【经验】PCR仪温度均匀性影响因素分析及解决方案

时间： 2021-02-20 来源：世强

PCR仪的温度控制系统通常只能对样品基座的有限个数点（通常是1～3个）进行温度采样和控制，所以只有保证样品基座的温度分布均匀，才能使样品基座的每个反应槽的温度及温度保持的时间控制准确，从而确保PCR仪的扩增效率。因此PCR仪的温度均匀性是PCR仪的重要指标，也是实验人员非常关心的问题。造成PCR仪各个孔位的温度不均匀的因素大致有以下几个：
1、 TEC的不均匀；
2、散热器的散热不均匀；

3、控温点的数量少；

4、升降温速度；

5、边缘效应；
6、模块的材料及形状。

PCR仪温度不均匀的因素分析及解决方案：
一、 TEC的不均匀及马洛TEC解决方案
现在的PCR仪大都是用TEC来控制温度的，其通电后一面制热另一面制冷，反向电极则冷热面反向。半导体制冷片虽然是工业化生产，但几乎都是手工制作的，因此每一片TEC都有差别，造成ACR值差异较大，从而表现出各TEC上的温度分布不均匀。

如何应对这种ACR差异，马洛推出了ACR相匹配的TEC，例如一台96孔PCR仪需要用6片XLT2418，马洛则推出了XLT2418-36AC（如下图），6个TEC的ACR值相匹配的料号，保证了这6片TEC的ACR值大致相同，使PCR仪上的温度均匀性非常好。而且马洛的TEC可靠性高，老化性好，性能稳定，在其使用寿命内性能下降很小，温度差别表现不大。

二、散热器的散热不均匀及爱美达 VC散热器解决方案
散热器的散热均匀性对模块温度均匀性的影响非常之大。TEC控制的是其正反两面的温度差，每一块TEC都是作为一个整体来控制的。如果反面的散热器温度不均匀，当然正面的的模块温度也就不均匀了。

针对这种问题，爱美达设计了一种VC散热器，即在铜板上镶嵌一块VC均温板与TEC接触，然后通过热管将TEC上的热量迅速传递到铝散热器上，风扇强制对流加速散热。在TEC和散热器之间使用VC均匀板，VC导热横向导热系数大于7500w/mk，使不同TEC的热面温差小于0.2℃，只有散热面的温差小，才能保证TEC冷面的温度更均匀。

三、控温点的数量少及安费诺SC30F103VN解决方案
一方面TEC本身有一定的差异，另一方面使用一段时间后性能会下降，但下降程度并不一致，还有就是边缘的和中间的半导体片的反面散热不一致，这些都会造成模块温度的不均匀。

针对这种问题，安费诺推出了SC30F103VN温度传感器，其精度在±0.1℃，在每片TEC下面安放SC30F103VN，并有相应的控制电路独立控制和校准，这样可以调节温度的均匀性，使各TEC上的温度差异非常少。

四、升降温速度及固美丽T777 相变材料解决方案

升降温速度是PCR仪的一个重要指标，升降温速度过高也会影响温度的均匀性。因为升降温速度高，模块来不急传热，TEC差异及传热造成的温度差会更大。

针对这种模块来不急传热的情况，固美丽推出了T777相变材料，厚度仅为0.115mm，在50Psi压力下热阻仅为0.0055℃-in2/W，热阻超低，传热速度快，可以有效解决TEC与模块之间的快速传热问题，同时其使用时间8-10年传热效果基本没什么变化，不像硅脂一两年左右就会粉化导致传热效果变差。

五、边缘效应及电阻丝或膜解决方案

模块（指放PCR管的金属块）的边缘散热较快，一般温度偏低，即所谓边缘效应。但实际上边缘效应也不是均匀的，一是四个角上温度更低些，二是与散热器的风扇吹风方向也有关系（前后吹风则前后不均匀，从下向上吹风，则中心与边缘不均匀）。

减弱边缘效应一般采用边缘辅助加热的技术，即在模块的周边加一圈辅助加热用的电阻丝或加热膜。

六、模块的材料及形状

从均匀性的角度来讲，模块为银做是最好，其次是铜，然后是铝合金。市场上一般用的模块都是铝或银。主要是因为铜的体积比热容太大，不利于升降温速率。银也有同样的问题，因此市场上的银模块其实都是空心的。但做成空心的后，其对温度均匀性有负面的影响。因此市场上的银模块仪器的温度均匀性并不比铝合金的高，但升降温度速率要高些。铝合金的模块也有形状问题，体积大且孔间连接多有利于均匀性，但不利于升降温速率。各个厂家在模块形状上也是下了功夫的，都是一个平衡。

总之，除了以前谈到的六大因素之外，还有其他一些影响因素，如传感器的温度漂移、温度处理电路的老化、散热器的灰尘不均匀等。有些因素可以通过定期的校准和保养来减轻或消除，有些因素通过更换上述的解决方案可以明显减弱。

发送到邮箱 |
+1 赞 0
收藏
评论 1
| 转发至：

本文由刹那芳华提供，版权归世强硬创平台所有，非经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，授权转载时须注明“来源：世强硬创平台”。

全部评论（1）

用户_9737 Lv6 2021-10-27

不错，学到了！

没有更多评论了

【经验】选型时如何理解半导体制冷片（TEC）的COP值？

COP值是制冷量Qc与输入功率Q的比值。表示TEC的能效比，值越大越省电。其实，输入功率与制冷量是两个不同性质的参数，一个是指电量，一个指热量。TEC的工作原理并不能简单的看成电能和热能的转换，很多客户在选型时并不清楚怎么理解COP值。因此，本文就此具体介绍COP值，帮助客户选型。

2022-03-30 - 设计经验代理服务技术支持批量订货

【经验】如何计算TEC半导体制冷片在PCR仪中应用的降温速率

PCR仪是用于基因扩增的仪器，最核心的部分是温度控制，而温控最核心的部件是用于PCR仪升降温的半导体制冷片,在所有的半导体制冷片厂牌中,II-IV Marlow公司推出的XLT系列产品无疑是可靠性最高的半导体温度循环器,其满足可靠的循环次数高达100万次,是PCR仪可靠性最高的半导体制冷片.如何选择温度循环器功率达到满足要求的升降温速率呢?这需要一定的理论参考与计算.

2019-07-05 - 设计经验代理服务技术支持批量订货

【经验】如何根据评估热负载来为PCR仪选择合适的TEC

本文通过计算得出PCR仪加热块的热负载，然后根据热负载，温差及加热块尺寸选择合适的TEC，为客户提供一种选择PCR仪用TEC的经验方法

2020-09-29 - 设计经验代理服务技术支持批量订货

【选型】如何计算和评估半导体制冷片TEC的制冷功率？

很多工程师在使用半导体制冷片时，很难理解半导体制冷片的制冷功率到底是多少，如何评估使用时的制冷功率，在设计产品中不能很好把控设计状态，造成设计与预期不符的问题。II-IV Marlow公司半导体制冷片具有高可靠性、高性能的特点，在医疗、通信、军工等高可靠性领域广泛应用，以XLT2420为例，分析TEC制冷功率问题。

2019-06-29 - 器件选型代理服务技术支持批量订货

医疗/工业/消费电子 TEC定制

布莫让支持超微型单级/多级、微型单级/多级、超微型 TEC 封装产品定制，最小晶粒高度：0.3 mm；最小横截面：0.2 mm；最小节距：0.15 mm；能做到最小尺寸 1mm*1mm, 最高级数可达到 7 级。

服务提供商 - 布莫让进入

爰美达散热高达300W/CM2嵌入式热管与600W高功率0.4mm不锈钢超薄VC解决严苛的热管理需求

描述- 爱美达(AAVID)隶属于宝德(BOYD)集团，1964年创立于美国新罕布什尔州，至今己有50多年的历史，是全球散热产品及散热系统管理解决方案的领导者。公司提供行业中最广泛的产品线，从最小的板级散热到几千万瓦的工业用散热产品；服务的市场非常广泛，包括服务器、汽车、电信、LED、医疗设备、消费电子、军事和航空航天、测试设备、电力等各产业。

型号- LCS7846G1,LCS 951-50126,CHILLER 900-27969

爱美达 - 商品及供应商介绍代理服务技术支持批量订货散热方案设计

产品型号	品类	ΔT°C-Vacuum {N2 (50°C)}	ΔT N2 (27°C)	Qmax 27°C (watts)	Imax 27°C (amps)	Vmax 27°C (volts)	Base Ceramic Width (MM)	Base Ceramic Length (MM)	Top Ceramic Width (MM)	Top Ceramic Length (MM)	Module Height (MM)
NL1020T-01AC	TEC 单级制冷片	72	64	0.9	1.8	0.8	0.16	0.16	0.16	0.16	0.085