用于高溫環境的電子電路的制作方法

用于高溫環境的電子電路的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種適于在渦輪發動機的高溫環境中操作的電路。相對高增益差動放大器(102)可具有輸入端，所述輸入端聯接成接收表示渦輪發動機部件(20)的感測參數的電壓。混合負載電路可耦合到差動放大器。電壓調節器電路(244)可聯接成驅動差動放大器。差動放大器、混合負載電路和電壓調節器電路可均布置在渦輪發動機的高溫環境中。
【專利說明】用于高溫環境的電子電路
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請是于2008年8月15日提交的美國專利申請12/192324 (代理人案 號2008P06977US)、于2012年6月29日提交的美國專利申請13/537572(代理人案號 2011P12818US)和于2012年6月29日提交的美國專利申請13/537208(代理人案號 2012P08409US)的部分繼續申請，這些申請的全部內容均作為引用并入本文。

【技術領域】
[0003] 本發明總體上涉及用于測量部件應變的無線遙測電子電路，尤其涉及能夠在超過 300°C的高溫環境中操作且能夠承受高達至少1000g's力的電子電路。

【背景技術】
[0004] 工作中的燃氣輪機發動機內的溫度很高，通常處于超出450°C的水平。當期望監控 渦輪部件（比如渦輪葉片）的內部溫度或在操作期間監控這種部件上的應力時，需要特殊 的傳感、放大和發射電路。能夠承受高溫的無線遙測電路板及其上的部件使得可從處于高 溫環境中的固定和移動部件（比如那些在內燃機燃氣輪機發動機中經受高溫的部件）提取 數據。電子電路提供在渦輪發動機（比如工業燃氣輪機、飛機發動機以及用于石油工業和 燃氣工業中的渦輪）操作期間實時監控部件狀態的可能性。了解渦輪中的部件狀態提供了 許多益處，包括基于內裝式發動機參數優化渦輪操作和基于狀態進行維護。可通過使用監 控裝置實現先進渦輪發動機的操作成本的顯著減少。裝備渦輪部件的現行實踐涉及將傳感 器安裝到部件、將引線延伸到路由器（routers)和將大捆引線在渦輪之外長距離地帶到的 監控位置。該過程是緩慢的、勞動密集的、昂貴的，并需要改變渦輪的許多部件，以允許包含 所有引線。
[0005] 為了實現從這種傳感器系統提取數據的優點，需要將數據發射器放在熱部件的最 冷區域上。這導致對無線遙測系統的需求，無線遙測系統在超過300°C的溫度下工作，比如 在渦輪發動機流路中的葉片根部。使用硅或絕緣體上硅（SOI)有源部件的現有電路的當前 狀態不能在這種高溫下操作。這種無線遙測電路板要求能夠在超過300°C的溫度下操作的 包裝件、板、路線、無源裝置、有源裝置和連接件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 參考附圖在下面描述中解釋本發明，附圖中：
[0007] 圖1是說明包括遙測電路板的電子器件的附著的示例性渦輪葉片的部分透視圖。
[0008] 圖2是示出圖1的發射器組件的元件的分解透視圖。
[0009] 圖3是示出包含在圖2的發射器組件殼體中的高溫電子裝置封裝件內的元件的分 解圖。
[0010] 圖4A說明了在組裝操作期間，用于固定電路板的轉移板的平面圖和側視圖。
[0011] 圖4B是在組裝操作期間，與圖4A的轉移板一起使用來將部件固定到位的對準板 的平面圖。
[0012]圖5A、5B和5C是使用圖4A和4B的轉移板和對準板的組裝工藝的透視圖。
[0013]圖6A和6B是通常用在半導體領域中的引線接合技術的視圖。
[0014]圖7是示出典型引線接合法的重力分析的透視圖。
[0015] 圖8說明了在模擬重力應力下，引線接合的各種狀態。
[0016] 圖9A是說明用于本文使用的放大電路的獨特偏壓電路的示例性示意圖。
[0017] 圖9B是說明AC輸出電壓與圖9A的放大器偏壓在變化的溫度下的關系曲線的圖 表。
[0018] 圖10是應變計電路的框圖。
[0019] 圖11是熱電偶電路的框圖。
[0020] 圖12是放大應變計輸出信號的電路的示意圖。
[0021] 圖13是放大熱電偶輸出并將發射器的局部溫度嵌入所放大的輸出信號中的電路 的示意圖。
[0022] 圖14是功率調節電路的不意圖。
[0023] 圖15是包括科耳波茲振蕩器的FM發射器的示意圖。
[0024] 圖16是典型的熱電偶的圖。
[0025] 圖17是說明在室溫下用于熱電偶電路的方形波發生器的輸出的波形圖。
[0026] 圖18是說明在升高的溫度下用于熱電偶電路的方形波發生器的輸出的波形圖。
[0027] 圖19是說明當溫度升高時，熱電偶的輸出電壓的波形圖。
[0028] 圖20是說明斷路器的輸出的波形圖，斷路器的輸出是熱電偶和方形波發生器的 組合輸出。
[0029] 圖21是應變計電路的另一示例的框圖，該應變計電路由遙測系統使用，并可受益 于高增益差動放大器和/或體現本發明各方面的電壓調節器。
[0030] 圖22是高增益差動放大器的一個示例實施例的示意圖，比如AC耦合混合負載差 動放大器。
[0031] 圖23是電壓調節器的一個示例實施例的示意圖。
[0032] 圖24是電壓調節器的另一示例實施例的示意圖。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]
[0034] 本文公開的實施例實現了通過使用電子電路經由無線遙測從具有從環境到大于 300°C變化且包括高達至少450°C的溫度在內的溫度的燃氣渦輪機的區域發送數據。封裝件 和電路的所有元件因此要由能夠在大于300°C的溫度下操作的材料制作。目前工藝水平的 高溫電子系統被設計成使得控制邏輯電路放置在冷得足以使用基于硅的電子器件或者能 夠在高達最大300°C的升高溫度下操作的高溫絕緣體上硅（HTSOI)技術的位置處。在這種 目前工藝水平的系統中，控制信號從相對低溫的區域經由導線發送到位于處在大于300°C 下的熱區域中的功率放大模塊。功率放大模塊是一種如下電路：其將采用針對高溫使用設 計的半導體，諸如寬帶隙半導體材料，包括SiC、AIN、GaN、AIGaN、GaAs、GaP、InP、AIGaAs、 AIGaP、AllnGaP和GaAsAIN或者其它可以在大于約300°C的溫度下使用的具備耐高溫能力 的半導體材料。這種設計策略對于在諸如燃氣渦輪葉片之類的旋轉熱斷面部件上采用儀表 裝置是無用的，因為整個發射器電子電路必須位于渦輪葉片上并因而在超過300°C的溫度 下操作。本文公開了新的電子電路，其在大于300°C且包括高達至少450°C的溫度在內的溫 度下實現傳感器信號采集和無線發送二者。
[0035] 因此，所公開的電子電路和封裝件由能夠在高溫下操作的材料制作，例如具備耐 溫能力的環氧樹脂或陶瓷材料，諸如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅、氮化鋁等。導體由可 以承受高溫而不熔化的金屬制作，例如銀或金。有源和無源電氣部件必須基于該板將操作 于其中的溫度環境和電氣要求進行選擇。可以采用高溫無源部件，諸如基于諸如鈀、釕、銥、 錸、多層陶瓷電容器（諸如NPOXOG和X7R)之類的系統的厚膜電阻器。如果市場上買不到 合適的電感器，則具備耐高溫能力的電感器可能需要直接沉積到支承電子電路的PC板上。 有源部件，即晶體管、二極管等，可以由能夠在高溫下操作的半導體材料（諸如上面列舉的 那些）制作。部件和電子電路之間的連接同樣可以以管芯附著、引線接合或者任何其它適 當的方法的形式由高溫金屬（諸如金或鉬）制成。在其中超過單片高溫接合材料的限制的 情況下，可以使用合金成分來執行附著。為了降低這些設備在附著期間所暴露于的溫度，共 晶合金成分可以用于附著，接著是熱處理以把附著成分改變為具有較高熔化溫度的附著成 分。該板上的所有材料必須被選擇成使得暴露于所需的操作溫度不會導致使該板性能降級 的化學相互作用或成分/結構變化。依據本公開，使用當前買得到或處于研發的高溫無源 和有源電子材料的類型，設計了能夠從熱電偶或應變計傳感器發送信號的完整電路。
[0036] 參考圖1，本發明的實施例允許從在具有超過300°C的溫度的環境中操作的旋轉 部件（諸如具有位于葉片根部22上的某些電子部件的渦輪發動機葉片20)發送傳感器數 據。就本文的公開而言，沒有附加限定條件的術語"高溫"將指代任何操作環境，諸如燃式 渦輪機的各部分內具有超過300°C的最大操作溫度的操作環境。
[0037] 本發明的實施例提供在具有遙測系統的燃式渦輪機中使用的部件，所述遙測系統 可以包括一個或多個傳感器、連接傳感器與至少一個遙測發射器電路的引線、至少一個發 射天線、電源以及至少一個接收天線。圖1示出渦輪葉片20、無線遙測發射器組件24以及 旋轉天線組件26。當鄰近葉片根部22安裝遙測發射器組件24時，引線或連接器28可以從 一個或多個傳感器（諸如傳感器30)延伸到遙測發射器組件24。引線28可以把電子數據 信號從傳感器30路由到遙測發射器組件24,在遙測發射器組件24中信號由形成在包含在 圖2所示的電子器件封裝件34內的電路板上的遙測發射器電路處理。引線或電子連接器 36可以被沉積用于把電子數據信號從遙測發射器電路路由到旋轉天線組件26。
[0038] 圖2示出可以包含高溫電路板且形成遙測發射器組件24的部件的高溫電子器件 封裝件34。電子器件封裝件34的主體可以由具有低熱膨脹系數的合金（諸如K〇varw 品牌合金、Fe-Ni-Co合金）制作。KovarA合金的熱膨脹系數根據確切成分而處于大約 4. 5-6. 5X10_6/°C的范圍內。通常用于高溫渦輪部件（諸如渦輪葉片20)的Ni基合金具有 在大約15. 9-16. 4X1(T6/°C范圍內的熱膨脹系數。電子器件封裝件34可以穩固地固定在 適當位置同時允許電子器件封裝件34和渦輪葉片20之間的相對運動，如下面針對圖2所 描述的。這種相對運動可能由在環境空氣溫度和通常鄰近葉片根部22所經歷的大于300°C 的操作溫度之間的大量熱循環期間隨著時間而發生的其不同熱膨脹率引起。
[0039] 如圖2最佳所示，遙測發射器組件24可以包括安裝支架37和蓋子或蓋板38,其 中電子器件封裝件34定位在其間。多個連接銷40實現包含在封裝件34內的電子電路板 (諸如在其上制作有無線遙測電路的電子電路板）和各種外部設備（諸如來自傳感器的引 線、感應線圈組件或數據發射天線）之間的連接。安裝支架37、蓋板38以及把它們連接在 一起的定位螺絲39(示于圖1中）可以由與渦輪葉片20相同的材料制作。這確保在渦輪 葉片20和安裝支架37之間沒有熱膨脹差別。因而，在熱瞬態期間在安裝支架37或渦輪葉 片20中沒有生成應力。
[0040] 電子器件封裝件34的熱膨脹系數可以與安裝支架37的熱膨脹系數不同。當這些 部件存在于其內的操作系統處于高溫時，包括其中包含的任何電路板的由KovaA合金形 成的電子器件封裝件34將比安裝支架37膨脹得小，這可能導致由系統中的振動能量造成 的損壞。為了把電子器件封裝件34固定在安裝支架37內以適應支架37和電子器件封裝 件34之間的尺寸變化差異，可以在電子器件封裝件34和安裝支架37的內表面之間放置一 層陶瓷纖維機織物41。織物41可以由合適的陶瓷纖維制作，包括諸如碳化硅、氮化硅或氧 化鋁之類的纖維。例如，由3M制造的一些Nextel?基于氧化鋁的織物可以用于織物41。
[0041] 其中電子器件封裝件34和陶瓷纖維機織物41與安裝支架37和蓋板38 -起組裝 以形成遙測發射器組件24,安裝支架37可以通過合適的附著手段諸如螺栓連接、焊接、銅 焊或者經由瞬態液相接合而附著到渦輪葉片20。圖1示出可以鄰近葉片根部22研磨或以 其它方式形成于渦輪葉片20內用于接收組件24的凹口或扁平口袋42。
[0042] 蓋板38可以形成有與G力方向垂直取向的凸緣44,以給蓋板增加結構支承，這對 抗在旋轉渦輪葉片20正在全速操作時發生的g負荷力。這使定位螺絲39免于承載經由g 力施加到蓋板38的負荷，并且允許它們制得足夠小使得遙測發射器組件24裝配在相對小 的凹口 42中且不干擾任何相鄰的部件。如果要求定位螺絲39承載由G力施加的負荷，則 它們所需的大小將太大而不能裝配在可用的空間。
[0043] 圖1示出旋轉天線組件26可以固定到根部22的端面或頸部。組件26可以是具 有與用于渦輪機熱氣路部件（諸如包括其根部22的渦輪葉片20)的Ni基合金的那些熱膨 脹系數不同的熱膨脹系數的電子組件。可以防止一個或多個旋轉天線組件26在渦輪葉片 20以聲速或接近聲速旋轉期間受到風阻（windage)的影響。在實施例中，防風阻材料對RF 輻射頻率是透明的以便實現通過材料發送功率和數據。可旋轉天線組件26的實施例可以 包括圖1所示的耐用的保護性RF透明蓋50,其基本上是其內包含數據天線和感應功率部 件的中空夾具。RF透明蓋50保護其內含物以在燃式渦輪機的操作期間不受風阻的物理效 應。某些陶瓷適合于防止RF發射裝置受到處于升高溫度的元件影響。然而，許多陶瓷和陶 瓷基質復合物易于在旋轉渦輪葉片20在燃式渦輪機的操作期間經歷的振動沖擊和G負荷 下剝落（chipping)和破裂。本發明的發明人己確定RF透明蓋50可以由RF透明的高韌性 的結構陶瓷材料制作。陶瓷基質復合物可以用于制作蓋50以及從被稱為增韌陶瓷的材料 族中選擇的材料。諸如碳化硅、氮化硅、氧化鋯和氧化鋁之類的材料由于摻雜有附加元素或 者由具體的處理方法產生的設計微結構而獲得提高的韌性。
[0044] RF透明、容易形成且相對廉價的一種此類材料是從一般稱為氧化錯增韌氧化鋁 (ZTA)的陶瓷族中選擇的材料。從這個氧化鋁材料族中選擇的陶瓷材料比常規的純氧化鋁 材料在強度和韌性方面高得多。這起因于通過遍及氧化鋁均勻地采用精細的氧化鋯顆粒而 獲得的應力誘導相變增韌。典型的氧化錯含量在10%和20%之間。結果，ZTA相對于常規 的純氧化鋁材料提供提高的部件壽命和性能。
[0045]當陶瓷被受壓負荷時，設計的ZTA微結構是抗斷裂的。然而，如果被充分受拉負 荷，則陶瓷與傳統的陶瓷材料一樣將致命失效。因而，RF透明蓋50被設計成使得在燃式渦 輪機的操作期間最小化陶瓷材料中的拉應力。這是通過設計和制作使得如下而實現的：（1) 加工ZTA部件的所有拐角、邊緣和彎曲以消除尖銳拐角和邊緣，以便降低這些位置處的應 力集中因數；以及（2)ZTA部件在旋轉天線安裝支架51中的取向和裝配使得在操作期間施 加到ZTA盒的G力不在附著凸緣中生成顯著的彎曲應力。這是通過使凸緣取向成與G負荷 方向平行而不是與G負荷方向垂直來實現的，因此ZTA凸緣被受壓負荷而不是受彎曲負荷。
[0046] 安裝支架51可以被設計成使得在燃式渦輪機的操作期間由旋轉天線組件26所經 歷的所有G負荷在朝支架51的上端延伸的方向上被吸收。安裝支架51的部分并沒有延伸 遠得足以經過其中包含的天線從而衰減RF發射數據信號。RF透明蓋50被固定在適當位置 因此其內部應力場主要是壓縮的并且可以使用螺紋銷（未示出）通過其凸緣上的半圓形草 皮（divot)來保持。
[0047] 安裝支架51可以經由常規的手段諸如焊接、銅焊、接合、螺栓連接或螺絲接合而 附著到渦輪葉片22的表面。旋轉天線組件26的實施例可以通過把期望的天線放置到包含 天線的利用陶瓷灌封材料的蓋50的中空體中進行組裝。包含天線的灌封RF透明蓋50然 后可以滑到安裝支架51中，所述安裝支架51可以先前己固定到渦輪葉片根部22。蓋50可 以經由安裝支架51中插入的銷和蓋50中的草皮而固定到安裝支架51。
[0048] 現在參考圖3,示出分解圖，其示出在圖2的外殼24內包括的高溫電子器件封裝 件34內的元件。封裝件底部空腔34A包括從其一端延伸的電氣連接銷40,該連接器實現在 封裝件34內部的電子器件和外部傳感器、源及天線之間的通信。為了在高達至少450°C的 高溫下運行，該封裝件必須被設計且大小被制成包含電子電路及其襯底（在下文中為PC板 42)。該封裝件必須能夠承受溫度和離心負荷要求并且保護襯底上的電路。因此，封裝件34 由鍍金的Kovarli、合金制成并且電氣連接銷40由金制成。對封裝件34的鍍金防止可能在 升高溫度下發生的Kovaf合金的氧化。連接器40借助于各個絕緣套管（未示出）與該 封裝件絕緣。一對銷40聯接到與傳感器30通信的電氣連接器28。第三銷聯接到地電位， 而銷4、5、6和7聯接到電源（兩個，每個用于正和負交流）。最后銷用于把發射器輸出（數 據）信號聯接到天線26。
[0049]PC板
[0050]PC板42或襯底優選地由能夠在高溫下操作的材料制作，比如陶瓷材料，諸如氧化 鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅、氮化鋁等。電路路線（或"印刷電路"）優選地由在高溫下工作 的金屬（諸如銀、金、鉬或鈀）制作。發明人選擇一種使用氧化鋁襯底來制作PC板42的一 個實施例的厚膜工藝。氧化鋁襯底金屬化有厚膜金膏。這些襯底在高溫下很好地執行并且 與（下面討論的）管芯附著工藝非常兼容。DupontQG150品牌金膏被選擇作為金屬化。該 膏包括高密度金粉末與玻璃氧化物粘合劑。PC板可以由10-100密耳厚的氧化鋁形成。最 終襯底包括測量為20密耳厚的96%氧化鋁襯底。高密度金膏被用作導電層，并且也被用作 能夠與其焊接和引線接合的表面。印刷能力允許5密耳的線分辨率。
[0051]PC板42通過如上文中概述的以下工藝來組裝。利用厚膜絲網印刷工藝來制備 襯底。專門的絲網印刷機結合圖案化的不銹鋼精細篩網一起使用。金膏被印刷到氧化鋁 (Al2O3)襯底上。在印刷之后，在KKTC下在烤箱中使該膏變干以"烤出"膏中的溶劑。接著， 襯底被放置在爐子中并且在850°C下燒制（fire)。在這個過程期間，膏中的玻璃/氧化物 粘合劑形成燒結膏和氧化鋁襯底之間的強接合。多個印刷要求多個燒制步驟。依據一個實 施例，采用兩個印刷/燒制循環（頂側金屬化和底側金屬化）。
[0052]經燒制的襯底然后用切割鋸被切出至適當的尺寸。頂部印刷在其上形成了電路圖 案，而底部印刷是由于印刷性限制而被"網格化"的金屬平面。后金屬平面將允許在其上執 行冶金接合工藝。
[0053]-旦PC板42完成并且部件附著到其上（在下文中描述），PC板然后被放置到空 腔34A中并且12開金線44A、44B被激光焊接到用于形成保持器的空腔以經由壓縮把PC板 固定到位。把襯底機械地保持在封裝件中極其重要，因為高g力施加在封裝件及其內含物 上。保持器可以由具有在封裝件的熱膨脹系數的20%內的熱膨脹系數的材料形成以便最 小化其間的差異熱生長。可行的是把填料材料添加到封裝件34中并且使其在PC板和電路 部件上擴展以在操作期間幫助穩定其放置。然而，使用的任何填料必須允許部件及其連接 導線在溫度循環期間的任何膨脹或收縮。最后，蓋子34B固定到空腔34A的頂部。依據一 個實施例，Kapton'品牌聚酰亞胺絕緣膠帶用于把蓋子34B保持在適當位置，直到其可以 通過壓縮被機械地固定為止。用于固定蓋子34B的另一個實施例是把其焊接到封裝件空腔 34A。
[0054]如下面將更詳細描述的，可以使用PC板42的兩個不同電路布局圖案。第一圖案 被設計用于感測渦輪機的選擇部件的溫度變化的電路，其中傳感器30是熱電偶。指示部件 溫度的信號被電路放大和處理，然后經由FM發射器發送并且經由諸如天線26的天線廣播。 這種類型的電路可以用于除了測量溫度的那些傳感器之外的、但其也產生直流（D/C)輸出 信號作為響應的傳感器，諸如靜應變、導電跡線、化學傳感器或壓力傳感器。第二圖案被設 計用于感測在渦輪機的選擇部件上發生的動態應變的電路，其中傳感器30是應變計。指示 在選擇部件上發生的動態應變的信號被電路放大和處理，然后經由單獨的FM發射器發送 并且經由諸如天線26的天線廣播。這種類型的電路可以用于除了測量動態應變的那些傳 感器之外的、但其也產生交流（A/C)輸出信號作為響應的傳感器，諸如加速計或電磁波反 射檢測器。可選的實施例使用單個FM發射器，所述單個FM發射器復用多個信號以發送到單 個FM接收器，所述單個FM接收器被配置成把接收的信號解碼成兩個單獨的數據信號。如 圖3所示的PC板42在圖示中是部分完整的并且一般表示熱電偶電路。兩個電路都包括作 為FM發射器的科耳波茲振蕩器的儲能電路的一部分的空芯電感線圈L1，這將在下面本文 中進一步解釋。線圈Ll的品質因數Q在電路的操作溫度和操作頻率下可以至少為5。濺 射的金或銀材料可以用于形成該線圍，然而，此類沉積工藝通常導致具有低Q值的感應器。 本發明人已成功地利用金或銀線來形成電感器線國。金屬線空芯導體可以沿其長度被灌封 (pot)以防止在高頻下電短路。絕緣膠帶可以纏繞在其中其自身交叉的灌封線上以便防止 電短路。可選地，金屬線可以在其交叉點處形成為橋（bridge)以便防止電短路。為了提高 這種線圈的機械強度和穩定性，可以在線周圍放置灌封材料，盡管任何這種灌封材料將必 然影響線圈的Q因數。在一個實施例中，用陶瓷氧化鋁膏懸浮液（諸如Ceramabondu品牌 陶瓷粘結劑）灌封的金線提供在燃氣渦輪機操作溫度和G力下期望程度的結構穩定性并且 提供大于5的Q因數。這種基于氧化鋁的灌封也充當線圈的電氣絕緣體，因此在線自身周 圍不要求單獨的電氣絕緣。
[0055] 管芯/部件附著
[0056] 為了使電子封裝件在高達至少450°C的升高溫度下運行且承受大于lOOOg's的 離心負荷，要滿足特殊的要求以把部件附著到PC板42。在真空烤箱中執行所有接合以確 保焊料的正確回流。發明人明白在被焊接的部件具有微小質量時可能遇到的主要問題。 如果部件的質量很小，則可能不能在液體合金形成珠狀時打破液體合金的表面張力，并且 部件部分可能離開焊料并滑到另一個位置，或者其可能以一角度傾斜（稱作"元件堅立 (tomb-stoning)，'）。
[0057] 為克服這個問題，本發明人研發了一種利用在真空烤箱的加熱夾具中裝配的部件 對準模板和轉移板的方法。轉移板60以平面圖和正視圖示于圖4A中并且一對部件對準板 61和62也以平面圖示于圖4B中。圖4A示出在組裝圖3所示的PC板42中使用的轉移板 60的平面圖和端視圖。該板由石墨制成并且大小被定制且被整形以容納襯底（PC板）和對 準板60、61以對準在組裝操作期間要附著到PC板的部件。對準板60、61必須能夠承受高 溫、必須與焊料不發生反應且耐焊料，并且能夠限定部件的高度精確的切口。因而，合金316 不銹鋼可以用于制作這些板。由于切口的小尺寸和對高精度的需要，激光切割可以用于制 作。
[0058] 下一關注是用于把部件附著到PC板42的焊料的配制。材料必須與管芯金屬化部 (Au薄膜）和襯底金屬化部（Au厚膜）兼容。
[0059] 銅焊是一種涉及在兩個浸潤表面之間熔化高溫填料金屬的相對簡單工藝，由于以 下三個主要因素而發現銅焊對本應用而言不是最優的：（1)大多數銅焊具有在700°C之上 的液線溫度并且要求高腐蝕性焊劑；（2)大多數銅焊合金不是共晶的并且具有很大的塑性 區域，這可能使處理復雜化；以及（3)大多數銅焊不與金表面兼容。
[0060] 發明人還發現瞬態液相（TLP)接合不是最優的。在這個過程中，在兩個兼容表面 之間使低熔點合金液化。在合金填充在貼合表面之間的間隙時，其用來"溶解"或"濾除"兼 容金屬。這個動作改變了合金的成分，從而使填料的熔點偏移，導致凝固和極高質量接合。 這個過程的主要要求在于被接合的表面要厚而熔化的合金層極薄。當這個過程被應用于鍍 薄膜（20微米厚）和厚膜（25微米厚）襯底時，發明人發現結果與許多未通過驗收要求的 很大不一致性。
[0061] 發明人發現利用純金的固態擴散過程對本應用而言是有用的。在這個過程中，沒 有利用液態金屬。作為代替，金的快速自擴散屬性用于產生兩個純金表面之間的很高質量 接合。雖然可以不用填料材料來執行固態擴散，但是它通常要求很高壓力以把面對表面壓 縮在一起從而獲得合適的接觸面積。代替這種壓力，發明人選擇金填料材料來填充接合表 面之間的問隙。研究了金箔和粉末兩者，其中粉末證明是更好的選項，原因在于其既填充間 隙又在加熱時由于燒結而形成固體同質層的能力。燒結是一種利用擴散把兩個小顆粒一起 聯接為固體基質的過程。這一般是在升高溫度下執行的以提高擴散速率。雖然可以用金粉 末來執行固態擴散過程，但是還發現金膏更容易用于本應用中。可以通過許多方法（包括 滴涂（dispensing)、沖壓和絲網印刷）來涂敷膏。金膏和金粉末之間的主要差別在于膏具 有：有機載體（諸如聚合物、萜品醇或乙二醇酶），其充當轉移介質使得可以容易地涂敷粉 末；以及表面活性劑，其用來分離粉末直到期望接合為止。
[0062] 選擇許多金厚膜膏進行使用。雖然膏具有將不提供與純金層的粘接的其它添加劑 (基于氧化物的粘結劑和玻璃粉），但是它們與氧化鋁襯底和厚膜金金屬化部兼容。另外， 這些膏容易獲得，包含小高純金粉末，并且被設計用于容易的涂敷。雖然許多金膏己證明兼 容，但是表現最佳的選項發現是DuPontQG150,其是具有可獲得最高金成分的膏。這是用于 金屬化襯底的相同膏，并因而與整個系統非常兼容。在這個過程中，用少量的QG150金膏把 管芯和部件放置在金金屬化的襯底上。然后把組件放置在400°C的烤箱中達12小時。在這 個時間期間，在鄰近的金顆粒之間以及在顆粒和接合表面之間發生金一金擴散。所得到的 接合很強且能夠承受遠遠超過500°C的溫度。另外，該過程是簡單的、快速的、可重復的，并 且可以對很小的部件執行。
[0063] 現在參考圖5A、5B和5C，示出用于在電路板上對準和組裝部件的轉移板的透視 圖。首先，襯底或PC板42放置在轉移板60的空腔中。接著，對準板61、62放置在襯底上。 然后把部件附著金膏放置在對準板的開口中并且然后把部件放置在對準板61、62的開口 中進行組裝操作。轉移板60連同襯底、對準板、金膏和部件一起夾在加熱的石墨板65之 間，如圖5C所示。接著把組件放置在400°C的烤箱中達12小時。在這個時間期間，發生金 一金擴散，并且管芯和部件在大于500°C的溫度下以高剪切強度保持附著。由正確地對準管 芯和部件的取放機器使得該過程可重復。
[0064]引線接合
[0065] 引線接合是在許多電子應用中使用的標準方法，然而，發明人不知道把它們用于 使它們經受這種高剪切力（即g負荷）同時處于高溫的環境中。現在參考圖6A和6B，示出 通常用于半導體領域中的引線接合技術。圖6A示出接合線的各端的腳部和跟部，而圖6B 示出術語"環路高度（loopheight)"和"接合長度"。圖7是示出典型引線接合的g力分 析的透視圖，其中從四個不同方向施加g力。首先，在標記為X和X方向的橫跨引線接合的 相對方向上（即在平行于線的方向上）存在兩個可能力，然后在標記為Z和-Z方向的進入 引線接合的相對方向上（即在垂直于線的方向上）存在兩個可能力。圖8示出引線接合的 圖示，示出線在這些各個方向上的模擬g力應力下的變形。用于連接集成電路與PC板的互 連技術對任何電子系統而言是關鍵部件。
[0066] 在高g力下，通常預見的是，引線接合將以一定程度偏離其原始位置。本發明人意 外發現，可以在本發明的高溫和高g環境中利用金線接合。發現的是，在X方向上的引線接 合負荷（圖8中的負荷集2)導致線中最小的總應力。使用了0.7和1.0密耳直徑的金線 接合。已表明，如果引線接合平行于離心負荷取向，最大環路高度不大于17. 4密耳，并且最 大接合長度（從接合焊盤到接合焊盤）保持在35密耳，則引線接合的直徑在結構上是穩定 的。這些結果對于大于l〇〇〇g's的負荷而言是可接受的，事實上，經測試對在10000g's之 上的負荷而言是可接受的。線屬性、環路高度、接合長度和溫度均影響引線接合的最大可承 受G負荷。
[0067]電子器件
[0068] 現在參考圖9A，示出示例性示意圖，其示出對本文使用的放大器電路偏置的獨特 電路。偏置電路的功能是把JFET放置到正確的操作區中。對于JFET，操作的位置可以是 在其中JFET相當于小電阻器的歐姆區域內或者在其中JFET相當于電壓受控電流源的飽和 區域內的各點。不同偏置點導致不同的JFET行為，甚至相同區域內的不同點也這樣。當在 25°C到500°C的溫度范圍內操作JFET時，許多JFET特性發生變化。本文具體感興趣的是設 備將在高溫下比在低溫下展現更小增益的事實。另一個重要變化是JFET性能隨溫度的特 性，這是JFET閾值電壓隨溫度的提高而向下（更負）偏移，這在圖9B的圖示中被例證。
[0069] 結構上，圖9A中示出的放大器電路包括分壓器網絡，其包括串聯聯接在正電壓源 v(+)和負電壓源v(-)之間的RB_1和RB_2。連接RB_1與RB_2的電路節點1000聯接到輸 入電容器(：_1的一側并聯接到JFETQl的柵極端子。C_1的另一側聯接到輸入端V(in)。 JFETQl的源極端子聯接到地電位，而其漏極端子聯接到負載電阻器RD的一側。電阻器RD 的另一側聯接到正電壓源V(+)。Ql的漏極端子也通過另一個電容器C_2聯接到輸出端子 V(out) 〇
[0070] 圖9B示出在變化的溫度下圖9A的放大器的AC輸出電壓相對于偏置電壓的變化 電平。即，節點1000上的電壓電平被繪制在圖9B的水平軸上，而所得到的輸出電壓V(OUt) 被繪制在垂直軸上。曲線1001表示在25°C的溫度下的輸出電壓，曲線1002表示在KKTC 下的輸出電壓，曲線1003表示在200°C的溫度下的輸出電壓，曲線1004表示在300°C的溫 度下的輸出電壓，曲線1005表示在400°C的溫度下的輸出電壓，而曲線1006表示在500°C 的溫度下的輸出電壓。
[0071] 在JFET共源交流放大器（例如圖9A)中，存在導致最高交流電壓增益的窄偏置電 壓范圍。因而，如可以從該圖中看到的，存在隨溫度而降低的增益，其導致較低的最大交流 輸出電壓。此外，表明其中發生最大峰峰值輸出電壓的偏置點向左偏移（隨溫度的提高，更 負的直流柵極偏置電壓）。理想的偏置電路將跟蹤該峰值從而提供最優的性能。因此，期望 的是隨溫度變化而適配偏置直流電壓。
[0072] 電阻器RB_1和RB_2把柵極的直流操作點設置為共源放大器（圖9A)的源電壓 (Vgs)，這是與圖9B的水平軸上繪制的電壓相同的電壓。例如，在25°C下峰值交流電壓輸出 的偏置點是在Vgs= -I. 7v處。電阻器RD是JFET漏極電阻器，其幫助確定放大器的電壓 增益。在（25°C到450°C的）溫度漂移上偏置該電路時必須說明的兩個特性是：由電阻器 RB_1和RB_2設置的偏置點，其應當跟蹤峰值輸出電壓的電壓結果；以及電路的增益應當隨 著溫度的提高而提高。如果采取上面兩個措施，則設備的輸出特性將在感興趣的溫度范圍 內保持基本恒定。這可以通過把電阻器RB_1設計為具有正的電阻溫度系數（PTC)同時電 阻器RB_2具有零電阻溫度系數（ZTC)而實現。第二方法是還給電阻器RD提供PTC以便隨 著溫度提高而提高放大器增益（導致高溫下的增益等于低溫下的增益）。
[0073] 電阻溫度系數可以以若干方式來實施。它們可以潛在地使用表面貼裝熱敏電阻器 來施加或者它們可以用固定到電路板的不同材料來制作。存在許多可用的擁有各種電阻溫 度系數（TCR)的厚膜膏。依據一個實施例，電阻器RB_1和RD由TaN厚膜形成，而電阻器 RB_2由鉬厚膜形成。
[0074] 現在參考圖10,示出應變計電路的框圖。指示置于所測量渦輪部件上的應變量的 信號由應變計101產生。這個信號然后由差動放大器102感測并且耦合到AC放大器103 以用于進一步放大。放大的應變計信號然后施加到電壓受控振蕩器104的輸入，所述電壓 受控振蕩器104產生其頻率表示置于所測量渦輪部件上的應變的振蕩信號。這個振蕩信號 然后由緩沖器105緩沖并且傳遞給天線26以發送給調諧到載波頻率的常規調諧器（未示 出）。
[0075] 現在參考圖11，示出熱電偶電路的框圖。指示所測量渦輪部件的溫度的信號由熱 電偶110檢測，該信號傳遞到差動放大器111。差動放大器111的輸出傳遞到DC放大器112。 DC放大器112的輸出和方波振蕩器113 (或方波發生器）的輸出f禹合到"斬波器" 114的輸 入。斬波器114的輸出耦合到電壓受控振蕩器115的輸入，所述電壓受控振蕩器115產生 其頻率和振幅表示在所測量渦輪部件上感測的溫度的振蕩信號。這個振蕩信號然后由緩沖 器116緩沖并且傳遞給天線26以發送給調諧到載波頻率的常規調諧器（未示出）。在這兩 種類型的電路都用在相同的渦輪機上的情況下，載波頻率將是不同的以便避免兩個信號之 間的混淆。
[0076] 現在參考圖12,示出用于放大應變計輸出信號的電路101U02和103的示意圖。 要求傳統無線遙測電路設計的修改以便通過在超過450°C的溫度下可使用的可用電氣設備 的更有限選擇來電氣實現所需的任務。應變計信號調節（激發和放大）電路是僅使用一種 類型的晶體管（具有高溫金屬化部的JFET)設計的。不能使得金屬接合焊盤（即金）直接 連接到半導體材料，而是必須利用粘接層，諸如鎢，且也許還添加擴散阻擋層。這些金屬包 括管芯的"金屬堆"，即高溫金屬化部。
[0077] 結構上，存在包括耦合在正電壓源Vdc(+)和地電位之間的應變計和電阻器R7的 分壓器網絡。電路節點1100是電阻器R7和應變計之間的連接點，并且還通過電容器C4耦 合到JFET晶體管Jl的柵極端子。晶體管Jl由一對電阻器RB_1和RB_2偏置，該對電阻器 RB_1和RB_2以與上面參考圖9A描述的相同方式聯接在這個晶體管的柵極端子。晶體管Jl 是包括晶體管J2的差動放大器的半部。晶體管Jl的漏極端子通過電阻器Rl耦合到正電 壓Vdc(+)，而晶體管J2的漏極端子通過電阻器R2耦合到相同的Vdc(+)。晶體管Jl和J2 的源極端子被耦合在一起并且耦合到另一個晶體管J3的漏極端子，該晶體管J3包括耦合 到地電位的柵極端子和通過另一個電阻器R3也耦合到地電位的源極端子。晶體管J2的柵 極端子也耦合到地電位。因此，晶體管Jl的柵極端子上的任何變化將在其漏極端子處被放 大并且通過電容器Cl耦合到又一個晶體管J4的柵極端子，該晶體管只是包括晶體管J5和 J6的又三個放大級（交流放大器103)的第一級，其中在端子Vout處提供放大器的輸出。
[0078] 置于被測量的部件（該部件包括應變計）上的應變的變化改變了應變計電阻器的 電阻，從而改變晶體管Jl的柵極端子處的電壓。這改變橫跨電阻器Rl的晶體管Jl的輸 出，其由晶體管J4、J5和J6耦合到后繼的放大級。圖13中示出的所有電阻器，除了電阻器 RB_2(其具有ZTC)之外，具有很低（接近零，微正）的電阻溫度系數。此外，所有JFET晶體 管用高溫金屬化部制成，如上文中所描述的。
[0079] 現在參考圖13,示出用于放大熱電偶輸出和把熱電偶電路的局部溫度嵌入到放大 的輸出信號中的電路11〇、111和112的示意圖。以此方式，橫跨熱電偶的熱梯度而不僅熱 電偶輸出可以被發送，因而給出準確的溫度測量。圖16示出相合到圖11的框圖中示出的 電路（即熱電偶電路201)的熱電偶110。熱電偶110輸出被示為表示ATC。如在下文中 將進一步示出和描述的，它是表示渦輪機的真實測量溫度的熱電偶電路201的局部溫度與 ΛTC之和。
[0080] 再次參考圖13,熱電偶的負腿接地，而正腿連接到晶體管J7的柵極端子，該晶體 管J7連同晶體管J8 -起形成差動放大器111。這個差動放大器由包括在晶體管J7的柵極 端子處耦合在一起的RB_1和RB_2的分壓器加上用晶體管J9形成的電流源偏置。如上文 中所描述的，電阻器RB_1具有PTC而電阻器RB_2具有ZTC以便補償高溫環境（參見圖9A 和伴隨的描述）。
[0081] 由于熱電偶信號是直流或者是很低頻率的交流，所以連續的放大級不能被電容性 耦合。作為代替，晶體管Jio用于源極跟隨器配置中以使差動放大器的輸出向下偏移至共 源晶體管Jll必須被偏置的電平。應明白，源極跟隨器降低了差動放大器的輸出阻抗。晶 體管Jll用來進一步放大該信號。晶體管J12和J14形成另一個電平偏移和放大級（直流 放大器112)。此時，熱電偶的輸出己被放大到適當的電平。現在，熱電偶電路的局部溫度必 須嵌入到放大的信號中。
[0082] 晶體管J14和J15形成由晶體管J16形成的電流源所偏置的差動對放大器。電容 器C6和C7連同電阻器R18、R19和R20 -起形成90到+90°相移網絡。這個相移網絡在 晶體管J15處連接在放大器輸入的一端，而另一端耦合到放大器的輸出（晶體管J14的漏 極端子），其包括RC反饋網絡。這種配置形成松弛型RC振蕩器（方波振蕩器113)。電容 器C6和C7是NPO類型電容器，并且其電容在25°C到450°C的溫度漂移上不會明顯地改變。 NPO電容器電介質具有負-正-零電容溫度系數，其中正和負溫度系數彼此消除。電容器 C8串聯耦合在RC反饋網絡和在晶體管J14的漏極端子處的差動放大器的輸出之間。這個 電容器用X7R電介質制成，因而其電容隨溫度變化而可預測地改變。X7R是具有比NPO電介 質更高的介電常數但具有與溫度的大電容相關性（其是可預測的）的電容器電介質。這個 振蕩器的輸出是具有由溫度相關電容器C8確定的頻率的方波，因而，熱電偶電路的局部溫 度可以被編碼成方波信號。（參見在室溫下圖17所示的振蕩器113輸出波形210 ;以及圖 18所示的在升高溫度下的相同振蕩器輸出波形212)。晶體管J27用作斬波器晶體管（即 斬波器114)。來自晶體管J13的放大熱電偶輸出（圖19中的波形214)耦合到晶體管J27 的漏極端子，同時方波振蕩器輸出耦合到相同晶體管J27的柵極端子。晶體管J27的源極提 供方波輸出，其振幅與熱電偶110的溫度成比例且其頻率與熱電偶電路的溫度成比例（參 見圖20所示的波形216)。因而，信號包含熱電偶輸出加上熱電偶電路的溫度，該信號施加 到電壓受控振蕩器115。
[0083] 作為熱電偶110及其電路113的操作示例，假設電路113的溫度處于25°C并且振 蕩器113的對應輸出處于I. 62kHz的頻率（波形210,圖17)。此外，針對使用的特定熱電 偶110假設12mv輸出電壓（波形214,圖19)對應于320°C的ΛT。現在，假設電路113的 溫度處于325°C并且振蕩器113的輸出是5. 44kHz(波形212,圖18)。通過組合波形212和 214與晶體管J27,晶體管J27的所得到輸出（即電路的輸出）由波形216示出。因而，在 熱電偶的熱端處測量的所得到的溫度是645°C。波形216的頻率表示局部電路113的溫度 并且振幅表示ΛΤ。因而，本領域的技術人員可以構造與FM接收器（未示出）關聯的電路 以執行信號解碼和附加操作。
[0084] 現在參考圖14,示出功率調節電路的示意圖。能夠整流RF輸入電壓、過濾經整流 的電壓且調整該電壓的功率調節電路必須僅使用一種類型的晶體管和可用二極管來設計。 電路對由旋轉渦輪機提供的RF感應功率進行整流并且傳送正負調整的直流電壓。結構上， 二極管D5到D8以及二極管D9到Dll用作橋式整流器。端子Vacl和Vac2或Vac3或Vac4 上的交流電壓被全波整流成具有大紋波的直流電壓。電容器C9到C12用作濾波電容器以便 把紋波降低到足夠低的水平。晶體管J17和J21用作恒流源，分別傳送恒定電流到電阻器 R26和R30中。經過恒定電阻的這個恒定電流產生恒定電壓，其耦合到晶體管J19和J23。 這個恒定電壓偏置晶體管J19和J23使得在R25/R26電阻器對或R29/R3電阻器對確定閾 值之后，在晶體管的輸入處的任何提1?電壓不會對晶體管輸出的提1?電壓有貢獻。該提1? 電壓輸入被耗散為晶體管J19和J23中的熱。因而，晶體管J17和J19以及晶體管J21和 J23構成低壓差（LDO)電壓調整器。這些調整器用晶體管J18和J20以及晶體管J22和J24 來重復以改善凈電壓調整。然后電壓分別被供應為正或負調整電壓Vdc(+)或Vdc(-)。
[0085] 依據一個實施例，電阻器R26、R28、R30和R32具有PTC，而電阻器R25、R27、R29和 R31具有ZTC。如上文中討論的，這種電阻器布置補償在升高溫度下偏置電壓的變化。以此 方式，電路自補償溫度變化并且使橫跨晶體管J19、J20、J23和J24的電壓降保持恒定。如 上文中描述的，PTC電阻器可以由鉬制成而ZTC電阻器可以由氮化坦制成。要指出的是，在 電阻器R26、R28、R30和R32用ZTC制成而電阻器R25、R27、R29和R31通過使用硅電阻器 (諸如碳化硅）而用負溫度系數（NTC)制成的情況下，電路也將同樣地運行。
[0086] 現在參考圖15,示出FM發射器（S卩，VC0104和緩沖器105)的示意圖。為了產生 頻率調制的（FM)信號，可變阻抗設備通常用于把信息編碼（即調制）到RF載波上。在低 溫電路中完成這項任務的常見方式是使用其電容具有與所施加電壓的相關性的設備。幾乎 所有Pn結二極管在被反向偏置時展現這種特性，即，施加到反向偏置二極管的變化電壓影 響橫跨二極管的電容的變化。對于低溫無線電應用而言，稱作變容二極管的特殊二極管用 于此目的。變容二極管是具有"超突變"結（即被重度摻雜以提升大調諧角度的結）的pn 結二極管并且由硅或砷化嫁制作。
[0087]圖15所示的電路包括科耳波茲振蕩器，其包括電感器Ll以及串聯聯接的電容器C13和C14,電容器兩者與電感器Ll并聯聯接。晶體管J25用作科耳波茲振蕩器中的有源 設備。振蕩器的載波頻率由電感器Ll和電容器C13與C14的值確定。與電容器C14并聯 聯接的二極管D13用作電壓可變電容器也就是變容二極管，其把交流電壓調制（即編碼） 到載波上。該載波然后被電容性稠合到晶體管J26中，該晶體管J26用作緩沖晶體管以及 功率放大器。二極管D13的陰極耦合到電路節點1400并且其陽極耦合到地電位。電容器 C13和C14之間的電路接點耦合到節點1400,其也包括到電路的輸入端V(in)。電路的輸出 然后被電容性耦合到發射天線（未示出）。
[0088] 在高溫應用中，典型的變容二極管不能被使用并且不用于本文感興趣的FM發射 器機中，因為這種變容二極管的電容因滯后效應而不能持續重復或預測，并在升高溫度下 在施加的偏置電壓范圍內是非線性的。因此，校正信息不能從發送的信號得以恢復（等同 的頻率偏差不會對應于不同的調諧電壓）。發現，該問題是SiC本身固有的并因而沒有SiC 設備將獲得期望的結果。可以在高溫下運行（即，在相同的升高溫度下在施加的偏置電壓 的相同范圍內具有線性電容）的GaN設備被探究用作變容二極管D13。氮化鎵（即GaN)也 是寬帶隙半導體，其中寬帶隙能量為3. 4eV@300K(而SiC是2. 86eV)，意味著其可以在高溫 (超過600°C)下運行。當前可用的唯一市場上可買到的GaN二極管是藍色或紫外LED的 形式，其在本文感興趣的溫度漂移上產生令人滿意的結果。
[0089] 下面的描述提供體現本發明各方面的電路的細節，在一個示例應用中，該電路可 用于應變計電路中，如圖21示例性示出。應明白，這種示例應用不應被理解為限制性的，體 現本發明各方面的電路可用于其它應用。
[0090] 圖22是體現本發明各方面的電路120的一個示例實施例的示意圖。電路120包 括差動放大器122,該差動放大器具有輸入端124,輸入端聯接到傳感元件（例如，圖21的 應變計101)，以接收表示感測參數的電壓（例如表示應變的電壓）。差動放大器122可包 括第一對半導體開關126、128 (例如，差分半導體開關對）。差分半導體開關126、128對的 偏置可由相應的橋式電路（柵極偏置網絡）控制，橋式電路由電阻器R5、R6、R7和R8組成， 可選地使用在上面圖9A和9B的文中描述的溫度補償偏置技術。例如，當溫度增加時，半導 體開關126、128的相應柵極端子處的相應偏壓減小。電路120還包括混合負載電路125,根 據本發明的示例方面，混合負載電路可以AC耦合（交流耦合）到差動放大器122,如下面更 詳細闡述。
[0091] 混合負載電路125可包括第二對半導體開關130、132 (例如，有源負載半導體開關 對）。這對半導體開關均具有相應漏極端子（D)、相應源極端子（S)和相應柵極端子（G)。 在一個示例實施例中，第一對半導體開關126、128和第二對半導體開關130、132涉及不具 有互補半導體開關對的電路。在一個不例實施例中，第一對半導體開關126、128和第二對 半導體開關130U32可以是η通道結柵場效應晶體管（JFET)開關，并可包括相應高溫寬帶 隙材料，比如SiC、AIN、GaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlGaP、AllnGaP和GaAsAIN。
[0092] 如本領域技術人員所明白的，當前，p通道SiCJFET因它們的相對低通道遷移率 而被認為是不實用的，因此，用于差動放大器的已知的有源負載拓撲未用于高溫應用中，因 為這種拓撲涉及P通道SiCJFET。體現本發明各方面的混合負載電路有利地消除了對p通 道JFET的需求，因此，這種電路可達到高溫寬帶隙材料JFET的理論溫度極限（例如，高于 500°C)，并有效地提供了高增益差動放大器，在一個示例應用中，高增益差動放大器可用于 在高溫環境中適當地放大相對低電壓（例如幾毫伏）的電信號，這些電信號可由諸如熱電 偶和應變計的傳感器產生。
[0093] 在一個示例實施例中，混合負載電路125還可包括阻容電路134 (例如，電阻器142 和電容器140)，該阻容電路布置成相對于差分半導體開關對的開關的漏極端子提供一路徑 (例如，相對高阻抗路徑）給AC信號分量的，差分半導體開關對的開關（例如，開關126)接 收表示感測參數的電壓。電路134連接到節點136,節點在并聯電路中聯接到第二對半導體 開關130、132的相應柵極端子。應明白，通過電阻器142連接到地電位135的節點136有 效地維持半導體開關130、132的恰當偏置。
[0094] 在一個示例實施例中，電阻器142的值可選擇成相對于開關130、132的相應柵極 端子處的輸入阻抗的值足夠低，使得例如，差分開關126的漏極端子處的AC信號分量通過 電容器140AC耦合到由電阻器142提供的路徑，而不是開關130、132的柵極端子。例如，假 定在開關對130、132的相應柵極端子處相對于電阻器142的約2ΜΩ電阻值有約20ΜΩ的 輸入阻抗，則應明白，阻容電路134會影響到這種AC信號分量（例如差分開關126的漏極 處）的高阻抗路徑，這有效地增加了差動放大器的AC增益。
[0095] 為了偏置的目的，混合負載電路125可包括從第二對半導體開關中的一個開關 (例如開關130)的源極端子聯接到第一對半導體開關中的一個開關（例如差分開關126) 的漏極端子的第一電阻器144。混合負載電路125還可包括從第二對半導體開關中的另一 個開關（例如開關132)的源極端子聯接到第一對半導體開關中的另一個開關（例如差分 開關128)的漏極端子的第二電阻器146。第一和第二電阻器144和146均可包括正的電阻 溫度系數，使得當溫度變化時，放大器的增益基本保持不變。即，除了可接受的公差和偏差 外恒定，如本領域技術人員在實際真實世界設備中所理解的。連接到開關132的源極端子 的節點148提供了放大的差動放大器輸出。初步實驗結果已表明，在450°C、300°C和25°C 的溫度下，分別為至少約47. 8dB、51. 4dB和57. 8dB的差分增益是可行的。
[0096] 圖21示出示例電源電路239的框圖，其可用在具有遙測系統的渦輪部件（例如渦 輪葉片20(圖1))中。在一個示例實施例中，一個或多個負載可由電源電路239電驅動。 舉例來說，負載可以是電子電路，比如傳感（例如應變計101)、信號調節（例如差動放大器 102)和/或遙測電路（例如電壓受控振蕩器104、緩沖器105)，遙測電路可以是遙測系統的 一部分。
[0097] 電源電路239可通過一個或多個功率收獲模態（Power-harvestingmodalities) 諸如誘導RF(射頻）能量和/或通過在渦輪發動機內收獲熱或振動能量而獲取電功率。 例如，熱電堆可用于從熱能產生電，或者壓電材料可從渦輪發動機的振動產生電。對于想 得到與功率收獲模態的示例形式相關的研究背景的讀者，可參考發明名稱為"Electrical AssemblyForMonitoringConditionsInACombustionTurbineOperating Environment"的美國專利No. 7368827,該專利的全部公開內容作為引用并入本文。
[0098] 不管是什么樣的功率收獲模態，在一個示例實施例中，可給整流器242提供AC(交 流）電源241，整流器將AC輸入轉換為DC(直流）輸出，其聯接到電壓調節器244,并可構造 成維持相對恒定的DC壓力輸出245,即使收獲的AC輸入電壓存在變化也如此。應明白，對 于被測量的任何給定的發動機參數，恒定的電壓輸出是期望的，以獲得所需的測量精度和/ 或穩定性。
[0099] 圖23-24及以下相關描述提供了體現本發明各方面的電壓調節器250的細節，在 一個示例應用中，電壓調節器可用在電源電路中，如圖21示例性示出。應明白，這種示例應 用不應被理解為限制性的，體現本發明各方面的電路可用于其它應用。
[0100] 在一個示例實施例中，電壓調節器250可適于在渦輪發動機的高溫環境中操作。 電壓調節器250可包括恒流電源252,比如可包括第一半導體開關254以及連接在第一半導 體開關254的柵極端子（G)和源極端子（S)之間的第一電阻器256。
[0101] 在一個示例實施例中，第二電阻器258可具有連接到第一半導體開關254的柵極 端子（G)的第一引線260和經由節點263連接到地電位64的第二引線262。恒流電源252 可聯接成在第二電阻器258兩端產生參考電壓（Vr)。源極跟隨器輸出級266可包括第二半 導體開關268以及連接在地電位264和第二半導體開關268的源極端子（S)之間的第三電 阻器270。如圖3中看出，第二電阻器258的第一引線260連接成對第二半導體開關268的 柵極端子（G)施加所產生的參考電壓（Vr)。進一步，應明白，第二半導體開關68的源端子 (S)供給電壓調節器250的被調節輸出電壓（Vout)。應明白，節點263不必地電位，在一個 示例實施例中，節點263可構成輸出節點，布置成提供穩定電壓（例如，圖22的電壓V2,其 可具有與電壓Vl的極性相反的極性）的第二源。
[0102] 在一個示例實施例中，電源252還可包括輸入級272,其可包括具有漏極端子（D) 的第三半導體開關274,漏極端子連接成接收由電壓調節器250調節的輸入電壓（Vin)(例 如，從圖21的整流器242輸出）。分壓網絡276可提供連接到第三半導體開關274的柵極 端子（G)的分壓結278。分壓網絡276可包括連接在分壓結278和第三半導體274的漏極 (D)的第一電阻器280,并可包括連接在分壓結278和第二半導體開關268的源極（S)之間 的第二電阻器282。
[0103] 在圖24所示替代實施例中，在電壓調節器250'中，電源252的輸入級272還可包 括在串聯電路中連接在第一半導體開關254和第三半導體開關74之間的第四半導體開關 284。在該替代實施例中，第四半導體開關284可具有連接到第三半導體開關274的源極端 子（S)的漏極端子（D)、連接到第一半導體開關254的漏極端子（D)的源極端子（S)和連 接到第一半導體開關254的源極端子（S)的柵極端子（G)。應明白，半導體開關274和284 的級聯布置有益于通過電源252的相對更穩定的電流調節，這又有益于相對更穩定的參考 電壓Vr，因此有益于相對更穩定的被調節輸出電壓Vout，參考電壓構成用于第三半導體開 關268的DC偏壓。
[0104] 在一個示例實施例中，半導體開關254、268、274和284可以是η通道結柵場效應 晶體管（JFET)開關，并可包括相應的高溫、寬帶隙材料，比如SiC、AIN、GaN、AIGaN、GaAs、 GaP、InP、AlGaAs、AlGaP、AllnGaP和GaAsAIN。
[0105] 如本領域技術人員所明白的，高溫電壓調節，如涉及由高溫、寬帶隙材料制成的齊 納二極管目前是不可行的，因為涉及高溫材料的齊納二極管被認為商業上不可用。而且， P通道SiCJFET因其相對低通道遷移率而被目前認為在高溫應用中是不現實的。相應地， 體現本發明各方面的電路以η通道JFET有利地克服由高溫、寬帶隙材料制成的齊納二極 管的當前無效性，因此，這種電路可在高溫、寬帶隙材料JFET的理論溫度極限（例如高于 500°C)內操作，并有效地提供基本穩定的電壓調節器。在一個示例應用中，根據本發明各 方面的電壓調節器可用于適當地調節高溫環境中的電源，以驅動涉及相對低壓信息信號的 負載電路。例如，在本發明之前，考慮到信息信號的相對低幅度（例如，幾毫伏），這種負載 電路易受由電源不穩定性引起的測量不確定性的影響，信息信號可由傳感器，比如熱電偶 和應變計產生。
[0106] 在一個示例實施例中，可通過調節第一和第二電阻器256和258的相應電阻值的 比率來調節輸出電壓Vout的大小。通常，已知電壓調節器的輸出電壓是不能調節的，必要 時，對于已知電壓調節器，可涉及運算放大器。然而，對于高溫應用，由高溫、寬帶隙材料制 成的運算放大器被認為商業上不能獲得。相應地，以簡化方式（例如，具有更少的有源部 件）體現本發明各方面的電壓調節器通常構造成調節被調節輸出電壓Vout的大小，必要 時，可涉及高溫環境中的操作，電阻式溫度檢測器（RTD)或類似物可與第一和第二電阻器 256和258結合，以根據溫度變化控制被調節輸出電壓Vout。預期地，由于改進的穩定性和 重復性（可通過體現本發明各方面的電壓調節器獲得），可一貫地重復由電壓調節器在溫 度變化下經受的任何電壓調節變化，這意味著可使用本領域技術人員熟知的技術恰當地補 償源自溫度變化的任何這種電壓調節變化。
[0107] 盡管本文中示出且描述了本發明的各實施例，但是應明白，這種實施例僅以示例 給出。在不脫離本發明的情況下，可以進行許多變化、改變和替代。相應地，本發明僅由所 附權利要求的精神和范圍限制。
【權利要求】
1. 一種適于在渦輪發動機的高溫環境中操作的電路，所述電路包括： 傳感元件，布置在所述渦輪發動機的部件上，以感測所述部件的參數，并提供表示所感 測參數的電壓； 差動放大器，具有輸入端，所述輸入端聯接到所述傳感元件以接收表示所感測參數的 電壓， 其中，所述差動放大器包括第一對半導體開關，所述第一對半導體開關均具有相應的 柵極偏置網絡，所述柵極偏置網絡包括第一電阻元件和第二電阻元件，所述第一電阻元件 具有正的電阻溫度系數，聯接在電壓源和所述半導體開關中的相應一個的相應柵極端子之 間，所述第二電阻元件具有零電阻溫度系數，聯接在相應柵極端子和地電位之間，其中，每 個相應的柵極偏置網絡布置成當溫度增加時，所述半導體開關的相應柵極端子處的相應偏 壓減小；以及 混合負載電路，AC耦合到所述差動放大器，其中，所述差動放大器和所述混合負載電路 布置在所述渦輪發動機的高溫環境中。
2. 如權利要求1所述的電路，其中，所述混合負載電路包括第二對半導體開關，其中， 所述混合負載電路還包括阻容電路，所述阻容電路布置成相對于所述第一對半導體開關中 的開關的漏極端子提供一路徑給AC信號分量，所述第一對半導體開關中的開關接收表示 所感測參數的電壓。
3. 如權利要求2所述的電路，其中，所述阻容電路連接到一節點，所述節點在并聯電路 中聯接到所述第二對半導體開關的相應柵極端子，其中，所述阻容電路的電阻器具有連接 到所述節點的第一引線和地電位的第二引線，其中，所述阻容電路的電容器具有連接到所 述節點的第一引線和連接到所述第一對半導體開關中的開關的漏極端子的第二引線，所述 第一對半導體開關中的開關接收表示所感測參數的電壓。
4. 如權利要求2所述的電路，其中，所述混合負載電路還包括第一電阻器和第二電阻 器，所述第一電阻器從所述第二對半導體開關中的一個開關的源極端子聯接到所述第一對 半導體開關中的一個開關的漏極端子，所述第二電阻器從所述第二對半導體開關中的另一 個開關的源極端子聯接到所述第一對半導體開關中的另一個開關的漏極端子。
5. 如權利要求4所述的電路，其中，相應的第一和第二電阻器均包括正的電阻溫度系 數，使得雖然溫度發生變化，但所述放大器的增益基本保持不變。
6. 如權利要求1所述的電路，其中，所述差動放大器包括單極差動放大器。
7. 如權利要求2所述的電路，其中，相應的第一對和第二對半導體開關包括不具有互 補半導體開關對的電路。
8. 如權利要求2所述的電路，其中，相應的第一對和第二對半導體開關包括n通道結柵 場效應晶體管（JFET)開關。
9. 如權利要求2所述的電路，其中，相應的第一對和第二對半導體開關包括相應的高 溫寬帶隙材料。
10. 如權利要求9所述的電路，其中，所述高溫寬帶隙材料從由SiC、AIN、GaN、AIGaN、 GaAs、GaP、InP、AIGaAs、AIGaP、AllnGaP 和 GaAsAIN 構成的組中選擇。
11. 如權利要求1所述的電路，其中，所述傳感元件包括應變計，以感測部件的應變，所 述電壓表示所感測的部件應變。
12. -種包括如權利要求1所述的電路的遙測系統。
13. -種適于在高溫環境中操作的電路，所述電路包括： 差動放大器，具有輸入端，所述輸入端聯接成接收表示高溫環境中的部件的感測參數 的電壓； 混合負載電路，AC耦合到所述差動放大器； 電壓調節器電路，聯接成驅動所述差動放大器，其中，所述差動放大器、所述混合負載 電路和所述電壓調節器電路布置在高溫環境中。
14. 如權利要求13所述的電路，其中，所述電壓調節器電路包括： 恒流電源，至少包括第一半導體開關以及連接在所述第一半導體開關的柵極端子和源 極端子之間的第一電阻器，所述恒流電源還包括級聯輸入級，所述級聯輸入級連接成接收 由電壓調節器調節的輸入電壓； 第二電阻器，具有連接到所述第一半導體開關的柵極端子的第一引線和連接到調節器 的輸出節點的第二引線，其中，所述恒流電源聯接成在所述第二電阻器的兩端產生參考電 壓；以及 源極跟隨器輸出級，包括第二半導體開關以及連接在所述輸出節點和所述第二半導體 開關的源極端子之間的第三電阻器，其中，所述第二電阻器的第一引線連接成對所述第二 半導體開關的柵極端子施加所產生的參考電壓。
15. 如權利要求14所述的電路，其中，所述第二半導體開關的源極端子提供所述電壓 調節器的第一被調節輸出電壓。
16. 如權利要求14所述的電路，其中，所述輸出節點提供所述電壓調節器的第二被調 節輸出電壓，其中，所述第二被調節輸出電壓包括與所述第一被調節輸出電壓的極性不同 的極性。
17. 如權利要求14所述的電路，其中，所述電源還包括輸入級，所述輸入級包括第三半 導體開關，所述第三半導體開關具有漏極端子，所述漏極端子連接成接收由所述電壓調節 器調節的輸入電壓。
18. 如權利要求17所述的電路，還包括分壓網絡，所述分壓網絡具有連接到所述第三 半導體開關的柵極端子的分壓節點，其中，所述分壓網絡包括連接在所述分壓節點和所述 第三半導體開關的漏極之間的第一電阻器以及連接在所述分壓節點和所述第二半導體開 關的源極之間的第二電阻器。
19. 如權利要求17所述的電路，其中，所述電源的輸入級還包括第四半導體開關，所述 第四半導體開關在串聯電路中連接在所述第一半導體開關和所述第三半導體開關之間，其 中，所述第四半導體開關具有連接到所述第三半導體開關的源極端子的漏極端子、連接到 所述第一半導體開關的漏極端子的源極端子以及連接到所述第一半導體開關的源極端子 的柵極端子。
20. 如權利要求13所述的電路，其中，所述差動放大器包括第一對半導體開關，所述第 一對半導體開關均具有相應的柵極偏置網絡，所述柵極偏置網絡包括第一電阻元件和第二 電阻元件，所述第一電阻元件具有正的電阻溫度系數，聯接在電壓源和所述半導體開關中 的相應一個的相應柵極端子之間，所述第二電阻元件具有零電阻溫度系數，聯接在相應柵 極端子和地電位之間，其中，每個相應的柵極偏置網絡布置成當溫度增加時，所述半導體開 關的相應柵極端子處的相應偏壓減小。
21. 如權利要求13所述的電路，其中，所述混合負載電路包括第二對半導體開關，其 中，所述混合負載電路還包括阻容電路，所述阻容電路布置成相對于所述第一對半導體開 關中的開關的漏極端子提供一路徑給AC信號分量，所述第一對半導體開關中的開關接收 表示所感測參數的電壓。
22. 如權利要求21所述的電路，其中，所述阻容電路連接到一節點，所述節點在并聯電 路中聯接到所述第二對半導體開關的相應柵極端子，其中，所述阻容電路的電阻器具有連 接到所述節點的第一引線和地電位的第二引線，其中，所述阻容電路的電容器具有連接到 所述節點的第一引線和連接到所述第一對半導體開關中的開關的漏極端子的第二引線，所 述第一對半導體開關中的開關接收表示所感測參數的電壓。
23. 如權利要求21所述的電路，其中，所述混合負載電路還包括第一電阻器和第二電 阻器，所述第一電阻器從所述第二對半導體開關中的一個開關的源極端子聯接到所述第一 對半導體開關中的一個開關的漏極端子，所述第二電阻器從所述第二對半導體開關中的另 一個開關的源極端子聯接到所述第一對半導體開關中的另一個開關的漏極端子。
24. 如權利要求23所述的電路，其中，相應的第一和第二電阻器均包括正的電阻溫度 系數，使得雖然溫度發生變化，但所述放大器的增益基本保持不變。
25. 如權利要求20所述的電路，其中，所述差動放大器和所述電壓調節器的半導體開 關均包括n通道結柵場效應晶體管（JFET)開關。
26. -種包括如權利要求13所述的電路的遙測系統。
27. -種適于在渦輪發動機的高溫環境中操作的電路，所述電路包括： 差動放大器，具有輸入端，所述輸入端聯接成接收表示與渦輪發動機部件相關的感測 參數的電壓； 混合負載電路，AC耦合到所述差動放大器； 其中，所述差動放大器包括第一對半導體開關，所述第一對半導體開關均具有相應的 柵極偏置網絡，所述柵極偏置網絡包括第一電阻元件和第二電阻元件，所述第一電阻元件 具有正的電阻溫度系數，聯接在電壓源和所述半導體開關中的相應一個的相應柵極端子之 間，所述第二電阻元件具有零電阻溫度系數，聯接在相應柵極端子和地電位之間，其中，每 個相應的柵極偏置網絡布置成當溫度增加時，所述半導體開關的相應柵極端子處的相應偏 壓減小；以及 電壓調節器電路，聯接成驅動所述差動放大器，其中，所述差動放大器、所述混合負載 電路和所述電壓調節器電路布置在所述渦輪發動機的高溫環境中； 其中，所述電壓調節器電路包括： 恒流電源，至少包括第一半導體開關以及連接在所述第一半導體開關的柵極端子和源 極端子之間的第一電阻器，所述恒流電源還包括級聯輸入級，所述級聯輸入級連接成接收 由電壓調節器調節的輸入電壓； 第二電阻器，具有連接到所述第一半導體開關的柵極端子的第一引線和連接到調節器 的輸出節點的第二引線，其中，所述恒流電源聯接成在所述第二電阻器的兩端產生參考電 壓；以及 源極跟隨器輸出級，包括第二半導體開關以及連接在所述輸出節點和所述第二半導 體開關的源極端子之間的第三電阻器，其中，所述第二電阻器的第一引線連接成對所述第 二半導體開關的柵極端子施加所產生的參考電壓，其中，所述第二半導體開關的源極端子 提供所述電壓調節器的第一被調節輸出電壓，所述輸出節點提供所述電壓調節器的第二被 調節輸出電壓，所述第二被調節輸出電壓包括與所述第一被調節輸出電壓的極性不同的極 性。
【文檔編號】F01D1/00GK104508444SQ201380038861
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年6月10日 優先權日:2012年6月29日
【發明者】D.J.米切爾, J.R.弗雷利, J.楊, C.席利格, B.韋斯特恩, R.M.舒普巴赫 申請人:西門子能量股份有限公司, 阿肯色電力電子技術國際股份有限公司