CN110022981A - 温度控制设备 - Google Patents

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Abstract

温度控制设备2，包括设置在基板10上的各个位置处的数个主动热部位6，且每个主动热部位包括加热元件13与绝热层16，加热元件13用于将可变量的热施加至介质的对应部位，而绝热层16设置在加热元件与基板之间。至少一个被动热区域8设置在基板10上的主动热部位6之间，每个被动热区域8包括导热层18，用于将热从介质的对应部分传导至基板10。导热层18在垂直于基板10平面的方向上的热阻小于绝热层16。此例如实现了对于流动流体中的各个部位的加热与冷却两者的精确控制。

Description

温度控制设备
技术领域
本技术涉及温度控制的领域，更具体地，涉及控制介质的多个部位处的温度。
背景技术
控制施加在介质(例如流体或固体)中不同部位处的热图案，对于一些应用而言是有用的，例如用于控制诸如各个部位处的化学反应，这是由于化学反应可与温度成指数关系。为能够设定不同部位处的不同温度，或随着时间改变给定部位处的温度，可需要加热一些部位，同时可需要冷却其他部位。然而，提供允许在不同部位处快速双向控制温度，同时支持一些应用所需的温度范围的设备，是具有挑战性的。
发明内容
至少一些示例提供一种用于控制介质的多个部位处的温度的温度控制设备，包括：
多个主动热部位，该多个主动热部位设置于基板上的各个位置处，每个主动热部位包括加热元件与绝热层，加热元件被配置为将可变量的热施加至介质的对应部位，绝热层设置在加热元件与基板之间；以及
一个或多个被动热区域，该一个或多个被动热区域设置在基板上的多个主动热部位之间，每个被动热区域包括导热层，导热层被配置为将热从介质的对应部分传导至基板；
其中，一个或多个被动热区域的导热层在垂直于基板的平面的方向中的热阻低于多个主动热部位的绝热层。
至少一些示例提供一种用于控制介质的多个部位处的温度的方法，包括：
将介质提供在温度控制设备上，该温度控制设备包括多个主动热部位与一个或多个被动热区域，该多个主动热部位设置在基板上的各个位置处，该一个或多个被动热区域设置在基板上的多个主动热部位之间；
每个主动热部位包括加热元件与绝热层，加热元件被配置为将可变量的热施加至介质的对应部位，绝热层设置在加热元件与基板之间；
每个被动热区域包括导热层，导热层被配置为将热从介质的对应部分传导至基板；以及
一个或多个被动热区域的导热层在垂直于基板的平面的方向中的热阻低于多个主动热部位的绝热层；以及
控制多个主动热部位的加热元件施加的热量，以控制在介质的多个部位处的温度。
至少一些示例提供一种制造温度控制设备的方法，包括：
形成基板上的各个位置处的多个主动热部位以及一个或多个被动热区域，一个或多个被动热区域设置在基板上的多个主动热部位之间；其中：
每个主动热部位包括加热元件与绝热层，加热元件被配置为将可变量的热施加至介质的对应部位，绝热层设置在加热元件与基板之间；
每个被动热区域包括导热层，导热层被配置为将热从介质的对应部分传导至基板；以及
一个或多个被动热区域的导热层在垂直于基板的平面的方向中的热阻低于多个主动热部位的绝热层。
附图说明
本发明的其他方面、特征和优点将从对以下结合附图来阅读的示例的描述中变得显而易见，其中：
图1示意性地图示说明用于控制介质内各个部位处的温度的温度控制设备的示例；
图2示出了温度控制设备的俯视图；
图3更详细地示出了温度控制设备的截面；
图4为示出流体中温度随流体流过温度控制设备的主动热部位与被动热区域而改变的示例的图表；
图5图示说明主动热部位的热模型；
图6图示说明系统的一阶估计，该系统为由四个被动热区域围绕的一主动热部位；
图7示出了类似于热模型的电路模型；
图8示出了图7模型的精简版本；
图9示出了供应至介质的热如何随着加热元件生成的热而变化；
图10示出了用于在控制给定主动部位处的温度的回馈回路架构；
图11为图示说明控制介质中各个部位处的温度的方法的流程图；
图12图示说明用于主动部位的热绝缘层的柱型结构的示例；
图13图示说明两个主动部位与数个被动部位的截面，其中热绝缘层具有包括了孔隙的柱型结构；
图14为图示说明制造具有柱型热绝缘层的温度控制设备的方法的流程图；以及
图15图示说明图14的制造方法的各个阶段。
具体实施方式
一种用于在介质的多个部位处控制温度的温度控制设备，包括设置在基板上的各个位置处的数个主动热部位，且每个主动热部位包括加热元件与绝热层，加热元件用于将可变量的热施加至介质的对应部位，而绝热层设置在加热元件与基板之间。一个或多个被动热区域设置在基板上的主动热部位之间，而每个被动热区域包括导热层，用于将热从介质的对应部分传导至基板。相较于主动热部位的绝热层，被动冷却区域的导热层在垂直于基板平面的方向中具有较低的热阻。在使用时，基板可作为散热器(通过使基板暴露至室温，或通过冷却基板(若需要更低的温度))。因此，被动区域中的导热层，使被动区域能够冷却在主动热部位之间的区域中的介质，使得主动热部位自身仅需提供较少的冷却。因为不再需要允许太多热通过基板以支持冷却，可在加热元件与基板之间使用具有较高热阻的绝热层，此使得主动热部位可被设计为更有效率地用于加热。此表示在加热期间内，损失至基板的热较少，且因此设备所支持的总和温度范围可为较高。
此可对比于一替代性方法，即提供作为单个加热/冷却源的数个主动部位，每个部位具有输出可变热的加热器，且在来自加热器的热少于损失至作为散热器的基板的热时提供了冷却(且主动部位之间的边界具有相同或高于主动部位的热阻)。然而，此方法的问题为在给定主动部位上方的介质位于相当低的温度，但仍需要进一步的冷却时，从主动部位流到基板的热将相当低(因为热流取决于跨于热流路径上的温度差)，因此，为了达成进一步的冷却，主动部位的材料将需要足够低的热阻，以使得在低温下足够的热流到基板。另一方面，在介质上对应部位处的温度相当高时，跨于加热部位上的温度差异将大得多，且因此损失至基板的热量将很大。因此，为了将介质的对应部位加热至甚至更高的温度，此将需要将大量的功率施加至加热元件以抵销损失至下方基板的热。实际上，由于设计限制条件，加热元件所支持的最大功率可受到限制。因此，使用相同部位以提供完整加热/冷却功能性的方法，将受限于在介质的给定部位处可控制的温度范围中。
相比之下，在本技术中，主动热部位间的被动热区域包括一层，此层的导热性比主动部位中加热元件与基板之间的绝热层要更高。由于被动热区域可提供冷却，此表示主动部位不需要提供太多的冷却且因此可由更绝热的材料制成，使得在主动部位处较少的热损失至基板，且因此较多的加热元件功率可用于加热介质自身。因此，对于要提供的冷却的给定量，以及加热元件可提供的给定功率，可达成的最大温度可被提升，相较于上文所论述的替代性方法。因此，可使用温度控制设备在每个部位处控制较宽范围的温度。
被动部位之所以为被动的意义在于，尽管提供在被动部位处的冷却量将取决于跨于被动部位上的温度差异(可间接取决于在邻接主动部位处的温度设定)，但温度控制设备不直接控制被动部位处的热流量，相反的，导热层仅对热流提供给定的热阻量，此热阻量低于主动部位处的绝热层。除了帮助改进使用主动部位所能达到的温度范围以外，在设备被用于控制流体内的温度时，被动区域亦可帮助减少流体所通过的先前部位处的热“历史”效应，由于被动区域可将流体冷却为较接近基板温度，而减少了进入给定主动部位的流体温度的变异性。此减少了用于在每个部位处控制加热器的控制回路所必需的回路增益(此将于下文进一步论述)。
另一方面，主动部位之所以为主动的意义，为可通过改变加热元件所提供的功率，来控制所提供的加热量或冷却量。然而，在主动部位处流至介质(或流自介质)的热量，不仅取决于加热元件提供的热量，而更取决于主动部位周围的温度，主动部位周围的温度可影响有多少热从加热元件损失至基板(或损失至周围的被动热部位)。
因此，可提供控制电路系统，以控制所选择的主动热部位使用加热元件加热介质的对应部位，或藉由使热流动通过绝热层至基板而冷却对应部位，这取决于在此主动热部位中的加热元件所生成的热量是大于阈值量还是小于阈值量。阈值量可等效地代表加热元件所生成以抵销损失至基板或周围被动热部位的热的热量。
此阈值量可取决于数个因素，包括在垂直于基板平面的方向中的主动热部位的绝热层的热阻。在加热器功率给定为最大之下，若绝热层的热阻较低，则所支持的温度范围将倾向移向较低的温度(相较于绝热层的热阻较高时)。因此，可通过选择具有给定热阻的绝热层，仔细控制偏压点(即加热元件抵销损失至除了介质散热器以外的周围区域的热的点)。因此，银行选择具有不同热阻的绝热材料(例如通过选择不同的材料自身，或通过改变给定绝热材料的物理结构(诸如通过包括孔隙))，可对不同的应用设计不同的具体实施例(取决于所需的温度范围)。
阈值量还可取决于温度，例如，较热的主动部位将倾向损失较多热至基板(相较于较冷的主动部位)，因为跨于主动部位上的温度差异较大。因此，取决于主动部位的温度，加热元件可需要传递不同的功率量，以获得流至介质的给定热量。此使得控制加热元件以提供给定温度设定更为复杂。
因此，每个主动热部位可包括温度传感器以感测在对应主动热部位处的温度。可提供数个回馈回路，每个回馈回路对应于主动热部位中的一个主动热部位，以控制此主动热部位的加热元件。每个回馈回路可实现传递函数，传递函数用于根据对应主动热部位的温度传感器所感测到的温度以及对介质的对应部位所指定的目标温度，来确定要施加至介质的对应部位的目标热量。另一函数(下面称为线性化函数)随后可将传递函数确定的目标热量映射至用于控制对应主动热部位的加热元件的输入信号。线性化函数可为对应主动热部位的温度传感器感测到的温度的函数，并可根据目标热量与从主动热部位的加热元件损失至基板与周围被动热区域的热量的总和，来确定输入信号。
人们可期望，根据在主动部位处测量到的温度来控制加热器的回馈回路，应仅实现单个传递函数，此单个传递函数将目标温度与测量温度之间的误差直接映射至加热器输入信号。然而，实际上这样的控制回路将非常难以实现。并不是所有由加热器供应的热都会供应至介质自身，因为一些热会经由主动热部位中的绝热层损失至基板或损失至主动热部位周围的被动热区域。损失至周围区域的热量是温度相关的，且由于每个部位可位于不同的温度，部位与部位之间的损失热量将不同。因此，在受控体是由加热器提供的热而不是流入介质的热的传递函数中，回路增益将成为主动部位温度的函数，因此不存在确保所有可能的主动部位温度上的稳定性和准确性的唯一性控制器(传递函数)。
相比之下，通过将加热器的控制分成两个部分，可设计稳定的控制回路。第一控制部分为传递函数将测量温度与目标温度之间的误差映射至要供应至流体的热量(而不考虑如何控制加热器以提供此目标热量)。通过提供闭回路控制传递函数(其中受控体是供应至介质的目标热量，而不是加热器供应的热量)，可使回路增益独立于部位温度，此允许将回路根据经典控制理论模型化为线性非时变系统。另一方面，随后的线性化函数将传递函数确定的目标热量映射至加热器控制输入。可根据给定主动部位处的热流模型(取决于主动部位的测量温度)，来设计线性化函数。通过将温度有关的热损失提出闭回路传递函数，回路增益可等效地被“线性化”(拟似为线性非时变系统)，此即“线性化函数”的意义。此允许设计稳定的控制回路。
人们可能会质疑，如若已经可以使用线性化函数在将主动部位的热流模型化，为什么提供闭回路控制器-代表目标温度和由加热器供应的功率间的关系的热流模型是否可在没有闭回路传递函数之下使用？但是，所需供应至介质以设定给定目标温度的热量，不仅取决于目标温度，而更取决于要加热的介质的先前温度(存在需要应对的一些“历史”)。对于固体介质的加热，历史取决于在给定主动部位处的先前温度设定(此可随着时间改变)。对于流过主动与被动部位的流体介质的加热，历史取决于流体在到达当前主动部位之前所通过的其他部位所施加的加热。例如，若给定的流体部分从较热部位流至较冷部位，则我们将期望需要提供冷却以减少温度而非加热以提升温度，而对于第二部位的相同目标温度设定可需要加热(若第二部位接续着更冷的部位)。尽管被动部位可通过将介质冷却接近基板温度以帮助“重置”温度历史，但仍存在历史相有关的效应，此将难以由单个热流模型独自应对。通过使用闭回路方法(其中根据特定传递函数连续调整对流体的目标热量，此特定传递函数取决于目标/测量温度之间的误差)，此使得我们能够获得更佳的温度控制(即使不存在对于介质先前温度的实际知识，例如，闭回路传递函数不需应对抵达主动部位的流体的仍可未知的实际温度)。
用于线性化函数的关系，可被推导为代表温度控制设备的热模型的推导反演(analytic inversion)，此将于下面的示例中更详细说明。在热模型中，热流的热性质、热阻与热容量可分别由电流、电阻与电容来代表，以允许由类似于电路的方式来推导所需的非线性控制函数。
具体地，线性化函数可根据下面的关系式，将目标热量qfi映射至给定主动热部位的加热元件所供应的实际热量q：
其中：
qfi代表要供应至在给定主动热部位处的介质的目标热量(确定为对于给定主动热部位的目标温度与给定主动热部位的温度传感器感测到的温度之间的差异的函数)；
Ti代表给定主动热部位的温度传感器感测到的温度；
THS代表基板温度(作为散热器)；
Riz代表主动热部位的绝热层在垂直于基板平面的方向中的热阻；
Rix与Riy代表热部位的绝热层在平行于基板平面的两个正交方向中的热阻；
Rcx与Rcy代表被动热区域的导热层在平行于基板平面的两个正交方向中的热阻；且
Rcz代表被动热区域的导热层在垂直于基板平面的方向中的热阻。
在一些示例中，加热元件可包括电阻式加热元件。尽管也可使用热电性设备或其他类型的加热，电阻式加热元件的制造与控制可较简单。对于电阻式加热元件，可根据来确定要施加至加热元件的电流I，其中根据上文所定义的线性化函数来确定q，且r为加热元件的阻抗。
在一些示例中，主动热部位中的绝热层在平行于基板平面的方向中具有较大的热阻，相较于在垂直于基板平面的方向中。使得绝热层在横向方向中较不会“泄漏”(相较于跨基板厚度)，允许绝热层通过使热流至基板且同时减少透过经由周围被动热区域的寄生路径所损失的热量，以在主动热部位处支持给定的冷却量。减少损失至被动区域的热量，不仅使得在主动元件处的加热更有效率(支持给定最大功率的加热器因此可支持较高的介质温度)，还简化了用于推导如上文所论述的非线性控制函数的热模型，使得可使用较简单的等式，较简单的等式在映射电路系统中的实施较不复杂。绝热层可由数种方式建置，以在基板平面方向中具有大于在横向方向中的热阻。
例如，绝热层可具有薄膜结构，其中在垂直于基板平面的方向中的绝热层的厚度z，实质上小于在平行于基板平面的方向中的主动热部位的绝热层的最小尺寸L。例如，z/L可小于0.1。实际上，z/L可小于0.1，例如小于0.05，或小于0.01。实际中，若厚度小于横向尺寸，则绝热层将呈现相对大的面积以让热流至基板，但呈现小得多的区域以让热流至周围被动热区域，而提供更有效率的加热以及较简单的非线性控制函数。薄膜方法可适合用于一些类型的绝缘材料。
然而，若厚度减少，则其他类型的绝缘材料可不具有足够的热阻，无法在垂直于平面的方向中提供足够的绝热。例如，若使用二氧化硅作为绝热体，则二氧化硅的固有热导率将限制绝热层的厚度，若绝热层需要提供足够的绝热度。在可选择其他材料的同时，二氧化硅可较为简单地制造，因为此可允许将作为设备其他部分的基板的硅氧化，以形成绝热体。类似的，在给定的所需绝热性质之下，薄膜方法(由单个实心材料制成)亦可无法实际用于一些其他材料。
此可通过提供包括了至少一个孔隙的绝热层来解决。孔隙可为在温度控制设备的主体内的空气、另一气体、或真空的孔或室。由于空气或真空的热导率可相对高(相较于实心绝热体材料)，提供一些孔隙可允许更仔细地控制平面内与跨平面(cross-plane)的方向中的热阻(相较于在实心材料层中所能控制的)。
在一个示例中，孔隙可实质垂直于基板而延伸，而绝热层的其他部分由实心绝热体材料制成。例如，绝热层可包括一个或多个第一绝热材料柱，这些柱主动热部位的在加热元件与基板之间的区域中实质垂直于基板平面延伸，而孔隙可设置在这些柱之间或在这些柱周围。孔隙与柱可具有广泛的各种形状，并可穿过绝热层的整体厚度，或仅部分地穿过部分厚度。通过提供实质垂直于基板平面的孔隙与柱，此可允许在垂直于基板平面的方向中的相当有效率的热传输(因为热可更轻易地通过较能导热的柱)，但热可更难以横向流向被动冷却区域，因为横向热流将需要跨过一个或多个空气、气体或真空的孔隙。可改变填充比例(柱或孔隙所占据的总和区域比例)，以提供平面内与跨平面热阻之间的不同比例，以精确控制加热/冷却的偏压点。
另一方面，其他示例可提供包括孔隙的绝热层，此孔隙实质上延伸通过主动热部位的位于加热元件与基板之间的整个区域。因此可不需要任何柱。绝热层本质上可包括由气体或真空所整体制成的层(而非外接主动热部位边缘的一些实心边界)。
包括具有孔隙的层的设备的制造可由以下达成：在提供于主要晶圆第一表面处的设备层内形成一个或多个孔隙，并将主要晶圆第一表面接合至次要晶圆以支撑热控制设备的其他元件，诸如每个主动热部位的加热元件与每个被动热区域的导热层的至少一部分。可在接合主要晶圆与次要晶圆之前或之后形成孔隙。因此，通过接合主要与次要晶圆，可能在温度控制设备主体内形成孔隙。
然而，在绝热层包括柱与孔隙时，可在将主要晶圆接合至次要晶圆之前在主要晶圆的设备层中形成柱，且在接合主要晶圆与次要晶圆之后，可通过从设备层相对侧至第一表面将柱之间的设备层部分蚀刻掉来形成孔隙。例如，第一绝热材料可包括氧化物(例如二氧化硅)，且可通过在设备层中蚀刻出孔，并氧化孔边缘处的设备层材料以界定柱壁，来在设备层中形成柱。主要晶圆可包括在相对于第一表面的设备层侧的埋藏氧化层，且在接合主要晶圆与次要晶圆之后，主要晶圆可被蚀刻回埋藏氧化层，可在孔隙位置处在埋藏氧化层中蚀刻孔，且随后可经由埋藏氧化层中的孔蚀刻掉设备层的部分，以形成孔隙。随后可通过沈积更多氧化物以覆盖孔，来填充埋藏氧化层中的孔。此方法允许使用可得的硅CMOS与硅MEMS工业处理，来制造柱状结构。通过使用此方法，第一表面与主要晶圆的埋藏氧化层之间的设备层厚度，将决定绝热层中的柱的高度，且蚀刻入主要晶圆的孔的尺寸决定柱的尺寸，且因此决定了柱对孔隙的填充比例。可使用屏蔽改变蚀刻孔的尺寸，允许仔细控制在垂直与平行于基板平面的方向中的热阻之间的比例。
温度控制设备可包括冷却机构，用以作为散热器来冷却基板。可选地，可在不具有冷却机构下提供温度控制设备，并可使用外部冷却机构(例如，温度控制设备可被放置为使得基板接触冷却设备以将基板维持在给定温度)，或可简单地将基板维持在室温。一般而言，基板温度限制了在主动热部位处可控制的最低温度，因此，取决于特定应用，可需要不同的冷却量。
尽管温度控制设备可被用于加热固体表面中的部位(例如对于半导体温度控制)或在静态流体中的部位，特别有用的是控制在流动流体内的各个部位处的温度。因此，温度控制设备可包括流体流动控制元件，以控制在多个主动热部位与一个或多个被动热区域上的流体流动。例如，为了支持化学反应，流体流可供应用于反应的试剂，且随着试剂流过各个主动热部位与被动热区域，流体可被加热或冷却至所需温度以在每个部位处进行反应。例如，温度可被用于控制是否触发在给定部位处的反应。
在一个示例中，主动热部位可被设置为在一个或多个行中，一个或多个行被定向为实质平行于由流体流动控制元件控制的流体流动方向。每一行可包括两个或更多个主动热部位，且一被动冷却区域设置在行的每一对邻接的主动热部位之间。将部位设置在行中，可使得设备的制造更为直截了当。具体地，若存在两或更多行，则主动热部位可被设置为矩阵结构，此可简化用于将控制信号选路至每个部位的个别部位的寻址，并可简化读出在每个部位处测量到的温度(例如可使用行/列寻址方案)。
因此，在流体流过温度控制设备时，给定流体部分将沿着定向为平行于流体流动方向的一个行而流动。随着流体沿着行通过，流体的此部分将遭遇给定的主动热部位(在此处流体被加热或冷却至给定温度)，随后流过被动部位(在此处流体经受冷却)，随后遭遇另一主动热部位(在此处流体可被加热或冷却至不同于第一主动热部位的温度)，以此类推。每个主动热部位沿着行方向的长度，可大于设置在行的邻接主动热部位之间的每个被动冷却区域沿着行方向的长度。使得主动热部位长于中间的被动区域，允许更有效率地使用基板的总和面积(且因此可在每单位面积中使用更多的控制部位)，由于对于主动热部位，一旦流体达到所需温度则流体应维持在此温度一些时间以使反应发生，但在流体通过被动部位时唯一的功能只有冷却(不支持反应)，因此在主动部位之间提供足够的间隙，以在流体到达下一主动部位之前提供足够的冷却，在被动区域的部分内温度不需保持固定。因此，通过使得被动区域小于主动区域，更多反应部位可被限制在给定量的空间内。
在一些实施例中，每个主动热部位可包括在与介质接触的表面处的反应表面。例如，反应表面可由金制成，金可提供对于许多化学或生化性反应的中性平台。
描述了一种方法，用于精确控制流动或静态的流体的延伸体的空间局部化的区域(“虚拟井”)内的温度。我们通过被动冷却与电阻性加热的结合来达成温度控制，允许虚拟井内的温度的快速双向控制。为了有效率地控制温度并允许广泛范围的液体温度，我们设计加热器基板芯片内的热流，同时还发展实现温度回馈控制的热流模型。
对于许多化学或生化性过程，控制流体内的特定位置处的化学反应是有用的。化学反应发生的速率对温度呈指数关系，实现了热性控制反应速率的能力。为了达成热性控制化学反应的空间性控制，我们描述二维热部位矩阵(见图1与图2)。为了在流体内获得对于温度的双向控制，需要将热打入流体并打出流体。在此，我们通过使用两种热部位来实现此种双向热控制，一种热部位的主要目的是将热传输进流体，而另一种热部位的主要目的是将热传输出流体。
图1示出了用于控制介质内各个部位处的温度的温度控制设备2的示例。提供流体流动元件(例如，泵)，以控制通过跨温度控制设备2顶部的流体流动路径4。在跨温度控制设备2平面的各个位置处提供数个主动热部位6。每个主动热部位6的顶部可包括反应表面(例如金盖)，在反应表面上可发生反应。每个主动热部位6包括加热元件以施加热至流过此部位上的流体的对应部分，以控制流体温度。如图2图示，主动热部位6被设置为二维矩阵(栅格)、设置为两个或更多个行，其中行方向平行于流体流动通过流体流动路径4的方向。主动热部位6之间的区域，形成一个或更多个被动热区域8，被动热区域8不包括任何加热元件，但通过将热从流体导离朝向设备2的基板10，而提供被动冷却。每个热部位6在行方向中的长度x，长于同一行中相邻主动热部位对6之间的每个被动热区域8的长度y。如图1所示，可提供冷却机构12以冷却基板10，以作为散热器。
原则上，相同的热部位可将热传输进流体并将热传输出流体。例如，此可由能够进行双向热泵送的热电元件来达成。然而，本文所描述的方法定义两种独立的热部位，我们称为主动部位与被动部位6、8。分立的主动部位与被动部位的所期望的属性，为其可由标准半导体处理技术来制造，并可通过使用在此工业内可用的材料来制造。
图3更详细地示出了温度控制设备2的截面(图3为示意性且并非意为按比例绘制)。主动热部位6包括加热器13与温度计(温度传感器)14。加热器13在闭回路控制下操作，且加热器13的输出功率设定为在部位上方的流体中维持特定温度。在主动部位中的温度计14提供用于闭回路控制的测量。尽管主动部位主要被用于加热流体(在小加热器功率下)，但由于对基板10的热流，主动部位还可能够提供少量(相较于加热能力)的冷却。在加热器13与基板10之间提供绝热层16，以控制损失至基板10的热量。在主动部位顶端，流体接触电绝缘器20或放置在电绝缘器上的金垫22。
相比之下，被动部位8不在闭回路控制下操作，且负责将热传输出流体进入在基板10处(或基板10下方)的散热器：被动部位的主要角色为作为良好的热导体。因此，被动区域8包括导热层18，以将热从流体传导至基板10。基板10的温度由个别的冷却机构12来维持，并可被假定为位于固定值。被动部位还由电绝缘区域20覆盖。被动部位8的导热层18在垂直于基板平面的方向中具有较低的热阻，相较于主动部位6的绝热层16。
应领会，设备2还可包括未示出于图3中的额外层。例如，可提供热分散层以将热从加热器13分散至主动热部位，以更均匀地施加热至对应部位。
随着流体元件移动在芯片2的表面上，流体元件以交替方式通过主动部位6与被动部位8之上。在主动部位上，热流入流体，且流体元件的温度被设定至所需的“热”值。在一段短时间之后，流体通过被动部位，且热现在流出至散热器，使得流体元件留在“冷”温度。流体元件随后流到下一主动部位上，以此类推。
因此，我们包括被动热部位以预先冷却进入每个主动部位的流体，假定对于基于电阻式加热器的主动部位而言具有相称的冷却与加热能力是不实际的。被动部位8具有将热导离流体的角色，因此进入主动部位上方的空间的流体接近散热器温度。为了图示说明主动部位与被动部位的结合行为，图4描绘在主动-被动-主动序列上方的温度。最左边的主动部位将热打入流体，提升流体温度至最大值80℃。随后，随着流体通过被动部位，流体朝向20℃冷却。最后，随着流体通过最右边的主动部位，热流入，且热的温度提升至40℃。尽管这些温度是任意选定的，但这些温度代表了操作条件。如图2图示，主动部位可具有比被动部位要大的空间范围(长度x大于长度y)。尽管主动部位提供固定温度区域以让化学反应发生，但对于被动部位的唯一需求为被动部位要冷却进入主动部位的流体。此预先冷却减少对于主动部位的冷却需求，使主动部位能更有效率地将热传输入流体。
为了设计主动与被动部位的热性质，我们通过热模型来描述系统。在此，我们发展一种电性类似法，其中由电阻替换热阻；由电容器替换热容量；并由电压替换温度。为了分散说明此结构，并实现电性电路的建置，我们将此结构分割成如图5所图示的方块。方块可由主动或被动热部位、或在这些部位中的一者上方的流体方块组成。
作为此系统的一阶估计，我们考虑由四个被动部位围绕每个主动部位(图6)。通过将每个主动与被动部位描述为单个热方块，可画出描述主动部位的热行为的电性模型的电路图(图7)，其中“导热体”或“导热部位”代表被动热区域8，且“绝热体”或“绝热部位”代表主动热部位6，且：
Cc与Ci-导热体与绝热体各自的热容量
Rcx,Rcy,Rcz-导体在x,y,z方向中的热阻(其中z为垂直于基板10平面的方向，且x与y为平行于基板平面的垂直方向)
Rix,Riy Riz-在x,y,z方向中的绝热体的热阻
THS-散热器的温度
Tc与Ti-导热部位与绝热部位的温度
由于物理结构的对称性以及等温(isothermal)基板，我们考虑从绝热区域流至四个导热区域的热是均等的，使得这些导热区域可被一起考虑。在图8中，我们示出精简热模型，包括了此简化，其中我们还包括由加热器产生的热流或热电流(q)。
q-加热器生成的热电流。
qfc,qfi-流体通过导热部位与绝热部位所分别吸收的热电流。
Cf-流体方块的热容量。流体方块具有由导热部位(或绝热部位)面积以及流体高度hf所给定的容积。
Rf-流体方块的热阻。流体方块具有由导热部位(或绝热部位)面积以及流体高度hf所给定的容积。
Tfc,Tfi-分别在导热部位与绝热部位上方的流体温度。
使用热电路的电性模型，我们可确定从绝热部位流入流体的热qfi。使用图8中的电路，我们将电阻简化为：
其中||表示并联电阻的等效组合电阻，例如
由于通过R1的热电流为进入R2与R3的热电流的总和：
因此，我们能够将通过R1的热电流(q1)写为：
我们知道温度Ti，因为我们通过温度传感器测量温度，且我们可计算从绝热体流入流体的热qfi。
由于流体的相当低的导热率(kf＝0.6W/m/K)(相较于硅(kSi＝130W/m/K)，热导体对散热器的热阻要比热导体对流体的热阻低得多。因此，
R2＞＞R3
在此假设之下，从绝热体流入流体的热变成：
图9对于数个流体温度定值，绘制流入流体的热(qfi)。在加热器输出热是零的情况中(假设Tf>THS)，从绝热体流入流体的热是负的：亦即主动部位冷却流体。主动部位提供的最大冷却量由主动部位与散热器之间的绝热层16在垂直于基板平面的方向中的热阻Riz来调谐，且因此热阻Riz是主动部位的关键设计参数。如图9图示，随着绝热体热阻Riz增加，偏压点(在此点来自加热器的热q实际上抵销了损失至基板10与周围被动区域8的热)降低。引此，绝热体热阻Riz可被调谐，以改变主动热部位6处的加热与冷却之间的平衡。
发生在加热器关闭且流体温度位于最小值时的最小可用冷却功率由散热器温度以及部位的热阻设定。然而，除非散热器温度被保持在不实际的低值，否则流动通过部位的热量将随着流体温度提升，亦即qHS,最大值>>qHS,最小值。此低效率性最终限制了主动部位可施加的冷却功率，因为散热器要移除废热的容量是有限的。因此，提供被动部位以预先冷却主动部位之间的流体，能够对于给定的加热器功率量达成更有效率的加热以及更大的温度范围。
如先前段落所讨论的，在此所描述的热流控芯片(thermofluidic chip)，具有由主动部位上方的流体的可变温度所造成的本征非线性度。因此，我们描述一种热控制系统(见图10)，该系统包括非线性控制函数(“线性化函数”)，以获得所需要的温度控制。以此方式，可控制通过加热器13的电流，以在流体中维持固定温度。
图10示出了用于单个主动部位6的回馈回路。每个主动部位6可具有此种回馈回路的单独实例。目标温度T目标被输入控制器30，控制器30还接收由对应主动部位的温度传感器14测量的温度Ti。控制器30基于形式C(s).(T目标-Ti)的传递函数来确定由主动部位6向流体供应的目标热量qfi，其中C(s)是传递函数，根据经典控制理论设置了此传递函数的极点和零点。
线性化函数32包括映射电路系统，该映射电路系统将控制器30供应的目标热量qwi映射至输入信号I，输入信号I限定电流驱动器34要供应至加热器13的电流量，这取决于Ti与THS、基板10的温度。可由所有主动部位6间所共享的单个传感器36，或可由位于每个主动部位6本端处的各个传感器，来测量基板温度THS。线性化函数32提供非线性映射函数，非线性映射函数使控制器30能够使用线性传递函数(因此名为“线性化函数”)。线性化函数32提供的非线性函数，可为代表热模型的推导反演的函数。根据前述模型，生成入加热器以获得进入流体的所要求温度的总和功率为：
对于加热器，达到特定温度所需的电流为：
其中r为加热器的电阻。
结合前两个等式，我们获得线性化函数的形式，此将要求的热转换成所需的电流：
图11为图示说明温度控制方法的流程图。在步骤50，欲控制温度的介质，被提供在温度控制设备上。例如，介质可为流过温度控制设备上的流体。在步骤52，在主动热部位6处测量温度Ti。在步骤54，根据qfi＝C(s).(T目标-Ti)，确定要传递至介质的对应部位的目标热量。在步骤56，根据I＝f(qfi,Ti,THS)确定要供应至电阻式加热器13的电流，其中f为代表前述线性化函数的函数。在步骤58，电流驱动器34将所确定的电流量I供应至加热元件13，以控制介质的对应部位处的温度。方法随后返回步骤52，以基于测量到的温度Ti与目标温度T目标继续控制部位处的温度，并考虑从主动部位6流至除了介质自身以外的区域的热(根据上文讨论的热模型)。对于温度控制设备2中的每个主动部位，并行执行N次步骤52至58。
为了控制主动部位温度，确定主动与被动区域6、8所需的热阻，通过可选定适合的材料与尺寸。存在主动部位的三维方块应符合的两种条件：
1-加热器所生成的功率大部分应用于加热流体，且仅有一小部分垂直泄漏到散热器，亦即，主动部位应具有高热力学效率η。
2-加热器所生成的功率不应水平地流向其他热部位，亦即
可通过对主动部位的绝热层16使用薄膜材料(使得z＜＜x,y，其中z为垂直于基板平面的方向中的厚度，且x,y为绝热层的平面内长度/宽度)，或通过使用各向异性(anisotropic)热材料(导热性在穿过基板厚度的方向中比沿着基板平面要高(kz＞＞kx,ky))，来满足此不等式。
我们主要调用第二个要求来简化热流模型，使线性化函数可以简单地被确定。还可能设计对于另一限制的主动部位，其中没有从主动部位到散热器的垂直传热。我们考虑垂直传输限制的理由，为垂直传输限制给出较佳的对于流入流体的热的知识。在水平传输限制中，芯片表面存在具有温度梯度的额外区域，热可从此额外区域流入流体。
人们可选择使用多种材料来制造主动部位，但在此作为示例而考虑具有低导热率的常见材料SiO2(kSiO2＝1.3W/m/K)。对于主动部位材料，在z方向中的热阻可被表示为泄漏至散热器的最大热的函数：
藉此我们可演绎出所需的材料高度：
确定散热器的最大可接受的热泄漏qHS,最大值。对于尺寸为100μm x 200μm的矩形主动部位，我们假定最大加热器功率为6mW。在最大加热器功率下，我们允许一半的功率前往散热器。此外，我们假定最大流体温度Tf,最大＝90C，散热器温度THS＝10C，且热部位的温度大约相同于流体温度(Tf,最大值≈Ti,最大值)。若主动部位的所有材料都由SiO2制成(具有各向同性(isotropic)导热率的材料)，则主动部位的高度将需要为≈700μm。对于这样的方块，垂直方向中的热阻为Riz≈27,000K/W。这样的方块(z>x,y)并未满足热部位之间泄漏少量热的第二条件。
满足部位之间泄漏少量热的条件的一种方式，为通过图案化，使得主动部位材料为热各向异性。例如，人们可制造一种结构，其中SiO2垂直柱由空气空间隔开(kair＝0.024W/m/K)。所需的材料垂直高度，在此情况中为柱的高度，被乘以柱填充因子。例如，在柱的填充因子为10％时，高度变为70μm。绝热柱可具有数种不同的尺寸，图12示出了数种示例。柱60被孔隙围绕，孔隙包括空气、气体或真空。在其他示例中，柱可包围孔隙。
通过提供包括在垂直于基板的方向上延伸的柱和在柱周围或柱之间的孔隙的柱状结构，我们在垂直方向上维持相同的热阻(Riz≈27,000K/W)，但清楚的是，横向热阻被减少，主要是因为kair<kSiO2，但也是因为主动材料的高度较低。
计算10％填充因子的横向热阻，我们发现：
此给出总和横向热阻：
注意到，通过减少柱高度同时减少填充因子，可进一步提升横向热阻。可选地，可由真空将硅柱隔开，而进一步显著提升横向热阻。
然而，随着主动材料块中的横向热阻变大，考虑盖层的横向热阻变得重要。例如，2μm厚的二氧化硅盖层对于总和横向热阻的贡献为：
总之，将绝热体图案化为由以空气(或真空)隔开的绝热柱组成，提供了一种满足主动部位的热条件的方法。此情况的限制(其中填充因子成为零，而孔隙覆盖主动部位的整体区域)导致独立式膜，该独立式膜可被视为满足热要求的替代性方法。
图13示出了可如何将柱式方法整合入完整设备中。附图示出通过设备基板的截面，穿过两个主动热部位与数个被动热部位。使用垂直阴影示出硅70，使用对角阴影示出二氧化硅72，并且使用水平阴影示出金属层74。以白色示出孔隙。注意到，附图并非按照比例绘制，上层被示出为在垂直方向中放大。硅对基板提供了高度导热材料，且能够被热性氧化以产生绝热柱60，柱之间具有孔隙62。在包括了柱结构的基板顶部上，存在数个包括加热器的层；热分散器(以使所产生的热均匀分布)；温度计(以实现热控制)；以及表面盖层。
可使用硅CMOS与硅MEMS工业中可得的处理，来建置图13的设备2。图14与图15示出处理流程，该处理流程获得被动与主动区域中所需的热阻。在图14的步骤80(图15的a部分)，处理由绝缘层覆硅(SOI)晶圆100开始，SOI晶圆100包括相对厚的硅主体102、埋藏氧化层104、以及硅设备层106。硅设备层106的厚度给出二氧化硅柱的高度，且埋藏氧化物的厚度为约1μm。因为在后面的处理会使用到第二晶圆，我们将SOI晶圆称为“主要的”。下文将主要晶圆100的表面称为“第一表面”，设备层106形成在第一表面处。
在步骤82(图15的b部分)，主要晶圆100被光微影成像图案化，且使用光阻剂作为蚀刻屏蔽，将硅设备层106各向异性地向下蚀刻至埋藏氧化物104，以形成孔108。为了获得蚀刻的各向异性，使用深反应离子蚀刻(deep reactive ion etch)。
在步骤84(图15的c部分)，晶圆被氧化，给出例如具有约1μm厚度的热氧化物。孔108的边缘被氧化，以形成二氧化硅柱110的壁。
在步骤86，提供次要晶圆120。次要晶圆120包括经处理的CMOS晶圆，包括加热与控制功能性所需要的电性主动与电性被动设备(例如加热器13、温度传感器14、以及被动部位8的导热层的上部分)。次要CMOS晶圆120内的这些金属层与设备未在图15中示出，但可如图13所示地被提供。
在步骤88(图15的d部分)，主要晶圆100被反转，且主要晶圆100的第一表面被接合至次要晶圆120。可通过热压缩接合获得晶圆接合，在此情况中主要与次要晶圆两者的表面上需要金属层(例如金)。
在步骤90(图15的e部分)，所接合的主要晶圆的背面(SOI晶圆的原始主体层102)被蚀刻回，留下SOI晶圆100的埋藏氧化物104为在堆栈顶部。在此步骤之后，可在次要晶圆120上建置用于加热器/温度计/热分散器堆栈的金属迹线(未在图15中示出)。
因为来自原始SOI晶圆的硅设备层中的孔隙仍需要被移除，在步骤92(图15的f部分)，在顶部二氧化硅层104中蚀刻孔122被光微影成像图案化并蚀刻。随后，在接续的处理步骤94中(图15的g部分)，执行这些硅区域的各向异性干式蚀刻(例如由XeF2)，以通过经由氧化物104中的蚀刻孔122蚀刻掉硅设备层106的部分，来形成孔隙124。在步骤96，由介电质填充氧化层104中的蚀刻孔122(图15的h部分)，完成主动与被动热部位的处理。
在本申请中，词语“被配置为...”被用于表示装置的元件具有能够施行所定义的操作的配置。在此上下文中，“配置”表示硬件或软件的互连的布置或方式。例如，装置可具有提供所定义的操作的专用硬件，或者处理器或他处理装置可被编程以执行功能。“被配置为”并不意味着装置元件需要以任何方式进行更改，以提供所定义的操作。
尽管本文已参照所附附图详细说明了本发明的说明性具体实施例，但应理解，本发明并不限于这些精确的具体实施例，且在本发明所属技术领域中的技术人员将可进行各种改变与修改，而不脱离如所附权利要求所界定的本发明的精神与范围。

Claims (21)

1.一种用于控制介质的多个部位处的温度的温度控制设备，包括：
多个主动热部位，所述多个主动热部位设置在基板上的各个位置处，每个主动热部位包括加热元件与绝热层，所述加热元件被配置为将可变量的热施加至所述介质的对应部位，所述绝热层设置在所述加热元件与所述基板之间；以及
一个或多个被动热区域，所述一个或多个被动热区域设置在所述基板上的所述多个主动热部位之间，每个被动热区域包括导热层，所述导热层被配置为将热从所述介质的对应部分传导至所述基板；
其中，所述一个或多个被动热区域的所述导热层在垂直于所述基板的平面的方向上的热阻低于所述多个主动热部位的所述绝热层。
2.如权利要求1所述的温度控制设备，包括控制电路系统，所述控制电路系统被配置为控制所选择的主动热部位提供使用所述加热元件对所述介质的所述对应部位的加热，还是提供通过使热流动通过所述绝热层至所述基板而对所述对应部位的冷却，这取决于由所述所选择的主动热部位中的所述加热元件生成的热量是大于阈值量还是小于阈值量。
3.如权利要求2所述的温度控制设备，其中，所述阈值量取决于所述绝热层在垂直于所述基板的平面的方向上的热阻。
4.如任一前述权利要求所述的温度控制设备，其中，每个主动热部位包括温度传感器，所述温度传感器被配置为感测对应主动热部位处的温度。
5.如权利要求4所述的温度控制设备，包括多个回馈回路，所述多个回馈回路各自对应于相应的主动热部位；
每个回馈回路被配置为实现传递函数，所述传递函数用于根据所述对应主动热部位的所述温度传感器所感测到的温度以及针对所述介质的所述对应部位所指定的目标温度，来确定要施加至所述介质的所述对应部位的目标热量。
6.如权利要求5所述的温度控制设备，其中，每个回馈回路被配置为实现线性化函数，以将所述传递函数确定的所述目标热量映射至用于控制所述对应主动热部位的所述加热元件的输入信号。
7.如权利要求6所述的温度控制设备，其中，所述线性化函数是由所述对应主动热部位的所述温度传感器所感测到的温度的函数。
8.如权利要求6和7中任一项所述的温度控制设备，其中，所述线性化函数根据所述目标热量与从所述主动热部位的所述加热元件损失至所述基板与周围被动热区域的热量的总和，来确定所述输入信号。
9.如任一前述权利要求所述的温度控制设备，其中，所述加热元件包括电阻式加热元件。
10.如任一前述权利要求所述的温度控制设备，其中，所述多个主动热部位的所述绝热层在平行于所述基板的平面的方向上的热阻大于在垂直于所述基板的平面的方向上的热阻。
11.如任一前述权利要求所述的温度控制设备，其中，给定主动热部位的所述绝热层包括薄膜材料，所述薄膜材料在垂直于所述基板的平面的方向上的厚度为z，所述厚度z实质上小于所述主动热部位的所述绝热层在平行于所述基板的平面的方向上的最小尺寸L。
12.如权利要求1-10中任一项所述的温度控制设备，其中，所述绝热层包括一个或多个孔隙。
13.如权利要求12所述的温度控制设备，其中，所述孔隙在实质上垂直于所述基板的平面的方向上延伸。
14.如权利要求12和13中任一项所述的温度控制设备，其中，所述绝热层包括第一绝热材料的一个或多个柱，这些柱在所述主动热部位的位于所述加热元件与所述基板之间的区域中实质上垂直于所述基板的平面延伸，其中，所述一个或多个孔隙设置在这些柱之间或在这些柱周围。
15.如权利要求12和13中任一项所述的温度控制设备，其中，所述绝热层包括孔隙，该孔隙延伸通过所述主动热部位的位于所述加热元件与所述基板之间的整个区域。
16.如任一前述权利要求所述的温度控制设备，包括冷却机构，用以作为散热器来冷却所述基板。
17.如任一前述权利要求所述的温度控制设备，其中，所述介质包括流体，并且所述温度控制设备包括流体流动控制元件，所述流体流动控制元件被配置为控制所述流体在所述多个主动热部位与所述一个或多个被动热区域上的流动。
18.如权利要求17所述的温度控制设备，其中，所述主动热部位设置在一个或多个行中，所述一个或多个行被定向为实质平行于由所述流体流动控制元件控制的流体流动的方向；
每个行包括两个或更多个主动热部位，并且被动冷却区域设置在所述行中的每一对邻接的主动热部位之间。
19.如权利要求18所述的温度控制设备，其中，每个主动热部位沿着行方向的长度大于设置在所述行中的邻接的主动热部位之间的每个被动冷却区域沿着行方向的长度。
20.一种用于控制介质的多个部位处的温度的方法，包括：
将所述介质提供在温度控制设备上，所述温度控制设备包括多个主动热部位与一个或多个被动热区域，所述多个主动热部位设置在基板上的各个位置处，所述一个或多个被动热区域设置在所述基板上的所述多个主动热部位之间；
每个主动热部位包括加热元件与绝热层，所述加热元件被配置为将可变量的热施加至所述介质的对应部位，所述绝热层设置在所述加热元件与所述基板之间；
每个被动热区域包括导热层，所述导热层被配置为将热从所述介质的对应部分传导至所述基板；以及
所述一个或多个被动热区域的所述导热层在垂直于所述基板的平面的方向上的热阻低于所述多个主动热部位的所述绝热层；并且
控制由所述多个主动热部位的所述加热元件施加的热量，以控制在所述介质的所述多个部位处的温度。
21.一种制造温度控制设备的方法，包括：
形成在所述基板上的各个位置处的多个主动热部位以及一个或多个被动热区域，所述一个或多个被动热区域设置在所述基板上的所述多个主动热部位之间；其中：
每个主动热部位包括加热元件与绝热层，所述加热元件被配置为将可变量的热施加至所述介质的对应部位，所述绝热层设置在所述加热元件与所述基板之间；
每个被动热区域包括导热层，所述导热层被配置为将热从所述介质的对应部分传导至所述基板；以及
所述一个或多个被动热区域的所述导热层在垂直于所述基板的平面的方向上的热阻低于所述多个主动热部位的所述绝热层。
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