用于設(shè)備溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于設(shè)備溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)和方法。提供了一種溫度穩(wěn)定的設(shè)備和用于溫度穩(wěn)定的方法。溫度穩(wěn)定的設(shè)備包括：具有第一表面的基板，裝配在基板的第一表面上的至少一個(gè)組件，和包括熱電材料的第一保形層，其中所述第一保形層在所述至少一個(gè)組件之上。第一溫度控制電路電耦合到第一保形層。第一溫度控制電路被配置為控制通過第一保形層的電流。通過第一保形層的電流被控制以將所述至少一個(gè)組件維持在目標(biāo)操作溫度處。
【專利說明】用于設(shè)備溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)和方法
[0001 ]本申請(qǐng)對(duì)2015年2月10日提交的62/114，220號(hào)美國臨時(shí)申請(qǐng)要求優(yōu)先權(quán)權(quán)益，所述申請(qǐng)的公開內(nèi)容通過引用被并入。
【背景技術(shù)】
[0002]幾乎所有的傳感器都是溫度敏感的。補(bǔ)償該敏感性的能力在傳感器的最終性能中起著主要作用。這樣的傳感器的一個(gè)示例是用于慣性測(cè)量的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀。
[0003]多年來，溫度穩(wěn)定已被用作減少溫度引起的變化的一種方式。一種常見的方法是對(duì)傳感器或系統(tǒng)進(jìn)行“烘箱化”(0VeniZe)。這意味著系統(tǒng)中的加熱器提升傳感器溫度并將其穩(wěn)定在剛好略微高于系統(tǒng)最大操作溫度的某個(gè)值處。例如，如果設(shè)備具有從_55°C到+85°C的正常操作溫度范圍，則溫度穩(wěn)定可以建立在90°C到95°C處。使用這種技術(shù)，只需要提供熱，其中在某些時(shí)候提供較多熱并且在其它時(shí)候提供較少熱?！昂嫦浠钡膬?yōu)點(diǎn)在于在設(shè)備內(nèi)加熱通常比冷卻更易實(shí)現(xiàn)。但是存在很多缺點(diǎn)，包括:在較高的溫度下噪聲幾乎總是較高;在較高的溫度下，設(shè)備壽命縮減;在較高的溫度下，可靠性較低;在較高的溫度下，機(jī)械穩(wěn)定性(例如，金屬蠕變或聚合物老化)降級(jí);且維持較高溫度需要相當(dāng)大的功率。此外，這些缺點(diǎn)傾向于隨著溫度增加而按指數(shù)規(guī)律變得更壞。
[0004]由于上述原因和下述在閱讀和理解說明書時(shí)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見的其它原因，在本領(lǐng)域中存在對(duì)用于提供設(shè)備溫度穩(wěn)定的可替換系統(tǒng)和方法的需要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]提供一種溫度穩(wěn)定的(temperature stabilized)設(shè)備和用于溫度穩(wěn)定的方法。溫度穩(wěn)定的設(shè)備包括具有第一表面的基板(substrate)，裝配在基板的第一表面上的至少一個(gè)組件，以及包括熱電材料的第一保形(conformal)層，其中第一保形層在所述至少一個(gè)組件之上。第一溫度控制電路電耦合到第一保形層。第一溫度控制電路被配置為控制通過第一保形層的電流。通過第一保形層的電流被控制成將所述至少一個(gè)組件維持在目標(biāo)操作溫度處。
【附圖說明】
[0006]從參照附圖的以下描述中，本發(fā)明的特征對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見。理解到附圖僅僅描繪了典型實(shí)施例并且因此不要被認(rèn)為是在范圍方面有所限制，將通過使用附圖、以附加的特征和細(xì)節(jié)來描述本發(fā)明，其中:
[0007]圖1A是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有熱電(TE)材料的保形層的溫度穩(wěn)定的設(shè)備的橫截面?zhèn)纫晥D；
[0008]圖1B是圖示了TE材料的保形層的一個(gè)實(shí)施例的圖解；
[0009]圖1C是圖示了TE材料的保形層的另一實(shí)施例的圖解；
[0010]圖2是根據(jù)另一實(shí)施例的具有TE材料的保形層(其被圖案化成多個(gè)獨(dú)立可控區(qū))的溫度穩(wěn)定的設(shè)備的橫截面?zhèn)纫晥D；
[0011]圖3A是圖2的溫度穩(wěn)定的設(shè)備的頂視圖，其在沒有多個(gè)獨(dú)立可控區(qū)的情況下示出；
[0012]圖3B是圖2的溫度穩(wěn)定的設(shè)備的頂視圖，其在具有多個(gè)獨(dú)立可控區(qū)的情況下示出；
[0013]圖4是圖示了根據(jù)可替換實(shí)施例的可以與圖2的溫度穩(wěn)定的設(shè)備一起實(shí)現(xiàn)的溫度控制器設(shè)備的圖解；
[0014]圖5是針對(duì)示例性實(shí)施例的關(guān)于溫度的輸出的圖表；
[0015]圖6是圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的可以與圖2的溫度穩(wěn)定的設(shè)備一起實(shí)現(xiàn)的溫度補(bǔ)償器的圖解；
[0016]圖7是圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]在下面的【具體實(shí)施方式】中，參考形成其一部分的附圖，并且在其中作為本發(fā)明可以實(shí)踐在其中的具體說明性實(shí)施例而示出。以充分的細(xì)節(jié)來描述這些實(shí)施例，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，并且要理解的是可以利用其它實(shí)施例并且可以做出邏輯、機(jī)械和電氣改變而不背離本發(fā)明的范圍。因此，以下的【具體實(shí)施方式】不要以限制性意義來理解。
[0018]本文中公開了用于設(shè)備的溫度穩(wěn)定的系統(tǒng)和方法。通常，采用一種或多種熱電(TE)材料的保形層來穩(wěn)定設(shè)備溫度。如以下所述，在一些實(shí)施例中，TE材料的保形層的不同區(qū)可以以圖案化的方式施加。
[0019]如本文中所使用的，在一個(gè)實(shí)施例中，“保形層”或“保形涂層”可以包括由一種類型的TE材料組成的同質(zhì)層或涂層，所述TE材料諸如摻雜的η型材料或摻雜的P型材料。在該實(shí)施例中，導(dǎo)體附連到TE材料的頂表面和底表面二者。電流傳遞自一個(gè)導(dǎo)體，通過TE材料，然后通過另一個(gè)導(dǎo)體而出，以實(shí)現(xiàn)TE材料中的溫度改變。
[0020]在另一個(gè)實(shí)施例中，“保形層”或“保形涂層”可以包括兩個(gè)或更多不同的TE材料，諸如TE材料的摻雜的η型和摻雜的P型區(qū)域。在該實(shí)施例中，分離的導(dǎo)體附連到η型和P型區(qū)域中每一個(gè)的頂表面，并且另一個(gè)導(dǎo)體電連接η型和P型區(qū)域的底表面。為了實(shí)現(xiàn)溫度改變，電流傳遞自被附連到η型區(qū)域的頂表面的導(dǎo)體，通過η型TE材料，然后通過底部導(dǎo)體到達(dá)P型TE材料，并最終通過被附連到P型區(qū)域的頂表面的導(dǎo)體而出。
[0021]在熱電或珀耳帖效應(yīng)中，跨包括兩種不同的TE材料(諸如η型和P型材料)的TE結(jié)所施加的電流引起溫度改變。TE材料可以產(chǎn)生加熱和冷卻二者，并且因此，在一個(gè)實(shí)施例中，使得能夠?qū)崿F(xiàn)以中等或低溫度的溫度穩(wěn)定。使用相對(duì)較低的穩(wěn)定溫度減少或消除了與高溫標(biāo)準(zhǔn)烘箱化相關(guān)聯(lián)的問題，并且相對(duì)于以高溫的穩(wěn)定提供了許多優(yōu)點(diǎn)。
[0022]在各種實(shí)施例中，TE材料被應(yīng)用為保形層或涂層膜，而不是傳統(tǒng)的剛性無機(jī)TE材料。TE材料可以包括聚合物、納米顆粒、嵌入在聚合物中的納米顆粒、或其它涂層膜。此外，不同的TE材料可以形成為具有帶TE結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)，在所述TE結(jié)處不同的TE材料彼此對(duì)接。TE材料可以通過任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)被施加為保形層或涂層膜，諸如但不限于，噴涂、浸涂、旋壓、噴墨印刷、或其它常規(guī)的涂層或沉積技術(shù)。
[0023]TE材料可以施加在寬范圍的表面形貌上，諸如其中已經(jīng)裝配了包括不同形狀和尺寸的傳感器和電子器件的組件的電路板的表面上。結(jié)果是TE材料的保形層在組件之上，其中保形層與電路板的每一個(gè)暴露表面和該處施加了 TE材料的電路板區(qū)域中的組件具有一致的熱接觸。最后，TE材料的保形層可以被圖案化，以允許在不同區(qū)內(nèi)對(duì)設(shè)備(例如，電路板)的局部溫度控制，而不是只有單一的全局溫度控制。這導(dǎo)致更快的穩(wěn)定，以及對(duì)跨設(shè)備的溫度梯度和溫度瞬變(transient)的顯著更好的控制。
[0024]以下參照附圖來描述本系統(tǒng)和方法的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。
[0025]圖1A圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的溫度穩(wěn)定的設(shè)備100。設(shè)備100包括具有第一表面107的基板105，在第一表面107上裝配了一個(gè)或多個(gè)組件110 JE材料的單個(gè)保形層112覆蓋組件110。包括溫度控制器115和至少一個(gè)溫度傳感器116的溫度控制電路電耦合到保形層112。在一個(gè)實(shí)施例中，溫度控制電路被配置為控制通過保形層112中的TE結(jié)的電流。
[0026]在一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)備100包括含有微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)設(shè)備或MEMS設(shè)備的部分的電路。例如，設(shè)備100可以是MEMS陀螺儀，或MEMS陀螺儀的部分，其輸出旋轉(zhuǎn)速率測(cè)量。在其它實(shí)施例中，設(shè)備100可以是專用集成電路(ASIC)，或單個(gè)組件設(shè)備，諸如半導(dǎo)體激光器。
[0027]在一些實(shí)現(xiàn)方式中，基板105包括電路基板或電路板，諸如印刷電路板(PCB)，其上裝配了多個(gè)設(shè)備組件。在其它實(shí)現(xiàn)方式中，基板105可以包括其中期望溫度控制的另一種類型的表面，諸如自足式(self-contained)集成電路的基板、半導(dǎo)體激光基板等等。
[0028]組件110可以包括具有不同形狀和尺寸并且在操作中時(shí)產(chǎn)生不同程度的加熱的電氣、光學(xué)或機(jī)械組件。例如，組件110可以是有不同形狀和尺寸并且在操作中時(shí)產(chǎn)生不同程度的加熱的傳感器和電子器件。在不同的實(shí)現(xiàn)方式中，例如，組件110可以形成用于獲得和處理傳感器測(cè)量、諸如磁性、壓力和/或慣性測(cè)量的整體系統(tǒng)的至少部分。在其它實(shí)現(xiàn)方式中，組件110可以包括諸如在時(shí)鐘、通信、或產(chǎn)生易受由于溫度中的改變所引起的變化所影響的數(shù)據(jù)輸出的任何其它設(shè)備中所使用的諧振或定時(shí)組件。在其它實(shí)現(xiàn)方式中，組件110可以包括光學(xué)組件，諸如半導(dǎo)體激光器、光電探測(cè)器、以及導(dǎo)波。
[0029]保形層112的TE材料可以包括聚合物、納米顆粒、嵌入在聚合物中的納米顆粒，或者其它涂層膜。保形層112可以由一種類型的TE材料組成，諸如η型材料或P型材料?？商鎿Q地，保形層112可以包括由兩種或多種不同的TE材料(諸如η型和P型材料)組成的微觀結(jié)構(gòu)，所述不同的TE材料形成多個(gè)TE結(jié)，在所述TE結(jié)處不同的TE材料彼此對(duì)接。保形層112可以通過使用常規(guī)涂層或沉積技術(shù)而施加在基板105上的組件110上。
[0030]在一個(gè)示例性實(shí)施例中，保形層112包括TE材料的同質(zhì)層120，其中第一導(dǎo)體122附連到同質(zhì)層120的頂表面，并且第二導(dǎo)體124附連到同質(zhì)層120的底表面，如圖1B中所示。在該配置中，電流傳遞自頂表面上的第一導(dǎo)體122，通過TE材料，然后通過底表面上的第二導(dǎo)體124而出。
[0031]在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，保形層112包括TE材料的至少一個(gè)η型區(qū)域130和TE材料的至少一個(gè)P型區(qū)域132的微觀結(jié)構(gòu)組合，如圖1C中所圖示的。在該實(shí)施例中，第一導(dǎo)體134附連到η型區(qū)域130的頂表面，并且第二導(dǎo)體136附連到P型區(qū)域132的頂表面。第三導(dǎo)體138附連到η型區(qū)域130和P型區(qū)域132的底表面二者。第三導(dǎo)體138連接TE結(jié)140，在所述TE結(jié)140處η型區(qū)域130和P型區(qū)域132彼此對(duì)接。在該配置中，電流傳遞自η型區(qū)域132的頂表面上的導(dǎo)體134，通過η型TE材料，然后通過導(dǎo)體138，所述導(dǎo)體138將η型區(qū)域130的底表面電連接至IJp型區(qū)域132的底表面。電流然后通過P型TE材料，并最終通過P型區(qū)域132的頂表面上的導(dǎo)體136而出。
[0032]將理解的是，電流也可以在與以上針對(duì)圖1B和IC的實(shí)施例所描述的方向相反的方向上傳遞。還將認(rèn)識(shí)到，圖1C中的頂表面導(dǎo)體134和136可以分別附連到η型區(qū)域130和P型區(qū)域132的底表面以代替導(dǎo)體138，而同時(shí)導(dǎo)體138可以附連到η型區(qū)域130和P型區(qū)域132的頂表面二者以代替導(dǎo)體134和136，這不改變所描述的實(shí)施例的范圍。
[0033]溫度控制器115可以通過使用被配置用于溫度監(jiān)視和控制的常規(guī)處理單元、利用來自溫度傳感器116的反饋而實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器116可以裝配到基板105和/或嵌入在保形層112內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，溫度傳感器116是裝配在基板105的表面上的常規(guī)電子或機(jī)械傳感器設(shè)備。在其它實(shí)施例中，溫度傳感器116可以由TE材料組成。例如，在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，溫度傳感器116可以由與用于形成保形層112的相同的TE材料組成，其中溫度傳感器116被圖案化以使得其與保形層112的加熱器/冷卻器部分分離。在另一實(shí)現(xiàn)方式中，溫度傳感器116可以由與保形層112不同的TE材料組成，并且可以埋在保形層112的加熱器/冷卻器部分之下。
[0034]在操作中，通過保形層112的電流受溫度控制器115控制，以將組件110的溫度維持在目標(biāo)溫度處。在可替換的實(shí)現(xiàn)方式中，目標(biāo)溫度可以低到相對(duì)于設(shè)備100的操作范圍的中等溫度。例如，在設(shè)備100具有從大約-55 0C到大約85 0C的正常操作溫度范圍的情況下，可以操作溫度控制器115以將組件110的溫度維持在中等溫度范圍(例如，從大約1 °C到大約400C)內(nèi)的特定目標(biāo)溫度處，或在較低溫度范圍(例如，小于約10°C)內(nèi)的特定目標(biāo)溫度處。
[0035]在一個(gè)實(shí)施例中，通過利用來自溫度傳感器116的溫度反饋的溫度控制器115實(shí)現(xiàn)溫度控制。組件110產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)地到達(dá)溫度傳感器116，所述溫度傳感器116于是將溫度信號(hào)往回提供到溫度控制器115，使得溫度控制器115可以調(diào)整通過TE材料注入的電流，以維持目標(biāo)溫度。
[0036]當(dāng)保形層112包括由兩種或多種不同的TE材料組成的微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，形成TE結(jié)，在所述TE結(jié)處不同材料彼此對(duì)接。在這樣的實(shí)現(xiàn)方式中，溫度控制器115電耦合到保形層112，所述保形層112通過TE結(jié)注入電流，取決于溫度控制器115施加的電流的方向而產(chǎn)生加熱或冷卻效應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施例中，還可以由溫度控制器115、通過調(diào)節(jié)經(jīng)由所述結(jié)的電流的大小來調(diào)整加熱或冷卻的程度。
[0037]例如，溫度控制器115可以被配置為以約20°C的操作溫度來維持溫度穩(wěn)定。在溫度傳感器116感測(cè)到小于約20°C的溫度(例如，在約_20°C處)的情況下，溫度控制器115可以利用產(chǎn)生組件110的加熱的方向和大小來施加通過保形層112的電流。在溫度傳感器116感測(cè)到大于約20°C的溫度(例如，在約50°C處)的情況下，溫度控制器115可以利用產(chǎn)生組件110的冷卻的方向和大小來施加通過保形層112的電流。
[0038]圖2圖示了根據(jù)另一實(shí)施例的溫度穩(wěn)定的設(shè)備200。設(shè)備200再次包括基板105和多個(gè)組件110，諸如以上針對(duì)設(shè)備100所描述的?；?05的表面107被細(xì)分為多個(gè)溫度控制區(qū)，使得不同組件110駐留在不同的溫度控制區(qū)內(nèi)，例如，所述溫度控制區(qū)在圖2中被標(biāo)識(shí)為區(qū)A、區(qū)B、以及區(qū)C13TE材料的獨(dú)立保形層112a、112b和112c被施加在區(qū)A、B和C中每一個(gè)中的組件110上。TE材料的保形層可以獨(dú)立地操作，從而以與以上針對(duì)圖1A描述的相同方式來使組件110變暖或冷卻。
[0039]在該實(shí)現(xiàn)方式中，組件110的溫度穩(wěn)定是劃區(qū)的。也就是說，在溫度控制區(qū)A、B和C中的每一個(gè)內(nèi)，溫度穩(wěn)定是通過獨(dú)立的溫度控制器115a、115b和115c維持的。此外，一組溫度傳感器116a、116b和116c各自分別連接到溫度控制器115a、115b和115c。
[0040]雖然圖2將設(shè)備200圖示為具有被劃分成三個(gè)不同的溫度控制區(qū)的基板105和組件110，但應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會(huì)的是，在其它實(shí)現(xiàn)方式中，在不脫離本文中教導(dǎo)的情況下，可以建立任何任意數(shù)量的溫度控制區(qū)(即大于或小于三)。類似地，溫度傳感器116a、116b和116c可以它們自身各自包括分布在其相應(yīng)的溫度控制區(qū)周圍的多個(gè)溫度傳感器單元。
[0041]如圖2中所示，落在區(qū)A內(nèi)的基板105的區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)組件110覆蓋有保形層112a。落在區(qū)B內(nèi)的基板105的區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)組件110覆蓋有保形層112b。落在區(qū)C內(nèi)的基板105的區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)組件110覆蓋有保形層112C(3TE材料的保形層112a、112b和112c中的每一個(gè)彼此物理和電氣上分離，以使得每一個(gè)都可以被控制為獨(dú)立于另一個(gè)地加熱或冷卻。
[0042]例如，在區(qū)A中，設(shè)備200可以包括溫度控制電路，所述溫度控制電路包括溫度控制器115a，所述溫度控制器115a耦合到溫度傳感器116a，并且此外耦合到保形層112a。以上文關(guān)于圖1A所描述的相同方式，溫度控制器115a基于來自溫度傳感器116a的溫度反饋信號(hào)來控制通過保形層112a的電流，從而將區(qū)A內(nèi)的組件110維持在目標(biāo)溫度處。
[0043]對(duì)于區(qū)B，設(shè)備200可以包括溫度控制電路，所述溫度控制電路包括溫度控制器115b，所述溫度控制器115b耦合到溫度傳感器116b，并且此外耦合到保形層112b。溫度控制器115b基于來自溫度傳感器116b的溫度反饋信號(hào)來控制通過保形層112b的電流，從而將區(qū)B內(nèi)的組件110維持在目標(biāo)溫度處。
[0044]類似地，對(duì)于區(qū)C，設(shè)備200可以包括溫度控制電路，所述溫度控制電路包括溫度控制器115c，所述溫度控制器115c耦合到溫度傳感器116c，并且此外耦合到保形層112c。溫度控制器115c基于來自溫度傳感器116c的溫度反饋信號(hào)來控制通過保形層112c的電流，從而將區(qū)C內(nèi)的組件110維持在目標(biāo)溫度處。
[0045]通過以相同的目標(biāo)溫度設(shè)定點(diǎn)(S卩，在該處期望溫度穩(wěn)定的溫度)配置溫度控制器115a、115b和115c，多個(gè)溫度控制區(qū)可以獨(dú)立操作，以維持跨基板105上的所有組件110的統(tǒng)一溫度。也就是說，施加在每一個(gè)溫度控制區(qū)上的TE材料的保形層中的每一個(gè)可以獨(dú)立地應(yīng)用加熱或冷卻，以維持跨基板105上的所有組件110的統(tǒng)一溫度。
[0046]例如，區(qū)B內(nèi)的組件110可能在操作期間比區(qū)A或區(qū)C內(nèi)的組件110產(chǎn)生相對(duì)更多的熱。在該示例中，溫度控制器115a、115b和115c各自配置有20°C的目標(biāo)溫度，并且設(shè)備100周圍的環(huán)境溫度比該目標(biāo)溫度更冷。在其中區(qū)A內(nèi)的組件110本身產(chǎn)生很少熱的情況下，溫度傳感器116a可以感測(cè)到小于20 °C目標(biāo)溫度的溫度(例如，-20 °C )。溫度控制器115a通過如下而進(jìn)行反應(yīng):利用產(chǎn)生區(qū)A內(nèi)的組件110的加熱的方向和大小來注入通過保形層112a的電流，從而達(dá)到并維持目標(biāo)溫度。
[0047]同時(shí)，區(qū)B內(nèi)的組件110產(chǎn)生顯著的熱量，使得溫度傳感器116b感測(cè)到大于20°C目標(biāo)溫度的溫度(例如，50°C)。溫度控制器115b通過以下而進(jìn)行反應(yīng):利用產(chǎn)生區(qū)B內(nèi)的組件110的冷卻的方向和大小來注入通過保形層112b的電流，從而達(dá)到并維持目標(biāo)溫度。利用這種配置，每一個(gè)溫度控制區(qū)可以被獨(dú)立地調(diào)整，使得基板105上的所有組件110以相同的溫度操作，從而減少各種組件110中每一個(gè)起作用的方式中的不平衡。
[0048]圖3A是針對(duì)圖2所描述的溫度穩(wěn)定的設(shè)備200的頂視圖，其在沒有多個(gè)獨(dú)立可控的TE材料區(qū)的情況下示出。圖3B是在具有多個(gè)獨(dú)立可控的TE材料區(qū)的情況下示出的設(shè)備200的頂視圖。圖3A和3B圖示了被細(xì)分成溫度控制區(qū)A、B和C的基板105的表面的示例性布局，其中組件110和溫度傳感器116a、116b和116c分別在區(qū)A、B和C內(nèi)。雖然圖3A和3B將溫度控制區(qū)圖示為餅狀楔形物，但應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會(huì)的是，基板105的表面可以被細(xì)分成使用被布置成滿足設(shè)備200的溫度穩(wěn)定需要的任何圖案的不同溫度控制區(qū)。
[0049]如圖3B中所圖示的，保形層112a、112b和112c分別覆蓋區(qū)A、B和C中的每一個(gè)。所施加的TE材料被圖案化以在特定溫度控制區(qū)內(nèi)的組件和溫度傳感器上形成保形層。在區(qū)A中，溫度控制電路包括溫度控制器115a，所述溫度控制器115a耦合到溫度傳感器116a，并且也耦合到保形層112a。在區(qū)B中，溫度控制電路包括溫度控制器115b，所述溫度控制器115b耦合到溫度傳感器116b，并且也耦合到保形層112b。在區(qū)C中，溫度控制電路包括溫度控制器115c，所述溫度控制器115c耦合到溫度傳感器116c，并且也耦合到保形層112c。
[0050]圖4圖示了根據(jù)可替換實(shí)施例的可以與溫度穩(wěn)定的設(shè)備200—起實(shí)現(xiàn)的溫度控制器設(shè)備310。溫度控制器設(shè)備310可以包括兩個(gè)或多個(gè)溫度控制器115a、115b或115c，所述溫度控制器可以集成到溫度控制器設(shè)備310中。溫度控制器設(shè)備310從溫度傳感器116a、116b和116c中的兩個(gè)或多個(gè)接收溫度數(shù)據(jù)，并且向相應(yīng)的保形層112a、112b和112c輸出信號(hào)以控制它們相應(yīng)的溫度控制區(qū)中的溫度。
[0051]在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，溫度控制器設(shè)備310基于來自多個(gè)溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)的函數(shù)，調(diào)整通過保形層112a、112b和112c中每一個(gè)的注入電流。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，溫度控制器設(shè)備310基于來自溫度傳感器116a、116b和116c的溫度數(shù)據(jù)的平均或加權(quán)平均，調(diào)整通過保形層112a、112b和112c中每一個(gè)的電流注入。
[0052]在溫度穩(wěn)定的設(shè)備在本文中描述的任何保形TE材料層溫度穩(wěn)定方案下操作的情況中，跨設(shè)備的溫度穩(wěn)定將提供:每個(gè)設(shè)備組件在穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)統(tǒng)一地操作。這示出在圖5的圖表中，其中針對(duì)示例性實(shí)施例繪制了關(guān)于溫度的設(shè)備輸出。從溫度^到溫度t2，由于溫度變化引起的輸出誤差可以被限制，并且此外表征于沿偏移誤差曲線410在溫度間的各點(diǎn)。輸出“誤差”是指真實(shí)輸出自校準(zhǔn)的輸出的任何偏離，其在圖5中示出為三階多項(xiàng)式擬合。雖然輸出誤差可能非常大，諸如在如圖5中所示的-25°C附近的區(qū)域中，例如，如果溫度穩(wěn)定在約0°C處，則輸出表現(xiàn)地非常好且誤差小。
[0053]在一個(gè)實(shí)施例中，輸出誤差的已知表征可以用來進(jìn)一步提供被應(yīng)用于溫度穩(wěn)定的設(shè)備所生成的測(cè)量數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償校正。例如，如圖6中所示，溫度補(bǔ)償器420可以加載有來自溫度穩(wěn)定的設(shè)備的傳感器輸出測(cè)量數(shù)據(jù)(塊430)。溫度補(bǔ)償器420還從溫度傳感器116a、116b和116c中的一個(gè)或多個(gè)接收溫度測(cè)量數(shù)據(jù)。這些溫度傳感器可以嵌入到每個(gè)溫度控制區(qū)中的TE材料保形層內(nèi)。溫度補(bǔ)償器420可以采用偏移誤差的已知表征(例如，圖5中示出的偏移誤差曲線410)，以計(jì)算被應(yīng)用于溫度穩(wěn)定的設(shè)備所生成的測(cè)量數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償值。溫度補(bǔ)償器420然后輸出經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鬏敵鰷y(cè)量數(shù)據(jù)(塊440)。
[0054]圖7是圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于提供溫度穩(wěn)定的方法500的流程圖。在各種實(shí)現(xiàn)方式中，方法500以整體或部分地可以與本文描述的任何其它實(shí)施例相組合地使用。因而，前面提到的元件的描述適用于關(guān)于方法500所提及的同樣命名的元件，并且反之亦然。方法500開始于510，其中標(biāo)識(shí)目標(biāo)定為溫度穩(wěn)定的基板的表面上的至少第一區(qū)。在510處標(biāo)識(shí)第一區(qū)可以應(yīng)用于其中要限定單個(gè)溫度控制區(qū)的設(shè)備，或者是其中基板的表面將被細(xì)分為多個(gè)溫度控制區(qū)的設(shè)備，諸如圖2或圖3A-3B中所圖示的。
[0055]接下來，方法500在520處繼續(xù)進(jìn)行，其中將TE材料的保形涂層施加在第一區(qū)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)組件上。使用該保形TE材料來實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定。方法500然后在530處繼續(xù)進(jìn)行，其中將溫度控制電路耦合到熱電材料的保形涂層。溫度控制電路可以包括溫度傳感器，其也可以在步驟520處被嵌入到TE材料的保形涂層內(nèi)或以其它方式實(shí)現(xiàn)，并且還可以包括電耦合到TE材料以注入電流的溫度控制器。取決于通過溫度控制器施加的電流的方向，在第一區(qū)內(nèi)產(chǎn)生加熱或冷卻效應(yīng)?？梢杂蓽囟瓤刂破魍ㄟ^調(diào)節(jié)經(jīng)由TE材料的TE結(jié)所注入的電流大小來調(diào)整加熱或冷卻的程度。溫度傳感器然后將溫度信號(hào)提供回到溫度控制器，使得溫度控制器可以調(diào)整通過TE材料所注入的電流，從而維持目標(biāo)溫度。
[0056]如上所提及的，雖然許多實(shí)現(xiàn)方式中的基板將包括電路基板或電路板，諸如印刷電路板，但并不意圖對(duì)術(shù)語“基板”如此限制。也就是說，雖然上述實(shí)施例將基板上的電路和其它組件說明為目標(biāo)定為溫度穩(wěn)定的設(shè)備，但是另外的實(shí)施例和實(shí)現(xiàn)方式可以將上述教導(dǎo)應(yīng)用到其中期望溫度控制/穩(wěn)定的任何數(shù)量的其它主題基板。例如，使用保形TE材料的涂層的溫度穩(wěn)定可以被應(yīng)用到目標(biāo)定為溫度穩(wěn)定的“設(shè)備”或“系統(tǒng)”或“裝置”。
示例性實(shí)施例
[0057]示例I包括溫度穩(wěn)定的設(shè)備，其包括:具有第一表面的基板;裝配在基板的第一表面上的至少一個(gè)組件;包括熱電材料的第一保形層，所述第一保形層在所述至少一個(gè)組件之上;和電耦合到第一保形層的第一溫度控制電路，所述第一溫度控制電路被配置為控制通過第一保形層的電流;其中，通過第一保形層的電流被控制成將所述至少一個(gè)組件維持在目標(biāo)操作溫度處。
[0058]示例2包括示例I的設(shè)備，其中所述基板包括印刷電路板、集成電路基板、或半導(dǎo)體激光基板。
[0059]示例3包括示例1-2中任一個(gè)的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)組件包括一個(gè)多個(gè)電氣組件、光學(xué)組件或機(jī)械組件。
[0060]示例4包括示例1-3中任一個(gè)的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)組件是傳感器設(shè)備的部分。
[0061]示例5包括示例1-4中任一個(gè)的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)組件包括磁性傳感器、壓力傳感器或慣性測(cè)量傳感器。
[0062]示例6包括示例4-5中任一個(gè)的設(shè)備，其中所述傳感器設(shè)備是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)設(shè)備。
[0063]示例7包括示例1-3中任一個(gè)的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)組件是時(shí)鐘或諧振器的部分。
[0064]示例8包括示例1-3中任一個(gè)的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)組件包括半導(dǎo)體激光器、光電探測(cè)器或波導(dǎo)。
[0065]示例9包括示例1-8中任一個(gè)的設(shè)備，其中熱電材料包括聚合物、納米顆粒、或嵌入在聚合物中的納米顆粒。
[0066]示例10包括示例1-9中任一個(gè)的設(shè)備，其中所述保形層包括兩種或更多種不同的熱電材料，所述保形層包括在該處不同熱電材料彼此對(duì)接的多個(gè)熱電結(jié)。
[0067]示例11包括示例10的設(shè)備，其中所述不同的熱電材料包括至少一個(gè)η型熱電材料區(qū)域和至少一個(gè)P型熱電材料區(qū)域，其在熱電結(jié)處彼此對(duì)接并且電連接。
[0068]示例12包括示例1-11中任一個(gè)的設(shè)備，其中第一溫度控制電路包括電耦合到第一保形層的第一溫度控制器；以及與第一保形層接觸的第一溫度傳感器，所述第一溫度傳感器與第一溫度控制器通信;其中第一溫度控制器被配置為基于來自第一溫度傳感器的反饋信號(hào)而控制通過第一保形層的電流。
[0069]示例13包括示例12的設(shè)備，其中所述基板被細(xì)分成多個(gè)非重疊的溫度控制區(qū)，所述溫度控制區(qū)各自包含至少一個(gè)組件;并且熱電材料的第一保形層覆蓋溫度控制區(qū)的第一區(qū)內(nèi)的至少一個(gè)組件。
[0070]示例14包括示例13的設(shè)備，此外包括熱電材料的第二保形層，所述第二保形層覆蓋溫度控制區(qū)的第二區(qū)內(nèi)的至少一個(gè)組件；以及電耦合到熱電材料的第二保形層的第二溫度控制電路，所述第二溫度控制電路被配置為控制通過熱電材料的第二保形層的電流。
[0071]示例15包括示例14的設(shè)備，其中第二溫度控制電路包括電耦合到第二保形層的第二溫度控制器；以及與第二保形層接觸的第二溫度傳感器，所述第二溫度傳感器與第二溫度控制器通信。
[0072]示例16包括示例15的設(shè)備，其中第一和第二溫度控制器被集成到單個(gè)溫度控制器設(shè)備中。
[0073]示例17包括示例15-16中任一個(gè)的設(shè)備，此外包括溫度補(bǔ)償器，所述溫度補(bǔ)償器操作地耦合到溫度傳感器并且被配置為計(jì)算被應(yīng)用于設(shè)備所生成的測(cè)量數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償值。
[0074]示例18包括溫度穩(wěn)定系統(tǒng)，其包括:具有第一表面的電路板;裝配在電路板的第一表面上的多個(gè)組件，所述組件包括傳感器設(shè)備的至少部分；電路板的第一表面上的多個(gè)非重疊的溫度控制區(qū)，所述溫度控制區(qū)各自包含至少一個(gè)組件;在溫度控制區(qū)的第一區(qū)內(nèi)的至少一個(gè)組件之上的熱電材料的第一保形層;電耦合到熱電材料的第一保形層的第一溫度控制電路，所述第一溫度控制電路被配置為控制通過熱電材料的第一保形層的電流;熱電材料的一個(gè)或多個(gè)附加的保形層，其分別覆蓋一個(gè)或多個(gè)其它溫度控制區(qū)內(nèi)的至少一個(gè)組件；以及電耦合到所述一個(gè)或多個(gè)附加的保形層的一個(gè)或多個(gè)溫度控制電路，所述一個(gè)或多個(gè)溫度控制電路被配置為分別控制通過所述一個(gè)或多個(gè)附加保形層的電流;其中通過每一個(gè)保形層的電流被控制成將組件維持在目標(biāo)操作溫度處。
[0075]示例19包括一種用于設(shè)備的溫度穩(wěn)定的方法，所述方法包括:標(biāo)識(shí)目標(biāo)定為溫度穩(wěn)定的基板的表面上的第一區(qū);將熱電材料的第一保形涂層施加在基板上和第一區(qū)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)組件上;并且將第一溫度控制電路耦合到熱電材料的第一保形涂層。
[0076]示例20包括示例19的方法，此外包括:標(biāo)識(shí)目標(biāo)定為溫度穩(wěn)定的基板的表面上的一個(gè)或多個(gè)附加區(qū)；將熱電材料的一個(gè)或多個(gè)附加保形涂層施加在基板上處于所述一個(gè)或多個(gè)附加區(qū)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)組件上，所述一個(gè)或多個(gè)附加的保形涂層與第一保形涂層分離且彼此分離;并且將一個(gè)或多個(gè)附加的溫度控制電路分別耦合到所述一個(gè)或多個(gè)附加保形涂層。
[0077]雖然在本文中已經(jīng)圖示并描述了特定實(shí)施例，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)的是被設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)相同目的的任何布置可以代替所示出的特定實(shí)施例。本公開內(nèi)容意圖涵蓋本發(fā)明的任何適配或變型。因此，顯然意圖的是本發(fā)明僅由權(quán)利要求及其等同物來限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種溫度穩(wěn)定的設(shè)備，包括: 具有第一表面的基板； 裝配在基板的第一表面上的至少一個(gè)組件； 包括熱電材料的第一保形層，所述第一保形層在所述至少一個(gè)組件之上；以及電耦合到第一保形層的第一溫度控制電路，所述第一溫度控制電路被配置為控制通過第一保形層的電流； 其中，通過第一保形層的電流被控制以將所述至少一個(gè)組件維持在目標(biāo)操作溫度處。2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中: 所述基板被細(xì)分成多個(gè)非重疊的溫度控制區(qū)，所述溫度控制區(qū)各自包含至少一個(gè)組件； 熱電材料的第一保形層覆蓋溫度控制區(qū)的第一區(qū)內(nèi)的至少一個(gè)組件； 熱電材料的第二保形層覆蓋溫度控制區(qū)的第二區(qū)內(nèi)的至少一個(gè)組件；以及第二溫度控制電路電耦合到熱電材料的第二保形層，所述第二溫度控制電路被配置為控制通過熱電材料的第二保形層的電流。3.—種用于設(shè)備的溫度穩(wěn)定的方法，所述方法包括: 標(biāo)識(shí)目標(biāo)定為溫度穩(wěn)定的基板的表面上的一個(gè)或多個(gè)區(qū)； 將一個(gè)或多個(gè)熱電材料保形涂層施加在基板上分別在一個(gè)或多個(gè)區(qū)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)組件之上；以及 將一個(gè)或多個(gè)溫度控制電路耦合到相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)熱電材料保形涂層。
【文檔編號(hào)】G05D23/30GK105867465SQ201610152284
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年2月5日
【發(fā)明人】R·D·霍爾寧, G·羅登
【申請(qǐng)人】霍尼韋爾國際公司