温度控制设备制造技术

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。

Temperature control equipment

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】温度控制设备
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。附图说明本专利技术的其他方面、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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.09 GB 1620982.71.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：马修·詹姆斯·海因斯，安德鲁·詹姆斯·弗格森，瓦西里·丹·尤恩库，史蒂芬·泰普，
申请(专利权)人：埃万奈蒂克有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB