专利名称：用于高温环境的无线遥测电子电路封装的制作方法
技术领域：
本发明一般性地涉及无线遥测电子电路封装，具体地涉及能够在超过300°C的高 温环境下操作并能够经受至少高达1000g’ S的力的封装。
背景技术：
操作中的燃气涡轮发动机内的温度极高，通常在超过450°C的水平。当希望监控涡 轮的各部件例如涡轮叶片的内部温度时，或者监控操作期间施加在这类部件上的应力时， 需要特殊的检测、放大和发送电路。对于该问题的有效解决方式是使用无线遥测技术，例如 公布于已出版的名称为“SMART COMPONENT FOR USE IN AN OPERATING ENVIRONMENT”的美 国专利申请公开US2005/0198967A1、或名称为“INSTRUMENTED COMPONENT FOR COMBUSTION TURBINE ENGINE” 的美国申请 11/936,936 以及名称为 “INSTRUMENTED COMPONENT FOR WIRELESS TELEMETRY” 的美国串请 11/521, 193。在以上引用的这些专利申请中，公开了使用无线遥测技术的一般概念。本专利申 请致力于解决实施这些技术时遇到的具体问题。无线遥测电路板和其上能够经受高温的各部件能够实现在高温环境(例如那些 在内燃燃气涡轮发动机中出现的高温环境)下从固定部件和运动部件提取数据。电子电路 学提供在涡轮发动机(例如工业用燃气涡轮、航空发动机和用在石油和天然气行业中的涡 轮)的操作期间实时监控部件状况的可能性。知晓涡轮中各部件的状况提供了许多优点， 包括基于内部发动机参数优化涡轮操作以及能够进行基于状况的维护。通过使用监控设备 可实现高级涡轮发动机操作费用的明显降低。检测涡轮部件的当前惯用操作包括将传感 器安装到各部件，将引线延伸到路由器，并将大捆引线从涡轮长距离地引导至监控地点。该 过程较慢、费时、昂贵，并需要改进涡轮的许多部件，以允许包括所有的引线。为了实现从这种传感器系统提取数据的优点，可能需要将数据发送器放置到热部 件的最冷区域上。这会导致需要在超过300°C的温度下，例如在涡轮发动机的流动路径中的 叶片的根部处运行的无线遥测系统。使用硅或高温绝缘体上硅(HTSOI)有源元件的现有技 术电路的当前状态不能够在这种高温下操作。这种无线遥测电路板需要能够在超过300°C 的温度下操作的封装、板、走线、无源器件、有源器件和接线。
在后文的描述中将参考附图对本发明进行阐述，附图中图1是示例性涡轮叶片的局部透视图，其示出了包括遥测电路板的电子装置的附接。
图2是分解透视图，其示出了图1发送器组件的各个元件。图3是分解图，其示出了被包括在图2发送组件外壳中的高温电子装置封装内的 各个元件。图4A示出了用于在装配操作期间固定电路板的转接板的俯视图和侧视图。图4B是对准板的俯视图，该对准板与图4A的转接板一起被用来在装配操作期间 将各部件固定就位。图5A、5B和5C是使用图4A和4B的转接板和对准板的装配过程的透视图。图6A和6B是典型地用在半导体技术中的丝线结合(wire bonding)工艺的视图。图7是透视图，示出了典型丝线结合的g力(g-force)分析。图8示出了模拟g力应力条件下丝线结合的各种状态。图9A是一个示例性的示意图，其示出了用于本发明所用放大器电路的独特的电 路偏压。图9B是曲线图，其示出了图9A放大器在变化温度条件下的AC输出电压和偏置电压。图10是应变仪电路的方框图。图11是热电偶电路的方框图。图12是用于放大应变仪输出信号的电路的示意图。图13是用于放大热电偶输出并将发送器的本地温度嵌入到放大的输出信号中的 电路的示意图。图14是功率调节电路的示意图。图15是包括考比慈(Colpitts)振荡器的FM发送器的示意图。图16是代表性热电偶的图示。图17是波形图，其示出了用于热电偶电路的方波发生器在室温时的输出。图18是波形图，其示出了用于热电偶电路的方波发生器在高温的输出。图19是波形图，其示出了温度升高时热电偶的输出电压。图20是波形图，其示出了斩波器的输出，该输出是热电偶和方波发生器的组合输
出ο
具体实施例方式在此公开的各实施例能够通过使用电子电路经过无线遥测从燃气涡轮的各个区 域发送数据，这些区域的温度范围可从环境温度到大于300°C的温度，并且包括高达至少 450°C的温度。因此，电路的所有元件和封装应由能够在大于300°C的温度下操作的材料制 成。现有高温电子系统的当前状态被设计成使得控制逻辑电路被放置在下述位置，该位置 足够冷，以使用硅基电子器件，或者使用能够在高达300°C最大值的高温下操作的高温硅绝 缘体上硅(HTSOI)工艺。在现有系统的这种当前状态下，控制信号从相对低温的区域经过 导线(或称丝线，wire)发送到位于温度大于300°C的热区域中的功率放大�？�。功率放 大模块是采用了被设计用于高温使用的半导体的电路，该半导体例如为包括SiC、AIN、GaN、 AlGaN、GaAs、Gap、hP、AlGaAs、AlGaP、AllnGaP 和 GaAsAIN 的宽带隙半导体材料，或者其他 可以在大于约300°C的温度下使用的耐高温半导体材料。这种类型的设计策略并不能用于在诸如燃气涡轮叶片的旋转的热剖面部件上包括测量仪器，这是因为整个发送电子电路必 须位于涡轮叶片上，因而必须在超过300°C的温度下操作。在此公开了新的电子电路，其实 现了在大于300°C的温度并包括高达至少450°C的温度下的传感器信号采集和无线发送。因此，所公开的电子电路和封装由能够在高温下操作的材料制成，例如耐高温环 氧树脂或陶瓷材料，例如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、氮化铝等。导体由能够经受高温 而不熔化的金属例如银或金制成。有源和无源电子元件必须基于电学需求和电路板操作所 处的温度环境进行选择。可采用高温无源元件，例如基于诸如钯、钌、铱、铼的系统的厚膜电 阻器，诸如NPO、COG和X7R的多层陶瓷电容器。如果不能从市场上获得合适的电感器，那 么可能需要将耐高温的电感器直接沉积到支撑电子电路的PC板上。有源元件，即晶体管、 二极管等可由能够在高温下操作的半导体材料制成，例如那些上文列举的材料。各元件之 间的连接和电子电路同样可通过芯片附接、丝线结合的方式或其他合适的方法由高温金属 例如金或铝制成。在超过单块高温粘合材料的极限的情况下，可使用合金组合物执行附接。 为了降低各设备在附接期间暴露所在的温度，可使用共晶合金组合物，随后是热处理，从而 将附接组合物改变到更高熔点的附接组合物。电路板上的所有材料必须被选择成使得其暴 露于所需操作温度时不会导致使电路板的性能下降的化学互相作用或成分/结构变化。根 据本公开内容，使用当前可用的或正在开发的高温类型的无源和有源电子材料，已设计出 能够发送来自热电偶或应变仪传感器的信号的完整电路。参见图1，本发明的各实施例允许发送来自旋转部件的传感器数据，例如在温度超 过300°C的环境中操作的涡轮发动机叶片20，其具有位于该叶片的根部22上的某些电子元 件。为了在此公开的目的，术语“高温”在没有另外条件的情况下将指代最大操作温度超过 300 0C的任何操作环境，例如燃气涡轮各部分内的操作环境。本发明的各实施例提供用在燃气涡轮中的装备有遥测系统的各部件，该遥测系统 可包括一个或更多传感器、将传感器与至少一个遥测发送电路连接的引线、至少一个发送 天线、电源和至少一个接收天线。图1图示了涡轮叶片20、无线遥测发送组件M和旋转天 线组件26。引线或连接器观在邻近叶片根部22安装时可从一个或更多传感器，例如传感 器30，延伸到遥测发送组件M。引线观可将来自传感器30的电子数据信号发送到遥测发 送组件M，其中信号由形成在包含于图2所示的电子封装34内的电路板上的遥测发送电路 处理。引线或电连接器36可被沉积用于将来自遥测发送电路的电数据信号发送到旋转天 线组件沈。图2示出了高温电子封装34，其可包含高温电路板并形成遥测发送组件M的一部 分。电子封装；34的主体可由低热膨胀系数的合金制造，例如Kovar 牌合金、Fe-Ni-Co合 金。Kovar 合金的热膨胀系数根据确切成分从大约4.5到6. hlO_6/°C。典型用于高温涡 轮部件，例如涡轮叶片20的镍基合金具有在大约15. 9-16.范围内的热膨胀系数。 电子封装34可被牢固地固定就位，同时允许电子封装34与涡轮叶片20之间的相对运动， 如下文参照图2的描述。这种相对运动可能产生于它们不同的热膨胀系数，这在大量热循 环期间随时间发生在周围空气温度与通常在叶片根部22附近经历的高于300°C的操作温 度之间。最佳如图2所示的遥测发送组件M可包括安装托架37和盖子或盖板38，电子封 装34位于安装托架37与盖子或盖板38之间。多个连接销40实现包含在封装34内的电子电路板(例如其中一个具有制造于其上的无线遥测电路)与各种外部器件(例如来自传 感器的引线、感应线圈组件或数据传输天线)之间的连接。安装托架37、盖板38和将其连 接在一起的定位螺钉39(如图1所示)均可由与涡轮叶片20相同的材料制造。这确保涡 轮叶片20与安装托架37之间没有热膨胀系数差异。因而，热瞬变期间在安装托架37或涡 轮叶片20中没有应力生成。电子封装34的热膨胀系数可不同于安装托架37的热膨胀系数。当这些器件内的 操作系统处于高温时，由Kovar · 合金形成的电子封装34，包括包含于其中的任何电路板 的膨胀将小于安装托架37，这可能产生由系统中的振动能造成的损坏。为了将电子封装34 固定到安装托架37内以适应托架37与电子封装34之间的尺寸变化差别，一层陶瓷纤维织 物41可放置在电子封装34与安装托架37的内表面之间。纤维41可由合适的陶瓷纤维制 造，包括诸如碳化硅、氮化硅或氮化铝的纤维。例如，一些被制造成3Μ的Nextel 氧化铝合 金基纤维可用于纤维41。当电子封装34和陶瓷纤维织物41与安装托架37以及盖板38装配在一起时，安 装托架37可通过用于附接的合适方式附接到涡轮叶片20，例如螺栓连接、焊接、铜焊或通 过瞬时液相结合。图1图示了凹部或平坦袋部42，其可被碾磨或通过其他方式形成在涡轮 叶片20内且邻近叶片根部22，用于接纳组件M。盖板38可形成有垂直于G力方向定向的凸缘44，以增大对盖板的结构支撑，这抵 消了当旋转涡轮叶片20全速操作时出现的g负载力。这使定位螺钉39免于承载通过g力 施加到盖板38的负载，并允许它们被制成的足够�。允挂２夥⑺妥榧﨧在不与相邻器件 干涉的情况下装配到相对小的凹部42中。如果定位螺钉39需要承载由G力施加的负载， 则它们所需的尺寸将太大而不能装配到可用空间中。图1示出了旋转天线组件沈可被附接到根部22的端面或颈部。组件沈可以是 下述电子组件，其具有的热膨胀系数不同于用于涡轮热气部件(例如包括根部22的涡轮叶 片20)的Ni基合金的热膨胀系数。一个或更多旋转天线组件沈可在涡轮叶片20以声速或 接近声速旋转期间不受空气阻力影响。在一个实施例中，防止空气阻力影响的保护材料对 于RF辐射频率是透射的，以便能够通过该材料输电和传送数据。可旋转天线组件沈的实 施例可包括图1所示的耐用的、保护性的RF透射盖50，该盖50基本上是中空的固定装置， 数据天线和感应功率部件包含在其中。RF透射盖50保护其内容物在燃气涡轮操作期间不 受空气阻力的物理影响。某些陶瓷适合于保护RF传输设备不受高温元件的影响。然而，许 多陶瓷和陶瓷基体复合物在旋转涡轮叶片20在燃气涡轮的操作期间所经历的振动冲击和 G负载的条件下易于碎裂和破裂。本发明的发明人已确定，RF透射盖50可由RF透射、高韧 性的结构陶瓷材料制造。陶瓷基体复合物可用于制造盖50以及选自已知为钢化陶瓷的材 料族中的材料。因掺杂有另外的元件或由特定处理方法产生的指定微观结构，诸如碳化硅、 氮化硅、氧化锆和氧化铝的材料具有增大的韧性而可用。一种RF透射、易于成形且相对廉价的材料是一种选自通常称为氧化锆钢化氧化 铝(ZTA)的陶瓷族中的材料。选自该氧化铝材料族的陶瓷材料在强度和韧性上比传统的纯 氧化铝材料明显更高。这是由于通过在氧化铝中均勻包括精细氧化锆颗粒实现的应力感应 变换韧化。典型的氧化锆含量在10%到20%之间。结果，ZTA相对于传统的纯氧化铝材料 提供增大的部件寿命和性能。
当陶瓷在压缩时负载时，ZTA的指定微观结构抗断裂。然而，如果在承受拉力负载 足够，则陶瓷与传统的陶瓷材料一样将毁灭性地失效。因而，RF透射盖50被设计为使得陶 瓷材料中的拉伸应力在燃气涡轮的操作期间被最小化。这通过设计和制造为使得通过下述 两种方式而实现=(I)ZTA部件的所有拐角、边缘和弯曲部被机械加工成消除尖锐拐角和边 缘，从而降低这些位置处的应力集中因素，O)ZTA部件在旋转天线安装托架51中的定向和 装配使得，在操作期间，施加到ZTA箱的G力在附接凸缘中不会生成明显的弯曲应力。这通 过将凸缘平行于G负载方向，而不是垂直于G负载方向定向而实现，因而ZTA凸缘在压缩时 而不是在弯曲时负载。安装托架51可被设计为使得，旋转天线组件沈在燃气涡轮的操作期间经历的所 有G负载沿着朝向托架51的上端延伸的方向被吸收。安装托架51的任何部分都不会延伸 太远而越过包含在其中的天线，以削弱RF传输数据信号。RF透射盖50被固定就位，因而 其内部应力场主要是压缩，并可使用通过其凸缘上的半圆形凹洞(divot)的螺纹销(未示 出)而被保持。安装托架51可通过传统方式，例如焊接、铜焊、结合、螺栓连接或螺纹连接被附接 到涡轮叶片22的端面。旋转天线组件沈的实施例可通过将所需天线放置到盖50的中空 主体中而被组装，该中空主体包含具有陶瓷灌封材料的天线。包含天线的灌封RF透射盖50 然后可滑动到安装托架51中，该安装托架51先前已被附接到涡轮叶片根部22。盖50可通 过插入在安装托架51中的销和盖50中的凹洞而被固定到安装托架51。现在参见图3，该分解图示出了高温电子封装34内的元件，该封装34被包括在图 2的外壳M内。封装底腔34A包括从其端部延伸的电连接销40，该连接器实现了封装34 内的电子装置与外部传感器、源和天线之间的通信。为了在高达至少450°C的高温下运行， 封装必须被设计为且尺寸适于包含电子电路及其基片，即下文中的PC板42。封装必须能 够经受温度和离心负载需求并保护基片上的电路。因而，封装34由镀金的Kovar 合金制 成，而电连接销40由金制成。封装34上的镀金防止Kovar ’ 合金的氧化，该氧化会在高温 时出现。连接器40通过各个绝缘套(未示出)与封装绝缘。一对销40被联接到电连接器 28，该电连接器观与传感器30通信。第三销被联接到地电位，而销4、5、6和7被联接到电 源(两个分别为正极、负极交流电)。最后的销用于将发送器输出(数据)信号联接到天线 26。PC 板PC板42或基片优选由能够在高温下操作的材料制造，例如耐高温的环氧树脂或 陶瓷材料，例如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、氮化铝等。电路走线(或“印刷电路”)优 选由在高温下工作的金属制造，例如银或金。发明人使用氧化铝基片选定厚膜过程来制造 PC板42的一个实施例。氧化铝基片被金属敷镀有厚膜金膏剂。这些基片在高温下表现很 好，并与芯片附接过程(在下文中论述)非常兼容。Dupont QG150牌的金膏剂被选定为敷 镀金属。该膏剂包括具有玻璃氧化物粘合剂的高密度金粉。PC板可由厚度为10-100密耳 的氧化铝形成。最后的基片包括96%的氧化铝基片，测量为20密耳厚。高密度的金膏剂被 用作导电层，还用作能够与其锡焊和丝线结合的表面。印刷能力允许5密耳的行清晰度。PC板42通过如上文中所概述的以下过程进行组装。使用厚膜丝网印刷过程制备 基片。专用丝网印刷机与图案化的不锈钢细筛结合使用。金膏剂被印刷到氧化铝((AI2O3))基片上。印刷之后，膏剂在炉箱中在150°C干燥，以“烘焙”膏剂中的溶剂。接下来，基片被 放置到熔炉中，并在850°C下烘制。在该过程中，膏剂中的玻璃/氧化物粘合剂在烧结的膏 剂与氧化铝基片之间形成牢固结合。多印刷需要多个烘制步骤。根据一个实施例，采用两 次印刷/烘制循环(顶侧和底侧金属敷镀)。烘制后的基片然后利用切割锯被剪裁成合适尺寸。顶部印刷具有形成在其上的电 路图案，而底部印刷为因适印性限制而已具有“网眼”的金属面。背金属面将允许在其上执 行的冶金结合过程。一旦PC板42完成且各器件与其附接(在下文中描述)，则PC板然后被放置到腔 34A中，并且12克拉的金丝线44A、44B被激光焊接到PC板和腔，用于形成保持器，以将PC 板固定就位。由于施加在封装及其内容物上的高g力，将基片机械保持在封装中是最重要 的。保持器可由下述材料形成，该材料具有的热膨胀系数在封装的热膨胀系数的20%内，从 而使该材料与封装之间的差热生长最小化。可行的是，将填充材料添加到封装34中并将其 涂抹在PC板和电路元件上，以有助于使其在操作期间的放置稳定。然而，使用的任何填充 物必须允许各元件及其连接线在温度循环期间的任意膨胀或收缩。最后，盖34B被固定到 腔34A的顶部。根据一个实施例，Kapton 牌聚酰亚胺绝缘带用于将盖34B保持就位，直 到其通过压缩被机械固定。用于固定盖34B的另一实施例为将其焊接到封装腔34A。如在下文中更详细地描述，可使用用于PC板42的两种不同的电路设计图案。第 一种图案被设计用于检测涡轮选定部件的温度变化的电路，其中传感器30为热电偶。表示 部件温度的信号通过电路被放大和处理，然后通过诸如天线26的天线经过FM发送器和广 播被发送。这种类型的电路可用于除了那些测量温度之外的传感器，而且还产生直流电(D/ C)输出信号作为响应，例如静应变、导电迹线或化学传感器。第二种图案被设计用于检测 出现在涡轮选定部件上的动应变的电路，其中传感器30为应变仪。表示出现在选定部件上 的动应变的信号通过电路被放大和处理，然后通过诸如天线26的天线经过单独的FM发送 器和广播被发送。这种类型的电路可用于除了那些测量动应变之外的传感器，而且还产生 交流电(A/C)输出信号作为响应，例如加速计或电磁波发送检测器。可替代的实施例使用 单一 FM发送器，其将用于发送的多个信号多路传输到单一 FM接收器，该FM接收器被配置 为将接收到的信号解码成两个分离的数据信号。图3所示的PC板42在图中仅被部分地完 成，并总体上表示了热电偶电路。两个电路包括开放式空心电线感应线圈Li，其为用于FM 发送器的考比慈振荡器的储能电路的一部分，这将在下文中进一步解释。线圈Ll的品质因 数Q在电路的操作温度和操作频率时可至少为5。溅射的金或银膏剂材料可用于形成该线 圈。然而，这种膏剂典型地具有较低的Q值。本发明人已成功利用金或银丝来形成感应线 圈。导线空心导体可沿其长度进行灌封，以防止高频率时的电短路。绝缘带可卷绕在其交叉 所经过的灌封导线上，以防止电短路。可替代地，导线可形成在交叉点处的电桥中，从而防 止电短路。为了增大这种线圈的机械强度和稳定性，灌封材料可放置在导线周围，尽管任何 这种封装材料会必然影响线圈的Q值。在一个实施例中，利用陶瓷氧化铝膏剂悬浮液(例 如Ceramabond 牌的陶瓷水泥)灌封的金丝线在燃气涡轮操作温度和G力时提供所需程 度的结构稳定性，并提供大于5的Q值。这种氧化铝基的灌封还用作线圈的电绝缘体，因此 在导线自身周围不需要分离的电绝缘。芯片/元件附接
为了使电子封装在高达至少450°C的高温下运行并经受大于1000g’ s的离心负 载，需要满足特殊需求将各元件附接到PC板42。所有结合在真空炉中执行，从而确保焊料 的正确回流。发明人已意识到当锡焊的元件具有轻微质量时可能遇到的主要问题。如果元 件的质量很�。虻币禾辖鹌菔笨赡懿荒芄黄苹狄禾辖鸬谋砻嬲帕Γ缏凡考赡� 被推离焊料并滑动到另一位置，或者以一定角度倾斜(称为“碑立现象”)。为了克服该问题，本发明人已开发了使用装配在真空炉中的加热固定装置中转接 板和元件对齐模板的方法。转接板60在图4A中以俯视图和正视图形式示出，一对元件对 准板61和62也以俯视图形式示于图4B中。图4A图示了在组装图3所示的PC板42时使 用的转接板60的俯视图和端视图。该板由石墨制成，并且被成型为用于在组装操作期间接 纳基片(PC板)和用于对齐待附接到PC板的各元件的对准板60、61。对准板60、61必须能 够经受高温，必须是惰性的且对焊料有抵抗力，并且必须能够限定针对各元件的高度精确 裁剪。相应地，合金316不锈钢可用于制造这些板。由于切口的小尺寸和高精度的需求，激 光切割可用于制造。接下来关注的是将各元件附接到PC板42的焊料的配方。材料必须与芯片的金属 敷镀(Au薄膜)和基片的金属敷镀(Au厚膜)兼容。已发现铜焊(其为涉及将高温填充金属在两个润湿表面之间的相对简单的过程) 由于三个主要因素使得其对于本申请而言还不是最佳的(1)大多数铜焊具有超过700°C 的液相线温度并需要膏剂腐蚀性焊剂；(2)许多铜焊合金不是共晶体并具有非常大的塑性 域，这可能会使过程复杂；以及C3)大多数铜焊与金表面不兼容。发明人还发现瞬间液相(TLP)结合也不是最佳的。在该过程中，低熔点的合金在 两个兼容表面之间被液化。随着合金填充结合表面之间的间隙，其会“溶解”或“滤除”掉兼 容金属。该作用改变了合金的组分，从而改变了填充物的熔点，导致固化和高质量的结合。 该过程的主要要求是，待结合的表面要较厚，而熔融的合金层要非常薄。当该过程应用于电 镀薄膜(20微米厚)和厚膜(25微米厚)的基片时，发明人发现结果中有很大的不一致，其 中很多还不能通过验收要求。发明人已经发现，利用纯金进行的固态扩散过程可用于本申请。在该过程中，未使 用液态金属。相反，金的快速自我扩散特性用于在两个纯金表面之间形成非常高的质量保 证。虽然固态扩散可在没有填充材料的情况下执行，其典型地需要非常高的压力来将面对 表面压缩在一起，以获得合适的接触面积。代替这种压力的是，发明人选择金填充材料来填 充结合表面之间的间隙。金箔和金粉均被研究，其中粉末由于其在加热条件下因烧结而填 充间隙以及形成固态、勻质层被证实是更好的选择。烧结是利用扩散将两个小颗粒结合到 一起形成固态基体的过程。这一般在高温下执行，以增大扩散率。虽然固态扩散过程可利 用金粉执行，进一步发现，金膏剂更易于使用在本申请中。膏剂可通过包括分配、冲压和丝 网印刷等多种方法应用。金膏剂和金粉之间的主要区别是，膏剂具有有机载体(例如，聚合 物、松油醇或乙二醇醚)和表面活性剂，其中有机载体用作传递介质以使粉末能容易应用， 表面活性剂用于使粉末分离直到结合令人满意。大量的金厚膜膏剂被选择用于使用。虽然膏剂具有不会对纯金层提供粘合的其他 添加剂(氧化物基的粘合剂和玻璃粉)，但其与氧化铝基片和厚膜金质金属敷镀兼容。另 外，这些膏剂容易获得，包含较小、高纯度的金粉，并被设计易于应用。虽然许多金膏剂已证实是兼容的，但发现最好的执行选择是DuPont QG 150，其是可获得的具有最高金成分的膏 剂。这是用于使基片金属化的同一膏剂，因而与整个系统非常兼容。在该过程中，芯片和 各元件利用少量的QG 150金膏剂被放置在金质金属敷镀后的基片上。组件然后被放置在 400°C的炉箱中达12小时。在此期间，在相邻的金颗粒之间以及在颗粒与结合表面之间发 生金金扩散。最后得到的结合非常牢固，并能够经受远高于500°C的温度。另外，该过程简 单、快速、可重复，并可在非常小的元件上执行。现在参见图5A、5B和5C，它们示出了用于对准和组装电路板上的元件的转接板的 透视图。首先，基片或PC板42被放置在转接板60的腔中。接下来，对准板61、62被放置 在基片上。元件附接的金膏剂然后被放置在对准板的开口中，元件然后被放置在对准板60、 61的开口中用于组装操作。转接板60以及基片、对准板、金膏剂和各元件被夹在加热的石 墨板65之间，如图5C所示。组件接下来被放置在400°C的炉箱中达12小时。在此期间，发 生金金扩散，并且芯片和元件在高于500°C的温度下以较高的剪切强度保持附接。该过程通 过适当对准芯片和各元件的取放机可重复进行。丝线结合丝线结合是用在许多电子应用中的标准方法，然而，该方法并不为发明人所知用 在使其在高温下遭受这种较高的垂直力(即，g负载)的环境。现在参见图6A和6B，示出 了典型地用在半导体技术中的丝线结合工艺。图6A示出了结合线的每一端的脚部和足跟 部，图6B图解说明了术语“环圈高度”和“结合长度”。图7是显示典型丝线结合的g力分 析的透视图，其中g力从四个不同的方向施加。首先，在标注为X方向和-χ方向的跨过结 合丝线的相对方向(即，平行于丝线的方向)上的存在两个可能的力，然后在标注为Z方向 和-Z方向的进入结合丝线内的相对方向(即，垂直于丝线的方向)上存在两个可能的力。 图8示出了丝线结合的图示，其中示出了丝线在模拟的g力应力条件下沿这些各个方向的 变形。用于将集成电路连接到PC板的互连工艺对任何电子系统均为关键因素。在高g力条件下，通常希望丝线结合能从其原始位置偏斜到某一角度。本发明人 已出乎意料地发现，在本发明的高温和高g环境中可以使用金丝线结合。已发现，丝线结合 沿X方向的负载(图8中的负载组2)在导线中产生最小的总应力。已使用直径为0.7和 1.0密耳的金丝线结合。已表明，如果丝线结合被定向成平行于离心负载，则丝线结合的两 个直径在结构上是稳定的，最大环圈高度不大于17. 4密耳，最大结合长度(从结合区到结 合区)保持在35密耳以下。这些结果对于大于l，000g’ s的负载是可以接受的，实际上已 测试对于超过10，000g’s的负载是可以接受的。导线性能、环圈高度、结合长度和温度均会 影响丝线结合的最大可以忍受的G负载。电子装置现在参见图9A，该示例性示意图示出了用于本发明所用放大器电路的独特的电路 偏压。偏压电路的功能是将JFET放置到正确的操作区域。对于JFET，操作位置可以是欧姆 区域内的各个点(JFET相当于小电阻器所在的地方)，或饱和区域内的各个点(JFET相当于 电压控制电流源所在的地方)。不同的偏压点导致不同的JFET行为，即使是在相同区域内 的不同位置。当JFET在25°C到500°C的温度范围内操作时，JFET的许多特征改变。在此 特别感兴趣的事实是，器件在高温比在低温将展示出更少的增益。另一重要变化是JFET性 能在温度上的特征，其为JFET阈值电压在渐增温度时的向下(更多的是负的)改变，这在图9B的图中得到证实。在结构上，图9A所示的放大器电路包括电压分配器网络，其包括串联联接在正电 压v(+)源与负电压v(-)源之间的RB_1和RB_2。将RB_1连接到RB_2的电路节点1000被 联接到输入电容器C_1的一侧以及联接到JFET Ql的栅极端。C_1的另一侧联接到输入端 V(in)0 JFET Ql的源极端联接到地电位，并且其漏极端联接到负载电阻器RD的一侧。负载 电阻器RD的另一侧联接到正电压V(+)源。Ql的漏极端还通过另一电容器C_2联接到输出 端 V (out) ο图9B示出了图9A放大器的AC输出电压与偏置电压在可变温度下的变化水平。也 就是，节点1000上的电压水平被绘制在图9B的水平轴上，而最后得到的输出电压V(OUt) 被绘制在垂直轴上。曲线1001代表温度25°C时的输出电压，曲线1002代表温度100°C时 的输出电压，曲线1003代表温度200°C时的输出电压，曲线1004代表温度300°C时的输出 电压，曲线1005代表温度400°C时的输出电压，曲线1006代表温度500°C时的输出电压。在JFET共源极的交流放大器(例如，图9A)中，存在窄范围的偏置电压，这产生最 高的交流电压增益。相应地，如从该图中可见，在温度上存在降低的增益，这产生较低的最 大交流输出电压。而且，还可看出，出现最大正负峰间输出电压的偏压点向左移动(随着增 大的温度更多的是负的直流栅偏置电压)。理想的偏压电路将跟随峰值，从而提供最佳性 能。因而，希望使偏压直流电压适应温度范围。电阻器RB_1和RB_2将栅门的直流电操作点设定为共源极放大器(图9A)的源电 压(Vgs)，其与图示在图9B的水平轴上的电压相同。例如，25°C时的峰值交流电压输出的 偏压点为Vgs = -1. 7V。电阻器RD为JFET泄放电阻器，其有助于确定放大器的电压增益。 当在温度偏移(25°C到450°C)上偏压电路必须考虑的两个特征为电阻器RB_1和RB_2设 定的偏压点，其应跟随峰值输出电压中的电压结果，并且，电路的增益应随着渐增的温度增 大。如果考虑以上两个量度，则器件的输出特征在关心的温度范围上基本保持恒定。这可 通过将电阻器RB_1设计为具有电阻的正温度系数(PTC)、而电阻器RB_2具有电阻的零温度 系数(ZTC)而实现。第二种方法是同样为电阻器RD提供PTC，从而随着温度的增加，提高放 大器增益(使得高温时的增益等于低温时的增益)。电阻的温度系数可通过若干方式实现。它们潜在地可使用表面贴装热敏电阻而被 应用，或者它们可利用附接到电路板的不同材料制造。存在许多可用的厚膜膏剂，其具有各 种电阻的温度系数(TCR)。根据一个实施例，电阻器RB_1和RD由TaN厚膜形成，而电阻器 RB_2由钼厚膜形成。现在参见图10，其示出了应变仪电路的方框图。表示施加在测定涡轮部件上的应 变量的信号由应变仪101产生。该信号然后被差动放大器102检测，并联接到AC放大器 103用于进一步放大。放大后的应变仪信号然后应用到电压控制振荡器104的输出，其产 生振荡信号，该信号的频率表示施加在测定涡轮部件上的应变。该振动信号然后被缓冲器 105缓冲，并传送到天线26，以便发送到被调谐到载波频率的传统调谐器(未示出)。现在参见图11，示出了热电偶电路的方框图。表示测定涡轮部件的温度的信号被 热电偶110检测，该信号被传送到差动放大器111。差动放大器111的输出被传送到直流 放大器112。放大器112的输出和方波振荡器(或方波发生器)113的输出被联接到“斩波 器” 114的输入。斩波器114的输出被联接到电压控制振荡器115的输入，其产生振动信号，该信号的频率和振幅表示测定涡轮部件上检测到的温度。该振荡信号然后被缓冲器116缓 冲，并传送到天线26，以便发送到被调谐到载波频率的传统调谐器(未示出)。当两种类型 的电路用在同一涡轮上时，载波频率将不同，从而避免两个信号之间的混乱。现在参见图12，示出了用于放大应变仪输出信号的电路101、102和103的示意图。 需要对传统无线遥测电路设计进行改进，以便在可用于超过450°C的温度下的可用电子装 置进行更加受限的选择的情况下来实现所需任务。应变仪信号调节(激励和放大)电路 被设计为在高温金属敷镀的情况下仅使用一种类型的晶体管，JFET。金属结合区(即，金) 的连接对于半导体材料不能直接进行，而是必须使用粘合层，例如钨，并或许还要添加扩散 膜。这些金属包括芯片的“金属堆”，即高温金属敷镀。在结构上，存在电压分配器网络，其包括电阻器R7和联接在正电压Vdc (+)源与地 电位之间的应变仪。电路节点1100为电阻器R7与应变仪之间的连接点，还通过电容器C4 联接到JFET晶体管Jl的栅极端。晶体管Jl被一对电阻器RB_1和RB_2偏压，该对电阻 器RB_1和RB_2通过参见图9A的上述相同方式在该晶体管的栅极端处结合。晶体管Jl是 包括晶体管J2的差动放大器的一半。晶体管Jl的漏极端通过电阻器Rl被联接到正电压 Vdc (+)，而晶体管J2的漏极端通过电阻器R2被联接到同一 Vdc (+)。晶体管Jl和J2的源 极端被联接在一起并联接到另一晶体管J3的漏极端，该晶体管J3包括联接到地电位的栅 极端，并且其源极端通过另一电阻器R3也被联接到地电位。晶体管J2的栅极端也被联接 到地电位。因此，晶体管Jl的栅极端上的任何变化将在其漏极端处被放大，并通过电容器 Cl联接到又一晶体管J4的栅极端，晶体管J4为包括晶体管J5和J6的另一放大阶段(交 流放大器10 中的三个晶体管的第一个，且在端子Vout处提供放大器的输出。施加在部件上的应变的变化可被测量，该部件包括应变仪，上述变化改变应变仪 电阻器的电阻，从而改变晶体管Jl的栅极端处的电压。这改变晶体管Jl在电阻器Rl上的 输出，电阻器Rl通过晶体管J4、J5和J6被联接到后续放大阶段。图13所示的所有电阻器 除了电阻器RB_2(其具有ZTC)之外具有非常低(接近为零，略微为正)的电阻温度系数。 而且，所有JFET晶体管通过高温金属敷镀制成，如在上文中所述。现在参见图13，示出了用于放大热电偶输出并将热电偶电路的本地温度嵌入到放 大的输出信号中的电路110、111和112的示意图。通过这种方式，热电偶上的温度梯度，而 并非仅仅是热电偶输出可被发送，从而给出精确的温度测量。图16图示了联接到图11的 方框图中所示电路(即，热电偶电路201)的热电偶110。热电偶110的输出被标示为表示 AT°C。如在下文进一步示出和描述的，正是Δ T°C和热电偶电路201的本地温度之和表示 涡轮的真正测量温度。再次参见图13，热电偶的负支线接地，正支线连接到晶体管J7的栅极端，晶体管 J7与晶体管J8 —起形成差动放大器111。该差动放大器由电压分配器偏压，该电压分配器 包括在晶体管J7的栅极端联接在一起的RB_1和RB_2加上由晶体管J9形成的电流源。如 上文中所述，电阻器RB_1具有PTC，电阻器RB_2具有ZTC，从而补偿高温环境(见图9A和 相应描述)。由于热电偶信号为直流或非常低频的交流，因此连续的放大阶段不能被容性耦 合。相反，晶体管JlO用在源跟随器结构中，以将差动放大器的输出向下移动至共源极晶体 管Jll必须被偏压所在的水平。晶体管Jll用于进一步放大信号。晶体管J12和J14形成另一水平的移动和放大阶段(直流放大器11 。在该点上，热电偶的输出已被放大到合适 水平。现在，热电偶电路的本地温度必须被嵌入到放大的信号中。晶体管J14和J15形成差动对放大器，其由晶体管J16形成的电流源偏压。电容 器C6和C7与电阻器R18、R19和R20 —起形成-90°至+90°的相位偏移网络。该相位偏 移网络在放大器输入的一端连接在晶体管J15，另一端联接到放大器的输出(晶体管J14的 漏极端)，其包括RC反馈网络。该构造形成张弛类型的RC振荡器(方波振荡器113)。电 容器C6和C7为NPO型电容器，并且其电容在25°C到450°C的温度偏移上不会可观地改变。 NPO电容器电介质具有电容的负-正-零温度系数，其中正、负温度系数彼此抵消。电容器 C8串联联接在RC反馈网络与晶体管J14的漏极端处的差动放大器的输出之间。该电容器 由X7R电介质制成，因而其电容随着温度变化可预测地改变。X7R是比NPO电介质具有更高 介电常数的电容器电介质，但对温度具有较大的电容依赖性(这是可预测的)。该振荡器 的输出为方波，其频率由基于电容器C8的温度确定，因而，热电偶电路的本地温度可被编 码成方波信号。(见图17所示的振荡器113在室温时的输出波形210，以及图18所示的高 温时的同一振荡器输出波形212)。晶体管J27用作斩波器晶体管(即斩波器114)。来自 振荡器113的放大的热电偶输出(图19中的波形214)被联接到晶体管J27的漏极端，而 方波振荡器输出被联接到同一晶体管J27的栅极端。晶体管27的源提供方波输出，其振幅 与热电偶110的温度成比例，并且其频率与热电偶电路的温度成比例(见图20所示的波形 216)。因而，信号包含热电偶输出加上热电偶电路的温度，该信号被应用到电压控制振荡器 115。通过热电偶110及其电路113的操作示例，假定电路113的温度为25°C，并且振荡 器113的相应输出为1. 62kHz的频率(图17的波形210)。而且，假定使用特定的热电偶 110，则12mv的输出电压(图19的波形214)对应于320°C的ΔΤ。现在，假定电路113的 温度为325°C，并且振荡器113的输出为5. 44kHz (图18的波形212)。通过将波形212和 214与晶体管J27组合，晶体管J27的合成输出(即电路的输出)由波形216表示。因而， 在热电偶的热端最后得到的测量温度为645°C。波形216的频率表示本地电路113的温度， 且振幅表示ΔΤ。相应地，本领域技术人员能够构造与FM接收器(未示出)相关的电路，以 执行信号解码和另外操作。现在参见图14，其示出了功率调节电路的示意图。能够对RF输入电压、滤波和整 流电压进行整流，并调整该电压的功率调节电路必须被设计为仅使用一种类型的晶体管和 可用二极管。电路对旋转涡轮提供的RF感应功率进行整流，并输送正、负调整后的直流输 出。RF感应功率发生器的细节被详述在上述引用的共同未决的、名称为“用于无线遥测的 测量部件”的专利申请。在结构上，二极管D5至D8以及二极管D9至Dll用作桥式整流器。 端子上的交流电压Vacl和Vac2或Vac3或Vac4被全波整流到具有较大脉动的直流电压。 电容器C9至C12用作滤波电容器，用于将脉动降低至足够低的水平。晶体管J17和J21用 作恒定电流源，将恒定电流分别输送到电阻器R26和R30。这种通过恒定电阻的恒定电流 产生恒定电压，其被联接到晶体管J19和J23。该恒定电压变压晶体管J19和J23，使得在 R25/26电阻器对或R29/30电阻器对确定的阈值之后，输出至晶体管的任何渐增电压不会 有助于晶体管输出的渐增电压。渐增的电压输出作为晶体管J19和J23中的热被消耗。因 而，晶体管J17和J19以及晶体管J21和J23包括低回动(LDO)电压调整器。这些调节器通过晶体管J18和J20以及晶体管J22和JM而重复，以改善净电压调整。电压然后分别 作为正或负调节电压Vdc (+)或Vdc(-)被供应。根据一个实施例，电阻器似6、似8、1 30和R32具有PTC，而电阻器R25、R27、I^9和 R31具有ZTC。如在上文所论述，电阻器的这种布置补偿高温时偏置电压的变化。通过这种 方式，电路自身补偿温度变动并将晶体管J19、J20、J23和JM上的电压降保持恒定。如在 上文所论述，PTC电阻器可由钼制成，而ZTC电阻器可氮化钽制成。应指出的是，当电阻器 R26、R28、R30和R32由ZTC制成，且电阻器R25、R27、R29和R31通过使用诸如碳化硅的硅 电阻器由负温度系数(NTC)制成时，电路还将同样起作用。现在参见图15，其示出了 FM发送器(即VCO 104和缓冲器105)的示意图。为了 形成调频(FM)信号，可变阻抗器件一般用于将信息编码(即调制)到RF载波上。在低温 电路中完成该任务的通用方式是使用电容依赖于施加电压的器件。几乎所有pn结二极管 在反向偏压时展示出该特征，也就是，施加到反向偏压二极管的可变电压影响二极管上的 电容变化。对于低温无线应用而言，一种称为变容二极管的特殊二极管用于该目的。变容 二极管为Pn结二极管，具有“超突变”结(即，被大量掺杂的结，以促进大的调谐角)，并由 硅或砷化镓制造。图15所示的电路包括考比慈振荡器，该振荡器包括电感器Ll和串联联接的电容 器C13和C14，这两个电容器与电感器Ll并联联接。晶体管J25用作考比慈振荡器中的有 源器件。振荡器的载波频率通过电感器Ll和电容器C13和C14的值确定。与电容器C14并 联联接的二极管D13用作电压可变电容器或变容二极管，其将交流电压调制(S卩，编码)到 载波上。载波然后被容性耦合到晶体管J26中，该晶体管E6用作缓冲晶体管以及功率放 大器。二极管D13的阴极联接到电路节点1400，其阳极联接到地电位。电容器C13与C14 之间的电路节点联接到节点1400，其还包括到电路的输入端V(in)。电路的输出然后被容 性耦合到发送天线(未示出)。在高温应用中，典型的变容二极管不能使用，并且不适用于在此关注的FM发送 器，这是因为该变容二极管的电容在高温时在施加的偏置电压的范围上是非线性的。因而， 不能够从发送信号重新获得正确信息(相同的频率偏差不会对应于不同的调谐电压)。已 发现该问题是SiC自身固有的，因而SiC器件不会获得所需结果。能够在高温下运行的GaN 器件(即，在相同高温时在施加的偏置电压的相同范围上具有线性电容)已被研究用作变 容二极管D13。氮化镓(即，GaN)也是宽带隙半导体，其宽带隙能量为3. ^[email protected] (而SiC 为2.86eV)，指的是其能够在高温(超过600°C)下运行。目前可用的仅有商用GaN 二极管 为蓝色或紫外线LED，其在此关注的温度偏移上产生满意的结果。尽管在此已示出和描述了本发明的各个实施例，但明显的是这些实施例仅作为示 例提供。在不背离在此本发明的情况下，可进行众多变型、变化和替代。相应地，本发明意 在仅受所附权利要求的精神和范围的限制。
权利要求
1.一种电路组件，其在用于高温环境的遥测系统中被附接到固定或运动部件，并被设 置成用于接收检测到的关于所述部件的状态的信息以及将接收到的信息发送到所述环境 外的接收器，所述电路组件适用于高温环境并且包括耐高温封装，用于容纳所述电路组件且适于附接到所述部件；PC板，用于支撑所述电路组件的有源元件和无源元件，所述有源元件由高温金属敷镀 法制造；保持器，其被附接到所述封装的内表面以便将所述PC板在所述封装内固定就位；以及连接器，其被附接到所述PC板并穿过所述封装的壁，用于对所述电路组件供电，以及 用于与所述运动部件上的传感器和将数据信号发送到所述环境外的天线通信，所述数据信 号表示了检测到的关于所述部件的状态的信息。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述封装由镀金的!^e-Ni-Co合金制成。
3.根据权利要求1所述的组件，其中所述PC板由氧化铝制成，该氧化铝被金属敷镀有 一层沉积在所述氧化铝上的金膏剂厚膜，从而形成所述PC板的导电层。
4.根据权利要求3所述的组件，其中所述PC板包括厚度为10-100密耳的氧化铝。
5.根据权利要求3所述的组件，其中所述PC板由96%的氧化铝制成，该氧化铝在厚度 上测量为大约20密耳。
6.根据权利要求1所述的组件，其中所述保持器为金丝线。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述有源元件和无源元件在它们的表面上具有金 质金属敷镀层，并通过扩散结合的金粉附接到所述PC板上的金质金属敷镀电路迹线
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述有源元件通过金结合丝线电联接到所述PC板 上的电路迹线，其中所述金结合丝线的定向方向平行于施加到所述电路组件上的g力。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述金结合丝线具有0.7密耳到1. 0密耳范围内 的直径。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述金结合丝线具有不大于17.4密耳的最大环圈高度。
11.根据权利要求1所述的系统，进一步包括电绝缘套，所述电绝缘套在所述连接器穿 过所述封装的壁处固定在每个所述连接器的周围。
12.—种有源遥测电路组件，其附接到发动机的运动部件，所述组件能够在超过300°C 的温度下操作并且能够经受超过1000g’ s的离心力，所述电路组件包括能够附接到所述运动部件的耐高温封装；耐高温PC板，其支撑遥测电路的有源元件和无源元件，并具有印刷在其上的用于互连 所述元件的电路迹线，所述封装被定尺寸成以及被适配成用于接纳所述PC板；以及连接器，其穿过处于所述封装的壁中的绝缘套，用于对所述组件供电，并且用于与所述 运动部件上的传感器以及与将数据信号发送到所述发动机外的天线通信，所述数据信号表 示检测到的关于所述运动部件的状态的信息。
13.根据权利要求12所述的组件，其中所述PC板包括氧化铝，该氧化铝被金属敷镀有 一层沉积在所述氧化铝上的金膏剂厚膜，以便形成所述PC板的导电层。
14.根据权利要求13所述的组件，其中所述金膏剂导电层被蚀刻成电路图案，从而形 成用于所述遥测电路组件的电路迹线。
15.根据权利要求12所述的组件，进一步包括焊接到所述封装的内壁的保持器，以便 将所述PC板固定在所述封装内。
16.根据权利要求15所述的组件，其中所述保持器包括的热膨胀系数在所述封装的热 膨胀系数的20%以内。
17.根据权利要求15所述的组件，其中所述保持器包括金丝线。
18.一种有源遥测电路组件，其附接到内燃发动机的运动部件，所述组件能够在超过 300°C的温度下操作并能够经受超过1000g’ s的离心力，所述电路组件包括耐高温镀金!^e-Ni-Co封装，其能够附接到所述运动部件；耐高温PC板，其包括氧化铝基片，该氧化铝基片被金属敷镀有一层沉积在所述氧化铝 基片上的金膏剂厚膜，以便形成所述PC板的导电层，所述PC板用于支撑所述电路组件的有 源元件和无源元件，所述封装被定尺寸成以及被适配成用于接纳所述PC板；金丝线保持器，其被焊接到所述封装的内壁，以便将所述PC板固定在所述封装内；以及连接器，其穿过所述封装的壁，用于对所述组件供电，以及用于在所述运动部件上的传 感器与将数据信号发送到所述发动机外的天线之间进行通信，所述数据信号表示检测到的 关于所述运动部件的状态的信息。
19.根据权利要求18所述的组件，其中所述金膏剂导电层被沉积成电路图案，从而形 成用于所述遥测电路板组件的所述电路迹线。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述有源元件通过金结合丝线电联接到所述PC 板上的电路迹线，其中所述金结合丝线被定向成平行于在所述发动机的操作期间施加到所 述电路组件的g力。
全文摘要
一种电路组件(34)，其被附接到涡轮的运动部件(20)，以便接收关于该部件的状态的信息并将该信息发送到发动机外。该电路组件包括附接到该部件的耐高温封装(34)。耐高温PC板(42)支撑电路的有源元件和无源元件，其中第一组无源元件由电阻的零温度系数制造，第二组无源元件由电阻的正温度系数制造。有源元件通过高温金属敷镀制造。附接到PC板的连接器(40)穿过封装(34A)的壁，用于与该部件上的传感器(30)以及与将关于该部件的状态的数据发送到涡轮外的天线(26)通信。
文档编号G01D11/24GK102124307SQ200980131753
公开日2011年7月13日 申请日期2009年7月8日 优先权日2008年8月15日
发明者A·A·库尔卡尼, A·B·罗斯特特, B·维斯特恩, B·麦菲尔森, D·J·米切尔, E·R·勒施, J·R·弗拉利, R·维茨, R·舒普巴赫, R·苏布拉马尼安 申请人:西门子能源公司, 阿肯色州电力电子国际有限公司
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20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
