本發(fā)明的構(gòu)思的實施方式涉及溫度控制，更具體而言，涉及熱電溫度控制裝置、方法、模塊和部件。

可以使用諸如p-Bi_xSb_2-xTe₃和n-Bi₂Te_3-xSe_x之類的熱電材料來根據(jù)珀爾帖效應(yīng)提供泵熱(例如，冷卻和/或加熱)和/或發(fā)電。例如，在Venkatasubramanian等人的名稱為“Phonon-Blocking Electron-Transmitting Structures”(18^th International Conference On Thermoelectrics,1999)的文獻中討論了熱電材料和結(jié)構(gòu)，借此通過引用將該文獻的全部公開內(nèi)容結(jié)合在本文中。熱電裝置例如可以包括一個或多個熱電對，其中每個熱電對均包括串聯(lián)地電耦合且并聯(lián)地?zé)狁詈系膒型熱電元件和n型熱電元件，并且一對熱電對中的每個熱電元件都可以由諸如碲化鉍(p型或n型Bi₂Te₃)之類的熱電材料形成。

因而，可以將多個p型和n型熱電元件并聯(lián)地?zé)狁詈显诘谝缓偷诙?dǎo)熱集管(header)之間。p型和n型熱電元件可以串聯(lián)地電耦合，從而使得電流通過串聯(lián)連接的熱電元件在第一方向上(例如，在從第一集管向第二集管的方向上)通過p型熱電元件，并且在第二方向上(例如，在從第二集管向第一集管的方向上)通過n型熱電元件，其中第一方向和第二方向為相反方向。而且，可以將這些方向反過來以使泵熱方向反過來。因而，能夠使用施加至串聯(lián)連接的熱電元件的具有第一極性的熱電控制信號來將熱從第一集管泵送到第二集管以加熱聯(lián)接至第二集管的負載，并且能夠使用具有(與第一極性相反的)第二極性的熱電控制信號將熱從第二集管泵送到第一集管以冷卻聯(lián)接至第二集管的負載。

通過在熱交換器(也稱為散熱器)和負載之間熱耦合這種熱電部件(或模塊)，因而能夠利用熱電部件加熱和/或冷卻負載。例如，在Deane等人的名稱為“Thermoelectric Heating/Cooling Structures Including a Plurality of Spaced Apart Thermoelectric Components”的美國公報No.2011/0132000、Koester等人的名稱為“Thermoelectric Heat Pumps Providing Active Thermal Barriers and Related Devices and Methods”的美國公報No.2009/0205696以及Colja等人的名稱為“Integrated Thermoelectric Cooling Element and Positive Temperature Coefficient Heater”的美國公報No.2009/0188259中討論了熱電加熱/冷卻的應(yīng)用。然而，當(dāng)使用熱電部件加熱到高溫和/或長時間保持高溫時，這種熱電部件的可靠性可能下降。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實施方式，一種熱電加熱/冷卻裝置包括第一導(dǎo)熱集管和第二導(dǎo)熱集管、并聯(lián)地?zé)狁詈显谒龅谝粚?dǎo)熱集管和第二導(dǎo)熱集管之間的多個熱電元件，并且電阻加熱元件可以位于所述第二集管上。更具體地說，所述第二集管位于所述電阻加熱元件和所述多個熱電元件之間。

通過集成熱電泵熱和電阻加熱，可以降低由熱電元件經(jīng)歷的最大/平均溫度，并且/或者可以減小加熱過程中施加至熱電元件的最大/平均電流。因而，可以改善所得到的裝置的可靠性，并且/或者可以增加裝置壽命。

所述電阻加熱元件可以包括位于所述第二集管上的導(dǎo)電材料圖案，諸如金屬圖案。

所述第二集管可以在該第二集管的與所述多個熱電元件相反的表面中限定溝槽，并且所述電阻加熱元件的至少多個部分可以凹入在所述溝槽中。另外，電絕緣包覆層可以設(shè)置在所述電阻加熱元件上，并且所述電阻加熱元件可以位于所述電絕緣包覆層和所述第二集管之間。此外，所述電絕緣包覆層可以凹入在所述溝槽中。

控制器可以聯(lián)接至所述多個熱電元件和所述電阻加熱元件。所述控制器可以被構(gòu)造成向所述多個熱電元件施加第一熱電控制信號以將熱從所述第一導(dǎo)熱集管泵送至所述第二導(dǎo)熱集管，同時向所述電阻加熱元件施加電阻加熱器控制信號以從所述電阻加熱元件產(chǎn)生熱。在施加所述第一熱電控制信號和所述電阻加熱器控制信號之后，所述控制器可以被進一步構(gòu)造成向所述多個熱電元件施加第二熱電控制信號以將熱從所述第二導(dǎo)熱集管泵送至所述第一導(dǎo)熱集管。所述控制器可以被構(gòu)造成在向所述多個熱電元件施加所述第二熱電控制信號的同時阻止電流流到所述電阻加熱元件，并且/或者所述第一熱電控制信號和第二熱電控制信號可以具有相反的極性。

控制器可以聯(lián)接至所述多個熱電元件和所述電阻加熱元件。所述控制器可以被構(gòu)造成向所述多個熱電元件施加具有第一幅度的第一熱電控制信號以將熱從所述第一導(dǎo)熱集管泵送到所述第二導(dǎo)熱集管，同時向所述電阻加熱元件施加電阻加熱器控制信號以從所述電阻加熱元件產(chǎn)生熱。在施加所述第一熱電控制信號之后，所述控制器可以被構(gòu)造成向所述多個熱電元件施加具有第二幅度的第二熱電控制信號以繼續(xù)將熱從所述第一導(dǎo)熱集管泵送到所述第二導(dǎo)熱集管，同時向所述電阻加熱元件繼續(xù)施加所述電阻加熱器控制信號，以從所述電阻加熱元件產(chǎn)生熱。所述第一幅度和第二幅度可以不同，更具體地說，所述第二幅度可以大于所述第一幅度。

所述第一導(dǎo)熱集管可以熱耦合至熱交換器。舉例來說，所述第二導(dǎo)熱集管可以熱耦合至反應(yīng)容器座以控制聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)，或者所述第二導(dǎo)熱集管可以熱耦合至被測集成電路裝置。

所述多個熱電元件可以包括串聯(lián)電耦合的p型熱電元件和n型熱電元件，從而使得流過所述p型熱電元件的電流的方向與流過所述n型熱電元件的電流的方向相反。

根據(jù)其它一些實施方式，溫度控制裝置可以被構(gòu)造成控制熱負載的溫度。該溫度控制裝置可以包括：被構(gòu)造成提供所述熱負載的加熱/冷卻的熱電加熱/冷卻元件；以及被構(gòu)造成提供所述熱負載的加熱的電阻加熱元件。

熱電加熱/冷卻裝置可以包括第一導(dǎo)熱集管和第二導(dǎo)熱集管以及并聯(lián)地?zé)狁詈显谒龅谝粚?dǎo)熱集管和第二導(dǎo)熱集管之間的多個熱電元件。所述第二導(dǎo)熱集管可以與所述負載熱耦合，并且所述第二導(dǎo)熱集管可以位于所述第一導(dǎo)熱集管和所述負載之間。

所述電阻加熱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電阻加熱元件和所述多個熱電元件之間。所述第二集管可以在該第二集管的與所述多個熱電元件相反的表面中限定溝槽，并且所述電阻加熱元件的至少多個部分可以凹入在所述溝槽中。電絕緣包覆層可以設(shè)置在所述電阻加熱元件上，并且所述電阻加熱元件可以位于所述電絕緣包覆層和所述第二集管之間。另外，所述電絕緣包覆層可以凹入在所述溝槽中。所述電阻加熱元件可以為第一電阻加熱元件，第二電阻加熱元件可以熱耦合至所述負載，并且該負載可以熱耦合在所述第一電阻加熱元件和第二電阻加熱元件之間。

所述多個熱電元件可以包括串聯(lián)電耦合的p型熱電元件和n型熱電元件，從而使得流過所述p型熱電元件的電流的方向與流過所述n型熱電元件的電流的方向相反。

所述熱負載可以熱耦合在所述熱電加熱/冷卻元件和所述電阻加熱元件之間。

所述負載可以包括與所述熱電加熱/冷卻元件熱耦合并與所述電阻加熱元件熱耦合的聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)容器座。

所述負載可以包括被測集成電路裝置。另外，定位機構(gòu)可以被構(gòu)造成將所述熱電加熱/冷卻元件定位在所述集成電路裝置上以提供所述熱電加熱/冷卻元件之間的熱耦合，并且被構(gòu)造成將所述熱電加熱/冷卻元件遠離所述集成電路裝置重新定位。

所述定位機構(gòu)例如可以包括伺服機構(gòu)，該伺服機構(gòu)被構(gòu)造成使用定位絲杠將所述熱電加熱/冷卻元件相對于所述集成電路裝置定位/重新定位。

控制器可以聯(lián)接至所述熱電加熱/冷卻元件和所述電阻加熱元件。所述控制器可以被構(gòu)造成向所述熱電加熱/冷卻元件施加熱電控制信號以將熱泵送至負載，同時向所述電阻加熱元件施加電阻加熱器控制信號以從所述電阻加熱元件產(chǎn)生熱來加熱所述負載。

所述熱電控制信號可以包括第一熱電控制信號，并且在施加所述第一熱電控制信號和所述電阻加熱器控制信號之后，所述控制器可以被進一步構(gòu)造成向所述熱電加熱/冷卻元件施加第二熱電控制信號以從所述負載泵熱。

另外，所述控制器可以被構(gòu)造成在向所述熱電加熱/冷卻元件施加所述第二熱電控制信號的同時阻止電流流到所述電阻加熱元件，并且所述第一熱電控制信號和第二熱電控制信號可以具有相反的極性。

控制器可以聯(lián)接至所述熱電加熱/冷卻元件和所述電阻加熱元件。所述控制器可以被構(gòu)造成向所述熱電加熱/冷卻元件施加具有第一幅度的第一熱電控制信號以將熱泵送至所述負載，同時向所述電阻加熱元件施加電阻加熱器控制信號以從所述電阻加熱元件產(chǎn)生熱。在施加所述第一熱電控制信號之后，所述控制器可以被構(gòu)造成向所述熱電加熱/冷卻元件施加具有第二幅度的第二熱電控制信號以繼續(xù)將熱泵送至所述負載，同時繼續(xù)向所述電阻加熱元件施加所述電阻加熱器控制信號以從所述電阻加熱元件產(chǎn)生熱。此外，所述第一幅度和第二幅度可以不同，并且更具體地說，所述第二幅度可以大于所述第一幅度。

附圖說明

圖1A和圖1B是根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思的一些實施方式的熱電加熱/冷卻部件(也被稱為熱電部件或TEC)的第一和第二集管的俯視立體圖；

圖1C是根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思的一些實施方式的圖1B的第二集管的仰視圖；

圖1D是根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思的一些實施方式的包括圖1A、圖1B和圖1C的第一和第二集管的熱電加熱/冷卻部件的俯視圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思的一些實施方式的沿著圖1D的剖面線2-2’截取的熱電加熱/冷卻部件的剖視圖；

圖3A和圖3B是根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思的一些實施方式的包括圖2的熱電加熱/冷卻部件的集成電路測試頭的剖視圖；

圖4A是根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思的一些實施方式的包括圖2的熱電加熱/冷卻部件的聚合酶鏈式反應(yīng)熱循環(huán)儀的剖視圖；以及

圖5是圖示了根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思的一些實施方式的既提供熱電泵熱又提供電阻加熱的加熱/冷卻裝置的剖視圖。

具體實施方式

下面參照附圖更全面地描述本發(fā)明的構(gòu)思，在附圖中示出了本發(fā)明的構(gòu)思的實施方式。然而，本發(fā)明的構(gòu)思可以以許多不同形式實施，并且不應(yīng)該解釋為限于這里闡述的實施方式。相反，提供這些實施方式是為了使得本公開將全面完整，并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分地傳達本發(fā)明的構(gòu)思的范圍。在附圖中，為了清晰起見可能夸大了元件、層和區(qū)域的大小和相對大小。自始至終相同附圖標記表示相同元件。

圖2是包括圖1A的底部集管、圖1B和圖1C的頂部集管以及圖1A和圖1C中所示的熱電(TE)元件P和N的熱電加熱/冷卻部件或TEC(也被稱為熱電模塊)的剖視圖。圖1D是圖2的具有控制器231的熱電加熱/冷卻部件的俯視圖。導(dǎo)熱集管101可以如圖1A和圖2所示包括位于其頂表面上的導(dǎo)電跡線103，并且導(dǎo)熱集管201可以如圖1C和圖2所示包括位于其底表面上的導(dǎo)電跡線213。更具體地說，跡線的加寬部分103a和103b可以如圖1D所示例如經(jīng)由絲焊(wirebond)或其它電互連而提供與控制器231的電耦合。

每個集管101和201都可以是導(dǎo)熱的，同時在其上的跡線103/213之間提供電隔離。根據(jù)一些實施方式，例如，集管可以包括上面形成有金屬跡線的導(dǎo)熱但電絕緣的基板，例如陶瓷(例如氧化鋁)基板。根據(jù)其它一些實施方式，集管可以包括具有薄絕緣層的金屬基板，從而在導(dǎo)電跡線之間提供電隔離。

導(dǎo)電跡線103/213可以是形成在相應(yīng)集管101/201上的導(dǎo)電金屬跡線。導(dǎo)電跡線可以通過在相應(yīng)集管上沉積薄金屬層(例如，銅層)并且例如使用光刻方法對金屬層進行構(gòu)圖而形成。根據(jù)其它一些實施方式，導(dǎo)電跡線可以使用選擇性金屬沉積而形成。

因而，跡線103和213可以提供如圖1A、圖1C和圖2所示的p型和n型熱電元件P和N之間的電耦合。熱電元件P和N因而可以并聯(lián)地?zé)狁詈显趯?dǎo)熱集管101和201之間，并且串聯(lián)地電耦合，從而使得通過p型熱電元件的電流的方向與通過n型熱電元件的電流的方向相反。

通過從控制器231提供具有第一極性的熱電控制信號(例如，通過使施加至跡線的加寬部分103a的電壓大于施加至跡線的加寬部分103b的電壓)，可以使流過p型熱電元件P的電流沿從集管201到集管101的第一方向，并且可以使流過n型熱電元件N的電流沿從集管101到集管201的(與第一方向相反的)第二方向，從而將熱從集管201泵送至集管101。通過從控制器231提供具有第二極性的熱電控制信號(例如，通過使施加至跡線的加寬部分103a的電壓小于施加至跡線的加寬部分103b的電壓)，可以使流過n型熱電元件N的電流沿從集管201到集管101的第一方向，并且可以使流過p型熱電元件P的電流沿從集管101到集管201的(與第一方向相反的)第二方向，從而將熱從集管101泵送到集管201。

因而，通過施加至跡線的加寬部分103a和103b的熱電控制信號的極性以及流過熱電元件的所得到的電流能夠確定泵熱方向。如果集管201的頂表面聯(lián)接至負載(例如，被測的集成電路裝置或PCR熱循環(huán)儀的反應(yīng)容器座)并且集管101的底表面聯(lián)接至熱交換器，則可以(利用具有第一極性的熱電控制信號)將熱從負載泵送至熱交換器以對負載進行冷卻，或者可以(利用具有第二極性的熱電控制信號)將熱從熱交換器泵送到負載以對負載進行加熱。

如圖1B、圖1D和圖2進一步所示，電阻加熱元件203可以集成在集管201的頂表面上/頂表面中。電阻加熱元件203可以包括導(dǎo)電材料203-1的圖案(例如，諸如銅之類的金屬的圖案)。如圖1D所示，電阻加熱元件203的加寬部分203a和203b可以例如經(jīng)由絲焊或其它電互連而如圖1D所示提供與控制器231的電耦合。通過向電阻加熱元件203的加寬部分203a和203b提供電阻加熱器控制信號，可以通過電阻加熱元件203產(chǎn)生電流以產(chǎn)生熱。因而，可以使用熱電泵熱和電阻發(fā)熱的組合來加熱聯(lián)接至集管201的頂表面的負載，并且可以使用相反的熱電泵熱來冷卻聯(lián)接至集管201的頂表面的負載。

如圖2進一步所示，可以在集管201的頂表面中限定一溝槽(或多個溝槽)，并且電阻加熱元件203的導(dǎo)電材料203-1可以凹入在該溝槽中。另外，可以在導(dǎo)電材料203-1上設(shè)置絕緣包覆層203-2(例如，薄的氧化硅層)。通過如圖2所示將電阻加熱元件203凹入在溝槽中，集管201的平坦頂表面可以給負載提供改進的熱耦合。此外，通過減少絕緣包覆層203-2的厚度，可以降低熱傳導(dǎo)阻力。通過減少集管201的頂表面上由電阻加熱元件203占據(jù)的表面面積能夠進一步降低熱傳導(dǎo)阻力。

如果集管201包括由諸如陶瓷之類的電絕緣材料制成的基板，則導(dǎo)電材料203-1可以直接形成在該集管上。如果集管201包括金屬基板，則電絕緣材料的薄層可以設(shè)置在導(dǎo)電材料203-1和集管201之間，以在二者之間提供電隔離。

通過使用熱電泵熱和電阻加熱二者來提供加熱，可以實現(xiàn)更高的負載溫度，可以實現(xiàn)更快的溫度斜率，可以減少熱電元件上的應(yīng)力，并且/或者可以增加熱電泵熱的可靠性(包括熱電元件P和N的可靠性)。例如，可以同時提供熱電泵熱(向負載泵熱)和電阻加熱，以增加將負載加熱到期望溫度的加熱速率并且/或者增加能夠加熱負載的溫度。根據(jù)其它實施方式，在熱斜坡的初始部分期間可以使用電阻加熱而不使用熱電泵熱，以將負載加熱至第一溫度，隨后同時進行熱電泵熱和電阻加熱以將負載加熱到比第一溫度高的第二溫度，以減少使用熱電泵熱的時間量。

根據(jù)另外其它實施方式，在溫度斜坡的第一部分過程中，可以使用具有第一幅度的第一熱電控制信號將熱泵送到負載，同時響應(yīng)電阻加熱器控制信號而以電阻方式產(chǎn)生熱；而在第一部分之后的該溫度斜坡的第二部分過程中，可以使用具有大于第一幅度的第二幅度的第二熱電控制信號將熱泵送到負載，同時繼續(xù)響應(yīng)于電阻加熱器控制信號而繼續(xù)以電阻方式產(chǎn)生熱。可以減少使用具有較大幅度的第二熱電控制信號的時間段。

根據(jù)另外其它實施方式，可以使用熱電泵熱而在負載和熱交換器之間提供主動熱屏障，同時使用電阻加熱對負載加熱。例如，在Koester等人的名稱為“Thermoelectric Heat Pumps Providing Active Thermal Barriers And Related Devices And Methods”的美國公報No.2009/0205696中討論了主動熱屏障，這里通過引用將該其全部公開內(nèi)容結(jié)合在本文中。當(dāng)使用熱電泵熱提供主動熱屏障時，使用熱電泵熱提供負載和熱交換器之間的熱隔離，同時利用電阻加熱對負載實質(zhì)加熱。用來提供主動熱屏障的泵熱電流因而可以小于用來實質(zhì)加熱負載的泵熱電流。

在主動冷卻過程中，可以使用熱電泵熱(在相反方向上)來冷卻負載，同時阻擋電流流過電阻加熱元件203。

可以使用半導(dǎo)體薄膜沉積技術(shù)提供P型和N型熱電元件P和N，并且可以使用微制造技術(shù)來制造熱電結(jié)構(gòu)(例如，圖2的包括集管101和201以及熱電元件P和N的結(jié)構(gòu))。在這種熱電結(jié)構(gòu)中，多個P型和N型熱電元件可以在導(dǎo)熱集管101和201之間串聯(lián)電耦合(其中串聯(lián)連接在P型和N型熱電元件之間交替)以及并聯(lián)熱耦合。例如，P型和N型熱電材料的薄膜(例如，碲化鉍或Bi₂Te₃)可以外延生長在相應(yīng)基板上，然后切割以提供基本單晶P型和N型熱電元件N和P，該P型和N型熱電元件然后被焊接至集管101和201上的相應(yīng)導(dǎo)電跡線103和213。在另選方式中，可以使用塊體(例如，更厚并且非結(jié)晶)熱電材料提供熱電元件。

通過使用薄膜基本單晶熱電元件N和P，可以減小熱電部件的大小并且可以提高性能。塊體熱電裝置例如可以限于大約10W/cm²。然而，使用薄膜基本單晶熱電元件可以允許100W/cm²或更高的泵熱容量。因而，基本單晶和/或薄膜熱電元件N和P可以比傳統(tǒng)塊體熱電元件提供顯著更高的性能，并且例如圖3A和圖3B的結(jié)構(gòu)可以方便在需要與被測集成電路(IC)裝置(DUT)反復(fù)接觸但不能損壞熱電元件/部件的測試頭中使用這種高性能熱電元件。

舉例來說，在Venkatasubramanian的名稱為“Thin-Film Thermoelectric Cooling And Heating Devices For DNA Genomic And Proteomic Chips,Thermo-Optical Switching Circuits,And IR Tags”的美國公報No.2002/0174660、Venkatasubramanian等人的名稱為“Phonon-Blocking,Electron-Transmitting Low-Dimensional Structures”的美國公報No.2003/0099279、Venkatasubramanian等人的名稱為“Thermoelectric Device Utilizing Double-Sided Peltier Junctions And Method Of Making The Device”的美國公報No.2003/0230332、Venkatasubramanian等人的名稱為“Trans-Thermoelectric Device”的美國公報No.2006/0225773、Venkatasubramanian等人的名稱為“Thin film thermoelectric devices for hot-spot thermal management in microprocessors and other electronics”的美國公報No.2006/0086118、Venkatasubramanian的名稱為“Thermoelectric Generators For Solar Conversion And Related Systems And Methods”的美國公報No.2006/0243317、O'Quinn等人的名稱為“Methods Of Forming Thermoelectric Devices Including Conductive Posts And/Or Different Solder Materials And Related Methods And Structures”的美國公報No.2006/0289052、Alley等人的名稱為“Methods Of Forming Thermoelectric Devices Including Electrically Insulating Matrixes Between Conductive Traces And Related Structures”美國公報No.2006/0289050、Koester等人的名稱為“Methods Of Forming Embedded Thermoelectric Coolers With Adjacent Thermally Conductive Fields And Related Structures”的美國公報No.2007/0089773、Venkatasubramanian等人的名稱為“Methods Of Forming Thermoelectric Devices Including Superlattice Structures Of Alternating Layers With Heterogeneous Periods And Related Devices”的美國公報No.2007/0028956、Bharathan等人的名稱為“Methods Of Forming Thermoelectric Devices Using Islands Of Thermoelectric Material And Related Structures”的美國公報U.No.2007/0215194、Pierce等人的名稱為“Methods Of Depositing Epitaxial Thermoelectric Films Having Reduced Crack And/Or Surface Defect Densities And Related Devices”的美國公報No.2008/0185030、Windheim等人的名稱為“Temperature Control Including Integrated Thermoelectric Temperature Sensing And Related Methods And Systems”的美國公報No.2008/0168775、Lee等人的名稱為“Temperature Control Including Integrated Thermoelectric Sensing And Heat Pumping Devices And Related Methods And Systems”的美國公報No.2008/0264464、Windheim等人的名稱為“Thermoelectric Structures Including Bridging Thermoelectric Elements”的美國公報No.2009/0000652以及Alley等人的名稱為“Electronic Assemblies Providing Active Side Heat Pumping And Related Methods And Structures”的美國公報No.2009/0072385中討論了熱電裝置、結(jié)構(gòu)、部件、組件以及制造、組裝、沉積和/或其操作的方法。借此通過引用將以上參考的所有專利公報的全部公開內(nèi)容都結(jié)合在本文中。

圖3A和圖3B是示出了結(jié)合有圖2的熱電部件的測試頭的剖視圖。如圖所示，集管101可以耦合至熱交換器337并且由支撐構(gòu)件345支撐，可以使用伺服機構(gòu)361和定位螺釘355將集管201的表面定位在被測集成電路(IC)裝置(DUT)341上。集管101可以焊接至熱交換器337以在其間提供導(dǎo)熱連接/界面。根據(jù)其它一些實施方式，集管101可以機械連接至熱交換器337(例如，使用螺釘、螺栓等)，熱界面材料或TIM(例如，導(dǎo)熱油脂)提供導(dǎo)熱界面。根據(jù)另外其它實施方式，可以使用熱粘合劑來提供集管101和熱交換器337之間的導(dǎo)熱連接/界面。根據(jù)又一些其它實施方式，可以將熱交換器337的功能集成在集管101中，從而不需要單獨的熱交換器。

如圖3A所示，伺服機構(gòu)361和定位螺釘355可以提供集管201和IC DUT 341之間的分離以裝載/卸載IC DUT 341。如圖3B所示，伺服機構(gòu)361和定位螺釘355可以將集管201的表面定位在IC DUT 341上以在集管201和IC DUT 341之間提供熱耦合，以便在熱循環(huán)過程中進行電測試。印刷布線板(PWB)357可以提供與IC DUT341的電耦合，以便在使IC DUT 341經(jīng)受熱循環(huán)的同時進行電測試。印刷布線板357例如可以提供與IC DUT的可拆卸聯(lián)接以允許測試不同的IC。因而，印刷布線板357可以是測試頭的元件。根據(jù)其它一些實施方式，印刷布線板357和IC DUT 341可以永久地聯(lián)接(例如，通過焊接)并且作為單元進行測試，從而使得印刷布線板357不是測試頭的元件。

如以上關(guān)于圖1D所討論的，控制器231可以向熱電元件P/N提供熱電控制信號以將熱泵送至IC DUT或從IC DUT泵熱，以提供IC DUT的加熱/冷卻，并且控制器231可以向電阻加熱元件203提供電阻加熱器控制信號以控制由電阻加熱元件203產(chǎn)生的熱。通過既提供熱電泵熱又提供電阻加熱，可以改善溫度斜坡的控制，可以實現(xiàn)更高溫度，并且/或者可以改善熱電泵熱元件(例如，熱電元件P/N)的可靠性。例如，可以通過減少流過熱電元件P/N的電流、通過減少使用熱電元件P/N來泵送更高溫度的熱的持續(xù)時間和/或通過降低熱電元件P/N經(jīng)受的溫度，來改善熱電泵熱元件的可靠性。

如圖3A和圖3B所示，可以將電阻加熱元件203集成在熱電熱泵的集管201中。根據(jù)其它一些實施方式，電阻加熱元件203可以設(shè)置在印刷布線板357(在IC DUT 341下面)中/印刷布線板357上，并且熱電熱泵可以由支撐構(gòu)件345支撐，從而將熱電熱泵和電阻加熱元件203設(shè)置在IC DUT 341的相對兩側(cè)。在這種情況下，可以將電阻加熱元件203從集管201省去。

根據(jù)另外其它實施方式，熱電熱泵(包括集管和熱電元件但沒有電阻加熱元件203)可以設(shè)置在印刷布線板357(在IC DUT 341下面)中/印刷布線板357上，并且電阻加熱元件可以由支撐構(gòu)件345支撐，從而將電熱熱泵和電阻加熱元件203設(shè)置在IC DUT 341的相對兩側(cè)。根據(jù)其它實施方式，電阻加熱元件203可以如圖3A和圖3B所示集成在熱電熱泵的集管201中，并且第二電阻加熱元件可以設(shè)置在印刷布線板341中/印刷布線板357上，從而可以將電阻加熱設(shè)置在IC DUT 341的兩側(cè)。根據(jù)進一步實施方式，電阻加熱元件203可以如圖3A和圖3B所示集成在熱電熱泵的集管201中，并且第二熱電熱泵可以設(shè)置在印刷布線板341中/印刷布線板357上，從而可以將熱電泵熱設(shè)置在IC DUT 341的兩側(cè)。

圖4A是示出了結(jié)合有圖2的熱電部件的聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)熱循環(huán)儀的剖視圖。如圖所示，集管101可以熱耦合至熱交換器337，并且集管201(包括集成的電阻加熱元件203)可以熱耦合至反應(yīng)容器座401。另外，電阻加熱器415可以熱耦合至反應(yīng)容器座401，從而將反應(yīng)容器座401熱耦合在電阻加熱器415和熱電元件P/N之間。在具有電阻加熱器415的情況下，可以將電阻加熱元件203從集管101省去，或者在具有電阻加熱元件203的情況下，可以將電阻加熱器415省去。電阻加熱器415可以使用類似于具有電阻加熱元件203(沒有熱電元件P/N)的集管201的結(jié)構(gòu)提供。

如以上關(guān)于圖3A和圖3B所討論的，集管101可以焊接至熱交換器337，以在二者之間提供導(dǎo)熱連接/界面。根據(jù)其它一些實施方式，集管101可以機械連接至熱交換器337(例如，使用螺釘、螺栓等)，熱界面材料或TIM(例如，導(dǎo)熱油脂)提供導(dǎo)熱界面。根據(jù)另外其它實施方式，可以使用熱粘合劑在集管101和熱交換器337之間提供導(dǎo)熱連接/界面。根據(jù)另外其它實施方式，可以將熱交換器337的功能集成在集管101中，從而不需要單獨的熱交換器。類似地，集管201和反應(yīng)容器座401之間的聯(lián)接可以使用如下手段提供：焊接；機械聯(lián)接和熱界面材料；和/或熱粘合劑。此外，反應(yīng)容器座401和電阻加熱器415之間的連接可以使用如下手段提供：焊接；機械聯(lián)接和熱界面材料；和/或熱粘合劑。

反應(yīng)容器座401可以是其中具有被構(gòu)造成收納反應(yīng)容器(或多個容器)405的一個或多個凹部403的導(dǎo)熱塊(例如，金屬塊)。圖4B是根據(jù)一些實施方式的包括四個凹部403的反應(yīng)容器座401的俯視圖，其中每個凹部均被構(gòu)造成收納相應(yīng)的反應(yīng)容器。通過將反應(yīng)容器座401設(shè)置為導(dǎo)熱塊，可以使用熱電泵熱和/或電阻加熱來控制相應(yīng)凹部403中的反應(yīng)容器405中的DNA樣品的溫度曲線。

如圖4A中進一步所示，間隔件(或多個間隔件)225可以用來對熱交換器337和反應(yīng)容器座401相對于彼此進行支撐，由此保護包括集管101和201以及熱電元件P和N的熱電部件。單個間隔件225例如可以將熱交換器337和反應(yīng)容器座401之間的空間密封以保護熱電元件P和N免受外界環(huán)境影響。根據(jù)其它實施方式，可以設(shè)置多個單獨的間隔件225。間隔件或多個間隔件因而可以在熱交換器337和反應(yīng)容器座401之間提供剛性連接/支撐，從而可以減小熱電元件P和N上的應(yīng)力。例如，間隔件225可以在反應(yīng)容器座401(負載)和熱電部件之間產(chǎn)生間隙，并且該間隙可以填充柔順材料(例如，導(dǎo)熱油脂或其它柔順導(dǎo)熱材料)。

圖4A和圖4B的PCR熱循環(huán)儀因而被構(gòu)造成根據(jù)具體溫度曲線處理相應(yīng)反應(yīng)容器405中的DNA樣品。更具體地說，控制器231被構(gòu)造成向熱電元件P/N產(chǎn)生/施加熱電控制信號以提供反應(yīng)容器座401的加熱和/或冷卻，并且被構(gòu)造成向電阻加熱元件203和/或電阻加熱器415產(chǎn)生/施加電阻加熱器控制信號以提供反應(yīng)容器座401的加熱。而且，溫度傳感器417可以向控制器231提供溫度反饋以允許進行更精確的溫度控制。

另外，溫度傳感器417可以向控制器231提供溫度反饋(例如，代表反應(yīng)容器座401的溫度)以方便進行更精確的溫度控制。

如以上針對圖1D所討論的，控制器231可以向熱電元件P/N提供熱電控制信號，以將熱泵送至反應(yīng)容器座401或從反應(yīng)容器座401泵熱以提供反應(yīng)容器座的加熱/冷卻，并且控制器231可以向電阻加熱元件203和/或電阻加熱器415提供電阻加熱器控制信號以控制由此產(chǎn)生的熱。通過提供熱電泵熱和電阻加熱這二者，可以改善溫度斜坡的控制，可以實現(xiàn)更高的溫度，并且/或者可以提高熱電熱泵的可靠性。例如，通過減小流過熱電元件P/N的電流、通過減小熱電元件P/N以更高溫度泵熱的持續(xù)時間和/或通過降低熱電元件P/N經(jīng)受的溫度，可以提高熱電熱泵的可靠性。

通過將電阻加熱元件203從集管201省去并僅使用電阻加熱器415來提供電阻加熱，反應(yīng)容器座401可以將熱電加熱/冷卻部件(包括熱電元件P/N)從電阻加熱分開以由此降低熱電元件P/N經(jīng)受的溫度。根據(jù)一些實施方式，在加熱過程中，可以使用熱電加熱和電阻加熱來增加反應(yīng)容器座401的溫度。根據(jù)其它一些實施方式，在加熱過程中，可以使用熱電加熱來在反應(yīng)容器座和熱交換器337之間提供主動熱屏障，其中實際加熱主要由電阻加熱器415提供。

在圖3A至圖3B和/或圖4A至圖4B的一些實施方式中，控制器231可以被構(gòu)造成向熱電加熱/冷卻元件(包括熱電元件P/N)施加第一熱電控制信號以將熱泵送至反應(yīng)容器座，同時向電阻加熱元件203和/或電阻加熱器415施加電阻加熱器控制信號以從電阻加熱元件203和/或電阻加熱器415產(chǎn)生熱以將負載加熱。在施加第一熱電控制信號和電阻加熱器控制信號之后，控制器231可以被進一步構(gòu)造成向熱電加熱/冷卻元件施加第二熱電控制信號以從負載泵熱。此外，控制器231可以被構(gòu)造成在向熱電加熱/冷卻元件施加第二熱電控制信號的同時防止電流流到電阻加熱元件203和/或電阻加熱器415，并且第一和第二熱電控制信號可以具有相反的極性。因而，主動加熱和冷卻可以用來提供期望的溫度曲線。

在圖3A至圖3B和/或圖4A至圖4B的一些實施方式中，控制器231可以被構(gòu)造成向熱電加熱/冷卻元件施加具有第一幅度的第一熱電控制信號以將熱泵送至負載，同時向電阻加熱元件203和/或電阻加熱器415施加電阻加熱器控制信號以從電阻加熱元件和/或電阻加熱器產(chǎn)生熱。在施加第一熱電控制信號之后，控制器231可以被構(gòu)造成向熱電加熱/冷卻元件施加具有第二幅度的第二熱電控制信號以繼續(xù)向負載泵送熱，同時繼續(xù)向電阻加熱元件203和/或電阻加熱器415施加電阻加熱器控制信號以從電阻加熱元件203和/或電阻加熱器415產(chǎn)生熱。更具體地說，第一和第二熱電控制信號的第一和第二幅度可以不同，仍更具體地說，第二幅度可以大于第一幅度以提供峰值溫度。

圖3A、圖3B和圖4A的熱交換器337可以提供用于熱電泵送的散熱器。例如，熱交換器337可以包括用于向空氣中散熱的散熱片以及/或者用于循環(huán)空氣的風(fēng)扇。根據(jù)其它實施方式，熱交換器337可以提供流體/液體循環(huán)以將熱消散到流體/液體內(nèi)。

圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思的一些實施方式的既提供熱電泵熱又提供電阻加熱的加熱/冷卻裝置的剖視圖。在圖5中，熱負載505位于電阻加熱器415和TEC裝置509之間，從而使得TEC裝置509的熱電元件不會受到來自電阻加熱器415的直接加熱。負載505可以提供電阻加熱器415和TEC 509之間的熱電阻路徑。這類似于圖4A的其中使用電阻加熱器415提供電阻加熱而省略電阻加熱元件203的實施方式或者圖3A至圖3B的其中電阻加熱器設(shè)置在IC DUT 341下面并且省略電阻加熱元件203的實施方式。

熱負載505例如可以為以上針對圖3A至圖3B討論的IC DUT 341或如上針對圖4A至圖4B討論的反應(yīng)容器座401。TEC裝置509可以使用以上針對圖1A至圖1D和圖2討論的具有跡線103/213和熱電元件P/N的集管101/201實現(xiàn)，但是省略電阻加熱元件203。電阻加熱器415可以使用電絕緣基板和其上的導(dǎo)電圖案實現(xiàn)，以提供如上針對集管201和電阻加熱元件203(沒有熱電元件)討論的結(jié)構(gòu)。熱交換器337可以是如上討論的空氣或液體冷卻的散熱器。

根據(jù)一些實施方式，可以在電阻加熱器415、負載505、TEC裝置509和/或熱交換器337之間(例如使用螺釘、螺栓等)提供固定的機械連接。在這種實施方式中，熱界面材料503可以提供電阻加熱器415和負載505之間的導(dǎo)熱耦合，熱界面材料507可以提供負載505和TEC裝置509之間的導(dǎo)電耦合，并且/或者熱界面材料511可以提供TEC裝置509和熱交換器337之間的導(dǎo)熱耦合。根據(jù)其它實施方式，導(dǎo)熱粘合劑可以提供電阻加熱器415、負載505、TEC裝置509和/或熱交換器337之間的固定連接。根據(jù)另外其它實施方式，焊接可以提供電阻加熱器415、負載505、TEC裝置509和/或熱交換器337之間的固定連接。

根據(jù)一些實施方式，可以在負載505和TEC裝置509之間設(shè)置臨時連接，以允許如以上針對圖3A至圖3B的測試頭所討論的那樣裝載/卸載負載505。根據(jù)其它一些實施方式，可以在負載505和電阻加熱器415之間設(shè)置臨時連接。根據(jù)另外其它實施方式，熱交換器的表面可以提供TEC裝置509的集管，從而將熱交換器337和TEC裝置集成。

在以上討論的實施方式中，可以將具有TEC(例如，包括集管101和201以及熱電元件P和N)的最大泵熱能力的加熱功率的一倍到兩倍的相對較小的電阻加熱器(例如電阻加熱元件203和/或電阻加熱器415)與溫度控制系統(tǒng)中的TEC結(jié)合。通過如以上針對圖5所討論的將電阻加熱器和TEC設(shè)置在負載的相對兩側(cè)，電阻加熱器和TEC可以通過熱路徑分開，從而提供一些熱阻抗以降低由TEC經(jīng)歷的最大/平均溫度。例如，在電阻加熱器可能超越目標溫度以滿足斜率要求的溫度斜坡過程中，該TEC可以避免經(jīng)歷電阻加熱器的最大溫度。該TEC可以在冷卻模式(從負載向熱交換器泵送熱)下和/或以減少的加熱斜率操作，從而使得TEC內(nèi)的平均溫度不會達到負載和/或電阻加熱器的最大溫度。

根據(jù)圖5的一些實施方式，加熱可以由電阻加熱器415提供，冷卻可以由TEC 509提供，該TEC 509通過將負載505(即溫度控制對象)設(shè)置在TEC 509和電阻加熱器415之間而從電阻加熱器415至少部分地?zé)岱蛛x。通過降低TEC 509經(jīng)歷的平均和/或最大溫度，可以提高TEC 509的可靠性。根據(jù)一些實施方式，TEC 509可以僅在冷卻模式(將熱從負載505泵送到熱交換器337)下運行，并且/或者可以降低TEC 509的加熱模式功率(當(dāng)從熱交換器337向負載505泵送熱時)，從而可以降低TEC 509的平均內(nèi)部溫度。

與沒有電阻加熱器415的TEC 505的可靠性相比，TEC 505經(jīng)歷的平均溫度降低10攝氏度可以將TEC 505的壽命增加兩倍以上。額外降低TEC 505經(jīng)歷的平均和/或最大溫度能夠放大可靠性的改善，使得具有相對較長的壽命要求的應(yīng)用更為可行。此外，這里公開的結(jié)構(gòu)可以改進在加熱模式和冷卻模式下將塊體熱電元件用于比例-積分-微分溫度控制中的TEC裝置的可靠性。

將理解，當(dāng)將一元件或?qū)颖环Q為“位于”、“連接至”或“聯(lián)接/耦合至”另一個元件或?qū)訒r，該元件可以直接位于、連接或聯(lián)接/耦合至另一個元件或?qū)樱蛘呖梢源嬖诰娱g元件或?qū)?。相反，?dāng)一個元件被稱為“直接位于”、“直接連接至”或“直接聯(lián)接/耦合至”另一個元件或?qū)訒r，則不存在居間元件或?qū)印Ｈ邕@里使用的，術(shù)語“和/或”包括所列舉的相關(guān)項目中的一個或多個中任一個和所有組合。

將理解，盡管這里可能使用了術(shù)語第一、第二、第三等來描述各種元件、部件、區(qū)域、層和/或區(qū)段，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或區(qū)段不應(yīng)該受到這些術(shù)語的限制。這些術(shù)語僅僅是用來將一個元件、部件、區(qū)域、層或區(qū)段與另一個元件、部件、區(qū)域、層或區(qū)段區(qū)分開。因而，這里討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或區(qū)段可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或區(qū)段，而不會脫離本發(fā)明的構(gòu)思的教導(dǎo)。

為了容易描述，這里可能使用了諸如“在…下面”、“在…下方”、“下”、“在…上方”、“上”等空間相對術(shù)語來描述如圖中所示的一個元件或特征與另一個元件或特征的關(guān)系。將理解，除了圖中所示的取向之外，這些空間相對術(shù)語旨在還涵蓋使用或操作中的裝置的不同取向。例如，如果將圖中的結(jié)構(gòu)翻過來，則描述為在另一個元件下面或下方的元件然后將取向成在另一個元件或特征的上方。因而，示例性術(shù)語“在…下方”既可以涵蓋“在…上方”又可以涵蓋“在…下方”的取向。該結(jié)構(gòu)還可以以其它方式取向(旋轉(zhuǎn)90度或處于其它取向)，并且這里使用的空間相對術(shù)語相應(yīng)地進行解釋。此外，如這里使用的，“橫向”是指基本正交于豎直方向的方向。

這里使用的術(shù)語僅僅是為了描述具體實施方式之用，并不是為了限制本發(fā)明的構(gòu)思。如這里使用的，單數(shù)形式的“一”和“該”旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確指示。將進一步理解，當(dāng)在該說明書中使用時，術(shù)語“包括”和/或“包含”指定存在所闡述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或添加有一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或它們的組合。

這里參照作為本發(fā)明的構(gòu)思的理想化實施方式(以及中間結(jié)構(gòu))的示意性圖示的剖視圖描述了本發(fā)明的構(gòu)思的示例性實施方式。這樣，能夠預(yù)期到由于例如制造技術(shù)和/或公差而產(chǎn)生與圖示形狀的偏差。因而，本發(fā)明的構(gòu)思的實施方式不應(yīng)該被解釋為限于這里所示的具體區(qū)域形狀，而是包括由于例如制造而引起的形狀偏差。例如，示出為具有角度特征的結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)而具有圓形或曲線特征。因而，圖中所示的區(qū)域在本質(zhì)上是示例性的，它們的形狀并不是用來圖示裝置的實際區(qū)域形狀，也不是用來限制本發(fā)明的構(gòu)思的范圍。

除非另有限定，否則這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)都具有所公開的發(fā)明構(gòu)思所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。因而，這些術(shù)語可以包括在此時之后創(chuàng)造的等效術(shù)語。將進一步理解，諸如通常在字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該解釋為具有與其在本說明書中以及相關(guān)領(lǐng)域環(huán)境中一致的含義，并且不以理想化或過度形式含義來解釋，除非這里明確這樣限定。這里提及的所有公報、專利申請、專利和其它文獻都通過引用將全部內(nèi)容結(jié)合在本文中。

盡管已經(jīng)參考本發(fā)明構(gòu)思的實施方式具體示出并描述本發(fā)明構(gòu)思，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，在不脫離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍的情況下可以在這里進行各種形式和細節(jié)的改變。