(57)【要約】【課題】温度安定化デバイスおよび温度安定化のための方法を提供すること。【解決手段】温度安定化デバイスは、第１の表面と、基板の第１の表面に取り付けられた少なくとも１つの構成要素と、熱電材料を含む第１の共形層を有する基板とを備え、第１の共形層が少なくとも１つの構成要素の上にある。第１の温度コントローラー回路は、第１の共形層に電気的に結合される。第１の温度コントローラー回路は、第１の共形層を通る電流を制御するように構成される。第１の共形層を通る電流は、少なくとも１つの構成要素を目標動作温度に維持するように制御される。【選択図】図１Ａ
2016181681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面を有する基板と、
前記基板の前記第１の表面に取り付けられた少なくとも１つの構成要素と、
前記少なくとも１つの構成要素の上の、熱電材料を含む第１の共形層と、
前記第１の共形層に電気的に結合された第１の温度コントローラー回路であって、前記第１の共形層を通る電流を制御するように構成された第１の温度コントローラー回路と、を備え、
前記第１の共形層を通る前記電流が前記少なくとも１つの構成要素を目標動作温度に維持するように制御される、
温度安定化デバイス。
【請求項２】
前記基板が、それぞれが少なくとも１つの構成要素を含む複数の重なり合わない温度制御ゾーンに細分され、
熱電材料の前記第１の共形層が、前記温度制御ゾーンの第１のゾーン内の少なくとも１つの構成要素を覆い、
熱電材料の第２の共形層が、前記温度制御ゾーンの第２のゾーン内の少なくとも１つの構成要素を覆い、
第２の温度コントローラー回路が、熱電材料の前記第２の共形層に電気的に結合され、熱電材料の前記第２の共形層を通る電流を制御するように構成される、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
デバイスの温度安定化のための方法であって、
温度安定化の対象とされる、基板の表面上の１つまたは複数のゾーンを識別するステップと、
前記１つまたは複数のゾーン内にそれぞれある、前記基板上の１つまたは複数の構成要素の上に、熱電材料の１つまたは複数の共形被膜を施すステップと、
１つまたは複数の温度コントローラー回路を前記熱電材料の１つまたは複数の共形被膜それぞれに結合するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本出願は、２０１５年２月１０日に出願された米国仮出願第６２／１１４，２２０号の優先権の利点を主張し、本出願の開示が参照により組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]ほとんどすべてのセンサは、温度に敏感である。この敏感さを補償する能力が、センサの究極の性能に主要な役割を果たす。そのようなセンサの一例は、慣性の測定に使用される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープである。
【０００３】
[0003]長年、温度安定化は、温度起因の変動を低減させる方法として使用されてきた。１つの一般的な手法は、センサまたはシステムを「オーブン発熱させる」ことである。これは、システムのヒータが、センサの温度を上昇させて、システムの最高動作温度を少しだけ上回るある値に安定させることを意味する。例えば、デバイスが−５５℃〜＋８５℃の通常の動作温度範囲を有する場合、温度安定化は、９０℃〜９５℃で確立させることができる。この技法では、熱のみが供給されればよく、より多い熱の時もあれば、より少ない熱の時もある。「オーブン発熱」の利点は、発熱が一般には冷却よりもデバイス内部で遂行するのが簡単であるということである。しかし、ほとんどの場合、高温になるほどノイズが高くなり、デバイス寿命は、高温になるほど低減し、信頼性は、高温になるほど低下し、機械的安定性（例えば、金属のクリープまたはポリマーの経年変化）は、高温になるほど劣化し、より高い温度を維持するのに著しい電力が必要とされる、といった多くの欠点がある。さらに、これらの欠点は、温度が上昇するとともに指数関数的に悪化する傾向がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0004]上記の理由により、ならびに本明細書を読みおよび理解することで当業者には明らかになであろう下記の他の理由により、デバイス温度安定化を提供するための代替のシステムおよび方法が当技術分野において必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0005]温度安定化デバイスおよび温度安定化のための方法が提供される。温度安定化デバイスは、第１の表面を有する基板と、基板の第１の表面に取り付けられた少なくとも１つの構成要素と、熱電材料を含む第１の共形層と、を備え、第１の共形層が少なくとも１つの構成要素の上にある。第１の温度コントローラー回路は、第１の共形層に電気的に結合される。第１の温度コントローラー回路は、第１の共形層を通る電流を制御するように構成される。第１の共形層を通る電流は、少なくとも１つの構成要素を目標動作温度に維持するように制御される。
【０００６】
[0006]本発明の特徴は、図面を参照して以下の説明から当業者には明らかになるであろう。図面は、典型的な実施形態のみを描いており、したがって、範囲が限定されると考えられるべきではないことを理解しながら、本発明について、添付図面を使用してさらに具体的に、および詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】[0007]一実施形態による、熱電（ＴＥ：ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）材料の共形層を有する温度安定化デバイスの側部断面図である。
【図１Ｂ】[0008]ＴＥ材料の共形層の一実施形態を示す図である。
【図１Ｃ】[0009]ＴＥ材料の共形層の別の実施形態を示す図である。
【図２】[0010]別の実施形態による、複数の、独立して制御可能なゾーンにパターニングされたＴＥ材料の共形層を有する、温度安定化デバイスの側部断面図である。
【図３Ａ】[0011]複数の、独立して制御可能なゾーンがない状態で示された図２の温度安定化デバイスの上面図である。
【図３Ｂ】[0012]複数の、独立して制御可能なゾーンがある状態で示された図２の温度安定化デバイスの上面図である。
【図４】[0013]代替の実施形態による図２の温度安定化デバイスによって実施され得る温度コントローラーデバイスを示す図である。
【図５】[0014]例示的な実施形態についての温度に対する出力のグラフである。
【図６】[0015]一実施形態による図２の温度安定化デバイスによって実施され得る温度補償器を示す図である。
【図７】[0016]一実施形態による方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
[0017]以下の詳細な説明では、説明の一部を形成し、本発明が実行され得る特定の例示的な実施形態として示される添付図面が参照される。これらの実施形態は、当業者が本発明を実行できるように十分に詳細に説明されており、他の実施形態が利用されてもよいこと、ならびに本発明の範囲から逸脱せずに機械的な、論理的な、および電気的な変更がなされてもよいことを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味でとらえられるべきではない。
【０００９】
[0018]デバイスの温度安定化のためのシステムおよび方法が本明細書で開示される。一般に、１つまたは複数の熱電（ＴＥ）材料の共形層は、デバイス温度を安定させるために用いられる。以降に記載されるように、ＴＥ材料の共形層の異なるゾーンは、一部の実施形態ではパターニング法で施されることがある。
【００１０】
[0019]本明細書で使用されるように、「共形層」または「共形被膜」は、一実施形態では、ドープされたｎ型材料またはドープされたｐ型材料などの１つの型のＴＥ材料から構成された均質の層または被膜を含むことができる。本実施形態では、導体は、ＴＥ材料の上面および底面の両方に取り付けられている。電流は、一方の導体から、ＴＥ材料を通り、次いでもう一方の導体から外へ出て、ＴＥ材料の温度変化を引き起こす。
【００１１】
[0020]別の実施形態では、「共形層」または「共形被膜」は、ＴＥ材料のドープされたｎ型領域およびドープされたｐ型領域などの２つ以上の異なるＴＥ材料を含むことができる。本実施形態では、別々の導体が、ｎ型領域およびｐ型領域のそれぞれの上面に取り付けられ、もう一人の導体が、ｎ型領域およびｐ型領域の底面に電気的に接続する。温度変化を引き起こすために、電流は、ｎ型領域の上面に取り付けられた導体から、ｎ型ＴＥ材料を通り、次いで底部導体を通り、ｐ型ＴＥ材料へと通り抜け、最後にｐ型領域の上面に取り付けられた導体を通って外へ出る。
【００１２】
[0021]熱電またはペルティエ効果では、ｎ型材料およびｐ型材料などの２つの別個のＴＥ材料を含むＴＥ接点の両端間に印加される電流によって、温度変化が引き起こされる。ＴＥ材料は、発熱および冷却の両方を引き起こすことができ、したがって、一実施形態では、適度な、または低い温度での温度安定化が可能となる。比較的低い安定化温度を使用することによって、高温の標準的なオーブン発熱に関連付けられた問題が低減し、またはなくなり、高温での安定化に関して多くの利点がもたらされる。
【００１３】
[0022]様々な実施形態において、ＴＥ材料は、従来の堅い無機のＴＥ材料ではなく共形層または被覆膜として施される。ＴＥ材料は、ポリマー、ナノ粒子、ポリマーに埋め込まれたナノ粒子、または他の被覆膜を含んでもよい。加えて、異なるＴＥ材料が互いにインターフェースするＴＥ接点を備えた微細構造を有するように異なるＴＥ材料が形成されてもよい。ＴＥ材料は、任意の適切な技法、例えば、限定されることなく、スプレーコーティング、ディップコーティング、スピン、インクジェット印刷、または他の従来の被覆もしくは堆積技法によって共形層または被覆膜として施されてもよい。
【００１４】
[0023]ＴＥ材料は、広範囲の表面形態の上に、例えば、様々な形状および寸法のセンサならびに電子機器を含む構成要素が取り付けられた回路板の表面の上に施され得る。結果として、共形層は、ＴＥ材料が施される回路板のすべての露出面および回路板の領域の構成要素とむらなく熱接触をする、構成要素の上のＴＥ材料の共形層となる。最後に、ＴＥ材料の共形層は、単一の全体的な温度制御だけではなく、異なるゾーン内のデバイス（例えば、回路板）に対する局所的な温度制御が可能となるようにパターニングされてもよい。これによって、結果としてデバイス両端間の温度勾配および温度過渡のより高速の安定化、および著しく良好な制御が行われる。
【００１５】
[0024]本システムおよび方法のさらなる詳細について、図面を参照して説明する。
【００１６】
[0025]図１Ａは、一実施形態による温度安定化デバイス１００を示す。デバイス１００は、１つまたは複数の構成要素１１０が取り付けられた第１の表面１０７を有する基板１０５を含む。ＴＥ材料の単一の共形層１１２は、構成要素１１０を覆う。温度コントローラー１１５および少なくとも１つの温度センサ１１６を含む温度コントローラー回路は、共形層１１２に電気的に結合される。一実施形態において、温度コントローラー回路は、共形層１１２中のＴＥ接点を通る電流を制御するように構成される。
【００１７】
[0026]一実施形態において、デバイス１００は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを含む回路、またはＭＥＭＳデバイスの一部を備える。例えば、デバイス１００は、回転速度測定値を出力するＭＥＭＳジャイロスコープ、またはＭＥＭＳジャイロスコープの一部であってもよい。他の実施形態では、デバイス１００は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または半導体レーザなどの単一の構成要素のデバイスであってもよい。
【００１８】
[0027]一部の実施態様では、基板１０５は、複数のデバイス構成要素が取り付けられたプリント回路板（ＰＣＢ）などの回路基板または回路板を備える。他の実施態様では、基板１０５は、自己完結型の集積回路の基板、半導体レーザの基板などの、温度制御が望まれる別のタイプの表面を含んでもよい。
【００１９】
[0028]構成要素１１０は、様々な形状および寸法を有し、動作において様々な発熱度を引き起こす電気的、光学的、または機械的構成要素を備えることができる。例えば、構成要素１１０は、様々な形状および寸法の、動作において様々な発熱度を引き起こすセンサおよび電子回路であってもよい。異なる実施態様では、構成要素１１０は、例えば、磁気、圧力、および／または慣性測定値などのセンサ測定値を得る、および処理するための全体的なシステムの少なくとも一部を形成してもよい。他の実施態様では、構成要素１１０は、温度の変化による変動を受けやすいデータの出力を生成するクロック、通信、またはその他のデバイスにおいて使用されるような共振もしくはタイミング構成要素を備えてもよい。他の実施態様では、構成要素１１０は、半導体レーザ、光検出器、および導波路などの光学部品を備えてもよい。
【００２０】
[0029]共形層１１２のＴＥ材料は、ポリマー、ナノ粒子、ポリマーに埋め込まれたナノ粒子、または他の被覆膜を含んでもよい。共形層１１２は、ｎ型材料またはｐ型材料などの１つの型のＴＥ材料から構成されてもよい。あるいは、共形層１１２は、異なるＴＥ材料が互いにインターフェースする複数のＴＥ接点を形成する、ｎ型材料およびｐ型材料などの２つ以上の異なるＴＥ材料から構成された微細構造を含むことができる。共形層１１２は、従来の被覆または堆積技法を使用することによって基板１０５上の構成要素１１０の上に施されてもよい。
【００２１】
[0030]例示的な一実施形態では、共形層１１２は、図１Ｂに示すように、均質な層１２０の上面に取り付けられた第１の導体１２２、および均質な層１２０の底面に取り付けられた第２の導体１２４を有するＴＥ材料の均質な層１２０を含む。この構成では、電流は、上面の第１の導体１２２から、ＴＥ材料を通って、次いで底面の第２の導体１２４から外に出る。
【００２２】
[0031]別の例示的な実施形態では、図１Ｃに示すように、共形層１１２は、ＴＥ材料の少なくとも１つのｎ型領域１３０およびＴＥ材料の少なくとも１つのｐ型領域１３２の微細構造の組合せを含む。本実施形態では、第１の導体１３４は、ｎ型領域１３０の上面に取り付けられ、第２の導体１３６は、ｐ型領域１３２の上面に取り付けられている。第３の導体１３８は、ｎ型領域１３０およびｐ型領域１３２両方の底面に取り付けられている。第３の導体１３８は、ｎ型領域１３０およびｐ型領域１３２が互いにインターフェースするＴＥ接点１４０を接続する。この構成では、電流は、ｎ型領域１３２の上面の導体１３４から、ｎ型ＴＥ材料を通り、次いでｎ型領域１３０の底面をｐ型領域１３２の底面に電気的に接続する導体１３８を通り抜ける。次いで、電流は、ｐ型ＴＥ材料を通り抜け、最後にｐ型領域１３２の上面の導体１３６を通って外に出る。
【００２３】
[0032]図１Ｂおよび図１Ｃの実施形態に対して上記された方向と反対方向に電流が通過することもできることを理解されるであろう。また、記載された実施形態の範囲を変えることなく、図１Ｃの上面の導体１３４および１３６が導体１３８の代わりにｎ型領域１３０の底面およびｐ型領域１３２の底面にそれぞれ取り付けられてもよく、一方導体１３８が導体１３４および１３６の代わりにｎ型領域１３０の上面およびｐ型領域１３２の上面の両方に取り付けられてもよいことを認識されるであろう。
【００２４】
[0033]温度コントローラー１１５は、温度センサ１１６からのフィードバックによって温度を監視および制御するために構成された従来の処理装置を使用して実施されてもよい。温度センサ１１６は、基板１０５に取り付けられても、および／または共形層１１２内部に埋め込まれてもよい。一実施形態において、温度センサ１１６は、基板１０５の表面に取り付けられた従来の電子的または機械的なセンサデバイスである。他の実施形態では、温度センサ１１６は、ＴＥ材料から構成されてもよい。例えば、一実施態様では、温度センサ１１６は、共形層１１２を形成するために使用されたものと同一のＴＥ材料から構成されてもよく、温度センサ１１６は、共形層１１２の発熱器／冷却器部分から離れているようにパターニングされる。別の実施態様では、温度センサ１１６は、共形層１１２とは異なるＴＥ材料から構成されてもよく、共形層１１２の発熱器／冷却器部分の下に埋め込まれてもよい。
【００２５】
[0034]動作において、共形層１１２を通る電流は、構成要素１１０の温度を目標温度に維持するように、温度コントローラー１１５によって制御される。代替の実施態様では、目標温度は、デバイス１００の動作範囲に対して低温から中温であってもよい。例えば、デバイス１００が約−５５℃〜約８５℃の通常の動作温度範囲を有する場合、温度コントローラー１１５を、構成要素１１０の温度を中程度の温度範囲内（例えば、約１０℃〜約４０℃）の特定の目標温度に、またはより低い温度範囲内（例えば、約１０℃未満）の特定の目標温度に維持するように動作させてもよい。
【００２６】
[0035]一実施形態において、温度制御は、温度センサ１１６からの温度フィードバックを使用して、温度コントローラー１１５によって達成される。構成要素１１０によって生成された熱は、伝導的に温度センサ１１６に達し、次いで、この温度センサ１１６が温度コントローラー１１５に温度信号を提供し、それによって温度コントローラー１１５が目標温度を維持するようにＴＥ材料を通って注入される電流を調整することができる。
【００２７】
[0036]共形層１１２が２つ以上の異なるＴＥ材料から構成される微細構造を含む場合、ＴＥ接点は、異なる材料が互いにインターフェースする場所に形成される。そのような実施態様では、温度コントローラー１１５は、共形層１１２に電気的に結合され、温度コントローラー１１５によって印加される電流の方向に応じて発熱または冷却効果を引き起こすＴＥ接点を通る電流を注入する。一実施形態において、発熱または冷却の度合いは、接点を通る電流の大きさを調節することにより温度コントローラー１１５によって調整され得る。
【００２８】
[0037]例えば、温度コントローラー１１５は、温度安定化を約２０℃の動作温度に維持するように構成されてもよい。温度センサ１１６が約２０℃よりも小さな（例えば、約−２０℃の）温度を検知する場合、温度コントローラー１１５は、構成要素１１０の発熱を引き起こす方向および大きさを有する、共形層１１２を通る電流を印加することができる。温度センサ１１６が約２０℃よりも大きな（例えば、約５０℃の）温度を検知する場合、温度コントローラー１１５は、構成要素１１０の冷却を引き起こす方向および大きさを有する、共形層１１２を通る電流を印加することができる。
【００２９】
[0038]図２は、別の実施形態による温度安定化デバイス２００を示す。デバイス２００は、デバイス１００に対して上記されたような基板１０５および複数の構成要素１１０をやはり含む。基板１０５の表面１０７は、異なる構成要素１１０が異なる温度制御ゾーン内に存在するように複数の温度制御ゾーンに細分され、これらの温度制御ゾーンが、例えば、図２においてゾーンＡ、ゾーンＢおよびゾーンＣとして識別される。ＴＥ材料の独立した共形層１１２ａ、１１２ｂ、および１１２ｃは、ゾーンＡ、Ｂ、およびＣそれぞれの構成要素１１０の上に施される。ＴＥ材料の共形層は、図１Ａに対して上記されたのと同じように構成要素１１０を暖めるまたは冷やすように独立して動作することができる。
【００３０】
[0039]本実施態様では、構成要素１１０の温度安定化は、区画化されている。すなわち温度制御ゾーンＡ、Ｂ、およびＣそれぞれの内部で、温度安定化は、独立した温度コントローラー１１５ａ、１１５ｂ、および１１５ｃによって維持される。加えて、１組の温度センサ１１６ａ、１１６ｂ、および１１６ｃは、それぞれ、温度コントローラー１１５ａ、１１５ｂ、および１１５ｃにそれぞれ接続される。
【００３１】
[0040]図２は、基板１０５および構成要素１１０が３つの異なる温度制御ゾーンに分割されたようなデバイス２００を示すが、他の実施態様では、任意の数の（すなわち、３よりも大きいまたは小さい）温度制御ゾーンが、本明細書の教示から逸脱せずに設定されてもよいことを認識されるはずである。同様に、温度センサ１１６ａ、１１６ｂ、および１１６ｃは、それぞれ、それら自体が、それぞれの温度制御ゾーンのまわりに分布した複数の温度センサユニットを備えることができる。
【００３２】
[0041]図２に示されるように、ゾーンＡ内に属する基板１０５の領域内の１つまたは複数の構成要素１１０は、共形層１１２ａで覆われている。ゾーンＢ内に属する基板１０５の領域内の１つまたは複数の構成要素１１０は、共形層１１２ｂで覆われている。ゾーンＣ内に属する基板１０５の領域内の１つまたは複数の構成要素１１０は、共形層１１２ｃで覆われている。ＴＥ材料の共形層１１２ａ、１１２ｂ、および１１２ｃそれぞれは、互いに独立して発熱または冷却するようにそれぞれが制御されるように、互いに物理的および電気的に分離されている。
【００３３】
[0042]例えば、ゾーンＡでは、デバイス２００は、温度センサ１１６ａに結合され、さらに共形層１１２ａに結合された温度コントローラー１１５ａを含む温度コントローラー回路を備えることができる。図１Ａに関して上記されたのと同一のやり方で、温度コントローラー１１５ａは、ゾーンＡ内の構成要素１１０を目標温度に維持するように、温度センサ１１６ａからの温度フィードバック信号に基づいて、共形層１１２ａを通る電流を制御する。
【００３４】
[0043]ゾーンＢについては、デバイス２００は、温度センサ１１６ｂに結合され、さらに共形層１１２ｂに結合された温度コントローラー１１５ｂを含む温度コントローラー回路を備えることができる。温度コントローラー１１５ｂは、ゾーンＢ内の構成要素１１０を目標温度に維持するように、温度センサ１１６ｂからの温度フィードバック信号に基づいて、共形層１１２ｂを通る電流を制御する。
【００３５】
[0044]同様に、ゾーンＣについては、デバイス２００は、温度センサ１１６ｃに結合され、さらに共形層１１２ｃに結合された温度コントローラー１１５ｃを含む温度コントローラー回路を備えることができる。温度コントローラー１１５ｃは、ゾーンＣ内の構成要素１１０を目標温度に維持するように、温度センサからの温度フィードバック信号に１１６ｃ基づいて、共形層１１２ｃを通る電流を制御する。
【００３６】
[0045]同一の目標温度設定点（すなわち、温度安定化が望まれる温度）で温度コントローラー１１５ａ、１１５ｂ、および１１５ｃを構成することによって、複数の温度制御ゾーンを、基板１０５上のすべての構成要素１１０にわたって均一の温度を維持するように独立して動作させることができる。すなわち、それぞれの温度制御ゾーンの上に施されたＴＥ材料の共形層のそれぞれは、基板１０５上のすべての構成要素１１０にわたって均一の温度を維持するように独立して発熱または冷却を行うことができる。
【００３７】
[0046]例えば、ゾーンＢ内の構成要素１１０は、動作中にゾーンＡまたはゾーンＣ内の構成要素１１０よりも相対的に多くの熱を生成することができる。本例では、温度コントローラー１１５ａ、１１５ｂ、および１１５ｃは、それぞれ、２０℃の目標温度で構成され、デバイス１００のまわりの周囲温度は、この目標温度よりも冷たい。ゾーンＡ内の構成要素１１０自体がほとんど熱を生成しない場合、温度センサ１１６ａは、２０℃の目標温度未満の温度（例えば−２０℃）を検知することができる。温度コントローラー１１５ａは、目標温度に達し、目標温度を維持するようにゾーンＡ内の構成要素１１０の発熱を引き起こす方向および大きさを有する、共形層１１２ａを通る電流を注入することによって反応する。
【００３８】
[0047]一方で、ゾーンＢ内の構成要素１１０は、温度センサ１１６ｂが２０℃の目標温度よりも大きな温度（例えば、５０℃）を検知するように、著しい量の熱を生成する。温度コントローラー１１５ｂは、目標温度に達し、目標温度を維持するようにゾーンＢ内の構成要素１１０の冷却を引き起こす方向および大きさを有する、共形層１１２ｂを通る電流を注入することによって反応する。この構成によって、基板１０５上のすべての構成要素１１０が同一の温度で動作するように、温度制御ゾーンはそれぞれ独立して調整され、様々な構成要素１１０のそれぞれが機能するように不均衡を低減させることができる。
【００３９】
[0048]図３Ａは、図２について記載された温度安定化デバイス２００の上面図であり、ＴＥ材料の複数の、独立して制御可能なゾーンがない状態で示されている。図３Ｂは、ＴＥ材料の複数の、独立して制御可能なゾーンがある状態で示されたデバイス２００の上面図である。図３Ａおよび図３Ｂは、ゾーンＡ、Ｂ、およびＣ内に、構成要素１１０ならびに温度センサ１１６ａ、１１６ｂ、および１１６ｃをそれぞれ有する、温度制御ゾーンＡ、Ｂ、およびＣに細分された基板１０５の表面の例示的なレイアウトを示す。図３Ａおよび図３Ｂは、温度制御ゾーンを円グラフの扇形部分として示すが、基板１０５の表面は、デバイス２００の温度安定化の必要性を満たすように配置された任意のパターンを使用して、異なる温度制御ゾーンに細分されてもよいことを認識されたい。
【００４０】
[0049]図３Ｂに示されるように、共形層１１２ａ、１１２ｂ、および１１２ｃは、それぞれ、ゾーンＡ、Ｂ、およびＣそれぞれを覆う。施されたＴＥ材料は、特定の温度制御ゾーン内の構成要素および温度センサの上に共形層を形成するためにパターニングされる。ゾーンＡでは、温度コントローラー回路は、温度センサ１１６ａに結合された、共形層１１２ａにも結合された温度コントローラー１１５ａを含む。ゾーンＢでは、温度コントローラー回路は、温度センサ１１６ｂに結合された、共形層１１２ｂにも結合された温度コントローラー１１５ｂを含む。ゾーンＣでは、温度コントローラー回路は、温度センサ１１６ｃに結合された、共形層１１２ｃにも結合された温度コントローラー１１５ｃを含む。
【００４１】
[0050]図４は、代替の実施形態による、温度安定化デバイス２００によって実施され得る温度コントローラーデバイス３１０を示す。温度コントローラーデバイス３１０は、温度コントローラーデバイス３１０に集積化され得る温度コントローラー１１５ａ、１１５ｂ、または１１５ｃのうちの２つ以上を含むことができる。温度コントローラーデバイス３１０は、温度センサ１１６ａ、１１６ｂ、および１１６ｃのうちの２つ以上から温度データを受け取り、それぞれの温度制御ゾーンの温度を制御するためにそれぞれの共形層１１２ａ、１１２ｂ、および１１２ｃに信号を出力する。
【００４２】
[0051]そのような一実施形態では、温度コントローラーデバイス３１０は、温度の関数に基づいて共形層１１２ａ、１１２ｂ、および１１２ｃのそれぞれを通る注入電流を調整する。例えば、一実施形態では、温度コントローラーデバイス３１０は、温度センサ１１６ａ、１１６ｂ、および１１６ｃからの温度データの平均または加重平均に基づいて共形層１１２ａ、１１２ｂ、および１１２ｃのそれぞれを通る電流の注入を調整する。
【００４３】
[0052]本明細書に記載された共形ＴＥ材料層温度安定化スキームのいずれかの下で動作する温度安定化デバイスによって、デバイス両端間の温度が安定することによって、デバイス構成要素のそれぞれが安定した温度範囲内で均一に動作することが可能になる。このことが、図５のグラフに示され、このグラフでは温度に対するデバイス出力が例示的な実施形態についてプロットされている。温度ｔ１から温度ｔ２までは、温度変動による出力誤差が支配的であり、バイアス誤差曲線４１０に沿った、温度ｔ１と温度ｔ２との間の様々な点でさらに特徴づけられ得る。出力「誤差」は、実際の出力の較正された出力からの任意の偏差を指し、この較正された出力が図５においてフィッティングされた３次の多項式として示されている。図５に示されるように、−２５℃あたりの領域などでは、出力誤差が非常に大きい場合があるが、例えば、約０℃で温度が安定化される場合は、出力は、非常にうまく振舞い、誤差は、小さい。
【００４４】
[0053]一実施形態において、出力誤差の公知の特徴づけを使用して、温度安定化デバイスによって生成された測定データに適用される温度補償補正をさらに行うことができる。例えば、図６に示されるように、温度補償器４２０に、温度安定化デバイスからのセンサ出力測定データがロードされてもよい（ブロック４３０）。温度補償器４２０も、温度センサ１１６ａ、１１６ｂ、および１１６ｃのうちの１つまたは複数の温度測定データを受け取る。これらの温度センサは、温度制御ゾーンそれぞれのＴＥ材料の共形層内に埋め込まれてもよい。温度補償器４２０は、公知のバイアス誤差（例えば、図５に示されるバイアス誤差曲線４１０）の特徴づけを用いて、温度安定化デバイスによって生成された測定データに適用される温度補償値を計算することができる。次いで、温度補償器４２０は、温度補償されたセンサ出力測定データを出力する（ブロック４４０）。
【００４５】
[0054]図７は、一実施形態による温度安定化を行うための方法５００を示す流れ図である。様々な実施態様において、方法５００は、全体または一部が、本明細書に記載された他の実施形態のいずれかと組み合わされて使用されてもよい。そのため、以前に述べられた要素に関する記載は、方法５００に対して述べられる同様に命名された要素に適用され、その逆も当てはまる。方法５００は、５１０から始まり、温度安定化の対象とされる、基板の表面上の少なくとも第１のゾーンを識別する。５１０での第１のゾーンの識別は、単一の温度制御ゾーンが画成されることになるデバイスに、または基板の表面が図２または図３Ａ〜図３Ｂに示されるような複数の温度制御ゾーンに細分されることになるデバイスに適用されてもよい。
【００４６】
[0055]次に、方法５００は、５２０に進み、第１のゾーン内の１つまたは複数の構成要素の上にＴＥ材料の共形被膜を施す。温度安定化は、この共形のＴＥ材料を使用して実現される。次いで、方法５００は、５３０に進み、熱電材料の共形被膜に温度コントローラー回路を結合する。温度コントローラー回路は、ステップ５２０でやはりＴＥ材料の共形被膜内に埋め込まれてもよく、さもなければ実装されてもよい温度センサを備えることができ、電流を注入するためにＴＥ材料に電気的に結合された温度コントローラーも備えることができる。発熱または冷却の効果は、温度コントローラーによる印加電流の方向に応じて、第１のゾーン内で引き起こされる。発熱または冷却の度合いは、ＴＥ材料のＴＥ接点を通して注入される電流の大きさを調節することにより温度コントローラーによって調整され得る。次いで、温度センサは、温度コントローラーが目標温度を維持するためにＴＥ材料を通って注入される電流を調整することができるように、温度コントローラーに温度信号を提供する。
【００４７】
[0056]上述したように、多くの実施態様における基板は、プリント回路板などの回路基板または回路板を含むが、用語「基板」は、そのように限定されることは意図されていない。すなわち、上記の実施形態は、温度安定化の対象とされるデバイスとして、基板上の回路および他の構成要素を示しているが、さらなる実施形態および実施態様は、温度制御／安定化が望まれる任意の数の他の対象基板に上記の教示を適用することができる。例えば、共形ＴＥ材料の被膜を使用する温度安定化は、温度安定化の対象とされる「デバイス」または「システム」あるいは「装置」に適用されてもよい。
例示的な実施形態
[0057]実施例１は、第１の表面を有する基板と、基板の第１の表面に取り付けられた少なくとも１つの構成要素と、少なくとも１つの構成要素の上の、熱電材料を含む第１の共形層と、第１の共形層に電気的に結合された第１の温度コントローラー回路であって、第１の共形層を通る電流を制御するように構成された第１の温度コントローラー回路と、を備え、第１の共形層を通る電流が少なくとも１つの構成要素を目標動作温度に維持するように制御される、温度安定化デバイスを含む。
【００４８】
[0058]実施例２は、基板がプリント回路板、集積回路基板、または半導体レーザ基板を備える、実施例１に記載のデバイスを含む。
【００４９】
[0059]実施例３は、少なくとも１つの構成要素が、電気的構成要素、光学的構成要素、または機械的構成要素のうちの１つまたは複数を備える、実施例１から２のいずれかに記載のデバイスを含む。
【００５０】
[0060]実施例４は、少なくとも１つの構成要素がセンサデバイスの一部である、実施例１から３のいずれかに記載のデバイスを含む。
【００５１】
[0061]実施例５は、少なくとも１つの構成要素が磁気センサ、圧力センサ、または慣性測定センサを備える、実施例１から４のいずれかに記載のデバイスを含む。
【００５２】
[0062]実施例６は、センサデバイスが微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスである、実施例４から５のいずれかに記載のデバイスを含む。
【００５３】
[0063]実施例７は、少なくとも１つの構成要素がクロックまたは共振器の一部である、実施例１から３のいずれかに記載のデバイスを含む。
【００５４】
[0064]実施例８は、少なくとも１つの構成要素が半導体レーザ、光検出器、または導波路を備える、実施例１から３のいずれかに記載のデバイスを含む。
【００５５】
[0065]実施例９は、熱電材料がポリマー、ナノ粒子、またはポリマーに埋め込まれたナノ粒子を含む、実施例１から８のいずれかに記載のデバイスを含む。
【００５６】
[0066]実施例１０は、共形層が２つ以上の異なる熱電材料を含み、共形層が、異なる熱電材料が互いにインターフェースする複数の熱電接点を含む、実施例１から９のいずれかに記載のデバイスを含む。
【００５７】
[0067]実施例１１は、異なる熱電材料が、互いにインターフェースし、熱電接点で電気的に接続されている少なくとも１つのｎ型熱電材料領域および少なくとも１つのｐ型熱電材料領域を備える、実施例１０に記載のデバイスを含む。
【００５８】
[0068]実施例１２は、第１の温度コントローラー回路が、第１の共形層に電気的に結合された第１の温度コントローラーと、第１の共形層に接触する第１の温度センサであって、第１の温度コントローラーと通信する第１の温度センサと、を備え、第１の温度コントローラーが第１の温度センサからのフィードバック信号に基づいて第１の共形層を通る電流を制御するように構成される、実施例１から１１のいずれかに記載のデバイスを含む。
【００５９】
[0069]実施例１３は、基板が、それぞれが少なくとも１つの構成要素を含む複数の重なり合わない温度制御ゾーンに細分され、熱電材料の第１の共形層が、温度制御ゾーンの第１のゾーン内の少なくとも１つの構成要素を覆う、実施例１２に記載のデバイスを含む。
【００６０】
[0070]実施例１４は、温度制御ゾーンの第２のゾーン内の少なくとも１つの構成要素を覆う熱電材料の第２の共形層と、熱電材料の第２の共形層に電気的に結合された第２の温度コントローラー回路であって、熱電材料の第２の共形層を通る電流を制御するように構成された第２の温度コントローラー回路と、をさらに備える、実施例１３に記載のデバイスを含む。
【００６１】
[0071]実施例１５は、第２の温度コントローラー回路が、第２の共形層に電気的に結合された第２の温度コントローラーと、第２の共形層と接触する第２の温度センサであって、第２の温度コントローラーと通信する第２の温度センサと、を備える、実施例１４に記載のデバイスを含む。
【００６２】
[0072]実施例１６は、第１および第２の温度コントローラーが単一の温度コントローラーデバイスに集積化されている、実施例１５に記載のデバイスを含む。
【００６３】
[0073]実施例１７は、温度センサに動作可能に結合された、デバイスによって生成された測定データに適用される温度補償値を計算するように構成された温度補償器をさらに備える、実施例１５から１６のいずれかに記載のデバイスを含む。
【００６４】
[0074]実施例１８は、第１の表面を有する回路板と、回路板の第１の表面に取り付けられた複数の構成要素であって、少なくともセンサデバイスの一部を備える構成要素と、回路板の第１の表面上の複数の重なり合わない温度制御ゾーンであって、それぞれが構成要素の少なくとも１つを含む温度制御ゾーンと、温度制御ゾーンの第１のゾーン内の少なくとも１つの構成要素の上の熱電材料の第１の共形層と、熱電材料の第１の共形層に電気的に結合された第１の温度コントローラー回路であって、熱電材料の第１の共形層を通る電流を制御するように構成された第１の温度コントローラー回路と、他の温度制御ゾーンの１つまたは複数の内部の少なくとも１つの構成要素をそれぞれ覆う熱電材料の１つまたは複数のさらなる共形層と、１つまたは複数のさらなる共形層に電気的に結合された１つまたは複数の温度コントローラー回路であって、１つまたは複数のさらなる共形層を通る電流をそれぞれ制御するように構成された１つまたは複数の温度コントローラー回路と、を備え、共形層のそれぞれを通る電流が構成要素を目標動作温度に維持するように制御される、温度安定化システムを含む。
【００６５】
[0075]実施例１９は、デバイスの温度安定化のための方法であって、温度安定化の対象とされる、基板の表面上の第１のゾーンを識別するステップと、基板上の、および第１のゾーン内の１つまたは複数の構成要素の上に熱電材料の第１の共形被膜を施すステップと、熱電材料の第１の共形被膜に第１の温度コントローラー回路を結合するステップと、を含む、方法を含む。
【００６６】
[0076]実施例２０は、温度安定化の対象とされる、基板の表面上の１つまたは複数のさらなるゾーンを識別するステップと、１つまたは複数のさらなるゾーン内にある、基板上の１つまたは複数の構成要素の上に熱電材料の１つまたは複数のさらなる共形被膜を施すステップであって、１つまたは複数のさらなる共形被膜が第１の共形被膜から、および互いに分離されている、ステップと、１つまたは複数のさらなる温度コントローラー回路を１つまたは複数のさらなる共形被膜にそれぞれ結合するステップと、をさらに含む、実施例１９に記載の方法を含む。
【００６７】
[0077]本明細書では特定の実施形態について示され説明されたが、同じ目的を達成するようにもくろまれたいかなる構成も図示された特定の実施形態の代わりに用いられてもよいことを当業者は認識されるであろう。本開示は、本発明のすべての適応形態または変形形態を包含することが意図されている。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることが明白に意図されている。
【符号の説明】
【００６８】
１００  デバイス
１０５  基板
１０７  表面
１１０  構成要素
１１２  共形層
１１２ａ  共形層
１１２ｂ  共形層
１１２ｃ  共形層
１１５  温度コントローラー
１１５ａ  温度コントローラー
１１５ｂ  温度コントローラー
１１５ｃ  温度コントローラー
１１６  温度センサ
１１６ａ  温度センサ
１１６ｂ  温度センサ
１１６ｃ  温度センサ
１２０  均質な層
１２２  導体
１２４  導体
１３０  ｎ型領域
１３２  ｐ型領域
１３４  導体
１３６  導体
１３８  導体
１４０  ＴＥ接点
２００  デバイス
３１０  温度コントローラーデバイス
４１０  バイアス誤差曲線
５００  方法
【図１Ａ】
2016181681.tif 000003
【図１Ｂ】
2016181681.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図２】
2016181681.tif 000006
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
2016181681.tif 000009
【図５】
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【図６】
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【図７】
2016181681.tif 000012
【外国語明細書】
2016181681000001.pdf