(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温環境で用いられる遠隔測定システムにおける回路アセンブリ（２４）であって、固定または可動の部品（２０）に固定されて、前記部品（２０）の状態に関して検知した情報を受信し、前記受信した情報を前記環境の外部の受信器に送信するように配置されている、高温環境に適応した回路アセンブリ（２４）において、
前記部品（２０）に取り付けられるように設けられた、耐高温性パッケージ（３４）と、
高温メタライゼーションを施して製作された能動部品と受動部品とを有するプリント回路基板（４２）であって、前記耐高温性パッケージ（３４）内に包容されたプリント回路基板（４２）と、
前記耐高温性パッケージ（３４）の内面に取り付けられて、前記耐高温性パッケージ（３４）内の所定位置に前記プリント回路基板（４２）を固定するリテーナ（４４Ａ、４４B）と、
前記プリント回路基板（４２）に取り付けられ、前記耐高温性パッケージ（３４）の壁を貫通して、前記回路アセンブリ（２４）に電力を供給する、および、前記部品（２０）上のセンサ（３０）と前記環境外部にデータ信号を送信するアンテナ（２６）とに繋がるコネクタ（４０）と、が含まれており、かつ、前記データ信号が、前記部品（２０）の状態に関して検知した情報を表わすものであり、前記プリント回路基板（４２）が、前記データ信号を前記アンテナ（２６）に送る
ことを特徴とする回路アセンブリ。
【請求項２】
請求項１記載の回路アセンブリ（２４）において、
前記耐高温性パッケージ（３４）が、金めっきで形成されたＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製である
ことを特徴とする回路アセンブリ。
【請求項３】
請求項１記載の回路アセンブリ（２４）において、
前記プリント回路基板（４２）が、アルミナ製であり、当該アルミナ上に金ペーストの厚膜が被着されてメタライジングされていることによって、前記プリント回路基板（４２）の導電層が形成されている
ことを特徴とする回路アセンブリ。
【請求項４】
請求項３記載の回路アセンブリ（２４）において、
前記プリント回路基板（４２）が、厚さ２５４〜２５４０μｍ（１０〜１００mils）のアルミナを含んでいる
ことを特徴とする回路アセンブリ。
【請求項５】
請求項３記載の回路アセンブリ（２４）において、
前記プリント回路基板（４２）が、厚さ約５０８μm（２０mils）の９６％アルミナ製である
ことを特徴とする回路アセンブリ。
【請求項６】
請求項１記載の回路アセンブリ（２４）において、
前記リテーナ（４４Ａ、４４B）が、金線である
ことを特徴とする回路アセンブリ。
【請求項７】
請求項１記載の回路アセンブリ（２４）において、
前記能動および受動部品が、その表面に金のメタライゼーション層を備えており、かつ拡散接合金粉によって前記プリント回路基板（４２）上の金のメタライゼーション回路配線に接着されている
ことを特徴とする回路アセンブリ。
【請求項８】
請求項１記載の回路アセンブリ（２４）を備えたガスタービンエンジンであって、
前記能動部品が、金のボンディングワイヤによって前記プリント回路基板（４２）上の回路配線に電気的に結合されており、前記金のボンディングワイヤが、前記回路アセンブリ（２４）に掛かる遠心力に対して平行な方向に向けられている
ことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項９】
請求項８記載のガスタービンエンジンにおいて、
前記金のボンディングワイヤの直径が、１７．７８〜２５．４０μｍ（０．７〜１．０mils）の範囲内である
ことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１０】
請求項８記載のガスタービンエンジンにおいて、
前記金のボンディングワイヤの最大ループ高が、４４１．９６μｍ（１７．４mils）以下である
ことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１１】
請求項１記載の回路アセンブリ（２４）において、
前記各コネクタ（４０）の前記耐高温性パッケージ（３４）の壁を通る部分の周りに固定された、電気的絶縁スリーブを、さらに含む
ことを特徴とする回路アセンブリ。
【請求項１２】
請求項１記載の回路アセンブリ（２４）を備えたエンジンであって、
当該エンジンの可動部品に固定されて、３００℃を超える温度で動作可能であり、かつ、重力加速度をｇ（単位は[N/kg]または[m/s2]）として１０００ｇを超える遠心力に耐えることが可能な、能動遠隔測定回路アセンブリである
ことを特徴とするエンジン。
【請求項１３】
請求項３記載の回路アセンブリ（２４）において、
前記金ペーストの導電層が、回路パターンを成すようにエッチングを施されて、当該遠隔測定回路アセンブリの回路配線（４２）を形成してなるものである
ことを特徴とする回路アセンブリ。
【請求項１４】
請求項１記載の回路アセンブリ（２４）において、
前記耐高温性パッケージ（３４）の内壁に溶接されたリテーナ（４４Ａ、４４Ｂ）を、さらに含む
ことを特徴とする回路アセンブリ。
【請求項１５】
請求項１４記載の回路アセンブリ（２４）において、
前記リテーナ（４４Ａ、４４Ｂ）が、前記耐高温性パッケージ（３４）の熱膨張係数の２０％以内の熱膨張係数を有する
ことを特徴とする回路アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府の後援による開発に関する陳述
本発明の開発については、国立標準技術研究所の発注した契約第７０ＮＡＮＢ４Ｈ３０４２号に基づき一部資金提供を受けている。従って、米国政府は本発明に一定の権利を有するものである。
【０００２】
本発明は、全般的に無線遠隔測定電子回路パッケージに関するものであり、特に３００℃を超える高温環境で動作可能でかつ少なくとも１０００ｇまでに対応した力に耐えることが可能なパッケージに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
運転中のガスタービンエンジン内の温度は、極めて高く、４５０℃を超えるレベルになる場合が多い。タービン動翼のようなタービン構成部品の内部温度を監視するか、運転中にそのような構成部品に掛かる応力を監視することが望まれる場合には、特殊な検知、増幅、および送信回路が必要とされる。この問題の有効な解決法は、SMART COMPONENT FOR USE IN AN OPERATING ENVIRONMENTなる名称で米国特許出願公開第２００５／０１９８９６７Ａ１号明細書（特許文献１）に開示されている、およびINSTRUMENTED COMPONENT FOR COMBUSTION TURBINE ENGINEなる名称で米国特許出願公開第１１／９３６，９３６号明細書（特許文献２）に開示されている、ならびにINSTRUMENTED COMPONENT FOR WIRELESS TELEMETRYなる名称で米国特許出願公開第１１／５２１，１９３号明細書（特許文献３）に開示されているような、無線遠隔測定を利用するものがある。
【０００４】
上述の先行技術文献には、無線遠隔測定の利用に関する一般的な概念が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０１９８９６７Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第１１／９３６，９３６号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第１１／５２１，１９３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、こうした遠隔測定を実施する際に遭遇する特定の問題に対処することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
高温に耐えることが可能な無線遠隔測定回路基板および構成部品は、内燃ガスタービンエンジンが曝されるような高温環境における固定構成部品および可動構成部品からのデータ抽出を可能にする。電子回路は、産業用ガスタービンエンジン、航空機用エンジン、および、石油工業ならびにガス工業で用いられるタービンといったタービンエンジンの、運転中における構成部品の状態を、リアルタイムで監視する可能性をもたらす。タービンにおける構成部品の状態を知ることは、内部エンジンパラメータに基づいてタービン動作を最適化することや、その状態に基づいた保守を可能にすることを含めて、多くの利点をもたらす。監視装置を利用すれば、高性能タービンエンジンの運転コストを大幅に削減することが可能になる。現在実施されているタービン構成部品の計装には、構成部品に対するセンサの取付け、ルータに対するリード線の配線、タービンから監視場所までの長距離に亘るリード線の太い束の敷設が含まれている。この作業は、低能率であり、労働集約的であり、費用が嵩み、また、リード線の全てを含むことができるようにするためにタービン構成部品の多くに修正を加える必要がある。
【０００８】
こうしたセンサシステムからデータを抽出する利点を実現するためには、高温の構成部品の最も低温の領域にデータ送信器を配置する必要があると思われる。このため、タービンエンジンの流路における動翼の付根のような位置で３００℃を超える温度でも機能する無線遠隔測定システムが必要となり得る。そのような高温での動作は、シリコンまたは高温シリコンオンインシュレータ（ＨＴＳＯＩ）能動部品を用いた回路の技術的現状では、不可能である。こうした無線遠隔測定回路基板は、３００℃を超える温度で動作可能な、パッケージ、基板、配線、受動部品、能動部品、および接続を必要とする。
【０００９】
以下、本発明を、図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】遠隔測定回路基板を含んだ電子回路の取付けを例示する典型的なタービン動翼の部分斜視図である。
【図２】図１の送信器アセンブリの構成要素を示す分解斜視図である。
【図３】図２の送信器アセンブリハウジングに収容されている高温電子回路パッケージ内の構成要素を示す分解図である。
【図４Ａ】組立作業中に回路基板を固定するためのトランスファプレートの平面図および側面図である。
【図４Ｂ】組立作業中に構成部品を所定位置に固定するための、図４Ａのトランスファプレートと共に用いられるアライメントプレートの平面図である。
【図５Ａ】図４Ａおよび４Ｂのトランスファプレートおよびアライメントプレートを用いた、組立工程の斜視図である。
【図５Ｂ】図４Ａおよび４Ｂのトランスファプレートおよびアライメントプレートを用いた、組立工程の斜視図である。
【図５Ｃ】図４Ａおよび４Ｂのトランスファプレートおよびアライメントプレートを用いた、組立工程の斜視図である。
【図６Ａ】半導体技術で一般に用いられるワイヤボンディング技術を示す図である。
【図６Ｂ】半導体技術で一般に用いられるワイヤボンディング技術を示す図である。
【図７】典型的なワイヤボンディングの重力加速度分析を示す斜視図である。
【図８】シミュレートされた重力加速度応力下におけるワイヤボンディングの様々な状態を例示した図である。
【図９Ａ】此処に用いられる増幅回路のためにバイアスを掛ける独自の回路を例示した回路図である。
【図９Ｂ】変動温度下における図９Ａの増幅回路のＡＣ出力電圧対バイアス電圧を示したグラフである。
【図１０】歪みゲージ回路のブロック図である。
【図１１】熱電対回路のブロック図である。
【図１２】歪みゲージ出力信号を増幅するための回路の回路図である。
【図１３】熱電対出力を増幅し、その増幅された出力信号に送信器の局所温度を組み込むための回路の回路図である。
【図１４】電力調整回路の回路図である。
【図１５】コルピッツ発振器を含んだＦＭ送信器の回路図である。
【図１６】代表的な熱電対の概略図である。
【図１７】熱電対回路用の方形波発生器の、室温における出力を例示した波形図である。
【図１８】熱電対回路用の方形波発生器の、高温における出力を例示した波形図である。
【図１９】温度上昇時における熱電対の出力電圧を例示した波形図である。
【図２０】熱電対の出力と方形波発生器の出力との合成出力であるチョッパの出力を例示した波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ここに開示した実施形態によれば、温度が周囲温度から少なくとも４５０℃までの温度を含む３００℃を超える温度に及ぶガスタービンの領域から、電子回路を用いた無線遠隔測定によって、データを伝送することが可能になる。従って、その回路およびパッケージの構成要素の全てが、３００℃を超える温度で動作可能な材料から製作されなければならない。技術的現状では、高温電子システムは、制御論理回路が、シリコンベースの電子回路もしくは最高３００℃までの高温で動作可能な高温シリコンオンインシュレータ（ＨＴＳＯＩ）技術を用いるのに十分低い温度の場所に配置されるように、設計される。このようなシステムの技術的現状においては、制御信号は、比較的低温の領域から、電線を介して、温度が３００℃を超える高温領域に配置された電力増幅モジュールへと送られる。その電力増幅モジュールは、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮを含むバンドギャップの大きい半導体材料、またはその他にも、約３００℃を超える温度で用いることが可能な高温適応性の半導体材料といった、高温で使用するように設計された半導体を用いる回路である。このタイプの設計戦略は、送信器の電子回路全体をタービン動翼に配置しなければならず、従って、３００℃を超える高温で動作しなければならないので、ガスタービン動翼のような回転する高温セクションの構成部品に対する計装の組み込みには、役に立たない。ここでは、３００℃を超える、少なくとも４５０℃までの温度を含む温度においてもセンサ信号収集と無線送信との両方を可能とする新規の電子回路を開示する。
【００１２】
その開示される電子回路およびパッケージは、高温でも動作可能な材料、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、高温適応性のエポキシまたはセラミック材料から製作される。導体は、溶融することなく高温に耐えることが可能な、銀または金のような材料から製作される。能動および受動電子部品は、電気的要件および基板が動作することになる温度環境に基づいて選択されなければならない。パラジウム、ルテニウム、イリジウム、レニウムのような族をベースにした厚膜抵抗器、ＮＰ０、ＣＯＧ、およびＸ７Ｒのような多層セラミックコンデンサといった高温受動部品を用いることが可能である。適合するインダクタが市販されていない場合、電子回路を支持するプリント回路基板に高温適応性のインダクタを直接付着させることが必要となり得る。能動部品、すなわちトランジスタ、ダイオード等は、上掲のような高温で動作可能な半導体材料から製作することが可能である。部品と電子回路との接続は、同様に、金またはアルミニウムのような高温金属からなる、ダイ接合、ワイヤボンディングの形態、もしくはその他の適合する方法で、実施することが可能である。モノリシックの高温ボンディング材料の限界を超える場合には、接合は、合金組成物を用いて実施することが可能である。接合中のデバイスが曝される温度を低下させるために、共晶合金組成物を用いた接合を行い、その後に、熱処理を施すことで、その接合用組成物を、より高い溶融温度のものとなるように変化させることが可能である。基板上の全ての材料は、必要とされる動作温度に曝されることに起因してその基板の性能を劣化させる化学反応または組成／構造変化が生じることのないように、選択しなければならない。熱電対または歪みゲージセンサから信号を伝送することが可能な、完成した回路は、現在入手可能もしくは開発中の、高温タイプの受動および能動の電子回路材料を用いて、本開示に従って設計された。
【００１３】
本発明の実施形態によれば、図１を参照すると、温度が３００℃を超える環境で動作する、その付根２２に幾つかの電子部品が配置された、タービンエンジン動翼２０のような回転する構成部品から、センサデータを送信することが可能となる。ここでの開示される、さらなる修飾を伴わない「高温」という文言は、燃焼タービンの各部分内における最高動作温度が３００℃を超えるような任意の動作環境を表している。
【００１４】
本発明の実施形態によれば、１つ以上のセンサと、センサを少なくとも１つの遠隔測定送信回路に接続するリード線と、少なくとも１つの送信用アンテナと、電源と、少なくとも１つの受信用アンテナとを含み得る遠隔測定システムが計装された燃焼タービンに用いられる、構成部品が提供される。図１には、タービン動翼２０、無線遠隔測定送信器アセンブリ２４、および回転アンテナアセンブリ２６が例示されている。遠隔測定送信器アセンブリ２４が動翼の付根２２に近接して取り付けられる場合には、リード線またはコネクタ２８は、センサ３０のような１つ以上のセンサから遠隔測定送信器アセンブリ２４まで延びたものとすることが可能である。リード線２８は、電子部品データ信号を、センサ３０から遠隔測定送信器アセンブリ２４へと送り、そこで信号は、図２に示した電子回路パッケージ３４内に収容されている回路基板上に形成された遠隔測定送信回路によって、処理される。リード線または電気コネクタ３６は、遠隔測定送信回路から回転アンテナアセンブリ２６へと電子部品データ信号を送るように配置することが可能である。
【００１５】
図２には、高温回路基板を収容して、遠隔測定送信器アセンブリ２４の一部分を形成することが可能な高温電子回路パッケージ３４が例示されている。電子回路パッケージ３４の本体は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏの合金であるＫｏｖａｒ（登録商標）なるブランド名の合金のような、熱膨張係数の低い合金から製作することが可能である。Ｋｏｖａｒ（登録商標）合金の熱膨張係数は、正確な組成によれば、約４．５〜６．５×１０-6／℃の範囲である。タービン動翼２０のような高温タービン構成部品に典型的に用いられるＮｉベース合金は、熱膨張係数が、約１５．９〜１６．４×１０-6／℃の範囲内である。電子回路パッケージ３４は、所定位置にしっかりと固定することができるが、その一方で、図２に関連して後述するように、電子回路パッケージ３４とタービン動翼２０との間における相対運動を見込んでおくことも可能である。この相対運動は、熱膨張率の相違に起因して生じる可能性があり、周囲温度と動翼の付根２２付近で一般に経験される３００℃を超える動作温度との間での多数回の熱サイクルの時間経過に連れて生じ得る。
【００１６】
図２に最も明瞭に示されている遠隔測定送信器アセンブリ２４には、取付けブラケット３７およびリッドまたはカバープレート３８と、それらの間に配置された電子回路パッケージ３４を含むことが可能である。複数の接続ピン４０によって、無線遠隔測定回路を備えたパッケージ３４内に収容された電子回路基板と、センサからのリード線、誘導コイルアセンブリ、または、データ送信用アンテナのような各種外部装置との間の接続が可能になる。取付けブラケット３７、カバープレート３８、および、それらを結合する保持ネジ３９は、全てタービン動翼２０と同じ材料から製作することが可能である（図１に示す）。これによって、タービン動翼２０と取付けブラケット３７との間に熱膨張の差が生じないようにすることができる。その結果、熱的遷移の間、取付けブラケット３７とタービン動翼２０には、応力は発生しない。
【００１７】
電子回路パッケージ３４の熱膨張係数は、取付けブラケット３７の膨張係数とは異なる可能性がある。これらの構成部品が含まれている動作システムが高温の場合、回路基板が収容されているＫｏｖａｒ（登録商標）合金で形成された電子回路パッケージ３４は、取付けブラケット３７よりも膨張度が少なく、その結果、システムの振動エネルギによって生じる損傷を被ることになる可能性がある。取付けブラケット３７内に電子回路パッケージ３４を固定して、ブラケット３７と電子回路パッケージ３４との寸法変化差に対応するため、電子回路パッケージ３４と取付けブラケット３７の内面との間にセラミック繊維織物層４１を配置することが可能である。織物４１は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、または、酸化アルミニウムのような繊維を含む適合するセラミック繊維から製作することが可能である。例えば、織物４１には、ある量の３Ｍ社製Ｎｅｘｔｅｌ（登録商標）酸化アルミニウムベースの織物を利用することが可能である。
【００１８】
取付けブラケット３７およびカバープレート３８を用いて電子回路パッケージ３４およびセラミック繊維の織物４１を組み立てて、遠隔測定送信器アセンブリ２４を形成する場合、取付けブラケット３７は、ボルト締め、溶接、ろう付けのような適合する取付け手段によって、または遷移液相ボンディングによって、タービン動翼２０に取り付けることが可能である。図１には、アセンブリ２４を受けるため、動翼付根２２に近接してタービン動翼２０内に切削加工するか、もしくは別様に形成することが可能な、凹部またはフラットなポケット４２が例示されている。
【００１９】
カバープレート３８は、回転するタービン動翼２０が全速で動作中に生じる慣性力が掛かるカバープレートに構造的支持を付与するため、その慣性力の方向に向いたフランジ４４羽そなえてなるものとすることが可能である。この結果、慣性力によってカバープレート３８に掛かる荷重の伝達から保持ネジ３９を解放して遠隔測定送信器アセンブリ２４が隣接の構成部品に妨げられることなく比較的小さい凹部４２に嵌るように、保持ネジ３９を十分に小さくすることが可能となる。もしも保持ネジ３９が慣性力によって加えられる荷重を伝達することが必要であるならば、それが必要とするサイズがあまりに大きすぎて、利用可能な空間に嵌めることができなくなってしまうことが想定されるのである。
【００２０】
図１に示すように、回転アンテナアセンブリ２６は、付根２２の端面またはネックに固定することが可能である。アセンブリ２６は、その付根２２を含むタービン動翼２０のようなタービンの高温ガス経路構成部品に用いられるＮｉベース合金とは熱膨張係数の異なる電子アセンブリとすることが可能である。音速またはそれに近い速度におけるタービン動翼２０の回転中、１つ以上の回転アンテナアセンブリ２６を乱流から保護することが可能である。一実施形態では、乱流保護材料は、その材料による電力およびデータの伝送を可能にするためＲＦ波周波数に対して透過性である。回転アンテナアセンブリ２６の実施形態には、データアンテナおよび誘導電力部品が収容される中空取付け具である、図１に示す耐久性、保護性のＲＦ透過性カバー５０を含むことが可能である。ＲＦ透過性カバー５０は、燃焼タービンの運転中、その内容物を乱流の物理的影響から保護する。ある種のセラミックは、高温の構成要素からＲＦ通信機器類を保護するのに適している。しかしながら、多くのセラミックおよびセラミック複合材料は、回転タービン動翼２０が燃焼タービンの運転中に被る振動衝撃および慣性力荷重下において剥離および亀裂を生じやすい。本発明の発明者は、ＲＦ透過性カバー５０は、ＲＦ透過性で靭性の高いセラミック構造材料から製作可能であると判断した。セラミック複合材料、ならびに、高靭性セラミックとして知られる一群の材料から選択された材料を用いて、カバー５０を製作することが可能である。添加元素のドーピングまたは特定の処理アプローチから生じるマイクロ構造の設計によって靭性が増強する、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、および、アルミナといった材料が利用可能である。
【００２１】
ＲＦ透過性で、形成しやすく、比較的低コストのこうした材料の１つは、ジルコニア強化のアルミナ（ＺＴＡ）と一般に呼ばれるセラミック群から選択された材料である。この一群の酸化アルミニウム材料から選択されたセラミック材料は、従来の純酸化アルミニウム材料に比べて強度および靭性がかなり高い。これは、酸化アルミニウム全体に酸化ジルコニウムの微粒子を均一に混合することによって実現する応力誘導転移強化から生じる。典型的な酸化ジルコニウム含有率は、１０％〜２０％である。結果として、ＺＴＡは、従来の純酸化アルミニウム材料に比べて構成部品の寿命の延長および性能の向上を実現する。
【００２２】
そのＺＴＡの設計されたマイクロ構造は、圧縮時にそのセラミックに荷重が掛かると、耐破壊性を示す。しかしながら、そのセラミックは、ぴんと張った状態で大きな荷重が掛かると、従来のセラミック材料の場合と同様に、壊滅的に破損する。従って、ＲＦ透過性カバー５０は、燃焼タービンの運転中にセラミック材料の引張り応力が最小限になるように、設計される。これは、（１）ＺＴＡ製構成部品の全てのコーナー部分、エッジ、および湾曲部における、応力集中係数を低下させるため、これらの位置に機械加工を施して、鋭いコーナー部分およびエッジが取り除かれるように設計し、製作することによって、また、（２）運転中、ＺＴＡ製ボックスに加えられる慣性力に起因して取付けフランジに顕著な曲げ応力が生じないように、回転アンテナ取付けブラケット５１におけるＺＴＡ製構成部品の配向が施され、かつ回転アンテナ取付けブラケット５１にＺＴＡ製構成部品が取り付けられるように設計し、製作することによって実現される。これは、慣性力荷重方向に対して垂直ではなくて、慣性力荷重方向に対して平行になるようにフランジの配向を施し、ＺＴＡ製フランジが圧縮時には荷重を受け、曲げ時には受けないようにすることによって、実現される。
【００２３】
取付けブラケット５１は、燃焼タービンの運転中に回転アンテナアセンブリ２６が被る全ての慣性力荷重がブラケット５１の上端に向かって延びる方向において吸収されるように設計することが可能である。取付けブラケット５１のどの部分も、ＲＦ送信データ信号を減衰させるのに十分なほど、それに収容されているアンテナを越えて延びることはない。ＲＦ透過性カバー５０は、その内部応力場が主として圧縮性であるように、所定位置に固定されており、そのフランジの半円形ディボットに通るネジ付きピン（不図示）を用いて固定することが可能である。
【００２４】
取付けブラケット５１は、溶接、ろう付け、ボンディング、ボルト締め、またはねじ留めといった一般的な手段によって、タービン動翼２２の前面に固定することが可能である。回転アンテナアセンブリ２６の一実施形態は、アンテナを収容するカバー５０の中空本体内に、所望のアンテナを、セラミック注封材料を用いて封入することによって、組み立てることが可能である。そして、そのアンテナを収容している注封ＲＦ透過性カバー５０をスライドさせて、タービン動翼付根２２に予め固定しておくことが可能な取付けブラケット５１に、嵌めることが可能である。カバー５０は、取付けブラケット５１およびカバー５０のディボットに挿入されたピンによって取付けブラケット５１に固定することが可能である。
【００２５】
次に、図３を参照すると、図２のハウジング２４内に含まれている高温電子回路パッケージ３４内の構成要素を示す分解図が示されている。パッケージ底部キャビティ３４Ａには、その端部から延びる電気接続ピン４０が含まれており、このコネクタによって、パッケージ３４内の電子回路と外部センサ、電源、およびアンテナとの通信が可能になる。少なくとも４５０℃までの高温で機能するために、パッケージは、電子回路と、今後はプリント回路基板と呼ぶことにするその基板４２とを、収容するような設計および寸法設定にしなければならない。パッケージは、温度および遠心荷重の要件に耐えて、基板上の回路を保護することが可能でなければならない。従って、パッケージ３４は金めっきが施されたＫｏｖａｒ（登録商標）合金で製作され、電気接続ピン４０は金で製作される。パッケージ３４の金めっきによって、高温で生じる可能性のあるＫｏｖａｒ（登録商標）合金の酸化が防止される。コネクタ４０は、個々の絶縁スリーブ（不図示）によってパッケージから絶縁されている。１対のピン４０は、センサ３０と通じる電気コネクタ２８に結合されている。第３のピンは、接地電位に結合されており、ピン４、５、６、および７は、電源に結合されている（正および負の交流電源に対してそれぞれ２つ）。最後のピンは、送信器出力（データ）信号をアンテナ２６に結合するために用いられる。
【００２６】
プリント回路基板
プリント回路基板４２または基板は、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高温適応性エポキシまたはセラミック材料といった、高温で動作可能な材料から製作するのが望ましい。回路配線（または「プリント回路」）は、銀または金のような、高温で機能する金属で製作するのが望ましい。発明者は、プリント回路基板４２の一実施形態を製作するのに、アルミナ基板を用いる厚膜プロセスを選択した。アルミナ基板は、厚膜金ペーストでメタライジングされた。これらの基板は、高温で極めて有効に機能し、ダイ接着プロセス（後述）に非常によく適合した。デュポンＱＧ１５０ブランドの金ペーストがメタライゼーションに選択された。このペーストには、高密度金粉末がガラス酸化物結合剤と供に含まれている。プリント回路基板は厚さ約０．２５４〜２．５４ミリメートル（ｍｍ）のアルミナで形成することが可能である。最終基板は、厚さが０．５０８ミリメートル（ｍｍ）の９６％アルミナ基板をなす。高密度金ペーストは、導電層として用いられ、ハンダ付けおよびワイヤボンディングを施すことが可能な表面としても機能した。印刷能力によれば、０．１２７ミリメートル（ｍｍ）の線解像度が可能であった。
【００２７】
プリント回路基板４２は、上述したその概要を、下記のプロセスによって組み立てられる。基板は、厚膜スクリーン印刷プロセスを利用して作製される。特殊スクリーン印刷機が、パターン形成されたステンレス鋼細目スクリーンと併用される。金ペーストが、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）基板に印刷される。印刷後、ペースト内の溶剤を「ベークアウト」するため、ペーストが１５０℃のオーブン内で乾燥させられる。次に、基板が炉内に入れられて、８５０℃で焼かれる。このプロセス中、ペースト内のガラス／酸化物結合剤が焼結ペーストとアルミナ基板を強力に結合する。複数の印刷には、複数の焼結ステップが必要になる。一実施形態によれば、２度の印刷／焼結サイクル（上面および底面メタライゼーション）が行われる。
【００２８】
次に、焼結された基板は、ダイシングソーを用いて適切な寸法に切断される。上部印刷面は、回路パターンが形成されており、底部印刷面は、印刷適性の限界のため、「メッシュ状」になった金属面である。その金属背面によって、金属結合プロセスを施すことが可能になる。
【００２９】
プリント回路基板４２が完成して、部品が取り付けられると（後述）、次にそのプリント回路基板は、キャビティ３４Ａ内に配置され、そのプリント回路基板およびキャビティに１２カラットの金線４４Ａ、４４Ｂがレーザ溶接されて、プリント回路基板を所定位置に固定するための保持部が形成される。基板をパッケージ内に機械的に保持することは、パッケージおよびその内容物に強い慣性力が掛かるので、極めて重要である。保持部は、その熱膨張係数がパッケージの熱膨張係数の２０％以内の材料で形成して、その間の熱成長差を最小限に抑えるようにすることが可能である。パッケージ３４内に充填材料を入れて、それをプリント回路基板および回路部品全体に広げ、運転中、それらの位置の安定化を助けることが実現可能である。しかしながら、用いられる充填材は、温度サイクル期間中における、回路部品およびその接続線の膨張または収縮を、見込んでおかなければならない。最後に、リッド３４Ｂが、キャビティ３４Ａの上部に固定される。一実施形態によれば、そのリッド３４Ｂは、圧縮によって機械的に固定できるまで、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）ブランドのポリイミド絶縁テープを用いて所定位置に保持された。リッド３４Ｂを固定するための、もう１つの実施形態は、パッケージキャビティ３４Ａに溶接することである。
【００３０】
さらに詳細に後述するように、プリント回路基板４２のための２つの異なる回路レイアウトパターンを利用することが可能である。第１のパターンは、タービンの選択された構成部品の温度変化を検知する回路のために設計されたものであり、センサ３０は熱電対である。構成部品の温度を表わす信号は、回路によって増幅および処理され、ＦＭ送信器によって送信され、アンテナ２６のようなアンテナによって同報通信される。このタイプの回路は、温度を測定するセンサ以外のものであるが、やはり応答として直流（Ｄ／Ｃ）出力信号を生じる静的歪みセンサ、導電性トレースセンサ、または化学センサのような、センサに用いることも可能なものである。第２のパターンは、タービンの選択された構成部品に生じる動的歪みを検知する回路のために設計されたものであり、センサ３０は、歪みゲージである。選択された構成部品に生じる動的歪みを表わした信号は、回路によって増幅および処理され、ＦＭ送信器によって送信され、アンテナ２６のようなアンテナによって同報通信される。このタイプの回路は、動的歪みを測定するセンサ以外のものであるが、やはり応答として交流（Ａ／Ｃ）出力信号を生じる加速度計または電磁波放出検出器のようなセンサに用いることも可能なものである。代替の実施形態では、複数信号を多重化する単一ＦＭ送信器を利用して、受信信号を２つの独立したデータ信号に復号化するように構成された単一ＦＭ受信器に送る。プリント回路基板４２は、図３に示すように、熱電対回路の主要部を成しており、その説明図では部分的に完成している。両回路には、さらに後述するＦＭ送信器のタンク回路の一部を成すコルピッツ発振器のための開放型空心線誘導コイルＬ１が含まれている。コイルＬ１の品質係数Ｑは、回路の動作温度および動作周波数において少なくとも５とすることが可能である。スパッタリングされる金または銀ペースト材料を用いて、コイルを形成することが可能であるが、こうしたペーストのＱ値は一般に低い。本発明者は、金または銀線を巧く利用して、その誘導コイルを形成した。金属線空心導体は、高周波数における短絡を阻止するため、その全長に沿って注封することが可能である。注封される線には、短絡を阻止するために、それ自体が交差する場所に絶縁テープを巻きつけるようにすることが可能である。あるいは、短絡を阻止するために、金属線でその交差点にブリッジを形成することが可能である。こうしたコイルの機械的強度および安定性を高めるため、線のまわりを注封材料で包囲することが可能であるが、こうした注封材料は必然的にコイルのＱ値に影響することになる。一実施形態では、セラミックアルミナペースト懸濁物（Ｃｅｒａｍａｎｂｏｎｄ（登録商標）ブランドのセラミックセメント）で注封された金線によって、ガスタービンの動作温度および慣性力において所望の構造安定度が得られ、５を超えるＱ値が得られた。こうしたアルミナベースの注封材料は、コイルの電気絶縁体の働きもするので、線自体のまわりに独立した電気的絶縁を施す必要はない。
【００３１】
ダイ／部品接着
電子回路パッケージが少なくとも４５０℃までの高温で機能し、１０００ｇを超える遠心荷重に耐えるため、プリント回路基板４２への部品接着は、特殊な要件を満たさなければならない。ハンダの適正なリフローを保証するため、全てのボンディングは真空オーブン内で実施される。発明者は、ハンダ付けされる部品の質量がごくわずかな場合に遭遇する可能性のある重大な問題を認識した。部品の質量が非常に小さい場合、液体合金が滴玉状になると、その表面張力を突破できない可能性があり、構成部品がハンダから押し外されて、別の位置へとスライドする、もしくは、ある角度で傾斜する可能性がある（「ツームストーニング」と呼ばれる）。
【００３２】
この問題を克服するため、本発明者は、真空オーブンの加熱された取付け具に嵌まるトランスファプレートと部品アライメントテンプレートを利用する手法を開発した。トランスファプレート６０が、図４Ａには平面および立面図で示されており、１対の部品アライメントプレート６１および６２が、図４Ｂにはやはり平面図で示されている。図４Ａには、図３に示すプリント回路基板４２の組立てに用いられるトランスファプレート６０の平面図および端面図が示されている。トランスファプレートは、グラファイト製であり、基板（プリント回路基板）と、組立作業中、プリント回路基板に接着される部品のアライメントをとるためのアライメントプレート６０、６１を受けるサイズおよび形状を備えている。アライメントプレート６０、６１は、高温に耐えることができ、ハンダに対して不活性で、耐性を示し、部品のために高精度の切抜き部を形成することが可能でなければならない。従って、合金の３１６ステンレス鋼を用いて、これらのプレートを製作することが可能である。切抜き部のサイズが小さく、高精度が要求されるので、レーザ切断を用いて製作することが可能である。
【００３３】
次に問題になるのは、プリント回路基板４２に部品を接着するためのハンダの形成である。材料は、ダイメタライゼーション（Ａｕ薄膜）および基板メタライゼーション（Ａｕ厚膜）と適合しなければならない。
【００３４】
２つの湿潤表面間に高温金属フィラーを溶かし入れることを含んでいる比較的単純なプロセスである、ろう付けは、下記の３つの主要因のために、本発明においては最適ではないことが分かった：（１）大部分のろうは、液化温度が７００℃を超え、高腐食性フラックスを必要とする、（２）多くのろう付け合金は、共晶ではなく、処理を複雑にする可能性のある塑性領域が極めて大きい、（３）大部分のろうは金表面と適合しない。
【００３５】
本発明者は、遷移液相（ＴＬＰ）ボンディングが本願の場合ほど最適ではないことも発見した。このプロセスでは、２つの適合する表面間において融点の低い合金が液化される。合金が接合面間のギャップを埋めると、適合金属を「溶解するか」または「浸出させる」働きをする。この作用によって、合金の組成が変化し、そのためフィラーの融点がシフトし、結果として固化および極めて質の高い接合部が生じることになる。このプロセスの主たる要件は、接合される表面は厚いが、溶融合金層は極めて薄いということである。本発明者は、このプロセスをめっきした薄膜（厚さ２０ミクロン）および厚膜（厚さ２５ミクロン）基板に適用した場合には、不整合性が極めて大きくなり、多くは受入れ要件に合格しないことを発見した。
【００３６】
本発明者は、純金を用いた固相拡散プロセスが本発明に役立つことを発見した。このプロセスでは、液体金属は利用されない。その代りに、金の急速自己拡散性を利用して、２つの純金表面間に極めて質の高い接合部を生じせしめることになる。固相拡散は、フィラー材料を用いずに実施可能であるが、一般に、向かい合った面を互いに圧縮して、適切な接触領域を得るのに極めて高い圧力が必要とされる。こうした圧力の代りに、本発明者は、金のフィラー材料を選択して、ボンディング面間のギャップを埋めた。金箔と金粉の両方を調査して、金粉が、ギャップを埋めるその能力と、焼結による加熱下で均質な固体層を形成するその能力の両方によって、より優れた選択肢であることが立証された。焼結とは、拡散を利用して２つの小粒子を結合し、固体マトリクスにするプロセスである。これは一般に、拡散速度を高めるため、高温で実施される。固相拡散プロセスは、金粉を用いて実施可能であるが、さらに、本発明では、金ペーストのほうが利用しやすいことが分かった。ペーストは、ディスペンシング、スタンピング、およびスクリーン印刷を含む、いくつかの方法によって塗布することが可能である。金ペーストと金粉との主たる相違は、金ペーストは、粉末を容易に塗布することができるようにトランスファ媒体の働きをする有機ビヒクル（ポリマ、テルピネオール、またはグリコールエーテルのような）と、ボンディングが求められるまで粉末を分離する働きをする界面活性剤との、両方を備えるという点にある。
【００３７】
いくつかの金厚膜ペースが選択されて用いられた。ペーストは、純金層に付着しない他の添加剤（酸化物ベースの結合剤およびガラスフリット）を含んでいるが、アルミナ基板および金による厚膜メタライゼーションに適合する。さらに、これらのペーストは、容易に入手可能であり、小さい高純度の金粉を含んでおり、塗布しやすいように工夫されている。多くの金ペーストが適合性を立証されているが、最良の実施選択肢は、最高の金組成が得られるペーストであるデュポンＱＧ１５０であることが分かった。これは、基板のメタライゼーションに用いられるのと同じペーストであり、従ってシステム全体に極めてよく適合する。このプロセスにおいて、ダイおよび部品は、少量のＱＧ１５０金ペーストで金メタライゼーションを施された基板上に配置される。次に、そのアセンブリが、１２時間に亘って４００℃のオーブン内に入れられる。この時間中、隣接する金粒子間および金粒子とボンディング面との間で、金−金拡散が生じる。その結果生じる接合部は、極めて強く、５００℃を超える温度に十分耐えることが可能である。さらに、このプロセスは、単純で、迅速、かつ再現可能であり、ごく小さい部品に実施することが可能である。
【００３８】
次に図５Ａ、５Ｂ、および、５Ｃを参照すると、回路基板上で部品のアライメントをとって組み立てるのに用いられる、トランスファプレートの斜視図が示されている。まず、トランスファプレート６０のキャビティ内に基板またはプリント回路基板４２が収容される。次に、基板上にアライメントプレート６１、６２が重ねられる。部品接着用の金ペーストが、アライメントプレートの開口内に入れられ、その後、組立て作業のため、アライメントプレート６０、６１の開口内に、部品が収められる。図５Ｃに示すように、トランスファプレート６０が、基板、アライメントプレート、金ペースト、および、部品と一緒に加熱されたグラファイトプレート６５の間に挟まれる。次に、そのアセンブリが、１２時間に亘って４００℃のオーブン内に入れられる。この時間中、金−金拡散が生じ、ダイと部品は５００℃を超える温度において高剪断強さで接着状態に保たれる。このプロセスは、ダイと部品の適正なアライメントをとるピックアンドプレイス機によって再現可能になる。
【００３９】
ワイヤボンディング
ワイヤボンディングは、多くの電子回路用途で用いられる標準的な方法であるが、ワイヤボンディングが、高温中にこうした剪断力（換言すれば慣性力）に曝される環境で用いられるということは、発明者達には未だ認識されていなかったことである。次に、図６Ａおよび６Ｂを参照すると、半導体技術で一般に用いられるワイヤボンディング技法が示されている。図６Ａには、ボンディングワイヤの各端部のフットとヒールが例示されており、図６Ｂには、用語「ループ高」および「ボンド長」が図解されている。図７は、典型的なワイヤボンディングの慣性力分析を示す斜視図であり、慣性力は４つの異なる方向から掛かっている。まず、Ｘ方向および−Ｘ方向と表示されたワイヤボンドの端部から端部へと逆方向（すなわち、ワイヤと平行な方向）に２つの力が生じる可能性があり、さらに、Ｚ方向および−Ｚ方向と表示されたワイヤボンドに向かう逆方向（すなわち、ワイヤに対して垂直な方向）に２つの力が生じる可能性がある。図８には、これらの様々な方向においてシミュレートされた慣性力下におけるワイヤの変形を示すワイヤボンディングの図が例示されている。プリント回路基板に集積回路を接続するのに用いられる相互接続技術は、電子システムにとって重要な要素である。
【００４０】
高慣性力下では、通常、ワイヤボンドがその元の位置からある程度偏位することが予想される。本発明者は、本発明の高温および高ｇ（加速度）環境において意外にも金のワイヤボンドの利用が可能であることを確認した。ワイヤボンドにＸ方向の荷重（図８の荷重状態２）が掛かる場合には、そのワイヤの全応力が最低になることが分かった。直径０．０１７８ミリメートル（ｍｍ）と０．０２５４ミリメートル（ｍｍ）の両方の金のワイヤボンドが用いられた。両方の直径のワイヤボンドとも、遠心荷重に対して平行な配向を施され、最大ループ高が０．４４２０ミリメートル（ｍｍ）以下であり、最大ボンディング長（ボンディングパッドからボンディングパッドまでの）が０．８８９ミリメートル（ｍｍ）未満に保たれる場合には、構造的に安定していることが明らかになった。これらの結果、１，０００ｇを超える荷重を許容することができ、実際に、１０，０００ｇを超える荷重を許容可能であることが実証された。ワイヤ特性、ループ高、ボンディング長、および温度の全てが、ワイヤボンドの持続的最大慣性力荷重に影響を及ぼすことになる。
【００４１】
電子回路
次に、図９Ａを参照すると、ここで用いられる増幅回路に対する独自の回路バイアスを例示した典型的な概略図が示されている。バイアス回路の機能は、ＪＦＥＴを適正な領域で動作させることにある。ＪＦＥＴの場合、動作域は、ＪＦＥＴが小抵抗器の働きをするオーム領域内、または、ＪＦＥＴが電圧制御式電流源の働きをする飽和領域内の、様々な点とすることが可能である。同じ領域内の異なる点であっても、バイアス点が異なれば、ＪＦＥＴの動作も異なることになる。２５°〜５００℃の温度範囲でＪＦＥＴを動作させると、ＪＦＥＴの特性の多くが変化する。ここで特に重要なのは、デバイスが示す利得が、低温よりも高温において少なくなるという事実である。もう１つの重要な変化は、図９Ｂのグラフに実証されているように、温度上昇につれてＪＦＥＴのしきい値電圧が下方に（より負に）シフトするという、温度変化に応じたＪＦＥＴ性能の特性である。
【００４２】
構造的に、図９Ａに示す増幅回路には、正電圧源Ｖ（＋）と負電圧源Ｖ（−）の間に直列に結合されたＲＢ＿１とＲＢ＿２とを具備する分圧回路網が含まれている。ＲＢ＿１をＲＢ＿２に接続する回路ノード１０００は、入力コンデンサＣ＿１の一方の側と、ＪＦＥＴ  Ｑ１のゲート端子に結合されている。Ｃ＿１のもう一方の側は、入力端子Ｖ（ｉｎ）に結合されている。ＪＦＥＴ  Ｑ１のソース端子は、接地電位に結合され、そのドレイン端子は負荷抵抗器ＲＤの一方の側に結合されている。抵抗器ＲＤのもう一方の側は、正電圧源Ｖ（＋）に結合されている。Ｑ１のドレイン端子は、もう１つのコンデンサＣ＿２を介して出力端子Ｖ（ｏｕｔ）にも結合されている。
【００４３】
図９Ｂには、変動温度下における図９Ａの増幅器のバイアス電圧と対比したＡＣ出力電圧の変化レベルが例示されている。すなわち、ノード１０００の電圧レベルが、図９Ｂの横軸に描かれており、その結果に生じる出力電圧Ｖ（ｏｕｔ）が、縦軸に描かれている。曲線１００１は、２５℃の温度における出力電圧を表し、曲線１００２は、１００℃の温度における出力電圧を表し、曲線１００３は、２００℃の温度における出力電圧を表し、曲線１００４は、３００℃の温度における出力電圧を表し、曲線１００５は、４００℃の温度における出力電圧を表し、曲線１００６は、５００℃の温度における出力電圧を表している。
【００４４】
ＪＦＥＴの共通ソース交流増幅器（例えば図９Ａ）の場合、結果として最大の交流電圧利得を生じることになる狭いバイアス電圧範囲が存在する。従って、これらの図から分かるように、結果として最大交流出力電圧が低下することになる温度に応じた利得の減少が発生する。また、最大ピーク対ピーク出力電圧の生じるバイアス点が左にシフトする（温度上昇につれて負の直流ゲートバイアス電圧が増す）ことが示されている。理論上のバイアス回路は、ピークを辿って最適性能を発揮する。従って、温度変化に連れてバイアス直流電圧を適応させるようにすることが望ましい。
【００４５】
抵抗器ＲＢ＿１およびＲＢ＿２によって、ゲートの直流動作点が、図９Ｂの横軸に描かれているのと同じ電圧である共通ソース増幅器（図９Ａ）のソース電圧（Ｖｇｓ）に設定される。例えば、２５℃におけるピーク交流電圧出力のバイアス点は、Ｖｇｓ＝−１．７ｖの位置である。抵抗器ＲＤは、増幅器の電圧利得を決めるのに役立つＪＦＥＴドレイン抵抗器である。温度変動（２５℃〜４５０℃）に応じて回路にバイアスを掛ける際に考慮しなければならない２つの特性は、結果としてピーク出力電圧になる電圧を辿るべきＲＢ＿１およびＲＢ＿２によって設定されるバイアス点と、温度上昇につれて増大すべき回路の利得とである。上記の２つの尺度を用いると、デバイスの出力特性は、問題となる温度範囲全体に亘ってほぼ一定のままになる。これは、抵抗器ＲＢ＿１が正の抵抗温度係数（ＰＴＣ）を有し、抵抗器ＲＢ＿２がゼロの抵抗温度係数（ＺＴＣ）を有するように設計することによって、実現可能である。もう１つの手法は、抵抗器ＲＤにも同様にＰＴＣを付与して、温度上昇に連れて増幅器の利得を増大させるようにすることである（結果として、高温における利得が低温における利得に等しくなる）。
【００４６】
抵抗の温度係数は、幾つかの方法で実現することが可能である。それらは、場合によっては表面実装サーミスタを用いて取り入れることも可能であるし、あるいは、様々な材料を回路基板に取り付けて構成することも可能である。様々な抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する多くの厚膜ペーストが入手可能である。一実施形態によれば、抵抗器ＲＢ＿１およびＲＤは、ＴａＮ厚膜で形成され、抵抗器ＲＢ＿２は、白金厚膜で形成される。
【００４７】
次に図１０を参照すると、歪みゲージ回路のブロック図が示されている。測定されるタービン構成部品に加えられた歪み量を表わす信号が、歪みゲージ１０１によって生じる。この信号は、次に差動増幅器１０２によって検知され、交流増幅器１０３に結合されて、さらに増幅される。増幅された歪みゲージ信号は、次に電圧制御式発振器１０４の入力に加えられ、その周波数が測定されるタービン構成部品に加えられた歪みを表わす振動信号が生じることになる。この振動信号は、次にバッファ１０５によって緩衝され、アンテナ２６に送られて、搬送周波数に同調させた従来の同調器（不図示）に送信される。
【００４８】
次に、図１１を参照すると、熱電対回路のブロック図が示されている。測定されるタービン構成部品の温度を表わす信号が、熱電対１１０によって検出され、差動増幅器１１１に送られる。その差動増幅器１１１の出力は、直流増幅器１１２に送られる。増幅器１１２の出力および方形波発振器１１３（または方形波発生器）の出力は、「チョッパ」１１４の入力に結合される。チョッパ１１４の出力は、電圧制御式発振器１１５の入力に結合され、その周波数および振幅が測定されるタービン構成部品で検知された温度を表わす振動信号が生じることになる。この振動信号は、次に、バッファ１１６によって緩衝され、アンテナ２６に送られて、搬送周波数に同調させた標準的な同調器（不図示）に送信される。両タイプの回路を同じタービンに用いる場合には、２つの信号間の混乱を回避するために、搬送周波数が異なることになる。
【００４９】
次に、図１２を参照すると、歪みゲージ出力信号を増幅するための回路１０１、１０２、および１０３の概略図が示されている。より選択範囲が限定される４５０℃を超える温度で使用できる入手可能な電気デバイスによって必要なタスクを電気的に実施するために、伝統的な無線遠隔測定回路設計の修正が必要となった。唯１つのタイプのトランジスタだけ、すなわち、高温メタライゼーションを施したＪＦＥＴだけを用いて、歪みゲージ信号調整（励起および増幅）回路が設計された。金属ボンディングパッド（すなわち金）の接続は、半導体材料に対して直接行うことができず、タングステンのような接着層を利用して、おそらくは拡散障壁も加えなければならない。これらの金属は、ダイの「金属スタック」すなわち高温メタライゼーションを成す。
【００５０】
構造的に、抵抗器Ｒ７と、正の電圧源Ｖｄｃ（＋）と接地電位との間に結合された歪みゲージとを含む、１つの分圧回路網が設けられている。回路結節点１１００は、抵抗器Ｒ７と歪みゲージとの接続点であり、かつ、コンデンサＣ４を介してＪＦＥＴトランジスタＪ１のゲート端子にも結合されている。トランジスタＪ１は、図９Ａに関して上述のように、このトランジスタのゲート端子で接合された１対の抵抗器ＲＢ＿１およびＲＢ＿２によってバイアスが掛けられている。トランジスタＪ１は、トランジスタＪ２を含む差動増幅器の半分である。トランジスタＪ１のドレイン端子は、抵抗器Ｒ１を介して正電圧Ｖｄｃ（＋）に結合され、トランジスタＪ２のドレイン端子は、抵抗器Ｒ２を介して同じ正電圧Ｖｄｃ（＋）に結合されている。トランジスタＪ１およびＪ２のソース端子は、互いに結合され、さらに、もう１つのトランジスタＪ３のドレイン端子にも結合されていて、そのトランジスタＪ３には、接地電位に結合されたゲート端子と、もう１つの抵抗器Ｒ３を介してやはり接地電位に結合されたソース端子が含まれている。トランジスタＪ２のゲート端子も接地電位に結合されている。従って、トランジスタＪ１のゲート端子における変化は、そのドレイン端子で増幅され、コンデンサＣ１を介してさらにもう１つのトランジスタＪ４のゲート端子に結合されるが、トランジスタＪ４は、端子Ｖｏｕｔから増幅器の出力を生じるトランジスタＪ５およびＪ６を含む３つを超す増幅段（交流増幅器１０３）の初段である。
【００５１】
歪みゲージを含んでいる、測定される構成部品に生じる歪みが変化すると、歪みゲージ抵抗器の抵抗が変化し、そのためにトランジスタＪ１のゲート端子における電圧が変化する。この結果、トランジスタＪ４、Ｊ５、およびＪ６による後続増幅段に結合される抵抗器Ｒ１を横切るトランジスタＪ１の出力が変化する。図１３に示す抵抗器ＲＢ＿２（ＺＴＣを有する）を除く抵抗器の全てが極めて低い（ゼロに近い、わずかに正の）抵抗温度係数を有している。また、ＪＦＥＴトランジスタの全てが、上述の高温メタライゼーションを施して作られている。
【００５２】
次に、図１３を参照すると、熱電対の出力を増幅し、増幅された出力信号に熱電対回路の局部温度を組み込むための回路１１０、１１１、および１１２の概略図が示されている。このようにして、単なる熱電対の出力のみならず、熱電対の両端における温度勾配の送信が可能になり、その結果、精確な温度測定結果が得られることになる。図１６には、図１１のブロック図に示された回路（すなわち熱電対回路２０１）に結合された熱電対１１０が例示されている。熱電対１１０の出力は、ΔＴ℃を表わすものとして示されている。以下でさらに示され、解説されるように、タービンの真の測定温度を表わすのは、熱電対回路２０１のΔＴ℃と局部温度との和である。
【００５３】
再び図１３を参照すると、熱電対の負の接続端子は、接地され、かつ正の接続端子は、トランジスタＪ８と供に差動増幅器１１１を形成するトランジスタＪ７のゲート端子に接続されている。この差動増幅器は、トランジスタＪ９で形成された電流源に加えて、トランジスタＪ７のゲート端子で互いに結合されたＲＢ＿１およびＲＢ＿２を含む分圧器によってバイアスが掛けられている。上述のように高温環境を補償するために、抵抗器ＲＢ＿１は、ＰＴＣを有し、抵抗器ＲＢ＿２は、ＺＴＣを有している（図９Ａおよび付随する説明参照）。
【００５４】
熱電対信号は、直流、または極めて低い周波数の交流なので、後続増幅段を容量結合することができない。その代りに、共通ソーストランジスタＪ１１にバイアスを掛けなければならないレベルまで差動増幅器の出力をシフトダウンするために、ソースフォロワ構成には、トランジスタＪ１０が用いられる。トランジスタＪ１１は、さらに信号を増幅する働きをする。トランジスタＪ１２およびＪ１４は、もう１つのレベルシフトおよび増幅段（直流増幅器１１２）を形成している。この時点で、熱電対の出力は、適正レベルに増幅されている。次に、増幅信号に熱電対回路の局部温度を組み込まなければならない。
【００５５】
トランジスタＪ１４およびＪ１５は、トランジスタＪ１６によって形成される電流源によってバイアスを掛けられる差動対増幅器を形成する。コンデンサＣ６およびＣ７が、抵抗器Ｒ１８、Ｒ１９、およびＲ２０と供に、−９０°〜＋９０°移相回路網を形成している。この移相回路網は、トランジスタＪ１５において増幅器入力の一方の端部に接続され、そのもう一方の端部は、増幅器の出力（トランジスタＪ１４のドレイン端子）に結合されて、ＲＣ帰還回路網を構成している。この構成によって、緩和型ＲＣ発振器が形成される（方形波発振器１１３）。コンデンサＣ６およびＣ７は、ＮＰ０型コンデンサであり、それらの容量は、２５℃〜４５０℃の温度変動範囲内では、有意な変化がない。ＮＰ０コンデンサの誘電体は、ネガティブ−ポジティブ−ゼロの容量温度係数を有しているが、正と負の温度係数は互いに相殺する。コンデンサＣ８は、トランジスタＪ１４のドレイン端子にて、ＲＣ帰還回路網と差動増幅器の出力との間に直列に結合されている。このコンデンサは、Ｘ７Ｒ誘電体で製作されており、従って、その容量は温度変化につれて予測どおりに変化する。Ｘ７Ｒは、ＮＰ０誘電体よりも誘電率の高いコンデンサ誘電体であるが、温度に対する容量依存度が大きい（これは予測可能である）。この発振器の出力は、その周波数が温度依存性コンデンサＣ８によって決まる方形波であり、従って、熱電対回路の局部温度は方形波信号に符号化することが可能である。（図１７に示す室温における発振器１１３の出力波形２１０、および、図１８に示す高温における同じ発振器の出力波形２１２を参照）。トランジスタＪ２７は、チョッパトランジスタ（すなわちチョッパ１１４）として機能する。トランジスタＪ１３からの増幅された熱電対出力（図１９の波形２１４）は、トランジスタＪ２７のドレイン端子に結合され、方形波発振器の出力は、そのトランジスタＪ２７のゲート端子に結合されている。トランジスタＪ２７のソースは、その振幅が熱電対１１０の温度に比例し、その周波数が熱電対回路の温度に比例する方形波出力を送り出す（図２０に示す波形２１６を参照）。従って、その信号には、熱電対の出力に加えて、熱電対回路の温度が含まれており、その信号が、電圧制御式発振器１１５に送られる。
【００５６】
熱電対１１０およびその回路１１３の動作の一例として、回路１１３の温度が２５℃で、発振器１１３の対応する出力が１．６２ｋＨｚの周波数であると仮定する（図１７の波形２１０）。また、用いられる特定の熱電対１１０に関して、１２ｍｖの出力電圧（図１９の波形２１４）が３２０℃のΔＴに対応するものと仮定する。次に、回路１１３の温度が３２５℃で、発振器１１３の出力が５．４４ｋＨｚであると仮定する（図１８の波形２１２）。波形２１２および２１４とトランジスタＪ２７を組み合わせることによって、トランジスタＪ２７の結果生じる出力（すなわち、回路の出力）が、波形２１６によって例示されている。従って、その結果に得られる測定温度は、熱電対の高温端で６４５℃である。波形２１６の周波数は局部回路１１３の温度を表わし、振幅はΔＴを表わしている。従って、当該分野の技術者であれば、ＦＭ受信器（不図示）に関連した回路を構成して、信号復号化および追加操作を実施することが可能である。
【００５７】
次に、図１４を参照すると、電力調整回路の概略図が示されている。ＲＦ入力電圧を整流し、整流された電圧を濾波して、その電圧を調整することが可能な電力調整回路を、１つのタイプのトランジスタのみと、利用可能なダイオードとを用いて、設計しなければならなかった。この回路は、回転するタービンによって生じるＲＦ誘導電力を整流して、正および負の調整直流電圧を供給する。ＲＦ誘導発電機の詳細については、上述の同時係属の米国特許出願公開第１１／５２１，１９３号明細書に陳述されている。構造的には、ダイオードＤ５〜Ｄ８ならびにダイオードＤ９〜Ｄ１１は、ブリッジ整流器の働きをする。端子Ｖａｃ１およびＶａｃ２、または、Ｖａｃ３およびＶａｃ４の交流電圧が、リップルの大きい直流電圧に全波整流される。コンデンサＣ９〜Ｃ１２は、リップルを十分に低いレベルにまで減らすための、フィルタコンデンサの働きをする。トランジスタＪ１７およびＪ２１は、それぞれ、定電流を抵抗器Ｒ２６およびＲ３０に送り込む定電流源の働きをする。定抵抗を通過するこの定電流によって、トランジスタＪ１９およびＪ２３に結合される定電圧が生じる。抵抗対Ｒ２５／Ｒ２６または抵抗対Ｒ２９／Ｒ３０によって、しきい値が決まった後、トランジスタの入力における電圧上昇がトランジスタの出力における電圧上昇をもたらすことにならないように、この定電圧によって、トランジスタＪ１９およびＪ２３に、バイアスが掛けられる。上昇した電圧入力は、トランジスタＪ１９およびＪ２３において、熱として消失する。従って、トランジスタＪ１７およびＪ１９、ならびに、Ｊ２１およびＪ２３は、低ドロップアウト（ＬＤＯ）電圧調整器を構成している。正味電圧調整の改善のため、トランジスタＪ１８およびトランジスタＪ２０、ならびに、トランジスタＪ２２およびＪ２４によって、これらの調整器が反復構成されている。それらの電圧は、正または負の調整電圧Ｖｄｃ（＋）またはＶｄｃ（−）として、それぞれ供給される。
【００５８】
一実施形態によれば、抵抗器Ｒ２６、Ｒ２８、Ｒ３０、およびＲ３２は、ＰＴＣを有しており、抵抗器Ｒ２５、Ｒ２７、Ｒ２９、およびＲ３１は、ＺＴＣを有している。上述のように、この抵抗器構成によって、高温におけるバイアス電圧の変化が補償される。こうして、回路自体が温度変動を補償し、トランジスタＪ１９、Ｊ２０、Ｊ２３、およびＪ２４の、両端の電圧降下を一定に保つ。上述のように、ＰＴＣ抵抗器は、白金で製作することが可能であり、ＺＴＣ抵抗器は、窒化タンタルで製造することが可能である。抵抗器Ｒ２６、Ｒ２８、Ｒ３０、およびＲ３２が、ＺＴＣを有するように製作され、抵抗器Ｒ２５、Ｒ２７、Ｒ２９、およびＲ３１が、炭化ケイ素のようなシリコン抵抗器を用いて、負の温度係数（ＮＴＣ）を有するように製作された場合、その回路は、やはり同じ機能を果たすことが指摘される。
【００５９】
次に、図１５を参照すると、ＦＭ送信器（すなわちＶＣＯ１０４およびバッファ１０５）の概略図が示されている。周波数変調（ＦＭ）信号を生成するために、一般に可変インピーダンスデバイスを用いて、情報がＲＦ搬送波に符号化（変調）される。低温回路でこのタスクを行う一般的な方法は、その容量が印加電圧に依存するデバイスを用いることである。ほとんど全てのｐｎ接合ダイオードは、逆バイアスを掛けられると、この特性を示す、すなわち逆バイアスを掛けたダイオードに対して変動電圧が印加されると、ダイオード両端の容量変化が影響される。低温無線用途の場合、バラクタと呼ばれる特殊なダイオードがこのために用いられる。バラクタは、「超階段」接合（すなわち、大きな同調角を促進するため高濃度にドーピングされた接合）を施したｐｎ接合ダイオードであり、シリコンまたはガリウム砒素から製作される。
【００６０】
図１５に示す回路には、インダクタＬ１と、両方ともインダクタＬ１と並列に結合された直列結合コンデンサＣ１３およびＣ１４を含むコルピッツ発振器が含まれている。トランジスタＪ２５は、このコルピッツ発振器における能動デバイスとして機能する。発振器の搬送周波数は、インダクタＬ１とコンデンサＣ１３およびＣ１４の値によって決まる。コンデンサＣ１４に並列に結合されたダイオードＤ１３は、交流電圧を搬送波に変調する（すなわち符号化する）電圧可変コンデンサ、すなわちバラクタとして機能する。搬送波は、さらに、バッファトランジスタならびに電力増幅器の働きをするトランジスタＪ２６に容量結合される。ダイオードＤ１３の陰極は、回路ノード１４００に結合され、かつその陽極は、接地電位に結合されている。コンデンサＣ１３とＣ１４との間の回路接合は、この回路の入力端子Ｖ（ｉｎ）でもあるノード１４００に結合されている。そしてこの回路の出力は、送信アンテナ（不図示）に容量結合されている。
【００６１】
高温用途の場合、一般的なバラクタは、その容量が高温で印加されるバイアス電圧範囲全般に亘って非線形であるため、利用不能であり、ここでの検討対象となるＦＭ送信器には役立たない。従って、送信信号から正確な情報を回復することができない（同じ周波数偏移が個別の同調電圧に対応しない）。この問題は、ＳｉＣ自体に固有のものであり、従って、ＳｉＣデバイスでは所望の結果が得られないことが判明した。バラクタダイオードＤ１３として利用するため、高温で機能することが可能な（すなわち、同じ高温で印加される同じバイアス電圧範囲全般に亘って線形の容量を有する）ＧａＮデバイスが検討された。窒化ガリウム（すなわちＧａＮ）も、バンドギャップエネルギが、３００Ｋにおいて、３．４ｅＶ（一方、ＳｉＣは２．８６ｅＶ）というバンドギャップの大きな半導体であるが、これは高温（６００℃を超える）で機能可能であることを表わしている。現在入手可能な唯一の市販のＧａＮダイオードは、青色または紫外線ＬＥＤの形態を成すものであり、ここで検討の対象となる温度変動範囲全般に亘って満足のゆく結果をもたらすものである。
【００６２】
本発明の様々な実施形態を示し、説明してきたが、こうした実施形態が例証の目的に限って提示されたものであることは勿論である。本発明から逸脱することなく、様々なバリエーション、変更、および置換を施すことが可能である。従って、本発明は、添付の請求項の精神および範囲のみの制限を受けるように意図されている。
【符号の説明】
【００６３】
２０    タービン動翼
２２    タービン動翼の付根
２４    無線遠隔測定送信器アセンブリ
２６    回転アンテナアセンブリ
２８    コネクタ
３０    センサ
３４    電子回路パッケージ
３６    電気コネクタ
３７    取付けブラケット
３８    カバープレート
３９    保持ネジ
４０    接続ピン
４２    プリント回路基板
５０    ＲＦ透過性保護化バー
５１    回転アンテナ取付けブラケット
６０    トランスファプレート
６１    部品アライメントプレート
６５    グラファイトプレート
１０１  歪みゲージ
１０２  差動増幅器
１０３  交流増幅器
１０４  電圧制御式発振器
１０５  バッファ
１１０  熱電対
１１１  差動増幅器
１１２  直流増幅器
１１３  方形波発振器
１１４  チョッパ
１１５  電圧制御式発振器
１１６  バッファ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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