Способ и система для многофункциональных встроенных датчиков
METHOD AND SYSTEM FOR MULTIFUNCTIONAL EMBEDDED SENSORS

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Контроль, прежде всего в жестких внешних условиях, является проблемой во многих отраслях промышленности. Способность предоставлять надежные данные в реальном времени в таких жестких внешних условиях находит применение в реактивных двигателях, газовых турбинах для производства электроэнергии, промышленности, производственных процессах и т.п.
[0002] В иллюстративных целях в настоящем документе описывается процесс производства электроэнергии. По самой своей природе крупномасштабное производство электроэнергии с использованием ископаемых видов топлива включает процессы, которые происходят при экстремальных условиях, как по температуре, так и по давлению. Контроль этих процессов и состояние оборудования, в котором они происходят, является чрезвычайно важным для надежного, рентабельного и эффективного производства энергии. Контроль турбинного оборудования, используемого в производстве электроэнергии, будет особенно полезным. В современных газовых турбинах достигается повышенный КПД и пониженное потребление топлива за счет использования повышенных температур горения, более высоких температур хладагентов, вызванных повышенными перепадами давления и пониженными скоростями потока охлаждения. Кроме того, повышенные температуры горения негативно воздействуют на пригодность, надежность и безопасность газовых турбин, прежде всего срок службы дорогостоящих критических деталей тракта горячего газа (hot gas path) (HGP). Срок службы составных частей энергосистемы, работающих в жестких внешних условиях, в сильной степени зависит от температуры и механических напряжений. Непосредственным результатом повышенной точности измерения температуры является повышение эффективности работы турбины благодаря способности надежно управлять машиной близко к эксплуатационным пределам. Входные данные с высокой точностью воспроизведения для основанных на физике моделей оценки срока службы обеспечивают повышение на порядок точности прогнозирования срока службы. Во многих передовых газовых турбинах температуры горения превышают точку плавления HGP-деталей, и эти детали должны активно охлаждаться. Для этих критических деталей обычно предполагается использование больших расчетных запасов прочности. Данные с высокой точностью воспроизведения в реальном времени позволят повысить достоверность расчетных запасов прочности и потенциально сократить цикл проектирования турбины. Многофункциональные измерения в реальном времени в течение фазы настройки энергосистемы позволят проектировщикам лучше оценить срок службы критических деталей и потенциальных компенсирующих модификаций конструкции. Точное одновременное измерение в реальном времени механического напряжения и температуры в процессе контроля энергетических систем/детали может повысить точность прогноза основанных на физике моделей оценки срока службы. Это повышение точности может привести к повышению эффективности эксплуатации турбины благодаря способности безопасно управлять машиной ближе к ее эксплуатационным пределам. В одном примере расчеты показывают, что 10% снижение потока охлаждения может сэкономить до $ 9 млн в течение 20-летнего срока эксплуатации одной газовой турбины комбинированного цикла.
[0003] Несмотря на необходимость получения оперативных данных о температуре и напряжении внутри работающей машины, эта цель оставалась достаточно труднодостижимой. За последнее десятилетие разработка светоизлучающих материалов на основе редкоземельных элементов, которые могут использоваться в качестве оптических (на основе люминесценции) термометров, обеспечили некоторый прогресс; однако остаются вопросы высокой стоимости и слабой чувствительности при очень высоких температурах. Кроме того, оперативное оптическое обнаружение механического напряжения до сих пор еще адекватно не рассматривалось. Существует постоянное стремление к решению этой проблемы контроля с помощью недорогой и не влияющей на работу многофункциональной встроенной сенсорной системы для оперативной оценки энергетических систем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к системе контроля, содержащей светоизлучающий датчик, находящийся в непосредственном контакте с изделием, высокоскоростную систему получения изображений для обнаружения оптического изображения от светоизлучающего датчика и высокоскоростную систему обработки данных для анализа изображения с целью определения температуры изделия, механического напряжения в изделии или их комбинации.
[0005] В другом аспекте настоящее изобретение относится к оптическому способу оперативного контроля изделия в жестких внешних условиях. Способ включает подвергание изделия жестким внешним условиям, получение изображения светоизлучающего датчика, находящегося в прямом контакте с упомянутым изделием, с использованием высокоскоростной системы получения изображений и анализ изображения с использованием высокоскоростной системы обработки данных для определения температуры или механического напряжения в изделии или их комбинации. В некоторых вариантах светоизлучающий датчик формируется на изделии с помощью технологии непосредственного формирования рисунка.
[0006] В еще одном аспекте настоящее изобретение относится к способу изготовления изделия для применения в жестких внешних условиях. Способ включает в себя формирование светоизлучающего датчика на поверхности изделия с помощью технологии непосредственного формирования рисунка, трафаретной печати, газотермического напыления или другого печатного процесса, сопряжение изделия с высокоскоростной системой получения изображений и высокоскоростной системой обработки данных и конфигурирование высокоскоростной системы получения изображений и высокоскоростной системы обработки данных для получения изображения светоизлучающего датчика в жестких внешних условиях и определения температуры изделия, механического напряжения в изделии или их комбинации.
[0007] Преимуществами описанной системы являются оперативный контроль и диагностика в реальном времени компонентов и систем, прежде всего систем в жестких внешних условиях, с возможностью достижения повышенной надежности оборудования, такого как генерирующее оборудование, с использованием основанной на физике оценке срока службы. Система также обеспечивает обслуживание и прогнозирование на основе окружающих условий и одновременно позволяет сократить углеродный след по сравнению с другими системами датчиков.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Раскрытый в настоящем документе предмет изобретения будет более понятен из последующего описания неограничивающих вариантов осуществления со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых, как указано ниже:
[0009] Фиг.1 представляет упрощенное схематическое изображение системы многофункциональных встроенных датчиков для оперативного контроля в реальном времени в соответствии с различными вариантами осуществления.
[0010] Фиг.2А показывает систему линии прямой видимости (line of sight) (LOS) и радиационной термометрии (Radiation Thermometry) (RT) с получением изображений для контроля в реальном времени температуры поверхности лопаток первой ступени; фиг.2 В демонстрирует оптический датчик снаружи тракта прохождения горячего газа.
[0011] Фиг.3 представляет блок-схему обработки данных и изображений для получения карт температур и напряжений.
[0012] Фиг.4 показывает одну структуру встроенных датчиков, в которой рисунки с элементами уменьшенных размеров из высокотемпературных светоизлучающих материалов нанесены технологией непосредственного формирования рисунка и затем покрыты защитным верхним слоем.
[0013] Фиг.5 представляет многофункциональную систему встроенных датчиков для одновременных измерений температуры газа/поверхности и механического напряжения в жестких внешних условиях.
[0014] Фиг.6 представляет другой вариант осуществления структуры встроенных датчиков, в которой верх и низ тонких трехмерных (3D) структур получен непосредственным формированием рисунка с помощью высокотемпературных светоизлучающих материалов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015] Предшествующее краткое изложение, а также последующее подробное описание некоторых вариантов осуществления изобретения будут более понятны при прочтении подробного описания вместе с сопроводительными чертежами. Если чертежи иллюстрируют блок-схемы из функциональных блоков для разных вариантов осуществления изобретения, эти функциональные блоки не обязательно указывают на разделение между разным аппаратным обеспечением. Так, например, один или более функциональных блоков (например, процессоры, контроллеры, схемы или устройства памяти) могут быть осуществлены в виде одного изделия аппаратного обеспечения или множества изделий аппаратного обеспечения. Следует понимать, что разные варианты осуществления изобретения не ограничены устройствами и средствами, показанными на чертежах.
[0016] В том виде, в каком это используется в настоящем документе, элемент или шаг, перечисляемые в единственном числе, следует понимать как не исключающие множественного числа упомянутых элементов или шагов, если только такое исключение явно не указано. Кроме того, ссылки на «один вариант» не предназначены для истолкования как исключающие существование дополнительных вариантов, которые также включаются в перечисленные признаки. Более того, если явно не указано иное, варианты, «содержащие» или «имеющие» элемент или множество элементов, имеющих конкретное свойство, могут включать в себя дополнительные элементы, не обладающие таким свойством.
[0017] Система измерений может измерять температуры газа/поверхности с погрешностями ±5°С в диапазоне 20-1700°С и механического напряжения с точностью ±0,0002 в жестких внешних условиях, таких, которые связаны с работой силовых турбин, в том числе паровых турбин, генераторов, котла-утилизатора (Heat-Recovery Steam Generator) (HGRS) и котлов на твердом топливе. Другими примерами изделий для встроенных датчиков являются лопатки, роторы, статоры, жаровые трубы камеры сгорания, форсунки, корпуса, диски, печи, оборудование для использования в высокотемпературных производственных процессах, таких как металлообработка и процессы литья, бурения с забойным двигателем, такие как геотермальные операции, а также операции по добыче нефти и газа.
[0018] Фиг.1 представляет упрощенное схематическое изображение, иллюстрирующее систему 100, в которой используются светоизлучающие датчики, полученные непосредственным формированием рисунка, для измерения механического напряжения и температуры газа/поверхности, в которой датчик выдает оптический сигнал и сигнал получают с помощью камеры, чувствительной к видимому свету или к ультрафиолетовому свету, с помощью быстродействующей вычислительной аппаратуры, используемой для измерения механического напряжения в конструкции в реальном времени в соответствии с различными вариантами осуществления изобретения. Система содержит изделие 110, имеющее светоизлучающий встроенный датчик, полученный непосредственным формированием рисунка, состоящий из высокотемпературного светоизлучающего материала, систему 120а сбора света, систему 120b подачи света (такую как волоконный эндоскоп или бороскоп) и опциональную систему 120с источника света, систему 130 камеры, вспомогательную систему 150 синхронизации/управления, систему 160 получения данных/изображения и алгоритмы и аппаратуру 170 для высокоскоростной обработки данных. В некоторых вариантах осуществления система оптического обнаружения способна создавать изображения для множества длин волн. Изображения из камеры обрабатываются для получения в реальном времени карты 180 температур газа/поверхности и/или карты 190 напряжений.
[0019] В одном варианте система 120а сбора света и система 120b доставки света представляют собой систему формирования изображений в жестких внешних условиях, способную измерять температуру, имеющую разрешение, которое требуется для выполнения измерений механического напряжения с требуемой чувствительностью. Сюда входят, например, системы линии прямой видимости (LOS) и радиационной термометрии (пирометрии) для измерений в реальном времени температуры поверхности элементов газовой турбины, например лопаток первой ступени. Оптические порты доступа для применений в жестких внешних условиях, которые позволяют производить дистанционный опрос излучения света или фотолюминесценции в жестких внешних условиях; примеры показаны на фиг.2А и 2В. LOS-система на фиг.2А является аксессуаром контроля для газовых турбин большой единичной мощности и авиационных реактивных двигателей. Фиг.2В представляет датчики 210, расположенные в оптических портах 220 доступа на корпусе 230 газовой турбины (не показано на фиг.2А), которые находятся за пределами тракта прохождения горячего газа.
[0020] Передовые системы получения изображений, такие как высокоскоростные видеокамеры на КМОП-структурах (complementary metal-oxide-semiconductor) (CMOS) и камеры на интенсифицированных приборах с зарядовой связью (intensified charge-coupled device) (ICCD), могут использоваться для получения изображений. В общем, могут использоваться камеры высокого разрешения, чувствительные к видимому свету, работающие в диапазонах длин волн видимого света или ультрафиолетового света и имеющие разрешающую способность, обеспечивающую пространственное разрешение, необходимое для измерения механического напряжения, например 0,1 мм/пиксель. ICCD-камера может быть синхронизированной по фазе с колебаниями для получения усредненных по фазе изображений в пределах одного цикла колебаний давления. Система обнаружения, основанная на многоволновой термометрии, для измерений температуры газа/поверхности, которая базируется на пассивной абсорбционной/эмиссионной спектроскопии, может быть использована при высоких давлениях (>15 атм) и температурах (до 1700°С), как описано в документе Н. Li, G.-H. Wang, N. Nirmalan, S. Dasgupta и E.R. Furlong, Passive Absorption/Emission Spectroscopy for Gas Temperature Measurements in Gas Turbine Engines («Пассивная абсорбционная/эмиссионная спектроскопия для измерения температуры газа в газотурбинных двигателях»), ASME Turbo Expo 2011, GT2011-45152, содержимое которого полностью включается в настоящий документ путем ссылки. В данном способе поступающий свет разделяется на несколько лучей и затем детектируется индивидуальными датчиками с помощью узкополосных фильтров. Температура может быть измерена с быстрым временем отклика, т.е. с частотой 10 кГц или выше.
[0021] Фиг.3 дает схематическое представление программного обеспечения системы для обработки изображений и данных с целью определения температуры и механического напряжения. Необработанные изображения поступают на шаге 310, фоновый сигнал / уровень черного корректируется на шаге 320 и неравномерность или усиление корректируется на шаге 330. Замена плохого сигнала производится на шаге 340 и затем следует перевод изображения из формата 2D в формат 3D на шаге 350, где измеренное необработанное 2D изображение проецируется на модель системы автоматизированного проектирования (САПР) (CAD model) в формате 3D. Результирующие данные являются входными данными для модуля 360 быстрых численных алгоритмов, который использует кривые калибровки 362 времени жизни или отношения, если необходимо, для определения 3D карты температур 370. Цифровое изображение может быть обработано на шаге 380 вместе с эталонным изображением 382 для получения на выходе 3D карты напряжений 390.
[0022] Карта температур может быть выведена из оптических сигналов встроенного датчика. Карта напряжений может быть одновременно получена путем сопоставления рисунка тонкой структуры с эталонным рисунком. Люминесцентная термометрия использует зависящие от температуры и длины волны эмиссионные характеристики светоизлучающих материалов - то есть после возбуждения светом или теплом светоизлучающие материалы испускают фотоны с температурозависимыми скоростью и интенсивностью. Использование зависящего от длины волны обнаружения позволяет получить повышенную точность определения температуры и повышенную контрастность информации о напряжении. В общем, существуют два подхода к измерению температуры на основе оптического сигнала, т.е. методы измерения времени жизни и измерения отношения. Метод измерения отношения использует характеристики спектров испускания светоизлучающих материалов, т.е. некоторые линии испускания являются почти независимыми от температуры, в то время как другие изменяются с температурой. Следовательно, калибровка с использованием отношения линий испускания может быть использована для получения температуры. Метод измерения времени жизни использует механизм затухания светоизлучающей эмиссии, который не зависит от энергии излучения, движения цели, неоднородного распределения света возбуждения и деформации поверхности. Для получения карты температур от системы встроенных датчиков могут использоваться как метод получения изображений времени жизни, так и метод получения изображений отношения с помощью известных протоколов обнаружения, в том числе многоцветная радиационная термометрия, пирометрия отношения и высокоскоростное получение изображений.
[0023] Использование материала, сочетающего люминесценцию и высокую излучательную способность, дает возможность производства светоизлучающего датчика и дает преимущество в некоторых вариантах осуществления изобретения, заключающееся в увеличенном динамическом диапазоне рабочей температуры. Например, для многих материалов оптически стимулированная люминесценция дает хорошую точность измерения температуры при температурах менее чем примерно 1000°С, в то время как способы расчета коэффициента теплового излучения (пирометрия) для измерения температуры наиболее эффективны при температурах свыше примерно 1000°С.
2
[0024] Оптические методы, используемые для обнаружения смещения и измерения механического напряжения, включают в себя метод муара и спекл-интерферометрии для измерения локального напряжения с высоким разрешением. Напряжение определяется при помощи получения цифрового изображения для корреляции искажения в рисунке (например, сеток, массива знаков и муара и т.п.) с эталонным изображением. Для измерений напряжений с большими деформациями иногда используются сетки и массив точек. В некоторых вариантах оптические способы измерения небольших деформаций и напряжений с точностью ±0,0002 могут потребовать геометрии элементов около 2×2 мм с размером рисунка (точки) 400 микрон и необходимым разрешением системы получения изображений около 0,1 мм/пиксель. Формы рисунков (муар, сетка, точки) и требуемые масштабы длины могут определяться изделием с помощью технологий производства DW (непосредственное формирование рисунка). Для определения смещения и напряжений могут использоваться алгоритмы быстрой корреляции/регистрации изображений. Эти способы обычно предусматривают наложение в реальном времени изображения рисунков на эталонный рисунок для определения тем самым величины локальной деформации. Сетки или массивы точек улучшают точность измерения напряжений за счет повышения контраста в оптическом сигнале, особенно в закрытых жестких внешних условиях в темноте.
[0025] Фиг.4 иллюстрирует структуру 400 встроенного датчика, в которой рисунки 420 мелкой расчетной сетки высокотемпературного светоизлучающего материала наносятся способом непосредственного формирования рисунка на термобарьерном покрытии 422 (thermal barrier coating) (TBC), которое сцепляется со связующим покрытием 428, расположенным на поверхности 426 изделия. В изображенном примере защитный слой 428 покрывает датчик для увеличения срока службы, хотя во многих вариантах защитный слой не является обязательным. В некоторых вариантах защитным слоем может быть дополнительный слой TBC.
[0026] Со ссылкой на фиг.5 встроенный датчик в форме геометрического рисунка 510 напечатан на поверхности 520 деталей тракта горячего газа с помощью способов непосредственного формирования рисунка на основе чернил. Эти рисунки спекаются до высоких плотностей локальным нагреванием. Если датчик состоит из люминесцентного материала, оптический сигнал может быть выработан при возбуждении рисунка источником импульсного излучения; для эмиссионных материалов сигнал может быть получен без возбуждения внешним источником излучения. Сигнал воспринимается высокоскоростной камерой, способной формировать изображения элемента, находящегося в эксплуатации. Температура измеряется с использованием хорошо разработанных (время жизни и/или отношение) способов люминесцентной термографии. Измерение в реальном времени напряжений возможно благодаря последним достижениям в алгоритмах обработки изображений и высокоскоростном получении изображений. Системы контроля и диагностики в реальном времени, в которых базы данных по температуре и напряжению в турбинных лопатках вводятся в системы управления, и основанные на физике модели оценки срока службы делают возможным прогнозирование в реальном времени и предварительную оценку срока службы критических деталей.
[0027] Фиг.6 показывает другой вариант структуры встроенного датчика, который является трехмерной (3D) структурой, для определения температур газа и поверхности. В этой структуре каждая точка 610, расположенная на поверхности 620 детали, может фактически быть независимым датчиком. Верхняя и нижняя части 3D-структур с элементами уменьшенных размеров могут быть изготовлены из разных высокотемпературных светоизлучающих материалов с помощью аддитивной технологии непосредственного формирования рисунка. Карта температур поверхности может быть получена из оптических сигналов, испускаемых у нижней части 3D-структур. Одновременно температура поверхности у верхней части 3D-структуры может быть определена из испускаемых сигналов. Это может быть одновременно распространено и на получение карты напряжений. В одном примере структура, для которой возможно измерение напряжений, имеет топологический размер элемента ~70 микрон в диаметре и 40 микрон в высоту. Промежуток между структурами с элементами уменьшенных размеров составляет ~70 микрон.
[0028] Карта температур газа может быть рассчитана с использованием данных, полученных от трехмерного (3D) встроенного датчика. Например, перепад температур между свободным потоком газа/жидкости и поверхностью создает тепловой пограничный слой. Этот перепад температур ведет к обмену энергией между свободным потоком и поверхностью. Интенсивность теплопередачи на единицу площади между свободным потоком газа/жидкости и поверхностью может быть выражена в виде уравнения 1. У поверхности интенсивность теплопередачи на единицу площади за счет теплопроводности может быть записана в виде уравнения 2. Интенсивности теплопередачи за счет конвекции и теплопроводности одни и те же у поверхности, что может быть использовано для выведения температуры свободного потока жидкости в виде уравнения 3. С использованием безразмерного параметра, числа Нуссельта, температура свободного потока газа может также быть выражена в виде уравнения 4. Теплопроводность, интенсивность теплопередачи и число Нуссельта могут быть получены из калибровочного теста, численного моделирования и баз экспериментальных данных.
где
∞
Т - температура свободного потока газа/жидкости;
1
T -температура поверхности верхней части 3D-структуры;
w
T - температура поверхности нижней части 3D-структуры, которая является той же, что и температура поверхности;
h - коэффициент теплопередачи;
k -теплопроводность материала 3D-структуры;
L - толщина 3D-структуры;
Nu=hL/k - число Нуссельта.
[0029] Материалы для использования во встроенных датчиках излучают свет в инфракрасном (IR), видимом или ультрафиолетовом (UV) диапазоне при температурах 20-1700°С. В контексте настоящего изобретения термин «светоизлучающий» означает люминесцентный, в том числе флуоресцентный и фосфоресцентный, или термически эмиссионный. Люминесцентные материалы излучают свет при возбуждении светом другой длины волны. Термоэмиссионные материалы излучают свет при температуре, которая является характеристикой этого материала, а материал с высокой излучательной способностью излучает свет при повышенной температуре в широком диапазоне длин волн от видимого света до инфракрасного света. В некоторых вариантах осуществления изобретения затухание излучения может быть использовано для определения температуры.
2
3
[0030] Материалы, которые пригодны для использования во встроенных датчиках, включают в себя, но не ограничены этим, эмиссионную керамику на основе оксидов переходных металлов, таких как хром (CrO), и люминесцентные материалы, такие как оксиды редкоземельных элементов, прежде всего оксид европия. Эти материалы могут использоваться либо в качестве чистых оксидных материалов, либо могут быть введены в материал матрицы, который является стабильным в жестких внешних условиях, например цирконий или оксид алюминия. Количество светоизлучающего материала, присутствующего в качестве легирующей примеси, может варьироваться от примерно 0,1% до примерно 30%, в частности от примерно 0,1% до примерно 10%.
2
3
2
3
[0031] В одном примере оксид алюминия легируется оксидом хрома. Оксид хрома при спекании с оксидом алюминия изменяет цвет с зеленого на розовый. Оксид хрома включается в матрицу оксида алюминия и становится центром окраски, сдвигая спектр поглощения оксида хрома и вызывая цветовой сдвиг. Материал имеет очень высокую излучательную способность в видимом спектре. В другом примере могут использоваться оксиды редкоземельных элементов (REO) Eu, Sm и Tb, введенных в матрицу диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ), в частности YSZ, легированного EuO. Уровни легирующих примесей являются, как правило, специфическими для материалов и в общем варьируются от примерно 1% до примерно 30% по весу. Для легированного хромом оксида алюминия количество хрома может изменяться от примерно 1% до примерно 25% по весу. Для YSZ, легированного EuO, в одном варианте осуществления изобретения легирующая примесь присутствует в количестве 8% по весу. Тесты на отслаивание, проведенные с нанесенными рисунками, выявили хорошую адгезию с поверхностью подложки. Тесты на эрозию и срок службы с компонентами энергосистемы, работающими в соответствующих условиях, прогнозируют долгий срок службы встроенного датчика. При возбуждении на 254 нм встроенный датчик вырабатывает оптические сигналы около 590 нм. Другие REO - материалы, которые обеспечивают высокочувствительные измерения температуры без ущерба для тепловых и механических свойств материала подложки (термобарьерное покрытие, экологическое барьерное покрытие или металлы без покрытия), также находятся в пределах объема системы и способа.
[0032] Встроенные датчики могут быть изготовлены с помощью технологии непосредственного формирования рисунка. Непосредственное формирование рисунка представляет собой набор способов, в которых чернила, состоящие из функционального материала (металла или керамики), суспендированные в нестойком связующем веществе, непосредственно осаждаются на подложку и затем спекаются до высокой плотности. Различные технологии непосредственного формирования рисунка (DW) на основе чернил и термического распылителя являются коммерчески доступными для приобретения на рынке. Кроме того, составы чернил для осаждения керамики или металла хорошо известны. Специально подобранные составы чернил, включающие в себя нестойкое связующее вещество (или материал носителя) и керамическую или металлическую добавки, используются для выборочного осаждения проводников из материалов на трехмерных поверхностях. Такие системы способны осаждать чернила с вязкостью 10-10000 cps, допускающей высокую концентрацию частиц, что обеспечивает хорошее спекание. Проводники из упомянутых материалов толщиной 10 микрон могут быть непосредственно сформированы на неплоских поверхностях. Обеспечивается хорошая точность воспроизведения элементов и световое излучение под воздействием освещения ультрафиолетовым светом или видимым светом. Многослойное осаждение требует отбора совместимых материалов и разработки стратегий совместного спекания для получения высокой плотности и хорошего сцепления с материалом подложки.
[0033] Различные варианты осуществления изобретения и/или компоненты, например модули или элементы и контроллеры, также могут быть осуществлены здесь в виде части из одного или более компьютеров или процессоров. Компьютер или процессор может содержать вычислительное устройство, входное устройство, дисплейное устройство и интерфейс, например, для доступа в Интернет. Компьютер или процессор может содержать микропроцессор. Микропроцессор может быть подключен к коммуникационной шине. Компьютер или процессор может также содержать память. Память может представлять собой оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (Random Access Memory) (RAM) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (Read Only Memory) (ROM). Компьютер или процессор может также содержать накопитель, в качестве которого может быть накопитель на жестком диске или съемный диск, такой как накопитель на оптических дисках, твердотельный диск (например, флэш-память) и т.п. Накопитель может также представлять собой другое подобное средство для загрузки компьютерных программ или других инструкций в компьютер или процессор.
[0034] В том виде, в каком это используется в настоящем документе, термин «компьютер» или «модуль» может представлять собой систему на базе процессора или на базе микропроцессора, включая системы, содержащие микроконтроллеры, вычислительные машины с сокращенным набором команд (RISC), специализированные интегральные схемы (ASIC), программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA), графические процессоры (GPU), логические схемы и любую другую схему или процессор, способные выполнять функции, описанные в настоящем документе. Приведенные выше примеры являются только примерными и, таким образом, не предназначены для ограничения каким-либо образом определения и/или значения термина «компьютер».
[0035] Компьютер или процессор исполняет набор инструкций, которые хранятся в одном или более запоминающих элементах, для обработки входных данных. Запоминающие элементы могут также хранить данные или другую информацию по желанию или необходимости. Запоминающий элемент может быть в форме источника информации или элемента физической памяти внутри машины для обработки данных.
[0036] Набор инструкций может содержать различные команды, которые дают указания компьютеру или процессору в качестве машины для обработки данных выполнять определенные операции, такие как способы и процессы в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения. Набор инструкций может быть в форме программы программного обеспечения, которая может составлять часть материального неизменяемого машиночитаемого носителя или носителей. Программное обеспечение может быть в разных формах, таких как системное программное обеспечение или прикладное программное обеспечение. Кроме того, программное обеспечение может быть в форме набора отдельных программ или модулей, программным модулем внутри более крупной программы или частью программного модуля. Программное обеспечение может также включать в себя модульное программирование в форме объектно-ориентированного программирования. Обработка входных данных машиной для обработки данных может происходить в ответ на команды оператора, или в ответ на результаты предыдущей обработки, или в ответ на запрос, полученный от другой машины для обработки данных.
[0037] В том виде, в каком это используется в настоящем документе, термины «программное обеспечение» и «встроенные программы» являются взаимозаменяемыми и представляют собой любую компьютерную программу, хранящуюся в памяти для исполнения компьютером, включая ОЗУ, ПЗУ, стираемое программируемое ПЗУ (СППЗУ) (EPROM), электрически-перепрограммируемое ПЗУ (ЭППЗУ) (EEPROM) и энергонезависимое ОЗУ (non-volatile RAM) (NVRAM). Вышеупомянутые типы памяти являются только примерами и, таким образом, не ограничивают типы памяти для хранения компьютерной программы.
ПРИМЕРЫ
Технология непосредственного формирования рисунка с использованием чернил из эмиссионного оксида хрома Общая процедура
[0038] Составы, которые подвергались испытаниям, состояли из оксида алюминия (CR6 компании Baikowski), оксида хрома, термически отвержденного полимера (торговое наименование V006 компании Heraeus) и растворителя для изменения вязкости, чтобы материал мог быть распределен при 60% объемной доли оксида алюминия с помощью 3%, 6% и 9% концентрации хрома по весу. Порошки оксида алюминия и оксида хрома смешивали и затем объединяли с полимером. Растворитель терпинеол затем добавляли в смесь и перемешивали в планетарной мешалке компании Thinky с шариками из двуокиси циркония для облегчения перемешивания и измельчения до частиц меньшего размера в течение 30 минут при 1000 об/мин без вакуума. Затем рассчитывали вязкость, добавляли дополнительное количество терпинеола для дальнейшего уменьшения вязкости и производили перемешивание в течение дополнительного времени в мешалке Thinky. Затем материалы наносили на подложки из оксида алюминия, загружали в печь и получали изображения с помощью камеры Canon Eos 3Ti SLR. Образцы нагревали до 1200°С, затем открывали дверцу печи и делали снимки. Дверцу печи закрывали и процесс повторяли, поскольку части охлаждались, в то время как производилась регистрация температуры печи.
[0039] Как только получали изображения из печи, их обрабатывали с целью измерения яркости пикселей на изображении в каждой цветовой плоскости, красной, зеленой и синей. Плоскость красного цвета извлекали из цветного изображения, полученного с помощью камеры Canon, затем измеряли среднюю интенсивность пикселя линий хрома и строили график зависимости от температуры на дисплее.
[0040] Было установлено, что, когда вязкость материала была слишком низкой, материал растекался после осаждения, создавая широкие линии, которые имели небольшую толщину. Если вязкость материала была слишком высокой, тогда требовались широкие иглы для шприцев из-за трудностей, связанных с тем, что требовалось вынуждать материал течь. Широкие иглы также означают широкие линии, однако при достаточном давлении воздуха, выталкивающего материал из иглы, и достаточных скоростях осаждения оказалось возможным получить более тонкие линии, подлежащие нанесению. Технология использования способов непосредственного формирования рисунка требует сбалансированности вязкости, диаметра иглы шприца, скорости подачи и давления воздуха в раздаточном устройстве для оптимизации элементов, которые наносятся. Было обнаружено, что когда линии, нанесенные на подложку из оксида алюминия, оказывались слишком тонкими, т.е. слишком мелкими, тогда линии хрома светились не очень ярко в печи при нагревании свыше 1000°С.
Пример 1
[0041] Чернила, содержащие оксид хрома в четырех разных концентрациях, 3%, 6%, 9% и 25%, наносили на подложки из оксида алюминия разной толщины, варьирующейся от 50 мкм до 300 мкм. Эти образцы были затем отправлены в Surface Optics, Сан-Диего, Калифорния, для измерений излучательной способности. Данные подтвердили, что чем больше толщина материала, тем выше излучательная способность. Кроме того, данные также показали, что чем выше концентрация хрома, тем выше излучательная способность.
Пример 2
[0042] На основе полученных ранее результатов были сформированы дополнительные линии с использованием технологии непосредственного формирования рисунка для того, чтобы получить более тонкие и расположенные ближе друг к другу линии. Вязкость материала из хрома уменьшили путем добавления терпинеола, а давление, при котором материал продавливается через раздаточное устройство, и скорость, с которой раздаточное устройство двигается вдоль подложки, модифицировали. Давление находилось в диапазоне от 40 фунтов на квадратный дюйм до 60 фунтов на квадратный дюйм. Скорости нанесения находились в диапазоне от 300 для толстых линий толщиной 1,5 мм - 1 мм до 1000 для линий толщиной от 100 мкм до 200 мкм. Эти образцы с линиями из хрома были также помещены в печь и нагреты до температуры от 800°С до 1200°С. Было обнаружено, что яркость линий хрома изменяется с температурой.
[0043] Следует понимать, что приведенное выше описание предназначено для иллюстративных целей, но не для ограничения. Например, вышеописанные варианты осуществления (и/или их аспекты) могут использоваться в комбинации друг с другом. Кроме того, многие модификации могут быть произведены для адаптации конкретной ситуации или материала к основным идеям различных вариантов осуществления изобретения в пределах его объема. Хотя размеры и типы материалов, описанные в настоящем документе, предназначены для определения параметров различных вариантов осуществления изобретения, эти варианты ни в коем случае не являются ограничивающими и представляют собой примеры. Многие другие варианты будут очевидны для специалистов в данной области при рассмотрении вышеуказанного описания. Объем разных вариантов осуществления изобретения следует, следовательно, устанавливать со ссылкой на приложенную формулу наряду с полным объемом эквивалентных вариантов, на которые распространяется данная формула. В формуле термины «включающий» и «в котором» используются в качестве эквивалентов терминов «содержащий» и «где». Кроме того, в формуле термины «первый», «второй» и «третий» и т.д. используются просто как метки и не предназначены для наложения количественных требований на их объекты. Кроме того, ограничения в последующей формуле не записаны в формате «средство-плюс-функция» и не предназначены для интерпретации на основе раздела 35 Кодекса законов США, §112, шестой пункт, если такие ограничения к формуле явно не используют выражение «средство для», за которым следует изложение функции без описания дальнейшей структуры.
[0044] Представленное описание представляет примеры различных вариантов осуществления изобретения, в том числе лучший вариант, для того, чтобы дать возможность специалисту использовать на практике различные варианты осуществления изобретения, включая изготовление и применение любых устройств или систем и выполнение любых включенных способов. Объем различных вариантов осуществления изобретения определяется формулой и может включать в себя другие примеры, которые могут быть предложены специалистами. Такие другие примеры находятся в объеме формулы изобретения, если эти примеры имеют структурные элементы, которые не отличаются от буквальной формулировки формулы изобретения, или если эти примеры содержат структурные элементы с несущественными отличиями от буквальных формулировок формулы изобретения.