KR101476991B1 - 고온 환경을 위한 무선 원격 계측 회로 패키지 - Google Patents

Abstract

회로 조립체(34)는 이동 부분(20)의 조건에 대해 정보를 수신하고 엔진 외부에 이러한 정보를 전송하기 위해 터빈의 이동 부분(20)에 부착된다. 회로 조립체는 상기 부분에 접착되는 고온 저항성 패키지(34A)를 포함한다. 고온 저항성 PC 보드(42)는 회로의 능동 및 수동 구성요소들 모두를 지지하고, 수동 구성요소들의 제 1 그룹은 제로 온도 계수의 레지스턴스로 제조되고 수동 구성요소들의 제 2 그룹은 포지티브 온도 계수의 레지스턴스로 제조된다. 능동 구성요소들은 고온 금속화에 의해 제조된다. PC 보드에 부착된 커넥터들(40)은 상기 부분 상의 센서들(30) 및 상기 부분의 조건에 대한 데이터를 터빈 외부로 전송하기 위한 안테나(26)와 통신하도록 패키지(34A)의 벽을 관통한다.

Description

고온 환경을 위한 무선 원격 계측 회로 패키지{A WIRELESS TELEMETRY ELECTRONIC CIRCUIT PACKAGE FOR HIGH TEMPERATURE ENVIRONMENTS}

연방 지원 개발에 대한 진술

본 발명에 대한 개발은 표준 기술 국립 연구소에 의해 수여된 계약 번호 70NANB4H3042에 의해 부분적으로 지원되었다. 따라서, 미국 정부는 이 발명의 특정 권리를 가질 수 있다.

본 발명은 일반적으로 무선 원격 계측 전자 회로 패키지(wireless telemetry electronic circuit package)에 관한 것이며 특히 300 ℃를 넘는 고온 환경에서 작동할 수 있고 적어도 1000g's까지 힘을 견딜 수 있는 패키지에 관한 것이다.

작동 가스 터빈 엔진 내부 온도는 매우 높아서, 종종 450 ℃를 초과하는 수준이다. 터빈 날개와 같은 구성요소들의 내부 온도를 모니터링하거나, 작동 동안 이러한 구성요소들 상에 위치된 스트레스들을 모니터링하는 것이 바람직하다면, 특별한 감지, 증폭 및 전송 회로가 요구된다. 이 문제에 대한 효과적인 해결책은 발명이 명칭이 "작동 환경에서 사용하기 위한 스마트 구성요소(SMART COMPONENT FOR USE IN AN OPERATING ENVIRONMENT)"인 공개된 미국 특허 출원 공개 번호 2005/0198967 A1; 또는 발명의 명칭이 "내연기관용 기구 구성요소(INSTRUMENTED COMPONENT FOR COMBUSTION TURBINE ENGINE)"인 미국 출원 번호 11/936,936호 및 발명의 명칭이 "무선 원격 계측용 기구 구성요소(INSTRUMENTED COMPONENT FOR WIRELESS TELEMETRY)"인 11/521,193호에 개시된, 무선 원격 계측(wireless telemetry)의 사용이다.

이러한 위에서 인용된 특허 출원에서, 무선 원격 계측을 사용하는 반적인 개념이 공개된다. 본 특허 출원은 이러한 기술을 실행할 때 발생하는 특정 문제들을 해결한다.

고온을 견딜 수 있는 무선 원격 계측 회로 보드들 및 구성요소들은 내연 가스 터빈 엔진들에서 경험된 것들과 같은 고온 환경들에서의 고정 및 이동 구성요소들로부터 데이터의 추출을 가능하게 할 수 있다. 전자 회로는 오일 및 가스 산업에서 사용되는 공업용 가스 터빈, 항공기 엔진 및 터빈과 같은 터빈 엔진들의 작동 동안 구성요소 상태들(conditions)을 실시간 모니터링하기 위한 가능성을 제공한다. 터빈의 구성 요소들의 상태를 아는 것은 내연기관 파라미터들에 기초하여 터빈 작동을 최적화하는 것 및 상태-기반 유지 보수를 가능하게 하는 것을 포함하여 많은 이점들을 제공한다. 고급 터빈 엔진들의 운영 비용에서 상당한 절감은 모니터링 장치들의 사용에 의해 실현될 수 있다. 구성요소들에 대한 센서들을 모니터링하는 것, 라우터들에 대한 리드 와이어들을 운영하는 것 및 터빈에서 장거리로 모니터링 위치에 큰 묶음의 리드 와이어들을 가져가는 것을 포함한다. 프로세스는 느리고, 노동 집약적고, 고가이며 모든 리드 와이어들의 포함을 허용하기 위해 터빈의 구성요소들 중 다수의 수정을 필요로 한다.

이러한 센서 시스템으로부터 데이터를 추출하는 이점을 실현하기 위해, 뜨거운 구성요소의 가장 차가운 지역에 데이터 전송기를 삽입시키는 것이 요구될 수 있다. 이것은 터빈 엔진의 유동 경로에 있는 날개의 루트에서와 같이 300 ℃를 초과하는 온도들에서 작용하는 무선 원격 계측 시스템에 대한 필요성이 발생할 수 있다. 실리콘 또는 고온 실리콘-온-인슐레이터(HTSOI) 능동 구성요소들을 사용하는 기술 분야의 현재 상태의 회로들이 이러한 고온에서 작동이 가능하지 않다. 이러한 무선 원격 계측 회로 보드는 패키지, 보드, 실행들, 수동 소자들, 능동 소자들 및 300 ℃를 초과하는 온도에서 작동할 수 있는 연결을 필요로 한다.

본 발명은 도면의 관점에서 다음과 같이 상세한 설명에서 설명된다.

도 1은 원격 계측 회로 보드를 포함하는 전자회로의 접착을 도시한 예시적 터빈 날개의 부분 사시도이다.
도 2는 도 1의 전송기 조립체의 엘리먼트들을 도시한 확대 사시도이다.
도 3은 도2의 전송기 조립체 하우징에 포함된 고온 전자 패키지 내에 엘리먼트들을 도시한 확대도이다.
도 4A는 조립 작업 동안 회로 보드들을 고정하기 위한 전달 플레이트의 평면도 및 측면도이다.
도 4B는 조립 작업 동안 제 위치에(in place) 구성요소들을 고정시키기 위해 도 4A의 전달 플레이트에 의해 사용될 정렬 플레이트들의 평면도이다.
도 5A, 5B 및 도 5C는 도 4A 및 4B의 전달 플레이트 및 정렬 플레이트를 사용하는 조립 프로세스의 사시도이다.
도 6A 및 6B는 반도체 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 와이어 본딩 기술들의 도면이다.
도 7은 전형적인 와이어 본딩의 g-포스 분석(g-force analysis)의 사시도이다.
도 8은 시뮬레이션된 g-포스 스트레인 하에 와이어 본딩의 다양한 조건들을 도시한다.
도 9A는 여기에 사용되는 증폭기 회로들에 대한 독창적인 회로 바이어싱을 도시한 예시적 개략도이다.
도 9B는 다양한 온도들 항에서 도 9A의 증폭기의 AC 출력 전압 대 바이어스 전압을 도시한 차트이다.
도 10은 스트레인 게이지 회로의 블록 다이어그램이다.
도 11은 열전쌍 회로의 블록도이다.
도 12는 스트레인 게이지의 출력 신호를 증폭을 위한 회로의 개략도이다.
도 13은 증폭된 출력 신호로 전송기의 국부 온도를 열전쌍 출력을 확장하고 삽입 송신기의 로컬 온도를 증폭 출력 신호에 대한 회로의 개략도이다.
도 14는 파워 컨디셔닝 회로의 개략도이다. 도 15는 콜피츠 오실레이터(Colpitts oscillator)를 포함하는 FM 전송기의 개략도이다.
도 16은 대표적인 열전쌍의 다이어그램이다.
도 17은 실온에서 열전쌍 회로에 대한 사각파 발생기의 출력을 도시한 파형 다이어그램이다.
도 18 고온 열전쌍 회로의 사각파 발생기의 출력을 보여주는 파형 다이어그램이다.
도 19는 온도가 증가함에 따라 열전쌍의 출력 전압을 도시한 파형 다이어그램이다.
도 20은 열전쌍와 사각파 발생기의 결합 출력되는 쵸퍼의 출력을 보여주는 파형 다이어그램이다.

여기에 설명된 실시예들은 주위로부터 300 ℃보다 크게 범위를 갖고, 및 적어도 450 ℃까지 온도를 포함하는 온도를 갖는 가스 터빈의 지역으로부터 전자 회로의 사용에 의해 무선 원격 계측을 통한 데이터의 전송을 가능하게 한다. 회로 및 패키지의 엘리멘트들의 모두는 따라서 300 ℃보다 큰 온도에서 작동할 수 있는 소재로부터 제조되어야 한다. 기술 분야의 고온 전자 시스템들의 현재 상태는 제어 로직 회로가 실리콘-기반 전자회로, 또는 최대 300 ℃까지 상승된 온도에서 작동할 수 있는 고온 실리콘-온-인슐레이터(HTSOI) 기술을 사용할 만큼 충분히 차가운 지역에 위치되도록 설계된다. 본 기술분야 시스템의 이러한 현재 상태는 300 ℃보다 높은 온도에서, 상대적으로 저온의 지역으로부터 와이어를 통해, 300 ℃보다 높은 온도에서, 뜨거운 지역에 위치된 파워 증폭기 모듈로 보내진다. 파워 증폭 모듈은 SiC, AlN, GaN, AlGaN, GaAS, GaP, InP, AlGaAs, AlGaP, AlInGaP 및 GaAsAlN, 또는 다른 고온 능력 반도체를 포함하는, 약 300 ℃보다 더 높은 온도에서 사용될 수 있는 와이드 밴드 갭 반도체(wide band gap semiconductor) 소재들과 같은 고온 사용을 위해 설계된 반도체들을 채용하는 회로이다. 이러한 타입의 설계 전략은 전체의 전송기 전자 회로가 터빈 날개 상에 위치되어야만 하고, 따라서 300℃를 넘는 온도들에서 작동하기 때문에 가스 터빈 날개와 같은 회전하는 뜨거운 섹션 구성요소 상에 계기류(instrumentation)를 통합하는데 유용하지 않다. 적어도 450 ℃까지의 온도를 포함하여 300 ℃보다 큰 온도에서 센서 신호 획득 및 무선 전송 모두를 가능하게 하는 새로운 전자 회로들이 여기에 개시된다.

따라서 개시된 전자 회로 및 패키지는 고온에서 작동할 수 있는 소재들, 예를 들어 알루미나, 지르코니아, 탄화 규소, 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 등과 같은 온도 가능 에폭시 또는 세라믹 소재들로부터 제조된다. 전도체들은 은 또는 금과 같은 용융없이 고온을 견딜 수 있는 금속들로부터 제조된다. 능동 및 수동 전기 구성요소들은 보드가 작동할 온도 환경 및 전기적 요구사항들에 기초하여 선택되어야 한다. 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 레늄과 같은 시스템들에 기반한 두꺼운 박막 레지스터들과 같은 고온 수동 구성요소들, NPO, COG 및 X7R과 같은 다중층 세라믹 커패시터들이 채용될 수 있다. 적절한 인덕터들이 상업적으로 입수될 수 없다면, 고온 가능 인덕터들이 전자 회로를 지지하는 PC 보드 상에 직접 증착될 필요가 있을 수 있다. 능동 구성 요소들, 즉, 트랜지스터들, 다이오드들 등은 상기 나열된 것들과 같은 고온에서 작동할 수 있는 반도체 소재들로부터 제조될 수 있다. 구성 요소들과 전자 회로 사이의 연결들은 마찬가지로 다이 접착, 와이어 본딩, 또는 임의의 다른 적절한 방법의 형태로 금 또는 알루미늄과 같은 고온 금속들로부터 만들어질 수 있다. 모놀리식(monolithic) 고온 본딩 소재의 한계를 초과하는 경우, 접착은 합금 조성들을 사용하여 수행될 수 있다. 상기 장치들이 접착 동안 노출되는 온도를 경감하기 위해, 공정 합금 조성물(eutectic alloy composition)이 접착을 위해 사용될 수 있고, 이는 열 처리에 의해 후속되어서 더 높은 용융 온도를 갖는 것에 접착 성분을 변화시킨다. 보드상의 모든 소재들은 요구된 작동 온도들에 노출이 보드의 성능을 저하시키는 화학적 상호작용들 또는 조성/구조상 변화들을 야기하지 않도록 선택되어야만 한다. 열전쌍 또는 스트레인 게이지 센서로부터 신호를 전송할 수 있는 전체 회로(complete circuit)는 현재 입수할 수 있거나 개발 중인 고온 수동 및 능동 전자 소재들의 타입들을 사용하는 현재의 개시에 따라 설계되었다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 실시예들은 300℃를 초과하는 온도를 갖는 환경에서 작동하는, 날개의 루트(22) 상에 위치된 특정 전자 구성요소들을 갖는 터빈 엔진 날개(20)와 같은 회전 구성요소로부터 센서 데이터를 전송하는 것을 허용한다. 본 개시를 위해, 추가적인 한정없이 용어 "고온(high temperature)"은 300 ℃를 초과하는 최대 작동온도를 갖는 연소 터빈의 일부내에서와 같이 임의의 작동 환경에 참조될 것이다.

본 발명의 실시예들은 하나 이상의 센서들, 센서들을 적어도 하나의 원격 계측 전송 회로(telemetry transmitter circuit)에 연결하는 리드선들, 적어도 하나의 전송 안테나, 파워 소스 및 적어도 하나의 수신 안테나를 포함할 수 있는 원격 계측 시스템들을 갖춘 연소 터빈에서 사용하기 위한 구성요소들을 제공한다. 도 1은 터빈 날개(20), 무선 원격 계측 전송기 조립체(24) 및 회전 안테나 조립체(26)를 도시한다. 리드 선들 또는 커넥터들(28)이 날개 루트(22) 근처에 장착될 때 센서(30)와 같은 하나 이상의 센서들로부터 계측 전송기 조립체(24)에 연장될 수 있다. 리드선들(28)은 센서(30)로부터 원격 전송기 조립체(24)로 전자 데이터 신호들을 발송할 수 있고, 상기 원격 계측 전송기 조립체에서 상기 신호들이 도 2에 도시된 전자회로 패키지(34) 내에 포함된 회로 보드 상에 형성되는 계측 전송기 회로에 의해 프로세싱된다. 리드 선들 또는 전기 커넥터들(36)은 원격 계측 전송기 회로로부터 회전 안테나 조립체(26)로 전자 데이터 신호들을 발송하기 위해 증착된다(deposited).

도 2는 고온 회로 보드를 포함하고 원격 계측 전송기 조립체(24)의 부분을 형성할 수 있는 고온 전자 회로 패키지(34)를 도시한다. 전자 회로 패키지(34)의 주 본체는 Kovar^® 상표 합금, 철-니켈-코발트의 합금과 같은 저온 팽창 계수를 갖는 합금들로부터 제조될 수 있다. Kovar^® 합금의 열 팽창 계수는 정밀한 조성에 따라 약 4.5 - 6.5×10^-6 범위이다. 터빈 날개(20)와 같은 고온 터빈 구성요소들에 대해 전형적으로 사용된 니켈 기반 합금들은 약 15.9-16.4 × 10^-6/℃의 범위로 열 팽창 계수들을 갖는다. 전자회로 패키지(34)는 도 2에 대해 아래에 도시된 바와 같이 전자회로 패키지(34)와 터빈 날개(20) 사이의 상대적 움직임을 허용하는 동안 제 위치에 고정되게 부착될 수 있다. 이 상대적인 움직임은 이들의 상이한 열 팽창 비율로부터 원인이 될 수 있고, 이는 대기 온도와 날개 루트(22) 근처에서 전형적으로 경험된 300 ℃보다 높은 작동 온도 사이의 열 사이클들의 높은 수 동안 시간이 지남에 따라 발생한다.

도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이 원격 계측 전송기 조립체(24)는 마운팅 블래킷(37) 및 리드 또는 커버 플레이트(38)를 포함할 수 있고 전자회로 패키지(34)가 그 사이에 위치된다. 복수의 연결 핀들(40)은 위에 제조된 무선 원격 계측 회로 패키지(34) 내에 포함된 전자 회로 보드와, 센서들로부터의 리드 선들, 유도 코일 조립체들 또는 데이터 전송 안테나와 같은 다양한 외부 장치들 사이에 연결을 가능하게 한다. 브래켓(37), 커버 플레이트(38) 및 이들을 함께 연결하는 유지 나사들(39)(도 1에 도시)을 장착하는 것은 모두 터빈 날개(20)와 동일한 소재로부터 제조될 수 있다. 이것은 터빈 날개(20)와 장착 브래킷(37) 사이의 열팽창에 차이가 없는 것을 보장한다. 따라서, 어떠한 스트레스들도 열 천이(thermal transients) 동안 장착 브래킷(37) 또는 터빈 날개(20)에 발생되지 않는다.

전자회로 패키지(34)의 열 팽창 계수는 자착 브라켓(37)의 것과 상이할 수 있다. 이러한 구성요소들이 있는 작동 시스템이 고온에 있을 때, 그 안에 포함된 임의의 회로 보드를 포함하여, Kovar^® 합금으로 형성된 전자회로 패키지(34)는 장착 브래킷(37)보다 적게 팽창하고, 이는 시스템에서 진동 에너지에 의해 야기되는 손상을 초래할 수 있다. 브라켓(37)과 전자회로 패키지(34) 사이에 치수 변경 차이(dimensional change differential)를 수용할 수 있도록 브래킷(37) 내에 전자회로 패키지(34)를 고정하기 위해, 세라믹 직조 직물(41)의 레이어가 전자회로 패키지(34)와 장착 브래킷(37)의 내부 표면 사이에 위치될 수 있다. 직물(41)은 탄화 규소, 실리콘 질화물 또는 산화 알루미늄과 같은 섬유들을 포함하는, 적절한 세라믹 섬유로부터 제조될 수 있다. 예를 들어, 3M에 의해 생산된 넥스텔(Nextel TM)의 산화 알루미늄 기반 직물의 수량이 직물(41)용으로 사용될 수 있다.

전자회로 패키지(34) 및 세라믹 섬유 직조 직물(41)이 원격 계측 전송기 조립체(24)를 형성하기 위해 마운팅 브래킷(37) 및 커버 플레이트(38)와 조립되면서, 마운팅 브래킷(37)은 볼트 조이기, 용접, 브레이징(brazing)과 같은 접착을 위한 적절한 수단에 의해 ,또는 과도 액체 상 본딩( transient liquid phase bonding)을 통해 터빈 날개(20)에 접착될 수 있다. 도 1은 밀링되거나 그렇지 않으면 조립체(24)를 수용하기 위해 날개 루트(22) 근처의 터빈 날개(20) 내에 형성될 수 있었을 리세스 또는 플랫 포켓(42)을 도시한다.

커버 플레이트(38)는 커버 플레이트에 구조적 지지체를 추가하기 위해 터빈 날개(20)가 전속력으로 작동할 때 발생하는 g-로드 힘(g-load forces)과 반대 방향인 G-포스의 방향에 수직하게 배향된 플랜지(44)와 형성될 수 있다. 이것은 유지 나사들(39)이 g-포스들을 통해 커버 플레이트(38)에 인가된 로드를 지지하는 것을 경감시키고, 원격 계측 전송기 조립체(24)가 임의의 인접 구성요소들을 간섭하지 않고 상대적으로 작은 리세스(42)에 피팅되도록 나사들이 충분히 작게 만들어지도록 한다. 유지 나사들(39)이 G-포스에 의해 인가된 로드를 지지하도록 요구된다면, 나사들에 요구되는 크기가 너무 커서 이용가능한 공간에 피팅되지 않을 수 있다.

도 1은 회전 안테나 조립체(26)가 단부면 또는 루트(22)의 넥에 부착될 수 있다는 것을 보여준다. 조립체(26)는 그 루트(22)를 포함하는 터빈 날개(20)와 같은 터빈 가열 가스 경로 구성요소들용으로 사용된 니켈-기반 합금들의 것들과 상이한 열팽창 계수들을 갖는 전자회로 조립체일 수 있다. 하나 이상의 회전 안테나 조립체들(26)은 음속으로 또는 그 근처로 터빈 날개(20)의 회전 동안 편류(windage)로부터 보호될 수 있다. 실시예에서, 편류 보호 소재는 소재를 통해 파워 및 데이터의 전송이 가능하도록 RF 방사 주파수들(RF radiation frequencies)로 투과한다. 회전가능한 안테나 조립체(26)의 실시예들은 도 1에 도시된 내구성 있는, 보호 RF 투과 커버(50)를 포함할 수 있고, 이는 본질적으로 데이터 안테나 및 유도 파워 구성요소들이 포함된 본질적으로 중공 정착물이다. RF 투과 커버(50)는 연소 터빈의 작동 동안 편류의 물리적 영향으로부터그 내용물을 보호한다. 특정 세라믹들은 상승된 온도에서 엘리먼트들로부터 RF 전송 장비를 보호하기에 적합하다. 그러나, 많은 세라믹들 및 세라믹 매트릭스 도자기 및 세라믹 복합 재료들은 연소 터빈의 작동 동안 회전 터빈 날개(20)가 경험하는 진동 충격 및 G-로딩 하에서 조각나고 갈라지는 경향이 있다. 본 발명의 발명가들은 RF 투과 커버(50)가 RF 투과, 고인성(high toughness), 구조적 세라믹 소재로부터 제조되도록 결정하였다. 세라믹 복합 재료들(Ceramic matrix composites)은 강화 세라믹으로 알려진 소재 류들로부터 선택된 소재와 마찬가지로 커버(50)를 제조하는데 사용될 수 있다. 탄화 규소, 실리콘 질화물, 지르코니아 및 알루미나와 같은 소재들은 추가 엘리먼트들과 도핑으로 인해 증가된 인성(toughness)에 의해 이용될 수 있거나 특정 프로세싱 접근법에서 유래된 설계 마이크로 구조물들에 의해 이용될 수 있다.

RF 투과성이고, 형성하기 쉬고, 상대적으로 저렴한 하나의 이러한 소재는 일반적으로 지르코니아-알루미나 강화(ZTA)-라고도 지칭되는 세라믹 류에서 선택된 소재이다. 산화 알루미늄 소재의 이러한 류로부터 선택된 세라믹 소재는 통상적인 순수 산화 알루미늄 소재보다 강도 및 인성에서 상당히 높다. 이것은 알루미늄 산화물에 걸쳐 균일하게 미세 지르코늄 산화물 입자들을 혼합하는 것에 의해 달성된 스트레스-유발 변환 강화의 원인이 된다. 일반 지르코늄 산화물 함유는 10 % 내자 20 % 사이이다. 그 결과, ZTA는 통상 순수 알루미늄 산화물 소재에 대해 증가된 구성요소 수명 및 성능을 제공한다.

ZTA의 설계 미세 구조는 세라믹이 압축으로 로딩될 때 균열 방지한다. 그러나, 장력으로 충분히 로딩되면, 세라믹은 전형적인 세라믹 소재들과 같이 격변적으로 부서질 것이다. 따라서, RF 투과 커버(50)는 세라믹 소재에서 인장 스트레스가 연소 터빈의 작동동안 최소화되도록 설계된다. 이것은 (1) ZTA의 모든 코너들, 에지들 및 굴곡부들(bends)이 날까로운 코너들 및 에지들을 제거하도록 기계화되어서 이러한 위치들에서 스트레스 집중 팩터(stress concentration factor)를 감소시키고, 및 (2) 회전 안테나 마운팅 브래킷(51)의 ZTA 구성요소의 배향 및 피팅이 작동동안 ZTA 박스에 인가된 G- 포스가 접착 플랜지들에 상당한 벤딩 스트레스들을 생성하지 않도록 한다. 이것은 G-로드 방향에 수직이라기 보다 오히려, G-로드 방향과 평행하게 플랜지들을 배향하여서, ZTA 플랜지가 압축하여 로딩되고 벤딩되지 않는다.

마운팅 브래킷(51)은 연소 터빈의 작동 동안 안테나 조립체(26)를 회전하는 것에 의해 경험된 모든 G-로딩이 브래킷(51)의 상단 단부 쪽으로 연장하는 방향으로 흡수된다. 장착 브래킷(51)의 어떠한 부분도 RF 전송 데이터 신호를 감쇠시키도록 포함된 안테나를 지나 충분히 멀게 연장되지 않는다. RF 투과 커버(RF transparent cover, 50)는 그 내부의 스트레스 필드가 주로 압축성이도록 제자리에 고정되고 플랜지 상의 반원 디벗(semicircular divots)을 통해 나사 핀들(threaded pins)(미도시)를 사용하여 유지될 수 있다.

마운팅 브래킷(51)은 용접, 브레이징, 본딩, 볼트 조임 또는 나사 조임과 같은 통상적인 수단을 통해 터빈 날개(22)의 면에 접착될 수 있다. 회전 안테나 조립체(26)의 실시예는 세라믹 충진 소재(ceramic potting material)로 안테나를 포함하는 커버(50)의 중공 본체 내로 목표된 안테나를 위치시켜서 조립될 수 될 수 있다. 안테나를 포함하는 충진된 RF 투과 커버(50)는 이후 터빈 날개 루트(22)에 이전에 부착될 수 있었던 마운팅 브래킷(51) 내로 슬라이딩될 수 있다. 커버(50)는 마운팅 브래킷(51) 및 커버(50)의 디벗들에 삽입된 핀들을 통해 마운팅 브래킷(51)에 고정될 수 있다.

도 3을 참조하면 도 2의 하우징(24) 내에 포함된 고온 전자회로 패키지(34) 내의 엘리먼트들을 도시한 확대도가 도시된다. 패키지 하단 캐비티(34A)는 단부로부터 연장된 전기 연결 핀들(40)을 포함하고, 그 커넥터는 패키지(34) 내부의 전자회로와 외부 센서들, 소스들 및 안테나들 사이의 통신을 가능하게 한다. 적어도 450 ℃까지의 고온에서 기능하기 위해, 패키지는 전자 회로 및 그 기판, 이후부터는 PC 보드(42)를 포함하도록 설계되고 크기화되어야 한다. 패키지는 상기 온도 및 원심 로딩 요구 사항들(centrifugal loading)을 견딜 수 있도록 하고 기판 상의 회로를 보호하여야 한다. 따라서 패키지(34)는 금 도금 Kovar^® 합금으로 만들어지고 전기 연결 핀들(40)은 금으로 만들어진다. 패키지(34) 상에 금 도금은 상승된 온도에서 발생할 수 있는 Kovar^®의 산화를 방지한다. 커넥터들(40)은 개별 절연 슬리브들(미도시)에 의해 패키지로부터 절연된다. 핀들(40)의 쌍은 센서(30)와 통신하는 전기 커넥터들(28)에 연결된다. 제 2의 핀은 핀들(4, 5, 6 및 7)이 파워의 소스(포지티브 및 네거티브 ac에 대해 2개 각각)에 연결되는 동안, 접지 전위(ground potential)에 연결된다. 마지막 핀은 안테나(26)에 전송기 출력(데이터)를 연결하기 위해 사용된다.

PC 보드들

바람직하게 PC 보드(42) 또는 기판은 알루미나, 지르코니아, 탄화 규소, 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물과 같은 세라믹 재료 또는 고온 가능 에폭시와 같이, 고온에서 작동할 수 있는 소재로 제조된다. 회로 실행들(또는 "인쇄 회로들")은 바람직하게 은 또는 금과 같이 고온에서 작동하는 금속들로부터 제조된다. 발명자들은 PC 보드(42)의 일 실시예를 제조하기 위해 알루미나 기판들을 사용하는 두꺼운 박막 프로세스를 선택하였다. 알루미나 기판은 두꺼운 박막 금 페이스트(gold paste)에 의해 금속화된다. 이들 기판들은 고온에서 매우 잘 수행되었고 (하기에 설명된) 다이 부착 프로세스(die attach process)와 매우 양립가능하였다. 듀폰(Dupont) QG(150) 브랜드 금 페이스트이 금속화로서 선택되었다. 이 페이스트는 유리 산화물 바인더를 갖는 고밀도 금 가루를 포함한다. PC 보드는 10 내지 100 mils 두께의 알루미나로 형성될 수 있다. 최종 기판들은 20 mils 두께로 측정되는 96 % 알루미나 기판들을 포함한다. 고밀도 금 페이스트는 전도성 레이어로서 사용되었고, 또한 납땜될 수 있고 그에 와이어 본딩될 수 있는 표면으로서 작용되었다. 인쇄 능력은 5 mils의 라인 해상도(line resolution)를 허용했다.

PC의 보드(42)는 위에서 설명된 대로 다음의 프로세스에 의해 조립된다. 기판들은 두꺼운 박막 스크린 인쇄 프로세스를 활용하여 준비된다. 특정 스크린 프린터는 패턴화된 스테인리스 스틸 미세 메쉬 스크린과 관련되어 사용된다. 금 페이스트는 알루미나(Al₂O₃) 기판 상에 인쇄된다. 인쇄 후에, 상기 페이스트는 상기 페이스트의 용제를 "베이크 아웃(bake out)"하기 위해 150℃로 오븐에서 건조된다. 다음으로, 기판들은 용광로에 배치하고 850 ℃로 불에 구워진다(fired). 이러한 프로세스 동안, 페이스트 안의 유리/산화물 바인더들은 소결 페이스트(sintered paste)와 알루미나 기판 사이에 강한 본딩을 형성한다. 다중 인쇄는 다중 파이어링 단계들(multiple firing steps)을 요한다. 일 실시예에 따라, 2개의 프린팅/파이어링 사이클들(상단 및 하단 측면 금속화)이 채용된다.

다이싱 쏘(dicing saw)에 의해 적절한 치수로 절단된다. 상단 인쇄는 그 위에 형성된 회로 패턴을 갖는 반면, 하단 인쇄는 인쇄적성(printability) 제한사항들로 인해 "메쉬(meshed)"되었던 금속 평면이다. 후방 금속 평면은 야금 본딩 프로세스들(metallurgical bonding processes)이 그 위에서 수행되도록 허용할 것이다.

일단 PC의 보드(42)가 완성되고 구성요소들이 이에 부착(이하 설명)되면, 이후 PC의 보드는 캐비티(34A) 내로 위치되고 12 캐럿 금 와이어(44A, 44B)가 PC 보드를 제자리에 고정하도록 리테이너를 형성하기 위해 PC 보드 및 캐비티에 레이저 용접된다. 패키지 내로 기판을 기계적으로 홀딩하는 것은 패키지 및 그 내용물들 상에 가해진 높은 g-포스들로 인해 가장 중요하다. 리테이너는 그 패키지의 20 % 이내 열팽창 계수를 갖는 소재로 형성되어서 그 사이의 시차 열 증가(differential thermal growth)를 최소화할 수 있다. 패키지(34)로 필러 물질(filler material)을 추가하는 것 및 PC 및 회로 구성요소들 위에 이를 확산하여서 작동 동안 그 위치를 안정화하는 것에 조력하는 것이 실행가능하다. 그러나, 사용된 임의의 필러는 구성요소들의 임의의 팽창 또는 수축을 허용해야만 하며 온도 사이클들 동안 이들의 와이어 연결을 허용해야 한다. 마지막으로, 덮개(34B)는 캐비티(34A)의 상단에 고정된다. 일 실시예에 따라, Kapton 브랜드 폴리이미드 절연 테이프(Kapton brand polyimide insulating tape)는 압축에 의해 기계적으로 고정될 때까지 덮개(34B)를 제자리에 홀딩하는데 사용되었다. 덮개(34B)를 고정하기 위한 다른 실시예는 패키지 캐비티(34A)에 이를 용접하는 것이다.

더 자세히 설명하면, PC 보드(42)에 대한 2 개의 상이한 회로 레이아웃 패턴들이 사용될 수 있다. 제 1 패턴은 터빈의 선택된 구성요소의 온도의 변화들을 감지하는 회로를 위해 설계되고, 여기서 센서(30)는 열전쌍이다. 구성요소 온도를 나타내는 신호는 상기 회로에 의해 증폭되고 프로세싱되며, 이후 FM 전송기를 통해 전송되고 및 안테나(26)와 같은 안테나를 통해 방송(broadcast)된다. 이러한 타입의 회로는 온도를 측정하는 센서들을 위해서가 아니라, 정적 스트레인, 전도성 트레이스 또는 화학 센서들과 같이 직류(D/C) 출력 신호도 응답으로서 생성하는 센서들을 위해 사용될 수 있다. 제 2 패턴은 터빈의 선택된 구성요소 상에 발생하는 동적 스트레인을 감지하는 회로에 대해 설계되고, 여기서 센서(30)는 스트레인 게이지이다. 선택된 구성요소 상에 발생하는 동적 스트레인을 나타내는 신호는 회로에 의해 증폭되고 프로세싱되고, 이후 분리된 FM 전송기를 통해 전송되고 및 안테나(26)와 같은 안테나를 통해 방송된다. 이러한 타입의 회로는 동적 스트레인을 측정하는 센서들을 위해서가 아니라 가속도계들 또는 전자기파 방출 검출기들과 같이 응답으로서 교류(AC) 출력 신호도 생성하기 위해 사용될 수 있다. 대안적인 실시예는 수신된 신호를 2개의 개별 데이터 신호들로 디코딩하도록 구성된 단일 FM 수신기에 전송을 위한 다중 신호들을 다중 전송하는 단일 FM 전송기를 사용한다. 도 3에 도시된 바와 같이, PC 보드(42)는 도면으로 부분 완성되고 일반적으로 열전쌍 회로를 나타낸다. 양쪽 회로들은 FM 전송기의 콜피츠 오실레이터(Colpitts oscillator)에 대한 탱크 회로의 일부인 오픈 에어 코어 와이어 인턱터 코일(open air core wire inductor coil, L1)을 포함한다. 코일(L1)의 품질 팩터(Q)는 회로의 작동 온도 및 작동 주파수에서 적어도 5일 수 있다. 스퍼터링 금 또는 은 페이스트 물질은 코일을 형성하도록 사용될 수 있고; 그러나 이러한 페이스트들은 전형적으로 낮은 Q 값을 갖는다. 본 발명의 발명자들은 인턱터 코일을 형성하기 위해 금 또는 은 와이어를 성공적으로 활용하였다. 금속 와이어 에어 코어 전도체는 높은 주파수에서 전기 단락(electrical shorts)을 방지하기 위해 그 길이를 따라 포팅될(potted) 수 있다. 절연 테이프는전기 단락을 방지하도록 자체로 교차하는 포팅된 와이어(potted wire) 상에 래핑될(wrapped) 수 있다. 대안적으로, 금속 와이어는 전기 단락을 방지하기 위해 그 크로스오버 포인트들에서 브리징으로 형성될 수 있다. 그러한 코일의 기계적 강도 및 안정성을 증가시키기 위해, 임의의 그러한 포팅 물질이 코일의 Q 팩터에 필수적으로 영향을 미칠지라도 포팅 물질(potting material)은 와이어 주위에 위치될 수 있다. 일 실시예에서, (Ceramabond^® 브랜드 세라믹 시멘트와 같은) 세라믹 알루미나 페이스트 서스팬젼(ceramic alumina paste suspension)에 의해 포팅된 골드 와이어는 가스 터빈 작동 온도들 및 G 포스들에서 목표된 정도의 구조적 안정성을 제공하였고 5보다 더 큰 Q 팩터를 제공하였다. 이러한 알루미나-기반 포팅(alumina-based potting)은 또한 코일에 대해 전기 절연체로서 작용하고, 따라서 아무런 개별 전기 절연이 와이어 자체 주위에 요구되지 않는다.

다이/구성요소 접착(Die/Component Attachment)

전자 패키지가 적어도 450 ℃까지 상승된 온도들에서 기능하고 1000g's보다 큰 원심 로드를 견디도록 하기 위해, 특정 요구사항들이 구성요소들을 PC 보드(42)에 접착하기 위해 충족되어야 된다. 모든 본딩(bonds)은 납땜(solder)의 적절한 재유동의 보장을 위해 진공 오븐에서 수행된다. 발명자들은 납땜되는 구성요소들이 사소한 질량을 갖을 때 발생할 수 있는 주요 문제들을 이해하였다. 구성 요소의 질량이 매우 작으면, 구슬 모양으로 되게(beads up) 하기 때문에, 액체 합금의 표면 장력을 깨뜨리지 못할 수 있고, 그리고 구성요소 부분은 밀어서 납땜에서 떨어져서 다른 위치에 슬라이딩될 수 있거나, 또는 ("비석화(tomb stoning)"로 지칭되는) 각으로 기울어질 수 있다.

이러한 문제를 극복하기 위해, 본 발명자들은 진공 오븐의 가열된 고정물에 피팅되는 전달 플레이트 및 구성요소 정렬 템플릿들을 활용하는 접근법을 발전시켰다. 전달 플레이트(60)는 도 4A에서 평면도 및 입면도로 도시되고 한 쌍의 구성요소 정렬 플레이트들(61 및 62)이 또한 평면도로 도 4B에 도시된다. 도 4A는 도 3에 도시된 PC 보드(42)를 조립하는데 있어서 사용되는 전달 플레이트(60)의 평면도 및 단면도들이다. 플레이트는 흑연으로 구성되며 조립 작동 동안 PC 보드에 접착되어질 구성요소들을 정렬하기 위해 기판(PC 보드) 및 정렬 플레이트들(60, 61)의 수용하도록 크기화되고 형상화된다. 정렬 플레이트들(60, 61)은 고온을 견딜 수 있어야만하고, 납땜에 저항성이 있고 비활성이어야만 하며, 구성요소들에 대한 고도의 정확한 컷아웃(cutouts)을 한정할 수 있어야만 한다. 따라서, 합금(316) 스테인리스 스틸은 이러한 플레이트들을 제조하는데 사용될 수 있다. 컷아웃들의 작은 크기 및 높은 정밀도에 대한 필요로 인해, 레이저 커팅이 제조를 위해 사용될 수 있다.

다음 관심사는 PC 보드(42)에 구성요소들을 접착하기 위한 땜납의 배합이다. 소재는 다이 금속화(Au 얇은 박막) 및 기판 금속화(Au 두꺼운 박막)과 융화되어야(compatible) 한다.

2 개의 젖은 표면들 사이에 고온 필러 금속의 용융을 포함하는 상대적으로 간단한 프로세스(straightforward process)인 브레이징(Brazing)은 3 개의 주요 팩터들로 인해 본 어플리케이션에 대한 최상보다 적다는 것이 발견되었다: (1) 대부분의 브레이즈들(brazes)은 700 ℃ 위의 액상선 온도(liquidus temperature)를 갖고; (2) 많은 브레이징 합금들은 공융되지(eutectic) 않고 프로세싱을 복잡하게 할 수 있는 매우 큰 플라스틱 지역을 가지며; 및, (3) 대부분의 브레이즈들은 금 표면들과 융화되지 않는다.

발명자들은 또한 과도 액상(TLP) 본딩이 최상(optimal)보다 적다는 것을 발견하였다. 이러한 프로세스에서, 낮은 용융점 합금은 2개의 융화성 표면 사이에서 액화된다. 합금이 접합 표면(faying surfaces)들 사이의 갭에 충진됨에 따라, 이것은 융화가능한 금속들(compatible metals)을 "용해(dissolve)" 또는 "걸러내(leach)" 버리도록 작용한다. 이러한 작업은 합금의 성분을 변화시키고, 이를 통해 필퍼의 용융점을 시프팅하고, 고결화(solidification) 및 극도로 높은 품질 본딩을 가져온다. 이러한 프로세스의 주요 요구사항은 녹은 합금 레이어가 극도로 얇은 반면 본딩되고 있는 표면들이 두껍다는 것이다. 이러한 프로세스가 판금된 얇은 박막(20 미크론 두께) 및 두꺼운 박막(25 미크론 두께) 기판들에 인가될 때, 발명자들은 허용 요구사항들을 통과하는 않은 많은 결과로서 매우 큰 불일치를 발견하였다.

발명자들은 순수한 골드를 활용하는 고체 상태 확산 프로세스가 본 발명의 어플리케이션에 대해 유용하다는 것을 발견하였다. 이러한 프로세스에서, 액체가 아닌 금속이 활용된다. 대신, 금의 급속 확산 자체 속성이 2개의 순금 표면들 사이의 매우 높은 품질 본딩을 생성하는데 사용된다. 고체 상태 확산(solid state diffusion)이 아무런 필러 물질없이 수행될 수 있는 반면, 대향 표면을 함께 압축하여 적절한 접촉 면적을 얻는 것은 매우 높은 압력을 필요로 한다. 이러한 압력 대신, 발명자들은 본딩 표면들 사이의 갭에 채울 금 필러 물질을 선택하였다. 금박(gold foil) 및 분말 양쪽이 조사되었고, 갭들에 채우는 능력 및 소결(Sintering)로 인한 가열하에서 고체의, 균질 층을 형성하는 능력으로 인해, 분말이 더 나은 옵션임을 입증하였다. 소결은 고체 매트릭스(solid matrix) 내로 2 개의 작은 입자들을 함께 결합하기 위해 확산(diffusion)을 활용하는 프로세스이다. 이것은 일반적으로 확산의 속도를 높이기 위해 상승된 온도에서 수행된다. 고체 상태 확산 프로세스가 금 분말에 의해 수행될 수 있는 동안, 금 페이스트가 이러한 어플리케이션에서 사용하기 더 용이하다 것이 또한 발견되었다. 페이스트는 분배(dispensing), 스탬핑(stamping), 및 스크린 인쇄를 포함하여 다수의 방법들에 의해 적용될 수 있다. 금 페이스트 및 금 분말 사이의 큰 차이는 분말이 쉽게 적용될 수 있도록 전달 매체로 작용하는 (중합체, 테르피네올(terpineol), 또는 글리콜 에테르와 같은) 유기 용제(organic vehicle), 및 본딩이 목표될 때까지 분말들을 분리하도록 작용하는 계면활성제(surfactants) 모두를 갖는다는 것이다.

다수의 두꺼운 금 박막 페이스트가 사용하기 위해 선택되었다. 페이스트가 순금 레이어에 아무 부착도 제공하지 않을 다른 첨가제들(산화물 기반 바인더들 및 유리 프릿들(glass frits))을 갖지만, 이들은 알루미나 기판들 및 두꺼운 박막 금 금속화와 양립가능하다. 또한, 이러한 페이스트들은 쉽게 입수 가능하고, 작은 고순도 금 분말을 포함하며, 용이한 어플리케이션을 위해 설계된다. 많은 금 페이스트들이 융화성을 입증한 반면, 가장 양호한 수행 옵션은 듀폰 QG 150임이 발견되었고, 이는 가장 높은 금 조성을 갖는 입수 가능한 페이스트이다. 이것은 기판을 금속화하는데 사용된 동일한 페이스트이며, 따라서 전체 시스템과 잘 호환된다. 이러한 과정에서, 다이 및 구성 요소들은 QG 150 금 페이스트의 작은 양을 갖는 금 금속화 기판 위에 위치된다. 조립체는 이후 12 시간 동안 400 ℃에서 오븐에 위치된다. 이러한 시간 동안, 금-금 확산(gold-gold diffusion)은 이웃하는 금 입자들 사이에서 및 상기 입자들과 본딩 표면들 사이에서 발생한다. 결과적인 본딩은 매우 강하며 500 ℃ 이상에서 온도를 잘 견딜 수 있다. 덧붙여, 프로세스는 간단하고, 반복가능하고, 매우 작은 구성요소들 상에서 수행될 수 있다.

이제 도 5A, 도 5B 및 5C를 참조하면, 회로 보드 상의 구성요소들을 정렬하고 조립하는데 사용되는 전달 플레이트들의 사시도가 도시된다. 먼저, 기판들 또는 PC 보드들은 전달 플레이트(60)의 캐비티들에 위치된다. 다음, 정렬 플레이트들(61, 62)이 기판들 위에 위치된다. 구성 요소 접착 금 페이스트는 이후 정렬 플레이트들의 개구들에 위치되고 구성요소들은 이후 조립 작동을 위해 정렬 플레이트들(60, 61)의 개구들에 위치된다. 기판들을 따라 전달 플레이트(60), 정렬 플레이트들, 금 페이스트 및 구성요소들는 도 5C에 도시된 바와 같이, 가열된 흑연 플레이트들(65) 사이에 샌드위치된다. 조립체는 다음으로 12시간동안 400 ℃에서 오븐에 위치된다. 이 기간 동안, 금 대 금 확산(gold to gold diffusion)이 발생하고, 다이 및 구성요소들이 500 ℃보다 큰 온도에서 더 높은 온도에서 높은 전단 강도에 의해 접착된 채로 남는다. 상기 프로세스는 다이 및 구성요소들을 적절하게 정렬하는 픽 앤드 플레이스 머신(pick-and-place machine)에 의해 반복되게 이루어진다.

와이어 본딩(Wire Bonding)

와이어 본딩은 많은 전자 어플리케이션들에서 사용되는 표준 방법이다; 그러나, 이것은 높은 온도 동안 그러한 높은 전단력들(즉, g-로딩)을 받기 쉬운 환경에서 채용되는 것이 발명자들에게 알려져 있지 않다. 이제 도 6A 및 도 6B를 참조하면, 반도체 기술분야에서 전형적으로 사용되는 와이어 본딩 기술들이 도시된다. 도 6A는 본딩 와이어의 각 단부의 풋(foot) 및 힐(heel)을 도시하고, 도 6B는 "루프 높이(loop height)" 및 "본드 길이(bond length)"를 도시한다. 도 7은 전형적인 와이어 본딩의 g-포스 분석을 도시하는 사시도이고 여기서 g 포스들은 4 개의 상이한 방향으로부터 인가된다. 먼저, X 및 -X 방향으로 표시된 대향하는 와이어 본드 가로지름 방향들(directions across the wire bond)로(즉, 와이어에 평행한 방향들로) 2 개의 가능한 힘들이 있고, 이후 Z 및 -Z 방향으로 표시된 대향하는 와이어 본드 내로의 방향들(directions into the wire bond)로(즉, 와이어에 수직인 방향들로) 2 개의 가능한 힘들이 있다. 도 8은 이러한 다양한 방향들로 시뮬레이팅되는 g-포스 스트레스 하에 와이어의 변형을 도시한 와이어 본딩의 다이어그램이다. PC 보드에 집적 회로를 연결하는데 사용되는 상호 연결 기술은 모든 전자 시스템에 중요한 구성요소이다.

높은 g-포스들하에서, 와이어 본딩은 일반적으로 그 본래 위치로부터 일정한 정도로 편향되도록 예상된다. 본 발명의 발명자들은 본 발명의 높은 온도 및 높은 g 환경에서 금 와이어 본드를 활용하는 것이 가능하다는 것을 예기치 않게 발견하였다. X의 방향(도 8의 로드 세트 2)으로 와이어 본드의 로딩이 와이어의 가장 적은 전체 스트레스들이 되는 것이 발견되었다. 0.7 및 1.0 mil 모두의 직경의 금 와이어 본드가 사용되었다. 와이어 본드의 양쪽의 직경들이 원심 로딩(centrifugal loading)에 평행하게 배향되고, 최대 로프 높이가 17.4 mil보다 크지 않으며, (본딩 패드에서 본딩 패드까지) 최대 본딩 길이가 35 mil 아래에 유지된다면, 구조적으로 안정할 것이라는 것이 보여졌다. 이러한 결과들이 1,000g's보다 큰 로딩에 대해 수용가능하고, 사실상 10,000g's 초과의 로딩까지 수용가능하도록 테스팅되었다. 와이어 속성, 루프 높이, 본딩 길이 및 온도 모두는 와이어 본드의 최대 지속가능한 G-로드에 영향을 미친다.

전자 회로

이제 도 9를 참조하면, 여기서 사용된 증폭기 회로에 대한 독창적인 회로 바이어싱을 도시한 예시적 개략도가 도시된다. 바이어스 회로의 기능은 적절한 작동 영역 내로 JFET's를 위치시키는 것이다. JFET에 대해, 작동의 위치는 JFET가 작은 레지스터로서 동작하는 저항성 지역 내, 또는 JFET가 전압 제어 전류 소스로서 동작하는 포화 지역 내(saturation region)의 여러 포인트들일 수 있다. 상이한 바이어싱 포인트들은 동일한 지역 내의 상이한 포인트들에서 조차 상이한 JFET 동작을 초래한다. JFET's 특성들 중 다수는 JFET가 25 ℃ 내지 500 ℃ 온도 범위에서 작동된다. 여기서 상기 소자가 낮은 온도에서 보다 높은 온도에서 더 적은 게인을 나타낼 것이라는 사실은 특별한 관심 사항이다. 다른 중요한 변화는 증가하는 온도에 대한 JFET 문턱 전압의 아래로(더 네거티브로) 이동인, 온도에 대한 JFET 성능의 특성이며, 이는 도 9B의 다이어그램에서 증명된다.

구조적으로, 도 9A에 도시된 증폭기 회로는 양의 전압 V(+)의 소스와 음의 전압 V(-)의 소스 사이에 직렬로 연결된 RB_1 및 RB_2를 포함하는 전압 분배기 네트워크를 포함한다.

RB_1 내지 RB_2를 연결하는 회로 노드(1000)는 입력 커패시터(C_1)의 일 측면과 JFET(Q1)의 게이트 단자에 결합된다. C_1의 또 다른 측면은 입력 단자 Vin에 결합된다. JFET(Q1)의 소스 단자는 접지 전위에 연결되며, 드레인 단자는 부하 레지스터 RD의 일 측면에 연결된다. 레지스터(RD)의 다른 측면은 양의 전압 V(+)의 소스에 연결된다. Q1의 드레인 단자는 또한 다른 커패시터(C_2)를 통해 출력 단자 V(out)에 연결된다.

도 9B는 다양한 온도 항에서 도 9A의 증폭기의 AC 출력 전압 대 바이어스 전압의 변화 수준을 도시한다. 즉, 노드(1000)에서 전압의 수준은 도 9B의 수평축 상에 도시되며, 결과적인 출력 전압 V(out)는 수직 축 상에 도시된다.

곡선(1001)은 25 ℃의 온도에서 출력 전압을 나타내고; 커브(1002)는 100 ℃에서 출력 전압을 나타내고; 커브(1003)는 200 ℃의 온도에서 출력 전압을 나타내고; 커브(1004)는 300 ℃의 온도에서 출력 전압을 나타내고; 커브(1005)는 400 ℃의 온도에서 출력 전압을 나타내고; 그리고, 커브(1006)은 500 ℃의 온도에서 출력 전압을 나타낸다.

JFET 공통 소스 교류 증폭기(예를 들어, 도 9A)에서, 가장 높은 교류 전압 이득이 되는 바이어스 전압의 좁은 범위가 있다. 따라서,이 도면에서 볼 수 있듯이, 더 낮은 최대 교류 출력 전압이 되는 온도에 대한 감소된 이득이 있다. 또한, 최대 피크-대-피크 출력 전압이 발생하는 바이어스 포인트가 좌측으로(증가된 온도에 의해 더 네거티브인 dc 게이트 바이어스 전압) 이동되는 것이 도시된다. 이상적인 바이어스 회로는 피크를 추적하고 이에 의해 최적 성능을 제공한다. 따라서, 바이어싱 dc 전압을 온도 변화들에 의해 적응시키는 것이 바람직하다.

레지스터들(RB_1 및 RB_2)은 공통 소스 증폭기(도 9A)의 소스 전압(Vgs)에 게이트의 DC 작동 포인트를 설정하고, 이는 도 9B의 수평 축에 도시된 것과 동일한 전압이다. 예를 들어, 25 ℃에서 피크 AC 전압 출력에 대한 바이어스 포인트는 Vgs = -1.7v인 곳이다. 레지스터(RD)는 JFET 드레인 레지스터이고, 이는 증폭기의 전압 이득을 결정하는데 조력한다. (25 ℃ 내지 450 ℃의) 온도 편위(temperature excursion)에 걸쳐 회로를 바이어싱할 때에 대해 고려되어져야 하는 2개의 특징은 피크 출력 전압에서 전압 결과들을 추적(track)해야 하는 레지스터들(RB_1 및 RB_2)에 의해 설정된 바이어스 포인트이고; 그리고, 증가하는 온도와 함께 증가해야 하는 회로의 이득이다. 위의 두 조치들이 취해지면, 소자의 출력 특성들은 본질적으로 관심 온도 범위에 걸쳐 일정하게 유지될 것이다. 이것은 레지스터(RB_2)가 제로 온도 계수(ZTC)의 레지스턴스를 갖는 반면 레지스터(RB_1)가 양의 온도 계수(PTC)의 레지스턴스를 갖도록 설계하는 것에 의해 달성될 수 있다. 제 2 접근법은 레지스터(RD)에 PTC를 또한 제공하여, 온도가 증가함에 따라(저온에서의 이득과 동등한 고온에서의 이득의 결과를 가져오는) 증폭기 이득을 증가시키는 것이다.

레지스턴스의 온도 계수들은 여러 가지 방법으로 구현될 수 있다.

그것들은 표면 장착 서미스터들(surface mount thermistors)을 사용하여 잠재적 적용될 수 있고 또는 회로 보드에 부착된 상이한 소재들로 제조될 수 있다. 다양한 온도 계수의 레지스턴스(TCR)를 갖는 입수 가능한 많은 두꺼운 박막 페이스트들이 있다. 일 실시예에서, 레지스터들(RB_1 및 RD)는 TaN 두꺼운 박막(TaN Thick Film)으로 형성되고, 레지스터(RB_2)는 플래티넘 두꺼운 박막(Platinum Thick Film)으로 형성된다.

이제 도 10을 참조하면, 스트레인 게이지 회로의 블록도가 도시된다. 측정된 측정 터빈 구성요소 상에 위치된 스트레인의 양을 나타내는 신호가 스트레인 게이지(101)에 의해 생성된다. 이 신호는 이후 차동 증폭기(102)에 의해 감지되고 추가적인 증폭을 위해 AC 증폭기(103)에 연결된다. 증폭된 스트레인 게이지 신호는 이후 전압 제어된 오실레이터(104)의 입력에 인가되고, 이는 오실레이팅 신호를 생성하고 그 주파수는 측정된 터빈 구성요소 상에 위치된 스트레인을 표시한다. 오실레이팅 신호가 이후 버퍼(105)에 의해 버퍼링되고 캐리어 주파수로 조정된 통상적인 튜너(미도시)에 전송을 위해 안테나(26)에 보내진다.

이제 도 11을 참조하면, 열전쌍 회로의 블록도를 도시한다. 측정된 터빈 구성요소의 온도를 나타내는 신호는 열전쌍(110)에 의해 검출되고, 이러한 신호는 차동 증폭기(111)에 전달된다. 차동 증폭기(111)의 출력은 dc 증폭기(112)로 전달된다. 증폭기(112)의 출력과 사각파 오실레이터(113)(또는 사각파 발생기)의 출력은 "쵸퍼(chopper)(114)"의 입력들에 연결된다. 쵸퍼(114)의 출력은 오실레이팅 신호를 생성하는 전압 제어 오실레이터(115)의 입력에 연결되고, 그 주파수 및 진폭은 측정된 터빈 구성요소 상에서 감지된 온도를 나타낸다. 오실레이팅 신호가 이후 버퍼(116)에 의해 버퍼링되고 캐리어 주파수로 조정된 통상적인 튜너(미도시)에 전송을 위해 안테나(26)에 보내진다. 회로의 두 가지 타입이 동일한 터빈에 사용되는 곳에서, 캐리어 주파수들은 두 신호들 사이에서 혼동을 피하기 위해 상이하다.

도 12를 참조하면, 스트레인 게이지 출력 신호를 증폭하기 위한 회로들(101, 102 및 103)의 개략도가 도시된다. 전형적인 무선 원격 계측 회로 설계의 변경은 450 ℃를 초과하는 온도에서 사용할 수 있는 이용가능한 전기 소자들의 한층 제한된 선택에 의해 요구된 작업을 전기적으로 달성하기 위해 요구된다. 스트레인 게이지 신호 컨디셔닝(여자(excitation) 및 증폭) 회로는 트랜지스터의 오직 한 유형, 고온 금속화를 구비한 JFET을 사용하여 설계된다. 금속 본딩 패드들(즉, 금)의 접속은 반도체 소재에 직접 만들어질 수 있는 것이 아니라, 텅스텐과 같은 접착 레이어를 활용하여야 하며, 가능하다면 확산 장벽(diffusion barrier)을 또한 추가한다. 이러한 금속들은 다이의 "금속 스택(metal stack)", 즉 고온 금속화를 포함한다.

구조적으로, 양의 전압 Vdc(+)과 접지 전위의 사이에 연결된 레지스터(R7) 및 스트레인 게이지를 포함하는 전압 분배기 네트워크가 있다. 회로 노드(1100)는 레지스터(R7)와 스트레인 게이지 사이의 연결 포인트이며, 또한 커패시터(C4)를 통해 JFET 트랜지스터(J1)의 게이트 단자에 연결된다. 트랜지스터(J1)는 도 9A를 참조하여 위에 설명된 동일한 방식으로 이 트랜지스터의 게이트 단자에 결합되는 한 쌍의 레지스터들(RB_1 및 RB_2)에 의해 바이어스된다. 트랜지스터(J1)는 트랜지스터(J2)를 포함하는 차동 증폭기의 절반이다. 트랜지스터(J1)의 드레인 단자는 레지스터(R1)를 통해 양의 전압 Vdc(+)에 연결되며 트랜지스터(J2)의 드레인 단자는 레지스터(R2)를 통해 동일한 Vdc(+)에 연결된다. 트랜지스터(J1 및 J2) 소스 단자들은 함께 다른 트랜지스터(J3)의 드레인 단자에 연결되고, 상기 트랜지스터(J3)는 접지 전위에 연결된 게이트 단자 및 다른 레지스터(R3)를 통해 또한 접지 전위에 연결된 소스 단자를 포함한다. 트랜지스터(J2)의 게이트 단자는 또한 접지 전위에 연결된다. 따라서, 트랜지스터(J1)의 게이트 단자에서 임의의 변화는 그 드레인 단자에서 증폭되어 또 다른 트랜지스터(J4)의 게이트 단자에 커패시터(C1)를 통해 연결될 것이며, 트랜지스터(J4)는 트랜지스터들(J5 및 J6)를 포함하는 증폭기(ac 증폭기(103))의 3 이상의 단계들 중 첫번째이며, 증폭기의 출력이 단자 Vout에서 제공된다.

측정되고 있는 구성요소 - 이러한 구성요소는 스트레인 게이지를 포함함- 상에 위치된 스트레인에서 변화는 스트레인 게이지 레지스터의 레지스턴스를 변화시키고, 이에 의해 트랜지스터(J1)의 게이트 단자에서 전압을 변경시킨다. 이것은 레지스터(R1)에 걸치는 트랜지스터(J1)의 출력을 변화시키고, 이는 트랜지스터들(J4, J5 및 J6)에 의해 증폭의 연속 단계들에 연결된다. 도 13에 도시된 (ZTC를 갖는) 레지스터(RB_2)를 제외하고 모든 레지스터들은 매우 낮은(제로에 가깝고, 약간 포지티브인) 온도 계수의 레지스턴스를 갖는다. 또한, 모든 JFET 트랜지스터들은 위에서 언급된 바와 같이, 고온 금속화(high temperature metallization)에 의해 만들어진다.

이제 도 13을 참조하면, 열전쌍을 증폭하고 열전쌍 회로의 국부 온도를 상기 증폭된 출력 신호로 포함하기 위한 회로들(110, 111 및 112)의 개략도가 도시된다. 이러한 방식으로, 단지 열전쌍 출력 보다 오히려 열전쌍에 걸쳐 열 구배(thermal gradient)가 전송될 수 있고, 따라서 정확한 온도 측정을 제공한다. 도 16은 도 11의 블록도에 도시된 회로(즉, 열전쌍 회로(201))에 연결된 열전쌍(110)을 도시한다. 열전쌍(110) 출력은 ΔT ℃로 표시로 나타난다. 이후로 도시되고 더 설명되는 바와 같이, 이는 터빈의 실제 측정 온도를 나타내는 열전쌍 회로(201)의 국부 온도와 ΔT ℃의 합이다.

다시 도 13을 참조하면, 열전쌍의 네거티브 다리가 접지되고, 포지티브 다리가 트랜지스터(J8)과 함께 차동 증폭기(111)를 형성하는 트랜지스터(J7)의 게이트 단자에 연결된다. 이 차동 증폭기는 트랜지스터(J9)에 의해 형성된 전류 소스를 더한 트랜지스터(J7)의 게이트 단자에서 함께 연결된 RB_1 및 RB_2를 포함하는 전압 분배기에 의해 바이어스된다. 위에 설명된 바와 같이, 레지스터(RB_1)은 PTC를 구비하고 레지스터(RB_2)는 ZTC를 구비하여서 고온 환경(도 9A 및 수반된 설명을 참조)을 보상한다.

열전쌍 신호 주파수가 직류이거나, 매우 낮은 교류이기 때문에, 연속적인 증폭 단계들은 용량성(capacitively)으로 연결될 수 없다. 대신, 트랜지스터(J10)는 소스 폴로어(source follower) 구성에서 사용되어 공통 소스 트랜지스터(J11)가 바이어스되어야만 하는 수준까지 아래로 차동 증폭기의 출력을 이동시킨다. 트랜지스터(J11)는 신호를 추가로 증폭하는 기능을 한다. 트랜지스터들(J12 및 J14)은 다른 수준의 이동(shifting) 및 증폭 단계(직류 증폭기(112))를 형성한다. 이 포인트에서, 열전쌍의 출력은 적절한 수준으로 증폭되었다. 이제 열전쌍 회로의 로컬 온도는 증폭된 신호로 포함되어야 한다.

트랜지스터들(J14 및 J15)은 차동 쌍 증폭기를 형성하고, 트랜지스터(J16)에 의해 형성된 전류 소스에 의해 바이어스된다. 커패시터들(C6 및 C7)은, 레지스터들(R18, R19 및 R20)함께 -90°내지 +90°위상 이동 네트워크(phase shift network)를 형성한다. 이러한 위상 이동 네트워크는 트랜지스터(J15)에서 증폭기 입력의 일 단부에 연결되며, 다른 단부는 RC 피드백 네트워크를 포함하는 증폭기의 출력(트랜지스터(J14)의 드레인 단자)에 연결된다. 이러한 구성은 완화(relaxation) 타입 RC 오실레이터(사각파 오실레이터(113))를 형성한다. 커패시터(C6 및 C7)는 NPO 타입 커패시터들이며, 그 커패시턴스는 25 ℃ 내지 450 ℃의 온도 편위에 걸쳐 현저하게 변화하지는 않는다. NPO 커패시터 유전체는 커패시터의 네거티브-포지티브-제로 온도 계수의 커패시터를 갖고, 포지티브 및 네거티브 온도 계수들은 서로 상쇄된다. 캐퍼시터(C8)는 RC 피드백 네트워크와 트랜지스터(J14)의 드레인 단자에서 차동 증폭기의 출력 사이에 직렬로 연결된다. 이러한 커패시터는 X7R 유전체에 의해 만들어지며, 따라서 그 커패시턴스는 온도 변화에 의해 예측 가능하게 변화된다. X7R는 NPO 유전체가 가지는 것보다 더 높은 유전 상수를 가지는 커패시터 유전체이나, (예측 가능하게)온도에 큰 커패시터 의존도를 갖는다. 이러한 오실레이터의 출력은 온도 의존 커패시터(C8)에 의해 결정된 주파수를 갖는 사각파이고; 따라서 열전쌍 회로의 국부 온도는 사각파 신호로 인코딩될 수 있다. (도 17에 도시된 실온에서 오실레이터(113) 출력 파형(210); 및 도 18에 도시된 상승 온도에서 동일한 오실레이터 출력 파형(212) 참조)트랜지스터(J27)는 쵸퍼(chopper) 트랜지스터로서 기능한다(즉, 쵸퍼(114)). 트랜지스터(J13)로부터 증폭된 열전쌍 출력(도 19의 파형(214))은 트랜지스터(J27)의 드레인 단자에 연결되고, 사각파 오실레이터 출력은 동일한 트랜지스터(J27)의 게이트 단자에 연결된다. 트랜지스터(J27)의 소스는 사각파 출력을 제공하고, 사각파의 진폭은 열전쌍(110)의 온도에 비례하고 그 주파수는 열전쌍 회로의 온도에 비례한다(도 20에 도시된 파형(215) 참조). 따라서, 신호는 열전쌍 출력 더하기 열전쌍 회로의 온도를 포함하고, 그 신호는 전압 제어된 오실레이터(115)에 인가된다.

열전쌍(110) 및 그 회로(113)의 작동의 예시에 의해, 회로(113)의 온도는 25 ℃에 있고 오실레이터(113)의 상응하는 출력은 1.62 kHz의 주파수(도 17, 파형(210))에 있다고 가정한다. 또한, 12mv 출력 전압(도 19, 파형)사용되고 있는 특정 열전쌍(110)에 대해 가정한다. 이제, 회로(113)의 온도는 325 ℃이고 오실레이터(113)의 출력은 5.44kHz(도 18, 파형 (212))이다. 트랜지스터(J27)에 의해 파형들(212 및 214)을 결합하여, 트랜지스터(J27)의 결과적 출력(즉, 회로의 출력)은 파형(216)에 의해 도시된다. 따라서, 측정된 결과적인 온도측정 결과 온도는 열전쌍의 핫 엔드(hot end)에서 645 ℃ 이다. 파형(216)의 주파수는 국부 회로(local circuitry, 113) 의 온도를 나타내고 진폭은 ΔT를 나타낸다. 따라서, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진자는 FM 수신기(미도시)와 관련된 회로를 구축하여 신호 디코딩 및 추가 작동들을 수행할 수 있다.

이제 도 14를 참조하면, 파워 컨디셔닝 회로의 개략도가 도시된다. RF 입력 전압을 정류하고 정류된 전압을 필터링하고, 그리고 그 전압을 조절할 수 있는 파워 컨디셔닝 회로가 트랜지스터으 오직 한 타입 및 입수 가능한 다이오드들을 사용하여 설계되어야 한다. 상기 회로는 회전 터빈에 의해 제공된 RF 유도 파워를 정류하여 포지티브 및 네거티브로 조절된 직류 전압을 전달한다. RF 유도 파워 제너레이터의 자세한 사항들은 발명의 명칭이 무선 원격 계측용 기구 구성요소{INSTRUMENTED COMPONENT FOR WIRELESS TELEMETRY}인 위에 인용된 공동-출원 중인 특허 출원에서 증촉된다. 구조적으로, 다이오드들(D5 내지 D8) 및 다이오드들(D9 내지 D11)은 브리지 정류기로서 기능한다. 단자들(Vac1 및 Vac2 또는 Vac3 또는 Vac4)에서 교류 전압은 큰 리플(large ripple)을 갖는 직류 전압으로 풀 웨이브 정류된다. 커패시터(C9 내지 C12)는 충분히 낮은 수준까지 상기 리플을 감소시키기 위해 필터 커패시터들로서 기능한다. 트랜지스터(J17 및 J21)는 일정한 전류 소스들로서 기능하고, 레지스터들(R26 및 R30) 내로 일정한 전류를 전달한다. 일정한 레지스턴스를 받는 일정한 전류는 일정한 전압을 생성하고, 이는 트랜지스터들(J19 및 J23)에 연결된다. R25/R26 레지스터 쌍 또는 R29/R30의 레지스터 쌍에 의해 결정된 임계치 후에, 트랜지스터들로의 입력에서 임의의 증가하는 전압이 트랜지스터 출력들에서의 증가하는 전압에 기여하지 않도록 하기 위해 이러한 일정한 전압은 트랜지스터(J19 및 J23)를 바이어스한다. 증가 전압 입력은 트랜지스터들(J19 및 J23)에서 열로서 소산된다. 따라서, 트랜지스터들(J17 및 J19), 및 트랜지스터들(J21 및 J23)은 로우 드롭아웃(low-dropout, LDO) 전압 조절기들을 포함한다. 이러한 조절기들은 네트 전압 조절을 향상하도록 트랜지스터들(J18 및 J20), 및 트랜지스터들(J22 및 J24)에 의해 반복된다. 이후 전압들은 포지티브 또는 네거티브로 조절된 전압들(Vdc(+) 또는 Vdc(-)) 한쪽으로 각각 공급된다.

일 실시예에 따라 레지스터들(R26, R28, R30 및 R32)은 PTC를 갖고, 반면 레지스터들(R25, R27, R29 및 R31)은 ZTC를 갖는다. 위에 설명된 바와 같이, 이러한 레지스터들의 배치는 상승된 온도에서 바이어스 전압들의 변화들을 보상한다. 이 방법에서 회로는 자체적으로 온도 변화에 대해 보상하고 트랜지스터들(J19, J20, J23 및 J24)에 걸쳐 전압 강하가 일정하게 유지한다. 위에 설명된대로, PTC 레지스터들은 플래티넘으로 만들어질 수 있고 ZTC 저항들은 탄탈륨 질화물로 만들어질 수 있다. 회로는 또한 레지스터들(R26 R28, R30 및 R32)이 ZTC에 의해 만들어졌고 레지스터들(R25, R27, R29 및 R31)이 탄화 규소와 같은 실리콘 레지스터를 사용하여 네거티브 온도 계수(NTC)에 의해 만들어졌던 경우 동일한 기능을 한다는 것이 지적된다.

이제 도 15를 참조하면, FM 전송기(즉, VCO(104) 및 버퍼(105))의 개략도가 도시된다. 주파수 변조(FM) 신호를 생성하기 위해, 가변 임피던스 소자가 RF 반송파로 정보를 인코딩(즉, 변조)하는데 일반적으로 사용된다. 저온 회로에서 이러한 작업을 수행하는 일반적인 방식은 그 커패시턴스가 인가된 전압에 의존성을 갖는 소자를 사용하는 것이다. 거의 모든 pn 접합 다이오드들은 역방향으로 바이어스될 때 이러한 특성을 나타내고; 즉, 역방향 바이어스된 다이오드에 인가된 가변 전압이 다이오드에 걸쳐 커패시턴스에서 변화에 영향을 미친다. 저온 무선 어플리케이션드에 대해, 버랙터(varactor)라고 불리는 특별한 다이오드가 이러한 목적을 위해 사용된다. 버랙터는 "하이퍼어브럽트(hyper-abrupt)" 접합(즉, 큰 조정 각도를 증진시키도록 많이 도핑된 접합)을 갖는 pn 접합 다이오드이고 실리콘 또는 갈륨 비소로부터 제조된다.

도 15에 도시된 회로는 콜피츠 오실레이터를 포함하고, 이는 인턱터(L1) 및 직렬로 연결된 커패시터들(C13 및 C14)을 포함하고, 양쪽 커패시터들은 인덕터(L1)와 병렬로 연결된다. 트랜지스터(J25)는 콜피츠 오실레이터에서 능동 소자로서 기능한다. 오실레이터의 캐리어 주파수는 인덕터(L1) 및 커패시터들(C13 및 C14)에 의해 결정된다. 커패시터(C14)와 병렬로 연결된 다이오드(D13)는 전압 가변 커패시터, 또는 버랙터로서 기능하고, 이는 교류 전압을 반송파(carrier wave)로 변조(즉, 인코딩)한다. 반송파는 이후 용량성으로 트랜지스터(J26)에 연결되고, 이는 버퍼 트랜지스터 및 파워 증폭기 모두로 기능한다. 다이오드(D13)의 캐소드는 회로 노드(1400)에 연결되고 그 애노드는 접지 전위에 연결된다. 커패시터들(C13 및 C14) 사이의 회로 접합은 노드(1400)에 연결되고, 이는 또한 회로에 대한 입력 단자 V(in)을 포함한다. 회로의 출력은 이후 전송 안테나(미도시) 내로 용량성으로 연결된다.

고온-어플리케이션들에서, 이러한 버랙터의 커패시턴스가 상승된 온도들에서 인가된 바이어스 전압들의 범위에 걸쳐 비선형이기 때문에 전형적인 버랙터들은 사용될 수 없고 여기서 관심있는 FM 전송기에서 유용하지 않다. 따라서, 정확한 정보가 전송된 신호(동일한 주파수 편차들이 별개의 튜닝 전압들에 상응하지 않음)로부터 복구될 수 없다. 상기 문제는 SiC를 자체에 고유한 것이며, 따라서 어떠한 SiC 소자도 목표된 결과를 달성할 수 없다는 것이 발견되었다. 높은 온도에서 기능할 수 있는(즉, 동일한 상승 고온에서 인가된 바이어스 전압들의 동일한 범위에 걸쳐 선형 커패시턴스를 갖는) GaN 소자들이 버랙터 다이오드(D13)으로서 사용하기 위해 조사되었다. 갈륨 질화물(즉, GaN)은 또한 3.4 eV @ 300K(한편 SiC는 2.86 eV임)의 넓은 밴드 갭 에너지를 갖는 넓은 밴드 갭 반도체이고, 이는 높은 온도에서(600℃를 초과하여) 기능할 수 있다는 것을 의미한다. 현재 입수할 수 있는 유일하게 시판된 GaN 다이오드는 본 발명에서 관심인 온도 편위에 걸쳐 만족스런 결과들을 생성했던 청색 또는 자외선 LED의 형태이다.

본 발명의 다양한 실시예들이 여기에서 기재되고 설명되는 반면, 이러한 실시예들은 오직 예시로서 제공된다는 것이 명백할 것이다. 수많은 변형예들, 변경예들 및 대체예들이 본 발명으로부터 벗어남없이 만들어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 사상 및 범주에 의해 의도적으로 오직 제한된다.

Claims (20)

1. 가스 터빈 엔진의 고온 환경 내의 원격 계측 시스템(telemetry system)을 포함하는 가스 터빈 엔진으로서,
   상기 계측 시스템은, 상기 가스 터빈 엔진의 고정 또는 이동 부분(20)의 조건에 대해 감지된 정보를 수신하여 상기 수신된 정보를 상기 고온 환경의 외부의 수신기에 전송하도록, 상기 고정 또는 이동 부분(20)에 부착되는 회로 조립체(24)를 포함하고,
   상기 회로 조립체(24)가 고온 환경을 위해 구성되며,
   상기 회로 조립체(24)가,
   상기 고정 또는 이동 부분(20)에 접착되는 고온 저항성 패키지(34);
   능동 및 수동 구성요소들 모두를 포함하는 PC 보드(42)로서, 상기 능동 구성요소들은 고온 금속화에 의해 제조되고, 상기 PC 보드(42)는 상기 고온 저항성 패키지(34) 내에 포함되어 상기 고온 저항성 패키지(34)에 의해 둘러싸이는, PC 보드(42);
   상기 고온 저항성 패키지(34) 내의 제 위치에 상기 PC 보드(42)를 고정하기 위해 상기 고온 저항성 패키지(34)의 내부 표면에 부착된 리테이너(44A, 44B); 및
   상기 PC 보드(42)에 부착되는 커넥터들(40)로서, 상기 회로 조립체(24)에 파워를 공급하기 위해 그리고 이동 부분 상의 센서(30) 및 상기 고온 환경의 외부로 데이터 신호들을 전송하기 위한 안테나(26)와 통신하기 위해 상기 고온 저항성 패키지(34)의 벽을 관통하는 커넥터들(40)로서, 상기 데이터 신호들이 상기 고정 또는 이동 부분(20)의 조건에 대해 감지된 정보를 나타내고, 상기 PC 보드(42)는 상기 데이터 신호들을 상기 안테나(26)로 공급하는, 커넥터들(40);을 포함하고,
   상기 리테이너(44A, 44B)가 상기 PC 보드(42) 및 상기 고온 저항성 패키지(34)의 벽의 내부 표면에 용접되는 금 와이어(44A, 44B)인
   가스 터빈 엔진.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 고온 저항성 패키지(34)가 금-도금된 철-니켈-코발트 합금으로 만들어지는
   가스 터빈 엔진.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 PC 보드(42)가 알루미나로 만들어지고 상기 알루미나는 상기 알루미나 위에 증착되는 금 페이스트의 후막(thick film)에 의해 금속화되어서 상기 PC 보드(42)의 전도성 레이어를 형성하는
   가스 터빈 엔진.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 PC 보드(42)는 254 내지 2540 micometres(10 내지 100 mils) 두께의 알루미나를 포함하는
   가스 터빈 엔진.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 PC 보드(42)는 508 micrometres(20 mils) 두께로 측정되는 96 % 알루미나로 만들어지는
   가스 터빈 엔진.
   
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 능동 및 수동 구성요소들이 그 표면 상에 금 금속화 레이어를 가지며 확산 본딩 금 분말(diffusion bonded gold powder)에 의해 상기 PC 보드(42) 상의 금 금속화 회로 트레이스들(gold metallization circuit traces)에 접착되는
   가스 터빈 엔진.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 능동 구성요소들이 금 본딩 와이어에 의해 상기 PC 보드(42) 상의 회로 트레이스들에 전기적으로 연결되고, 상기 금 본딩 와이어가 상기 가스 터빈 엔진 내의 상기 회로 조립체(24) 상에 가해진 원심력과 평행한 방향으로 배향되는
   가스 터빈 엔진.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 금 본딩 와이어가 17.78 micorometres 내지 25.40 micrometres(0.7 mil 내지 1.0 mil)의 범위 내의 직경을 갖는
   가스 터빈 엔진.
   
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 금 본딩 와이어가 444.96 micrometres(17.4 mil)이하인 최대 루프 높이를 갖는
    가스 터빈 엔진.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온 저항성 패키지(34)의 벽을 관통하는 상기 커넥터들(40)의 각각의 주위에 고정된 전기 절연 슬리브를 더 포함하는
    가스 터빈 엔진.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로 조립체가 상기 가스 터빈 엔진의 이동 부분(20)에 부착되고,
    상기 회로 조립체(24)가 300 ℃ 초과 온도에서 작동할 수 있고, 1kg 당, 중력으로 인한 가속도의 1000배를 초과하는 원심력들을 견딜 수 있는
    가스 터빈 엔진.
    
13. 삭제
14. 제 3 항에 있어서,
    금 페이스트의 전도성 레이어가 회로 패턴으로 에칭되어서 상기 PC 보드(42)의 회로 트레이스들을 형성하는
    가스 터빈 엔진.
    
15. 삭제
16. 제 1 항에 있어서,
    상기 리테이너(44A, 44B)가 상기 고온 저항성 패키지(34)의 열팽창 계수의 20% 내의 열팽창 계수를 갖는
    가스 터빈 엔진.
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

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