專利名稱：用于測(cè)量高溫環(huán)境中的溫度的無線遙測(cè)電路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及用于測(cè)量部件溫度的無線遙測(cè)電子電路并且特別地涉及能夠 在超過300°C的高溫環(huán)境中操作且能夠承受高達(dá)至少1000g’ s的力的電子電路。
背景技術(shù)：
在操作的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度極其高，往往處于超過450°C的水平。當(dāng)期 望監(jiān)視渦輪機(jī)的部件(諸如渦輪機(jī)葉片)的內(nèi)部溫度或者監(jiān)視在操作期間施加于此類部件 上的應(yīng)力時(shí)，要求特殊的感測(cè)、放大和發(fā)送電路。針對(duì)這個(gè)問題的有效解決方案是使用無 線遙測(cè)，諸如在公開的題為 SMART COMPONENT FOR USE IN AN OPERATING ENVIRONMENT 的美國專利申請(qǐng)公開號(hào)US 2005/0198967 Al、或者題為INSTRUMENTED COMPONENT FOR COMBUSTION TURBINE ENGINE 的美國申請(qǐng)?zhí)?11/936，936 以及題為 INSTRUMENTED COMPONENT FOR WIRELESS TELEMETRY的申請(qǐng)?zhí)?1/521，193中揭示的無線遙測(cè)。在這些上面引用的專利申請(qǐng)中，揭示了使用無線遙測(cè)的一般概念。本專利申請(qǐng)應(yīng) 對(duì)在實(shí)施這種技術(shù)中遇到的具體問題?？梢猿惺芨邷氐臒o線遙測(cè)電路板和其上的部件可以實(shí)現(xiàn)在諸如在內(nèi)燃式燃?xì)鉁u 輪發(fā)動(dòng)機(jī)中經(jīng)歷的那些之類的高溫環(huán)境中從固定和運(yùn)動(dòng)部件中提取數(shù)據(jù)。電子電路提供了 在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(諸如工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及在石油與天然氣工業(yè)中使用的渦輪 機(jī))的操作期間實(shí)時(shí)監(jiān)視部件狀況的可能性。知道渦輪機(jī)中的部件的狀態(tài)提供許多益處，包 括基于內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)來優(yōu)化渦輪機(jī)操作以及實(shí)現(xiàn)基于狀況的維護(hù)。通過使用監(jiān)視設(shè)備， 可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的操作成本的顯著降低。對(duì)渦輪機(jī)部件儀表化的當(dāng)前實(shí)踐涉及把 傳感器安裝到部件、把引線鋪到路由器并且把大捆引線在渦輪機(jī)之外長(zhǎng)距離地帶到監(jiān)視位 置。該過程是緩慢的、勞動(dòng)密集型的、昂貴的，并且要求修改渦輪機(jī)的許多部件以便允許包 括所有引線。為了實(shí)現(xiàn)從這種傳感器系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，可能要求把數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī) (transmitter)放置在熱部件的最冷區(qū)域上。這可能導(dǎo)致需要將諸如在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的流 道中的葉片根部處在超過300°C的溫度下運(yùn)行的無線遙測(cè)系統(tǒng)。使用硅或絕緣體上硅 (silicon-on-insulator, SOI)有源部件的目前工藝水平的電路不能夠在此類高溫下操作。 這種無線遙測(cè)電路板將要求能夠在超過300°C的溫度下操作的封裝、板、路線(rim)、無源 設(shè)備、有源設(shè)備以及連接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及在用于內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的遙測(cè)系統(tǒng)中的一種電路結(jié)構(gòu)，固定到所述發(fā)動(dòng)
5機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件且被設(shè)置用于處理關(guān)于所述運(yùn)動(dòng)部件的溫度所感測(cè)的信息，所述電路結(jié)構(gòu)適 于所述發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫環(huán)境且包括熱電偶，被設(shè)置在所述運(yùn)動(dòng)部件上用于感測(cè)其溫度并且 提供表示所感測(cè)的溫度的信號(hào)；放大器，具有耦合到所述熱電偶的輸出的輸入并且被設(shè)置 用于對(duì)表示由所述熱電偶感測(cè)的溫度的信號(hào)進(jìn)行放大；方波振蕩器，被設(shè)置用于生成方波 信號(hào)，所述方波信號(hào)具有指示所述電路結(jié)構(gòu)的局部溫度的頻率；斬波器，被設(shè)置用于把所述 放大器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)，所述斬波器具有耦合到所述方波振蕩器的輸出的第一 門控輸入以及耦合到所述放大器的輸出的第二輸入，所述斬波器具有提供信號(hào)的輸出，所 述信號(hào)具有表示所述電路的局部溫度的頻率以及表示由所述熱電偶感測(cè)的溫度的振幅。


鑒于附圖，在以下的描述中解釋本發(fā)明，所述附圖示出
圖1是示出包括遙測(cè)電路板的電子器件的附著的示例性渦輪機(jī)葉片的部分透視圖。圖2是示出圖1的發(fā)送機(jī)組件的元件的分解透視圖。圖3是示出包含在圖2的發(fā)送機(jī)組件外殼中的高溫電子器件封裝(electronics package)內(nèi)的元件的分解圖。圖4A示出用于在組裝操作期間固定電路板的轉(zhuǎn)移板(transfer plate)的平面圖 和側(cè)視圖。圖4B示出待與圖4A的轉(zhuǎn)移板一起用于在組裝操作期間把部件固定在適當(dāng)位置的 對(duì)準(zhǔn)板的平面圖。圖5A、5B和5C是使用圖4A和4B的轉(zhuǎn)移板和對(duì)準(zhǔn)板的組裝過程的透視圖。圖6A和6B是在半導(dǎo)體技術(shù)中通常使用的導(dǎo)線接合技術(shù)的視圖。圖7是示出典型導(dǎo)線接合的g力分析的透視圖。圖8示出在模擬g力應(yīng)力下的導(dǎo)線接合的各種狀況。圖9A是示出對(duì)本文使用的放大器電路偏置(bias)的獨(dú)特電路的示例性示意圖。圖9B是示出在變化的溫度下圖9A的放大器的AC輸出電壓相對(duì)于偏置電壓的圖表。圖10是應(yīng)變計(jì)電路的框圖。圖11是熱電偶(thermocouple)電路的框圖。圖12是用于放大應(yīng)變計(jì)輸出信號(hào)的電路的示意圖。圖13是用于放大熱電偶輸出和把發(fā)送機(jī)的局部(local)溫度嵌入到放大的輸出 信號(hào)中的電路的示意圖。圖14是功率調(diào)節(jié)電路的示意圖。圖15是包括Colpitts (科耳皮茲)振蕩器的FM發(fā)送機(jī)的示意圖。圖16是代表性熱電偶的圖示。圖17是示出在室溫下熱電偶電路的方波發(fā)生器的輸出的波形圖。圖18是示出在升高溫度下熱電偶電路的方波發(fā)生器的輸出的波形圖。圖19是示出隨著溫度增加時(shí)熱電偶的輸出電壓的波形圖。圖20是示出斬波器的輸出的波形圖，所述斬波器的輸出是熱電偶和方波發(fā)生器 的組合輸出。
具體實(shí)施例方式本文公開的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了通過使用電子電路經(jīng)由無線遙測(cè)從具有從環(huán)境到大于 300°C變化且包括高達(dá)至少450°C的溫度在內(nèi)的溫度的燃?xì)鉁u輪機(jī)的區(qū)域發(fā)送數(shù)據(jù)。封裝和 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(tǒng)被設(shè)計(jì)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(dá)最大300°C的升高溫度下操作的高溫絕緣體上硅(HTSOI)技術(shù)的位置處。在這種目 前工藝水平的系統(tǒng)中，控制信號(hào)從相對(duì)低溫的區(qū)域經(jīng)由導(dǎo)線發(fā)送到位于處在大于300°C下 的熱區(qū)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(duì)高溫使用設(shè)計(jì) 的半導(dǎo)體，諸如寬帶隙(band gap)半導(dǎo)體材料，包括SiC，AIN, GaN, AIGaN, GaAs, GaP, InP, AIGaAs, AIGaP, AIInGaP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(dǎo)體材料。這種設(shè)計(jì)策略對(duì)于在諸如燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片之類的旋轉(zhuǎn)熱斷 面部件上采用儀表裝置是無用的，因?yàn)檎麄€(gè)發(fā)送機(jī)電子電路必須位于渦輪機(jī)葉片上并因而 在超過300°C的溫度下操作。本文揭示了新的電子電路，其在大于300°C且包括高達(dá)至少 450°C的溫度在內(nèi)的溫度下實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)采集和無線發(fā)送二者。所揭示的電子電路和封裝因此由能夠在高溫下操作的材料制作，例如具備耐溫能 力的環(huán)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(dǎo)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(huán)境和電氣要求進(jìn)行選擇。可以采用高溫?zé)o源部件，諸如基于諸如鈀、釕、銥、錸、 多層陶瓷電容器(諸如NP0、C0G和X7R)之類的系統(tǒng)的厚膜電阻器。如果市場(chǎng)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(dǎo)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、導(dǎo)線接合或者任何其它適當(dāng)?shù)姆?法的形式由高溫金屬(諸如金或鋁)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(zhí)行附著。為了降低這些設(shè)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?yōu)榫哂休^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(huì)導(dǎo)致使該板性能降級(jí)的化 學(xué)相互作用或成分/結(jié)構(gòu)變化。依據(jù)本公開，使用當(dāng)前買得到或處于研發(fā)的高溫?zé)o源和有 源電子材料的類型，設(shè)計(jì)了能夠從熱電偶或應(yīng)變計(jì)傳感器發(fā)送信號(hào)的完整電路。參考圖1，本發(fā)明的實(shí)施例允許從在具有超過300°C的溫度的環(huán)境中操作的旋轉(zhuǎn) 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(fā)動(dòng)機(jī)葉片20)發(fā)送傳感器數(shù) 據(jù)。就本文的公開而言，沒有附加限定條件的術(shù)語“高溫”將指代任何操作環(huán)境，諸如燃式 渦輪機(jī)的各部分內(nèi)具有超過300°C的最大操作溫度的操作環(huán)境。本發(fā)明的實(shí)施例提供在儀表化有遙測(cè)系統(tǒng)的燃式渦輪機(jī)中使用的部件，所述遙 測(cè)系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)傳感器、連接傳感器與至少一個(gè)遙測(cè)發(fā)送機(jī)電路的引線(lead line)、至少一個(gè)發(fā)送天線、電源以及至少一個(gè)接收天線。圖1示出渦輪機(jī)葉片20、無線遙測(cè) 發(fā)送機(jī)組件M以及旋轉(zhuǎn)天線組件26。當(dāng)鄰近葉片根部22安裝遙測(cè)發(fā)送機(jī)組件M時(shí)，引線 或連接器觀可以從一個(gè)或多個(gè)傳感器(諸如傳感器30)延伸到遙測(cè)發(fā)送機(jī)組件24。引線 觀可以把電子數(shù)據(jù)信號(hào)從傳感器30路由到遙測(cè)發(fā)送機(jī)組件M，在遙測(cè)發(fā)送機(jī)組件M中信號(hào)由形成在包含在圖2所示的電子器件封裝34內(nèi)的電路板上的遙測(cè)發(fā)送機(jī)電路處理。引 線或電氣連接器36可以被沉積用于把電子數(shù)據(jù)信號(hào)從遙測(cè)發(fā)送機(jī)電路路由到旋轉(zhuǎn)天線組 件26。圖2示出可以包含高溫電路板且形成遙測(cè)發(fā)送機(jī)組件M的部件的高溫電子器件 封裝34。電子器件封裝34的主體可以由具有低熱膨脹系數(shù)的合金(諸如Kova/品牌合金、 Fe-Ni-Co合金)制作。Kova/合金的熱膨脹系數(shù)根據(jù)確切成分而從大約4. 5X 10_6/°C變化 到6. 5X 10_6/°C。通常用于高溫渦輪機(jī)部件(諸如渦輪機(jī)葉片20)的Ni基合金具有在大約 15.9-16.4X10_6/°C的范圍中的熱膨脹系數(shù)。電子器件封裝34可以穩(wěn)固地固定在適當(dāng)位 置同時(shí)允許電子器件封裝34和渦輪機(jī)葉片20之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如下面針對(duì)圖2所描述的。 這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)可能由在環(huán)境空氣溫度和通常鄰近葉片根部22所經(jīng)歷的大于300°C的操作 溫度之間的大量熱循環(huán)期間隨著時(shí)間而發(fā)生的其不同熱膨脹率引起。如圖2最佳所示的遙測(cè)發(fā)送機(jī)組件M可以包括安裝支架37和蓋子或蓋板38，其 中電子器件封裝34定位在其間。多個(gè)連接針(pin)40實(shí)現(xiàn)在包含在封裝34內(nèi)的電子電路 板(諸如在其上制作有無線遙測(cè)電路的電子電路板)和各種外部設(shè)備(諸如來自傳感器的弓丨 線、感應(yīng)線圈組件或數(shù)據(jù)發(fā)送天線)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)可以由與渦輪機(jī)葉片20相同的材料制作。這確保在渦 輪機(jī)葉片20和安裝支架37之間沒有熱膨脹差別。因而，在熱瞬態(tài)期間在安裝支架37或渦 輪機(jī)葉片20中沒有生成應(yīng)力。電子器件封裝34的熱膨脹系數(shù)可以與安裝支架37的熱膨脹系數(shù)不同。當(dāng)這些部 件存在于其內(nèi)的操作系統(tǒng)處于高溫時(shí)，包括其中包含的任何電路板的由Kova/合金形成的 電子器件封裝34將比安裝支架37膨脹得小，這可能導(dǎo)致由系統(tǒng)中的振動(dòng)能量造成的損壞。 為了把電子器件封裝34固定在安裝支架37內(nèi)以適應(yīng)支架37和電子器件封裝34之間的尺 寸變化差異，可以在電子器件封裝34和安裝支架37的內(nèi)表面之間放置一層陶瓷纖維機(jī)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。其中電子器件封裝34和陶瓷纖維機(jī)織物41與安裝支架37和蓋板38 —起組裝以 形成遙測(cè)發(fā)送機(jī)組件M，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(jīng)由瞬態(tài)液相接合而附著到渦輪機(jī)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機(jī)葉片20內(nèi)用于容納組件M的凹口或扁平口袋42。蓋板38可以形成有與G力方向垂直定向的凸緣44，以給蓋板增加結(jié)構(gòu)支承，這對(duì) 抗在旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)葉片20正在全速操作時(shí)發(fā)生的g負(fù)荷力(load force).這使定位螺絲39 免于承載經(jīng)由g力施加到蓋板38的負(fù)荷，并且允許它們制得足夠小使得遙測(cè)發(fā)送機(jī)組件M 裝配在相對(duì)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(fù)荷，則它們所需的大小將太大而不能裝配在可用的空間中。圖1示出旋轉(zhuǎn)天線組件沈可以固定到根部22的端面或頸部。組件沈可以是具 有與用于渦輪機(jī)熱氣路部件(諸如包括其根部22的渦輪機(jī)葉片20)的Ni基合金的那些熱 膨脹系數(shù)不同的熱膨脹系數(shù)的電子組件?？梢员Ｗo(hù)一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)天線組件26以在渦輪 機(jī)葉片20以聲速或接近聲速旋轉(zhuǎn)期間不受風(fēng)阻(windage)。在實(shí)施例中，風(fēng)阻保護(hù)材料對(duì) RF輻射頻率是透明的以便實(shí)現(xiàn)通過材料發(fā)送功率和數(shù)據(jù)?？尚D(zhuǎn)天線組件沈的實(shí)施例可以包括圖1所示的耐用的保護(hù)性RF透明蓋50，這基本上是其內(nèi)包含數(shù)據(jù)天線和感應(yīng)功率部 件的中空夾具。RF透明蓋50保護(hù)其內(nèi)含物以在燃式渦輪機(jī)的操作期間不受風(fēng)阻的物理效 應(yīng)。某些陶瓷適合于保護(hù)RF發(fā)送裝置不受處于升高溫度的元件影響。然而，許多陶瓷和陶 瓷基質(zhì)復(fù)合物易于在旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)葉片20在燃式渦輪機(jī)的操作期間經(jīng)歷的振動(dòng)沖擊和G負(fù) 荷下剝落(chipping)和破裂。本發(fā)明的發(fā)明人已確定RF透明蓋50可以由RF透明的高韌 性的結(jié)構(gòu)陶瓷材料制作。陶瓷基質(zhì)復(fù)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(chǎn)生的設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)而獲得提高的韌性。RF透明、容易形成且相對(duì)廉價(jià)的一種此類材料是從一般稱為氧化鋯增韌氧化鋁 (ZTA)的陶瓷族中選擇的材料。從這個(gè)氧化鋁材料族中選擇的陶瓷材料比常規(guī)的純氧化鋁 材料在強(qiáng)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(xì)的氧化鋯顆粒而 獲得的應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g。典型的氧化鋯含量在10%和20%之間。結(jié)果，ZTA相對(duì)于常規(guī) 的純氧化鋁材料提供提高的部件壽命和性能。當(dāng)陶瓷被受壓負(fù)荷時(shí)，設(shè)計(jì)的ZTA微結(jié)構(gòu)是抗斷裂的。然而，如果被充分受拉負(fù) 荷，則陶瓷與傳統(tǒng)的陶瓷材料一樣將致命失效。因而，RF透明蓋50被設(shè)計(jì)成使得在燃式 渦輪機(jī)的操作期間最小化陶瓷材料中的拉應(yīng)力。這是通過設(shè)計(jì)和制作使得如下而實(shí)現(xiàn)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(yīng)力集中因數(shù)；以及(2)ZTA部件在旋轉(zhuǎn)天線安裝支架51中的定向和裝配是使得在操作期 間施加到ZTA盒的G力不在附著凸緣中生成顯著的彎曲應(yīng)力。這是通過使凸緣定向成與G 負(fù)荷方向平行而不是與G負(fù)荷方向垂直而實(shí)現(xiàn)的，因此ZTA凸緣被受壓負(fù)荷而不是受彎曲 負(fù)荷。安裝支架51可以被設(shè)計(jì)成使得在燃式渦輪機(jī)的操作期間由旋轉(zhuǎn)天線組件沈所經(jīng) 歷的所有G負(fù)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(yuǎn)得足以經(jīng)過其中包含的天線從而衰減RF發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)。RF透明蓋50被固定在適當(dāng)位置 因此其內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)主要是壓縮的并且可以使用螺紋針(未示出)通過其凸緣上的半圓形草 皮(divot)來保持。安裝支架51可以經(jīng)由常規(guī)的手段諸如焊接、銅焊、接合、螺栓連接或螺絲接合而 附著到渦輪機(jī)葉片22的表面。旋轉(zhuǎn)天線組件沈的實(shí)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(jìn)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可以先前已固定到渦輪機(jī)葉片根部22。蓋 50可以經(jīng)由安裝支架51中插入的針和蓋50中的草皮而固定到安裝支架51?，F(xiàn)在參考圖3，示出分解圖，其示出在圖2的外殼M內(nèi)包括的高溫電子器件封裝 34內(nèi)的元件。封裝底部空腔34A包括從其一端延伸的電氣連接針40，該連接器實(shí)現(xiàn)在封裝 34內(nèi)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(dá)至少450°C的高溫下 運(yùn)行，該封裝必須被設(shè)計(jì)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 封裝必須能夠承受溫度和離心負(fù)荷要求并且保護(hù)襯底上的電路。因此，封裝34由鍍金的 Kova/合金制成并且電氣連接針40由金制成。對(duì)封裝34的鍍金防止可能在升高溫度下發(fā) 生的Kova/合金的氧化。連接器40借助于各個(gè)絕緣套管(未示出)而與該封裝絕緣。一對(duì) 針40耦合到與傳感器30通信的電氣連接器28。第三針耦合到地電位，而針4、5、6和7耦合到電源(兩個(gè)，每個(gè)用于正和負(fù)交流)。最后針用于把發(fā)送機(jī)輸出(數(shù)據(jù))信號(hào)耦合到天線 26。PC 板
PC板42或襯底優(yōu)選地由能夠在高溫下操作的材料制作，諸如具備耐高溫能力的環(huán)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。電路路線(或“印刷電 路”)優(yōu)選地由在高溫下工作的金屬(諸如銀或金)制作。發(fā)明人選擇一種使用氧化鋁襯底 來制作PC板42的一個(gè)實(shí)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(zhí)行并且與(下面討論的)管芯附著工藝非常兼容。杜邦QG150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(mil) 厚度的氧化鋁形成。最終襯底包括測(cè)量為20 mil厚的96%氧化鋁襯底。高密度金膏被用 作導(dǎo)電層，并且也被用作能夠與其焊接和導(dǎo)線接合的表面。印刷能力允許5 mil的線分辨 率。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(wǎng)印刷工藝來制備 襯底。專門的絲網(wǎng)印刷機(jī)結(jié)合圖案化的不銹鋼精細(xì)篩網(wǎng)一起使用。金膏被印刷到氧化鋁 (Al2O3)襯底上。在印刷之后，在150°C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(gè)過程期間，膏中的玻璃/氧化物 粘合劑形成在燒結(jié)膏和氧化鋁襯底之間的強(qiáng)接合。多個(gè)印刷要求多個(gè)燒制步驟。依據(jù)一個(gè) 實(shí)施例，采用兩個(gè)印刷/燒制循環(huán)(頂側(cè)金屬化和底側(cè)金屬化)。經(jīng)燒制的襯底然后用切割鋸被切出至適當(dāng)?shù)某叽?。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(wǎng)格化”的金屬平面。后金屬平面將允許在其上執(zhí) 行冶金接合工藝。一旦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PC板和用于形成保持器(retainer)的空腔以 把PC板固定在適當(dāng)位置。把襯底機(jī)械地保持在封裝中極其重要，因?yàn)楦遟力施加在封裝及 其內(nèi)含物上。保持器可以由具有在封裝的熱膨脹系數(shù)的20%內(nèi)的熱膨脹系數(shù)的材料形成 以便最小化其間的差異熱生長(zhǎng)?？尚械氖前烟盍喜牧咸砑拥椒庋b34中并且使其在PC板和 電路部件上擴(kuò)展以在操作期間幫助穩(wěn)定其放置。然而，使用的任何填料必須允許部件及其 連接導(dǎo)線在溫度循環(huán)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(jù)一個(gè)實(shí)施例，Kapton 品牌聚酰亞胺絕緣膠帶用于把蓋子34B保持在適當(dāng)位置，直到其可 以通過壓縮被機(jī)械地固定為止。用于固定蓋子34B的另一個(gè)實(shí)施例是把其焊接到封裝空腔 34A。如下面將更詳細(xì)描述的，可以使用PC板42的兩個(gè)不同電路布局圖案。第一圖案 被設(shè)計(jì)用于感測(cè)渦輪機(jī)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(hào)被電路放大和處理，然后經(jīng)由FM發(fā)送機(jī)發(fā)送并且經(jīng)由諸如天線沈的天線廣播。 這種類型的電路可以用于除了測(cè)量溫度的那些傳感器之外的、但其也產(chǎn)生直流(D/C)輸出 信號(hào)作為響應(yīng)的傳感器，諸如靜應(yīng)變、導(dǎo)電跡線或化學(xué)傳感器。第二圖案被設(shè)計(jì)用于感測(cè)在 渦輪機(jī)的選擇部件上發(fā)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變的電路，其中傳感器30是應(yīng)變計(jì)。指示在選擇部件上 發(fā)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變的信號(hào)被電路放大和處理，然后經(jīng)由單獨(dú)的FM發(fā)送機(jī)發(fā)送并且經(jīng)由諸如 天線沈的天線廣播。這種類型的電路可以用于除了測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變的那些傳感器之外的、但其也產(chǎn)生交流(A/C)輸出信號(hào)作為響應(yīng)的傳感器，諸如加速計(jì)或電磁波反射檢測(cè)器。可選 的實(shí)施例使用單個(gè)FM發(fā)送機(jī)，所述單個(gè)FM發(fā)送機(jī)復(fù)用多個(gè)信號(hào)以發(fā)送到單個(gè)FM接收機(jī)， 所述單個(gè)FM接收機(jī)被配置成把接收的信號(hào)解碼成兩個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)信號(hào)。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(gè)電路都包括作為FM發(fā)送機(jī)的 Colpitts振蕩器的部分儲(chǔ)能電路的露天芯線(open air core wire)電感器線圈Li，這將在 下面本文中進(jìn)一步解釋。線圈Ll的品質(zhì)因數(shù)Q在電路的操作溫度和操作頻率下可以至少為 5。濺射的金或銀膏材料可以用于形成該線圈；然而，此類膏通常具有低Q值。本發(fā)明人已成 功地利用金或銀導(dǎo)線來形成電感器線圈。金屬導(dǎo)線空氣芯導(dǎo)體可以沿其長(zhǎng)度被灌封(pot) 以防止在高頻下電氣短路。絕緣膠帶可以纏繞在其中其自身交叉的灌封導(dǎo)線上以便防止電 氣短路?？蛇x地，金屬導(dǎo)線可以在其交叉點(diǎn)處形成為橋(bridge)以便防止電氣短路。為了 提高這種線圈的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可以在導(dǎo)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(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，用陶瓷氧化鋁膏懸浮液(諸如Ceramabond 品牌陶瓷粘結(jié)劑)灌封的金導(dǎo)線提供在燃?xì)鉁u輪機(jī)操作溫度和G力下期望程度的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 性并且提供大于5的Q因數(shù)。這種基于氧化鋁的灌封也充當(dāng)線圈的電氣絕緣體，因此在導(dǎo) 線自身周圍不要求單獨(dú)的電氣絕緣。管芯/部件附著
為了使電子封裝在高達(dá)至少450°C的升高溫度下運(yùn)行且承受大于lOOOg’ s的離心 負(fù)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(zhí)行所有接合以確保 焊料的正確回流。發(fā)明人明白在被焊接的部件具有微小質(zhì)量時(shí)可能遇到的主要問題。如 果部件的質(zhì)量很小，則可能不能在液體合金形成珠狀時(shí)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(gè)位置，或者其可能以一角度傾斜(稱作“元件豎立 (tomb-stoning)，，)。為克服這個(gè)問題，本發(fā)明人研發(fā)了一種利用在真空烤箱的加熱夾具中裝配的部件 對(duì)準(zhǔn)模板和轉(zhuǎn)移板的方法。轉(zhuǎn)移板60以平面圖和正視圖示于圖4A中并且一對(duì)部件對(duì)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(duì) 準(zhǔn)板60、61以對(duì)準(zhǔn)在組裝操作期間要附著到PC板的部件。對(duì)準(zhǔn)板60、61必須能夠承受高 溫、必須與焊料不發(fā)生反應(yīng)且耐焊料，并且能夠定義部件的高度精確的剪切塊(cutout)。 因而，合金316不銹鋼可以用于制作這些板。由于剪切塊的小尺寸和對(duì)高精度的需要，激光 切割可以用于制作。下一關(guān)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。銅焊是一種涉及在兩個(gè)浸潤(rùn)表面之間熔化高溫填料金屬的相對(duì)簡(jiǎn)單工藝，由于以 下三個(gè)主要因數(shù)而發(fā)現(xiàn)銅焊對(duì)本應(yīng)用而言是不到最優(yōu)的(1)大多數(shù)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(shù)銅焊合金不是共晶的并且具有很大的塑 性區(qū)域，這可能使處理復(fù)雜化；以及(3)大多數(shù)銅焊不與金表面兼容。發(fā)明人也發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)液相(TLP)接合是不到最優(yōu)的。在這個(gè)過程中，在兩個(gè)兼容表面 之間使低熔點(diǎn)合金液化。在合金填充在貼合表面之間的間隙時(shí)，其用來“溶解”或“濾除”兼 容金屬。這個(gè)動(dòng)作改變了合金的成分，從而使填料的熔點(diǎn)偏移，導(dǎo)致凝固和極高質(zhì)量接合。
11這個(gè)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(dāng)這個(gè)過程被應(yīng)用于鍍 薄膜(20微米厚)和厚膜(25微米厚)襯底時(shí)，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)結(jié)果與許多未通過驗(yàn)收要求的很 大不一致性。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)利用純金的固態(tài)擴(kuò)散過程對(duì)本應(yīng)用而言是有用的。在這個(gè)過程中，沒 有利用液態(tài)金屬。作為代替，金的快速自擴(kuò)散屬性用于產(chǎn)生兩個(gè)純金表面之間的很高質(zhì)量 接合。雖然可以不用填料材料來執(zhí)行固態(tài)擴(kuò)散，但是它通常要求很高壓力以把面對(duì)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(fā)明人選擇金填料材料來填充接合表 面之間的間隙。研究了金箔和粉末兩者，其中粉末證明是更好的選項(xiàng)，原因在于其既填充間 隙又在加熱時(shí)由于燒結(jié)而形成固體同質(zhì)層的能力。燒結(jié)是一種利用擴(kuò)散把兩個(gè)小顆粒一起 聯(lián)接為固體基質(zhì)的過程。這一般是在升高溫度下執(zhí)行的以提高擴(kuò)散速率。雖然可以用金粉 末來執(zhí)行固態(tài)擴(kuò)散過程，但是還發(fā)現(xiàn)金膏更容易用于本應(yīng)用中?？梢酝ㄟ^許多方法(包括滴 涂(dispensing)、沖壓和絲網(wǎng)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(jī)載體(諸如聚合物、萜品醇或乙二醇醚)，其充當(dāng)轉(zhuǎn)移介質(zhì)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。選擇許多金厚膜膏進(jìn)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(jié)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(shè)計(jì)用于容易的涂敷。雖然許多金膏已證明兼 容，但是表現(xiàn)最佳的選項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是杜邦QG 150，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(gè)系統(tǒng)非常兼容。在這個(gè)過程中，用少量的QG 150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(dá)12小時(shí)。在這 個(gè)時(shí)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(fā)生金-金擴(kuò)散。所得到的 接合很強(qiáng)且能夠承受遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過500°C的溫度。另外，該過程是簡(jiǎn)單的、快速的、可重復(fù)的，并 且可以對(duì)很小的部件執(zhí)行。現(xiàn)在參考圖5A，5B和5C，示出用于在電路板上對(duì)準(zhǔn)和組裝部件的轉(zhuǎn)移板的透視 圖。首先，襯底或PC板42放置在轉(zhuǎn)移板60的空腔中。接著，對(duì)準(zhǔn)板61、62放置在襯底上。 然后把部件附著金膏放置在對(duì)準(zhǔn)板的開口中并且然后把部件放置在對(duì)準(zhǔn)板61、62的開口 中進(jìn)行組裝操作。轉(zhuǎn)移板60連同襯底、對(duì)準(zhǔn)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(dá)12小時(shí)。在這個(gè)時(shí)間期間，發(fā)生金-金 擴(kuò)散，并且管芯和部件在大于500°C的溫度下以高剪切強(qiáng)度保持附著。由正確地對(duì)準(zhǔn)管芯和 部件的取放機(jī)器使得該過程可重復(fù)。導(dǎo)線接合
導(dǎo)線接合是在許多電子應(yīng)用中使用的標(biāo)準(zhǔn)方法；然而，發(fā)明人不知道把它們用于使它 們經(jīng)受這種高剪切力(即g負(fù)荷)同時(shí)處于高溫的環(huán)境中。現(xiàn)在參考圖6A和6B，示出通常 用于半導(dǎo)體領(lǐng)域中的導(dǎo)線接合技術(shù)。圖6A示出接合導(dǎo)線的每端的腳部和跟部，而圖6B示 出術(shù)語“環(huán)路高度(loop height)”和“接合長(zhǎng)度”。圖7是示出典型導(dǎo)線接合的g力分析的 透視圖，其中從四個(gè)不同方向施加g力。首先，在標(biāo)記為X和-χ方向的橫跨導(dǎo)線接合的相 對(duì)方向上(即在平行于導(dǎo)線的方向上)存在兩個(gè)可能力，然后在標(biāo)記為Z和-Z方向的進(jìn)入導(dǎo) 線接合的相對(duì)方向上(即在垂直于導(dǎo)線的方向上)存在兩個(gè)可能力。圖8示出導(dǎo)線接合的圖 示，示出導(dǎo)線在這些各個(gè)方向上的模擬g力應(yīng)力下的變形。用于連接集成電路與PC板的互連技術(shù)對(duì)任何電子系統(tǒng)而言是關(guān)鍵部件。在高g力下，正常預(yù)期導(dǎo)線接合將偏離其原始位置達(dá)一定程度。本發(fā)明人意外發(fā) 現(xiàn)可以在本發(fā)明的高溫和高g環(huán)境中利用金線接合。發(fā)現(xiàn)，在χ方向上使導(dǎo)線接合負(fù)荷(圖 8中的負(fù)荷集2)導(dǎo)致導(dǎo)線中最小的總應(yīng)力。使用了 0.7和1.0 mil直徑的金線接合。已 表明，這兩個(gè)直徑的導(dǎo)線接合將是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的，如果它們被定向?yàn)榕c離心負(fù)荷平行，最大環(huán) 路高度不大于17. 4 mil并且最大接合長(zhǎng)度(從接合焊盤到接合焊盤)保持在35 mil之下 的話。這些結(jié)果對(duì)于大于1000 g’s的負(fù)荷而言是可接受的，并且事實(shí)上經(jīng)測(cè)試對(duì)在10000 g’s之上的負(fù)荷而言是可接受的。導(dǎo)線屬性、環(huán)路高度、接合長(zhǎng)度和溫度全都影響導(dǎo)線接合 的最大可承受G負(fù)荷。電子器件
現(xiàn)在參考圖9A，示出示例性示意圖，其示出對(duì)本文使用的放大器電路偏置的獨(dú)特電路。 偏置電路的功能是把JFET放置到正確的操作區(qū)中。對(duì)于JFET，操作的位置可以是在其中 JFET相當(dāng)于小電阻器的歐姆區(qū)域內(nèi)或者在其中JFET相當(dāng)于電壓受控電流源的飽和區(qū)域內(nèi) 的各點(diǎn)。不同偏置點(diǎn)導(dǎo)致不同的JFET行為；甚至相同區(qū)域內(nèi)的不同點(diǎn)。當(dāng)在25°C到500°C 的溫度范圍上操作JFET時(shí)，許多JFET特性發(fā)生變化。本文具體感興趣的是設(shè)備將在高溫 下比在低溫下展現(xiàn)更小增益的事實(shí)。另一個(gè)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(fù))偏移，這在圖9B的圖示中被例證。結(jié)構(gòu)上，圖9A中示出的放大器電路包括分壓器網(wǎng)絡(luò)，包括串聯(lián)耦合在正電壓源V (+ )和負(fù)電壓源V (_)之間的RB_1和RB_2。連接RB_1與RB_2的電路節(jié)點(diǎn)1000耦合到輸 入電容器(_1的一側(cè)并耦合到JFET Ql的柵極端子。C_1的另一側(cè)耦合到輸入端子V(in)。 JFET Ql的源極端子耦合到地電位，而其漏極端子耦合到負(fù)載電阻器RD的一側(cè)。電阻器RD 的另一側(cè)耦合到正電壓源V ( + )。Ql的漏極端子也通過另一個(gè)電容器C_2耦合到輸出端子 V (out)。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(duì)于偏置電壓的變化 電平。即，節(jié)點(diǎn)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100°C 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。在JFET共源交流放大器(例如圖9A)中，存在導(dǎo)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(dǎo)致較低的最大交流 輸出電壓。此外，表明其中發(fā)生最大峰峰值輸出電壓的偏置點(diǎn)向左偏移(隨溫度的提高，更 負(fù)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(yōu)的性能。因此，期望 的是隨溫度變化而適配偏置直流電壓。電阻器RB_1和RB_2把柵極的直流操作點(diǎn)設(shè)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(diǎn)是在Vgs = -1. 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(temperature excursion)上偏置該電路時(shí)必須說 明的兩個(gè)特性是由電阻器RB_1和RB_2設(shè)置的偏置點(diǎn)，這應(yīng)當(dāng)跟蹤峰值輸出電壓的電壓結(jié)果；以及電路的增益應(yīng)當(dāng)隨著溫度的提高而提高。如果采取上面兩個(gè)措施，則設(shè)備的輸出特 性將在感興趣的溫度范圍內(nèi)保持基本恒定。這可以通過把電阻器RB_1設(shè)計(jì)為具有正的電 阻溫度系數(shù)(PTC)同時(shí)電阻器RB_2具有零電阻溫度系數(shù)(ZTC)而實(shí)現(xiàn)。第二方法是也給電 阻器RD提供PTC以便隨著溫度提高而提高放大器增益(導(dǎo)致高溫下的增益等于低溫下的增
Irft- ) O電阻溫度系數(shù)可以以若干方式來實(shí)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(shù)(TCR)的厚膜膏。依據(jù)一個(gè)實(shí) 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。現(xiàn)在參考圖10，示出應(yīng)變計(jì)電路的框圖。指示置于所測(cè)量渦輪機(jī)部件上的應(yīng)變量 的信號(hào)由應(yīng)變計(jì)101產(chǎn)生。這個(gè)信號(hào)然后由差動(dòng)放大器102感測(cè)并且耦合到AC放大器103 以用于進(jìn)一步放大。放大的應(yīng)變計(jì)信號(hào)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(chǎn)生其頻率表示置于所測(cè)量渦輪機(jī)部件上的應(yīng)變的振蕩信號(hào)。這個(gè)振蕩信 號(hào)然后由緩沖器105緩沖并且傳遞給天線沈以發(fā)送到調(diào)諧到載波頻率的常規(guī)調(diào)諧器(未示 出)?，F(xiàn)在參考圖11，示出熱電偶電路的框圖。指示所測(cè)量渦輪機(jī)部件的溫度的信號(hào)由 熱電偶Iio檢測(cè)，該信號(hào)傳遞到差動(dòng)放大器111。差動(dòng)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(fā)生器)的輸出耦合到“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(chǎn) 生其頻率和振幅表示在所測(cè)量渦輪機(jī)部件上感測(cè)的溫度的振蕩信號(hào)。這個(gè)振蕩信號(hào)然后由 緩沖器116緩沖并且傳遞給天線沈以發(fā)送到調(diào)諧到載波頻率的常規(guī)調(diào)諧器(未示出)。在 這兩種類型的電路都用在相同的渦輪機(jī)上的情況下，載波頻率將是不同的以便避免兩個(gè)信 號(hào)之間的混淆?，F(xiàn)在參考圖12，示出用于放大應(yīng)變計(jì)輸出信號(hào)的電路101、102和103的示意圖。要 求傳統(tǒng)無線遙測(cè)電路設(shè)計(jì)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(shè)備的 更有限選擇來電氣實(shí)現(xiàn)所需的任務(wù)。應(yīng)變計(jì)信號(hào)調(diào)節(jié)(激發(fā)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(shè)計(jì)的。不能使得金屬接合焊盤(即金)直接連接到半 導(dǎo)體材料，而是必須利用粘接層，諸如鎢，且也許還添加擴(kuò)散阻擋層(diffusion barrier)。 這些金屬包括管芯的“金屬堆”，即高溫金屬化部。結(jié)構(gòu)上，存在包括耦合在正電壓源Vdc ( + )和地電位之間的應(yīng)變計(jì)和電阻器R7的 分壓器網(wǎng)絡(luò)。電路節(jié)點(diǎn)1100是電阻器R7和應(yīng)變計(jì)之間的連接點(diǎn)，并且也通過電容器C4耦 合到JFET晶體管Jl的柵極端子。晶體管Jl由一對(duì)電阻器RB_1和RB_2偏置，該對(duì)電阻器 RB_1和RB_2以與上面參考圖9A描述的相同方式聯(lián)接在這個(gè)晶體管的柵極端子。晶體管Jl 是包括晶體管J2的差動(dòng)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(gè)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(gè)電阻器R3也耦合到地電位的其源極端子。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(gè)晶體管J4的柵極端子，該晶體管J4是包括晶體管J5和J6的又三個(gè)放大級(jí)(交流放大器103)的第一級(jí)，其中在端子Vout處提供放大器的輸出。置于被測(cè)量的部件(該部件包括應(yīng)變計(jì))上的應(yīng)變的變化改變應(yīng)變計(jì)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(jí)。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(shù)。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?，F(xiàn)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(hào)中的電路110、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(fā)送，因而給出準(zhǔn)確的溫度測(cè)量。圖16示出耦合到圖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Δ T°C。如在下文中 將進(jìn)一步示出和描述的，它是表示渦輪機(jī)的真實(shí)測(cè)量溫度的熱電偶電路201的局部溫度與 Δ T°C之和。再次參考圖13，熱電偶的負(fù)腿(leg)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(dòng)放大器111。這個(gè)差動(dòng)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(bǔ)償高溫環(huán)境(參見圖 9A和伴隨的描述)。由于熱電偶信號(hào)是直流或者是很低頻率的交流，所以連續(xù)的放大級(jí)不能被電容性 耦合。作為代替，晶體管Jio用于源極跟隨器(follower)配置中以使差動(dòng)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。晶體管Jll用來進(jìn)一步放大該信號(hào)。晶體管 J12和J14形成另一個(gè)電平偏移和放大級(jí)(直流放大器112)。此時(shí)，熱電偶的輸出已被放大 到適當(dāng)?shù)碾娖健，F(xiàn)在，熱電偶電路的局部溫度必須嵌入到放大的信號(hào)中。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(dòng)對(duì)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(wǎng)絡(luò)。這個(gè)相移網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。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(huì)明顯地改變。NPO 電容器電介質(zhì)具有負(fù)一正一零電容溫度系數(shù)，其中正和負(fù)溫度系數(shù)彼此消除。電容器C8串 聯(lián)耦合在RC反饋網(wǎng)絡(luò)和在晶體管J14的漏極端子處的差動(dòng)放大器的輸出之間。這個(gè)電容 器用X7R電介質(zhì)制成，因而其電容隨溫度變化而可預(yù)測(cè)地改變。X7R是具有比NPO電介質(zhì) 更高的介電常數(shù)但具有與溫度的大電容相關(guān)性(其是可預(yù)測(cè)的)的電容器電介質(zhì)。這個(gè)振蕩 器的輸出是具有由溫度相關(guān)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(hào)。(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(shí)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(hào)包含熱電偶輸出加上熱電偶電路的溫度，該信號(hào)施加到電壓受控振蕩器115。作為熱電偶110及其電路113的操作示例，假設(shè)電路113的溫度處于25°C并且振 蕩器113的對(duì)應(yīng)輸出處于1.62 kHz的頻率(波形210，圖17)。此外，針對(duì)使用的特定熱電 偶110假設(shè)12 mv輸出電壓(波形214，圖19)對(duì)應(yīng)于320°C的Δ Τ?，F(xiàn)在，假設(shè)電路113的 溫度處于325°C并且振蕩器113的輸出是5. 44 kHz (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(cè)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Δ T。因而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以構(gòu)造與FM接收機(jī)(未示出)關(guān)聯(lián)的電路以 執(zhí)行信號(hào)解碼和附加操作?，F(xiàn)在參考圖14，示出功率調(diào)節(jié)電路的示意圖。能夠整流RF輸入電壓、過濾經(jīng)整 流的電壓且調(diào)整該電壓的功率調(diào)節(jié)電路必須僅使用一種類型的晶體管和可用二極管來設(shè) 計(jì)。電路對(duì)由旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)提供的RF感應(yīng)功率進(jìn)行整流并且傳送正負(fù)調(diào)整的直流電壓。RF 感應(yīng)發(fā)電機(jī)的細(xì)節(jié)在上面引用的共同待決的題為INSTRUMENTED COMPONENT FOR WIRELESS TELEMETRY的專利申請(qǐng)中詳述。結(jié)構(gòu)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(ac)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似6和R30中。經(jīng)過恒定電阻的這個(gè)恒定 電流產(chǎn)生恒定電壓，其耦合到晶體管J19和J23。這個(gè)恒定電壓偏置晶體管J19和J23使得 在R25/R26電阻器對(duì)或R29/R30電阻器對(duì)確定閾值之后，在晶體管的輸入處的任何提高電 壓不會(huì)對(duì)晶體管輸出的提高電壓有貢獻(xiàn)。該提高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(gòu)成低壓差(LDO)電壓調(diào)整器。這些 調(diào)整器用晶體管J18和J20以及晶體管J22和JM來重復(fù)以改善凈電壓調(diào)整。然后電壓分 別被供應(yīng)為正或負(fù)調(diào)整電壓Vdc ( + )或Vdc (-)。依據(jù)一個(gè)實(shí)施例，電阻器似6、似8、1 30和R32具有PTC，而電阻器R25、R27、I^9和 R31具有ZTC。如上文中討論的，這種電阻器布置補(bǔ)償在升高溫度下偏置電壓的變化。以此 方式，電路自補(bǔ)償溫度變化并且使橫跨晶體管J19、J20、J23和JM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電阻器可以由氮化鉭制成。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(fù)溫度系數(shù)(NTC)制成的情況下，電路也將同樣地運(yùn)行。現(xiàn)在參考圖15，示出FM發(fā)送機(jī)(S卩，VCO 104和緩沖器105)的示意圖。為了產(chǎn)生 頻率調(diào)制的(FM)信號(hào)，可變阻抗設(shè)備通常用于把信息編碼(即調(diào)制)到RF載波上。在低溫 電路中完成這項(xiàng)任務(wù)的常見方式是使用其電容具有與所施加電壓的相關(guān)性的設(shè)備。幾乎所 有pn結(jié)二極管在被反向偏置時(shí)展現(xiàn)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(duì)于低溫?zé)o線電應(yīng)用而言，稱作變?nèi)荻O管的特殊二極管用于 此目的。變?nèi)荻O管是具有“超突變(hyper-abrupt)”結(jié)(即被重度摻雜以提升大調(diào)諧角度 的結(jié))的pn結(jié)二極管并且由硅或砷化鎵制作。圖15所示的電路包括Colplitts振蕩器，其包括電感器Ll以及兩者與電感器Ll 并聯(lián)耦合的、串聯(lián)耦合的電容器C13和C14。晶體管J25用作Colplitts振蕩器中的有源設(shè) 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(lián)耦合的二極管D13用作電壓可變電容器也就是變?nèi)荻O管，其把交流電壓調(diào)制(即編碼)到載 波上。該載波然后被電容性耦合到晶體管J26中，該晶體管E6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(jié)點(diǎn)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(diǎn)耦合到節(jié)點(diǎn)1400，其也包括到電路的輸入端子V (in)。電路的輸出 然后被電容性耦合到發(fā)送天線(未示出)。在高溫應(yīng)用中，典型的變?nèi)荻O管不能被使用并且不用于本文感興趣的FM發(fā)送 機(jī)中，因?yàn)檫@個(gè)變?nèi)荻O管的電容在升高溫度下在施加的偏置電壓范圍內(nèi)是非線性的。因 此，校正信息不能從發(fā)送的信號(hào)得以恢復(fù)(等同的頻率偏差不會(huì)對(duì)應(yīng)于不同的調(diào)諧電壓)。 發(fā)現(xiàn)，該問題是SiC本身固有的并因而沒有SiC設(shè)備將獲得期望的結(jié)果?？梢栽诟邷叵逻\(yùn) 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(nèi)具有線性電容)的GaN設(shè)備被 探究用作變?nèi)荻O管D13。氮化鎵(即GaN)也是寬帶隙半導(dǎo)體，其中寬帶隙能量為3. 4 eV @ 300 K (而SiC是2. 86 eV)，意味著其可以在高溫(超過600°C)下運(yùn)行。當(dāng)前可用的唯一 市場(chǎng)上可買到的GaN 二極管是藍(lán)色或紫外LED的形式，其在本文感興趣的溫度漂移上產(chǎn)生 令人滿意的結(jié)果。雖然本文已示出和描述了本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，但是將顯然的是僅作為示例提供 此類實(shí)施例。可以在不偏離本文的發(fā)明的情況下做出眾多變化、改變和替代。因而，本發(fā)明 旨在僅由所附權(quán)利要求的精神和范圍限制。
權(quán)利要求
1.在用于內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的遙測(cè)系統(tǒng)中，一種電路結(jié)構(gòu)，固定到所述發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件 且被設(shè)置用于處理關(guān)于所述運(yùn)動(dòng)部件的溫度所感測(cè)的信息，所述電路結(jié)構(gòu)適于所述發(fā)動(dòng)機(jī) 的高溫環(huán)境且包括熱電偶，被設(shè)置在所述運(yùn)動(dòng)部件上用于感測(cè)其溫度并且提供表示所感測(cè)的溫度的信號(hào)；放大器，具有耦合到所述熱電偶的輸出的輸入并且被設(shè)置用于對(duì)表示由所述熱電偶感 測(cè)的溫度的信號(hào)進(jìn)行放大；方波振蕩器，被設(shè)置用于生成方波信號(hào)，所述方波信號(hào)具有指示所述電路結(jié)構(gòu)的局部 溫度的頻率；斬波器，被設(shè)置用于把所述放大器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)，所述斬波器具有耦合 到所述方波振蕩器的輸出的第一門控輸入以及耦合到所述放大器的輸出的第二輸入，所述 斬波器具有提供信號(hào)的輸出，所述信號(hào)具有表示所述電路的局部溫度的頻率以及表示由所 述熱電偶感測(cè)的溫度的振幅。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述方波振蕩器包括具有隨溫度可變的電容的反 饋耦合電容器，由此所述電路結(jié)構(gòu)的局部溫度的提高造成所述耦合電容器的電容的下降從 而造成所述方波振蕩器的所述輸出信號(hào)的頻率的可預(yù)測(cè)提高。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述方波振蕩器包括差動(dòng)放大器，所述差動(dòng)放大器 具有耦合在所述放大器的輸入和輸出之間的RC反饋網(wǎng)絡(luò)并且具有耦合在所述RC反饋網(wǎng)絡(luò) 和所述放大器的所述輸出之間的電容器，其中所述電容器具有溫度敏感電介質(zhì)使得其電容 響應(yīng)于溫度的改變而成比例地改變，從而響應(yīng)于溫度的改變而改變所述方波信號(hào)的頻率。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述電容器的電介質(zhì)被分類為X7R。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于把所述感測(cè)的信息發(fā)送到在所述發(fā)動(dòng) 機(jī)外部的接收機(jī)的、包括電壓受控振蕩器的結(jié)構(gòu)，所述電壓受控振蕩器具有被設(shè)置用于從 所述斬波器接收所述交流信號(hào)的輸入以及用于產(chǎn)生表示由所述熱電偶感測(cè)的溫度的無線 電頻率信號(hào)，所述無線電頻率信號(hào)耦合到天線以發(fā)送到遠(yuǎn)離所述發(fā)動(dòng)機(jī)的接收機(jī)。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于緩沖所述無線電頻率信號(hào)的耦合在所 述電壓受控振蕩器和所述天線之間的緩沖器。
7.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述電壓受控振蕩器包括用于設(shè)置參考載波頻率 的Colpitts振蕩器。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述Colpitts振蕩器包括與電路節(jié)點(diǎn)處的一對(duì)串 聯(lián)耦合的電容器并聯(lián)的電感線圈。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述電感線圈包括在支承所述電路的印刷電路板 上直接形成的導(dǎo)線線圈。
10.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述Colpitts振蕩器包括作為變?nèi)荻O管以反向 偏置配置且與所述電路節(jié)點(diǎn)和地電位之間的所述電容器之一并聯(lián)耦合的氮化鎵(GaN) LED 二極管。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述LED二極管包括銦鎵氮(InGaN)。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于給電路結(jié)構(gòu)提供直流功率的交流功率 調(diào)節(jié)電路，所述交流功率調(diào)節(jié)電路包括整流二極管陣列、濾波電容器和溫度補(bǔ)償電壓調(diào)整器，每個(gè)溫度補(bǔ)償電壓調(diào)整器包括第一晶體管，與所述濾波電容器并聯(lián)耦合并且具有通過一對(duì)電阻器耦合到地電位的源 極端子且具有耦合到所述對(duì)電阻器之間的接點(diǎn)的柵極端子，所述對(duì)電阻器中的第一電阻器 具有零電阻系數(shù)、耦合在所述源極端子和所述接點(diǎn)之間而所述對(duì)電阻器中的第二電阻器具 有正電阻系數(shù)、耦合在所述接點(diǎn)和地電位之間，由此所述第一晶體管和所述對(duì)電阻器充當(dāng) 恒流源；第二晶體管，與所述交流功率調(diào)節(jié)電路的正輸出串聯(lián)耦合并且具有耦合到所述對(duì)電阻 器之間的接點(diǎn)的柵極端子，由此所述第二晶體管的所述柵極端子上的偏置電壓根據(jù)溫度改 變而偏移，從而使所述第二晶體管兩端的電壓降在溫度改變的范圍內(nèi)恒定。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中在所述交流功率調(diào)節(jié)電路中所述對(duì)電阻器中的 所述第一電阻器包括氮化鉭。
14.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中在所述交流功率調(diào)節(jié)電路中所述對(duì)電阻器中的 所述第二電阻器包括鉬。
15.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中在所述交流功率調(diào)節(jié)電路中所述對(duì)電阻器中的 所述第一電阻器具有負(fù)電阻系數(shù)且包括碳化硅。
16.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中在所述交流功率調(diào)節(jié)電路中所述對(duì)電阻器中的 所述第二電阻器具有零電阻系數(shù)且包括氮化鉭。
17.在用于內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的遙測(cè)系統(tǒng)中，一種電路結(jié)構(gòu)，固定到所述發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部 件且被設(shè)置用于處理關(guān)于所述運(yùn)動(dòng)部件的溫度所感測(cè)的信息且用于把所述感測(cè)的信息發(fā) 送到在所述發(fā)動(dòng)機(jī)外部的接收機(jī)，所述電路結(jié)構(gòu)適于所述發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫環(huán)境且包括熱電偶，被設(shè)置在所述運(yùn)動(dòng)部件上用于感測(cè)其溫度并且提供表示所感測(cè)的溫度的信號(hào)；放大器，具有耦合到所述熱電偶的輸出的輸入并且被設(shè)置用于對(duì)表示由所述熱電偶感 測(cè)的溫度的信號(hào)進(jìn)行放大；方波振蕩器，被設(shè)置用于生成方波信號(hào)且包括反饋耦合電容器，所述方波信號(hào)具有指 示所述電路結(jié)構(gòu)的局部溫度的頻率，所述反饋耦合電容器具有隨溫度可變的電容，由此所 述電路結(jié)構(gòu)的溫度的提高造成所述耦合電容器的電容的下降從而造成所述方波信號(hào)的頻 率的可預(yù)測(cè)提高；斬波器，被設(shè)置用于把所述放大器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)，所述斬波器具有耦合 到所述方波振蕩器的輸出的第一門控輸入以及耦合到所述放大器的輸出的第二輸入，所述 斬波器具有提供信號(hào)的輸出，所述信號(hào)具有表示所述電路結(jié)構(gòu)的局部溫度的頻率以及表示 由所述熱電偶感測(cè)的溫度的振幅；以及電壓受控振蕩器，具有被設(shè)置用于從所述斬波器接收所述交流信號(hào)的輸入以及用于產(chǎn) 生表示由所述熱電偶感測(cè)的溫度的無線電頻率信號(hào)，所述無線電頻率信號(hào)耦合到天線以發(fā) 送到遠(yuǎn)離所述發(fā)動(dòng)機(jī)的接收機(jī)。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述方波振蕩器包括差動(dòng)放大器，所述差動(dòng)放大 器具有耦合在所述放大器的輸入和輸出之間的RC反饋網(wǎng)絡(luò)并且具有耦合在所述RC反饋 網(wǎng)絡(luò)和所述放大器的所述輸出之間的電容器，其中所述電容器具有溫度敏感電介質(zhì)使得其 電容響應(yīng)于溫度的改變而成比例地改變，從而響應(yīng)于溫度的改變而改變所述方波信號(hào)的頻率。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述電容器的電介質(zhì)被分類為X7R。
20.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述電壓受控振蕩器包括用于設(shè)置參考載波頻 率的Colpitts振蕩器，所述振蕩器包括與電路節(jié)點(diǎn)處的一對(duì)串聯(lián)耦合的電容器并聯(lián)的且 包括在支承所述電路的印刷電路板上直接形成的導(dǎo)線線圈的電感線圈。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述Colpitts振蕩器包括作為變?nèi)荻O管以反 向偏置配置且與所述電路節(jié)點(diǎn)和地電位之間的所述電容器之一并聯(lián)耦合的氮化鎵(GaN) LED 二極管。
全文摘要
一種電路，固定到發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件以用于感測(cè)和處理部件的溫度。所述電路生成表示由熱電偶(110)感測(cè)的溫度、且由放大器(112)放大的信號(hào)。具有溫度敏感電容器(C8)的方波振蕩器(113)響應(yīng)于電路的局部溫度的變化而改變其頻率。斬波器(114，J27)把所述放大器的輸出轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)。斬波器由方波振蕩器門控并且第二輸入耦合到放大器的輸出。因而，斬波器具有輸出信號(hào)，所述輸出信號(hào)具有表示局部溫度的頻率以及表示熱電偶溫度的振幅，由此組合的信號(hào)表示部件的真實(shí)溫度。
文檔編號(hào)G01K7/13GK102124419SQ200980131595
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2009年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月15日
發(fā)明者A. 庫爾卡尼 A., B. 羅斯特特 A., 維斯特恩 B., 麥菲爾森 B., J. 米切爾 D., R. 勒施 E., R. 弗拉利 J., 維茨 R., 舒普巴赫 R., 蘇布拉馬尼安 R. 申請(qǐng)人:西門子能源公司, 阿肯色州電力電子國際有限公司