诊断测试传感器内的整体温度控制的制作方法

本发明涉及用于测试传感器和其他测定中的一种测试传感器，例如诊断测试传感器或测试条，和一种加热器和热电偶装置，并且涉及一种制造这种测试传感器或装置的方法，以及一种使用该测试传感器或装置进行测定的方法。

背景技术：

大多数诊断测定在某种程度上取决于检测发生的温度。温度测量和校正是一种用来减轻温度对测定响应的影响的方法。

在许多使用一次性测试元件(例如，比如测试条的测试传感器)的便携式诊断装置中，可能难以测量和/或控制测定的温度。温度测量通常在测量仪器内完成，并且该测量的温度可能与测定所在的条的本身的温度完全不同。

在测定反应发生处，能够控制温度将是优选的，但是这需要在测定反应发生的位置的温度测量，以及改变在该位置进行测定的温度的方法。

一种加热测试区域的典型解决方案是提供与测试条接触的加热块。这个解决方案中有许多缺点，因为加热块的热质量限制了对任何期望温度变化的响应时间。进一步地，它通常需要将测试条插入到为加热器块供能的仪器的内部深处，以使其几乎完全靠近加热器块，这增加了测试条的尺寸和污染风险。另外，加热块的温度是已知的，但是需要作出关于到条的热传递以及测定区域的假设，并且对于所有条插入都成立。实际上，不能说这些假设对所有条插入都成立。因此，在假设温度和测定的实际温度之间可能存在差异，并且在从一个条到下一个条的温度测量之间可能存在差异。

需要加热和温度测量方法，该方法应尽可能靠近进行测量的位置；响应时间快；易于使用诊断装置制造中常用的材料和工艺来制造，并且价格足够便宜，以应用于价格合理的一次性使用的测试装置。

核酸测试(nats)也特别需要精确的温度循环(用于基于聚合酶链反应(pcr)的扩增)或受控良好的升温(用于等温扩增方法)。一种将温度精确控制在其所需温度的非常局部、快速响应且准确的方法，将会消耗较少的能量，并使超出所需温度的升高的温度的影响降至最低。

在诊断测试装置(例如测试条)上的印刷加热器的情况下，施加到加热器元件上的电压通常为5-20v(5000-20,000mv)，而来自有关诊断装置的温度范围(例如，从环境温度到100℃)内的热电偶的电压输出通常小于6mv，并且可以小于1mv，即比横跨加热器元件的电压小4个数量级。因此，加热器元件和热电偶必须在物理上和电气上彼此隔离，从而导致为了将热电偶和加热元件放置在相同的位置(或几乎在相同的位置)，至少有五个不同的材料铺设步骤。五个不同的材料铺设步骤通常如下。

任何加热器元件优选具有相应的温度测量以实现更可靠的控制，因为由于加热而导致的材料中批次间的变化以及加热器元件内的变化意味着，对于特定施加的电压不能可靠地预测温度。

us4004948中，smith描述了在不导电基底上的两种不同热元件材料，该基底在将要测量温度的位置处相交。

us4438291中，eichelberger描述了一种使用第一导体、绝缘层和第二导体的低成本热电偶。

wo2005/114649中，smith描述了一种丝网印刷热电偶。

us9786829和wo2011/116303中，grande描述了一种热电偶装置，其包括柔性的非平面基底、第一和第二印刷热电偶元件以及包括该热电偶的医疗装置。通过使用开关电路，可以使热电偶同时用作加热器和温度传感器。

us2009/0325205(也作为us8349259公开)中，fujii描述了一种在生物传感器中使用温度校正的方法。

ep1398997中，nelson描述了一种柔性加热器装置。

lee等人描述了“丝网印刷在柔性微型热电偶工艺开发中的应用(applicationofscreenprintinginflexibleminiaturethermocoupleprocessdevelopment)”，国际电化学科学杂志10(2015)3082-3087。

olsen等人在1979年11月的无线电科学，第14卷，第65期，第81-84页中描述了“非金属热电偶：用于微波领域的温差探头(adifferentialtemperatureprobeforuseinmicrowavefields)”。

可从gsitechnologies获得印刷的柔性加热器和加热元件，网址为http://www.gsitech.com/heater-and-warming-element-printing-ptc/

本发明试图缓解一个或多个上述问题或本领域的问题。

技术实现要素：

在本发明的第一方面，提供了一种测试传感器，其包括加热器和热电偶装置100，该加热器和热电偶装置100包括：基底10；

在基底10上，具有第一电导率的第一导电材料的第一层12包括：第一热电偶元件14；第一连接器轨道16，其连接到第一热电偶元件14；电阻加热器元件20；优选地，其中第一热电偶元件14的至少一部分包括电阻加热器元件20的一部分；

具有第二电导率的第二导电材料的第二层22包括：第二热电偶元件24，其与第一热电偶元件14接触(例如，与第一热电偶元件14一起形成热电偶结50)；第二连接器轨道26，其连接到第二热电偶元件24；以及两个加热器连接器轨道36a、36b，两个加热器连接器轨道36a、36b间隔开，并且连接到第一和第二热电偶元件14、24的各自的侧面上的电阻式加热器元件20的各自部分，例如，电阻加热器元件20的一部分上的一个连接到第一和第二热电偶元件14、24的一侧，且电阻加热器元件20的一部分上的一个连接到第一和第二热电偶元件14、24的另一侧。

通常，测试传感器包括用于容纳样品并进行测定的测试区域，例如，通常是二维区域或样品室或流动路径。流动路径允许样品流动穿过它，而样品室可以简单地容纳样品(例如，来自流动路径或其他地方)。

优选地，第二材料的第二电导率大于，优选明显大于第一材料的第一电导率。在薄膜的情况下，薄片电阻率是电导率的有用度量。当第一材料是丝网印刷的碳膏且第二材料是丝网印刷的银膏，则第一材料的薄片电阻率为每平方200欧姆(ω)@10μm的薄片厚度，第二材料的薄片电阻率为30毫欧姆(mω)每平方毫米@10μm，即第二材料的电导率至少比第一材料的电导率高3至4个数量级。

当通电时，场力线在造成电流和焦耳电阻加热的加热器连接器轨道36a、36b之间延伸。场力线的布局将取决于每个加热器连接器轨道36a、36b和第二热电偶元件24的间隔、方向和布局(例如，相对边缘的外围形状)。

优选地，电阻加热器元件20和加热器连接器轨道36a、36b配置为提供均匀的电场，例如提供横跨电阻加热器元件20的至少一部分的大体上或基本上均匀的电场。当在均匀电场中提供由基本上均匀的电阻率的材料组成的具有均匀几何形状的电阻加热器元件20时，优选横跨电阻加热器元件20的至少50％、或至少80％、或至少90％或至少95％的区域提供均匀的电场13，横跨电阻加热器元件20易于提供基本上均匀的电阻加热。这对于在测试传感器(例如在电阻加热器元件20中或附近的测试区域)中快速准确地加热少量样品尤其有用。这对于经由热电偶50的电阻加热器元件20的温度的精确控制(反馈)也是有用的。

优选地，第二热电偶元件24配置为能够提供均匀的电场，例如提供横跨电阻加热器元件20的至少一部分的大致上或基本上均匀的电场。

第二热电偶元件24可具有在电阻加热器元件20上的自由远端，该自由远端可以是圆形的自由远端。与电阻加热器元件20重叠的区域可以是圆形的，例如半圆形。

优选地，第二热电偶元件24在电阻加热器元件20上的面积为导电轨道36a和36b之间的电阻加热器元件20的面积的≤20％、或≤10％、或≤5％。

优选地，第二热电偶元件24配置为提供均匀的电场，例如横跨电阻加热器元件20的至少一部分和一个或两个加热器连接器轨道36a、36b的大体上或基本上均匀的电场。

优选地，第二热电偶元件24具有至少一个平行于加热器连接器轨道36a、36b其中一个的相对边缘的边缘。

优选地，第二热电偶元件24具有两个平行于加热器连接器轨道36a、36b中的每个的各自的面对边缘(facingedge)。

优选地，加热器连接器轨道36a、36b具有彼此平行的面对边缘(例如，它们的中心纵向轴线彼此平行)。

优选地，加热器连接器轨道36a、36b彼此平行。优选地，这些加热器连接器轨道36a、36b沿其长度均具有恒定的宽度。

优选地，第一和/或第二热电偶元件平行于一个或两个加热器连接器轨道36a、36b(例如，它们的中心纵向轴线彼此平行)。

优选地，第一和第二热电偶元件14中的一个或两个的至少一部分沿着电阻加热器元件20内的恒定温度的区域布置。

优选地，第一和第二热电偶元件24中的一个或两个沿着电阻加热器元件20内的等电势区域布置。

优选地，第一热电偶元件14和/或第一连接器轨道16在第一位置处与电阻加热器元件20的外围76相交，第二热电偶元件24和/或第二连接器轨道26在第二位置与外围76相交，并且第一和第二位置处于相同的温度和/或相同的电势。第一位置和第二位置可以是相同位置，或者它们可以是不同位置。

优选地，第一热电偶元件14和/或第一连接器轨道16与电阻加热器元件20的外围76相交(相遇)的位置，不同于第二热电偶元件24和/或第二连接器轨道26与外围76相交(相遇)的位置。

优选地，第一热电偶元件14和/或第一连接器轨道16与电阻加热器元件20的外围76相交(相遇)的位置的温度，与第二热电偶元件24和/或第二连接器轨道26与外围76相交(相遇)的位置的温度相同。因此，沿着每个各自组合的热电偶元件14、24到各自连接器轨道16、26的“冷的”端的温度下降是相同的。

优选地，第一热电偶元件14和/或第一连接器轨道16与电阻加热器元件20的外围76相交(相遇)的位置的电势，与第二热电偶元件24和/或第二连接器轨道26与外围76相交(相遇)的位置的电势相同。因此，对于两个热电偶元件，从热电偶结50到每个各自的连接器轨道36a、36b的电势梯度是相同的。实际上，优选地，整个热电偶结50沿着相同电势的区域布置，使得电阻加热器20的每一侧的部分暴露在相同的电压梯度下。

优选地，热电偶元件14、24基本布置在加热器连接器轨道36a、36b之间。

优选地，热电偶元件完全布置在加热器连接器轨道36a、36b之间，例如，使得一个或优选两个热电偶元件14、24中，没有一部分延伸超出加热器连接器轨道36a至36b的相对的相应端部之间的直线。因此，优选地，热电偶元件14、24直接布置在连接器轨道的相对部分之间(如图2a中所示)，但它们可能稍微向一侧，即不完全布置在连接器轨道36a、36b之间，见图3c和图13a和13b中的部分a2。

优选地，第一和第二热电偶元件14、24与两个加热器连接器轨道36a、36b等距。

优选地，第一和第二热电偶元件14、24中的一个或两个和/或一个或两个加热器连接器轨道36a、36b中的一个或两个是细长的，可选地是线型的，优选地是矩形的。

优选地，第一热电偶元件14、第一连接器轨道16、第二热电偶元件24、第二连接器轨道26和加热器连接器轨道36a、36b中的至少一个(可选所有)是细长的，优选为基本上矩形、具有窄的横向宽度；换句话说，它们优选为相对细长的结构，例如，与电阻加热器元件20相比。

优选地，加热器连接器轨道36a、36b具有彼此相当(优选相同)的尺寸和/或形状。

优选地，第一热电偶元件14和第二热电偶元件24的长度小于或等于加热器连接器轨道36a、36b中的一个，优选两个的长度。

优选地，第一热电偶元件14和第二热电偶元件24具有基本上相同的尺寸和形状。通常，第一层中的第一热电偶元件14由与其接触的第二层的第二热电偶元件24的尺寸和形状限定。特别是在加热器电阻元件20的区域内，第一和第二热电偶元件将由于第二热电偶元件24相对良好地导热而处于基本上相同的平均温度。

第一和第二连接器轨道16、26优选为连续的，并且优选分别与第一和第二热电偶元件14、24整体地形成。在至少一个实施例中，热电偶结50的一部分(与第一和第二热电偶元件14、24重叠)由布置在加热器电阻元件的外围76外部的第一层的一部分形成，该加热器电阻元件形成第一热电偶元件14的一部分并且与第二层的一部分重叠，第二层形成第二热电偶元件24的一部分，并且布置在加热器电阻元件的外围76的外部。优选地，超出第一层和第二层的加热器20的外围76，以形成第一和第二热电偶元件14、24的一部分的重叠面积很小，优选为热电偶结50(由第一和第二热电偶元件14、24之间的重叠所限定)的总面积的小于20％、更优选小于10％、更优选小于5％。优选地，超出外围76的重叠为零。以这种方式，优选地，尽管热电偶结50可能与外围76相交(相遇)，但是其完全位于加热器元件20的外围76内。

在电阻加热器元件20的外围76之外，温度将下降，但是在外围76之外的第一和第二热电偶元件14、24的重叠区域优选较小。在任何情况下，在外围76之外的第一热电偶元件14和第二热电偶元件24中的每个的温度将彼此紧密相关，并且由于第二层的电导率而可能基本相同。

优选地，电阻加热器元件20具有外围76，并且该外围76具有至少四个边缘(并且优选仅有四个边缘)，并且加热器连接器轨道36a、36b沿着外围76的两个相对边缘(优选沿着一个或两个相对边缘的全部)延伸，使得大部分，优选基本上全部的电阻加热器元件20在加热器连接器轨道36a、36b之间加热。

将理解的是，第二层22可以具有连续部分，但是通常是不连续的，使得第二热电偶元件24将两个间隔开的加热器连接器轨道36a、36b分离且区分开来。

电阻加热器元件可以是任何合适的形状，例如，大体上或基本上为圆形、椭圆形、矩形、长菱形、正方形、菱形和多边形。它可以是细长的，但优选其最长尺寸不超过其最宽尺寸的两倍。优选地，它是四边形，优选地具有两对平行边缘。

优选地，电阻元件20的相对边缘具有相同的长度和/或电阻加热器元件20的每个拐角为90°(基本上90°)。

优选地，电阻加热器元件20、第一热电偶元件14和第二热电偶元件24中的一个或多个配置为，使得指示温度的电压保持基本上不受施加到电阻加热器元件的电压的影响。从本发明中描述的几何形状和布置中显而易见的是，存在有助于这点的各种几何形状和/或布置。

优选地，布置层的几何形状，使得横跨电阻加热器元件20形成的场平行(例如，大体上或基本上平行)于第一热电偶元件14的最上表面(以及当第一和第二热电偶元件14、24彼此直接接触时，因此平行于第一和第二热电偶元件14、24之间的界面)。优选地，该几何形状配置为提供分别横跨热电偶元件14、24的“水平的”最下和最上表面的“垂直的”热电偶结50。如本领域技术人员将理解的，可以从本申请的教导中设想出其他配置(物理布置)，其可用于在本发明的其他实施例中提供平行于第一热电偶元件14的最上表面的电场。

优选地，热电偶结50(两个热电偶元件14、24之间的接触区域)布置在基本上水平的平面内(相对于基底10)。在任何水平的平面内的电场优选为基本均匀的。第二热电偶元件的电导率大于第一热电偶元件(并与之接触)的存在提供了在横向(水平)方向上沿热电偶元件14、24的等电势区域。优选地，另外，沿着加热器连接器轨道36a、36b之间的等电势区域设置热电偶元件24。预期的热电偶电压为几mv。由于施加到电阻加热器元件(沿横向或水平方向)的电压导致焦耳加热，指示接触轨道16、36的“冷的”端部(例如，在接触垫18、38)处温度的任何电压优选忽略不计，即<<mv。

为了进一步解释，优选地，第一和第二热电偶元件(例如形成热电偶结50)沿连接器轨道36a、36b之间的等温线和/或等电势线布置。由于第二热电偶元件24是(相对)高电导率的，因此它在其本身中也将提供等温和等电势的区域。通过沿着连接器轨道36a、36b之间的电阻加热元件20中的等电势区域布置这个相对更导电的第二热电偶元件24，可以实现更均匀的加热。因此，优选地，每个各自的热电偶元件14、24处于相同的“热的”温度，并且它们各自的连接器轨道16、26在接触垫18、28的各自“冷的”或“参考”端部处将经历相同的温度梯度。

第二热电偶元件24可以全部或至少部分地位于电阻加热器元件20上(或下方)的任何位置，但是优选位于中心，优选与每个基本上平行的加热器连接器轨道36a、36b等距。以这种方式，存在连接器轨道36a、36b之间的均匀电场和均匀的电阻加热器元件时，布置在每个各自的轨道36a、36b之间的区域与第二热电偶元件24之间将具有相近的电阻(实际上在加热器连接器轨道36a、36b上的对应点之间和热电偶元件24具有相近的电阻)。

优选地，第二层覆盖第一层。

优选地，第一热电偶元件14、第一连接轨道16、电阻加热器元件20、第二热电偶元件24、第二连接器轨道26、加热器连接器轨道36a、36b中的至少一个(可选所有)是(例如，大体上或基本上)平面的，例如二维的，具有基本上大于基底10上的各自厚度(或深度)的两个横向尺寸。

优选地，第一层12包括连接到第一连接器轨道16的第一接触垫18。

优选地，第二层22包括连接到第二连接器轨道26的第二接触垫28、128a。

优选地，第一层12包括连接到第二连接器轨道26的第二接触垫128。

对于本领域技术人员将显而易见的是，由于从热电偶元件14、24和连接器轨道16、26的“热的”端部到“冷的”端部的热梯度，第一和第二材料(或实际上远离加热器元件20的其他材料)之间的任何额外的结，将不会影响产生的指示温度的电压，因为在这种外部(vitro)设计中，它们将与“冷的”或“参考”端的温度相同。

优选地，第一热电偶元件14、电阻加热器元件20、第一连接器轨道16以及可选第一接触垫18形成第一层12的连续部分，第一接触垫18连接到第一连接器轨道16。

优选地，第二热电偶元件24、第二连接器轨道26以及可选第二接触垫28、128a形成第二层22的连续部分，第二接触垫28、128a连接到第二连接器轨道26。

优选地，热电偶元件14、24与电阻加热器元件20的外周边缘间隔开(优选与外围的两个分别相对的部分等距，例如加热器连接器轨道36a、36b覆盖在其上的两个相对的边缘)。

优选地，从电阻加热器元件20的外围76的一部分到外围76的相对部分，一个或两个热电偶元件14、24横跨电阻加热元件20延伸。

优选地，一个或两个热电偶元件14、24的远端或末端与外围76相遇，但是它们的一个或两个可以停止在外围少量处，或者可以延伸超过该外围少量。超出外围的任何这种非重叠的延伸都是无关紧要的。

优选地，第一热电偶元件14和第二热电偶元件24彼此不重叠，或者在电阻加热器元件20的外围76之外重叠很小的程度，优选最小程度地重叠。

优选地，相对于第二连接器轨道26与外围76相交的部分，第一连接器轨道16与电阻加热器元件20的外围76相交(相遇)于相对的部分，优选外围76的直接相对的部分。

优选地，第一热电偶元件14和第二热电偶元件24的重叠基本上，优选完全地布置在电阻加热器元件20的外围76内。

优选地，第一和第二热电偶元件14、24的重叠(即布置在电阻加热器元件20的外围76外部的热电偶结50的区域)很小，并且优选忽略不计。

优选地，第一材料选自半导体材料、碳、铋、康铜、硅、锗、锑、铁、镍铬合金(例如，镍和铬(可选铁)合金)和钼中的一种或多种；和/或者第二材料选自金属、银、铜、金、铝和镍中的任何一种或多种。

优选地，第一和第二材料的相对塞贝克系数为5-65μv/k、或10-50μv/k、或10-25μv/k、或15至20μv/k或17μv/k。

优选地，电阻加热器元件20限定加热的测试区域。

优选地，测试传感器包括用于容纳样品的样品室和/或流动路径。

优选地，第一热电偶元件14和第二热电偶元件24以及电阻加热器元件20位于样品室附近或内部，和/或流动路径附近或内部。

样品室可以由流动路径提供，例如毛细流动路径，或者可以通过毛细流动填充到其中。可替代地，此外，样品室可具有开放的侧壁或顶部部分以促进样品的引入，例如在重力作用下。

在本发明的第二方面，提供了加热器和热电偶装置100，该加热器和热电偶装置100包括：基底10；

在基底10上，具有第一电导率的第一导电材料的第一层12包括：

第一热电偶元件14；

第一连接器轨道16，其连接到第一热电偶元件14；

电阻加热器元件20；

以及其中第一热电偶元件14的至少一部分由电阻加热元件20的一部分构成；

具有第二电导率的第二导电材料的第二层22包括：

第二热电偶元件24，其与第一热电偶元件14接触(例如，与形成热电偶结50的第一热电偶元件14一起)；

第二连接器轨道26，其连接到第二热电偶元件24；和

两个加热器连接器轨道36a、36b，其间隔开并且连接到电阻加热器元件20的各自的部分，每个在热电偶元件14、24的各自的侧面上。

在本发明的第三方面，提供了一种制造如本文所述的测试传感器或热电偶或装置的方法，该方法包括：

设置基底10；

设置基底10上(例如通过湿式或干式沉积，例如涂漆、丝网印刷)的具有第一电导率的第一导电材料的第一层12，其包括：

第一热电偶元件14；

第一连接器轨道16，其连接到第一热电偶元件14；

电阻加热器元件20，其中第一热电偶元件14的至少一部分由电阻加热器元件的一部分构成；

以及

设置基底10上的具有第二电导率的第二导电材料的第二层22，其包括：

第二热电偶元件24，其与第一层的一部分接触以形成第一热电偶元件14(例如，与形成热电偶结50的第一热电偶元件一起)；

第二连接器轨道26，其连接到第二热电偶元件24；

两个连接器轨道36a、36b，其间隔开并且连接到电阻加热器元件20的各自的部分，每个在第一和第二热电偶元件14、24的各自的侧面上。

优选地，在第二层之前将第一层铺设在基底上。

在本发明的第四方面，提供了一种进行测定的方法，该方法包括：为本文所述的测试传感器、或加热器和热电偶装置提供样品室和/或流动路径；将样品引入样品室和/或流动路径；使用加热器和热电偶装置加热样品；对样品进行测量；可选地，允许样品冷却并重复测量；可选地，将样品保持在预定温度并重复测量。

在一个实施例中，本发明涉及在一次性测试条内的热电偶控制的加热元件，该一次性测试条使用(优选仅使用)生物传感器制造中常用的材料，并且具有减少的，优选最少的材料沉积步骤。优选地，用相同的材料来构造加热元件和热电偶结。

如上所述，描述了本发明的几个实施例，并且任何一个或多个实施例的任何一个或多个特征可以用于本发明的任何一个或多个方面。

附图说明

参考以下附图，现在将描述本发明(仅以举例的方式)。在该文件中，相同的附图标记指代相同的特征，并且附图标记用于说明的目的而不被视为限制性的。

图1a示出了第一导电材料的第一层的平面图。

图1b示出了第二导电材料的第二层的平面图。

图2a示出了图1a和1b的第一层和第二层的平面图，第二层叠加在第一层上以形成用于测试传感器的整体的加热器和热电偶。

图2b示出了图2a沿aa的侧视截面图，示出了热电偶结50。

图2c示出了图2a沿正交于a-a的b-b的侧视截面图，示出了热电偶结60。

图3a示出了用作测试传感器的加热器和热电偶装置的平面图，该测试传感器具有第一导电材料的第一层，此处的第一层具有连续的部分(14、16、18、20)和不连续的部分(128、138a、138b和一起作为连续部分的14、16、18、20与第一层的其余部分不连续)。

图3b示出了用于图3a的装置中的第二导电材料的第二层的平面图，此处的第二层具有三个不连续的部分(24和26、36a和136a、36b和136b)。

图3c示出了包括图3a和3b的第一层和第二层的加热器和热电偶装置100的平面图，第二层叠加在第一层上以形成热电偶结50(包括第一和第二热电偶元件14、24)，和加热器60(包括电阻加热器元件20和间隔开的加热器连接器元件36a、36b)一起形成用于测试传感器的整体的加热器和热电偶装置100。

图4示出了根据本发明的一个实施例，横跨电阻元件，在原型装置上测量的表面温度与电压的图。

图5示出了在原型装置中横跨热电偶接触(或更准确地由热电偶50，例如，相对于“冷的”结产生)的压差与加热器元件(外部)测量的温度的图。

图6示出了在原型装置中的加热器60的两个开/关循环期间，横跨热电偶接触(或更准确地由热电偶50，例如，相对于“冷的”结产生)的放大的压差的图。

图7示出了温度与时间的图，示出了在带的表面处的外部测量的温度(正方形)和根据本发明在测试台显示器上的印刷加热器和热电偶装置的校准输出温度(菱形)。

图8示出了温度与时间的图，示出了当集成加热器和热电偶装置的原型中的相关联的加热器启动时，印刷热电偶的校准输出温度。

图9a示出了测试传感器的示例布局的平面图，其中在单个样品流动通道内提供了两个连续的相邻样品区域，每个区域均具有整体的加热器和热电偶装置100。

图9b示出了沿着线cc的图9a的加热区域的其中一个的侧视截面图。

图10a示出了两个分开的加热样品区域的平面图，每个加热样品区域都具有整体的加热器和热电偶100。为了简单起见，没有示出样品容纳特征(例如绝缘层80)。

图10b示出了沿线dd的图10a的两个分开的加热样品区域的侧视截面图。

图11a示出了用于测试传感器的示例性布局的平面图，其中分开的样品区域在两个分开的侧向流动通道(从相同的主流动通道引出)的每个中具有整体的加热器和热电偶100。

图11b示出了沿线ee的图11a的侧视截面图。

图12a和12b示出了在替代实施例中的本发明的整体的加热器和热电偶装置的平面图。为了简单起见，加热器连接器轨道36a、36b未示出，但是至少在图2a、2c、3c和10a中示出了这些示例。

图13a和13b示出了在另一替代实施例中的本发明的整体的加热器和热电偶装置的平面图，再次省略了加热器连接器轨道36a、36b。

图14a和14b示出了在另一替代实施例中的本发明的整体的加热器和热电偶装置的平面图，再次省略了加热器连接器轨道36a、36b。

图15示出了在另一替代实施例中的本发明的整体的加热器和热电偶装置的平面图，此处示出了具有示例性场线f的加热器连接器轨道36a、36b。

图16a和16b示出了根据本发明的另外的替代实施例中的整体的加热器和热电偶装置的各自的平面图，在这里从下面看，好像通过透明(transparent)基底一样，实际上可以使用透明基底。

图17b示出了实际装置的照相平面图，例如图16a或16b示出的装置(此处省略了右边的加热器连接器轨道136a)。

图18示出了示例性实施例中的示意性控制电路，用于控制、供电和得到来自测试条上的热电偶、指示温度的测量。

图19示出了当加热器启动且以20秒的间隔在50℃和60℃之间循环时的时间时，脉宽调制器(pwm)输出(指示施加到电阻加热器20的电压以及因此指示加热器温度)和测量的温度℃(由“热的”结(热电偶50)和远处的“冷的”结之间测得的电压指示)随时间的变化的图。

图20与图19类似，示出了加热器20启动并按要求达到70℃的设定点，然后在60秒后关闭——示出了130秒(40至170秒)的时间段。

图21与图20类似，示出了以30秒的间隔在40℃至60℃之间的循环。

具体实施方式

本领域技术人员将理解，任何材料特性、温度、电势、电场、尺寸、形状等等以及方向(例如高度、深度、宽度、横向、平面、水平等)都应理解为用于分析和诊断中使用的装置(例如测试传感器和测试条)的用途、公差和限制内，并且这些术语应该与其结合。此外，将术语测试条用作测试传感器的示例，流体(通常是液体)样品在该测试传感器上测试。该术语无意于限制性，并且可能使用的本发明的测试传感器具有各种形式、尺寸和形状，并且测试条(任何尺寸或形状的相对刚性的，通常为平面的测试装置)是一个特别优选的示例。

本发明的加热器和热电偶装置100是提供加热和控制两个功能的集成装置。当形成包括基底时它特别有用，并且其中基底通常是大体上或基本上平坦的，并且可以形成测试传感器(例如测试条)的主基底。

在图1a中，将第一导电材料的第一层12铺设在基底10(未示出)上。第一层12包括第一热电偶元件14、第一连接器轨道16、第一接触垫18和电阻加热元件20。四个组件(在此示例中)形成第一层12的连续部分。层12可以具有另外的部分，例如，与图1a(未示出)中示出的部分相似或相同的另外的连续(和/或实际上不连续)的部分，或实际上不同的单独的部分(未示出)。因此，可以在一对第一层12和第二层22中形成本发明的多个加热器和热电偶装置。

可以提供干燥的薄膜形式的第一层12(和/或下面描述的第二层22)，该干燥的薄膜具有(在构造之前)两个相对的、大致平行的平坦表面。或者，可通过湿式沉积技术(例如丝网印刷)形成一个或两个表面，当干燥时，湿式沉积技术形成两个大致平行的平坦表面，其中一个暴露，其中另一个隐藏并与它沉积的表面接触。

电阻加热器元件20在这里显示为四边形(此处为正方形)，该四边形具有形成其外围76的两对相同长度的相对的平行侧边。电阻加热器元件20可以有任何合适的尺寸和形状，但如在基底10(基底10上沉积有电阻加热器元件20)的最上暴露表面以及电阻加热器元件20的沉积方法(例如湿式或干式沉积)所确定的那样，电阻加热器元件20优选为大体上或基本上平坦。电阻加热元件将由第一材料的电导率以及它的形状和尺寸(高度、宽度、深度等)确定。在此，第一材料优选具有相对较高的电阻率(与第二材料相比——见下文)，并且其优选具有(例如，大体上或基本上)均匀的电阻率，以促进更均匀的加热。第一热电偶元件14形成电阻加热器元件20的一部分，此处是从正方形外围76的一侧跨向相对侧的加热元件20的矩形部分，但在制造的这一阶段尚未限定(尽管可能如此)。

在图1b中，已经铺设了第二层22，第二层22包括具有第二电导率的第二导电材料的三个分开的部分。优选地，将第二层22铺设在第一层12上，但是可以将第一层12铺设在第二层22上以达到类似的效果并提供相同的功能。优选地，它们在形成直接界面的重叠的区域中彼此直接接触。第二层22包括具有恒定宽度(在该示例中)的窄的、矩形的(在平面图中可见)第二热电偶元件24，该第二热电偶元件24连接到第一连接器轨道26，该第一连接器轨道26转而连接到并终止于第二接触垫28。第二层22还包括间隔开的加热器连接器轨道36a和36b，该加热器连接器轨道36a和36b的间隔、尺寸和形状设为与电阻加热器元件20的外围76的相对边缘重叠，电阻加热器元件20向第一热电偶元件14和第二热电偶元件24的每一侧提供一个连接器轨道36a、36b。加热器连接器轨道36a和36b在这里也是窄的、矩形的形状、是细长的且具有恒定宽度(在这个示例中)。它们通常连接到并终止于具有较宽宽度的连接器垫38a和38b。第二层22包括具有第二电导率的第二材料，第二电导率与第一层12的第一材料的电导率相比来说相对较高。加热器连接器轨道36a、36b可以与电阻加热器元件20直接或间接地接触。

因此，两种材料都具有电荷迁移率(chargemobility)载体，并且可以是导电或半导电材料。然而，选择第一材料和第二材料使得两种材料具有不同的塞贝克(seebeck)系数。比起特定材料的绝对值，讨论两种材料之间的相对塞贝克系数要更容易。已知材料的相对塞贝克系数包括镍铬合金-康铜和镍铬合金-镍铝金的塞贝克系数。对于标准热电偶类型，相对塞贝克系数的范围从e型热电偶(镍铬合金-康铜)的60μv/k到b型(铂(30％铑)-铂(6％铑))的8μv/k。最常见的热电偶可能是相对塞贝克系数为40μv/k的k型(镍铬合金-镍铝金)。在我们的示例中，可以从图5确定相对塞贝克系数为约17μv/k。

对于包括加热器元件的第一材料，可以使用的材料包括任何一种或多种材料，例如碳、铋、康铜、硅、锗、锑、铁、镍铬铁合金、钼等，而对于用于高电导率的轨道36a、36b、136a、136b的第二材料，可以使用任何一种或多种材料，例如包括银、铜、金、铝和镍等的金属。根据本发明，其他的材料和材料组合将是显而易见的。

在图2a至2c中，第二层22示出为覆盖第一层12。现在可以看出，第二热电偶元件24与连接器轨道36a和36b之间的电阻加热器元件20的中心部分重叠，并且此处第二热电偶元件24是矩形的。因此，第二热电偶元件24限定了第一层12的一部分，并且典型地限定了将形成并用作第一热电偶元件14的电阻加热器元件20。第一热电偶元件14和第二热电偶元件24重叠，并且优选地彼此直接地接触以及具有相同的尺寸和形状，在此为矩形、并且更加细长、平行于并中心地位于加热器连接器轨道36a、36b之间。加热器连接器轨道36a、36b中的每个的各自的相对边缘和第二热电偶元件24的相对边缘优选彼此平行，以使场力线在它们之间垂直且均匀地延伸从而提供均匀的电场。优选地，第二热电偶元件24的两侧上的场力线彼此平行。

在第二热电偶元件24的最下表面与电阻加热器元件20的一部分(在此为第一热电偶元件14)的最上表面接触的界面处形成热电偶结50(在图2b中最佳可见)。因此，第一热电偶元件14包含与第二热电偶元件24接触的电阻加热器元件24的一部分，该电阻加热器元件24形成热电偶结50。

第一热电偶元件和第二热电偶元件优选彼此直接接触，以形成第一(例如“热的”)热电偶结，使它们彼此处于相同的温度下。在任何热电偶布置中，都依赖于知道“冷的”或“参考”结的温度来确定与第一“测量”或“热的”结的差别，并因此确定第一“测量”或“热的”结的温度。第二(例如“冷的”或“参考”)结通常位于远离任何热源的控制仪器(例如计量装置)中。可以在控制仪器中提供校准温度计。优选地，控制仪器的温度以及因此“冷的”或“参考”结的温度在测量的时期内基本上是恒定的。实际上，优选地，“热的”或“测量”结的温度在测量的时期内基本恒定。然而，将理解的是，从一个测量到另一测量时温度可能会变化。实际上，在示例实施例中，这个“冷的”结可以位于相同的基底上，但要远离“热的”结。

加热器连接器轨道36a和36b将电阻加热器元件20的外围76的相对边缘连接到接触垫38a和38b，使得可以横跨连接器轨道36a和36b之间的区域中的电阻加热器元件20传递功率。因此，电阻加热器元件20和连接器轨道36a和36b形成了加热器60，如众所周知的那样，可以通过电阻焦耳加热对该加热器60进行加热。

由于第二材料的电导率相对较高，所以沿着各自的连接器轨道36a、36b的每个的电压将是沿着其长度的各自的恒定(但是不同)的值。因此，在通电时，场力线在平行的连接器轨道36a和36b之间延伸，并且横跨通过焦耳加热进行加热的电阻加热器元件20形成均匀的电场。然而，跨过电阻加热器元件20延伸的第二热电偶元件24也由相对高电导率的第二材料形成。因此，第二热电偶元件24也代表着等电势的区域。此外，优选地沿着期望的相等温度，且还优选在加热器连接器轨道36a和36b之间等电势(由于所选择的几何形状和布局布置)的区域布置第二热电偶元件24。

在第二热电偶元件24的区域中，在形成第一热电偶元件14的电阻加热器元件20的部分内将有少的焦耳加热或最小的焦耳加热，因为电流会优先流经较高电导性材料的第二热电偶元件24。出于这个原因，优选第二热电偶元件24相对较窄(例如，宽度为1mm或0.5mm、0.25mm或更小)，以限制在第一热电偶元件14的区域中的电阻加热器元件20内的加热的减少，并确保这个“未加热”区域很小，且通过来自加热器元件20上相邻区域的传导和辐射迅速加热该“未加热”区域。同样对于这个区域，第二热电偶元件24也优选地沿着连接器轨道36a和36b之间的电阻加热器元件20的中心线布置，使得通过第二热电偶元件24，横跨电阻加热器元件20的电流动路径径不会按透视法缩短(例如，假如它与中心线成一定角度)。如果它处于这种角度，这将导致电阻加热元件的区域被电流旁路并且因此不被加热。

此外，通过将第二热电偶元件24布置在第一导体轨道36a和第二导体轨道36b之间并与它们平行，场力线(相对地)不受干扰并且从第一导体轨道36a均匀地(并且通常垂直地)延伸到第二热电偶元件24，并且从第二热电偶元件24到第二加热器连接器轨道36b。实际上，第一热电偶元件14和第二热电偶元件24，特别是第二热电偶元件24，具有两个长边缘，该两个长边缘与连接器轨道36a、36b的面对边缘相对并且基本平行，这有利于在这些相对的平行边缘之间形成均匀的电场。当第二热电偶元件24具有两个平行边缘(如在这里是矩形)并且连接器轨道36a、36b是彼此的镜像，并且优选具有与第二热电偶元件24的边缘平行的面对边缘时，则从一个连接器轨道36a到第二热电偶元件24的场力线将平行于从第二热电偶元件24到另一个连接器轨道36b的场力线(除了第二热电偶元件24e的任何自由远端附近，例如它缺失外围76而终止，如参见图3c)。

在图2b和2c中分别示出了截面aa和bb，图2b和2c示出了第一层12在基底10上并且随后第二层22在基底10和第一层12上的布置。示出了在第一热电偶元件14和第二热电偶元件24相遇的界面处形成的热电偶结50。应该理解的是，可以选择性地将另外的层(例如防水层)施加到连接器轨道36a和36b之间加热的电阻加热器元件20的区域上之后，施加待加热的样品。可以看出，在这个示例实施例中，连接器轨道36a和36b具有与第二热电偶元件24相似的尺寸、形状和取向。还可以看出，第二热电偶元件24居中放置在轨道36a和36b之间，并且此处沿其长度彼此等距。此外，它优选具有相同的长度(如图2a所示)。这些布置通过以第二热电偶元件24形式的介入导电构件的存在，有助于使电场受到的干扰尽可能小，并且提供了横跨(例如，大体上或基本上)整个电阻加热器元件20的(例如，大体上或基本上)均匀加热。此外，第一热电偶元件14和第二热电偶元件24的温度将沿着热电偶结50的长度(例如，大体上或基本上)相同。

值得注意的是，特别是在图2c中，与连接器轨道36a和36b的整体间距相比，第一和第二热电偶元件24的相对宽度相对较窄，例如，窄5到10倍。

从图1a和1b以及2a到2c可以看出，如果使用组件的特定几何形状，并结合适当的材料选择，则不同材料和铺设步骤的数目可以从五减少到二，即步骤1——铺设电阻加热器元件20，该电阻式加热器元件20包括在第一层中的第一热电偶元件14；和步骤2——铺设加热器连接器轨道36a和36b以及第二热电偶元件24。通常，步骤1将在步骤2之前进行，但这不是必需的，因为可以先形成第二层，然后在其上覆盖第一层。

在图1a至2c中，在一个实际实施例中，连接器轨道36a、36b是细长的并且彼此平行，并且第一(和第二)热电偶元件14、24是细长的并且平行于连接器轨道36a和36b。优选地，它们在连接器轨道36a、36b之间的中间。第二热电偶元件24的近端和远端在两个相对的位置(参见图2a)与外围76相遇，下面的第一热电偶元件14也是如此。第一和第二连接器轨道16、36分别在彼此相对的位置处与外围76相遇。实际上，在图2a中，第一连接器轨道16并不完全与外围76相遇，因为其从第二热电偶元件24终止的地方开始，但是如果这样做则将是优选的。设计细节和布局布置中的这种重叠和细微变化可能取决于所选沉积方法的容差。

从图1a至2c还可以看出，优选以这种方式形成热电偶结50：由于电压通过连接器轨道36a、36b施加到加热器元件20，横跨热电偶结50的任何电压变化实际上非常小，优选接近于零，并且更优选为零(伏)。通过热电偶结50的两侧(第一热电偶元件14和第二热电偶元件24)，特别是在电阻加热器元件20内的相同点(或几乎相同点)处的第二热电偶元件24，本发明的这个实施例实现了这一点。换句话说，由随后增加的第二热电偶元件24限定的第一热电偶元件14优选地遵循预期的恒定温度线和/或优选还遵循第一和第二连接器轨道36a和36b之间的电阻加热器元件20中的预期的等电势线。实际上，第一和第二热电偶元件直接放置在彼此的顶部，如图2a所示。此外，优选第二热电偶元件24沿着电阻加热器元件20和轨道36a、36b的几何形状中的对称的线定位，以便于沿着(面对轨道36a、36b的第二热电偶元件24)每个各自的边缘的电压(场力线直接地邻接热电偶元件24)是相同的或基本相同的，因此不会沿第二热电偶元件24形成电压梯度。

本发明，例如第一热电偶元件14，以及实际上第二热电偶元件24的几何形状，沿着加热器元件20上的等电势线和/或温度线(或者更确切地说，沿着等电势线和/或温度线的两侧对称的区域)布置，有助于确保沿着横跨接触垫18和28测量的从“热的”到“冷的”结的热梯度形成的电压差与施加在接触垫38a和38b上的电压无关。实际上，热电偶结50的“端部”通常优选地在相同电势和/或相同温度下的相同位置或两个位置处(例如，在外围的相对部分上)遇到外围76。如本领域技术人员从本发明中显而易见的是，可以使用各种布置和几何形状。

在每个连接器轨道16、26的远(“冷的”或“参考”)端产生的电压依赖于从每个加热的热电偶元件14、24到每个未加热(“冷的”)连接器轨道16、26的未加热远端的热梯度。没有其他电压输入时，在连接器轨道16、26的每个远端产生的电压差将取决于第一材料和第二材料的塞贝克效应以及沿每个轨道从热到冷的热梯度。

为了实现更精确的测量，两个第一端(第一和第二热电偶元件14、24)必须处于相同的温度下，这些端部彼此重叠并接触的热电偶结50是实现这点的良好方法，并且提供了一种测量电路。

在电阻加热器元件20上，优选均匀地加热第一和第二热电偶元件14、24，即沿着任一元件没有因塞贝克效应而形成的电压。一旦它们开始冷却，即一旦热电偶元件14、24或轨道16、26，如适当地，离开加热器20，并暂时在其上方，则会有一个热梯度(实际上是两个，在第一和第二热电偶元件以及各自的导电轨道中各有一个)。每个元件和轨道沿着这个热梯度形成电压梯度(emf)，这实际上会在它们的第二远(例如“冷的”)端产生电压差。

可以看出，本发明不依赖于两种材料的铺设顺序或用于铺设材料的特定过程。

本发明允许在环境条件下和可能变化的条件下的最佳和受控温度下进行测定。如果需要，它还提供了在具有不同温度曲线的同一条上的多个测定区域的方法。本发明能够印刷在纸上，如一些最近的低成本nats，并且与低成本的需求一致。

现在参考图3a、3b和3c，在平面图中示出了测试传感器，该测试传感器包括合适的基底(例如合适的刚性材料的大体上或基本上平坦的基底)，合适的基底材料包括聚酯、聚碳酸酯、尼龙、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯、聚苯乙烯、陶瓷、玻璃、fr-4板、纸和硅。典型的带的宽度为10mm，长度为40mm。通过湿式沉积技术(此处是使用碳墨的丝网印刷)，已将碳的第一层12沉积在基底上。第一层12包括矩形的电阻加热器元件20、第一热电偶元件14，该第一热电偶元件14包括电阻加热器元件20的一部分和延伸超出加热器元件20的外围76的导电轨道的一部分、连接器轨道16，该连接器轨道16连接到(此处是连续的)第一热电偶元件14并终止于接触垫18、以及另外的单独的接触垫138a、138b和128。在图3b中，在第二步骤中，在此再次使用丝网印刷和银墨(如本领域中已知的)印刷了银的层22，其包括加热器连接器轨道36a和36b、加热器连接器轨道延伸部分136a和136b、第二热电偶元件24和第二连接器轨道26。也可以在第二层22中提供可选的银的接触垫128a。或者，如图3a和3c所示，可以使用包含第一层的材料的接触垫，如冷结对横跨接触垫18、28测得的电压没有任何作用一样，任何这类会导致的增加的“结”处于相同温度。

如在图3c中可以看到的，在加热器连接器轨道36a和36b之间的电阻加热器元件20提供了完全限定的加热样品区域a，用于容纳可以被均匀加热并精确地加热到期望温度的样品。加热的样品区域a可以是基本上二维的，但是更通常地由样品室的壁或流动路径界定(参见图10a和10b中的间隔层80的侧壁)。可以为这样的样品流动路径或室提供盖。优选地，将其尺寸和形状设定为通过毛细作用填充。可以首先铺设第二层22，并且第一层可以是不溶的或防水的，以促进形成其中可以容纳液体样品的样品测试区域a。

加热器连接器轨道延伸部分136a和136b终止于碳接触垫138a和138b。第二热电偶元件24位于电阻式加热器元件20的一部分上方，并且在加热器元件20的外围76的外部的连接器轨道的一部分上方，该加热器元件20形成热电偶结50，在该实施例中，该热电偶接点50横跨加热器元件20的外围76。彼此不重叠的连接器轨道16和26的其余部分分别将第一和第二热电偶元件14、24连接到连接器垫18和128。导电的第二热电偶元件24将有助于从加热器元件20到第一热电偶元件14的热传导。

根据由于电阻焦耳加热而施加的电压，电阻加热器元件20达到不同的温度。优选地，其具有均质的构造，例如，铺设在基本恒定深度的层中的均匀的材料，以在其上提供基本均匀的电阻加热。

根据图3a至3c构建的原型中看到的温度与包括nats的诊断测定所需的温度范围非常匹配。这在图4中示出，其中测量的温度(如由外部温度计，例如现成的温度计或热电偶测得)以℃为单位，相对于以伏特为单位的施加电压。外部地测量初始装置的表面温度。可以看出，电阻元件20相对于施加电压以线性方式表现良好。

图5示出了横跨热电偶50和接触垫18、128的电压差(即沿着从“热的”结到“冷的”结的热梯度形成的电压差)相对于使用外部温度计外部测量的温度的图。从图5可见，也可以测量与热电偶50的温度相关的电压，其不受横跨加热器垫两端的电压的影响。为了提供如图5所示的测量温度，将对电阻加热器元件20施加增加的电压，但是，横跨接触垫18、128产生的以mv为单位的电压(即沿从“热的”结到“冷的”结的热梯度形成的电压差)与温度之间存在线性关系。相当值得注意的是，可以测量以mv为单位的热电偶电压来指示热电偶结50接触并最好位于电阻加热元件上的温度，横跨该电阻加热元件有数十伏特(高一千至一万倍)的电压存在。

图6示出了在电阻加热器元件20的超过100秒的两个开/关周期中，横跨热电偶50到接触垫18、128的电压差(即沿着从“热的”结到“冷的”结的热梯度形成的电压差)的图。可以看出，随着加热器的启动，由于加热“热的”热电偶结50而导致的横跨接触垫18、128产生的电压在稳定到恒定温度之前首先迅速增加。类似地，在关闭电阻加热器元件20时，该电压在稳定到较小的恒定值之前迅速下降。

在另外的示例中，将原型条与使用arduino微控制器构建的测试装置一起使用，以确定是否可以提供稳定的条上温度。使用现成的热电偶放大器(max31855)为微控制器提供输出，该微控制器设置为运行比例积分微分(pid)控制算法。使用9v电池对加热器供电，并通过到光耦合器的微控制器的pwm输出中的一个来控制加热器。测量了环境温度和源自条的热电偶输出的数值(校准以反映条的温度)。将现成的热电偶绑在条的表面上，并使用散热膏来建立良好的热连接。

图7示出了测试装置显示(即校准到已知温度的期望温度)和由外部温度计(此处为现成的热电偶)测量的条的表面温度随时间变化的曲线图。正方形示出了外部测量的条的表面温度。菱形示出了印刷热电偶的输出。可以看出，印刷热电偶的输出与外部测量的带的表面温度非常匹配。

图8示出了印刷热电偶的输出相对于时间的初始响应。可以看出，将条从环境温度加热到正好40℃以下的时间大约为10s。必须记住，被加热的样品区域在物理上被非常完全地限定为电阻加热器元件20的区域。现在，也可以很好地控制并且同时测量样品区域的温度。在控制远程加热元件、采取良好的热传递或对印刷元件施加电压，以及希望每次提供相同的加热效果方面，这种板上的条的测量/控制具有很大的优势。图3a至3c中示出的电阻加热器元件20的尺寸相当大，但是这可以从示出的原型中减小，例如以创建测定流动通道的加热部分。还可以设想在单个装置上的多个加热器具有样品室和/或流动路径的各种布置。然而，提供加热、温度控制和功能所需的制造步骤的数目仅为两步。

图9a和9b示出单个样品通道70内多个(此处为两个)加热区域的平面图和横截面图。提供两个样品区域a1和a2，它们覆盖加热器连接器轨道36a和36b之间的各自的电阻加热器元件20。因此，在单个样品通道中提供了两个加热器60-1和60-2。各自的热电偶结50-1和50-2由窄的重叠的矩形的第一热电偶元件14和第二热电偶元件24提供，优选相对于各自的连接器构件36a和36b等距且居中对称地定位。可通过毛细作用沿样品通道抽吸样品流体72，并在样品区域a1中将其加热到第一温度，可在该样品区域a1中进行第一样品测量，例如光度测量，其在到达可以在不同温度下进行相同测量的样品区域a2之前。将受益于本发明的其他类型的测量可以包括电势测量、电流测量、电导测量、阻抗测量、光学测量、量热测量、声学测量和机械测量，例如期望良好控制温度的地方。

图10a和图10b示出了由厚的间隔类型的层80的侧壁限定的两个样本区域90。例如，这可以由膜中的切口或通过湿式或干式沉积技术形成。该层80的组成和/或厚度将取决于应用的需求。可使用层80将一个测试区域与另一个测试区域分开和/或创建测试孔以容纳更多的样品。在此，每个区域由各自的电阻加热器元件20加热。样品区域90具有由绝缘层80的侧壁之间的间隔限定的宽度“w”和类似地限定的长度“l”。通常，样品区域90由各自的孔和绝缘层80的侧壁限定。样品区域90是开放的，并且样品可以容纳到以上样品区域90中。每个样本区域90具有各自的热电偶结150-1、150-2以及各自的加热器160-1、160-2，加热器160-1、160-2由各自的第一和第二热电偶元件14、24以及各自的电阻加热器元件20以及连接器轨道36a和36b形成。两个样品区域90是完全不同的，并且彼此之间没有流体连接而分开。

图11a和11b示出了具有两个侧通道(未标记)的样品通道170，用于容纳来自主通道的样品流体72。储器74通常是毛细管填充储器，其沿流动路径170将流体吸入到每个各自的侧通道上的加热段260-1和260-2中并经过加热段260-1和260-2。在进行测量之前，或在(实际上)同一样品上但在不同或相同温度条件下将要多次重复进行的样品测试，各自的热电偶结250-1和250-2实际上可以将相同的流体加热到不同的温度。

图12a和12b示出了另一实施例，其中电阻加热器元件20和通向连接器轨道16的连续轨道部分被限定第一热电偶元件14的第二热电偶元件24覆盖(此处比电阻加热器元件20的宽度短)，第一热电偶元件14的一部分位于第一电阻元件20的外围76内，一部分位于外围76之上，并且包括通向连接器轨道16的第一层中轨道的一部分。这在图12b中可以更清楚地看到，在图12b中，电阻加热器元件20的外围76内的热电偶元件14的重叠的部分示出为具有区域a1，而在外围76外部的部分示出为具有区域a2。因此，热电偶结50在第一热电偶元件14和第二热电偶元件24之间的界面处形成，该热电偶结50具有被加热器电阻元件20加热的一部分区域a1和未被其加热的一部分区域a2。这不是理想的，优选使加热元件20外部的区域a2最小化。这是因为在第一和第二热电偶元件14、24中的每个中的不均匀地加热/冷却可能导致。测量的温度将与第一热电偶元件和第二热电偶元件分离的温度密切相关，这里的温度可能与将要加热样品的实际电阻加热器元件20上的温度略有不同。在该实施例中还将注意到，靠近第二热电偶元件24的自由末端的场力线将不再是均匀的，结果这可能再次导致每个热电偶元件14、24相对于彼此的不均匀加热。

在图13a和13b中示出了一种实现小尺寸的重叠区域a2的方法。此处，热电偶元件14、24在电阻加热器元件20的外围76处直接彼此远离，提供了位于外围76外部的小得多的重叠a2。

如图14a和14b所示，这可以进一步改善，其中连接器轨道16和26中的每个在电阻元件20的外围76的相对部分(边缘)处与外围76相交。因此，由第二热电偶元件24重叠以形成第一热电偶元件14的电阻加热器元件20的区域完全位于外围76(并且在此，例如延伸不超过外围76，在此是右侧)内，并且不在电阻加热器元件20的外围76内的重叠最小并且通常接近零。这，结合连接器轨道36a和36b的形状(未示出，但如图2a所示)、电阻加热器元件20的形状以及在连接器轨道36a和36b之间延伸的所得的均匀电场，意味着整个电阻加热器元件20在沿着连接器轨道36a到连接器轨道36b的各自长度的每个点处都具有相同的电阻，从而使电流的流动以及因此焦耳加热将是相同的。这意味着横跨由电阻加热器元件20限定的整个样品区域的电阻以及由此而来的电阻加热效果是大致上或基本上均匀的，尤其是远离其外围76。

优选地，提供横跨电阻加热器元件20的均匀的场(以及因此均匀分布的场力线)，以便于促进横跨加热器元件20(例如，大体上或基本上)的均匀加热。图1a至图2c、图9a至图11b和图14a中的实施例通过沿着等电势线的细长的(此处为矩形)第二热电偶元件24，提供平行于轨道36a和36b的相对边缘的细长边缘来实现这一目的。如本领域技术人员将理解的，可以从本申请的教导中设想出可以用于在本发明的其他实施例中提供均匀电场的其他配置(物理布置)。

然而，图3a至图3c以及图12a至图13b和图15通过在加热器元件20上提供第二热电偶元件24的短的重叠，促进了提供横跨大部分加热元件20的均匀的电场(通常为加热元件20的面积的至少50％)。一些使用了矩形的第二热电偶元件24，但这不是必需的。

在图15中，在加热器元件20的外围76内提供了第二热电偶元件24的非常短的重叠。在此，热电偶元件具有带有圆形轮廓(此处为半圆形)的远的自由端。示出了所得的场力线，并且场力线在位于指示均匀电场的连接器轨道36a、36b之间区域的大约80-90％的区域中等距分布。当圆形的第二热电偶元件24略微突出(重叠)到加热器元件20的最上表面时，场力线f在各个正交方向上接近其圆形的远端，并且电场在这个区域中被轻微扰动。第二热电偶元件24在电阻加热器元件上的重叠面积可以很小，是电阻加热器元件的总面积的≤20％、或≤10％、或≤5％，但优选为非零。然而，可以设想第二热电偶元件24接触电阻加热器元件20的侧壁的一部分的实施例。

使用焦耳效应的加热元件的材料要求是：对于连接器轨道的(相对)低电阻的材料，并且对于加热元件本身的(相对)高电阻的材料。通常，轨道的电阻小于几ω，而加热元件需要约100ω的电阻，或根据目标温度范围和可用电压需要更大的电阻。其他一些材料特性可能由所选的铺设工艺决定。

使用塞贝克效应的热电偶元件的材料需求是两种材料，该两种材料形成具有不同塞贝克系数(例如相对塞贝克系数为5-65μv/k、或10-50μv/k、或10-25μv/k、或15至20μv/k或17μv/k)的热电偶。为了测量温度的热电效应，希望具有尽可能不同塞贝克系数的两种材料。

在一些实施例中，材料的选择更受限于可用于特定应用的测试传感器中的材料，和/或受限于所需制造技术中可用的材料。

对于加热和温度测量这两个单独的功能，必须有具有电荷迁移率载体的材料，因此材料的选择限于导电和半导电材料。然而，在如何使用它们方面仍然存在挑战，因此加热器所需的高电压对热电偶的行为和性能具有足够低的(或优选最小的)影响，以允许精确的温度测量。本发明试图解决这些问题。

在我们的实验中，已经使用了银和碳，但可以使用其他材料来增强效果，例如，作为银的替代或补充，任何一种或多种材料(例如，铜、金、铝和镍)都可以用于制造高电导率的轨道，而作为碳的替代或补充，任何一种或多种材料(例如，铋、康铜、硅、锗、锑、铁、镍铬合金、钼)都可以用于加热器元件。

因此，在理论上可以对热电偶和加热器使用相同的材料，但是仍然存在加热器电压比需要从热电偶测量的电压信号大许多倍的问题。因此，如本发明中其他地方所描述的，已经示出了布置具有独立于所施加的加热器电压的热电偶输出，而不用绝缘层分隔加热器元件和热电偶。这不仅可以使用相同的材料，而且可以减少有关材料的铺设步骤。

为方便起见，在我们的实验中，我们使用了电浮动测量系统来检测热电偶中的电压变化，但是很明显，如果要避免使用电隔离的电源和电路，则可能使用差分测量，例如通过将热电偶连接到仪表放大器。

已经发现，如果使用装置的特定几何形状，并结合适当的材料选择，则可以将不同材料的数量和铺设步骤减少到两个：

1.加热器元件和热电偶材料1

2.加热器连接器轨道和热电偶材料2

本发明不依赖于两种材料的铺设顺序或用于铺设材料的特定过程。

典型示例

使用丝网印刷作为材料铺设方法来构建原型条(参见图3a、3b和3c)，如下所示：

条的宽度为10mm。外部的银轨道/触头是加热垫连接器，并且中间的银和碳的轨道在加热垫上形成热电偶。

加热器元件根据施加的电压达到不同的温度。在第一原型中看到的温度与包括nats的诊断分析所需的温度范围匹配良好。

还可以从热电偶测量依赖温度的电压，该热电偶不受横跨加热器垫的电压的影响。在图6中看到的响应时间表明，决定热电偶输出的是温度而不是施加到加热器元件的电压。

为了查看是否可以将其用于控制稳定的条上温度，使用arduino微控制器构建了试验台，以使用来自现成的热电偶放大器(adafruit.com的max31855)的输出并运行“比例积分微分”(pid)控制算法。使用9v电池对加热器供电，并通过到光耦合器的arduino的pwm输出中的一个来控制加热器。显示示出了环境温度(int.temp)以及一些源自带的热电偶输出(℃)，该热电偶输出经过校准以反映条的温度。所需温度在arduino软件代码中设置。通过在条的表面上绑上热电偶，并尝试与散热膏形成良好的热连接，在启动和关闭控件的同时测量条表面的温度(图7)。将条从环境温度加热到正好40℃以下的时间约为10秒。在控制远程加热器元件、采取良好的热传递或对印刷元件施加电压，以及希望每次是相同的方面，这种板上的测量/控制具有很大的优势。

构建并测试了整体的温度控制装置的另外两个示例。图16a和16b示出了测试的加热器/热电偶设计。在两个印刷层和第三绝缘层(未示出)中印刷加热器/热电偶，该第三绝缘层印刷在加热器/热电偶上以保护其不受样品流体的影响。通过与间隔层和盖膜层层压以形成毛细管通道，将装置构建为诊断测试条的样式，例如，类似于图9a的平面图(但有两个加热器/热电偶装置，而不是此处每个图中所示的装置)和图9b的横截面以及图17所示。

在图16a中，热电偶元件24是形状接近圆形的(此处)银墨的小的盘或“团”，其连接到稍细的连接器轨道26，该连接器轨道26远离它。这种构造有助于减少并且在一些实施例中最小化加热器元件20的外围外部的重叠。

碳的连接器轨道16连接到银的延伸的连接器轨道116，形成“另外的”结51，该“另外的”结51不会影响测得的热电偶电压，如其他地方所述。类似地，接触垫18、128、138a、138b可以由碳和银两者形成(这里从下面看，在最外面的暴露表面上具有碳，以增强坚固性)。

图16a示出了类似于图2a和14a的布置，不同之处在于，这里的接触轨道16、26均从外围的同一侧离开并且彼此远离(展开)，以便于减少位于加热器20外围的任何重叠。

图17示出了具有相对窄的宽度的流动路径70的测试传感器的一部分，该流动路径70横穿(见垂直的白线)例如，类似于图16b所示的正方形加热器20。宽阔的白色条是绝缘层，该绝缘层限定了流动路径并将流动路径中的流体与加热器(以及与整体的热电偶)分开。

图18示出了用于控制测试条的电路200的示意性框图，该电路包括pc210、lcd显示器220、微控制器230(例如，arduinouno)、光耦合器/光电晶体管240(例如，vishaysfh618a)、包含“冷的”结的热电偶放大器250(例如adafruitmax31856中断)、电池260、条状端口连接器270和插入条状端口连接器270的测试传感器110(此处为测试条)。

例如图16a和16b所示的装置已在例如图18所示的测试台中进行测试。微控制器230从热电偶放大器250读取输入，并通过脉冲宽度调制(pwm)将电压输出到光电晶体管240，该光电晶体管240转而控制施加到测试条加热器的电压。

在反馈控制回路中，微控制器230确定热电偶电压(例如，在热电偶放大器250内部的“热的”热电偶结50和“冷的”热电偶结之间产生)，并因此确定要向电池提供多大的电压以保持该温度。

使用图16b示出的设计的装置，微控制器230用于以20秒的间隔对50℃至60℃之间的温度循环进行编程。图19示出了pwm输出和加热器温度随时间变化的曲线图。可以看出，加热器20在约10秒内达到设定温度。看到的振荡指示出加热器20(过冲)对于热电偶50中产生的电压的高灵敏度(在该示例中)，通过反馈回路使用热电偶50来控制该电压。

图16b中示出的设计的装置装有液体样品，并记录了1分钟内对70℃的设定值的响应，如图20所示。

构建具有图16a所示的加热器/热电偶设计的装置，并以30秒的间隔施加40℃至60℃的温度循环。图21示出了pwm输出和加热器20的温度随时间变化的曲线图。与图19相比，没有任何振荡是由于修改了控制算法(减少了过冲)，而不是由于装置之间的设计差异。

对于本领域技术人员来说，本文的更多实施例将是显而易见的，所有这样的替代实施例旨在由权利要求覆盖。在结构部件可能是不同形状或大小或构造但执行本文所述目的，或形状和/或大小和/或设计元件可能不同，然而仍然满足了本文所述各个组件的目的的情况下，尤其如此。