件203的情况下，可以将电阻加热器415省去。电阻加热器 415可以使用类似于具有电阻加热元件203(没有热电元件P/N)的集管201的结构 提供。
如以上关于图3A和图3B所讨论的，集管101可以焊接至热交换器337，以在 二者之间提供导热连接/界面。根据其它一些实施方式，集管101可以机械连接至热 交换器337(例如，使用螺钉、螺栓等)，热界面材料或TIM(例如，导热油脂)提 供导热界面。根据另外其它实施方式，可以使用热粘合剂在集管101和热交换器337 之间提供导热连接/界面。根据另外其它实施方式，可以将热交换器337的功能集成 在集管101中，从而不需要单独的热交换器。类似地，集管201和反应容器座401 之间的联接可以使用如下手段提供：焊接；机械联接和热界面材料；和/或热粘合剂。 此外，反应容器座401和电阻加热器415之间的连接可以使用如下手段提供：焊接； 机械联接和热界面材料；和/或热粘合剂。
反应容器座401可以是其中具有被构造成收纳反应容器(或多个容器)405的一 个或多个凹部403的导热块(例如，金属块)。图4B是根据一些实施方式的包括四 个凹部403的反应容器座401的俯视图，其中每个凹部均被构造成收纳相应的反应容 器。通过将反应容器座401设置为导热块，可以使用热电泵热和/或电阻加热来控制 相应凹部403中的反应容器405中的DNA样品的温度曲线。
如图4A中进一步所示，间隔件(或多个间隔件)225可以用来对热交换器337 和反应容器座401相对于彼此进行支撑，由此保护包括集管101和201以及热电元件 P和N的热电部件。单个间隔件225例如可以将热交换器337和反应容器座401之间 的空间密封以保护热电元件P和N免受外界环境影响。根据其它实施方式，可以设 置多个单独的间隔件225。间隔件或多个间隔件因而可以在热交换器337和反应容器 座401之间提供刚性连接/支撑，从而可以减小热电元件P和N上的应力。例如，间 隔件225可以在反应容器座401(负载)和热电部件之间产生间隙，并且该间隙可以 填充柔顺材料(例如，导热油脂或其它柔顺导热材料)。
图4A和图4B的PCR热循环仪因而被构造成根据具体温度曲线处理相应反应容 器405中的DNA样品。更具体地说，控制器231被构造成向热电元件P/N产生/施加 热电控制信号以提供反应容器座401的加热和/或冷却，并且被构造成向电阻加热元 件203和/或电阻加热器415产生/施加电阻加热器控制信号以提供反应容器座401的 加热。而且，温度传感器417可以向控制器231提供温度反馈以允许进行更精确的温 度控制。
另外，温度传感器417可以向控制器231提供温度反馈(例如，代表反应容器座 401的温度)以方便进行更精确的温度控制。
如以上针对图1D所讨论的，控制器231可以向热电元件P/N提供热电控制信号， 以将热泵送至反应容器座401或从反应容器座401泵热以提供反应容器座的加热/冷 却，并且控制器231可以向电阻加热元件203和/或电阻加热器415提供电阻加热器 控制信号以控制由此产生的热。通过提供热电泵热和电阻加热这二者，可以改善温度 斜坡的控制，可以实现更高的温度，并且/或者可以提高热电热泵的可靠性。例如， 通过减小流过热电元件P/N的电流、通过减小热电元件P/N以更高温度泵热的持续时 间和/或通过降低热电元件P/N经受的温度，可以提高热电热泵的可靠性。
通过将电阻加热元件203从集管201省去并仅使用电阻加热器415来提供电阻加热，反应容器座401可以将热电加热/冷却部件(包括热电元件P/N)从电阻加热分开 以由此降低热电元件P/N经受的温度。根据一些实施方式，在加热过程中，可以使用 热电加热和电阻加热来增加反应容器座401的温度。根据其它一些实施方式，在加热 过程中，可以使用热电加热来在反应容器座和热交换器337之间提供主动热屏障，其 中实际加热主要由电阻加热器415提供。
在图3A至图3B和/或图4A至图4B的一些实施方式中，控制器231可以被构造 成向热电加热/冷却元件(包括热电元件P/N)施加第一热电控制信号以将热泵送至反 应容器座，同时向电阻加热元件203和/或电阻加热器415施加电阻加热器控制信号 以从电阻加热元件203和/或电阻加热器415产生热以将负载加热。在施加第一热电 控制信号和电阻加热器控制信号之后，控制器231可以被进一步构造成向热电加热/ 冷却元件施加第二热电控制信号以从负载泵热。此外，控制器231可以被构造成在向 热电加热/冷却元件施加第二热电控制信号的同时防止电流流到电阻加热元件203和/ 或电阻加热器415，并且第一和第二热电控制信号可以具有相反的极性。因而，主动 加热和冷却可以用来提供期望的温度曲线。
在图3A至图3B和/或图4A至图4B的一些实施方式中，控制器231可以被构造 成向热电加热/冷却元件施加具有第一幅度的第一热电控制信号以将热泵送至负载， 同时向电阻加热元件203和/或电阻加热器415施加电阻加热器控制信号以从电阻加 热元件和/或电阻加热器产生热。在施加第一热电控制信号之后，控制器231可以被 构造成向热电加热/冷却元件施加具有第二幅度的第二热电控制信号以继续向负载泵 送热，同时继续向电阻加热元件203和/或电阻加热器415施加电阻加热器控制信号 以从电阻加热元件203和/或电阻加热器415产生热。更具体地说，第一和第二热电 控制信号的第一和第二幅度可以不同，仍更具体地说，第二幅度可以大于第一幅度以 提供峰值温度。
图3A、图3B和图4A的热交换器337可以提供用于热电泵送的散热器。例如， 热交换器337可以包括用于向空气中散热的散热片以及/或者用于循环空气的风扇。 根据其它实施方式，热交换器337可以提供流体/液体循环以将热消散到流体/液体内。
图5是示出了根据本发明的构思的一些实施方式的既提供热电泵热又提供电阻加热的加热/冷却装置的剖视图。在图5中，热负载505位于电阻加热器415和TEC 装置509之间，从而使得TEC装置509的热电元件不会受到来自电阻加热器415的 直接加热。负载505可以提供电阻加热器415和TEC 509之间的热电阻路径。这类 似于图4A的其中使用电阻加热器415提供电阻加热而省略电阻加热元件203的实施 方式或者图3A至图3B的其中电阻加热器设置在IC DUT 341下面并且省略电阻加热 元件203的实施方式。
热负载505例如可以为以上针对图3A至图3B讨f论的IC DUT 341或如上针对 图4A至图4B讨论的反应容器座401。TEC装置509可以使用以上针对图1A至图 1D和图2讨论的具有迹线103/213和热电元件P/N的集管101/201实现，但是省略电 阻加热元件203。电阻加热器415可以使用电绝缘基板和其上的导电图案实现，以提 供如上针对集管201和电阻加热元件203(没有热电元件)讨论的结构。热交换器337 可以是如上讨论的空气或液体冷却的散热器。
根据一些实施方式，可以在电阻加热器415、负载505、TEC装置509和/或热交 换器337之间(例如使用螺钉、螺栓等)提供固定的机械连接。在这种实施方式中， 热界面材料503可以提供电阻加热器415和负载505之间的导热耦合，热界面材料 507可以提供负载505和TEC装置509之间的导电耦合，并且/或者热界面材料511 可以提供TEC装置509和热交换器337之间的导热耦合。根据其它实施方式，导热 粘合剂可以提供电阻加热器415、负载505、TEC装置509和/或热交换器337之间的 固定连接。根据另外其它实施方式，焊接可以提供电阻加热器415、负载505、TEC 装置509和/或热交换器337之间的固定连接。
根据一些实施方式，可以在负载505和TEC装置509之间设置临时连接，以允 许如以上针对图3A至图3B的测试头所讨论的那样装载/卸载负载505。根据其它一 些实施方式，可以在负载505和电阻加热器415之间设置临时连接。根据另外其它实 施方式，热交换器的表面可以提供TEC装置509的集管，从而将热交换器337和TEC 装置集成。
在以上讨论的实施方式中，可以将具有TEC(例如，包括集管101和201以及 热电元件P和N)的最大泵热能力的加热功率的一倍到两倍的相对较小的电阻加热器 (例如电阻加热元件203和/或电阻加热器415)与温度控制***中的TEC结合。通 过如以上针对图5所讨论的将电阻加热器和TEC设置在负载的相对两侧，电阻加热 器和TEC可以通过热路径分开，从而提供一些热阻抗以降低由TEC经历的最大/平均 温度。例如，在电阻加热器可能超越目标温度以满足斜率要求的温度斜坡过程中，该 TEC可以避免经历电阻加热器的最大温度。该TEC可以在冷却模式(从负载向热交 换器泵送热)下和/或以减少的加热斜率操作，从而使得TEC内的平均温度不会达到 负载和/或电阻加热器的最大温度。
根据图5的一些实施方式，加热可以由电阻加热器415提供，冷却可以由TEC 509提供，该TEC 509通过将负载505(即温度控制对象)设置在TEC 509和电阻加热器415之间而从电阻加热器415至少部分地热分离。通过降低TEC 509经历的平均和/ 或最大温度，可以提高TEC 509的可靠性。根据一些实施方式，TEC 509可以仅在冷 却模式(将热从负载505泵送到热交换器337)下运行，并且/或者可以降低TEC 509 的加热模式功率(当从热交换器337向负载505泵送热时)，从而可以降低TEC 509 的平均内部温度。
与没有电阻加热器415的TEC 505的可靠性相比，TEC 505经历的平均温度降低 10摄氏度可以将TEC 505的寿命增加两倍以上。额外降低TEC 505经历的平均和/ 或最大温度能够放大可靠性的改善，使得具有相对较长的寿命要求的应用更为可行。 此外，这里公开的结构可以改进在加热模式和冷却模式下将块体热电元件用于比例- 积分-微分温度控制中的TEC装置的可靠性。
将理解，当将一元件或层被称为“位于”、“连接至”或“联接/耦合至”另一 个元件或层时，该元件可以直接位于、连接或联接/耦合至另一个元件或层，或者可 以存在居间元件或层。相反，当一个元件被称为“直接位于”、“直接连接至”或“直 接联接/耦合至”另一个元件或层时，则不存在居间元件或层。如这里使用的，术语 “和/或”包括所列举的相关项目中的一个或多个中任一个和所有组合。
将理解，尽管这里可能使用了术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、 区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应该受到这些术语 的限制。这些术语仅仅是用来将一个元件、部件、区域、层或区段与另一个元件、部 件、区域、层或区段区分开。因而，这里讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可 以被称为第二元件、部件、区域、层或区段，而不会脱离本发明的构思的教导。
为了容易描述，这里可能使用了诸如“在…下面”、“在…下方”、“下”、“在… 上方”、“上”等空间相对术语来描述如图中所示的一个元件或特征与另一个元件或 特征的关系。将理解，除了图中所示的取向之外，这些空间相对术语旨在还涵盖使用 或操作中的装置的不同取向。例如，如果将图中的结构翻过来，则描述为在另一个元 件下面或下方的元件然后将取向成在另一个元件或特征的上方。因而，示例性术语 “在…下方”既可以涵盖“在…上方”又可以涵盖“在…下方”的取向。该结构还可 以以其它方式取向(旋转90度或处于其它取向)，并且这里使用的空间相对术语相 应地进行解释。此外，如这里使用的，“横向”是指基本正交于竖直方向的方向。
这里使用的术语仅仅是为了描述具体实施方式之用，并不是为了限制本发明的构思。如这里使用的，单数形式的“一”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另 有明确指示。将进一步理解，当在该说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含” 指定存在所阐述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或 添加有一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。
这里参照作为本发明的构思的理想化实施方式(以及中间结构)的示意性图示的剖视图描述了本发明的构思的示例性实施方式。这样，能够预期到由于例如制造技术 和/或公差而产生与图示形状的偏差。因而，本发明的构思的实施方式不应该被解释 为限于这里所示的具体区域形状，而是包括由于例如制造而引起的形状偏差。例如， 示出为具有角度特征的结构可以转而具有圆形或曲线特征。因而，图中所示的区域在 本质上是示例性的，它们的形状并不是用来图示装置的实际区域形状，也不是用来限 制本发明的构思的范围。
除非另有限定，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)都具有所公开的发明构思所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。因而，这些术语可以包括 在此时之后创造的等效术语。将进一步理解，诸如通常在字典中定义的那些术语应该 解释为具有与其在本说明书中以及相关领域环境中一致的含义，并且不以理想化或过 度形式含义来解释，除非这里明确这样限定。这里提及的所有公报、专利申请、专利 和其它文献都通过引用将全部内容结合在本文中。
尽管已经参考本发明构思的实施方式具体示出并描述本发明构思，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明构思的精神和范围的情况下 可以在这里进行各种形式和细节的改变。

Claims (22)

1.一种热电加热/冷却装置，该热电加热/冷却装置包括：
第一导热集管和第二导热集管；
并联地热耦合在所述第一导热集管和第二导热集管之间的多个热电元件；以及
电阻加热元件，所述电阻加热元件包括导电材料图案，其中所述第二导热集管位于所述电阻加热元件和所述多个热电元件之间。
2.根据权利要求1所述的热电加热/冷却装置，其中，所述导电材料图案包括被配置成响应于电流流过该导电材料图案而产生电阻热的尺寸。
3.根据权利要求2所述的热电加热/冷却装置，其中，所述导电材料图案包括金属图案。
4.根据权利要求3所述的热电加热/冷却装置，其中，所述金属图案包括蜿蜒图案。
5.根据权利要求2所述的热电加热/冷却装置，其中，所述第二导热集管和所述电阻加热元件被构造成热耦合至负载。
6.根据权利要求5所述的热电加热/冷却装置，其中，所述电阻加热元件位于所述第二导热集管上并与所述多个热电元件相对。
7.根据权利要求6所述的热电加热/冷却装置，其中，所述导电材料图案的尺寸被配置成减小其对所述第二导热集管的热传导的影响。
8.根据权利要求5所述的热电加热/冷却装置，其中，所述电阻加热元件与所述第二导热集管分开。
9.根据权利要求5所述的热电加热/冷却装置，其中，所述负载包括聚合酶链式反应(PCR)容器座。
10.根据权利要求1所述的热电加热/冷却装置，其中，所述多个热电元件被配置成响应于与电阻加热器控制信号向所述电阻加热元件的施加同时地施加至所述热电元件的热电控制信号而将热从所述第一导热集管泵送至所述第二导热集管。
11.根据权利要求10所述的热电加热/冷却装置，其中，所述热电控制信号是第一热电控制信号，并且其中所述多个热电元件被配置成响应于与防止电流流到所述电阻加热元件同时地施加至所述热电元件的第二热电控制信号而将热从所述第二导热集管泵送至所述第一导热集管。
12.一种温度控制装置，该温度控制装置包括：
热电加热/冷却元件，所述热电加热/冷却元件被构造成响应于施加至其的热电控制信号而提供热负载的加热；以及
电阻加热元件，所述电阻加热元件被构造成响应于施加至其的电阻加热器控制信号而提供所述热负载的电阻加热。
13.根据权利要求12所述的温度控制装置，其中，所述电阻加热元件包括导电材料图案。
14.根据权利要求13所述的温度控制装置，其中，所述导电材料图案包括金属图案，所述金属图案具有被配置成响应于电流流过该导电材料图案而产生电阻热的尺寸。
15.根据权利要求12所述的温度控制装置，其中，所述热电加热/冷却装置包括：
第一导热集管和第二导热集管；
并联地热耦合在所述第一导热集管和第二导热集管之间的多个热电元件，
其中，所述第二导热集管和所述电阻加热元件被配置成热耦合至所述热负载。
16.根据权利要求15所述的温度控制装置，其中，所述电阻加热元件位于所述第二导热集管上并与所述多个热电元件相对。
17.根据权利要求16所述的温度控制装置，其中，所述电阻加热元件是第一电阻加热元件，并且所述温度控制装置还包括：
被配置成热耦合至所述热负载的第二电阻加热元件。
18.根据权利要求17所述的温度控制装置，其中，所述第二导热集管和所述第二电阻加热元件被配置成热耦合至所述热负载的相对侧。
19.根据权利要求15所述的温度控制装置，其中，所述多个热电元件被配置成响应于与电阻加热器控制信号向所述电阻加热元件的施加同时地施加至所述热电元件的热电控制信号而将热从所述第一导热集管泵送至所述第二导热集管。
20.根据权利要求19所述的温度控制装置，其中，所述热电控制信号是第一热电控制信号，并且其中所述多个热电元件被配置成响应于与防止电流流到所述电阻加热元件同时地施加至所述热电元件的第二热电控制信号而将热从所述第二导热集管泵送至所述第一导热集管。
21.根据权利要求12所述的温度控制装置，其中，所述热负载包括反应容器座。
22.一种热电加热/冷却装置，该热电加热/冷却装置包括：
第一导热集管和第二导热集管；
并联地热耦合在所述第一导热集管和第二导热集管之间的多个热电元件；
电阻加热元件，所述电阻加热元件包括导电材料图案，所述导电材料图案被配置成响应于电流流过该导电材料图案而产生电阻热，其中所述第二导热集管位于所述电阻加热元件和所述热电元件之间，
其中，所述热电元件被配置成响应于施加至其的热电控制信号而将热从所述第一导热集管泵送到所述第二导热集管，所述热电控制信号是与电流响应于施加至所述电阻加热元件的电阻加热器控制信号而流过所述电阻加热元件同时地施加至所述热电元件的。
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