KR102101181B1 - 고온 환경들을 위한 전자 회로소자 - Google Patents

Abstract

터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 적응된 회로소자가 제공된다. 비교적 높은-이득 차동 증폭기(102)는 터빈 엔진의 컴포넌트(20)의 감지된 파라미터를 나타내는 전압을 수신하도록 커플링된 입력 단자를 가질 수 있다. 하이브리드 로드 회로소자는 차동 증폭기에 커플링될 수 있다. 전압 조정기 회로소자(244)는 차동 증폭기에 전력을 인가하도록 커플링될 수 있다. 차동 증폭기, 하이브리드 로드 회로소자 및 전압 조정기 회로소자는 터빈 엔진의 고온 환경에 각각 배치될 수 있다.

Description

고온 환경들을 위한 전자 회로소자{ELECTRONIC CIRCUITRY FOR HIGH-TEMPERATURE ENVIRONMENTS}

본 출원은 2008년 8월 15일에 출원된 미국 특허 출원 번호 12/192,324, (위임 도킷(docket) 번호 2008P06977US); 2012년 6월 29일에 출원된 13/537,572, (위임 도킷 번호 2011P12818US); 및 또한 2012년 6월 29일 출원된 13/537,208, (위임 도킷 번호 2012P08409US)의 일부 계속 출원이고, 이 출원들 각각은 그 전체가 본원에 인용에 의해 포함된다.

본 발명은 일반적으로 컴포넌트 스트레인(component strain)을 측정하기 위한 무선 원격계측 전자 회로소자(circuitry) 및 구체적으로 300℃를 초과하는 고온 환경들에서 동작할 수 있고 적어도 1000 g's까지의 힘들을 견딜 수 있는 전자 회로소자에 관한 것이다.

동작하는 가스 터빈 엔진(gas turbine engine) 내부의 온도들은 극히 높고, 종종 450℃의 초과의 레벨(level)들에 있다. 터빈 블레이드(turbine blade) 같은 터빈의 컴포넌트들의 내부 온도들을 모니터(monitor)하거나, 동작 동안 그런 컴포넌트들 상에 가해지는 스트레스(stress)들을 모니터하는 것이 원해질 때, 특정 감지, 증폭 및 전송 회로가 요구된다. 고온들을 견딜 수 있는 무선 원격 계측회로 보드(wireless telemetry circuit board)들 및 상기 무선 원격계측 회로 보드들 상의 컴포넌트들은 내연 가스 터빈 엔진들에서 경험되는 것들과 같은 고온 환경들에서 정지 및 이동 컴포넌트들로부터의 데이터(data)의 추출을 가능하게 할 수 있다. 전자 회로소자는 터빈 엔진들, 이를 테면 산업 가스 터빈들, 항공 엔진들, 및 오일(oil) 및 가스 산업에서 사용된 터빈들의 동작 동안 컴포넌트 상태들의 실시간 모니터링(monitoring)에 대한 가능성을 제공한다. 터빈 내 컴포넌트들의 상태를 아는 것은 내부 엔진 파라미터(internal engine parameter)들에 기초한 터빈 동작을 최적화하는 것 및 상태-기반 유지보수를 가능하게 하는 것을 비롯하여 많은 이익들을 제공한다. 진보된 터빈 엔진들의 동작 비용들의 상당한 감소들은 모니터링 디바이스(monitoring device)들의 사용에 의해 실현될 수 있다. 터빈 컴포넌트들을 장치하는 것의 현재 실행은 컴포넌트들에 센서(sensor)들을 장착하는 것, 리드 와이어(lead wire)들을 라우터(router)들로 런닝(running)하는 것 및 큰 다발들의 리드 와이어들을 터빈으로부터 모니터링 위치까지 장거리로 가져가는 것을 포함한다. 상기 프로세스(process)는 느리고, 노동 집약적이고, 비싸며, 리드 와이어들 모두의 포함을 허용하기 위하여 터빈의 컴포넌트들 중 많은 컴포넌트들의 수정을 요구한다.

그런 센서 시스템(sensor system)으로부터 데이터를 추출하는 장점을 실현하기 위하여, 핫 컴포넌트(hot component)의 가장 냉한(coolest) 구역 상에 데이터 송신기를 배치하는 것이 요구될 수 있다. 이것은 터빈 엔진의 흐름 경로에 있는 블레이드의 루트(root)에서와 같이 300℃를 초과하는 온도들에서 기능할 무선 원격계측 시스템에 대한 필요를 초래할 수 있다. 실리콘(silicon) 또는 실리콘-온-절연체(SOI; silicon-on-insulator) 액티브 컴포넌트(active component)들을 사용하는 최신 회로들은 그런 고온들에서 동작할 수 없다. 그런 무선 원격계측 회로 보드는 300℃를 초과하는 온도들에서 동작할 수 있는 패키지(package), 보드, 런(run)들, 패시브 디바이스(passive device)들, 액티브 디바이스(active device)들 및 연결부들을 요구할 것이다.

본 발명은 도면들을 고려하여 다음 설명에서 설명된다.

도 1은 원격계측 회로 보드를 포함하는 전자장치들의 부착을 예시하는 예시적인 터빈 블레이드의 부분 사시도이다.
도 2는 도 1의 송신기 어셈블리(transmitter assembly)의 엘리먼트(element)들을 도시하는 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 송신기 어셈블리 하우징(housing)에 포함된 고온 전자장치 패키지 내의 엘리먼트들을 도시하는 분해도이다.
도 4a는 어셈블리 동작 동안 회로 보드들을 고정하기 위한 전달 플레이트(transfer plate)의 평면도 및 측면도를 예시한다.
도 4b는 어셈블리 동작 동안 컴포넌트들을 적소에 고정하기 위한 도 4a의 전달 플레이트와 함께 사용될 정렬 플레이트들의 평면도이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 도 4a 및 도 4b의 전달 플레이트 및 정렬 플레이트를 사용하는 어셈블리 프로세스의 사시도들이다.
도 6a 및 도 6b는 반도체 기술들에서 통상 사용되는 와이어 본딩 기술(wire bonding technique)들의 도면들이다.
도 7은 통상적인 와이어 본딩의 g-포스(g-force) 분석을 도시하는 사시도이다.
도 8은 시뮬레이팅된(simulated) g-포스 스트레스 하에서 와이어 본딩의 다양한 상태들을 예시한다.
도 9a는 본원에 사용된 증폭기 회로들에 대한 고유 회로 바이어싱(unique circuit biasing)을 예시하는 예시적 개략도이다.
도 9b는 다양한 온도들 하에서 도 9a의 증폭기의 AC 출력 전압 대 바이어스(bias) 전압을 예시하는 차트(chart)이다.
도 10은 스트레인 게이지 회로소자(strain gauge circitry)의 블록도(block diagram)이다.
도 11은 열전쌍 회로소자의 블록도이다.
도 12는 스트레인 게이지 출력 신호를 증폭하기 위한 회로의 개략도이다.
도 13은 열전쌍 출력을 증폭하고 송신기의 로컬 온도(local temperature)를 증폭된 출력 신호에 임베딩(embedding)하기 위한 회로의 개략도이다.
도 14는 전력 컨디셔닝 회로소자(power conditioning circuitry)의 개략도이다.
도 15는 콜피츠 발진기(Colpitis oscillator)를 포함하는 FM 송신기의 개략도이다.
도 16은 대표적인 열전쌍의 도면이다.
도 17은 실온에서 열전쌍 회로소자에 대한 구형파 발생기의 출력을 예시하는 파형도이다.
도 18은 상승된 온도에서 열전쌍 회로소자에 대한 구형파 발생기의 출력을 예시하는 파형도이다.
도 19는 온도가 증가됨에 따라 열전쌍의 출력 전압을 예시하는 파형도이다.
도 20은 열전쌍과 구형파 발생기의 결합된 출력인 초퍼(chopper)의 출력을 예시하는 파형도이다.
도 21은 원격계측 시스템에 의해 사용될 수 있고, 본 발명의 양상들을 구현하는 높은-이득 차동 증폭기 및/또는 전압 조정기로부터 이익을 얻을 수 있는 스트레인 게이지 회로소자의 다른 예의 블록도이다.
도 22는 높은-이득 차동 증폭기, 이를 테면 AC-커플링된 하이브리드-로드 차동 증폭기(AC-coupled hybrid-load differential amplifier)의 하나의 예시적 실시예의 개략도이다.
도 23은 전압 조정기의 하나의 예시적 실시예의 개략도이다.
도 24는 전압 조정기의 다른 예시적 실시예의 개략도이다.

본원에 개시된 실시예들은 주위 온도 내지 300℃보다 높은 범위의 온도들, 및 적어도 450℃까지의 온도들을 포함하는 온도들을 가진 가스 터빈의 구역들로부터 전자 회로의 사용에 의해 무선 원격계측을 통해 데이터의 송신을 가능하게 한다. 그러므로 회로 엘리먼트들 모두 및 패키지는 300℃보다 높은 온도들에서 동작할 수 있는 재료들로 제조될 것이다. 최신 고온 전자 시스템들은, 제어 로직 회로(control logic circuit)들이 실리콘-기반 전자장치들, 또는 최대 300℃까지의 상승된 온도들에서 동작할 수 있는 고온 실리콘-온-절연체(HTSOI; high temperature silicon-on-insulator) 기술을 사용하기에 충분히 냉한 위치에 배치되도록 설계된다. 그런 최신 시스템에서, 제어 신호들은 비교적 낮은 온도의 구역으로부터, 와이어를 통해, 300℃보다 높은 온도들의 핫 구역(hot region)에 위치된 전력 증폭 모듈(power amplification module)로 전송된다. 전력 증폭 모듈은 SiC, AlN, GaN, AlGaN, GaAs, GaP, InP, AlGaAs, AlGaP, AlInGaP 및 GaAsAlN을 포함하는 넓은 대역 갭 반도체 재료(wide band gap semiconductor material)들 같은 고온 용도로 설계된 반도체들, 또는 약 300℃보다 높은 온도들에서 사용될 수 있는 다른 고온 가능 반도체 재료들을 사용할 회로이다. 이런 타입(type)의 설계 전략은 가스 터빈 블레이드 같은 회전하는 핫 섹션 컴포넌트(rotating hot section component) 상의 계장(incorporating instrumentation)에 유용하지 않은데, 그 이유는 송신기 전자 회로 전체가 터빈 블레이드 상에 위치되어야 하고, 따라서 300℃를 초과하는 온도들에서 동작하여야 하기 때문이다. 새로운 전자 회로들은 본원에 개시되고, 상기 새로운 전자 회로들은 300℃보다 높은 온도들 및 적어도 450℃까지의 온도들을 포함하는 온도들에서 센서 신호 획득 및 무선 송신 둘 다를 가능하게 한다.

그러므로 개시된 전자 회로 및 패키지는 고온에서 동작할 수 있는 재료들, 예를 들어 고온 동작 가능 에폭시(epoxy) 또는 세라믹(ceramic) 재료들, 이를 테면 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), 실리콘 카바이드(silicon carbide), 실리콘 니트라이드(silicon nitride), 알루미늄 니트라이드(aluminum nitride), 등으로 제조된다. 전도체들은 용융 없이 고온을 견딜 수 있는 금속들, 이를 테면 은 또는 금으로 제조된다. 액티브 및 패시브 전기 컴포넌트들은 전기 요건들 및 보드가 동작할 온도 환경에 기초하여 선택되어야 한다. 고온 패시브 컴포넌트들, 이를 테면 팔라듐(palladium), 루테늄(ruthenium), 이리듐(iridium), 레늄(rhenium), NP0, COG 및 X7R 같은 다층 세라믹 캐패시터(multilayer ceramic capacitor)들 같은 시스템들에 기초한 두꺼운 막 저항기들이 이용될 수 있다. 고온 가능 인덕터(inductor)들은, 적당한 인덕터들이 상업적으로 이용 가능하지 않으면, 전자 회로를 지지하는 PC 보드 상에 직접 배치될 필요가 있을 수 있다. 액티브 컴포넌트들, 즉 트랜지스터(transistor)들, 다이오드(diode)들 등은 상기 열거된 것들 같은 고온들에서 동작할 수 있는 반도체 재료들로부터 제조될 수 있다. 컴포넌트들과 전자 회로소자 사이의 연결들은 마찬가지로 다이 부착(die attach), 와이어 본딩(wire bonding), 또는 임의의 다른 적당한 방법의 형태로 고온 금속들, 이를 테면 금 또는 백금으로 만들어질 수 있다. 모놀리식(monolithic) 고온 본딩 재료들의 한계들이 초과되는 경우, 부착은 합금 컴포지션(composition)들을 사용하여 수행될 수 있다. 디바이스들이 부착 동안 노출되는 온도를 감소시키기 위하여, 공정 합금 컴포지션은 부착을 위해 사용될 수 있고, 그 다음 부착 컴포지션을 보다 높은 용융 온도를 가진 부착 컴포지션으로 변화시키기 위하여 열 처리가 뒤따른다. 보드 상의 모든 재료들은, 요구된 동작 온도들에 대한 노출이 보드의 성능을 떨어뜨리는 화학 상호작용들 또는 컴포지션/구성 변화들을 초래하지 않도록 선택되어야 한다. 열전쌍 또는 스트레인 게이지 센서로부터 신호를 전송할 수 있는 완성 회로는 현재 이용 가능하거나 개발하에 있는 고온 패시브 및 액티브 전자 재료들의 타입들을 사용하여 본 개시에 따라 설계되어 왔다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 실시예들은 300℃를 초과하는 온도를 가진 환경에서 동작하는 블레이드의 루트(root)(22) 상에 위치된 특정 전자 컴포넌트들을 가진 회전 가능 컴포넌트, 이를 테면 터빈 엔진 블레이드(20)로부터 센서 데이터의 송신을 허용한다. 본원의 개시의 목적들을 위해, 부가적인 조건 없이 용어 "고온"은, 300℃를 초과하는 최대 동작 온도를 가진 연소 터빈의 부분들 내의 환경과 같은 임의의 동작 환경을 지칭할 것이다.

본 발명의 실시예들은 하나 또는 그 초과의 센서들, 센서들을 적어도 하나의 원격계측 송신기 회로와 연결하는 리드 라인(lead line)들, 적어도 하나의 전송 안테나(antenna), 전력원 및 적어도 하나의 수신 안테나를 포함할 수 있는 원격계측 시스템들이 장치된 연소 터빈에서 사용하기 위한 컴포넌트들을 제공한다. 도 1은 터빈 블레이드(20), 무선 원격계측 송신기 어셈블리(24) 및 회전가능 안테나 어셈블리(26)를 예시한다. 리드 라인들 또는 연결기들(28)은 하나 또는 그 초과의 센서들, 이를 테면 센서(30)로부터, 블레이드 루트(22)에 근접하게 장착될 때 원격계측 송신기 어셈블리(24)로 연장될 수 있다. 리드 라인들(28)은 전자 데이터 신호들을 센서(30)로부터 원격계측 송신기 어셈블리(24)로 라우팅(routing)할 수 있고 여기서 신호들은 도 2에 도시된 전자 패키지(34) 내에 포함된 회로 보드 상에 형성된 원격계측 송신기 회로에 의해 프로세싱(processing)된다. 리드 라인들 또는 전기 연결기들(36)은 전자 데이터 신호들을 원격계측 송신기 회로로부터 회전가능 안테나 어셈블리(26)로 라우팅하기 위하여 배치될 수 있다.

도 2는 고온 회로 보드를 포함할 수 있고 원격계측 송신기 어셈블리(24)의 부분을 형성할 수 있는 고온 전자 패키지(34)를 예시한다. 전자 패키지(34)의 메인 몸체(main body)는 낮은 열 팽창 계수 이를 테면 Fe-Ni-Co의 합금인 Kovar^® 브랜드(brand) 합금 같은 낮은 열 팽창 계수를 가진 합금들로 제조될 수 있다. Kovar^® 합금의 열 팽창 계수는 정확한 컴포지션에 따라 약 4.5-6.5×10^-6/℃ 범위이다. 고온 터빈 컴포넌트들, 이를 테면 터빈 블레이드(20)를 위해 통상적으로 사용된 Ni계 합금들은 약 15.9-16.4×10^-6/℃ 범위의 열 팽창 계수들을 가진다. 전자 패키지(34)는, 도 2에 관하여 아래에 설명된 바와 같이 전자 패키지(34)와 터빈 블레이드(20) 사이의 상대적 움직임을 허용하면서 적소에 단단히 부착될 수 있다. 이런 상대적 움직임은 주변 공기 온도와 블레이드 루트(22) 근처에서 통상적으로 경험되는 300℃를 초과하는 동작 온도 사이에서 많은 횟수의 열 사이클(thermal cycle)들 동안 시간에 걸쳐 발생하는 그들의 상이한 열 팽창 레이트(rate)들로부터 발생할 수 있다.

도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 원격계측 송신기 어셈블리(24)는 장착 브래킷(mounting bracket)(37)과 뚜껑 또는 커버 플레이트(cover plate)(38)를 포함할 수 있는데, 전자 패키지(34)는 이들 사이에 포지셔닝된다(positioned). 복수의 연결 핀(pin)들(40)은 무선 원격계측 회로가 제조되어 있는 전자 회로 보드 같은, 패키지(34) 내에 포함된 전자 회로 보드와, 센서들로부터의 리드 라인들, 유도 코일 어셈블리(induction coil assembly)들 또는 데이터 송신 안테나 같은 다양한 외부 디바이스들 사이의 연결을 가능하게 한다. 장착 브래킷(37), 커버 플레이트(38) 및 이들을 함께 연결하는 리텐션 나사(retention screw)(39)들(도 1에 도시됨)은 모두 터빈 블레이드(20)와 동일한 재료로 제조될 수 있다. 이는 터빈 블레이드(20)와 장착 브래킷(37) 사이에 열 팽창 차이가 없다는 것을 보장한다. 결과적으로, 열 과도 상태들 동안 장착 브래킷(37) 또는 터빈 블레이드(20)에 스트레스들이 생성되지 않는다.

전자 패키지(34)의 열 팽창 계수는 장착 브래킷(37)의 열 팽창 계수와 상이할 수 있다. 이들 컴포넌트들이 존재하는 동작 시스템이 고온에 있을 때, Kovar^® 합금으로 형성된, 임의의 회로 보드가 내부에 포함되어 있는 전자 패키지(34)는 장착 브래킷(37)보다 덜 팽창할 것이며, 이는 시스템의 진동 에너지(energy)에 의해 유발된 손상을 유도할 수 있다. 브래킷(37)과 전자 패키지(34) 사이의 치수 변화 차이를 수용하도록 장착 브래킷(37) 내에 전자 패키지(34)를 고정하기 위하여, 세라믹 섬유 직물로 된 층(41)이 전자 패키지(34)와 장착 브래킷(37)의 내부 표면 사이에 배치될 수 있다. 직물(41)은 실리콘 카바이드, 실리콘 니트라이드 또는 알루미늄 산화물(aluminum oxide) 같은 섬유(fiber)들을 포함하는, 적당한 세라믹 섬유로 제조될 수 있다. 예를 들어, 3M에 의해 제조된 다수의 Nextel^TM 알루미늄 산화물계 직물이 직물(41)에 사용될 수 있다.

전자 패키지(34)와 세라믹 섬유 직물(woven fabric)(41)이 원격계측 송신기 어셈블리(24)를 형성하기 위하여 장착 브래킷(37) 및 커버 플레이트(38)와 어셈블리된(assembled) 채로, 장착 브래킷(37)은 볼팅(bolting), 용접, 납땜과 같은 부착에 적당한 수단에 의해 또는 과도 액상 본딩을 통하여 터빈 블레이드(20)에 부착될 수 있다. 도 1은 어셈블리(24)를 수용하기 위하여 블레이드 루트(22) 근처의 터빈 블레이드(20) 내에서 밀링되거나(milled) 다른 방식으로 형성될 수 있는 리세스(recess) 또는 편평한 포켓(flat pocket)(42)을 예시한다.

커버 플레이트(38)에는, 커버 플레이트에 구조적 지지를 부가하기 위해, G-포스들의 방향에 수직으로 배향된 플랜지(flange)(44)가 형성될 수 있으며, 이는 회전 가능 터빈 블레이드(20)가 전속력으로 동작할 때 발생하는 g-로드 포스(g-load force)들을 상쇄시킨다. 이는, 리텐션 나사들(39)이, g-포스들을 통해 커버 플레이트(38)에 인가된 로드를 지탱하는 것을 완화하고, 원격계측 송신기 어셈블리(24)가 임의의 인접한 컴포넌트들에 지장을 주지 않고 비교적 작은 리세스(42) 내에 들어가도록 리텐션 나사들(39)이 충분히 작게 만들어지게 한다. 만약 리텐션 나사들(39)이 G-포스들에 의해 인가된 로드를 지탱하도록 요구받으면, 이들의 요구된 크기는 이용 가능한 공간에 들어가기에 너무 클 것이다.

도 1은 회전가능 안테나 어셈블리(26)가 루트(22)의 단부면 또는 목부에 부착될 수 있다는 것을 도시한다. 어셈블리(26)는 터빈 블레이드의 루트(22)를 포함하는 터빈 블레이드(20) 같은 터빈 핫 가스 경로 컴포넌트들에 사용된 Ni-기반 합금들과 상이한 열 팽창 계수들을 가진 전자 어셈블리일 수 있다. 하나 또는 그 초과의 회전가능 안테나 어셈블리들(26)은 음속에서 또는 음속 근처에서 터빈 블레이드(20)의 회전 동안 편류(windage)로부터 보호될 수 있다. 실시예에서, 편류 보호 재료는 재료를 통한 전력 및 데이터의 송신을 가능하게 하기 위하여 RF 무선 주파수들에 투과적이다. 회전가능 안테나 어셈블리(26)의 실시예들은 도 1에 도시된 내구성 있는, 보호용, RF 투과 커버(50)를 포함할 수 있고, RF 투과 커버(50)는 필수적으로 데이터 안테나 및 유도 전력 컴포넌트들이 포함되는 중공 픽스처(fixture)이다. RF 투과 커버(50)는 자신의 내용물들을 연소 터빈의 동작 동안 편류의 물리적 효과들로부터 보호한다. 특정 세라믹들은 상승된 온도들에서 엘리먼트들로부터 RF 송신 장비를 보호하기에 적당하다. 그러나, 많은 세라믹들 및 세라믹 매트릭스 복합체(ceramic matrix composite)들은 회전가능 터빈 블레이드(20)가 연소 터빈의 동작 동안 경험하는 진동 충격 및 G-로딩(loading) 하에서 치핑(chipping) 및 크래킹(cracking)하는 경향이 있다. 본 발명의 발명자들은, RF 투과 커버(50)가 RF 투과적이고, 높은 인성인, 구조적 세라믹 재료로 제조될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 세라믹 매트릭스 복합체들은 인성 강화된 세라믹들로서 알려진 재료들의 그룹(group)으로부터 선택된 재료뿐 아니라 커버(50)를 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 실리콘 카바이드, 실리콘 니트라이드, 지르코니아 및 알루미나 같은 재료들이 특정 프로세싱 접근법들로부터 발생하는 설계된 마이크로구조(microstructure)들 또는 부가적인 엘리먼트들에 의한 도핑(doping)으로 인해 증가된 인성으로 이용 가능하다.

RF 투과적이고, 형성하기 용이하며 비교적 값싼 하나의 그런 재료는 지르코니아-인성강화 알루미나(ZTA; zirconia-toughened alumina)로 일반적으로 지칭되는 세라믹 군으로부터 선택된 재료이다. 이런 알루미늄 산화물 재료들의 군으로부터 선택된 세라믹 재료는 종래의 순수 알루미늄 산화물 재료들보다 강도 및 인성에서 상당히 높다. 이는 알루미늄 산화물 전체에 걸쳐 균일하게 미세 지르코늄 산화물 입자들(fine zirconium oxide particles)을 포함시킴으로써 달성된 스트레스-유도 변환 인성강화로부터 발생한다. 통상적인 지르코늄 산화물(zirconium oxide) 함량은 10% 내지 20%이다. 결과적으로, ZTA는 통상의 순수 알루미늄 산화물 재료들에 비해 증가된 컴포넌트 수명 및 성능을 제공한다.

ZTA의 설계된 마이크로구조는, 세라믹이 압축에 로딩될 때 균열-저항성을 갖는다. 그러나, 장력에 충분히 로딩되면, 세라믹은 종래의 세라믹 재료들과 마찬가지로, 치명적으로 약해질 것이다. 결과적으로, RF 투과 커버(50)는, 세라믹 재료의 인장 스트레스들이 연소 터빈의 동작 동안 최소화되도록 설계된다. 이는 (1) ZTA 컴포넌트들의 모든 코너(corner)들, 에지(edge)들 및 벤드(bend)들이 날카로운 코너들 및 에지 위치들에서 스트레스 집중 계수(stress concentration factor)를 감소시키기 위하여, 이들 날카로운 코너들 및 에지들을 제거하도록 머시닝되고(machined), 그리고 (2) 회전가능 안테나 장착 브래킷(51) 내 ZTA 컴포넌트의 배향 및 피트(fit)가, 동작 동안 ZTA 박스(box)에 인가된 G-포스들이 부착 플랜지들 내에 상당한 벤딩(bending) 스트레스들을 생성하지 않게 설계 및 제조함으로써 달성된다. 이는 G-로딩 방향에 수직이기보다 G-로딩 방향과 평행하게 플랜지들을 배향함으로써 달성되고, 따라서 ZTA 플랜지는 벤딩에 로딩되지 않고 압축에 로딩된다.

장착 브래킷(51)은, 연소 터빈의 동작 동안 회전가능 안테나 어셈블리(26)에 의해 경험되는 모든 G-로딩이 브래킷(51)의 상단부를 향하여 연장되는 방향으로 흡수되도록 설계될 수 있다. 장착 브래킷(51)의 어떤 부분도 RF 투과 데이터 신호를 감쇠시킬 만큼 그 내부에 포함된 안테나를 지나 멀리 연장되지 않는다. RF 투과 커버(50)는 적소에 고정되고 따라서 RF 투과 커버(50)의 내부 스트레스 필드(internal stress field)는 주로 압축력이고 그의 플랜지들 상의 반원형 디보트(divot)들을 통해 스레드된 핀(threaded pin)들(도시되지 않음)을 사용하여 유지될 수 있다.

장착 브래킷(51)은 용접, 납땜, 본딩, 볼팅 또는 나사조임 같은 종래의 수단을 통해 터빈 블레이드(22)의 면에 부착될 수 있다. 회전가능 안테나 어셈블리(26)의 실시예는 세라믹 포팅 재료(ceramic potting material)를 갖는 안테나를 포함하는 커버(50)의 중공 몸체 내에 원하는 안테나를 배치함으로써 어셈블리될 수 있다. 그 다음 안테나를 포함하는 포팅된 RF 투과 커버(50)는 이전에 터빈 블레이드 루트(22)에 부착되었을 수 있는 장착 브래킷(51) 내로 미끄러져 들어갈 수 있다. 커버(50)는 장착 브래킷(51) 내에 삽입된 핀들 및 커버(50) 내 디보트들을 통하여 장착 브래킷(51)에 고정될 수 있다.

이제 도 3을 참조하면, 도 2의 하우징(24) 내에 포함된 고온 전자 패키지(34) 내의 엘리먼트들을 도시하는 분해도가 도시된다. 패키지 하단 공동(34A)은 그의 단부로부터 연장되는 전기 연결 핀들(40)을 포함하고, 이 연결기들은 패키지(34) 내의 전자장치들과 외부 센서들, 소스(source)들 및 안테나 사이의 통신을 가능하게 한다. 적어도 450℃까지의 고온들에서 기능하기 위하여, 패키지는 전자 회로 및 그의 기판(이하에서는, PC 보드(42))을 포함하도록 설계 및 크기 설정되어야 한다. 패키지는 온도 및 원심 하중 요건들을 견딜 수 있어야 하고 기판 회로소자를 보호하여야 한다. 따라서, 패키지(34)는 금-도금 Kovar^® 합금으로 만들어지고 전기 연결 핀들(40)은 금으로 만들어진다. 패키지(34)상 금 도금은 상승된 온도들에서 발생할 수 있는 Kovar^® 합금의 산화를 방지한다. 연결기들(40)은 개별 절연 슬리브(sleeve)들(도시되지 않음)에 의해 패키지로부터 절연된다. 한 쌍의 핀들(40)이 센서(30)와 통신하는 전기 연결기들(28)에 커플링된다. 제 3 핀은 접지 전위(전기 접지)에 커플링되는 반면, 핀들(4, 5, 6 및 7)은 전력의 소스에 커플링된다(포지티브(positive) 및 네거티브(negative) ac에 대해 각각 2개). 최종 핀은 송신기 출력(데이터) 신호를 안테나(26)에 커플링하기 위하여 사용된다.

PC 보드들

PC 보드(42) 또는 기판은 고온들에서 동작할 수 있는 재료, 예를 들어 세라믹 재료들, 이를 테면 알루미나, 지르코니아, 실리콘 카바이드, 실리콘 니트라이드, 알루미늄 니트라이드 등으로부터 바람직하게 제조된다. 회로 런(run)들 (또는 "프린팅 회로(printed circuit)들")은 바람직하게 고온에서 작동하는 금속들, 이를 테면 은, 금, 백금 또는 팔라듐으로 제조된다. 본 발명자들은 PC 보드(42)의 일 실시예를 제조하기 위하여 알루미나 기판들을 사용하여 두꺼운 막 프로세스를 선택한다. 알루미나 기판들은 두꺼운 막 금 페이스트(paste)로 금속화된다. 이들 기판들은 고온들에서 매우 잘 수행되었고 다이 부착 프로세스(이후 논의됨)와 잘 호환되었다. Dupont QG150 브랜드 금 페이스트가 금속화부(metallization)로서 선택되었다. 이 페이스트는 유리 산화물 바인더(glass oxide binder)를 가진 고밀도 금 파우더(powder)를 포함한다. PC 보드는 10-100 밀(mil) 두께의 알루미나로 형성될 수 있다. 최종 기판들은 20 밀 두께인 96% 알루미나 기판들을 포함한다. 고밀도 금 페이스트는 전도 층으로서 사용되었고, 또한 납땜될 수 있는 표면 및 표면에 본딩된 와이어로서 역할을 한다. 프린팅 능력들은 5 밀의 라인 해상도를 허용했다.

PC 보드(42)는 이전에 개괄된 바와 같이 다음 프로세스에 의해 어셈블리된다. 기판들은 두꺼운 막 스크린 프린팅 프로세스(thick film screen printing process)를 이용하여 준비된다. 전문화된 스크린 프린터(specialized screen printer)는 패턴화된 스테인레스 스틸 미세 메쉬 스크린(patterned stainless steel fine mesh screen)과 함께 사용된다. 금 페이스트는 알루미나(Al₂O₃) 기판상에 프린팅된다. 프린팅 후, 페이스트는 페이스트내 용제들을 "베이크 아웃(bake out)"하기 위하여 오븐(oven)에서 100℃로 건조된다. 다음, 기판들은 노 내에 배치되고 850℃에서 소성(firing)된다. 이런 프로세스 동안, 페이스트 내 유리/산화물 바인더(binder)들은 소결된 페이스트와 알루미나 기판 사이의 강한 접합을 형성한다. 다수의 프린트(print)들은 다수의 소성 단계들을 요구한다. 일 실시예에 따라, 두 개의 프린팅/소성 사이클들(상단 및 하단측 금속화)이 이용된다.

그 다음 소성된 기판들은 다이싱 톱(dicing saw)으로 적당한 치수들로 컷 아웃(cut out)된다. 상단 프린트는 회로 패턴(pattern)이 그 위에 형성되는 반면, 하단 프린트는 프린트가능성(printability) 제한들로 인해 "메쉬된(meshed)" 금속 평면이다. 후면 금속 평면은 야금 본딩 프로세스들이 상기 평면상에서 수행되게 허용할 것이다.

PC 보드(42)가 완성되고 컴포넌트들이 상기 PC 보드(42)에 부착되고 나면(이후에 기술됨), PC 보드는 공동(34A) 내에 배치되고 12-캐럿(carat) 금 와이어(44A, 44B)는 압축을 통해 적소에 PC 보드를 고정할 리테이너(retainer)를 형성하기 위하여 공동에 레이저(laser) 용접된다. 기판을 패키지 내에 기계적으로 홀딩(holding)하는 것은 패키지 및 그의 내용물들에 가해진 높은 g-포스들 때문에 최고로 중요하다. 리테이너와 패키지 사이에 차이를 보이는 열적 성장을 최소화하기 위하여, 리테이너는 패키지의 열 팽창 계수의 20% 내의 열 팽창 계수를 가진 재료로 형성될 수 있다. 동작 동안 PC 보드 및 회로 컴포넌트들의 배치를 안정화하는 것을 돕기 위하여 필러(filler) 재료를 패키지(34)에 부가하고 이를 PC 보드 및 회로 컴포넌트들에 걸쳐 확산하는 것이 실현 가능하다. 그러나, 사용된 임의의 필러는 온도 사이클들 동안 컴포넌트들 및 이들의 연결 와이어들의 임의의 팽창 또는 수축을 허용하여야 한다. 마지막으로, 뚜껑(34B)은 공동(34A)의 상단에 고정된다. 일 실시예에 따라, Kapton^® 브랜드 폴리이미드(polyimide) 절연 테이프(tape)는, 뚜껑(34B)이 압축에 의해 기계적으로 고정될 수 있을 때까지 뚜껑(34B)을 적소에 홀딩하기 위하여 사용되었다. 뚜껑(34B)을 고정하기 위한 다른 실시예는 뚜껑(34B)을 패키지 공동(34A)에 용접하는 것이다.

이하에 더 상세히 설명될 바와 같이, PC 보드들(42)에 대한 두 개의 상이한 회로 레이아웃(layout) 패턴들이 사용될 수 있다. 제 1 패턴은 터빈의 선택된 컴포넌트의 온도의 변화들을 감지하는 회로용으로 설계되고, 여기서 센서(30)는 열전쌍이다. 컴포넌트 온도를 나타내는 신호는 회로소자에 의해 증폭되고 프로세싱되고, 그 다음 FM 송신기를 통해 전송되고 안테나(26) 같은 안테나를 통해 브로드캐스트(broadcast)된다. 이런 타입의 회로는 온도를 측정하는 센서들 이외의 센서들에 사용될 수 있지만, 이러한 타입의 회로는 또한 정적 스트레인, 전도 트레이스(conductive trace), 화학 센서들 또는 압력 센서들처럼 응답으로서 직류(direct-current)(D/C) 출력 신호를 생성한다. 제 2 패턴은 터빈의 선택된 컴포넌트 상에서 발생하는 동적 스트레인을 감지하는 회로를 위해 설계되고, 여기서 센서(30)는 스트레인 게이지이다. 선택된 컴포넌트 상에서 발생하는 동적 스트레인을 나타내는 신호는 회로소자에 의해 증폭되고 프로세싱되며, 그 다음 별개의 FM 송신기를 통해 전송되고 안테나(26) 같은 안테나를 통해 브로드캐스트된다. 이런 타입의 회로는 동적 스트레인을 측정하는 센서들 이외의 센서들에 사용될 수 있지만, 이러한 타입의 회로는 또한 가속도계들 또는 전자기파 방사 검출기들처럼 응답으로서 교류(alternating-current)(A/C) 출력 신호를 생성한다. 대안적인 실시예는 수신된 신호를 두 개의 별개의 데이터 신호들로 디코딩(decoding)하도록 구성된 단일 FM 수신기로의 송신을 위해 다수의 신호들을 멀티플렉싱(multiplexing)하는 단일 FM 송신기를 사용한다. 도 3에 도시된 바와 같은 PC 보드(42)는 예시에서 부분적으로 완성되고 일반적으로 열전쌍 회로를 대표한다. 회로들 둘 다는 이하의 본원에서 추가로 설명될 FM 송신기의 콜피츠 발진기에 대한 탱크 회로(tank circuit)의 일부인 공심 인덕터 코일(L1)을 포함한다. 코일(L1)의 품질 팩터(quality factor)(Q)는 회로의 동작 온도 및 동작 주파수에서 적어도 5일 수 있다. 스퍼터링된 금 또는 은 재료(sputtered gold or silver material)는 코일을 형성하기 위하여 사용될 수 있지만; 그런 증착 프로세스들은 통상적으로 낮은 Q 값을 가진 인덕터를 초래한다. 본 발명자들은 인덕터 코일을 형성하기 위하여 금 또는 은 와이어를 성공적으로 이용하였다. 금속 와이어 공심 전도체는 고주파수들에서 전기 단락들을 방지하기 위하여 그 길이를 따라 포팅될 수 있다. 절연 테이프는 전기 단락들을 방지하기 위하여 자체 교차하는 경우 포팅된 와이어 상에 래핑될 수 있다(wrapped). 대안적으로, 금속 와이어는 전기 단락들을 방지하기 위하여 그의 교차 포인트(cross over point)들에 브리지(bridge)로 형성될 수 있다. 그런 코일의 기계적 강도 및 안정성을 증가시키기 위하여, 포팅 재료는, 임의의 그런 포팅 재료가 반드시 코일의 Q 팩터에 영향을 미칠 것이지만, 와이어 둘레에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, (Ceramabond^® 브랜드 세라믹 시멘트(ceramic cement) 같은) 세라믹 알루미나 페이스트 서스펜션(ceramic alumina paste suspension)으로 포팅된 금 와이어는 가스 터빈 동작 온도들 및 G 포스들에서 원하는 정도의 구조적 안정성을 제공했고 5보다 큰 Q 팩터를 제공했다. 그런 알루미나-기반 포팅은 또한 코일에 대한 전기 절연체로서 작동하고, 따라서 별개의 전기 절연이 와이어 자체 둘레에 요구되지 않는다.

다이/컴포넌트 부착

전자 패키지가 적어도 450℃까지의 상승된 온도들에서 기능하고 1000 g's보다 큰 원심 하중을 견디기 위하여, 특정 요건들은 PC 보드(42)에 컴포넌트들을 부착하기 위하여 충족되어야 한다. 모든 본드(bond)들은 땜납의 적당한 리플로(reflow)의 보장을 위해 진공 오븐에서 수행된다. 발명자들은 납땜되는 컴포넌트가 아주 가벼운 질량을 가질 때 부딪칠 수 있는 주 문제점을 인식하였다. 컴포넌트의 질량이 매우 작으면, 액체 합금이 구슬 모양이 되므로 액체 합금의 표면 장력을 깨는 것이 불가능할 수 있고, 컴포넌트 부분은 땜납에서 떠밀리게 다른 포지션(position)으로 미끌어질 수 있거나, 비스듬히 기울어질 수 있다("톰 스토닝(tomb stoning)"이라 불림).

이 문제를 극복하기 위하여, 본 발명자들은 진공 오븐의 가열된 픽스처에 들어가는 전달 플레이트 및 컴포넌트 정렬 템플레이트(template)들을 이용하는 접근법을 개발하였다. 전달 플레이트(60)는 도 4a의 평면 및 입면도들에서 도시되고 컴포넌트 정렬 플레이트들(61 및 62)의 쌍은 도 4b에 평면도로 또한 도시된다. 도 4a는 도 3에 도시된 PC 보드(42)를 어셈블링(assembling)하는데 사용된 전달 플레이트(60)의 평면 및 단면도들을 예시한다. 플레이트는 흑연으로 만들어지고 어셈블리 동작 동안 PC 보드에 부착될 컴포넌트들을 정렬하기 위한 정렬 플레이트들(60, 61) 및 기판(PC 보드)의 수용을 위하여 크기가 설정되고 형상화된다. 정렬 플레이트들(60, 61)은 고온들을 견딜 수 있어야 하고 납땜에 비활성이고 저항성이어야 하며, 컴포넌트들에 대한 매우 정밀한 컷아웃(cutout)들을 정의할 수 있어야 한다. 따라서, 합금(316) 스테인레스 스틸은 이들 플레이트들을 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 컷아웃들의 작은 크기 및 높은 정밀성에 대한 필요로 인해, 레이저 커팅(laser cutting)은 제조를 위해 사용될 수 있다.

다음 관심은 컴포넌트들을 PC 보드(42)에 부착하기 위한 땜납의 포뮬레이션(formulation)이다. 재료는 다이 금속화부(Au 얇은 막) 및 기판 금속화부(Au 두꺼운 막)와 호환해야 한다.

두 개의 습한(wetting) 표면들 사이에서 고온 필러 금속의 용융을 포함하는 비교적 단순한 프로세스인 납땜은 아래의 3개의 주 요인들로 인해 본 출원에 대해 덜 최적인 것으로 판명되었고: (1) 대부분의 납땜들은 700℃ 초과의 액상 온도를 가지며 높은 부식성 플럭스(flux)들을 요구하고; (2) 많은 납땜 합금들은 공융하지 않고 프로세싱을 복잡하게 할 수 있는 매우 큰 플라스틱(plastic) 구역을 가지며; 그리고 (3) 대부분의 납땜들은 금 표면들과 호환가능하지 않다.

발명자들은 또한 천이액상(TLP; Transient Liquid Phase) 본딩이 덜 최적인 것으로 판명했다. 이 프로세스에서, 낮은 용융점 합금은 두 개의 호환 가능한 표면들 사이에서 액화된다. 합금이 접합면들 사이의 갭들 내에 충전될 때, 그것은 호환 가능 금속들을 "용해"하거나 "침출"시키도록 작용한다. 이런 작용은 합금의 조성을 변화시키고, 이에 의해 필러의 용융점을 이동시켜서, 응결 및 극히 고품질의 본드를 초래한다. 이런 프로세스의 주 요건은 본딩되는 표면들이 두꺼운 반면 녹는 합금 층이 극히 얇다는 것이다. 이런 프로세스가 도금된 얇은 막(20 마이크론(micron) 두께) 및 두꺼운 막(25 마이크론 두께) 기판들에 적용되었을 때, 발명자들은 결과들에서 매우 큰 모순을 발견하였고 많은 것은 허용 요건들을 통과하지 못했다.

발명자들은 순수 금을 이용하는 고체 상태 확산 프로세스가 본 애플리케이션(application)에 대해 유용하다는 것을 발견하였다. 이 프로세스에서, 액체 금속은 이용되지 않는다. 대신, 금의 빠른 자체 확산 특성은 두 개의 순수한 금 표면들 사이에 매우 고품질 본드를 생성하기 위하여 사용된다. 고체 상태 확산이 필러 재료 없이 수행될 수 있지만, 이는 통상적으로 적당한 콘택 영역(contact area)을 얻기 위하여 접합면들을 함께 압축하기 위하여 매우 높은 압력들을 요구한다. 그런 압력 대신, 본 발명자들은 본딩 표면들 사이의 갭들에 충전하기 위하여 금 필러 재료를 선택했다. 금 포일(foil) 및 파우더 둘 다가 조사되었고, 파우더는 소결로 인한 가열 하에서 고체의 균질한 층을 형성하고 갭들에 충전하는 둘 다의 자신의 능력으로 인해 보다 우수한 옵션(option)인 것으로 증명되었다. 소결은 두 개의 작은 입자들을 함께 고체 매트릭스로 조인(join)하기 위하여 확산을 이용하는 프로세스이다. 이것은 일반적으로 확산 비율을 증가시키기 위하여 상승된 온도에서 수행된다. 고체 상태 확산 프로세스가 금 파우더로 수행될 수 있지만, 금 페이스트가 이 애플리케이션에서 사용하기에 보다 용이하다는 것을 추가로 발견하였다. 페이스트는 분배, 스탬핑(stamping), 및 스크린 프린팅을 포함하는 다수의 방법들에 의해 적용될 수 있다. 금 페이스트와 금 파우더 사이의 주 차이점은 파우더가 용이하게 적용될 수 있도록 전달 매체로서 작용하는 유기 비히클(organic vehicle)(예컨대, 폴리머(polymer)들, 테르피네올(terpineol), 또는 글리콜 에테르(glycol ether)들), 및 본딩이 원해질 때까지 파우더들을 분리하도록 작용하는 계면 활성제들 둘 다를 페이스트가 가진다는 것이다.

다수의 금 두꺼운 막 페이스트들이 사용을 위해 선택되었다. 페이스트가 순수 금 층에 접착을 제공하지 않을 다른 첨가제들(산화물 기반 바인더들 및 유리 프리트(glass frit)들)을 가지는 반면, 이들은 알루미나 기판들 및 두꺼운 막 금 금속화부(gold metallization)와 호환 가능하다. 부가적으로, 이들 페이스트들은 쉽게 이용 가능하고, 작은 고순도 금 파우더를 포함하고, 쉬운 애플리케이션을 위해 설계된다. 많은 금 페이스트들은 호환 가능한 것으로 증명되었고, 가장 우수한 수행 옵션은 이용 가능한 가장 높은 금 조성을 가진 페이스트인 DuPont QG 150인 것으로 판명되었다. 이것은 기판을 금속화하기 위하여 사용된 동일한 페이스트이고, 따라서 전체 시스템과 잘 호환 가능하다. 이 프로세스에서, 다이 및 컴포넌트들은 작은 양의 QG 150 금 페이스트를 이용하여 금 금속화된 기판에 놓인다. 그 다음 어셈블리는 오븐에서 400℃로 12 시간 동안 놓인다. 이 시간 동안, 금-금 확산은 이웃하는 금 입자들 사이 및 입자들과 본딩 표면들 사이에서 발생한다. 결과적인 본드는 매우 강하고 500℃를 훨씬 초과하는 온도들을 견딜 수 있다. 부가적으로, 프로세스는 단순하고, 빠르고, 반복 가능하고, 그리고 매우 작은 컴포넌트들 상에서 수행될 수 있다.

이제 도 5a, 도 5b 및 도 5c를 참조하면, 회로 보드 상에 컴포넌트들을 정렬 및 어셈블링하기 위하여 사용된 전달 플레이트들의 사시도들이 도시된다. 첫째, 기판들 또는 PC 보드들(42)은 전달 플레이트(60)의 공동들 내에 배치된다. 다음, 정렬 플레이트들(61, 62)은 기판들 위에 배치된다. 그 다음 컴포넌트 부착 금 페이스트는 정렬 플레이트들의 개구들 내에 배치되고 그 다음 컴포넌트들은 어셈블리 동작 동안 정렬 플레이트들(60, 61)의 개구들 내에 배치된다. 기판들, 정렬 플레이트들, 금 페이스트 및 컴포넌트들과 함께 전달 플레이트(60)는 도 5c에 도시된 바와 같이, 가열된 흑연 플레이트들(65) 사이에 샌드위치된다(sandwiched). 어셈블리는 다음에 오븐에서 400℃로 12 시간 동안 놓인다. 이 시간 동안, 금 대 금 확산이 발생하고, 다이 및 컴포넌트들은 500℃보다 높은 온도들에서 높은 전단 강도로 부착된 채 유지된다. 프로세스는 다이와 컴포넌트들을 적당하게 정렬하는 픽-앤-플레이스 머신(pick-and-place machine)에 의해 반복 가능하게 된다.

와이어 본딩

와이어 본드들은 많은 전자 애플리케이션들에서 사용되는 표준 방법이지만; 이들은 고온들에 있는 동안 그런 높은 시어 포스(sheer force)(즉, g-로딩)를 겪는 환경에 이용될 것을 발명자들이 알지 못한다. 이제 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 반도체 기술들에서 통상적으로 사용된 와이어 본딩 기술들이 도시된다. 도 6a는 본딩 와이어의 각각의 단부의 풋(foot) 및 힐(heel)을 예시하고, 도 6b는 용어 "루프 높이(loop height)" 및 "본드 길이(bond length)"를 예시한다. 도 7은 통상적인 와이어 본딩의 g-포스 분석을 도시하는 사시도이고, 여기서 g 포스들은 4개의 상이한 방향들로부터 적용된다. 첫째, X 및 -X 방향으로 라벨링된(labeled) 와이어 본드를 가로질러(즉, 와이어에 평행한 방향으로) 반대 방향의 두 개의 가능한 힘들이 존재하고, 그 다음 Z 및 -Z 방향으로서 라벨링된 와이어 본드로(즉, 와이어에 수직 방향들로) 반대 방향들의 두 개의 가능한 힘들이 존재한다. 도 8은 이들 다양한 방향들에서 시뮬레이팅된 g-포스 스트레스 하에서 와이어의 변형을 도시하는 와이어 본딩의 다이어그램(diagram)들을 예시한다. 집적 회로들을 PC 보드에 연결하기 위하여 사용되는 상호연결 기술은 임의의 전자 시스템에 대한 중요 컴포넌트이다.

높은 g-포스들 하에서, 와이어 본드들이 그들의 시작 포지션으로부터 특정 정도로 편향할 것이 보통 예상된다. 본 발명자들은 본 발명의 고온 및 높은 g 환경에서 금 와이어 본드들이 이용 가능하다는 것을 예상치 않게 발견했다. X 방향의 와이어 본드의 로딩(도 8의 로드 세트 2(Load Set 2))이 와이어에 최소 전체 스트레스들을 초래했다는 것이 발견되었다. 0.7 및 1.0 밀 직경 둘 다의 금 와이어 본드들이 사용되었다. 와이어 본드들이 원심 하중에 평행하게 배향되고, 최대 루프 높이가 17.4 밀 보다 크지 않고, 그리고 최대 본딩 길이(본딩 패드(bonding pad)로부터 본딩 패드까지)가 35 밀 미만으로 유지되면, 양쪽 직경들의 와이어 본드들이 이 구조적으로 안정할 것이라는 것이 밝혀졌다. 이들 결과들은 1,000 g's보다 큰 로딩들을 허용할 수 있고, 실제로 10,000 g's 초과의 로딩들을 허용할 수 있는 것으로 검사되었다. 와이어 특성들, 루프 높이, 본딩 길이 및 온도 모두는 와이어 본드의 최대 지속가능한 G-로드에 영향을 미친다.

전자장치들

이제 도 9a를 참조하면, 본원에 사용된 증폭기 회로들을 위한 고유 회로 바이어싱을 예시하는 예시적인 개략도가 도시된다. 바이어스 회로의 기능은 JFET들을 적당한 동작 영역 내에 두는 것이다. JFET에 대해, 동작 장소들은 JFET가 작은 저항기로서 거동하는 오움 구역(ohmic region) 내, 또는 JFET가 전압 제어 전류원으로서 거동하는 포화 구역 내의 다양한 포인트들일 수 있다. 상이한 바이어싱 포인트들은, 심지어 동일한 구역 내의 상이한 포인트들에서도, 상이한 JFET 거동을 유도한다. 많은 JFET의 특성들이 JFET가 25℃ 내지 500℃ 범위의 온도에 걸쳐 동작될 때 변화한다. 본원에서 특정 관심사항은 디바이스가 저온에서보다 고온에서 이득을 덜 나타낼 것이라는 사실이다. 다른 중요한 변화는 온도 증가 동안 JFET 임계 전압의 하향(보다 네거티브) 이동인, 온도에 걸친 JFET 성능의 특성들이며, 이는 도 9b의 도면에서 설명된다.

구조적으로, 도 9a에 도시된 증폭기 회로는 포지티브 전압의 소스(V(+)) 및 네거티브 전압의 소스(V(-)) 사이에 직렬로 커플링된 RB_1 및 RB_2를 포함하는 분압기 네트워크(voltage divider network)를 포함한다. RB_1 내지 RB_2를 연결하는 회로 노드(circuit node)(1000)는 입력 캐패시터(C_1)의 일측 및 JFET(Q1)의 게이트(gate) 단자에 커플링된다. C_1의 다른 측은 입력 단자(V(in))에 커플링된다. JFET(Q1)의 소스 단자는 접지 전위에 커플링되고, JFET(Q1)의 드레인(drain) 단자는 로드 저항기(RD)의 일측에 커플링된다. 저항기(RD)의 다른 측은 포지티브 전압(V(+))의 소스에 커플링된다. Q1의 드레인 단자는 다른 캐패시터(C_2)를 통해 출력 단자(V(out))에 또한 커플링된다.

도 9b는 가변하는 온도들 하에서 도 9a의 증폭기의 AC 출력 전압 대 바이어스 전압의 변화하는 레벨을 예시한다. 즉, 노드(1000) 상의 전압 레벨은 도 9b의 수평 축 상에 그려지고, 결과 출력 전압(V(out))은 수직 축 상에 그려진다. 곡선(1001)은 25℃의 온도에서 출력 전압을 나타내고; 곡선(1002)은 100℃에서 출력 전압을 나타내고; 곡선(1003)은 200℃의 온도에서 출력 전압을 나타내고; 곡선(1004)은 300℃의 온도에서 출력 전압을 나타내고; 곡선(1005)은 400℃의 온도에서 출력 전압을 나타내고; 그리고, 곡선(1006)은 500℃의 온도에서 출력 전압을 나타낸다.

JFET 공통 소스 ac 증폭기(예를 들어, 도 9a)에서, 가장 높은 ac 전압 이득을 초래하는 좁은 범위의 바이어스 전압이 존재한다. 따라서, 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 보다 낮은 최대 ac 출력 전압을 초래하는 온도에 걸쳐 감소되는 이득이 존재한다. 또한, 최대 피크-대-피크 출력 전압(peak-to-peak output voltage)이 발생하는 바이어스 포인트가 좌측(증가된 온도에 따라 보다 네거티브 dc 게이트 바이어스 전압)으로 이동하는 것이 도시된다. 이상적인 바이어싱 회로는 피크를 추적할 것이고 이에 의해 최적 성능을 제공한다. 따라서, 온도 변화들에 따라 바이어싱 dc 전압을 적응시키는 것이 원해진다.

저항기들(RB_1 및 RB_2)은 도 9b의 수평 축 상에 도시된 것과 동일한 전압인 공통 소스 증폭기(도 9a)의 게이트 대 소스 전압(Vgs)의 dc 동작 포인트를 설정한다. 예를 들어, 25℃에서 피크 ac 전압 출력에 대한 바이어스 포인트는 Vgs=-1.7v인 경우이다. 저항기(RD)는 증폭기의 전압 이득을 결정하는 것을 돕는 JFET 드레인 저항기이다. (25℃ 내지 450℃의) 온도 익스쿠션(excursion)에 걸쳐 회로를 바이어싱할 때 고려되어야 하는 두 특성들은 전압이 피크 출력 전압을 초래하는 것을 추적해야 하는 저항기들(RB_1 및 RB_2)에 의해 설정된 바이어스 포인트; 및, 회로의 이득이 증가하는 온도에 따라 증가되어야 한다는 것이다. 상기 두 조치들이 취해지면, 디바이스의 출력 특성들은 관심 있는 온도 범위에 걸쳐 필수적으로 일정하게 유지될 것이다. 이것은 저항기(RB_1)가 포지티브 온도 계수(PTC:positive temperature coefficient)의 저항을 가지는 반면, 저항기(RB_2)가 제로 온도 계수(ZTC:zero temperature coefficient)의 저항을 갖도록 설계함으로써 달성될 수 있다. 제 2 접근법은 온도가 증가할 때 증폭기 이득을 증가시키기 위하여(낮은 온도에서의 이득과 동일한 높은 온도에서의 이득 초래), 저항기(RD)에 PTC를 또한 제공하는 것이다.

저항의 온도 계수들은 몇몇 방식들로 구현될 수 있다. 온도 계수들은 표면 장착 서미스터(thermistor)들을 사용하여 잠재적으로 적용될 수 있거나 회로 보드에 부착된 상이한 재료들로 제조될 수 있다. 다양한 저항 온도 계수(TCR:temperature coefficient of resistance)를 소유하는 이용 가능한 많은 두꺼운 막 페이스트들이 있다. 일 실시예에 따라, 저항기들(RB_1 및 RD)은 TaN 두꺼운 막으로 형성되는 반면, 저항기(RB_2)는 백금 두꺼운 막으로 형성된다.

이제 도 10을 참조하면, 스트레인 게이지 회로의 블록도가 도시된다. 측정된 터빈 컴포넌트 상에 가해지는 스트레인 양을 나타내는 신호는 스트레인 게이지(101)에 의해 형성된다. 그 다음 이 신호는 차동 증폭기(102)에 의해 감지되고 추가 증폭을 위해 AC 증폭기(103)에 커플링된다. 증폭된 스트레인 게이지 신호는 그 다음 전압 제어 발진기(104)의 입력에 인가되고, 전압 제어 발진기(104)는 발진 신호를 생성하고, 발진 신호의 주파수는 측정된 터빈 컴포넌트 상에 가해지는 스트레인을 나타낸다. 그 다음 이 발진 신호는 버퍼(buffer)(105)에 버퍼링되고(buffered) 반송 주파수로 튜닝되는(tuned) 종래의 튜너(tuner)(도시되지 않음)에 송신을 위하여 안테나(26)에 전달된다.

이제 도 11을 참조하면, 열전쌍 회로의 블록도가 도시된다. 측정된 터빈 컴포넌트의 온도를 나타내는 신호는 열전쌍(110)에 의해 검출되고, 상기 신호는 차동 증폭기(111)로 전달된다. 차동 증폭기(111)의 출력은 dc 증폭기(112)로 전달된다. 증폭기(112)의 출력 및 구형파 발진기(113)의 출력(또는 구형파 발생기)은 "초퍼"(114)의 입력들에 커플링된다. 초퍼(114)의 출력은 발진 신호를 형성하는 전압 제어 발진기(115)의 입력에 커플링되고, 상기 발진 신호의 주파수 및 진폭은 측정된 터빈 컴포넌트 상에서 감지된 온도를 나타낸다. 그 다음 이런 발진 신호는 버퍼(116)에 의해 버퍼링되고 반송파 주파수로 튜닝되는 종래의 튜너(도시되지 않음)로 송신을 위하여 안테나(26)로 전달된다. 두 타입의 회로들이 동일한 터빈에 사용되는 경우, 반송 주파수들은 두 개의 신호들 사이의 혼란을 회피하기 위하여 상이할 것이다.

이제 도 12를 참조하면, 스트레인 게이지 출력 신호를 증폭하기 위한 회로들(101, 102 및 103)의 개략도가 도시된다. 종래의 무선 원격계측 회로 설계의 수정은 450℃ 초과의 온도들에서 사용할 수 있는 이용 가능한 전기 디바이스들의 보다 제한된 선택으로 요구된 임무들을 전기적으로 달성하기 위하여 요구되었다. 스트레인 게이지 신호 컨디셔닝(여기 및 증폭) 회로는 단지 하나의 타입의 트랜지스터, 즉 높은 온도 금속화부를 가진 JFET만을 사용하여 설계되었다. 금속 본딩 패드들(즉, 금)의 연결은 반도체 재료에 직접적으로 이루어질 수 있는 것이 아니라, 텅스텐(tungsten) 같은 부착 층을 사용하여야 하고, 그리고 아마도 또한 확산 배리어(diffusion barrier)를 부가한다. 이들 금속들은 다이의 "금속 스택(metal stack)", 즉 높은 온도 금속화부를 포함한다.

구조적으로, 포지티브 전압의 소스(Vdc(+))와 접지 전위 사이에 커플링된 저항기(R7) 및 스트레인 게이지를 포함하는 분압기 네트워크가 있다. 회로 노드(1100)는 저항기(R7)와 스트레인 게이지 사이의 연결 포인트이고, 또한 캐패시터(C4)를 통하여 JFET 트랜지스터(J1)의 게이트 단자에 커플링된다. 트랜지스터(J1)는 도 9a를 참조하여 상기 설명된 것과 동일한 방식으로 이 트랜지스터의 게이트 단자에 조인되는 저항기들(RB_1 및 RB_2)의 쌍에 의해 바이어스된다(biased). 트랜지스터(J1)는 트랜지스터(J2)를 포함하는 차동 증폭기의 반쪽이다. 트랜지스터(J1)의 드레인 단자는 저항기(R1)를 통해 포지티브 전압(Vdc(+))에 커플링되고 트랜지스터(J2)의 드레인 단자는 저항기(R2)를 통하여 동일한 Vdc(+)에 커플링된다. 저항기들(J1 및 J2)의 소스 단자들은 함께 다른 트랜지스터(J3)의 드레인 단자에 커플링되고, 트랜지스터(J3)는 접지 전위에 커플링된 게이트 단자 및 다른 저항기(R3)를 통해 접지 전위에 또한 커플링된 소스 단자를 포함한다. 트랜지스터(J2)의 게이트 단자는 또한 접지 전위에 커플링된다. 그러므로, 트랜지스터(J1)의 게이트 단자상 임의의 변화는 트랜지스터(J1)의 드레인 단자에서 증폭될 것이고 이 드레인 단자는 캐패시터(C1)를 통하여 또 다른 트랜지스터(J4)의 게이트 단자에 커플링되고, 트랜지스터(J4)는 트랜지스터들(J5 및 J6)을 포함하는 3개의 보다 많은 증폭 스테이지(amplification stage)들(ac 증폭기(103)) 중 제 1 증폭 스테이지이고, 증폭기의 출력은 단자(Vout)에 제공된다.

측정된 컴포넌트 ― 상기 컴포넌트는 스트레인 게이지를 포함함 ― 상에 놓인 스트레인의 변화는 스트레인 게이지 저항기의 저항을 변화시키고, 이에 의해 트랜지스터(J1)의 게이트 단자의 전압을 변화시킨다. 이것은 저항기(R1)에 걸친 트랜지스터(J1)의 출력을 변화시키고, 저항기(R1)는 트랜지스터들(J4, J5 및 J6)에 의한 증폭의 연속 스테이지들에 커플링된다. 도 13에 도시된 저항기들 모두 ― 저항기(RB_1)(PTC를 가짐)를 제외하고 ―는 매우 낮은(제로에 가까운, 약간 포지티브) 온도 계수의 저항을 가진다. 또한, JFET 트랜지스터들 모두는 상기 설명된 바와 같이, 높은 온도 금속화부로 만들어진다.

이제 도 13을 참조하면, 열전쌍 출력을 증폭하고 열전쌍 회로소자의 로컬 온도를 증폭된 출력 신호에 임베딩하기 위한 회로들(110, 111 및 112)의 개략도가 도시된다. 이런 방식으로, 단지 열전쌍 출력보다 오히려 열전쌍에 걸친 열 기울기가 전송될 수 있어서, 정확한 온도 측정을 제공한다. 도 16은 도 11의 블록도에 도시된 회로소자에 커플링된 열전쌍(110)(즉, 열전쌍 회로소자(201))을 예시한다. 열전쌍(110) 출력은 ΔT℃를 나타내는 것으로서 도시된다. 이후에 도시되고 추가로 설명될 바와 같이, 출력은 ΔT℃와 터빈의 진짜 측정된 온도를 나타내는 열전쌍 회로소자(201)의 로컬 온도의 합이다.

도 13을 다시 참조하면, 열전쌍의 네거티브 레그(leg)는 접지되고, 포지티브 레그는 트랜지스터(J7)의 게이트 단자에 연결되고, 트랜지스터(J7)는 트랜지스터(J8)와 함께 차동 증폭기(111)를 형성한다. 이런 차동 증폭기는 트랜지스터(J7)의 게이트 단자에서 함께 커플링된 RB_1 및 RB_2를 포함하는 분압기 외에도 트랜지스터(J9)와 함께 형성된 전류원에 의해 바이어싱된다. 이상 설명된 바와 같이, 고온 환경(도 9a 및 첨부 설명 참조)을 보상하기 위하여 저항기들(RB1)은 PTC를 가지며 저항기(RB_2)는 ZTC를 가진다.

열전쌍 신호가 dc이거나, 매우 낮은 주파수 ac이기 때문에, 연속적인 증폭 스테이지들은 용량적으로 커플링될 수 없다. 대신, 트랜지스터(J10)는 공통 소스 트랜지스터(J11)가 바이어싱되어야 하는 레벨까지 차동 증폭기의 출력을 하향 이동시키기 위하여 소스 팔로워 구성(source follower configuration)에 사용된다. 소스 팔로워가 차동 증폭기의 출력 임피던스(impedance)를 낮춘다는 것이 인식될 것이다. 트랜지스터(J11)는 신호를 추가로 증폭시키기 위한 역할을 한다. 트랜지스터들(J12 및 J14)은 다른 레벨 이동 및 증폭 스테이지(dc 증폭기(112))를 형성한다. 이런 포인트에서, 열전쌍의 출력은 적당한 레벨로 증폭되었다. 지금 열전쌍 회로 소자의 로컬 온도가 증폭된 신호에 임베딩되어야 한다.

트랜지스터들(J14 및 J15)은 트랜지스터(J16)에 의해 형성된 전류원에 의해 바이어싱되는 차동 쌍 증폭기를 형성한다. 저항기들(R18, R19 및 R20)과 함께 캐패시터들(C6 및 C7)은 -90°내지 +90°위상 이동 네트워크를 형성한다. 이런 위상 이동 네트워크는 트랜지스터(J15)에서 증폭기 입력의 하나의 단부에 연결되고, 다른 단부는 RC 피드백 네트워크(RC feedback network)를 포함하는 증폭기의 출력(트랜지스터(J14)의 드레인 단자)에 커플링된다. 이 구성은 릴렉세이션(relaxation) 타입 RC 발진기(구형파 발진기(113))를 형성한다. 캐패시터들(C6 및 C7)은 NP0 타입 캐패시터들이고 이들의 캐패시턴스(capacitance)는 25℃ 내지 450℃의 온도 익스쿠션에 걸쳐 눈에 띄게 변화하지 않는다. NP0 캐패시터 유전체는 네거티브-포지티브-제로 온도 계수의 캐패시턴스를 가지며, 여기서 포지티브 및 네거티브 온도 계수들은 서로를 상쇄시킨다. 캐패시터(C8)는 RC 피드백 네트워크와 트랜지스터(J14)의 드레인 단자에 있는 차동 증폭기의 출력 사이에 직렬로 커플링된다. 이 캐패시터는 X7R 유전체로 만들어지고, 따라서 그의 캐패시턴스는 온도 변화들에 따라 예측 가능하게 변화한다. X7R은 NP0 유전체보다 높은 유전 상수를 가지지만, 온도에 대한 큰 캐패시턴스 종속성(예측 가능함)을 가진 캐패시터 유전체이다. 이 발진기의 출력은 온도 종속 캐패시터(C8)에 의해 결정된 주파수를 갖는 구형파이고; 따라서, 열전쌍 회로소자의 로컬 온도는 구형파 신호로 인코딩될 수 있다(encoded). (실온에서 도 17에 도시된 발진기(113) 출력 파형(210); 및 도 18에 도시된 상승된 온도에서 동일한 발진기 출력 파형(212) 참조). 트랜지스터(J27)는 초퍼 트랜지스터(즉, 초퍼(114))로서 역할을 한다. 트랜지스터(J13)로부터의 증폭된 열전쌍 출력(도 19의 파형(214))은 트랜지스터(J27)의 드레인 단자에 커플링되는 반면, 구형파 발진기 출력은 동일한 트랜지스터(J27)의 게이트 단자에 커플링된다. 트랜지스터(J27)의 소스는 구형파 출력을 제공하고, 구형파 출력의 진폭은 열전쌍(110)의 온도에 비례하고, 그리고 구형파 출력의 주파수는 열전쌍 회로소자의 온도에 비례한다(도 20에 도시된 파형(216) 참조). 따라서, 신호는 열전쌍 출력 외에도 열전쌍 회로소자의 온도를 포함하고, 상기 신호는 전압 제어 발진기(115)에 인가된다.

열전쌍(110) 및 그의 회로(113)의 동작의 예로서, 회로소자(113)의 온도가 25℃이고 발진기(113)의 대응하는 출력이 1.62 kHz의 주파수(도 17, 파형(210))라고 가정하자. 또한, 12 mv 출력 전압(도 19, 파형(214))이 320℃의 ΔT에 대응하는 특정 열전쌍(110)이 사용된다고 가정하자. 지금, 회로소자(113)의 온도가 325℃이고 발진기(113)의 출력이 5.44 kHz(도 18, 파형(212))라고 가정하자. 파형들(212 및 214)을 트랜지스터(J27)와 결합함으로써, 트랜지스터(J27)의 결과적인 출력(즉, 회로의 출력)은 파형(216)에 의해 예시된다. 따라서, 측정된 결과 온도는 열전쌍의 핫 단부에서 645℃이다. 파형(216)의 주파수는 로컬 회로소자(113)의 온도를 나타내고 크기는 ΔT를 나타낸다. 따라서, 당업자는 신호 디코딩 및 부가 동작들을 수행하기 위하여 FM 수신기(도시되지 않음)와 연관된 회로소자를 구성할 수 있다.

이제 도 14를 참조하면, 전력 컨디셔닝 회로소자의 개략도가 도시된다. RF 입력 전압을 정류하고, 정류된 전압을 필터링(filtering)하고, 그리고 그 전압을 조정할 수 있는 전력 컨디셔닝 회로는 단지 하나의 타입의 트랜지스터 및 이용 가능한 다이오드들만을 사용하여 설계되어야 했다. 회로는 회전하는 터빈에 의해 제공된 RF 유도 전력을 정류하고 포지티브 및 네거티브 조정 dc 전압을 전달한다. 구조적으로, 다이오드들(D5 내지 D8)뿐 아니라 다이오드들(D9 내지 D11)은 브리지 정류기로서 역할을 한다. 단자들(Vac1 및 Vac2 또는 Vac3 또는 Vac4) 상의 ac 전압은 큰 리플(ripple)을 가진 dc 전압으로 전파 정류된다. 캐패시터들(C9 내지 C12)은 리플을 충분히 낮은 레벨로 감소시키기 위하여 필터 캐패시터(filter capacitor)들로서 역할을 한다. 트랜지스터들(J17 및 J21)은 정전류원들로서 역할을 하고, 정전류를 각각 저항기들(R26 및 R30)에 전달한다. 정저항(constant resistance)을 통해 진행하는 이런 정전류는 정전압을 형성하고, 이는 트랜지스터들(J19 및 J23)에 커플링된다. 이런 정전압은, 임계값이 R25/R26 저항기 쌍 또는 R29/R30 저항기 쌍에 의해 결정된 후, 트랜지스터들에 대한 입력들에서 임의의 증가하는 전압이 트랜지스터 출력들에서 증가하는 전압에 기여하지 않도록 트랜지스터들(J19 및 J23)을 바이어스한다. 증가하는 전압 입력은 트랜지스터들(J19 및 J23)에서 열로서 소산된다. 따라서, 트랜지스터들(J17 및 J19)뿐 아니라, 트랜지스터들(J21 및 J23)은 낮은-드롭아웃(dropout)(LDO) 전압 조정기들을 포함한다. 이들 조정기들은 순수 전압 조정을 개선하기 위하여 트랜지스터들(J18 및 J20)뿐 아니라, 트랜지스터들(J22 및 J24)로 반복된다. 전압들은 그 다음 각각 포지티브 또는 네거티브 조정 전압들(Vdc(+) 또는 Vdc(-))로서 공급된다.

일 실시예에 따라 저항기들(R26, R28, R30 및 R32)은 PTC를 가지는 반면, 저항기들(R25, R27, R29 및 R31)은 ZTC를 가진다. 상기 논의된 바와 같이, 저항기들의 이런 어레인지먼트(arrangement)는 상승된 온도들에서 바이어스 전압들의 변화들을 보상한다. 이런 방식으로 회로 자체는 온도 변동들을 보상하고 트랜지스터들(J19, J20, J23 및 J24) 양단 전압 강하를 일정하게 유지한다. 상기 논의된 바와 같이, PTC 저항기들은 백금으로 만들어질 수 있고 ZTC 저항기들은 탄탈륨 니트라이드(tantalum nitride)로 만들어질 수 있다. 저항기들(R26, R28, R30 및 R32)이 ZTC를 갖게 만들어졌고 저항기들(R25, R27, R29 및 R31)이 실리콘 카바이드 같은 실리콘 저항기의 사용에 의해 네거티브 온도 계수(NTC:negative temperature coefficient)를 갖게 만들어진 경우 회로가 또한 동일하게 기능할 것이라는 것이 지적된다.

이제 도 15를 참조하면, FM 송신기(즉, VCO(104) 및 버퍼(105))의 개략도가 도시된다. 주파수 변조(FM) 신호를 생성하기 위하여, 가변 임피던스 디바이스가 RF 반송파 상에 정보를 인코딩(즉, 변조)하기 위하여 보통 사용된다. 저온 회로소자에서 이런 임무를 행하기 위한 보통의 방식은 캐패시턴스가 인가된 전압에 의존하는 디바이스를 사용하는 것이다. 거의 모든 pn 접합 다이오드들은 역 바이어싱될 때 이런 특성을 나타낸다; 즉, 역 바이어싱된 다이오드에 인가되는 변화하는 전압은 다이오드 양단 캐패시턴스 변화에 영향을 미친다. 저온 라디오 애플리케이션(low-temperature radio application)들에 대해, 버랙터(varactor)로 불리는 특정 다이오드는 이런 목적을 위해 사용된다. 버랙터는 "초계단형(hyper-abrupt)" 접합(즉, 큰 튜닝(tuning) 각도를 촉진하기 위하여 고농로 도핑된(doped) 접합)을 가진 pn 접합 다이오드이고, 실리콘 또는 갈륨 비소(gallium arsenide)로 제조된다.

도 15에 도시된 회로는 인덕터(L1) 및 직렬 커플링된 캐패시터들(C13 및 C14) ― 이 둘 다는 인덕터(L1)와 병렬로 커플링됨 ―을 포함하는 콜피츠 발진기를 포함한다. 트랜지스터(J25)는 콜피츠 발진기에서 액티브 디바이스로서 역할을 한다. 발진기의 반송 주파수는 인덕터(L1) 및 캐패시터들(C13 및 C14)의 값에 의해 결정된다. 캐패시터(C14)와 병렬로 커플링된 다이오드(D13)는 반송파 상으로 ac 전압을 변조(즉, 인코딩)하는 전압 가변 캐패시터, 또는 버랙터로서 역할을 한다. 반송파는 그 다음 버퍼 트랜지스터뿐 아니라 전력 증폭기 둘 다로서 역할을 하는 트랜지스터(J26)에 용량적으로 커플링된다. 다이오드(D13)의 캐소드(cathode)는 회로 노드(1400)에 커플링되고 다이오드(D13)의 애노드는 접지 전위에 커플링된다. 캐패시터들(C13 및 C14) 사이의 회로 접합은, 또한 회로에 대한 입력 단자(V(in))를 포함하는 노드(1400)에 커플링된다. 회로의 출력은 그 다음 전송 안테나(도시되지 않음)에 용량적으로 커플링된다.

고온 애플리케이션들에서, 통상적인 버랙터들은 사용될 수 없고 본원에서 관심 있는 FM 송신기에서 유용하지 않은데, 그 이유는 그런 버랙터들의 캐패시턴스는 상승된 온도들에서 인가된 바이어스 전압들의 범위에 걸쳐 비선형인 히스테리시스 효과(hysteresis effect)들로 인해 지속적으로 반복 가능하거나 예측 가능하지 않을 수 있기 때문이다. 따라서, 정확한 정보는 전송된 신호로부터 복구될 수 없다(동일한 주파수 편차들이 별개의 튜닝 전압들에 대응하지 않을 것임). 문제는 SiC 자체에 고유하였고, 따라서 어떤 SiC 디바이스도 원하는 결과들 달성하지 못할 것이라는 것이 발견되었다. 고온들에서 기능할 수 있는 (즉, 동일한 상승된 온도들에서 인가된 바이어스 전압들의 동일한 범위에 걸쳐 선형 캐패시턴스를 갖는) GaN 디바이스들이 버랙터 다이오드(D13)로서 사용하기 위하여 탐구되었다. 갈륨 니트라이드(gallium nitride)(즉, GaN)는 또한 3.4 eV @ 300 K의 넓은 밴드 갭 에너지(band gap energy)(반면 SiC는 2.86 eV임)를 가진 넓은 밴드 갭 반도체이고, 갈륨 니트라이드가 고온(600℃의 초과)에서 기능할 수 있음을 의미한다. 단지 상업적으로 이용 가능한 현재 입수 가능한 GaN 다이오드는 본원에서 관심 있는 온도 익스쿠션에 걸쳐 만족스러운 결과들을 초래하는 청색 또는 자외선 LED의 형태이다.

이하 설명은 본 발명의 양상들을 구현하는 회로소자의 상세들을 제공할 것이고, 일 예시적 애플리케이션에서 상기 회로소자는 도 21에 예시적으로 예시된 바와 같이, 스트레인 게이지 회로소자에 사용될 수 있다. 본 발명의 양상들을 구현하는 회로소자가 다른 애플리케이션들에 사용될 수 있기 때문에 그런 예시적 애플리케이션은 협의로 해석되지 않아야 함이 인식될 것이다.

도 22는 본 발명의 양상들을 구현하는 회로소자(120)의 하나의 예시적 실시예의 개략도이다. 회로소자(120)는 감지된 파라미터를 나타내는 전압(예를 들어, 스트레인을 나타내는 전압)을 수신하기 위하여 감지 엘리먼트(예를 들어, 도 21의 스트레인 게이지(101))에 커플링될 수 있는 입력 단자(124)를 가진 차동 증폭기(122)를 포함한다. 차동 증폭기(122)는 제 1 쌍의 반도체 스위치(semiconductor switch)들(126, 128)(예를 들어, 반도체 스위치들의 차동 쌍)을 포함할 수 있다. 차동 쌍의 반도체 스위치들(126, 128)을 바이어싱하는 것은 도 9a 및 도 9b의 맥락에서 상기 설명된 온도-보상 바이어싱 기술들을 선택적으로 사용할 수 있는 저항기들(R5, R6, R7 및 R8)로 구성된 개별 브리지 회로(게이트 바이어스 네트워크)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 온도가 증가할 때, 반도체 스위치들(126, 128)의 개별 게이트 단자들에서 개별 바이어스 전압이 감소한다. 회로소자(120)는 본 발명의 예시적 양상들에 따라, 하기 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 차동 증폭기(122)에 AC-커플링(교류-커플링됨)될 수 있는 하이브리드 로드 회로소자(125)를 더 포함한다.

하이브리드 로드 회로소자(125)는 제 2 쌍의 반도체 스위치들(130, 132)(예를 들어, 반도체 스위치들의 액티브-로드 쌍)을 포함할 수 있다. 반도체 스위치들의 그런 쌍들 각각은 개별 드레인 단자(D), 개별 소스 단자(S) 및 개별 게이팅 단자(gating terminal)(G)를 가진다. 하나의 예시적 실시예에서, 제 1 쌍의 반도체 스위치들(126, 128) 및 제 2 쌍의 반도체 스위치들(130, 132)은 반도체 스위치들의 상보적 쌍들 없는 회로소자를 포함한다. 하나의 예시적 실시예에서, 제 1 쌍의 반도체 스위치들(126, 128) 및 제 2 쌍의 반도체 스위치들(130, 132)은 n-채널(channel) 접합 게이트 전계-효과 트랜지스터(JFET; junction gate field-effect transistor) 스위치들일 수 있고 SiC, AlN, GaN, AlGaN, GaAs, GaP, InP, AlGaAs, AlGaP, AlInGaP, 및 GaAsAlN 같은 개별 고온, 넓은 밴드갭 재료를 포함할 수 있다.

당업자에 의해 인식될 바와 같이, p-채널 SiC JFET들은 그들의 비교적 낮은-채널 이동성으로 인해 현재 실시될 수 없을 것으로 믿어지고, 결과적으로 차동 증폭기들에 대하여 알려진 액티브 로드 기술들은 그런 기술들이 p-채널 SiC JFET들을 포함하기 때문에 고온 애플리케이션들에서 이용되지 못했다. 본 발명의 양상들을 구현하는 하이브리드 로드 회로소자는 유리하게 p-채널 JFET들의 필요를 제거하고, 따라서 그런 회로소자는 고온, 넓은 밴드갭 재료 JFET들(예를 들어, 500℃ 초과)의 이론적 온도 제한들에 도달할 수 있고 효과적으로 높은-이득 차동 증폭기를 제공할 수 있고, 하나의 예시적 애플리케이션에서, 높은-이득 차동 증폭기는 고온 환경에서 열전쌍들 및 스트레인 게이지들 같은 센서들에 의해 생성될 수 있는 비교적 낮은 전압(예를 들어, 몇 밀리볼트(millivolt)들) 전기 신호들을 적당하게 증폭하기 위하여 이용될 수 있다.

하나의 예시적 실시예에서, 하이브리드 로드 회로소자(125)는 감지된 파라미터를 나타내는 전압을 수신하는, 반도체 스위치들의 차동 쌍의 스위치(예를 들어, 스위치(126))의 드레인 단자에 관하여 AC 신호 컴포넌트로의 경로(예를 들어, 비교적 높은-임피던스 경로)를 제공하도록 배열된 저항기-캐패시터 회로(134)(예를 들어, 저항기(142) 및 캐패시터(140))를 더 포함할 수 있다. 회로(134)는 제 2 쌍의 반도체 스위치들(130, 132)의 개별 게이트 단자들에 병렬 회로로 커플링된 노드(136)에 연결된다. 저항기(142)를 통해 전기 접지(135)에 연결된 노드(136)가 반도체 스위치들(130, 132)에 대한 적당한 바이어싱을 유지하기 위하여 효과적인 것이 인식될 것이다.

하나의 예시적 실시예에서, 저항기(142)의 값은, 예를 들어 차동 스위치(126)의 드레인 단자에서의 AC 신호 컴포넌트가 캐패시터(140)를 통해 스위치들(130, 132)의 게이트 단자들 대신 저항기(142)에 의해 제공된 경로에 AC-커플링되도록 스위치들(130, 132)의 개별 게이트 단자들에서의 입력 임피던스의 값에 비해 충분히 낮게 선택될 수 있다. 예를 들어, 저항기(142)에 대한 대략 2MΩ의 저항 값에 관련해 스위치 쌍(130, 132)의 개별 게이트 단자에서의 대략 20MΩ의 입력 임피던스를 가정하면, 저항기-캐패시터 회로(134)는 그런 AC 신호 컴포넌트(예를 들어, 차동 스위치(126)의 드레인에서)에 높은-임피던스 경로를 초래할 것이라는 것이 인식될 것이고, 이것은 차동 증폭기의 AC 이득을 효과적으로 증가시킨다.

바이어싱 목적들을 위해, 하이브리드 로드 회로소자(125)는 반도체 스위치들의 제 2 쌍 중 하나의 스위치(예를 들어, 스위치(130))의 소스 단자로부터 반도체 스위치들의 제 1 쌍의 스위치들 중 하나의 스위치(예를 들어, 차동 스위치(126))의 드레인 단자로 커플링된 제 1 저항기(144)를 포함할 수 있다. 하이브리드 로드 회로소자(125)는 반도체 스위치들의 제 2 쌍의 스위치들 중 다른 하나(예를 들어, 스위치(132))의 소스 단자로부터 반도체 스위치들의 제 1 쌍의 스위치들 중 다른 하나(예를 들어, 차동 스위치(128)의 드레인 단자에 커플링된 제 2 저항기(146))를 더 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 저항기들(144 및 146) 각각은 온도가 변화하는 동안 증폭기의 이득이 실질적으로 일정하게 유지되도록 포지티브 온도 계수의 저항을 포함할 수 있다. 즉, 실제 현실 세계(real world) 디바이스의 상황에서 당업자에 의해 이해될 바와 같이, 적용 가능한 허용 오차들 및 편차들 외에 일정하다. 스위치(132)의 소스 단자에 연결된 노드(148)는 증폭된 차동 증폭기 출력을 제공한다. 예비 실험 결과들은 각각 450℃, 300℃ 및 25℃의 온도들에서 적어도 대략 47.8dB, 51.4dB 및 57.8dB의 차동 이득들의 실현 가능성을 입증했다.

도 21은 원격계측 시스템이 장치된 터빈 컴포넌트(예를 들어, 터빈 블레이드(20)(도 1))에서 사용될 수 있는 예시적 전력원 회로소자(239)의 블록도를 예시한다. 하나의 예시적 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 로드들은 전력원 회로소자(239)에 의해 전기적으로 전력을 인가받을 수 있다. 예를 들어, 로드들은 전자 회로소자, 이를 테면 감지(예를 들어, 스트레인 게이지(101)), 신호 컨디셔닝(예를 들어, 차동 증폭기(102)), 및/또는 원격계측 시스템의 일부일 수 있는 원격계측 회로소자(예를 들어, 전압 제어 발진기(104), 버퍼(105))일 수 있다.

전력원 회로소자(239)는 유도된 RF(무선 주파수) 에너지 같은 하나 또는 그 초과의 전력-하베스팅(harvesting) 방식들을 통해 및/또는 터빈 엔진 내의 열 또는 진동 파워(power)를 수확함으로써 전기 전력을 하베스팅할 수 있다. 예를 들어, 서모파일(thermopile)들이 열 에너지로부터 전기를 발생하기 위하여 사용될 수 있거나, 압전 재료들이 터빈 엔진의 진동으로부터 전기를 발생시킬 수 있다. 전력 하베스팅 방식들의 예시적인 형태들에 관한 일반 배경 정보를 바라는 독자들을 위하여, 그 전체 개시가 인용에 의해 본원에 포함되는, 발명의 명칭이 "Electrical Assembly For Monitoring Conditions In A Combustion Turbine Operating Environment"인 미국 특허 번호 7,368,827 호가 참조된다.

특정 전력-하베스팅 방식에 무관하게, 일 예시적 실시예에서 교류(AC:alternating current) 전력(241)은 정류기(242)에 공급될 수 있고, 정류기(242)는 AC 입력을 직류(DC:direct current) 출력으로 변환하고, DC 출력은 전압 조정기(244)에 커플링되고, 전압 조정기(244)는 하베스팅된 AC 입력 전압의 변동의 존재시에도 비교적 일정한 DC 전압 출력(245)을 유지하도록 구성될 수 있다. 정전압 출력은 요구된 측정 정확도 및/또는 측정되는 임의의 주어진 엔진 파라미터에 대한 안정성을 달성하기 위하여 원해질 수 있다는 것이 인식될 것이다.

도 23 내지 도 24 및 이하 관련된 설명은 도 21에 예시적으로 예시된 바와 같이, 일 예시적 애플리케이션에서 전력원 회로소자에 사용될 수 있는, 본 발명의 양상들을 구현하는 전압 조정기(250)의 상세들을 제공할 것이다. 본 발명의 양상들을 구현하는 회로소자가 다른 애플리케이션들에서 사용될 수 있기 때문에 그런 예시적 애플리케이션이 협의로 해석되지 않아야 한다는 것이 인식될 것이다.

일 예시적 실시예에서, 전압 조정기(250)는 터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 적응될 수 있다. 전압 조정기(250)는 제 1 반도체 스위치(254), 및 제 1 반도체 스위치(254)의 게이트 단자(G)와 소스 단자(S) 사이에 연결된 제 1 저항기(256)를 포함할 수 있는 바와 같은, 정전류원(252)을 포함할 수 있다.

일 예시적 실시예에서, 제 2 저항기(258)는 제 1 반도체 스위치(254)의 게이트 단자(G)에 연결된 제 1 리드(260) 및 노드(263)를 통하여 전기 접지(64)에 연결된 제 2 리드(262)를 가질 수 있다. 정전류원(252)은 제 2 저항기(258) 양단에 전압 기준(Vr)을 생성하도록 커플링될 수 있다. 소스 팔로워 출력 스테이지(source follower output stage)(266)는 제 2 반도체 스위치(268), 및 전기 접지(264)와 제 2 반도체 스위치(268)의 소스 단자(S) 사이에 연결된 제 3 저항기(270)를 포함할 수 있다. 도 23에서 인식될 수 있는 바와 같이, 제 2 저항기(258)의 제 1 리드(260)는 생성된 전압 기준(Vr)을 제 2 반도체 스위치(268)의 게이팅 단자(G)에 인가하도록 연결된다. 제 2 반도체 스위치(268)의 소스 단자(S)가 전압 조정기(250)의 조정된 출력 전압(예를 들어, 도 22에서 전압(V1))을 공급하는 것은 추가로 인식될 수 있다. 노드(263)가 전기적으로 접지될 필요가 없고 하나의 예시적 실시예에서 노드(263)가 조정된 전압(예를 들어, 전압(V1)의 극성에 반대인 극성을 가질 수 있는 도 22의 전압(V2))의 제 2 소스를 제공하도록 배열된 출력 노드를 구성할 수 있다는 것이 인식될 것이다.

하나의 예시적 실시예에서, 전류원(252)은 전압 조정기(250)에 의해 조정될 입력 전압(Vin)(예를 들어, 도 21의 정류기(242)로부터의 출력)을 수신하도록 연결된 드레인 단자(D)를 가진 제 3 반도체 스위치(274)를 포함할 수 있는 입력 스테이지(272)를 더 포함할 수 있다. 분압기 네트워크(276)는 제 3 반도체 스위치(274)의 게이트 단자(G)에 연결된 분압기 노드(278)를 제공할 수 있다. 분압기 네트워크(276)는 분압기 노드(278)와 제 3 반도체 스위치(274)의 드레인(D) 사이에 연결된 제 1 저항기(280)를 포함할 수 있고, 분압기 노드(278)와 제 2 반도체 스위치(268)의 소스(S) 사이에 연결된 제 2 저항기(282)를 더 포함할 수 있다.

도 24에 예시된 대안적인 실시예에서, 전압 조정기(250')에서, 전류원(252)의 입력 스테이지(272)는 제 1 반도체 스위치(254)와 제 3 반도체 스위치(274) 사이에 직렬 회로로 연결된 제 4 반도체 스위치(284)를 더 포함할 수 있다. 이런 대안적인 실시예에서, 제 4 반도체 스위치(284)는 제 3 반도체 스위치(274)의 소스 단자(S)에 연결된 드레인 단자(D), 제 1 반도체 스위치(254)의 드레인 단자(D)에 연결된 소스 단자(S), 및 제 1 반도체 스위치(254)의 소스 단자(S)에 연결된 게이트 단자(G)를 가질 수 있다. 반도체 스위치들(274 및 284)의 캐스케이드된 어레인지먼트(cascaded arrangement)는 전류원(252)에 의한 비교적 보다 안정된 전류 조정에 도움이 되고, 이는 차례로 제 3 반도체 스위치(268)에 대한 DC 바이어스(bias)를 구성하는 비교적 보다 안정된 전압 기준(Vr)에 도움이 되고 결과적으로 비교적 보다 안정된 조정된 출력 전압(Vout)에 도움이 된다는 것이 인식될 것이다.

일 예시적 실시예에서, 반도체 스위치들(254, 268, 274 및 284)은 n-채널 접합 게이트 전계-효과 트랜지스터(JFET: junction gate field-effect transistor) 스위치들일 수 있고 SiC, AlN, GaN, AlGaN, GaAs, GaP, InP, AlGaAs, AlGaP, AlInGaP, 및 GaAsAlN 같은 개별 고온, 넓은 밴드갭(bandgap) 재료를 포함할 수 있다.

당업자에 의해 인식될 바와 같이, 고온, 넓은 밴드갭 재료로 만들어진 제너 다이오드(zener diode)들을 포함할 수 있을 고온 전압 조정은 현재 가능하지 않은데, 그 이유는 고온 재료들을 포함하는 제너 다이오드들은 상업적으로 이용 가능할 것으로 알려져 있지 않기 때문이다. 게다가, p-채널 SiC JFET들은 그들의 비교적 낮은-채널 이동성으로 인해 고온 애플리케이션들에서 비현실적일 것으로 현재 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 양상들을 구현하는 회로소자는 유리하게, n-채널 JFET들을 갖는 고온, 넓은 밴드갭 재료로 만들어진 제너 다이오드들의 현재 비가용성을 극복하고, 따라서 그런 회로소자는 고온, 넓은 밴드갭 재료 JFET들의 이론적 온도 제한들(예를 들어, 500℃ 초과) 내에서 동작할 수 있고 실질적으로 안정된 전압 조정기를 효율적으로 제공할 수 있다. 하나의 예시적 애플리케이션에서, 본 발명의 양상들에 따른 전압 조정기는 비교적 저전압 정보 신호들에 연관된 로드 회로소자에 전력을 인가하기 위한, 고온 환경 내 전력원을 적절하게 조정하기 위하여 활용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명 이전에, 그런 로드 회로소자는 열전쌍들 및 스트레인 게이지들 같은 센서들에 의해 생성될 수 있는 정보 신호들의 비교적 작은 크기(예를 들어, 몇 밀리볼트들)를 고려하면 전력원 불안정들로부터 발생하는 측정 불확실성들에 민감하였을 것이다.

일 예시적 실시예에서, 조정된 출력 전압(Vout)의 크기는 제 1 및 제 2 저항기들(256 및 258)의 개별 저항 값들의 비율을 조정함으로써 조정가능할 수 있다. 통상적으로, 알려진 전압 조정기들의 출력 전압은 조정 가능하지 않고, 만약 그렇게 원해진다면, 알려진 전압 조정기들에 대해 연산 증폭기가 포함될 것이다. 그러나, 고온 애플리케이션들에 대해, 고온 넓은 밴드갭 재료들로 만들어진 연산 증폭기들은 상업적으로 이용 가능한 것으로 알려져 있지 않다. 따라서, 단순화된 방식으로 (예를 들어, 더 적은 수의 액티브 엘리먼트를 이용하여) 본 발명의 양상들을 구현하는 전압 조정기는 편리하게, 고온 환경에서의 동작을 수반할 수 있을, 조정된 출력 전압(Vout)의 크기를 조정하도록 구성될 수 있다. 선택적으로 원해지면, 저항 온도 검출기(RTD:resistive temperature detector) 또는 유사한 것은 온도 변화들에 따라 조정된 출력 전압(Vout)을 제어하기 위하여 제 1 및 제 2 저항기들(256 및 258)과 결합될 수 있다. 본 발명의 양상들을 구현하는 전압 조정기로 달성될 수 있는 개선된 안정성 및 반복성으로 인해, 온도 변화들 하에서 전압 조정기에 의해 경험될 수 있는 임의의 전압 조정 변동이 지속적으로 반복 가능할 것이라는 것이 고려되고, 이는 온도 변화들로부터 발생하는 임의의 그런 전압 조정 변동이 당업자들에 의해 잘 이해되는 기술들을 사용하여 적절하게 보상될 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 다양한 실시예들이 본원에 도시되고 설명되었지만, 그런 실시예들이 단지 예로써 제공되는 것이 명백할 것이다. 다수의 변동들, 변화들 및 대체들이 본원의 발명으로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명이 첨부된 청구항들의 사상 및 범위에 의해서만 제한되는 것이 의도된다.

Claims (27)

1. 터빈 엔진(turbine engine)의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자(circuitry)로서,
   컴포넌트(component)의 파라미터(parameter)를 감지하고 감지된 파라미터를 나타내는 전압을 제공하도록 상기 터빈 엔진의 컴포넌트 상에 배치된 감지 엘리먼트(sensing element);
   상기 감지된 파라미터를 나타내는 전압을 수신하기 위하여 상기 감지 엘리먼트에 커플링된(coupled) 입력 단자를 가진 차동 증폭기
   ― 상기 차동 증폭기는 제 1 쌍의 반도체 스위치(semiconductor switch)들을 포함하는데, 이들 각각은, 전압원과 반도체 스위치들의 개별 반도체 스위치의 개별 게이트(gate) 단자 사이에 커플링된 포지티브 온도 계수(positive temperature coefficient)의 저항을 가진 제 1 저항 엘리먼트 및 상기 개별 게이트 단자와 전기 접지 사이에 커플링된 제로(zero) 온도 계수의 저항을 가진 제 2 저항 엘리먼트를 포함하는 개별 게이트 바이어스 네트워크(gate bias network)를 가지며, 각각의 개별 게이트 바이어스 네트워크는, 온도가 증가할 때, 상기 반도체 스위치들의 개별 게이트 단자들의 개별 바이어스 전압이 감소하도록 배열됨 ―; 및
   상기 차동 증폭기에 AC-커플링된 하이브리드 로드 회로소자(hybrid load circuirty) ― 상기 차동 증폭기 및 상기 하이브리드 로드 회로소자는 상기 터빈 엔진의 고온 환경에 배치됨 ―
   를 포함하는,
   터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하이브리드 로드 회로소자는 제 2 쌍의 반도체 스위치들을 포함하고, 상기 하이브리드 로드 회로소자는 상기 감지된 파라미터를 나타내는 전압을 수신하는, 상기 제 1 쌍의 상기 반도체 스위치들의 스위치의 드레인(drain) 단자에 관하여 AC 신호 컴포넌트로의 경로를 제공하도록 배열된 저항기-캐패시터 회로(resistor-capacitor circuit)를 더 포함하는,
   터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 저항기-캐패시터 회로는 상기 제 2 쌍의 반도체 스위치들의 개별 게이트 단자들에 병렬 회로로 커플링된 노드(node)에 연결되고, 상기 저항기-캐패시터 회로의 저항기는 상기 노드에 연결된 제 1 리드(lead) 및 전기 접지된 제 2 리드를 가지며, 상기 저항기-캐패시터 회로의 캐패시터는 상기 노드에 연결된 제 1 리드, 및 상기 감지된 파라미터를 나타내는 전압을 수신하는, 상기 제 1 쌍의 반도체 스위치들의 스위치의 드레인 단자에 연결된 제 2 리드를 가지는,
   터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 하이브리드 로드 회로소자는 제 2 쌍의 상기 반도체 스위치들의 스위치들 중 하나의 스위치의 소스(source) 단자로부터 상기 제 1 쌍의 반도체 스위치들의 스위치들 중 하나의 스위치의 드레인 단자로 커플링된 제 1 저항기, 및 상기 제 2 쌍의 반도체 스위치들의 스위치들 중 다른 하나의 소스 단자로부터 상기 제 1 쌍의 반도체 스위치들의 스위치들 중 다른 하나의 스위치의 드레인 단자로 커플링된 제 2 저항기를 더 포함하는,
   터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
5. 제 4 항에 있어서,
   개별 제 1 및 제 2 저항기들 각각은, 상기 증폭기의 이득이 온도 변동의 발생에도 불구하고 실질적으로 일정하게 유지되도록 포지티브 온도 계수의 저항을 포함하는,
   터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 차동 증폭기는 단일 스테이지 차동 증폭기(single stage differential amplifier)를 포함하는,
   터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
7. 제 2 항에 있어서,
   각각의 상기 제 1 및 제 2 쌍들의 반도체 스위치들은 반도체 스위치들의 상보적 쌍들 없는 회로소자를 포함하는,
   터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
8. 제 2 항에 있어서,
   각각의 상기 제 1 및 제 2 쌍들의 반도체 스위치들은 n-채널(channel) 접합 전계-효과 트랜지스터(JFET; junction field-effect transistor) 스위치들을 포함하는,
   터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
9. 제 2 항에 있어서,
   각각의 상기 제 1 및 제 2 쌍들의 반도체 스위치들은 개별 제 1 및 제 2 쌍들은 개별 고온, 넓은 밴드갭(bandgap) 재료를 포함하는,
   터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고온, 넓은 밴드갭 재료는 SiC, AlN, GaN, AlGaN, GaAs, GaP, InP, AlGaAs, AlGaP, AlInGaP, 및 GaAsAlN으로 이루어진 그룹(group)으로부터 선택되는,
    터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지 엘리먼트는 상기 컴포넌트의 스트레인(strain)을 감지하기 위한 스트레인 게이지(strain gauge)를 포함하고, 상기 전압은 상기 컴포넌트의 감지된 스트레인을 나타내는,
    터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
12. 제 1 항의 회로소자를 포함하는 원격계측 시스템(telemetry system).
13. 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자로서,
    상기 고온 환경에서 컴포넌트의 감지된 파라미터를 나타내는 전압을 수신하도록 커플링된 입력 단자를 가진 차동 증폭기;
    상기 차동 증폭기에 AC-커플링된 하이브리드 로드 회로소자;
    상기 차동 증폭기에 전력을 인가하도록 커플링된 전압 조정기 회로소자 ― 상기 차동 증폭기, 상기 하이브리드 로드 회로소자 및 상기 전압 조정기 회로소자는 상기 고온 환경에 배치됨 ―
    를 포함하고,
    상기 전압 조정기 회로소자는
    적어도 제 1 반도체 스위치, 및 상기 제 1 반도체 스위치의 게이트 단자와 소스 단자 사이에 연결된 제 1 저항기를 포함하는 정전류원 ― 상기 정전류원은 상기 전압 조정기에 의해 조정될 입력 전압을 수신하도록 연결된 캐스케이드된 입력 스테이지(cascaded input stage)를 더 포함함 ―;
    상기 제 1 반도체 스위치의 게이트 단자에 연결된 제 1 리드 및 상기 조정기의 출력 노드에 연결된 제 2 리드를 가지는 제 2 저항기 ― 상기 정전류원은 상기 제 2 저항기 양단에 전압 기준을 제공하도록 커플링됨 ―; 및
    제 2 반도체 스위치 및 상기 출력 노드와 상기 제 2 반도체 스위치의 소스 단자 사이에 연결된 제 3 저항기를 포함하는 소스 팔로워 출력 스테이지(source follower output stage) ― 상기 제 2 저항기의 제 1 리드는 생성된 전압 기준을 상기 제 2 반도체 스위치의 게이팅 단자(gating terminal)에 인가하도록 연결됨 ―
    을 포함하는,
    고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
14. 삭제
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 반도체 스위치의 소스 단자는 상기 전압 조정기의 제 1 조정된 출력 전압을 공급하는,
    고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 출력 노드는 상기 전압 조정기의 제 2 조정된 출력 전압을 공급하고, 상기 제 2 조정된 출력 전압은 상기 제 1 조정된 출력 전압의 극성과 관련하여 상이한 극성을 포함하는,
    고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
17. 제 13 항에 있어서,
    상기 정전류원은 상기 전압 조정기에 의해 조정될 입력 전압을 수신하도록 연결된 드레인 단자를 가진 제 3 반도체 스위치를 포함하는 입력 스테이지를 더 포함하는,
    고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 3 반도체 스위치의 게이트 단자에 연결된 분압기 노드를 가진 분압기 네트워크를 더 포함하고, 상기 분압기 네트워크는 상기 분압기 노드와 상기 제 3 반도체 스위치의 드레인 사이에 연결된 제 1 저항기, 및 상기 분압기 노드와 상기 제 2 반도체 스위치의 소스 사이에 연결된 제 2 저항기를 포함하는,
    고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
19. 제 17 항에 있어서,
    상기 정전류원의 입력 스테이지는 상기 제 1 및 제 3 반도체 스위치들 사이에 직렬 회로로 연결된 제 4 반도체 스위치를 더 포함하고, 상기 제 4 반도체 스위치는 상기 제 3 반도체 스위치의 소스 단자에 연결된 드레인 단자, 상기 제 1 반도체 스위치의 드레인 단자에 연결된 소스 단자, 및 상기 제 1 반도체 스위치의 소스 단자에 연결된 게이트 단자를 가지는,
    고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
20. 제 13 항에 있어서,
    상기 차동 증폭기는 제 1 쌍의 반도체 스위치들을 포함하는데, 이들 각각은, 전압원과 반도체 스위치들의 개별 반도체 스위치의 개별 게이트 단자 사이에 커플링된 포지티브 온도 계수의 저항을 가진 제 1 저항 엘리먼트 및 상기 개별 게이트 단자와 전기 접지 사이에 커플링된 제로 온도 계수의 저항을 가진 제 2 저항 엘리먼트를 포함하는 개별 게이트 바이어스 네트워크를 각각 가지며, 각각의 개별 게이트 바이어스 네트워크는, 온도가 증가할 때, 상기 반도체 스위치들의 개별 게이트 단자들의 개별 바이어스 전압이 감소하도록 배열되는,
    고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
21. 제 13 항에 있어서,
    상기 하이브리드 로드 회로소자는 제 2 쌍의 반도체 스위치들을 포함하고, 상기 하이브리드 로드 회로소자는 상기 감지된 파라미터를 나타내는 전압을 수신하는, 제 1 쌍의 상기 반도체 스위치들의 스위치의 드레인 단자에 관하여 AC 신호 컴포넌트로의 경로를 제공하도록 배열된 저항기-캐패시터 회로를 더 포함하는,
    고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
22. 제 21 항에 있어서,
    상기 저항기-캐패시터 회로는 상기 제 2 쌍의 반도체 스위치들의 개별 게이트 단자들에 병렬 회로로 커플링된 노드에 연결되고, 상기 저항기-캐패시터 회로의 저항기는 상기 노드에 연결된 제 1 리드 및 전기 접지된 제 2 리드를 가지며, 상기 저항기-캐패시터 회로의 캐패시터는 상기 노드에 연결된 제 1 리드, 및 상기 감지된 파라미터를 나타내는 전압을 수신하는, 상기 제 1 쌍의 반도체 스위치들의 스위치의 드레인 단자에 연결된 제 2 리드를 가지는,
    고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
23. 제 21 항에 있어서,
    상기 하이브리드 로드 회로소자는 상기 제 2 쌍의 반도체 스위치들의 스위치들 중 하나의 스위치의 소스 단자로부터 상기 제 1 쌍의 반도체 스위치들의 스위치들 중 하나의 스위치의 드레인 단자로 커플링된 제 1 저항기, 및 상기 제 2 쌍의 반도체 스위치들의 스위치들 중 다른 하나의 소스 단자로부터 상기 제 1 쌍의 반도체 스위치들의 스위치들 중 다른 하나의 스위치의 드레인 단자로 커플링된 제 2 저항기를 더 포함하는,
    고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
24. 제 23 항에 있어서,
    개별 제 1 및 제 2 저항기들 각각은, 상기 증폭기의 이득이 온도 변동의 발생에도 불구하고 실질적으로 일정하게 유지되도록 포지티브 온도 계수의 저항을 포함하는,
    고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
25. 제 20 항에 있어서,
    상기 차동 증폭기의 반도체 스위치들 각각 및 상기 전압 조정기는 n-채널 접합 전계-효과 트랜지스터(JFET:junction field-effect transistor) 스위치들을 포함하는,
    고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.
26. 제 13 항의 회로소자를 포함하는 원격계측 시스템.
27. 터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자로서,
    상기 터빈 엔진의 컴포넌트에 관한 감지된 파라미터를 나타내는 전압을 수신하도록 커플링된 입력 단자를 가진 차동 증폭기;
    상기 차동 증폭기에 AC-커플링된 하이브리드 로드 회로소자
    ― 상기 차동 증폭기는 제 1 쌍의 반도체 스위치들을 포함하는데, 이들 각각은, 전압원과 반도체 스위치들의 개별 반도체 스위치의 개별 게이트 단자 사이에 커플링된 포지티브 온도 계수의 저항을 가진 제 1 저항 엘리먼트 및 상기 개별 게이트 단자와 전기 접지 사이에 커플링된 제로 온도 계수의 저항을 가진 제 2 저항 엘리먼트를 포함하는 개별 게이트 바이어스 네트워크를 가지며, 각각의 개별 게이트 바이어스 네트워크는, 온도가 증가할 때, 상기 반도체 스위치들의 개별 게이트 단자들의 개별 바이어스 전압이 감소하도록 배열됨 ―; 및
    상기 차동 증폭기에 전력을 인가하도록 커플링된 전압 조정기 회로소자 ― 상기 차동 증폭기, 상기 하이브리드 로드 회로소자 및 상기 전압 조정기 회로소자는 상기 터빈 엔진의 고온 환경에 배치됨 ―
    을 포함하고,
    상기 전압 조정기 회로소자는,
    적어도 제 1 반도체 스위치, 및 상기 제 1 반도체 스위치의 게이트 단자와 소스 단자 사이에 연결된 제 1 저항기를 포함하는 정전류원 ― 상기 정전류원은 상기 전압 조정기에 의해 조정될 입력 전압을 수신하도록 연결된 캐스케이드된 입력 스테이지를 더 포함함 ―;
    상기 제 1 반도체 스위치의 게이트 단자에 연결된 제 1 리드 및 상기 조정기의 출력 노드에 연결된 제 2 리드를 가지는 제 2 저항기 ― 상기 정전류원은 상기 제 2 저항기 양단에 전압 기준을 제공하도록 커플링됨 ―; 및
    제 2 반도체 스위치 및 상기 출력 노드와 상기 제 2 반도체 스위치의 소스 단자 사이에 연결된 제 3 저항기를 포함하는 소스 팔로워 출력 스테이지 ― 상기 제 2 저항기의 제 1 리드는 생성된 전압 기준을 상기 제 2 반도체 스위치의 게이팅 단자에 인가하도록 연결되고, 상기 제 2 반도체 스위치의 소스 단자는 상기 전압 조정기의 제 1 조정된 출력 전압을 공급하고, 그리고 상기 출력 노드는 상기 전압 조정기의 제 2 조정된 출력 전압을 공급하고, 상기 제 2 조정된 출력 전압은 상기 제 1 조정된 출력 전압의 극성과 관련하여 상이한 극성을 포함함 ―
    을 포함하는,
    터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하도록 구성된 회로소자.

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