热框组件和热循环系统

申请号 CN201420529430.8 申请日 2014-09-15 公开(公告)号 CN204625602U 公开(公告)日 2015-09-09
申请人 生命科技股份有限公司; 发明人 H·S·慎; C·Y·具; W·X·李; C·K·林; C·W·庆; N·拉马钱德兰;
摘要 公开了用于提供热循环仪热均匀性的装置和系统。公开一种包括样本框和两个或更多个热电设备的热框组件。该样本框具有顶部表面和相对的底部表面,该顶部表面被配置成接收多个反应容器。该热电设备可操作地耦合到该样本框,其中每个热电设备包括用于热 传感器 的 外壳 和与 控制器 通信的热控制 接口 。每个热电设备被进一步配置成彼此独立地操作以在整个样本框上提供基本均匀的 温度 概况。
权利要求

1.一种热框组件,包括:
带顶部表面和相对的底部表面的样本框,所述顶部表面被配置成接收多个反应容器;
以及
可操作地耦合到所述样本框的两个或更多个热电设备,其中每个热电设备包括用于热传感器外壳和与控制器通信的热控制接口,其中每个热电设备被配置成彼此独立地操作以在整个所述样本框上提供基本均匀的温度概况。
2.如权利要求1所述的热框组件,其特征在于,所述热电设备中的每一个热电设备还包括与所述样本框的底部表面热接触的顶部表面以及朝向远离所述样本框的相对的底部表面。
3.如权利要求2所述的热框组件,其特征在于,所述外壳是从每个热电设备的边缘表面雕出的沟槽。
4.如权利要求3所述的热框组件,其特征在于,所述顶部表面包括所述沟槽。
5.如权利要求3所述的热框组件,其特征在于,所述底部表面包括所述沟槽。
6.如权利要求1所述的热框组件,其特征在于,所述热传感器是从由热耦、热敏电阻器、铂电阻温度计带隙温度传感器组成的组中选择的。
7.如权利要求1所述的热框组件,其特征在于,所述热传感器可操作地连接到所述样本框。
8.如权利要求1所述的热框组件,其特征在于,所述控制器可被配置成提供两个或更多个控制通道。
9.如权利要求8所述的热框组件,其特征在于,每个控制通道与所述热框组件上的热电设备之一相关联。
10.如权利要求9所述的热框组件,其特征在于,每个控制通道都能够控制所述热电设备之一并且和与所述热电设备相关联的热传感器通信。
11.如权利要求1所述的热框组件,其特征在于,所述控制器包括两个或更多个独立的控制器。
12.如权利要求11所述的热框组件,其特征在于,每个独立的控制器包括计算机处理器。
13.如权利要求12所述的热框组件,其特征在于,所述计算机处理器被配置成控制所述两个或更多个热电设备之一并且和与所述热电设备相关联的热传感器通信。
14.如权利要求1所述的热框组件,其特征在于,所述控制器包括两个或更多个子控制器元件。
15.如权利要求14所述的热框组件,其特征在于,所述两个或更多个子控制器中的每一个可操作地连接到所述热电设备之一。
16.如权利要求1所述的热框组件,其特征在于,还包括散热器,其中所述散热器包括基板散热片,其中所述基板包括顶部表面和相对的底部表面,其中所述顶部表面与所述热电设备的相对的底部表面热接触,且所述散热片悬吊于相对的第二表面。
17.一种热循环器系统,包括:
样本框组件,所述样本框组件包括,
被配置成接收多个反应容器的样本框;以及
与所述样本框热连通的两个或更多个热电设备,其中每个热电设备容纳唯一热传感器;以及
控制器,所述控制器包括具有机器可执行指令的计算机处理单元以及两个或更多个通信端口,每个端口可操作地连接到所述两个或更多个热电设备之一及其相应的热传感器,其中所述机器可执行指令被配置成基于来自每个热电设备的相应的热传感器的温度测量来独立地调整每个热电设备的温度,以在整个所述样本框上提供基本均匀的温度概况。
18.如权利要求17所述的热循环器系统,其特征在于,所述热电设备中的每一个热电设备还包括与所述样本框的底部表面热接触的顶部表面以及朝向远离所述样本框的相对的底部表面。
19.如权利要求17所述的热循环器系统,其特征在于,所述热传感器容纳于从每个热电设备的边缘表面雕出的沟槽内。
20.如权利要求19所述的热循环器系统,其特征在于,所述顶部表面包括所述沟槽。
21.如权利要求19所述的热循环器系统,其特征在于,所述底部表面包括 所述沟槽。
22.如权利要求18所述的热循环器系统,其特征在于,还包括散热器,其中所述散热器包括基板和散热片,其中所述基板包括顶部表面和相对的底部表面,其中所述顶部表面与所述热电设备的相对的底部表面热接触,且所述散热片悬吊于相对的第二表面。
23.一种热框组件,包括:
两个或更多个样本框,每个样本框具有顶部表面和相对的底部表面,所述顶部表面被配置成接收多个反应容器;以及
可操作地耦合到每个样本框以及与控制器通信的热控制接口的两个或更多个热电设备组。
24.如权利要求23所述的热框组件,其特征在于,还包括两个或更多个散热器,其中每个散热器包括基板和散热片,其中所述基板包括顶部表面和相对的底部表面,其中所述顶部表面与所述热电设备的相对的底部表面热接触,且所述散热片悬吊于相对的第二表面。
25.如权利要求23所述的热框组件,其特征在于,每个热电设备包括用于热传感器的外壳。
26.如权利要求23的热框组件,其特征在于,所述控制器包括两个或更多个独立的控制器,其中每个独立的控制器包括计算机处理器且被配置成控制所述两个或更多个样本框和热电设备组之一。
27.如权利要求23所述的热框组件,其特征在于,所述控制器包括计算机处理器和两个或更多个通道,其中所述处理器被配置成控制所述两个或更多个通道中的每一个。
28.如权利要求23所述的热框组件,其特征在于,所述热电设备组中的每一组均包括至少一个热电设备。
29.一种热框组件,包括:
至少一个样本框,每个样本框具有顶部表面和相对的底部表面,所述顶部表面被配置成接收多个反应容器;以及
可操作地耦合到每个样本框以及与控制器通信的热控制接口的至少一个热电设备组。
30.如权利要求29所述的热框组件,其特征在于,还包括至少一个散热器,其中每个散热器包括基板和散热片,其中所述基板包括顶部表面和相对的底部表面,其中所述顶部表面与所述热电设备的相对的底部表面热接触,且所述散热片悬吊于相对的第二表面。
31.如权利要求29所述的热框组件,其特征在于,每个热电设备包括用于热传感器的外壳。
32.如权利要求29的热框组件,其特征在于,所述控制器包括至少一个独立的控制器,其中每个独立的控制器包括计算机处理器且被配置成控制所述样本框和热电设备组之一。
33.如权利要求29所述的热框组件,其特征在于,所述控制器包括计算机处理器和至少一个通道,其中所述处理器被配置成控制所述至少一个通道中的每一个。
34.如权利要求29所述的热框组件,其特征在于,所述热电设备组中的每一组均包括至少一个热电设备。

说明书全文

热框组件和热循环系统

技术领域

[0001] 本公开一般涉及用于热循环仪设备的装置和系统。

背景技术

[0002] 支持聚合酶链式反应(PCR)的热循环是在全世界超过90%的分子生物学实验室中能够找到的普遍技术。
[0003] 为了扩增DNA(脱核糖核酸),使用PCR过程涉及使专配制的液体反应混合物循环经历若干不同温度的孵育期。该反应混合物包括若干组分,包括要被扩增的DNA和至少两个引物,该至少两个引物足以补充样本DNA以能够产生正被扩增的DNA的延伸产品。PCR的关键是热循环的概念:使DNA变性、使短引物退火到所得单螺旋、并且延伸这些引物以制造双螺旋DNA的新副本的交替步骤。在热循环中,PCR反应混合物重复地从约95℃的用于使DNA变性的高温循环到约50℃到70℃的用于引物退火和延伸的较低温度。
[0004] 在某些先前的自动化PCR装置中,样本管被插入到金属框上的样本阱中。为了执行PCR过程,根据PCR协议中用户指定的预定温度和时间来循环金属框的温度。该循环受计算机和相关联的电子器件的控制。在该金属框改变温度时,各个管中的样本经历类似的温度变化。然而,在这些先前装置中,样本温度的差异可能因为样本金属框内的各区域间温度的不均匀性而产生。在该框的材料内存在温度梯度,使得在循环的特定时刻放置在框上的一些样本与其他样本具有不同的温度。这些温度的差异和热传递的延迟能够使得PCR过程的良率在各样本瓶间不同。为了成功而高效地执行PCR过程,并且为了允许专门化应用(诸如量化PCR),必须尽可能地将这些温度误差最小化。当包含样本的区域的大小变得大至如在标准的8乘12微量滴定板中时,使样本框上的各点处的温度的不均匀性最小化的问题变得特别迫切。实用新型内容
[0005] 公开了用于在整个热循环仪样本框上提供热均匀性的装置和系统。
[0006] 在一个方面,公开了一种包括样本框和两个或更多个热电设备的热框组件。该样本框具有顶部表面和相对的底部表面,该顶部表面被配置成接收多个反应容器。该热电设备可操作地耦合到该样本框,其中每个热电设备包括用于热传感器外壳和与控制器通信的热控制接口。每个热电设备被进一步配置成彼此独立地操作以在整个该样本框上提供基本均匀的温度概况。
[0007] 在另一方面,公开了一种热电设备,其包括第一导热层、第二导热层、多个Peltier元件、以及热传感器。该Peltier元件包括半导体材料并且夹在该第一导热层和该第二导热层之间。该热传感器容纳在该第一导热层和该第二导热层之间。
[0008] 在另一方面,公开了一种热电设备,其包括第一导热层、第二导热层、多个Peltier元件、以及开放通道。该第一和第二导热层具有内表面和外表面。该多个Peltier元件包括邻近该第一导热层和该第二导热层的内表面的半导体材料。该开放通道是从该第一导热层和该多个Peltier元件中雕出的,该开放通道暴露该第二导热层的内表面。该开放通道被配置为包含热传感器。
[0009] 在另一方面,公开一种具有样本框组件和控制器的热循环器系统。在各实施例中,该样本框组件包括样本框和与该样本框热连通的两个或更多个热电设备(每个热电设备容纳唯一热传感器)。在各实施例中,该样本框被配置成接收多个反应容器。在各实施例中,该控制器包括具有机器可执行指令的计算机处理单元以及两个或更多个通信端口。在各实施例中,每个端口可操作地连接到该两个或更多个热电设备之一及其相应的热传感器。在各实施例中,该机器可执行指令被配置成基于来自每个热电设备的相应的热传感器的温度测量来调整每个热电设备的温度,以在整个该样本框上提供基本均匀的温度概况。
[0010] 在另一方面,公开一种热框组件,该热框组件具有两个或更多个样本框,两组或更多组热电设备,热控制接口以及控制器。每个样本框具有顶部表面和相对的底部表面,该顶部表面被配置成接收多个反应容器。每组热电设备可操作地耦合到每个样本框。该热控制接口与该控制器通信。
[0011] 在另一方面,公开一种热框组件,该热框组件具有至少一个样本框,至少 一组热电设备,热控制接口以及控制器。该样本框具有顶部表面和相对的底部表面,该顶部表面被配置成接收多个反应容器。该热电设备可操作地耦合到该样本框。该热控制接口与该控制器通信。
[0012] 本文提供了这些及其他特征。附图说明
[0013] 为了更完整地理解本文公开的原理及其优点,现在结合附图参考以下描述,在附图中:
[0014] 图1是图解根据现有技术的样本框组件的框图
[0015] 图2是图解根据各实施例的提供对两个Peltier设备的独立控制的样本框组件的框图。
[0016] 图3A是根据各实施例的一Peltier设备的俯视图。
[0017] 图3B是根据各实施例的图3A的Peltier设备的等轴视图。
[0018] 图3C是根据各实施例的图3A的Peltier设备的横截面图。
[0019] 图4是图解根据各实施例的用于控制样本框组件的温度的多通道功率放大器系统布局的框图。
[0020] 图5是图解根据各实施例的用于控制样本框组件的温度的多模功率放大器系统布局的框图。
[0021] 图6是根据各实施例的热传感器可如何被放置在样本框组件上的横截面图示。
[0022] 图7是根据各实施例的样本框组件的横截面示意图。
[0023] 图8是根据各实施例的多框样本框组件以及各个散热器(heat sink)元件如何与该样本框组件集成的横截面图示。
[0024] 图9是根据各实施例的图解各个单独控制的Peltier设备如何置于样本框之下的框图的俯视图。
[0025] 图10是图解根据各实施例的用于控制样本框组件的温度的固件控制架构的的逻辑图。
[0026] 图11是根据各实施例的可以如何在整个样本框上实现热均匀性的示例性 过程流程图
[0027] 图12是根据各实施例的示出不带集成边缘加热元件的双96阱样本框组件的热不均匀性(TNU)性能概况的一组热分布图。
[0028] 图13是根据各实施例的示出带集成边缘加热元件的双96阱样本框组件的热不均匀性(TNU)性能概况的一组热分布图。
[0029] 图14是根据各实施例的示出不带集成边缘加热元件的双扁平框样本框组件的热不均匀性(TNU)性能概况的一组热分布图。
[0030] 图15是根据各实施例的示出带集成边缘加热元件的双扁平框样本框组件的热不均匀性(TNU)性能概况的一组热分布图。
[0031] 图16是示出对于代表传统技术的样本框组件的带集成边缘加热元件的双96阱样本框组件的热不均匀性(TNU)性能概况的一组热分布图。
[0032] 应当理解,本文呈现的附图未必是按比例绘制的,附图中的物体也未必是按彼此的比例关系绘制的。附图是旨在使对本文公开的装置和系统的各实施例清楚而容易理解的图示。而且,应当理解,附图不旨在以任何方式限制本教导的范围。

具体实施方式

[0033] 本说明书描述了用于在整个热循环仪样本框上提供热均匀性的装置、系统和方法的实施例。本文使用的小节标题仅用于组织目的,而不应被解释为以任何方式限制所描述的主题。
[0034] 将详细参考本公开的各方面,其示例在各附图中示出。只要可能,相同的参考标号将贯穿附图使用来指代相同或类似部件。
[0035] 在各实施例的此详细描述中,出于解释目的,阐述了许多具体细节以提供对所公开的实施例的完全理解。然而,本领域的技术人员将领会,这些各种实施例可在有或没有这些具体细节的情况下实现。在其他情况下,以框图形式示出了各结构和设备。而且,本领域的技术人员容易领会,方法被呈现和执行的具体顺序是解说性的,并且构想其顺序可以改变并且仍在本文公开的各实施例的精神和范围内。
[0036] 本申请中引用的所有文献和类似材料,包括但不限于:专利、专利申请、 文章、书籍、论文以及因特网网页,出于任何目的而通过援引整体显式纳入于此。除非另外定义,这里使用的所有技术和科学术语的意思与本文描述的各实施例所属领域的普通技术人员所公知的一样。当各术语在所并入的援引中的定义看上去与本教导所提供的定义不同时,应当以本教导所提供的定义为准。
[0037] 应当领会,在本教导中讨论的温度、浓度、时间、主要成分的数量、覆盖等之前有暗示的“大约”,使得细微且不显著的偏差在本教导的范围内。在本申请中,单数的使用包括复数,除非另外具体说明。而且,“包括(comprise/comprises/comprising)”、“包含(contain/contains/containing)”、“包括(include/includes/including)”的使用不旨在限制。可以理解,前述一般描述和以下详细描述均仅是示例性和说明性的,且不限制本教导。
[0038] 尽管本教导是结合各实施例描述的,然而本教导不旨在限于这些实施例。相反,本教导涵盖各种替换、修改和等价物,如本领域技术人员将理解的。
[0039] 此外,在描述各实施例时,本说明书可能已将方法和/或过程作为特定步骤序列来呈现。然而,就该方法或过程不依靠此处所阐述的步骤的特性次序而言,该方法或过程不应被限于所述特定步骤序列。如本领域的普通技术人员可以理解的,其他步骤序列是可能的。因此,本说明书中所阐述的步骤的特定次序应被解释为对权利要求的限制。另外,涉及该方法和/或过程的权利要求不应限于以所述次序执行该方法或过程的步骤,并且本领域的技术人员可以容易地理解,序列可以变化并且仍然保持在各实施例的精神和范围内。
[0040] 本文描述的实施例中的一些可用各种计算机系统配置来实践,包括手持式设备、微处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费电子产品、小型机、大型机等。各实施例也可以在其中任务由通过网络链接的远程处理设备执行的分布式计算环境中实现。
[0041] 还应理解,本文描述的实施例能够利用涉及存储在计算机系统中的数据的各种计算机实现的操作。这些操作是那些需要对物理量进行物理操纵的操作。通常但非必须,这些量采用能被存储、传输、组合、比较、以及以其他方式操控的电信号或磁信号的形式。而且,所执行的操控通常按术语指代,诸如产生、标识、确定、或比较。
[0042] 形成本文描述的实施例的一部分的任何操作能够作为机器操作而有用。本 文描述的实施例还可涉及用于执行这些操作的设备或装置。本文描述的装置、系统和方法可专门构造成用于所需目的,或者它可以是由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或配置的通用计算机。具体而言,可以将各种通用机器与根据本文教导编写的程序一起使用,或构造更专门的装置来实现所要求的操作可能更方便的。
[0043] 某些实施例还可体现为计算机可读介质上的计算机可读代码。计算机可读介质是能够存储数据的任何数据存储设备,该数据随后可由计算机系统读取。计算机可读介质的示例包括硬盘驱动器、网络附属存储(NAS)、只读存储器随机存取存储器、CD-ROM、CD-R、CD-RW、磁带和其他光、闪存和非光数据存储设备。计算机可读介质还可分布于网络耦合的计算机系统上,使得分布式地存储和执行该计算机可读代码。
[0044] 一般而言,在PCR的情况下,出于若干原因,可能期望使样本温度尽可能快地在该循环中的所需温度之间改变。首先,该化学反应对于其每个阶段均具有最优温度,并且因此在非最优温度上花费越少的时间可意味着实现越好的化学结果。其次,在任何给定设定点处通常需要设定每个协议的最小循环时间的最小时间,并且在设定点之间的转变中花费的任何时间增加此最小时间。因为循环的数量通常非常大,所以此转变时间可能明显增加完成扩增所需的总时间。
[0045] 每个反应管在该协议的每个步骤期间达到的绝对温度对产品的良率很关键。因为产品频繁经受量化,所以各个管间的产品良率必须尽可能一致,并且因此稳态和动态热不均匀性(TNU)两者都必须在整个框上是优良的(即,被最小化)。
[0046] 本领域的技术人员将理解,许多因素可能有助于降低的TNU。环境影响、样本框材料的同质性、热框组件的各元素间的热界面、经加热的盖的均匀性以及加热和冷却设备的效率是更常见因素的一部分。
[0047] 此外,TNU取决于样本框和靠近该样本框的任何元件和结构之间的温度差异。在样本框组件的一种典型构造中,样本框被物理安装在一装置上,并被机械连接到该装置的元件,这些元件可能处于室温或环境温度。样本框和该装置的环境温度元件之间的温度差异越大,从该框到环境元件的热损耗越大。此热 损耗在样本框的边缘和落处特别明显。相应地,TNU随着样本框和环境元件间的温度差异的增加而降级。例如,TNU在95℃下通常比在60℃下更坏。
[0048] 本领域的技术人员还将熟悉用于改善降级TNU的常见补救手段。诸如包围样本框的经加热的盖几何形状、围绕该框的周边的电边缘加热器以及样本框与环境的隔离等补救手段都是本领域熟知的。
[0049] 对样本的入和泵出可以通过使用各种类型的热电设备(包括但不限于Peltier热电设备)来实现。在各实施例中,这些Peltier设备可由彼此平行地交替放置且串联电连接的n型和p型半导体材料的芯块构造而成。能被用来形成Peltier设备中的芯块的半导体材料的示例包括但不限于:碲化铋、碲化铅、铋化硒以及化锗。然而,应当领会,这些芯块可由任何半导体材料形成,只要在电流流经所得到的Peltier设备时该Peltier设备呈现出热电加热和冷却属性即可。在各实施例中,这些芯块之间的互连可用制成,这些互连可绑定于衬底。可使用的衬底材料的示例包括但不限于:铜、、氮化铝、氧化铍、聚酰亚胺或氧化铝。在各实施例中,衬底材料可包括还被称为矾土的氧化铝。然而,应当理解,衬底可包括呈现导热属性的任何材料。
[0050] 样本框以及因此样本的TNU对于PCR性能而言可能是关键的。TNU的概念在本领域被公知为是通常通过使用TNU测试器具和热协议(或过程)来获得的测量量。此类测试器具可包括多个温度传感器,这些温度传感器被单个地插入到样本框的顶部表面上限定的多个样本阱中。在各实施例中,可在样本框的顶部表面上限定4个阱到多达至少384个阱的阵列。为TNU测量所选择的实际的阱经常在样本框组件的设计期间确定并且可表示样本框的最散热的那些区域。
[0051] 如同上面讨论的,TNU可通过使用TNU协议(或过程)来测量。该协议可驻留于手持式设备或计算机上,它们中的任一者均能够执行机器代码。该协议能够指定期间将测量TNU的上行和/或下行温度或温度设定。取决于被测量的TNU的类型,该热协议可以包括或不包括附加的参数。动态TNU表征从一个温度转变到另一个温度时该整个样本框上的热不均匀性。静态TNU表征样本框在稳态条件期间的热不均匀性。稳态条件通常被限定为保持时间或停留时间。而且,在进行测量时在保持时间期间逝去的时间也很重要,这是因为该框 的不均匀性随着时间增加。
[0052] 例如,TNU协议可指定在将采样框温度在95℃和60℃之间循环的同时进行温度测量。该协议可进一步指定在保持时间或停留时间开始后的30秒测量这些温度。在每个温度和时间周期处,读取器具中的所有传感器并将结果存储在存储器中。
[0053] 随后从从传感器获得的温度读数来计算TNU。有多种分析温度数据的方法。例如,用于计算TNU的一种方法可涉及标识在指定温度点(例如95℃)处从所有传感器记录的最暖温度以及最冷温度。TNU随后可通过从最暖温度中减去最冷温度来计算。此方法可被称为差TNU。
[0054] 计算TNU的另一个示例可涉及标识在指定温度点(例如95℃)处从所有传感器记录的最暖温度以及最冷温度。TNU随后可通过从最暖温度中减去最冷温度并随后将该差除以2来计算。此方法可被称为平均差TNU。
[0055] 一种工业标准(与凝胶数据相比较而设置)可将TNU表达为被定义为约1.0℃的差,或0.5℃的平均差。凝胶数据是指在通过使用琼脂糖凝胶中的电泳来估计DNA扩增的结果时使用的一种分析技术。此技术是微生物学领域的技术人员所熟知的。
[0056] 影响均匀性的最重要的因素之一是各设备之间的热电设备性能的变化。实现良好的均匀性的最困难的时刻在被设定为远离环境温度的恒定温度循环期间。在实践中,这会是将热循环器设定在约95℃或更高的恒定温度处。两个或更多个热电设备可在这些条件下被匹配以制造一组设备,其中这些设备针对给定输入电流各自产生基本相同的温度。在任何给定的组中,热电设备可匹配为在0.2℃内。
[0057] 用于加热和冷却样本框的许多应用利用多个Peltier设备。这在样本数量很大(例如,96个样本、384个样本或大于384个样本)时最常见。在这些情形中,Peltier设备通常在热方面并联并且电气串联以为每个设备提供相同电流量,其期望是每个设备将跨越该框产生基本相同的温度。
[0058] 电流可由常被称为例如控制器、放大器、功率放大器或可调整电源的电路提供。这种控制器还可利用热传感器来指示样本框的一区域的温度以提供热反馈。诸如热敏电阻器、铂电阻元件(PRT)、电阻温度检测器(RTD)、热耦、 双金属设备、液扩展设备、分子状态变化、硅二极管、红外辐射器和硅带隙温度传感器等热传感器设备是能够指示物体的温度的一部分熟知的设备。在一些实施例中,热传感器可靠近Peltier设备且与该样本框区域热连通。在利用多个Peltier设备的传统技术的代表性系统中,所使用的Peltier设备的数量通常是偶数。例如,具有2、4、6或8个Peltier设备的热循环器系统是本领域熟知的。在多设备实现中,Peltier可被分组。例如,4个设备可以是一个4个设备的组或两个2个设备的组。6个设备可以是一个6个设备的组、两个3个设备的组或三个2个设备的组。同样,8个设备可以是一个8个设备的组、两个4个设备的组或四个2个设备的组。分组通常取决于应用。例如,允许梯度的热循环器系统通常利用多个2个设备的分组。在采用多个Peltier设备的所有常规热循环器实现中,任何组内的单个设备通常电气串联,并且因此不能被单独控制。
[0059] 图1是图解根据现有技术的样本框组件的框图。如此处所示,样本框组件10包括样本框11、一对Peltier设备12a和12b、热传感器13以及控制器17。该对Peltier设备12a和12b通过电导管16电气串联并且通过电导管15电气连接到控制器17。热传感器13位于在Peltier设备12a和12b之间提供的空隙18中并且通过电导管14电气连接到控制器17。空隙18对于在样本框11和Peltier设备12a和12b之间以及在热传感器13和样本框11之间提供连续热连通而言是必要的。本领域的技术人员应当理解,图1中所描绘的事物不限于两个Peltier设备,而是可被缩放以应用于任何数量的Peltier设备。应当注意,将热传感器13放置在空隙区域18中并且电气控制串联的Peltier设备12a和12b可不利于实现整个样本框上的良好的热均匀性。这部分是由于来自同时邻近热传感器13的两个Peltier设备的热串扰并且因为即便在样本框上检测到温度不均匀,电气控制串联的Peltier设备也不允许对导向每个Peltier的电流的独立控制以允许温度补偿。图2是图解根据各实施例的提供对两个Peltier设备的独立控制的样本框组件的框图。
[0060] 如此处所示,热框组件20可以包括样本框21、Peltier设备22a和22b、第一传感器23、第二传感器24以及控制器27。图2中示出的配置可以提供对Peltier设备22a和22b的独立控制以补偿在样本框21上检测到的温度不均匀性。这可由通过电导管25将Peltier 22a电连接到控制器27以及通过电导管26 将Peltier设备22b电连接到控制器27来实现。独立控制Peltier设备22a和22b以补偿样本框21上的温度不均匀性可进一步通过分别将第一传感器23和第二传感器24毗邻Peltier 12a和12放置来使能。第一传感器23可通过电导管28电气连接到控制器27,而第二传感器24可通过电导管29电气连接到控制器27。以此方式,Peltier设备22a的温度可取决于第一传感器23所指示的温度,而Peltier设备22b的温度可取决于第二传感器24所指示的温度。
[0061] 然而,应当理解,尽管对Peltier设备的独立控制是期望特征,但是图2中的元件的所示布置不是理想的。这是由于传感器23所测量的读数因为传感器23被放置在Peltier设备22a和22b之间带来的热串扰。即,在图2中示出的配置中,传感器23所测得的温度读数被Peltier 22a和22b的温度的组合干扰,这不利于实现整个样本框21上的良好的热均匀性。
[0062] 图3A、3B和3C示出根据各实施例的Peltier设备的各视图。图3A是Peltier设备30的俯视图,图3B是Peltier设备30的等轴视图,而图3C是Peltier设备30的侧视图。本领域的技术人员将意识到,图3A、3B和3C中示出的Peltier设备的一般布局和构造可以类似于传统Peltier设备,但是具有一些关键差别(如下面所述的)。例如,在各实施例中,Peltier设备30可包括第一导热层31、第二导热层34以及夹在第一导热层31和第二导热层34之间的在本领域中也被称为Peltier元件的多个半导体芯块35。在各实施例中,第二导热层34在一个维度上可比第一导热层31略长,以允许线33的连接以提供用于连接到控制器17的电导管。在各实施例中,可从第一导热层31和Peltier元件35中雕出开放通道32以暴露第二导热层34的内表面36。在各实施例中,开放通道32可以是从该Peltier设备的边缘表面雕刻出的沟槽。在各实施例中,可从第二导热层34和Peltier元件35中雕出开放通道32以暴露第一导热层31的内表面(未示出)。在各实施例中,开放通道32可进一步被配置为包含或容纳热传感器元件,该热传感器元件可用来测量毗邻该热传感器安置的样本框的区域的温度。在各实施例中,该热传感器可被集成到Peltier设备30内的外壳内。在各实施例中,开放通道的大小可适应为特定应用所选择的传感器。
[0063] 本领域的技术人员可认识到,雕刻第一导热层31和Peltier元件35的一部分以形成开放通道32可对跨样本框的TNU带来负面影响。这可以是由在开放 通道32的区域中不存在Peltier元件35所导致的。对TNU的这种潜在的负面影响将在本公开中稍后讨论。
[0064] 图4是图解根据各实施例的用于控制样本框组件的温度的多通道功率放大器系统布局的框图。多通道功率放大器系统可由包括多个电路或通道的控制器电路来表征。在各实施例中,每个通道可以能够向唯一的热电设备提供电信号,诸如电压和/或电流。即,可将一个通道指分配给一个唯一的热电设备。在各实施例中,每个通道进一步能够与位于该唯一热电设备附近(或该唯一热电设备内)的热传感器对接。该热传感器可被配置为将温度测量值转换为能够被控制器电路读取的电信号。在各实施例中,每个唯一热电设备与一热传感器相关联以形成与单一通道通信的热电设备控制单元。在各实施例中,该控制器电路与能够执行机器语言指令的外部处理器和/或其他外部计算设备通信以向该控制器电路提供操作指令和/或控制信号。在各实施例中,该处理器可被嵌入在该控制器电路内或位于该控制器电路外部但是与该控制器电路位于共同的外壳内。在各实施例中,该处理器和/或计算设备可与该控制器中驻留的所有通道通信。在各实施例中,该处理器和/或其他计算设备可使用该控制器的每个通道来基于与每个唯一热电设备相关联的热传感器所提供的电信号来独立控制提供给该热电设备的电压和/或电流。在各实施例中,基于来自传感器的电信号来控制电压和/或电流表示闭环控制系统。在各实施例中,该闭环控制系统能够彼此独立地控制每个热电设备的温度,由此跨该样本框提供基本均匀的温度。
[0065] 如此处所示,样本框组件400可包括样本框410和Peltier设备420a和420b。Peltier设备420a和420b可具有与如图3A和3B中所示的那些构造和特征基本相同的构造和特征。再参考图4,在各实施例中,热传感器430可被容纳或包含在Peltier设备420a的开放通道450中。类似地,热传感器440可被容纳或包含在Peltier设备420b的开放通道460中。在各实施例中,控制器490可具有一个计算机处理器或许多计算机处理器。在各实施例中,该一个或多个计算机处理器可被配置为执行适用于对Peltier设备420a和420b进行热控制的计算机代码。控制器490可进一步被配置为包括两个独立工作的通道470和
480。每个通道可连接到单一处理器或每个通道可具有专用处理器。通道480可电气连接于Peltier设备420a并与热传感器430相关联。类似地,通道470 可电气连接于Peltier设备420b并与热传感器440相关联。控制器490的独立通道能和热传感器430和440分别容纳于开放通道450和460中可以允许对Peltier设备420a和420b的独立温度控制
控制通道的独立性可提供调整每个Peltier设备的温度以便确保靠近每个Peltier设备的样本框的各区域被维持在相同温度。
[0066] 参考图1的热传感器13和图2的热传感器23和24,本领域的技术人员将认识到,使这些传感器紧邻相关联的Peltier设备定位将需要在各Peltier设备间具有足够的空间来容纳这些传感器。如图4中所示的热传感器430在Peltier设备420a的外壳450(例如,通道,沟槽或槽)中的位置以及热传感器440在Peltier设备420b的外壳460(例如,通道,沟槽或槽)中的位置允许减小各Peltier设备间的空隙405。空隙405的减小能够提供进一步的机会来改善整个样本框410上的热均匀性。
[0067] 图5是图解根据各实施例的用于控制样本框组件的温度的多模块功率放大器系统布局的框图。多模块功率放大器可区别于图4中描绘的多通道功率放大器。在各实施例中,多模块功率放大器可被表征为包括多个热控制模块,其中每个模块可以能够向热电设备提供电信号,诸如电压和/或电流。在各实施例中,每个模块进一步能够与位于该唯一热电设备附近(或该唯一热电设备内)的热传感器对接。该热传感器可被配置为将温度测量值转换为能够被控制器电路读取的电信号。在各实施例中,每个唯一热电设备与一热传感器相关联以形成与单一热控制模块通信的热电设备控制单元。在各实施例中,每个模块与唯一处理器和/或能够执行机器语言指令的其他计算设备通信。在各实施例中,该唯一处理器可嵌入在每个模块中或位于每个模块外部。在各实施例中,该处理器可与一唯一热电设备以及与每个模块相关联的一唯一热传感器通信。在各实施例中,与每个模块相关联的该处理器和/或其他计算设备可基于与每个热电设备相关联的唯一传感器所提供的电信号来独立控制至该热电设备的电压和/或电流。在各实施例中,基于来自传感器的电信号来控制电压和/或电流表示闭环控制系统,该闭环控制系统能够彼此独立地控制每个热电设备的温度,由此跨该样本框提供基本均匀的温度。
[0068] 如此处所示,样本框组件500可包括样本框410和Peltier设备420a和420b。 图5还示出:热传感器430可被包含在Peltier设备420a的开放通道450内。类似地,热传感器440被示出为被包含在Peltier设备420b的开放通道460内。在各实施例中,样本框组件500可电气连接于热控制模块570和580。具体而言,Peltier设备420a和相关联的热传感器430可电气连接于独立热控制器580,而Peltier设备420b和相关联的热传感器440可电气连接于独立热控制器570。
[0069] 在各实施例中,独立热控制模块570和580可以是各自包括能够执行适于对Peltier设备和相关联的热传感器进行独立热控制的机器代码的计算机处理器的独立的模块。类似于图4中示出的实施例,控制模块的独立性可提供单独地调整每个Peltier设备的温度以便确保靠近每个Peltier设备的样本框的所有区域都被维持在相同温度的能力。
[0070] 图6是根据各实施例的能够如何将热传感器放置在样本框组件上的横截面图示。如此处所示,样本框组件600包括样本框610、热传感器630以及Peltier设备620。图6还将Peltier设备的各元件示出为包括第一导热层622、第二导热层624、热电芯块626和开放通道640。在各实施例中,热传感器630可被容纳在开放通道640中并且靠近样本框区域650且与样本框区域650热连通。在各实施例中,热传感器630可被容纳在靠近样本框区域650且与样本框区域650热连通的分开且独特的集成外壳(未示出)中。在各实施例中,热传感器630可被集成(未示出)在Peltier设备620内且靠近与样本框区域650热连通的导热层622并与导热层622热连通。
[0071] 在各实施例中,图4-6的框图中示出的热框组件还可包括散热器,该散热器与各热电设备热接触。此类热框组件在图7中示出,图7提供了根据各实施例的样本框组件的横截面图示。如此处所示,热框组件700包括样本框710、Peltier设备720、开放通道750、热传感器730以及散热器740。在各实施例中,散热器740还可包括基板742和从基板的底部延伸的散热片744。散热器740可与Peltier设备720热接触并有助于从样本框710均匀移除(或散发)热量。热框组件700还示出了边缘加热器760的位置。如同前面讨论的,在各实施例中,边缘加热器760可被包括在热框组件中以抵消从样本框到较低温区域的热流动。抵消从样本框的热流动可提供对样本框组件的TNU性能的改善。
[0072] 在一些实施例中,热框组件可包括多于一个样本框。此类样本框组件的示 例在图8中示出,图8提供了根据各实施例的多框样本框组件以及各种散热器元件如何与该样本框组件集成的横截面图示。
[0073] 如此处所示的,样本框组件800可包括样本框810和样本框820。样本框810可以与Peltier设备815热接触,而样本框820可以与Peltier设备825热接触。在图8中示出的实施例中,样本框810和820及其相应的Peltier设备815和825也与散热器830热接触。
[0074] 在各实施例中,图8的样本框组件还可具有多于一个散热器。在此类配置中,样本框组件800的样本框810和820及其相应的Peltier设备815和825可各自与其自己的单独的散热器(未示出)热接触。即,样本框组件800可包括两个或更多个样本框。每个样本框可与一组Peltier设备及一散热器相关联。此类配置可允许对包含在样本框组件800内的每个样本框进行独立热控制。
[0075] 图9是根据各实施例的图解各个单独控制的Peltier设备如何被置于样本框之下的俯视框图。如此处所示,热框组件900可包括多于一个样本框。即,如图所示,样本框910被示出为位于三个Peltier设备(920、930、940)顶上。尽管这三个Peltier设备在样本框910下方不可见,然而被示出在样本框910左侧的多对电连接器915示出了样本框910和相关联的Peltier设备(920、930、940)之间的关系。图9的右侧示出了三个Peltier设备
920、930和940。Peltier设备920、930和940被示出为不具有相关联的样本框且示出了如果样本框910被移除则将暴露什么。而且,Peltier设备920、930和940被布置成使得开放通道925、935和945位于右侧。类似地,尽管未示出,位于样本框910之下的Peltier设备具有类似于开放通道925、935和945的开放通道。在各实施例中,一Peltier设备可位于该样本框的中央区域之下,而附加的Peltier设备围绕该中央Peltier的外周。通过对样本框中央和每一侧提供独立的热控制,此类实施例可有助于改善样本框的热均匀性。然而,在样本框910之下的Peltier设备中的开放通道将位于左侧。在各实施例中,对每个Peltier设备的独立控制允许矫正整个样本框上的小的温度变化。小的温度变化可能出于各种原因而发生,包括但不限于:误配或失配的Peltier设备、样本框和Peltier设备之间不完美的热耦合、Peltier设备和散热器之间不完美的热耦合、样本框的不均匀的导热性、以及热到散热器的不均匀的热扩散。在各实施例中,通过独立使能基于来自(放 置在每个Peltier设备内或附近)热传感器的反馈对每个Peltier设备进行小的电控制调整,由此驱动小的热调整以在整个样本框上提供基本均匀的温度,可将小变化的影响最小化。在各实施例中,驱动小的热调整以使温度的小变化最小化的能力也可有效地使得各设备间的热均匀性的差异最小化。重要的是,要注意,传统技术的代表性系统通常将多个Peltier设备配置为电气串联。尽管串联配置允许多个Peltier设备经受相同的电流,然而串联配置可能阻碍对单个Peltier元件的独立的分立控制。因此,传统技术的代表性系统的能力可能受限并且阻止对单个Peltier设备的小的电控制调整,该小的电控制调整导致小的温度调整以在整个样本框上提供基本均匀的温度。
[0076] 图10是图解根据各实施例的用于控制样本框组件的温度的固件控制架构的的逻辑图。如此处所示,热循环器系统1000示出热框组件1020和通过通信端口1040与控制器1010通信的热控制接口1030。本领域的技术人员将意识到,尽管只示出的一个通信端口1040,然而可包括任何数量的通信端口以便通过一个或多个热控制接口1030来与任何数量的样本框组件1020通信。控制器1010被进一步示出为包括计算机处理器单元1012。计算机处理单元1012能够执行包含在计算机可读介质1014中的机器指令。计算机处理单元1012可以是本领域已知的能够执行包含在计算机可读介质1014中的机器指令的任何处理器。而且,计算机可读介质1014可以是本领域已知的适于该应用的任何类型的存储介质。如先前呈现的,此类计算机可读存储介质的示例包括硬盘驱动器、网络附属存储(NAS)、只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、CD-R、CD-RW、磁带和其他光、闪存和非光数据存储设备。计算机可读存储介质还可分布于网络耦合的计算机系统上,使得分布式地存储和执行该计算机可读代码。
[0077] 图11是根据各实施例的可以如何在整个样本框上实现热均匀性的示例性过程流程图。在步骤1302,提供框组件。在各实施例中,框组件可包括样本框和与该样本框热连通的两个或更多个热电设备。在各实施例中,这些热电设备中的每一个可容纳一唯一热传感器。在各实施例中,在步骤1304,这些热电设备中的每一个可与其相应的唯一热传感器配对以形成唯一的物理热单元。
[0078] 根据各实施例,每个唯一物理热单元可如前所述地被独立控制。独立控制能力可通过使用各种控制器配置来实现,所述控制器配置包括但不限于:多通 道功率放大器和多模块功率放大器。在任一情况下,单一通道或模块可被用来控制单一唯一物理热单元。在各实施例中,唯一物理热单元可被组合以形成虚拟通道。虚拟通道可通过选择性地控制多个物理通道或模块至相同温度设定点以热控制多个热单元来形成。例如,一控制器可具有6个物理通道或模块。6个通道或模块控制器可将唯一物理热单元组合是能够在各大小不同的样本框上提供基本均匀的温度的大小不同的虚拟通道。在各实施例中,例如,6个物理通道或模块可被用来在被配置为8x12阱矩形阵列的96阱样本框上提供基本均匀的温度。在各实施例中,6个物理通道或模块可被组合以形成2个虚拟通道,每个虚拟通道为3个毗邻物理通道或模块的组合。此类配置可在两个48阱样本框或两个86阱样本框上提供基本均匀的温度。在各实施例中,每个48阱样本框可被配置为8x6矩形阱阵列。在各实施例中,每个48阱样本框可被配置为4x12阱矩形阱阵列。在各实施例中,这6个物理通道或模块可被组合以形成3个虚拟通道。此类配置可在三个32阱样本框上提供基本均匀的温度。在各实施例中,每个32阱样本框可被配置为4x8矩形阱阵列。应当理解,物理通道或模块的数量不限于6个,而是大于6或小于6个的任何数量的通道或模块可被包括在本教导中。
[0079] 根据各实施例,热循环器系统可包括热框组件和配置有控制器的基础单元。在各实施例中,该热框组件可从该基础单元移除并用一不同的热框组件来取代。每个热框组件可被配置有一不同的样本框格式。样本框格式可被配置有不同数量的样本阱,包括但不限于16阱、32阱、48阱、96阱或384阱。
[0080] 在各实施例中,样本框的格式可被编码在样本框组件中。编码实现包括但不限于:硬件跳线、电阻性端子、上拉电阻器、下拉电阻器或被写到存储器设备的能够提供适当编码的数据。在各实施例中,经编码的样本框格式可被传递到基础单元和控制器或传递到外部连接的计算机设备。
[0081] 根据各实施例,该基础单元或外部计算机设备可能够解码从该样本框组件传递的框格式。在各实施例中,该基础单元或外部计算机设备可以能够确定什么虚拟通道配置对应于该样本框格式。在各实施例中,该控制器可适当地组合该控制器的各物理通道以带来所需的虚拟通道配置。
[0082] 在步骤1306,每个热单元的温度可用控制器独立控制以在整个样本框上维 持基本均匀的温度。在各实施例中,该控制器可以是与先前在上面已描述的类似的多通道控制器。在各实施例中,该控制器可以是也与上面已描述的类似的多模块控制器。
[0083] 实验数据
[0084] 如同上面讨论的,一种工业标准(与凝胶数据相比较而设置)可将TNU表达为约1.0℃的差,或0.5℃的平均差。TNU值是基于样本框温度测量计算的值。在各实施例中,从位于样本框的特定阱中的一组热传感器获得温度测量。在各实施例中,这些传感器在该样本框中的特定阱位置在该样本框组件的设计阶段期间确定,并可表示该样本框的最热分散的区域。如同先前呈现的,温度测量是通过使用可驻留于手持式设备或其他计算设备(其中任一个均能够执行机器代码)上的协议(过程)来获得的。在各实施例中,该协议(过程)可包括热循环参数,诸如设定点温度和阱(保持)时间。在各实施例中,热测量可在从一个设定点温度到第二设定点温度的转变(渐变)期间进行,以确定动态TNU。在另一实施例中,热测量可在阱(保持)时间期间进行以确定静态TNU。在任一情况下,该协议(过程)可包括将在该阱(保持)时间或转变(渐变)时间中的什么时刻读取测量。
[0085] 例如,TNU协议可指定在将采样框温度在95℃和60℃之间循环的同时进行温度测量。该协议可进一步指定在保持时间或停留时间开始后30秒进行测量。在每个温度和时间周期处,读取固件中的所有传感器并将结果存储在存储器中。
[0086] 随后用从传感器获得的温度读数来计算TNU。有多种分析温度数据的方法。例如,用于计算TNU的一种方法可涉及标识在指定温度点(例如95℃和60℃)处从所有传感器记录的最暖温度以及最冷温度。在各实施例中,静态TNU可在该样本框达到设定点温度后30秒测量。TNU随后可通过从最暖温度中减去最冷温度来计算。此方法可被称为差TNU。
[0087] 计算TNU的另一个示例可涉及标识在指定温度点(例如95℃和60℃)处从所有传感器记录的最暖温度以及最冷温度。在各实施例中,静态TNU可在该样本框达到设定点温度后30秒测量。TNU随后可通过从最暖温度中减去最 冷温度并随后将该差值除以2来计算。此方法可被称为平均差TNU。
[0088] 应当注意,从该样本框温度测量计算的TNU不独立于设定点温度。如同前面呈现的,当该样本框和环境温度之间的温差最大时,从该样本框的热损耗更大。因此,更高的样本框设定点将必定具有更高的TNU。结果是,例如,在95℃的设定点处计算的TNU将大于在较低温度(诸如60℃)处计算的TNU。
[0089] 上面还讨论了在某些系统设计配置中,热框组件可遭受来自该样本框的边缘和角落的热损耗。此外,包括图3中的开放通道32可进一步导致在整个样本框上提供不充分和/或不均匀的热分布,并且有份造成TNU性能的降级。在各实施例中,此热损耗可通过将一个或多个边缘加热器作为该样本框的元件包括在内来缓解。
[0090] 根据各实施例,存在可购得的若干边缘加热器示例。例如,ThermafoilTM加热器TM(明尼苏达州明尼阿波利斯的Minco Products公司)、HEATFLEX Kapton 加热器(堪萨斯州莱文沃思的Heatron公司)、柔性加热器(密苏里州圣路易斯Watlow Electric制造公司)以及柔性加热器(伊利诺州阿灵顿高地的Ogden制造公司)。
[0091] 根据各实施例,该边缘加热器可以是硫化硅橡胶加热器,例如橡胶加热器组件(Minco Products公司)、SL-B柔性硅橡胶加热器组件(宾夕法尼亚州匹兹堡的Chromalox公司)、硅橡胶加热器(加利福尼亚州杭廷顿海滩的TransLogic公司)、硅橡胶加热器(加拿大安大略省斯卡波偌斯市的国家塑料加热器传感器&控制公司)。
[0092] 根据各实施例,可用各种压敏粘合剂膜将该边缘加热器耦合到边缘表面。提供均匀的厚度、并不含气泡是合乎期望的。均匀的厚度提供了均匀的接触和均匀的加热。边缘加热器下的气泡可能导致局部过热以及可能的加热器烧毁。通常,压敏粘合剂在指定温度范围固化。压敏粘合剂膜的示例包括Minco#10、Minco#12、Minco#19、Minco#17、以及Ablefilm 550k(加利福尼亚州多明格斯牧场的AbleStik实验室)。
[0093] 根据各实施例,可用液体粘合剂将边缘加热器耦合到边缘表面。液体粘合剂比压敏粘合剂更适于弯曲表面。液体粘合剂可包括1部分胶(1-part paste)、2部分胶(2-part paste)、RTV、环氧树脂等。通过诸如在混合后对粘合剂抽 真空或对加热器穿孔以允许气泡逃逸等专门技术可基本避免气泡。液体粘合剂的示例包括Minco#6、GE#566(康涅狄格州威尔顿的GE Silicones)、Minco 25#15、Crest 3135AlB(北卡罗来纳州卡里的Lord Chemical)。
[0094] 根据各实施例,可用胶带或收缩带将边缘加热器耦合到边缘表面。收缩带可由Mylar或Kapton制造。代替中间粘合剂层,将粘合剂层移至粘合加热器的顶部。收缩带和伸展胶带的示例包括Minco BM3、Minco BK4以及Minco#20。根据各实施例,粘合加热器可被层压到边缘表面上,例如通过膜。根据各实施例,边缘加热器可机械贴敷于加热表面。例如,有孔眼的边缘加热器已用缆索、Velcro钩和环、有弹簧的金属紧固件、以及有带的独立紧固件贴敷。
[0095] 根据各实施例,边缘加热器所提供的热可均匀分布或不均匀分布。在各实施例中,不均匀的热分布对于补偿如前所述的从样本框到环境的不均匀的热损耗可能更有效。不均匀的热损耗可由样本框的角落比样本框的较长边缘更快地损失热量导致。在各实施例中,不均匀的热分布可通过改变整个边缘加热器上的热密度来提供。此技术例如可补偿如上所述的样本框的边缘和角落之间的不均匀的热损耗。
[0096] 根据各实施例,热分布可以是使得热可被施加到该框的特定区域而不向其他区域提供热。此技术可例如补偿可没有热源的样本框组件的特征或区域。
[0097] 根据可实施例,一个或多个边缘加热器可被如上所述地使用。取决于所需的热,可将边缘加热器固定于样本框的一条边。附加的边缘加热器可被固定于样本框的相对边缘表面或毗邻边缘表面或两个边缘表面。
[0098] 根据各实施例,各个体边缘加热器可被固定于矩形样本框的任何或全部四个边缘表面。使用多个边缘加热器可允许独立控制每个边缘加热器来补偿在执行热协议(或过程)期间样本框的变化的热损耗。
[0099] 这些效果在图12和13中示出的热分布图中示出。在图12和13中,一组热分布图使用从类似于图8中所示出的热框组件测得的热数据描绘了样本框组件的热不均匀性(TNU)性能概况。
[0100] 图12是描绘根据各实施例的示出不带集成边缘加热元件的双96阱样本框组件的热不均匀性(TNU)性能概况的一组热分布图。图12中示出的4个热表面分布图是本领域熟知的并且可通过使用任何数量的软件程序(诸如 Microsoft Excel)来生成。这些表面分布图表示在一组特定条件下在整个样本框(不带边缘加热器)上的温度。作为示例,图12的表面分布图可表示图8中示出的两个样本框的热概况。表面分布图1110和1120分别描绘在约95℃的上行温度设定处的样本框810和820的TNU概况。表面分布图1130和1140分别表示在约60℃的下行温度设定处的样本框810和820的TNU。对于表面分布图1110-1140,根据上面讨论的平均差方法来计算TNU。即,如图12的热分布图所示,在到95℃的上行操作期间样本框(不带边缘加热器)的TNU在约0.43℃到约0.53℃之间。在到60℃的下行操作期间,这些框的TNU在约0.35℃到约0.46℃之间。
[0101] 表面分布图1110示出在该分布图的左侧上的温度的斜坡,而表面分布图1120示出在右侧上的温度的斜坡。通过参考图9,本领域的技术人员将认识到,表面分布图1110和1120上示出的向下的斜坡大致对应于在该样本框下的Peltier设备上定义的开放通道的位置。这种效果在表面分布图1130和1140中也可以观察到。然而,这种效果在表面分布图1130和1140中并不明显,因为样本框温度设定点和环境之间的温差小得多。
[0102] 图13是根据各实施例的示出带集成边缘加热元件的双96阱样本框组件的热不均匀性(TNU)性能概况的一组热分布图。在图13中示出了四个表面分布图1210、1220、1230和1240。类似于图12,表面分布图1210和1220分别表示在约95℃的上行温度设定处样本框810和820的TNU。表面分布图1230和1240分别表示在约60℃的下行温度设定处样本框810和820的TNU。类似于图12的表面分布图,表面分布图1210到1240的TNU也是根据上面公开的平均差方法计算的。
[0103] 然而,图13的表面分布图是边缘加热器被耦合到图8的样本框810和820的基本平坦的边缘表面的结果。边缘加热器与框810和820中的每一个的耦合可类似于图7中的边缘加热器所示出的实现。边缘加热器被配置为在Peltier设备上限定的开放通道的区域中向样本框提供附加的热。附加的热补偿开放通道中的Peltier元件的缺失,同时维持该加热框组件独立控制每一个Peltier设备的能力。
[0104] 本领域的技术人员将注意到,包括边缘加热器对高温下的TNU和低温下 的TNU两者均有积极影响。此外,通过将图12的表面分布图与图13的表面分布图进行比较,能够认识到,包括边缘加热器对这两个样本框的TNU都提供了总体改善。对于先前在图12中公开的0.5℃的平均差方法,图13中示出的所得到的TNU比工业标准好近2倍。即,如图13的热分布图所示,在到95℃的上行操作期间框的TNU(使用平均差方法计算)在约0.26℃到0.28℃之间。在到60℃的下行操作期间,这些框的TNU在约0.24℃到约0.29℃之间。
[0105] 图16是示出对于代表传统技术的样本框组件的带集成边缘加热元件的双96阱样本框组件的热不均匀性(TNU)性能概况的一组热分布图。在图16中示出了四个表面分布图1610、1620、1630和1640。表面分布图1610和1620分别表示在约95℃的上行温度设定处样本框810和820的TNU。表面分布图1630和1640分别表示在约60℃的下行温度设定处类似于样本框810和820的样本框的TNU。然而,在创建表面分布图1610到1640时使用的样本框不同于图8的样本框810和820。图16的样本框包括没有图7的开放通道750的热电设备并且因此不能对单个热电设备进行独立的分立热控制。类似于图13的表面分布图,表面分布图1610到1640的TNU也是根据上面公开的平均差方法计算的。
[0106] 类似于图13的表面分布图,表面分布图1610到1640是边缘加热器被耦合到类似于图8的样本框810和820的样本框的基本平坦的边缘表面的结果。边缘加热器与框810和820中的每一个的耦合可类似于图7中的边缘加热器所示出的实现。
[0107] 本领域的技术人员将注意到,包括具有允许对热电设备进行独立的分立热控制的能力的开放通道的热电设备对于高温处的TNU和低温处的TNU两者都有积极影响。此外,通过将图13的表面分布图与图16的表面分布图进行比较,能够认识到,包括带开放通道的热电设备对这两个样本框的TNU都提供了总体改善。图13中示出的所得到的TNU与图16的热电设备中不带开放通道的传统技术的样本框的TNU相比显示了几乎45%的TNU改善。即,如图13的热分布图所示,与在到95℃的上行操作期间图16的框的(使用平均差方法计算的)TNU(在约0.47℃到0.49℃之间)相比,在到95℃的上行操作期间这些框的(使用平均差方法计算的)TNU在约0.26℃到0.28℃之间。与在到60 ℃的下行操作期间图16的框的TNU(在约0.41℃到0.43℃之间)相比,在到60℃的下行操作期间,图13的框的TNU在约0.24℃到约0.29℃之间。还应当注意,出于先前所述的原因,图13和图16两者的TNU在约60℃的设定点处比约95℃的设定点处更低。因在样本框上包括边缘加热元件带来的TNU概况中的此显著改善在看图14和15的针对双扁平配置样本框组件的热分布图时类似地显著。
[0108] 图14是示出根据各实施例的示出不带集成边缘加热元件的双扁平框样本框组件的热不均匀性(TNU)性能概况的一组热分布图。如图14的热分布图中所示,在到95℃的上行操作期间框的(使用平均差方法计算的)TNU在约0.62℃到0.73℃之间。在到60℃的下行操作期间,这些框的TNU在约0.17℃到约0.23℃之间。
[0109] 图15是示出根据各实施例的示出带集成边缘加热元件的双扁平框样本框组件的热不均匀性(TNU)性能概况的一组热分布图。如图14的热分布图中所示,在到95℃的上行操作期间框的(使用平均差方法计算的)TNU在约0.24℃到约0.32℃之间。在到60℃的下行操作期间,这些框的TNU在约0.15℃到约0.22℃之间。
[0110] 尽管出于清晰和理解的目的较详细地描述了前述实施例,然而本领域的技术人员从对本公开的阅读中显然可以看出,可以进行各种形式和细节改变而不背离本发明的真实范围。例如,上面描述的所有技术、装置和系统可按各种组合使用。
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