JP7022130B2 - 温度制御デバイス - Google Patents

Description

本技法は、温度制御の分野に関し、より具体的には、本技法は、媒体の複数のサイトにおける温度を制御することに関する。

媒体（たとえば、流体または固体）の中の異なるサイトに加えられる熱のパターンを制御することは、化学反応が指数関数的に温度に依存し得るので、いくつかの用途に関して、たとえば、それぞれのサイトにおける化学反応の制御などに関して、有用である可能性がある。異なるサイトにおいて異なる温度を設定することができるように、または、時間の経過とともに所与のサイトにおける温度を変化させることができるように、いくつかのサイトは、他のサイトが冷却されることを必要とし得る状態で、加熱されることを必要とする可能性がある。しかし、いくつかの用途に関して必要とされる温度の範囲を支援しながら、異なるサイトにおける温度の高速の双方向制御を可能にするデバイスを提供することは挑戦的である可能性がある。

少なくともいくつかの例は、媒体の複数のサイトにおける温度を制御するための温度制御デバイスであって、温度制御デバイスは、
基板の上のそれぞれの場所に配設されている複数のアクティブ・サーマル・サイトであって、それぞれのアクティブ・サーマル・サイトは、加熱エレメントおよび断熱層を含み、加熱エレメントは、前記媒体の対応するサイトに可変量の熱を加えるように構成されており、断熱層は、加熱エレメントと基板との間に配設されている、複数のアクティブ・サーマル・サイトと、
基板の上の複数のアクティブ・サーマル・サイト同士の間に配設されている１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域であって、それぞれのパッシブ・サーマル領域は、熱伝導層を含み、熱伝導層は、媒体の対応する部分から基板へ熱を伝導させるように構成されている、１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域と
を含み、
前記１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域の熱伝導層は、基板の平面に対して垂直の方向に、前記複数のアクティブ・サーマル・サイトの断熱層よりも低い熱抵抗を有している、温度制御デバイスを提供する。

少なくともいくつかの例は、媒体の複数のサイトにおける温度を制御するための方法であって、方法は、
媒体を温度制御デバイスの上に提供するステップであって、温度制御デバイスは、基板の上のそれぞれの場所に配設されている複数のアクティブ・サーマル・サイト、および、基板の上の複数のアクティブ・サーマル・サイトの間に配設されている１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域を含み、
それぞれのアクティブ・サーマル・サイトは、加熱エレメントおよび断熱層を含み、加熱エレメントは、前記媒体の対応するサイトに可変量の熱を加えるように構成されており、断熱層は、加熱エレメントと基板との間に配設されており、
それぞれのパッシブ・サーマル領域は、熱伝導層を含み、熱伝導層は、媒体の対応する部分から基板へ熱を伝導させるように構成されており、
前記１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域の熱伝導層は、基板の平面に対して垂直の方向に、前記複数のアクティブ・サーマル・サイトの断熱層よりも低い熱抵抗を有している、ステップと、
媒体の前記複数のサイトにおける温度を制御するために、複数のアクティブ・サーマル・サイトの加熱エレメントによって加えられる熱の量を制御するステップと
を含む、方法を提供する。

少なくともいくつかの例は、温度制御デバイスを製造する方法であって、方法は、
基板の上のそれぞれの場所における複数のアクティブ・サーマル・サイト、および、基板の上の複数のアクティブ・サーマル・サイトの間に配設されている１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域を形成するステップを含み、
それぞれのアクティブ・サーマル・サイトは、加熱エレメントおよび断熱層を含み、加熱エレメントは、前記媒体の対応するサイトに可変量の熱を加えるように構成されており、断熱層は、加熱エレメントと基板との間に配設されており、
それぞれのパッシブ・サーマル領域は、熱伝導層を含み、熱伝導層は、媒体の対応する部分から基板へ熱を伝導させるように構成されており、
前記１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域の熱伝導層は、基板の平面に対して垂直の方向に、前記複数のアクティブ・サーマル・サイトの断熱層よりも低い熱抵抗を有している、方法を提供する。

本技法のさらなる態様、特徴、および利点は、例の以下の説明から明らかになることとなり、以下の説明は、添付の図面に関連して読まれるべきである。

媒体の中のそれぞれのサイトにおける温度を制御するための温度制御デバイスの例を概略的に図示する図である。 温度制御デバイスの上面図である。 温度制御デバイスを通る断面をより詳細に示す図である。 流体が温度制御デバイスのアクティブ・サーマル・サイトおよびパッシブ・サーマル領域の上を流れるときの、流体の温度の変化の例を示すグラフである。 アクティブ・サーマル・サイトに関するサーマル・モデルを図示する図である。 ４つのパッシブ・サーマル領域によって取り囲まれているアクティブ・サーマル・サイトとしてのシステムの一次近似を図示する図である。 サーマル・モデルと同様の電気回路モデルを示す図である。 図７のモデルのコンパクト化されたバージョンを示す図である。 どのように媒体に供給される熱が、加熱エレメントによって発生させられる熱とともに変化するかということを示す図である。 所与のアクティブ・サイトにおける温度を制御するためのフィードバック・ループ・アーキテクチャーを示す図である。 媒体の中のそれぞれのサイトにおける温度を制御する方法を図示するフロー・ダイアグラムである。 アクティブ・サイトの断熱層に関するピラー付きの構造体の例を図示する図である。 ２つのアクティブ・サイトおよびいくつかのパッシブ・サイトを通る断面を図示する図であり、断熱層は、ボイドを含むピラー付きの構造体を有することを示す図である。 ピラー付きの断熱層を備えた温度制御デバイスを製造する方法を図示するフロー・ダイアグラムである。 図１４の製造方法のそれぞれの段階を図示する図である。

媒体の複数のサイトにおける温度を制御するための温度制御デバイスは、基板の上のそれぞれの場所に配設されている複数のアクティブ・サーマル・サイトを含み、それぞれのアクティブ・サーマル・サイトは、加熱エレメントおよび断熱層を含み、加熱エレメントは、媒体の対応するサイトに可変量の熱を加えるためのものであり、断熱層は、加熱エレメントと基板との間に配設されている。１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域は、基板の上のアクティブ・サーマル・サイト同士の間に配設されており、それぞれのパッシブ・サーマル領域は、媒体の対応する部分から基板へ熱を伝導させるための熱伝導層を含む。パッシブ冷却領域の熱伝導層は、基板の平面に対して垂直の方向に、アクティブ・サーマル・サイトの絶縁層よりも低い熱抵抗を有している。使用するときに、基板は、ヒート・シンクとして作用することが可能である（基板を室温に露出させることによって、または、より低い温度が必要とされる場合には、基板の冷却を提供することのいずれかによって）。したがって、パッシブ領域の中の熱伝導層は、パッシブ領域がアクティブ・サーマル・サイト同士の間の領域の中の媒体の冷却を提供することを可能にし、より少ない冷却がアクティブ・サーマル・サイト自身によって提供されることを必要とするようになっている。これは、アクティブ・サーマル・サイトが、加熱するためにより効率的になるように設計されることを可能にする。その理由は、より高い熱抵抗を有する断熱層が、加熱エレメントと基板との間に使用され得るからである。その理由は、冷却を支援するために非常に多くの熱が基板へ通ることを可能にすることが、もはや必要とされないからである。これは、加熱の間に、より少ない熱が基板へ失われ、したがって、デバイスによって支持される全体的な温度範囲がより高くなり得るということ意味している。

これは、代替的なアプローチと対比され得り、代替的なアプローチは、加熱／冷却の単独の供給源である複数のアクティブ・サイトを提供することであることとなり、それぞれのサイトは、可変の熱出力を備えたヒーターを有しており、ヒーターからの熱がヒート・シンクとして作用する基板への熱損失よりも少ないときに、冷却が提供される（アクティブ・サイト同士の間の境界が、アクティブ・サイトと同じかまたはそれよりも高い熱抵抗を有する状態になっている）。しかし、このアプローチに伴う問題は、所与のアクティブ・サイトの上の媒体が比較的に低い温度にあるが、さらなる冷却が依然として必要とされるときに、アクティブ・サイトから基板への熱流が、比較的に低くなることとなり（その理由は、熱流が、熱流路を横切る温度差に依存することとなるからである）、そして、さらなる冷却を実現するために、アクティブ・サイトの材料は、低い温度において基板への十分な熱流が存在するように、十分に低い熱抵抗を必要とすることとなるということである。他方では、媒体の上の対応するサイトにおける温度が比較的に高いときには、加熱サイトを横切る温度差がはるかに大きくなることとなり、したがって、基板への熱損失の量は大きくなることとなる。したがって、媒体の対応するサイトをさらに高い温度まで加熱するために、これは、下方の基板への熱損失に対抗するために、大きい量のパワーが加熱エレメントに加えられることを必要とすることとなる。実際には、加熱エレメントによって支持される最大パワーは、設計制約に起因して限定され得る。したがって、完全な加熱／冷却機能性を提供するために同じサイトを使用するアプローチは、媒体の所与のサイトにおいて制御され得る温度の範囲の中に限定されることとなる。

それとは対照的に、本技法によって、アクティブ・サーマル・サイト同士の間のパッシブ・サーマル領域は、アクティブ・サイトの中の加熱エレメントと基板との間の断熱層よりも熱伝導性の高い層を含む。冷却がパッシブ・サーマル領域によって提供され得るので、これは、アクティブ・サイトがそれほど冷却を提供する必要がなく、したがって、アクティブ・サイトがより断熱性の高い材料から作製され得り、より少ない熱がアクティブ・サイトにおける基板へ失われるようになっており、したがって、加熱エレメントのパワーのより多くが媒体自身を加熱するために使用され得るということ意味している。したがって、提供されることとなる所与の量の冷却、および、加熱エレメントから利用可能な所与のパワーに関して、実現可能な最大温度が、上記に議論されている代替的なアプローチと比較して増加させられ得る。したがって、より幅広い範囲の温度が、温度制御デバイスを使用して、それぞれのサイトにおいて制御され得る。

パッシブ・サイトにおいて提供される冷却の量は、それらを横切る温度差に依存することとなるが（それは、近隣のアクティブ・サイトにおける温度設定に間接的に依存する可能性がある）、温度制御デバイスは、パッシブ・サイトにおける熱流の量を直接的に制御せず、その代わりに、熱伝導層が、単に、所与の量の熱抵抗を熱流に提供し、それは、アクティブ・サイトにおける断熱層よりも低い抵抗であるという意味において、パッシブ・サイトは、パッシブである。アクティブ・サイトを使用して実現可能な温度の範囲を改善することを助けることだけでなく、流れている流体の中の温度を制御するためにデバイスが使用されるときに、パッシブ領域が、また、流体によって通過された以前のサイトにおける加熱の「履歴」効果を低減させることを助けることが可能である。その理由は、パッシブ領域が、基板温度のより近くまで流体を冷却し、所与のアクティブ・サイトに進入する流体の温度のばらつきを低減させることが可能であるからである。これは、それぞれのサイトにおけるヒーターを制御するための制御ループの必要なループ・ゲインを低減させる（下記のさらなる議論を参照）。

他方では、アクティブ・サイトは、提供される加熱または冷却の量が加熱エレメントによって提供されるパワーを変化させることによって制御され得るという意味においてアクティブである。それにもかかわらず、アクティブ・サイトにおける媒体へのまたは媒体からの熱流の量は、加熱エレメントによって提供される熱の量に依存するだけでなく、アクティブ・サイトの周りの温度にも依存し、それは、加熱エレメントからの熱のどの程度が基板または周囲のパッシブ・サーマル・サイトへ失われるかということに影響を与え得る。

したがって、選択されたアクティブ・サーマル・サイトの中の加熱エレメントによって発生させられる熱の量が閾値量よりも大きいかまたは小さいかということに応じて、そのアクティブ・サーマル・サイトが、加熱エレメントを使用して媒体の対応するサイトの加熱を提供するか、または、前記断熱層を通した前記基板への熱流によって、対応するサイトの冷却を提供するかということについて制御するために、制御回路が提供され得る。閾値量は、基板または周囲のパッシブ・サーマル・サイトへの熱損失に対抗するために、加熱エレメントによって発生させられなければならない熱の量を効果的に表すことが可能である。

この閾値量は、基板の平面に対して垂直の方向へのアクティブ・サーマル・サイトの断熱層の熱抵抗を含む、複数の要因に依存することが可能である。所与の最大ヒーター・パワーに関して、支持される温度の範囲は、断熱層がより高い熱抵抗を有する場合よりも、断熱層がより低い熱抵抗を有する場合に、より低い温度に向けてシフトされる傾向にあることとなる。したがって、バイアス・ポイント（バイアス・ポイントにおいて、加熱エレメントは、媒体ヒート・シンク以外の周囲のエリアへ熱損失に対抗する）は、所与の熱抵抗を備えた絶縁層を選択することによって慎重に制御され得る。したがって、異なる実施形態は、異なる熱抵抗を有する絶縁材料を選ぶことによって（たとえば、異なる材料自身を選ぶことによって、または、所与の絶縁材料の物理的な構造体を変化させることによって、たとえば、ボイドを含むことなどによって）、異なる用途に関して（必要とされる温度範囲に応じて）設計され得る。

また、閾値量は、温度依存性であることが可能であり、たとえば、より高温のアクティブ・サイトは、冷却器アクティブ・サイトよりも多くの熱を基板へ失う傾向にあることとなる。その理由は、より大きい温度差がそれを横切って存在しているからである。したがって、アクティブ・サイトの温度に応じて、異なる量のパワーが、媒体への所与の量の熱流を実現するために、加熱エレメントによって送達されることを必要とする可能性がある。これは、所与の温度設定を提供するための加熱エレメントの制御をより複雑にする。

したがって、それぞれのアクティブ・サーマル・サイトは、対応するアクティブ・サーマル・サイトにおける温度をセンシングするための温度センサーを含むことが可能である。複数のフィードバック・ループが提供され得り、複数のフィードバック・ループは、アクティブ・サーマル・サイトの加熱エレメントを制御するために、アクティブ・サーマル・サイトのうちの１つにそれぞれ対応している。それぞれのフィードバック・ループは、対応するアクティブ・サーマル・サイトの温度センサーによってセンシングされる温度と、媒体の対応するサイトに関して特定されるターゲット温度とに応じて、媒体の対応するサイトに加えられるべき熱のターゲット量を決定するための伝達関数を実装することが可能である。次いで、さらなる関数（下記ではリニアライザー関数と称される）が、伝達関数によって決定された熱のターゲット量を、対応するアクティブ・サーマル・サイトの加熱エレメントを制御するための入力信号にマッピングすることが可能である。リニアライザー関数は、対応するアクティブ・サーマル・サイトの温度センサーによってセンシングされる温度の関数であることが可能であり、また、熱のターゲット量とアクティブ・サーマル・サイトの加熱エレメントから基板および周囲のパッシブ・サーマル領域への熱損失の量との総和に応じて、入力信号を決定することが可能である。

アクティブ・サイトにおいて測定される温度に応じてヒーターを制御するためのフィードバック・ループは、ターゲット温度と測定される温度との間の誤差をヒーター入力信号に直接的にマッピングする単一の伝達関数を単に実装するべきであるということを予期する可能性がある。しかし、そのような制御ループは、実際に実装するには極めて挑戦的であることとなる。ヒーターによって供給されるすべての熱が、媒体自身に供給されるわけではない。その理由は、いくらかの熱が、アクティブ・サーマル・サイトの中の断熱層を介して基板へ失われるか、または、アクティブ・サーマル・サイトを取り囲むパッシブ・サーマル領域へ失われるからである。周囲のエリアへの熱損失の量は、温度依存性になっており、また、それぞれのサイトが異なる温度になっている可能性があるので、熱損失はサイトごとに変化する。したがって、伝達関数において（その伝達関数に関して、プラントは、媒体の中への熱流というよりも、ヒーターによって提供される熱である）、ループ・ゲインは、アクティブ・サイト温度の関数になることとなり、したがって、すべての可能なアクティブ・サイト温度にわたって安定性および精度を保証するために、独自のコントローラー（伝達関数）は存在しないこととなる。

それとは対照的に、ヒーターの制御を２つのパーツへ分離することによって、安定した制御ループが設計され得る。制御の第１のパーツは、測定される温度とターゲット温度との間の誤差を、（そのターゲット量の熱を提供するために、どのようにヒーターを制御するかということを考えることなく）流体に供給されることとなる熱のターゲット量にマッピングする伝達関数である。閉ループ制御伝達関数を提供することによって（ここで、プラントは、ヒーターによって供給されることとなる熱の量というよりもむしろ、媒体へ供給されることとなる熱のターゲット量である）、ループ・ゲインは、サイトの温度から独立して作製され得り、それは、ループが古典的な制御理論による線形時不変系としてモデル化されることを可能にする。他方では、その後のリニアライザー関数は、伝達関数によって決定される熱のターゲット量をヒーター制御入力にマッピングする。リニアライザー関数は、（アクティブ・サイトの測定される温度に依存する）所与のアクティブ・サイトにおける熱流のモデルにしたがって設計され得る。温度依存性の熱損失をクローズド・ループ伝達関数から持ち出すことによって、ループ・ゲインは、効果的に「線形化され」得り（線形時不変系に近似される）、したがって、「リニアライザー関数」という用語である。これは、安定した制御ループの設計を可能にする。

リニアライザー関数を使用してアクティブ・サイトにおける熱流をすでにモデル化できる場合には、なぜ閉ループ・コントローラーが提供されるのかということを疑問に思うかもしれない－ターゲット温度とヒーターによって供給されることとなるパワーとの間の関係を表す熱流モデルは、クローズド・ループ伝達関数なしに使用され得るであろうか？しかし、所与のターゲット温度を設定するために媒体に供給されることを必要とされる熱の量は、ターゲット温度に依存するだけでなく、加熱されることとなる媒体の以前の温度にも依存する（考慮されるべきいくらかの「履歴」が存在する）。固体媒体の加熱に関して、履歴は、所与のアクティブ・サイトにおける以前の温度設定に依存する（それは、時間の経過とともに変化し得る）。アクティブ・サイトおよびパッシブ・サイトの上を流れる流体媒体の加熱に関して、履歴は、現在のアクティブ・サイトに到達する前に流体が通過した他のサイトにおいて加えられた加熱に依存する。たとえば、流体の所与の一部がより高温のサイトからより低温のサイトへ流れる場合には、我々は、温度を増加させるために加熱を提供するというよりもむしろ、温度を低減させるために冷却を提供することを必要とするということを予期することとなり、一方、第２のサイトに関して同じターゲット温度設定は、さらにより低温のサイトが続く場合には、加熱を必要とする可能性がある。パッシブ・サイトは、基板温度のより近くまで媒体を冷却することによって温度履歴を「リセット」することを助けることが可能であるが、履歴依存性の影響が依然として存在し、履歴依存性の影響は、簡単な熱流モデル単独によって考慮することは困難であることとなる。クローズド・ループ・アプローチを使用することによって（クローズド・ループ・アプローチでは、流体への熱のターゲット量が、ターゲット／測定される温度の間の誤差に依存する特定の伝達関数にしたがって連続的に調節される）、これは、我々がより良好な温度制御を実現することを可能にする（媒体の以前の温度の実際の知識が存在しなかったとしても、たとえば、クローズド・ループ伝達関数は、アクティブ・サイトに到着する流体の実際の温度（それは依然として未知である可能性がある）を考慮する必要がない）。

リニアライザー関数に関して使用される関係は、下記の例においてより詳細に説明されることとなるように、温度制御デバイスのサーマル・モデルの解析的インバージョンを表す関数として導出され得る。サーマル・モデルは、所定のモデルであることが可能であり、その所定のモデルにおいて、熱流の熱的特性、熱抵抗、およびサーマル・マスが、それぞれ、電流、電気抵抗、および静電容量によって表され得り、必要とされる非線形の制御関数が電気回路に対する類推によって導出されることを可能にする。

とりわけ、リニアライザー関数は、以下の関係にしたがって、所与のアクティブ・サーマル・サイトの加熱エレメントによって供給されることとなる熱の実際の量ｑに熱のターゲット量ｑ_ｆｉをマッピングすることが可能である：

ここで、
ｑ_ｆｉは、所与のアクティブ・サーマル・サイトにおいて媒体に供給されることとなる熱のターゲット量を表しており（所与のアクティブ・サーマル・サイトに関するターゲット温度と所与のアクティブ・サーマル・サイトの温度センサーによってセンシングされる温度との間の差の関数として決定される）；
Ｔ_ｉは、所与のアクティブ・サーマル・サイトの温度センサーによってセンシングされる温度を表しており；
Ｔ_ＨＳは、基板（ヒート・シンクとして作用する）の温度を表しており；
Ｒ_ｉＺは、基板の平面に対して垂直の方向へのアクティブ・サーマル・サイトの断熱層の熱抵抗を表しており；

Ｒ_ｉｘおよびＲ_ｉｙは、基板の平面に対して平行の２つの直交する方向へのアクティブ・サーマル・サイトの断熱層の熱抵抗を表しており；
Ｒ_ｃｘおよびＲ_ｃｙは、基板の平面に対して平行の２つの直交する方向へのパッシブ・サーマル領域の熱伝導層の熱抵抗を表しており；
Ｒ_ｃｚは、基板の平面に対して垂直の方向へのパッシブ・サーマル領域の熱伝導層の熱抵抗を表している。

いくつかの例では、加熱エレメントは、抵抗加熱エレメントを含むことが可能である。熱電デバイスまたは他のタイプの加熱も使用され得るが、抵抗加熱エレメントが、製造および制御するためにより簡単である可能性がある。抵抗加熱エレメントに関して、加熱エレメントに加えられることとなる電流Ｉは、

にしたがって決定され得り、ここで、ｑは、上記に定義されているようなリニアライザー関数にしたがって決定され、ｒは、加熱エレメントの抵抗である。

いくつかの例では、アクティブ・サーマル・サイトの中の断熱層は、基板の平面に対して垂直の方向よりも、基板の平面に対して平行の方向に、より大きい熱抵抗を有することが可能である。基板の厚さを横切る方向よりも水平方向に断熱層を「リーク」しにくくすることは、断熱層が、周囲のパッシブ・サーマル領域を介して寄生性の経路を通る熱損失の量を低減させながら、基板への熱流によって、アクティブ・サーマル・サイトにおける所与の量の冷却を支持することを可能にする。パッシブ領域への熱損失の量を低減させることは、アクティブ・エレメントにおける加熱をより効率的にする（したがって、所与の最大パワーを支持するヒーターは、媒体のより高い温度を支持することが可能である）だけでなく、上記に議論されている非線形の制御関数を導出するためのサーマル・モデルを簡単化し、マッピング回路において実装するのに複雑性のより低い、より簡単な等式が使用され得るようになっている。断熱層が、横断方向よりも、基板の平面内を走る方向に、より大きい熱抵抗を有するように構築され得る、複数の方式が存在している。

たとえば、絶縁層は、薄膜構造体を有することが可能であり、ここで、基板の平面に対して垂直の方向への断熱層の厚さｚは、基板の平面に対して平行の方向へのアクティブ・サーマル・サイトの断熱層の最小寸法Ｌよりも実質的に小さい。たとえば、ｚ／Ｌは、０．１未満であることが可能である。実際には、ｚ／Ｌは、０．１よりも小さくされ得り、たとえば、＜０．０５、または＜０．０１にされ得る。一般的に、厚さが水平方向の寸法に比較して小さい場合には、断熱層は、基板への熱流に関して相対的に大きい面積を示すこととなるが、周囲のパッシブ・サーマル領域への熱流に関して、はるかにより小さい面積を示すこととなり、より効率的な加熱、および、より簡単な非線形の制御関数を提供する。薄膜アプローチは、いくつかのタイプの絶縁材料に関して適切であることが可能である。

しかし、他のタイプの絶縁材料は、厚さが低減されている場合には、平面に対して垂直の方向に十分な絶縁を提供するために十分な熱抵抗を有していない可能性がある。たとえば、二酸化ケイ素が絶縁体として使用される場合には、その固有の熱伝導率は、断熱層が十分な絶縁を提供することとなる場合には、層がどの程度薄くされ得るかということを限定する可能性がある。他の材料も選ばれ得るが、二酸化ケイ素が、製造するのにより簡単である可能性がある。その理由は、それが、デバイスの他のパーツに関して基板として使用されるシリコンの酸化によって絶縁体が形成されることを可能にすることができる。同様に、他の材料が存在することも可能であり、その材料に関して、薄膜アプローチ（単一の固体材料から作製されている）が、必要とされる断熱特性を所与として実用的でない可能性がある。

これは、少なくとも１つのボイドを含む断熱層を提供することによって対処され得る。ボイドは、温度制御デバイスの本体部の中の空気、別のガス、または真空のホールまたはポケットであることが可能である。空気または真空の熱伝導率は、固体絶縁体材料と比較して相対的に高い可能性があるので、いくつかのボイドを提供することは、面内方向および面に交差する（ｃｒｏｓｓ－ｐｌａｎｅ）方向への熱抵抗が、固体材料の層の中において可能であるよりも慎重に制御されることを可能にすることができる。

１つの例では、ボイドは、基板に実質的に対して垂直に延在することが可能であり、断熱層の他の部分は、固体絶縁体材料から作製されている。たとえば、断熱層は、第１の断熱材料の１つまたは複数のピラーを含むことが可能であり、１つまたは複数のピラーは、加熱エレメントと基板との間のアクティブ・サーマル・サイトのエリアにおいて、基板の平面に対して実質的に垂直に延在しており、ボイドは、ピラー同士の間にまたはピラーの周りに配設され得る。ボイドおよびピラーは、多種多様な形状を有することが可能であり、絶縁層の厚さ全体を通過することが可能であるか、または、厚さの一部のみを部分的に通過することが可能である。基板の平面に対して実質的に垂直に延在するボイドおよびピラーを提供することによって、これは、基板の平面に対して垂直の方向への比較的に効率的な熱伝達を可能にすることができるが（その理由は、熱が、より伝導性のピラーをより容易に通過することができるからである）、熱がパッシブ冷却領域に向けて水平方向に流れることはより困難である可能性がある。その理由は、水平方向の熱流が、空気、ガス、または真空の１つまたは複数のボイドの横断を必要とすることとなるからである。充填比率（ピラーまたはボイドによって占められる合計面積の割合）が、面内熱抵抗と面に交差する熱抵抗との間の異なる比率を提供するように変化させられ、加熱／冷却に関してバイアス・ポイントに対して正確な制御を与えることが可能である。

他方では、他の例は、加熱エレメントと基板との間のアクティブ・サーマル・サイトの実質的にエリア全体を通って延在するボイドを含む断熱層を提供することが可能である。したがって、任意のピラーに関して必要性が存在しない可能性がある。断熱層は、（アクティブ・サーマル・サイトの縁部におけるいくつかの固体境界部以外）完全にガスまたは真空から作製された層を本質的に含むことが可能である。

ボイドを備えた層を含むデバイスを製造することは、１次的なウエハーの第１の表面に提供されるデバイス層の中に１つまたは複数のボイドを形成することによって、ならびに、１次的なウエハーの第１の表面を、サーマル制御デバイスの他のエレメント（たとえば、それぞれのアクティブ・サーマル・サイトの加熱エレメント、および、それぞれのパッシブ・サーマル領域の熱伝導層の少なくとも一部など）を支持するための２次的なウエハーに結合することによって実現され得る。ボイドは、１次的なウエハーおよび２次的なウエハーの結合の前または後のいずれかに形成され得る。したがって、１次的なウエハーおよび２次的なウエハーを結合することによって、温度制御デバイスの本体部の中にボイドを形成することが可能である。

しかし、断熱層がピラーおよびボイドを含む場合に、ピラーは、１次的なウエハーを２次的なウエハーと結合させる前に、１次的なウエハーのデバイス層の中に形成され得り、そして、１次的なウエハーおよび２次的なウエハーを結合した後に、デバイス層の反対側から第１の表面へ、ピラー同士の間のデバイス層の一部分をエッチングして取り除くことによって、ボイドが形成され得る。たとえば、第１の断熱材料は、酸化物（たとえば、二酸化ケイ素）を含むことが可能であり、ピラーは、デバイス層の中にホールをエッチングすることによって、および、ピラーの壁部を画定するために、ホールの縁部においてデバイス層の材料を酸化させることによって、デバイス層の中に形成され得る。１次的なウエハーは、第１の表面からデバイス層の反対側において埋め込み酸化物層を含むことが可能であり、１次的なウエハーおよび２次的なウエハーを結合した後に、１次的なウエハーは、埋め込み酸化物層までエッチバックされ得り、ホールは、ボイドの場所において、埋め込み酸化物層の中にエッチングされ得り、次いで、デバイス層の一部が、埋め込み酸化物層の中のホールを介してエッチングして取り除かれ、ボイドを形成することが可能である。次いで、埋め込み酸化物層の中のホールは、ホールをカバーするためにより多くの酸化物を堆積させることによって充填され得る。このアプローチは、利用可能なシリコンＣＭＯＳおよびシリコンＭＥＭＳ産業プロセスを使用してピラー付きの構造体が製造されることを可能にする。このアプローチによって、第１の表面と１次的なウエハーの埋め込み酸化物層との間のデバイス層の厚さは、断熱層の中のピラーの高さを決定することとなり、１次的なウエハーの中へエッチングされたホールのサイズは、ピラーのサイズ、ひいては、ボイドに対するピラーの充填比率を決定する。エッチ・ホールのサイズは、マスクを使用して変化させられ得り、基板の平面に対して垂直の方向への熱抵抗と基板の平面に対して平行の方向への熱抵抗との間の比率に対して慎重な制御を可能にする。

温度制御デバイスは、基板を冷却してヒート・シンクとして作用する冷却メカニズムを含むことが可能である。代替的に、温度制御デバイスは、冷却メカニズムなしで提供されることも可能であり、外部冷却メカニズムが使用され得るか（たとえば、温度制御デバイスは、冷却デバイスと接触した基板とともに設置され、基板を所与の温度に維持することが可能である）、または、基板が単に室温に維持され得る。一般的に、基板の温度は、アクティブ・サーマル・サイトにおいて制御され得る最低の温度を制限し、したがって、特定の用途に応じて、異なる量の冷却が必要とされ得る。

温度制御デバイスは、（たとえば、半導体温度制御に関して）固体表面の中の、または、静的な流体の中のサイトを加熱するために使用され得るが、それは、流れている流体の中のさまざまなサイトにおける温度を制御するためにとりわけ有用である。したがって、温度制御デバイスは、複数のアクティブ・サーマル・サイトおよび１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域の上の流体のフローを制御するための流体フロー制御エレメントを含むことが可能である。たとえば、化学反応を支持するために、流体のフローは、反応のための試薬を供給することが可能であり、また、試薬がさまざまなアクティブ・サーマル・サイトおよびパッシブ・サーマル領域の上を流れるときに、それは、それぞれのサイトにおける反応に適した所望の温度まで加熱または冷却され得る。たとえば、温度は、所与のサイトにおける反応がトリガーされるかどうかということを制御するために使用され得る。

１つの例では、アクティブ・サーマル・サイトは、流体フロー制御エレメントによって制御される流体フローの方向に対して実質的に平行に配向された１つまたは複数の行で配設され得る。それぞれの行は、パッシブ冷却領域とともに２つ以上のアクティブ・サーマル・サイトを含むことが可能であり、パッシブ冷却領域は、行のそれぞれの対の隣接するアクティブ・サーマル・サイトの間に配設されている。行でサイトを配設することは、デバイスの製造をより単純にすることが可能である。とりわけ、２つ以上の行が存在する場合には、アクティブ・サーマル・サイトは、行列構造で配置され得り、行列構造は、制御信号をそれぞれのサイトへ導くために、および、それぞれのサイトにおいて測定される温度を読み出すために（たとえば、行／列アドレッシング・スキームが使用され得る）、個々のサイトのアドレッシングを簡単化することが可能である。

したがって、流体が温度制御デバイスを横切って流れるときには、流体の所与の一部が、流体フロー方向に対して平行に配向されている行のうちの１つに沿って流れることとなる。流体のその一部は、所与のアクティブ・サーマル・サイトに出会うこととなり、所与のアクティブ・サーマル・サイトにおいて、それは、所与の温度まで加熱または冷却され、次いで、パッシブ・サイトの上を流れ、パッシブ・サイトにおいて、それは、冷却を受け、次いで、それは、別のアクティブ・サーマル・サイトに出会い、別のアクティブ・サーマル・サイトにおいて、それは、第１のアクティブ・サーマル・サイトとは異なる温度まで加熱または冷却され得り、それが行に沿って通過するときに、以下同様に続く。それぞれのアクティブ・サーマル・サイトは、行の隣接するアクティブ・サーマル・サイト同士の間に配設されているそれぞれのパッシブ冷却領域の行方向に沿った長さよりも大きい、行方向に沿った長さを有することが可能である。アクティブ・サーマル・サイトを介在するパッシブ領域よりも長くすることは、基板の合計面積のより効率的な使用（ひいては、単位面積当たり、より大きい数の制御サイト）を可能にし、アクティブ・サーマル・サイトに関して、流体が所望の温度まで持って行かれると、反応が起こることを可能にするために、流体がいくらかの時間にわたってその温度に留まるべきであるが、流体がパッシブ・サイトの上を通過するときに、唯一の機能は冷却であり（反応を支援することでない）、したがって、流体が次のアクティブ・サイトに到達する前に十分な冷却を提供するために、アクティブ・サイト同士の間に十分なギャップが存在しているという条件で、温度がパッシブ領域の一部の中で一定に留まるという必要性は存在しない。したがって、パッシブ領域をアクティブ領域よりも小さくすることによって、より多くの反応サイトが、所与の量のスペースの中にフィットされ得る。

いくつかの実施形態では、それぞれのアクティブ・サーマル・サイトは、媒体と接触している表面において、反応表面を含むことが可能である。たとえば、反応表面は、金から作製され得り、それは、多くの化学的なまたは生物学的な反応のための中立のプラットフォームを提供することが可能である。

流れている流体または静的な流体の延長された本体部の空間的に局所化された領域（「バーチャル・ウェル」）の中の温度を正確に制御するための方法が説明されている。我々は、パッシブ冷却および抵抗加熱の組み合わせによって、温度制御を実現し、バーチャル・ウェルの中の温度の高速の双方向制御を可能にする。効率的に温度を制御するために、および、幅広い範囲の液体温度を可能にするために、我々は、ヒーター基板チップの中の熱流をエンジニアリングすると同時に、また、温度のフィードバック制御を可能にする熱流モデルを開発する。

多くの化学的なまたは生物学的なプロセスに関して、流体の中の特定の場所において化学反応を制御することが有用である可能性がある。化学反応が起こるレートは、指数関数的に温度に敏感であり、反応速度を熱的に制御する能力を可能にする。熱的に制御される化学反応の空間的な制御を実現するために、我々は、サーマル・サイトの２次元の行列を説明する（図１および図２を参照）。流体の中の温度に対する双方向制御を実現するために、流体の中へ熱を汲み上げることと流体から外へ熱を汲み出すことの両方が必要とされる。ここで、我々は、２種のサーマル・サイト（一方のその１次的な目的は、熱を流体の中へ伝達することであり、他方のその１次的な目的は、熱を流体から伝達することである）を使用することによって、熱のこの双方向制御を実装する。

図１は、媒体の中のそれぞれのサイトにおける温度を制御するための温度制御デバイス２の例を示している。流体フロー・エレメント（たとえば、ポンプ）が、温度制御デバイス２の上部を横切って流体流路４を通る流体のフローを制御するために設けられている。複数のアクティブ・サーマル・サイト６が、温度制御デバイス２の平面を横切ってさまざまな場所に設けられている。それぞれのアクティブ・サーマル・サイト６の上部は、反応表面（たとえば、金のキャップ）を含むことが可能であり、反応は、反応表面の上で起こることが可能である。それぞれのアクティブ・サーマル・サイト６は、加熱エレメントを含み、そのサイトの上を流れる流体の対応する部分に熱を加え、流体の温度を制御する。図２に示されているように、アクティブ・サーマル・サイト６は、２次元の行列（格子）で配置されており、２次元の行列は、２つ以上の行で配置されており、ここで、行方向は、流体が流体流路４を通って流れる方向に対して平行になっている。アクティブ・サーマル・サイト６同士の間に存在する領域は、１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域８を形成しており、１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域８は、加熱エレメントを含むのではなく、流体から離れるようにデバイス２の基板１０に向けて熱を伝導させることによって、パッシブ冷却を提供する。行方向へのそれぞれのサーマル・サイト６の長さｘは、同じ行の中の１対の隣接するアクティブ・サーマル・サイト６の間に存在するそれぞれのパッシブ・サーマル領域８の長さｙよりも長くなっている。図１に示されているように、冷却メカニズム１２は、基板１０を冷却するために提供され、ヒート・シンクとして作用することが可能である。

原理的には、同じサーマル・サイトが、流体の中へ熱を伝達することおよび流体から外へ熱を伝達することの両方を行うことが可能である。たとえば、これは、双方向のヒート・ポンピングが可能な熱電エレメントによって実現され得る。しかし、ここで説明されているアプローチは、２つの別々の種のサーマル・サイトを定義しており、我々は、それらをアクティブ・サイト６およびパッシブ・サイト８と称する。分離されているアクティブ・サイトおよびパッシブ・サイトの望ましい属性は、標準的な半導体加工技法によって、および、当業界内において入手可能な材料を使用することによって、それらが製作され得るということである。

図３は、より詳細に温度制御デバイス２を通る断面を示している（図３は、概略的であり、正しい縮尺であるということは意図されていない）。アクティブ・サーマル・サイト６は、ヒーター１３および温度計（温度センサー）１４を含む。ヒーター１３は、閉ループ制御の下で動作させられ、その出力パワーが、そのサイトの上の流体の中に特定の温度を維持するように設定される状態になっている。アクティブ・サイトの中の温度計１４は、閉ループ制御に関する測定を提供する。アクティブ・サイトは、主に、流体を加熱するために使用されるが、小さいヒーター・パワーにおいて、基板１０への熱流に起因して、（加熱するその能力に対して）小さい量の冷却も可能である。断熱層１６が、ヒーター１３と基板１０との間に設けられており、基板１０への熱損失の量を制御する。アクティブ・サイトの上において、流体は、電気絶縁体２０または金のパッド２２（電気絶縁体の上に設置されている）のいずれかと接触している。

対照的に、パッシブ・サイト８は、閉ループ制御の下で動作せず、流体から基板１０におけるまたは基板１０の下のヒート・シンクへ熱を伝達する責任を負う：パッシブ・サイトの主な役割は、良好な熱伝導体として作用するということである。したがって、パッシブ領域８は、流体から基板１０へ熱を伝導するための熱伝導層１８を含む。基板１０の温度は、別々の冷却メカニズム１２によって維持されており、一定の値になっていることが想定され得る。また、パッシブ・サイトは、電気絶縁領域２０によってカバーされている。パッシブ・サイト８の熱伝導層１８は、基板の平面に対して垂直の方向に、アクティブ・サイト６の中の断熱層１６よりも低い熱抵抗を有している。

また、追加的な層が、図３に示されていないデバイス２の中に含まれ得るということが認識されることとなる。たとえば、熱拡散層が、ヒーター１３からアクティブ・サーマル・サイトを横切って熱を拡散させるために設けられ得り、対応するサイトへより均一な熱を加えることを提供する。

流体エレメントがチップ２の表面の上を移動するときに、それは、交互の方式で、アクティブ・サイト６およびパッシブ・サイト８の上を通過する。アクティブ・サイトの上において、熱が流体の中へ流入し、流体エレメントの温度が、所望の「高温の」値に設定されるようになる。暫くした後に、それは、パッシブ・サイトの上を通過し、ここで、熱がヒート・シンクへ流出し、「低温の」温度で流体エレメントを離れる。次いで、流体エレメントは、次のアクティブ・サイトの上に渡り、そして、同様に続いていく。

したがって、我々は、抵抗ヒーター・ベースのアクティブ・サイトが同等の冷却および加熱の能力を有することは非実際的であると仮定して、それぞれのアクティブ・サイトに進入する流体を予備冷却するためのパッシブ・サーマル・サイトを含む。パッシブ・サイト８は、流体から離れるように熱を伝導する役割を有しており、アクティブ・サイトの上のスペースに進入する流体が、ヒート・シンク温度に近くなるようになっている。組み合わせられたアクティブ・サイトおよびパッシブ・サイトの挙動を図示するために、図４は、アクティブ－パッシブ－アクティブ・シーケンスの上の温度のスケッチを示している。最も左のアクティブ・サイトは、流体の中へ熱を汲み上げ、その温度を８０℃の最大値に増加させる。次いで、流体がパッシブ・サイトの上を通過するときに、それは、２０℃に向けて冷却する。そして、最後に、流体が最も右のアクティブ・サイトを通過するときに、熱が流入し、その温度が４０℃に増加する。これらの温度は任意的であるが、それらは、動作条件を表している。図２に示されているように、アクティブ・サイトは、パッシブ・サイトよりも大きい空間的な範囲を有することが可能である（長さｘ＞長さｙ）。アクティブ・サイトは、化学反応が起こるための一定の温度の領域を提供するが、パッシブ・サイトの唯一の要件は、それらがアクティブ・サイトに進入する流体を冷却するということである。この予備冷却は、アクティブ・サイトの冷却要件を低減させ、それらがより効率的に熱を流体の中へ伝達することを可能にする。

アクティブ・サイトおよびパッシブ・サイトの熱的特性を設計するために、我々は、サーマル・モデルによってシステムを説明する。ここで、我々は、電気的な類推を開発し、そこでは、熱抵抗が電気抵抗によって交換され、熱容量がキャパシターによって交換され、温度が、電圧によって交換される。構造を離散化させるために、および、電気回路の構築を可能にするために、我々は、図５に示されているように、それをブロックへと分割する。ブロックは、アクティブ・サーマル・サイトもしくはパッシブ・サーマル・サイト、または、これらのサイトのうちの１つの上の流体のブロックから構成され得る。

我々のシステムの一次近似として、我々は、それぞれのアクティブ・サイトが４つのパッシブ・サイトによって取り囲まれているということを考える（図６）。それぞれのアクティブ・サイトおよびパッシブ・サイトを単一のサーマル・ブロックとして説明することによって、アクティブ・サイトの熱的挙動の電気的なモデル（図７）を説明する回路ダイアグラムを描くことが可能であり、ここで、「伝導体」または「伝導サイト」は、パッシブ・サーマル領域８を表しており、「絶縁体」または「絶縁サイト」は、アクティブ・サーマル・サイト６を表しており、
Ｃ_ｃおよびＣ_ｉは、伝導体および絶縁体の熱容量をそれぞれ表しており、
Ｒ_ｃｘ、Ｒ_ｃｙ、Ｒ_ｃｚは、ｘ、ｙ、ｚ方向への伝導体の熱抵抗を表しており（ここで、ｚは、基板１０の平面に対して垂直の方向であり、ｘおよびｙは、基板の平面に対して平行の直交する方向である）、
Ｒ_ｉｘ、Ｒ_ｉｙ、Ｒ_ｉｚは、ｘ、ｙ、ｚ方向への絶縁体の熱抵抗を表しており、
Ｔ_ＨＳは、ヒート・シンクの温度を表しており、
Ｔ_ｃおよびＴ_ｉは、伝導サイトおよび絶縁サイトの温度を表している。

物理的な構造体の対称性に起因して、および、等温の基板に起因して、我々は、絶縁領域から４つの伝導領域への等しい熱流を考慮し、それらが一緒に考慮されることを可能にする。図８において、我々は、この簡単化を含む、コンパクト化されたサーマル・モデルを示しており、ここでは、我々は、ヒーターによって発生させられる熱流または熱流量（ｑ）を含む。
ｑは、ヒーターによって発生させられる熱流量である。
ｑ_ｆｃ、ｑ_ｆｉは、それぞれ、伝導サイトおよび絶縁サイトを通る流体によって吸収される熱流量である。
Ｃ_ｆは、流体のブロックの熱量量である。それは、伝導（または、絶縁）サイトの面積および流体の高さｈ_ｆによって与えられる体積を有している。
Ｒ_ｆは、流体のブロックの熱抵抗である。それは、伝導（または、絶縁）サイトの面積および流体の高さｈ_ｆによって与えられる体積を有している。
Ｔ_ｆｃ、Ｔ_ｆｉは、それぞれ、伝導サイトおよび絶縁サイトの上の流体の温度である。

熱回路の電気的なモデルを使用して、我々は、絶縁サイトから流体の中への熱流ｑ_ｆｉを決定することが可能である。図８の回路をとって、我々は、抵抗を以下の通りに簡単化する。

ここで、｜｜は、並列抵抗に対して、組み合わせられた等価抵抗に関する簡易記号であり、たとえば、以下の通りである。

Ｒ_１を通る熱流量は、Ｒ_２およびＲ_３の中への熱流量の総和であるので：

したがって、我々は、Ｒ_１を通る熱流量（ｑ_１）を以下の通りに書くことができる：

我々は、温度Ｔ_ｉを知る。その理由は、我々がそれを温度センサーによって測定するからである。我々は、絶縁体から流体の中への熱流ｑ_ｆｉを計算することが可能である。

シリコン（ｋ_Ｓｉ＝１３０Ｗ／ｍ／Ｋ）に比較して相対的に低い流体の熱伝導率（ｋ_ｆ＝０．６Ｗ／ｍ／Ｋ）に起因して、ヒート・シンクへの伝導体の熱抵抗は、流体への伝導体の熱抵抗よりもはるかに低い。したがって、

この仮定を用いて、絶縁体から流体の中への熱流は、以下の通りになる：

図９は、流体温度のいくつかの一定の値に関して、流体の中への熱流（ｑ_ｆｉ）をプロットしている。ヒーターによるゼロの熱出力のケースでは（Ｔ_ｆ＞Ｔ_ＨＳを仮定する）、絶縁体から流体の中への熱流（ｑ_ｆｉ）は、マイナスである：すなわち、アクティブ・サイトは、流体を冷却する。アクティブ・サイトによって提供される冷却の最大量は、基板の平面に対して垂直の方向への、アクティブ・サイトとヒート・シンクとの間の断熱層１６の熱抵抗Ｒ_ｉｚによってチューニングされ、したがって、その熱抵抗Ｒ_ｉｚは、アクティブ・サイトに関して重要な設計パラメーターである。図９に示されているように、バイアス・ポイント（ヒーターからの熱ｑが、基板１０および周囲のパッシブ領域８への熱の損失に正確に対抗する場所）は、増加する絶縁体熱抵抗Ｒ_ｉｚに伴って減少する。したがって、アクティブ・サーマル・サイト６における加熱と冷却との間のバランスを変化させるために、絶縁体抵抗Ｒ_ｉｚがチューニングされ得る。

最小の利用可能な冷却パワー（それは、ヒーターがオフになっているとき、および、流体の温度が最小になっているときに起こる）は、ヒート・シンク温度およびサイトの熱抵抗によって設定される。しかし、ヒート・シンク温度が非現実的に低い値に保持されていなければ、サイトを通って流れる熱の量は、流体の温度とともに増加する、すなわち、ｑ_{ＨＳ，ｍａｘ}＞＞ｑ_{ＨＳ，ｍｉｎ}。この非効率性は、最終的に、廃熱を除去するためのヒート・シンクの有限の能力に起因して、アクティブ・サイトによって加えられ得る冷却パワーを制限する。これが、アクティブ・サイト同士の間の流体を予備冷却するためにパッシブ・サイトを提供することが、より効率的な加熱、および、所与の量のヒーター・パワーに関して、より大きい温度範囲を可能にするかという理由である。

以前のセクションに議論されているように、ここで説明されている熱流体チップは、アクティブ・サイトの上の流体の可変の温度によって引き起こされる固有の非線形性を有している。したがって、我々は、サーマル制御システム（図１０を参照）を説明し、サーマル制御システムは、必要な温度制御を実現するために、非線形の制御関数（「リニアライザー」）を含む。このように、ヒーター１３を通過する電流は、流体の中に一定の温度を維持するために制御され得る。

図１０は、単一のアクティブ・サイト６に関するフィードバック・ループを示している。それぞれのアクティブ・サイト６は、そのようなフィードバック・ループの別々のインスタンスを有することが可能である。ターゲット温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}が、コントローラー３０に入力され、コントローラー３０は、また、対応するアクティブ・サイトの温度センサー１４によって測定される温度Ｔ_ｉを受け入れる。コントローラー３０は、形式Ｃ（ｓ）．（Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}－Ｔ_ｉ）の伝達関数に基づいて、アクティブ・サイト６によって流体へ供給されるべき熱のターゲット量ｑ_ｆｉを決定し、ここで、Ｃ（ｓ）は、そのポールおよびゼロが古典的な制御理論にしたがって設置された伝達関数である。

リニアライザー３２は、マッピング回路を含み、マッピング回路は、コントローラー３０によって供給される熱のターゲット量ｑ_ｗｉを入力信号Ｉにマッピングし、入力信号Ｉは、Ｔ_ｉおよびＴ_ＨＳ（基板１０の温度）に応じて、電流ドライバー３４によってヒーター１３へ供給されるべき電流の量を定義している。基板温度Ｔ_ＨＳは、すべてのアクティブ・サイト６の間で共有される単一のセンサー３６によって測定され得るか、または、それぞれのアクティブ・サイト６に局在された個々のセンサーによって測定され得る。リニアライザー３２は、コントローラー３０が線形の伝達関数を使用することを可能にする非線形のマッピング関数を提供する（したがって、「リニアライザー」という用語である）。リニアライザー３２によって提供される非線形の関数は、サーマル・モデルの解析的インバージョンを表す関数であることが可能である。上記に説明されているモデルから、流体の中への要求された温度を実現するために、ヒーターの中へ発生させられる合計パワーは、以下の通りである：

ヒーターが特定の温度に到達するために必要な電流は、以下の通りである：

ここで、ｒは、ヒーターの電気抵抗である。
２つの以前の式を組み合わせて、我々は、リニアライザーの形式を得る。それは、熱要求量を必要電流へと変換する：

図１１は、温度制御方法を図示するフロー・ダイアグラムである。ステップ５０において、媒体（その温度が制御されることとなる）が、温度制御デバイスの上に提供される。たとえば、媒体は、温度制御デバイスの上を流れる流体であることが可能である。ステップ５２において、温度Ｔ_ｉが、アクティブ・サーマル・サイト６において測定される。ステップ５４において、媒体の対応するサイトに送達されることとなる熱のターゲット量が、ｑ_ｆｉ＝Ｃ（ｓ）．（Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}－Ｔ_ｉ）にしたがって決定される。ステップ５６において、抵抗ヒーター１３に供給されるべき電流が、Ｉ＝ｆ（ｑ_ｆｉ，Ｔ_ｉ，Ｔ_ＨＳ）にしたがって決定され、ここで、ｆは、上記に示されているリニアライザーの式を表す関数である。ステップ５８において、決定された量の電流Ｉが、電流ドライバー３４によって加熱エレメント１３に供給され、媒体の対応するサイトにおける温度を制御する。次いで、方法は、ステップ５２に戻り、上記に議論されているサーマル・モデルにしたがって、アクティブ・サイト６から媒体自身以外の領域への熱流を考慮に入れて、測定される温度Ｔ_ｉおよびターゲット温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}に基づいて、そのサイトにおける温度を制御することを継続する。温度制御デバイス２の中のそれぞれのアクティブ・サイトに関して１度、ステップ５２から５８が、並列にＮ回実施される。

アクティブ・サイトの温度制御を実現するために、アクティブ領域６およびパッシブ領域８の必要とされる熱抵抗が決定され、適切な材料および幾何学形状が選ばれ得るようになっている。アクティブ・サイトの３Ｄブロックが満たすべき２つの条件が存在する：
１－ ヒーターによって発生させられるパワーは、大部分が流体を加熱するべきであり、ごく一部のみが、ヒート・シンクの中へ垂直方向にリークするべきであり、すなわち、アクティブ・サイトは、高い熱力学的効率ηを有するべきである。

２－ ヒーターによって発生させられるパワーは、他のサーマル・サイトに向けて水平方向に流れるべきではない、すなわち、

この不等式は、アクティブ・サイトの断熱層１６に関して薄膜材料を使用することによって（その結果、ｚ≪ｘ，ｙになり、ここで、ｚは、基板の平面に対して垂直の方向への厚さであり、ｘ、ｙは、断熱層の面内長さ／幅である）、または、異方性サーマル材料（それは、基板の平面に沿ってよりも基板の厚さを通る方向に熱伝導性が高い（ｋ_ｚ≫ｋ_ｘ，ｋ_ｙ））を使用することのいずれかによって満たされ得る。

我々は、熱流のためのモデルを主に簡単化するために、この第２の要件を引き合いに出し、リニアライザー関数が簡単に決定されることを可能にする。また、アクティブ・サイトからヒート・シンクの中への熱の垂直方向の輸送が存在しない他の限界に関して、アクティブ・サイトを設計することも可能であることとなる。我々が垂直方向の輸送限界を考える理由は、それが流体の中への熱流のより良好な知識を与えるということである。水平方向の輸送限界には、温度勾配を伴うチップの表面の追加的な領域が存在しており、そこから、熱が流体の中へ流入することが可能である。

アクティブ・サイトを製作することができる複数の材料が存在するが、例として、ＳｉＯ_２（低い熱伝導率（ｋ_ＳｉＯ２＝１．３Ｗ／ｍ／Ｋ）を有する一般の材料である）を考えてみる。ｚ方向へのアクティブ・サイト材料に関する熱抵抗は、ヒート・シンクの中へリークする最大の熱の関数として表現され得る：

これから、我々は、材料の必要な高さを推定することが可能である：

それは、依然として、ヒート・シンクへの最大許容可能な熱漏洩ｑ_{ＨＳ，ｍａｘ}を決定する。寸法１００μｍｘ２００μｍの長方形のアクティブ・サイトに関して、我々は、６ｍＷの最大ヒーター・パワーを想定する。最大ヒーター・パワーにおいて、我々は、パワーの半分がヒート・シンクに行くことを可能にする。そのうえ、我々は、Ｔ_{ｆ，ｍａｘ}＝９０Ｃの最大流体温度、Ｔ_ＨＳ＝１０Ｃのヒート・シンク温度、および、サーマル・サイトの温度が流体の温度とおおよそ同じである（Ｔ_{ｆ，ｍａｘ}≒Ｔ_{ｉ，ｍａｘ}）ということを想定する。アクティブ・サイトのすべての材料がＳｉＯ_２（等方性熱伝導率を有する材料）から作製されている場合には、その高さは、≒７００μｍであることが必要であることとなる。そのようなブロックに関して、垂直方向への熱抵抗は、Ｒ_ｉｚ≒２７，０００Ｋ／Ｗである。そのようなブロック（それに関して、ｚ＞ｘ，ｙ）は、サーマル・サイト同士の間の小さい熱漏洩の第２の条件を満たさない。

サイト同士の間の小さい熱漏洩に関する条件を満たすための１つの方法は、パターニングによって、アクティブ・サイト材料を熱的に異方性にするということである。たとえば、ＳｉＯ_２の垂直方向のピラーが空気（ｋ_ａｉｒ＝０．０２４Ｗ／ｍ／Ｋ）のスペースによって分離されている構造体を作り出すことが可能である。この材料の必要とされる垂直方向の高さは（このケースでは、ピラーの高さ）、ピラー充填因子を掛けられる。たとえば、１０％の充填因子によって、ピラー高さは、７０μｍになる。絶縁ピラーは、複数の異なる幾何学形状をとることが可能であり、そのいくつかの例が図１２に示されている。ピラー６０は、空気、ガス、または真空を含むボイドによって取り囲まれている。他の例では、ピラーは、ボイドを囲むことが可能である。

基板に対して垂直の方向に延在するピラーと、ピラーの周りまたはピラー同士の間のボイドとを含む、ピラー付きの構造体を提供することによって、我々は、垂直方向に同じ熱抵抗（Ｒ_ｉｚ≒２７，０００Ｋ／Ｗ）を維持するが、主にｋ_ａｉｒ＜ｋ_ＳｉＯ２に起因して、また、アクティブ材料のより低い高さにも起因して、水平方向の抵抗が低減されるということが明らかである。

１０％充填因子に関して水平方向の熱抵抗を計算して、我々は、以下を見出した：

これは、以下の合計の水平方向の熱抵抗を与える：

水平方向の熱抵抗は、ピラー高さを低減させることによって、および、同時に充填因子を低減させることによって、さらに増加させられ得るということに留意されたい。代替的に、シリコン・ピラーは、真空によって分離され得り、水平方向の抵抗のかなりのさらなる増加を提供する。

しかし、アクティブ材料の大部分の中の水平方向の熱抵抗が大きくなるにつれて、キャッピング層の水平方向の熱抵抗を考えることが重要になる。たとえば、２μｍの厚さの二酸化ケイ素キャッピング層は、以下の合計の水平方向の熱抵抗に寄与する：

要するに、空気（または、真空）によって分離されている絶縁ピラーから構成されるように断熱体をパターニングすることは、アクティブ・サイトのサーマル条件を満たす方法を提供する。このケース（充填因子がゼロになり、ボイドがアクティブ・サイトのエリア全体をカバーしている）の限界は、自立型の膜を結果として生じさせ、それは、サーマル要件を満たすための代替的なアプローチとして考えられ得る。

図１３は、どのようにピラー付きのアプローチが完全なデバイスの中へ一体化され得るかということを示している。図は、２つのアクティブ・サーマル・サイトおよびいくつかのパッシブ・サーマル・サイトを通過する、デバイス基板を通る断面を示している。シリコン７０は、垂直方向のハッチングを使用して示されており、二酸化ケイ素７２は、斜めのハッチングを使用して示されており、金属層７４は、水平方向のハッチングを使用して示されている。ボイドは、白色に示されている。図は、正しい縮尺ではなく、上側層は、垂直方向に拡大されて示されているということに留意されたい。シリコンは、基板に関して高度に熱伝導性の材料を提供し、また、ピラー同士の間にボイド６２を備えた断熱ピラー６０を作り出すために熱酸化され得る。ピラー構造体を含有する基板の上に、ヒーター；ヒート・スプレッダー（作り出された熱を均一に分配するため）；温度計（サーマル制御を可能にするため）；および表面キャッピング層を含有する複数の層が存在している。

図１３のデバイス２は、シリコンＣＭＯＳおよびシリコンＭＥＭＳ産業に利用可能なプロセスを使用して構築され得る。図１４および図１５は、パッシブ領域およびアクティブ領域の中に必要とされる熱抵抗を実現するプロセス・フローを示している。図１４のステップ８０（図１５のパートａ）において、プロセスは、比較的に厚いシリコン・ハンドル１０２と、埋め込み酸化物層１０４と、シリコン・デバイス層１０６とを含むシリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）ウエハー１００によって開始する。シリコン・デバイス層１０６の厚さは、二酸化ケイ素ピラーの高さを与え、埋め込み酸化物の厚さは、おおよそ１μｍである。第２のウエハーが加工において後に使用されるので、我々は、ＳＯＩウエハーを「１次的な」ものと称する。デバイス層１０６が形成されている１次的なウエハー１００の表面は、以下では「第１の表面」と称される。

ステップ８２（図１５のパートｂ）において、１次的なウエハー１００は、フォトリソグラフィーによりパターニングされ、また、フォトレジストをエッチ・マスクとして使用して、シリコン・デバイス層１０６は、埋め込み酸化物１０４まで下へ非等方的にエッチングされ、ホール１０８を形成する。エッチング異方性を実現するために、深掘り反応性イオン・エッチングが使用される。

ステップ８４（図１５のパートｃ）において、ウエハーは酸化され、たとえば、おおよそ１μｍの厚さを有する熱酸化物を与える。ホール１０８の縁部は酸化され、二酸化ケイ素ピラー１１０の壁部を形成する。

ステップ８６において、２次的なウエハー１２０が提供される。２次的なウエハー１２０は、加熱および制御機能性に関して必要とされる電気的にアクティブなデバイスおよび電気的にパッシブなデバイス（たとえば、ヒーター１３、温度センサー１４、および、パッシブ・サイト８の熱伝導体層の上側パーツ）を含有する、処理されたＣＭＯＳウエハーを含む。２次的なＣＭＯＳウエハー１２０の中のこれらの金属層およびデバイスは、図１５に示されていないが、図１３に示されているように提供され得る。

ステップ８８（図１５のパートｄ）において、１次的なウエハー１００が上下逆さまにされ、１次的なウエハー１００の第１の表面が、２次的なウエハー１２０に結合される。ウエハーの結合は、熱圧着によって実現され得り、このケースでは、金属（たとえば、金）層が、１次的なウエハーおよび２次的なウエハーの両方の表面の上に必要とされる。

ステップ９０（図１５のパートｅ）において、結合された１次的なウエハー（ＳＯＩウエハーのオリジナルのハンドル層１０２）のバックサイドがエッチバックされ、ＳＯＩウエハー１００の埋め込み酸化物１０４をスタックのトップとして残す。このステップの後に、ヒーター／温度計／ヒート・スプレッダー・スタックのための金属トラックが、２次的なウエハー１２０の上に構築され得る（図１５には示されていない）。

依然として、シリコン・デバイス層の中のボイドがオリジナルのＳＯＩウエハーから除去される必要があるので、ステップ９２（図１５のパートｆ）において、エッチ・ホール１２２が、トップの二酸化ケイ素層１０４の中にフォトリソグラフィーによりパターニングおよびエッチングされる。次いで、後続のプロセス・ステップ９４（図１５のパートｇ）において、これらのシリコン領域の異方性ドライエッチング（たとえば、ＸｅＦ_２による）が実施され、酸化物１０４の中のエッチ・ホール１２２を介してシリコン・デバイス層１０６の一部をエッチングして取り除くことによって、ボイド１２４を形成する。ステップ９６において、酸化物層１０４の中のエッチ・ホール１２２が、誘電体によって充填され（図１５のパートｈ）、アクティブ・サーマル・サイトおよびパッシブ・サーマル・サイトの加工を完了する。

本出願において、「ように構成されている…」という語句は、装置のエレメントが定義された動作を実施することができる構成を有するということを意味するために使用されている。この文脈において、「構成」は、ハードウェアまたはソフトウェアの相互接続の配置または様式を意味している。たとえば、装置は、定義された動作を提供する専用のハードウェアを有することが可能であり、または、プロセッサーまたは他の処理デバイスが、その機能を果たすためにプログラムされ得る。「ように構成されている」は、定義された動作を提供するために、装置エレメントが変化させられる必要があるということを決して暗示していない。

本発明の例示目的の実施形態が添付の図面を参照して本明細書において詳細に説明されてきたが、本発明はそれらの正確な実施形態に限定されないということ、および、添付の特許請求の範囲によって提起されているような本発明の範囲および精神から逸脱することなく、さまざまな変形例および修正例が当業者によって実現され得るということが理解されるべきである。

Claims (15)

1. 媒体の複数のサイトにおける温度を制御するための温度制御デバイスであって、前記温度制御デバイスは、
   基板の上のそれぞれの場所に配設されている複数のアクティブ・サーマル・サイトであって、それぞれのアクティブ・サーマル・サイトは、加熱エレメントおよび断熱層を含み、前記加熱エレメントは、前記媒体の対応するサイトに可変量の熱を加えるように構成されており、前記断熱層は、前記加熱エレメントと前記基板との間に配設されている、複数のアクティブ・サーマル・サイトと、
   前記基板の上の前記複数のアクティブ・サーマル・サイト同士の間に配設されている１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域であって、それぞれのパッシブ・サーマル領域は、熱伝導層を含み、前記熱伝導層は、前記媒体の対応する部分から前記基板へ熱を伝導させるように構成されている、１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域と
   を含み、
   前記１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域の熱伝導層は、前記基板の平面に対して垂直の方向に、前記複数のアクティブ・サーマル・サイトの断熱層よりも低い熱抵抗を有しており、
   前記断熱層は、１つまたは複数のボイドを含み、
   前記断熱層は、第１の断熱材料の１つまたは複数のピラーを含み、前記１つまたは複数のピラーは、前記加熱エレメントと前記基板との間の前記アクティブ・サーマル・サイトのエリアにおいて、前記基板の前記平面に対して実質的に垂直に延在しており、
   前記１つまたは複数のボイドは、前記ピラー同士の間にまたは前記ピラーの周りに配設されており、
   前記複数のアクティブ・サーマル・サイトの前記断熱層は、前記基板の前記平面に対して垂直の方向よりも、前記基板の前記平面に対して平行の方向に、より大きい熱抵抗を有している、温度制御デバイス。
2. 前記温度制御デバイスは、制御回路を含み、前記制御回路は、選択されたアクティブ・サーマル・サイトの前記加熱エレメントによって発生させられる熱の量が閾値量よりも大きいかまたは小さいかということに応じて、前記選択されたアクティブ・サーマル・サイトが、前記加熱エレメントを使用して前記媒体の前記対応するサイトの加熱を提供するか、または、前記断熱層を通した前記基板への熱流によって、前記対応するサイトの冷却を提供するかということについて、制御するように構成されている、請求項１に記載の温度制御デバイス。
3. 前記閾値量は、前記基板の前記平面に対して垂直の前記方向への前記断熱層の前記熱抵抗に依存する、請求項２に記載の温度制御デバイス。
4. それぞれのアクティブ・サーマル・サイトは、対応する前記アクティブ・サーマル・サイトにおける温度をセンシングするように構成された温度センサーを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の温度制御デバイス。
5. 前記温度制御デバイスは、それぞれのアクティブ・サーマル・サイトにそれぞれ対応する複数のフィードバック・ループを含み、
   それぞれのフィードバック・ループは、対応する前記アクティブ・サーマル・サイトの前記温度センサーによってセンシングされる前記温度と、前記媒体の前記対応するサイトに関して特定されるターゲット温度とに応じて、前記媒体の前記対応するサイトに加えられるべき熱のターゲット量を決定するための伝達関数を実装するように構成されている、請求項４に記載の温度制御デバイス。
6. それぞれのフィードバック・ループは、前記伝達関数によって決定された熱の前記ターゲット量を、対応する前記アクティブ・サーマル・サイトの前記加熱エレメントを制御するための入力信号にマッピングするための、リニアライザー関数を実装するように構成されている、請求項５に記載の温度制御デバイス。
7. 前記リニアライザー関数は、対応する前記アクティブ・サーマル・サイトの前記温度センサーによってセンシングされる前記温度の関数である、請求項６に記載の温度制御デバイス。
8. 前記リニアライザー関数は、熱の前記ターゲット量と前記アクティブ・サーマル・サイトの前記加熱エレメントから前記基板および周囲のパッシブ・サーマル領域への熱損失の量との総和に応じて、前記入力信号を決定する、請求項６または７に記載の温度制御デバイス。
9. 前記加熱エレメントは、抵抗加熱エレメントを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の温度制御デバイス。
10. 前記温度制御デバイスは、前記基板を冷却してヒート・シンクとして作用する冷却メカニズムを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の温度制御デバイス。
11. 前記媒体は、流体を含み、前記温度制御デバイスは、流体フロー制御エレメントを含み、前記流体フロー制御エレメントは、前記複数のアクティブ・サーマル・サイトおよび前記１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域の上の前記流体のフローを制御するように構成されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の温度制御デバイス。
12. 前記アクティブ・サーマル・サイトは、前記流体フロー制御エレメントによって制御される流体フローの方向に対して実質的に平行に配向された１つまたは複数の行で配設されており、
    それぞれの行は、パッシブ冷却領域とともに２つ以上のアクティブ・サーマル・サイトを含み、前記パッシブ冷却領域は、前記行のそれぞれの対の隣接するアクティブ・サーマル・サイトの間に配設されている、請求項１１に記載の温度制御デバイス。
13. それぞれのアクティブ・サーマル・サイトは、前記行の方向に沿って所定の長さを有しており、前記所定の長さは、前記行の隣接するアクティブ・サーマル・サイトの間に配設されているそれぞれのパッシブ冷却領域の前記行の方向に沿った長さよりも大きい、請求項１２に記載の温度制御デバイス。
14. 媒体の複数のサイトにおける温度を制御するための方法であって、前記方法は、
    前記媒体を温度制御デバイスの上に提供するステップであって、前記温度制御デバイスは、基板の上のそれぞれの場所に配設されている複数のアクティブ・サーマル・サイト、および、前記基板の上の前記複数のアクティブ・サーマル・サイトの間に配設されている１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域を含み、
    それぞれのアクティブ・サーマル・サイトは、加熱エレメントおよび断熱層を含み、前記加熱エレメントは、前記媒体の対応するサイトに可変量の熱を加えるように構成されており、前記断熱層は、前記加熱エレメントと前記基板との間に配設されており、
    それぞれのパッシブ・サーマル領域は、熱伝導層を含み、前記熱伝導層は、前記媒体の対応する部分から前記基板へ熱を伝導させるように構成されており、
    前記１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域の熱伝導層は、前記基板の平面に対して垂直の方向に、前記複数のアクティブ・サーマル・サイトの断熱層よりも低い熱抵抗を有している、ステップと、
    前記媒体の前記複数のサイトにおける前記温度を制御するために、前記複数のアクティブ・サーマル・サイトの前記加熱エレメントによって加えられる前記熱の量を制御するステップと
    を含み、
    前記断熱層は、１つまたは複数のボイドを含み、
    前記断熱層は、第１の断熱材料の１つまたは複数のピラーを含み、前記１つまたは複数のピラーは、前記加熱エレメントと前記基板との間の前記アクティブ・サーマル・サイトのエリアにおいて、前記基板の前記平面に対して実質的に垂直に延在しており、
    前記１つまたは複数のボイドは、前記ピラー同士の間にまたは前記ピラーの周りに配設されており、
    前記複数のアクティブ・サーマル・サイトの前記断熱層は、前記基板の前記平面に対して垂直の方向よりも、前記基板の前記平面に対して平行の方向に、より大きい熱抵抗を有している、方法。
15. 温度制御デバイスを製造する方法であって、前記方法は、
    前記基板の上のそれぞれの場所における複数のアクティブ・サーマル・サイト、および、前記基板の上の前記複数のアクティブ・サーマル・サイトの間に配設されている１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域を形成するステップを含み、
    それぞれのアクティブ・サーマル・サイトは、加熱エレメントおよび断熱層を含み、前記加熱エレメントは、前記媒体の対応するサイトに可変量の熱を加えるように構成されており、前記断熱層は、前記加熱エレメントと前記基板との間に配設されており、
    それぞれのパッシブ・サーマル領域は、熱伝導層を含み、前記熱伝導層は、前記媒体の対応する部分から前記基板へ熱を伝導させるように構成されており、
    前記１つまたは複数のパッシブ・サーマル領域の熱伝導層は、前記基板の平面に対して垂直の方向に、前記複数のアクティブ・サーマル・サイトの断熱層よりも低い熱抵抗を有しており、
    前記断熱層は、１つまたは複数のボイドを含み、
    前記断熱層は、第１の断熱材料の１つまたは複数のピラーを含み、前記１つまたは複数のピラーは、前記加熱エレメントと前記基板との間の前記アクティブ・サーマル・サイトのエリアにおいて、前記基板の前記平面に対して実質的に垂直に延在しており、
    前記１つまたは複数のボイドは、前記ピラー同士の間にまたは前記ピラーの周りに配設されており、
    前記複数のアクティブ・サーマル・サイトの前記断熱層は、前記基板の前記平面に対して垂直の方向よりも、前記基板の前記平面に対して平行の方向に、より大きい熱抵抗を有している、方法。

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