JP6181174B2 - 高温環境に対する電子回路 - Google Patents
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Description
PCボード42または基板は、高温で動作可能な材料、例えばアルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のようなセラミック材料から製造されるのが好ましい。回路配線(または“プリント回路”)は、銀、金、プラチナ、またはパラジウムなどの高温で動作する金属から製造されるのが好ましい。発明者は、PCボード42の1つの実施形態を製造するためにアルミナ基板を使用する圧膜処理を選択した。アルミナ基板は、圧膜金ペーストで金属化される。これら基板は、高温で良好な性能を発揮し、ダイ取り付け処理に対しかなり相性がよかった(以下で説明)。Dupont QG150ブランドの金ペーストは、金属化として選択された。このペーストは、酸化物ガラス結合剤と共に高濃度の金粉を含む。PCボードは、10〜100ミル(mil)の厚さのアルミナから形成されうる。最終的な基板は、20ミルの厚さがある96%のアルミナ基板を含む。高濃度の金ペーストは、導電層として使用され、またそこへワイヤボンディングおよびはんだづけ可能な表面として機能した。プリント機能は、5ミルのライン解像度を可能にした。
少なくとも450℃までの上昇した温度で機能し、1000g’sより高い遠心負荷に耐える電子パッケージのために、特別な要件がPCボード42に構成要素を取り付けることに関して満たされる必要がある。全ての接着は、はんだの適切なリフローを確実にするために真空オーブンで実行される。発明者は、はんだづけされている構成要素が僅かな質量を有する時に直面しうる主な問題を理解していた。構成要素の質量がかなり小さい場合、ビードアップ(bead up)するに従って液体合金の表面張力を破壊できないことがあり、構成要素部分は、はんだの外へ押されて別の位置に滑ることがあり、またはずれることがある(“ツームストーニング(tomb stoning)”と呼ばれる)。
ワイヤ接着は、多くの電気的用途で使用される標準的な方法であるが、高温環境の一方でそのような高いせん断力(sheer force)(即ち、g負荷)を受けさせる環境で採用されるべきことが発明者によって知られていない。ここで図6Aおよび6Bを参照すると、半導体技術で一般に使用されるワイヤボンディング技術が示される。図6Aは、ボンディングワイヤの各端のフットおよびヒールを示し、図6Bは、用語“ループ高さ(loop height)”および“ボンド長さ(bond length)”を示す。図7は、典型的なワイヤボンディングのg力分析を示す斜視図であり、g力は、4つの異なる方向から適用される。先ず、Xおよび−X方向として表示されるワイヤ接着にわたる逆方向に(即ち、ワイヤに平行な方向に)2つの考えられる力があり、次いでZおよび−Z方向として表示されるワイヤ接着に対して逆方向に(即ち、ワイヤに垂直な方向に)2つの考えられる力がある。図8は、これら様々な方向で想定されるg力の応力の下で、ワイヤの変形を示すワイヤボンディングの図を示す。PCボードへ集積回路を接続するために使用される相互接続技術は、任意の電子デバイスに必須の構成要素である。
ここで図9を参照すると、本明細書で使用される増幅回路に関する固有のバイアス回路を示す例示的な概略図が示される。バイアス回路の機能は、適当な動作領域にJFETを設置することである。JFETに関して、動作の位置は、JFETが小さい抵抗として作用する抵抗領域内、またはJFETが電圧制御電流源として作用する飽和領域内の様々な点にすることができる。異なるバイアス点は、たとえ同じ領域内の異なる点でも異なるJFETの作用をもたらす。JFETが25℃から500℃の温度範囲にわたり動作する時、多くのJFETの特性が変化する。ここで特に注目すべき事項は、デバイスが低温よりも高温で低い利得を示すという事実である。もう1つの重要な変化は、温度にわたるJFETの特性であり、それは、上昇温度にわたるJFET閾電圧の下方(負への)シフトであって、図9Bで実証されている。
102 差動増幅器
103 AC増幅器
104 電圧制御発振器
105 バッファ
Claims (25)
- タービンエンジンの高温環境で動作するよう適合された回路であって、
構成要素のパラメータを検知し、前記検知されたパラメータを示す電圧を提供するために、前記タービンエンジンの前記構成要素上に配設される検知要素と、
前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信するために、前記検知要素に接続された入力端子を有する差動増幅器であって、前記差動増幅器は、電圧源および半導体スイッチの各1つの各ゲート端子間に接続された抵抗の正の温度係数を有する第1の抵抗要素と、各ゲート端子および電気接地間に接続された抵抗のゼロ温度係数を有する第2の抵抗要素と、を含む各ゲートバイアスネットワークを各々有する第1のペアの半導体スイッチを含み、各々の各ゲートバイアスネットワークは、温度が増加する時、半導体スイッチの各ゲート端子における各バイアス電圧が減少するように配置される、差動増幅器と、
前記差動増幅器にAC結合されたハイブリッド負荷回路であって、前記差動増幅器および前記ハイブリッド負荷回路は、前記タービンエンジンの前記高温環境で配設される、ハイブリッド負荷回路と、
を含むことを特徴とする回路。 - 前記ハイブリッド負荷回路は、第2のペアの半導体スイッチを含み、前記ハイブリッド負荷回路はまた、前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信する、前記第1のペアの半導体スイッチのスイッチのドレイン端子に対してAC信号成分への経路を提供するよう配置された抵抗容量回路を含むことを特徴とする請求項1に記載の回路。
- 前記抵抗容量回路は、前記第2のペアの半導体スイッチの前記各ゲート端子に並行回路で接続されたノードに接続され、前記抵抗容量回路の抵抗は、前記ノードに接続された第1のリードと、電気接地された第2のリードとを有し、前記抵抗容量回路のキャパシタは、前記ノードに接続された第1のリードと、前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信する、前記第1のペアの半導体スイッチの前記スイッチの前記ドレイン端子に接続された第2のリードとを有することを特徴とする請求項2に記載の回路。
- 前記ハイブリッド負荷回路はまた、前記第2のペアの半導体スイッチのうち1つのスイッチのソース端子から前記第1のペアの半導体スイッチのうち1つのスイッチのドレイン端子に接続された第1の抵抗と、前記第2のペアの半導体スイッチのうちもう1つのスイッチのソース端子から前記第1のペアの半導体スイッチのうちもう1つのスイッチのドレイン端子に接続された第2の抵抗とを含むことを特徴とする請求項2に記載の回路。
- 前記各第1および第2の抵抗は各々、前記差動増幅器の利得が温度変化の発生にもかかわらず一定のままであるように、抵抗の正の温度係数を含むことを特徴とする請求項4に記載の回路。
- 前記差動増幅器は、1段式差動増幅器を含むことを特徴とする請求項1に記載の回路。
- 前記各第1および第2のペアの半導体スイッチは、nチャネル接合電界効果トランジスタ(JFET)スイッチを含むことを特徴とする請求項2に記載の回路。
- 前記各第1および第2のペアの半導体スイッチは、各高温広バンドギャップ材料を含むことを特徴とする請求項2に記載の回路。
- 前記高温広バンドギャップ材料は、SiC、AlN、GaN、AlGaN、GaAs、GaP、lnP、AlGaAs、AlGaP、AllnGaP、およびGaAsAlNからなるグループから選択されることを特徴とする請求項8に記載の回路。
- 検知回路は、前記構成要素の歪みを検知するために歪みゲージを含み、前記電圧は、前記構成要素の前記検知された歪みを示すことを特徴とする請求項1に記載の回路。
- 請求項1の前記回路を含むことを特徴とするテレメトリシステム。
- 高温環境で動作するよう適合された回路であって、
前記高温環境で構成要素の検知されたパラメータを示す電圧を受信するために接続された入力端子を有する差動増幅器と、
前記差動増幅器にAC結合されたハイブリッド負荷回路と、
前記差動増幅器に電力供給するために接続された電圧調整回路であって、前記差動増幅器、前記ハイブリッド負荷回路、および前記電圧調整回路は、高温環境で配設される、電圧調整回路と、
を含み、
前記電圧調整回路は、
第1の半導体スイッチと、前記第1の半導体スイッチのゲート端子およびソース端子間に接続された第1の抵抗とを少なくとも含む定電流源であって、前記定電流源はまた、前記電圧調整回路によって調整されるべき入力電圧を受信するよう構成されたカスケード入力段を含む、定電流源と、
前記第1の半導体スイッチの前記ゲート端子に接続された第1のリードおよび前記電圧調整回路の出力ノードに接続された第2のリードを有する第2の抵抗であって、前記定電流源は、前記第2の抵抗にわたり参照電圧を提供するよう接続される、第2の抵抗と、
第2の半導体スイッチと、前記第2の半導体スイッチのソース端子および前記出力ノード間に接続された第3の抵抗とを含むソースフォロア出力段と、
を含むことを特徴とする回路。 - 前記第2の半導体スイッチの前記ソース端子は、前記電圧調整回路の第1の調整出力電圧を供給することを特徴とする請求項12に記載の回路。
- 前記出力ノードは、前記電圧調整回路の第2の調整出力電圧を供給し、前記第2の調整出力電圧は、第1の調整出力電圧の極性に対して異なる極性を含むことを特徴とする請求項12に記載の回路。
- 前記定電流源はまた、前記電圧調整回路によって調整されるべき入力電圧を受信するために接続されたドレイン端子を有する第3の半導体スイッチを含む入力段を含むことを特徴とする請求項12に記載の回路。
- 前記第3の半導体スイッチのゲート端子に接続された電圧分配ノードを有する電圧分配ネットワークをさらに含み、前記電圧分配ネットワークは、前記電圧分配ノードおよび前記第3の半導体スイッチのドレイン間に接続された第1の抵抗と、前記電圧分配ノードおよび前記第2の半導体スイッチのソース間に接続された第2の抵抗とを含むことを特徴とする請求項15に記載の回路。
- 前記定電流源の前記入力段はまた、前記第1および第3の半導体スイッチ間に直列回路で接続された第4の半導体スイッチを含み、前記第4の半導体スイッチは、前記第3の半導体スイッチのソース端子に接続されたドレイン端子と、前記第1の半導体スイッチのドレイン端子に接続されたソース端子と、前記第1の半導体スイッチの前記ソース端子に接続されたゲート端子とを有することを特徴とする請求項15に記載の回路。
- 前記差動増幅器は、電圧源および半導体スイッチの各1つの各ゲート端子間に接続された抵抗の正の温度係数を有する第1の抵抗要素と、前記各ゲート端子および電気接地間に接続された抵抗のゼロ温度係数を有する第2の抵抗要素とを含む各ゲートバイアスネットワークを各々有する第1のペアの半導体スイッチを含み、各々の各ゲートバイアスネットワークは、温度が増加する時、半導体スイッチの各ゲート端子における各バイアス電圧が減少するように配置されることを特徴とする請求項12に記載の回路。
- 前記ハイブリッド負荷回路は、第2のペアの半導体スイッチを含み、前記ハイブリッド負荷回路はまた、前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信する、前記第1のペアの半導体スイッチのスイッチのドレイン端子に対してAC信号成分への経路を提供するために配置された抵抗容量回路を含むことを特徴とする請求項18に記載の回路。
- 前記抵抗容量回路は、前記第2のペアの半導体スイッチの前記各ゲート端子に並列回路で接続されたノードに接続され、前記抵抗容量回路の抵抗は、前記ノードに接続された第1のリードと、電気接地された第2のリードとを有し、前記抵抗容量回路のキャパシタは、前記ノードに接続された第1のリードと、前記検知されたパラメータを示す前記電圧を受信する、前記第1のペアの半導体スイッチのスイッチの前記ドレイン端子に接続された第2のリードとを有することを特徴とする請求項19に記載の回路。
- 前記ハイブリッド負荷回路はまた、前記第2のペアの半導体スイッチのうち1つのスイッチのソース端子から前記第1のペアの半導体スイッチのうち1つのスイッチのドレイン端子に接続された第1の抵抗と、前記第2のペアの半導体スイッチのうちもう1つのスイッチのソース端子から前記第1のペアの半導体スイッチのうちもう1つのスイッチのドレイン端子に接続された第2の抵抗とを含むことを特徴とする請求項19に記載の回路。
- 前記各第1および第2の抵抗は各々、前記差動増幅器の利得が温度変化の発生にもかかわらず一定のままであるように、抵抗の正の温度係数を含むことを特徴とする請求項21に記載の回路。
- 前記差動増幅器および前記電圧調整回路の前記半導体スイッチの各々は、nチャネル接合電界効果トランジスタ(JFET)スイッチを含むことを特徴とする請求項18に記載の回路。
- 請求項12の前記回路を含むことを特徴とするテレメトリシステム。
- タービンエンジンの高温環境で動作するよう適合された回路であって、
前記タービンエンジンの構成要素に関する検知されたパラメータを示す電圧を受信するために接続された入力端子を有する差動増幅器であって、前記差動増幅器は、電圧源および半導体スイッチの各1つの各ゲート端子間に接続された抵抗の正の温度係数を有する第1の抵抗要素と、各ゲート端子および電気接地間に接続された抵抗のゼロ温度係数を有する第2の抵抗要素と、を含む各ゲートバイアスネットワークを各々有する第1のペアの半導体スイッチを含み、各々の各ゲートバイアスネットワークは、温度が増加する時、半導体スイッチの各ゲート端子における各バイアス電圧が減少するように配設される、作動増幅器と、
前記差動増幅器にAC結合されたハイブリッド負荷回路と、
前記差動増幅器に電力供給するために接続された電圧調整回路であって、前記差動増幅器、前記ハイブリッド負荷回路、および前記電圧調整回路は、前記タービンエンジンの前記高温環境に配設される、電圧調整回路と、
を含み、
前記電圧調整回路は、
第1の半導体スイッチと、前記第1の半導体スイッチのゲート端子およびソース端子間に接続された第1の抵抗とを少なくとも含む定電流源であって、前記電圧調整回路によって調整されるべき入力電圧を受信するために接続されたカスケード入力段をさらに含む、定電流源と、
前記第1の半導体スイッチの前記ゲート端子に接続された第1のリードと、前記電圧調整回路の出力ノードに接続された第2のリードとを有する第2の抵抗であって、前記定電流源は、前記第2の抵抗にわたり参照電圧を提供するために接続される、第2の抵抗と、
第2の半導体スイッチと、前記出力ノードおよび前記第2の半導体スイッチのソース端子間に接続された第3の抵抗とを含むソースフォロア出力段であって、前記第2の抵抗の前記第1のリードは、前記第2の半導体スイッチのゲート端子に生成された参照電圧を印加するために接続され、前記第2の半導体スイッチの前記ソース端子は、前記電圧調整回路の第1の調整出力電圧を供給し、前記出力ノードは、前記電圧調整回路の第2の調整出力電圧を供給し、前記第2の調整出力電圧は、前記第1の調整出力電圧の極性に対して異なる極性を含む、ソースフォロア出力段と、
を含むことを特徴とする回路。
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