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在800°C的高温下工作的电子设备

通过编辑设计世界|2020年的11月2日

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极端环境要求电子系统能够在MIL-STD工作温度范围(-55°C至+125°C)之外生存。本FAQ系列将走向极端,研究超热电子产品(高达800°C)和低温电子产品。本系列的第一部分将介绍在极端高温下工作的电子器件。第二部分将研究在低温下工作的电子设备。第三部分将讨论可用于创建低温环境的各种方法。

深井和地热测井(传感器、仪表和数据采集等)、引擎盖下的汽车、飞机、工业过程监控、核反应堆、涡轮发动机和火箭等应用需要可靠的电子设备,这些设备可以在超过125°C的温度下工作,在某些情况下可以在450°C(842°F)甚至更高的温度下工作。高温模块的开发工作正在进行中,可在800°C下运行,用于高超音速飞机。

涡轮叶尖间隙

非接触式传感器是用来检测涡轮叶片的,当叶片经过时,它会拾取叶片的边缘。叶尖正时(Blade tip timing, BTT)可以用来检测涡轮内部的异物碎片(FOD),因为FOD会影响叶尖的运动。BTT假设叶尖的运动比轴的转动要慢。如果通过的叶尖时差不恒定,则存在“叶片颤振”。分析叶片颤振可以在故障发生前确定是否存在问题。

涡轮叶片叶尖间隙测量系统示意图(图片:卡尔曼滤波精度的产品)

光学传感器经常用于叶尖定时,但它们容易受到污染,需要定期清洗。基于涡流的传感器是一个很好的选择,因为它们相对不受污染,可以提供与基于光学的传感器同等的检测能力。卡曼的传感器可以在涡轮叶片经过时将其收集起来。卡曼传感器额定温度为400°F(204°C),有些传感器额定温度为1100°F(593°C)。

涡轮发动机控制电子学

霍尼韦尔国际为分布式飞机和地面涡轮发动机控制应用提供HTMOS产品,包括远程压力传感器通信总线接口、数字联网致动器控制以及必须在“热”环境下运行的数字发动机控制器。这些设备的工作温度可达225°C,也适用于工业控制、井下油井、核反应堆和其他高温环境。该设备采用密封微芯片模块(MCM)封装,额定在温度下连续工作长达20,000小时。

mcm允许用户将高温asic、存储器和其他固态或无源器件集成到一个单一或双面封装中。(图片:霍尼韦尔)

它们采用介质隔离的高温工艺制造,在某些情况下,规定在300°C下运行一年,但性能降额。可用的设备包括微控制器、门阵列、模数转换器、SRAM和线性调节器。霍尼韦尔还提供多芯片模块(MCM)技术,可以将asic、内存和其他固态或无源设备集成到单面或双面MCM中。

地热井和高超音速喷气机

Ozark集成电路公司(Ozark IC)正在开发一种通信钻杆系统,通过在钻头上提供计算能力并将其连接到地面的控制基座,支持高温地热井的定向钻井。地热资源中有多达20万焦耳的未开发的无碳能源,是美国一次能源年消耗量的2000倍。为了有效地开发这些下一代地热资源,需要一个能够在450°C下工作的定向钻井系统。但大多数现有的商用定向钻井系统温度限制在160°C(320°F)。

正在开发的地热资源技术将可用于太空探索。例如,深地热井内部的条件与金星表面相似,有高温、高压和腐蚀性酸。

根据Ozark IC,因此,迫切需要:

  • 高温电子设备将在450°C下为钻头提供计算能力,以持续感知条件并执行指令
  • 一种通信系统,可以将井中所有点的环境信息(压力、温度、钻井方向等)传送到地面,并将地面的指令传送到钻头(钻井方向、速度、停止等)。

Ozark IC正在开发一系列高温“智能”模块,可以在高达800°C(1470°F)的温度下工作。这些极端节点(XNode)模块,能够在这些地区运行,除了传感,还具有集成处理功能,目前正在开发用于各种应用,从高超音速和喷气发动机到空间探索(包括约500°C金星表面)和地热勘探。

高温电子技术范围高达800°C目标广泛的应用。(图片:密苏里州的集成电路)

Ozark IC采用碳化硅CMOS技术设计高密度、低功耗电路,可在500°C温度范围内工作:

  • 可扩展的门驱动器到微控制器
  • 数字/模拟/混合信号设计专业知识
  • 设计范围从-180°C到500°C

使用碳化硅JFET-R技术设计高温集成电路:

  • 在高达600°C的温度下进行现场测量
  • 欧扎克IC拥有JFET模型和数字/模拟/混合信号设计专业知识
  • 从-180°C设计至600°C

用于高温、高压系统的互连

封闭封印公司(HSC)是一家设计和制造高压玻璃 - 金属密封电舱壁的专家,用于井下油和气体测井仪器市场。HSC的标准双O形圈高温高压舱壁设计用于在最严重的操作条件下起作用。它们暴露于400°F(204℃)的压力和温度超过25,000psi的组合。定制设计可以在500°F下满足高达30,000 psi的更高压力和温度(260°C


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