光纖光柵分段金屬化封裝實(shí)驗(yàn)研究

朱 軍，李 成，單 堯，朱良秋，汪 輝，俞本立

(安徽大學(xué)，安徽 合肥 230601)

光纖光柵憑借體積小、重量輕、波長(zhǎng)編碼等諸多優(yōu)點(diǎn)，在光通信、光傳感等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。尤其在傳感領(lǐng)域，其具有抗電磁干擾、電絕緣、抗腐蝕、低成本和高靈敏度等諸多優(yōu)點(diǎn)，已受到越來(lái)越多的關(guān)注。

但裸光纖光柵細(xì)小質(zhì)脆易損傷，實(shí)際使用時(shí)必須對(duì)其保護(hù)，將其封裝在一個(gè)基底上構(gòu)成傳感探頭。目前，光纖光柵與基底的固定主要采用膠黏劑［1］，這種方法存在一些不足如常用膠粘劑二酚基丙烷型環(huán)氧樹脂在180～200℃會(huì)氧化分解，失去作用;再比如在惡劣環(huán)境下，膠封結(jié)構(gòu)探頭在長(zhǎng)時(shí)間工作中的可靠性并未得到驗(yàn)證。目前解決這一問題的常用方法是對(duì)光纖光柵進(jìn)行金屬化封裝，在光纖光柵表面鍍鎳、銅、銀等［2-5］，這種探頭有更好的環(huán)境適應(yīng)性。但已有報(bào)道中，都是對(duì)光纖光柵表面全金屬化，所鍍金屬覆蓋了光纖光柵的柵區(qū)，這種處理方式改變了光柵原有的傳感特性，導(dǎo)致其溫度響應(yīng)變高［2，3］，在某些應(yīng)用領(lǐng)域如應(yīng)變測(cè)量中不利于溫度應(yīng)變交叉敏感問題的解決，從而影響了光纖光柵傳感探頭的應(yīng)用。

針對(duì)以上問題，提出了一種光纖光柵分段金屬化工藝，即只在光纖光柵兩端封裝區(qū)域進(jìn)行金屬化處理。這種封裝工藝既不會(huì)影響光柵自身的傳感特性，又可以解決膠粘劑所帶來(lái)的各種問題，具有更高的實(shí)用價(jià)值。介紹了優(yōu)化后的光纖光柵分段金屬化的工藝以及分段金屬化夾具，通過實(shí)驗(yàn)完成了光纖光柵的分段金屬化，并對(duì)分段金屬化光纖光柵的溫度響應(yīng)特性進(jìn)行了測(cè)試。

1 分段金屬化工藝研究

采用先化學(xué)鍍后電鍍的方法進(jìn)行光纖光柵的金屬化，具體工藝流程為除油-活化-化學(xué)鍍鎳-電鍍鎳等四步。第一步，除油，主要是將待裸光纖光柵浸入15%NaOH溶液中，使光纖光柵的表面清潔;第二步，活化，將光纖光柵浸到膠體鈀中，使膠體態(tài)金屬鈀顆粒吸附在光纖上，接著解膠，使表面具體有還原性;第三步，化學(xué)鍍，使光纖光柵表面附著一層薄金屬層，從而具有導(dǎo)電性，為電鍍做準(zhǔn)備;第四步，電鍍，在化學(xué)鍍得到的金屬上對(duì)需要焊接的部分進(jìn)行電鍍加厚鍍層，以達(dá)到焊接封裝的要求。具體處理方法及參數(shù)如表1所示:

表1 光纖光柵表面金屬化工藝

考慮到全金屬化封裝會(huì)影響到光纖光柵的傳感特性，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了特殊夾具固定光纖光柵，使光纖光柵兩端部分裸露在化學(xué)鍍和電鍍?nèi)芤褐?，?shí)現(xiàn)分段金屬化封裝。夾具結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖如圖1所示:

圖1 分段金屬化工藝中所使用的夾具設(shè)計(jì)圖(a)和實(shí)物圖(b)

為實(shí)現(xiàn)光纖光柵分段金屬化，設(shè)計(jì)了隔離蓋對(duì)鍍膜過程中的光纖光柵部分進(jìn)行隔離，使鍍液無(wú)法接觸到光纖光柵的柵區(qū)，結(jié)合固定罩固定光纖光柵并對(duì)其尾纖進(jìn)行保護(hù)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得在化學(xué)鍍和電鍍過程中只有光纖光柵兩端的部分光纖裸露在鍍液中，表面會(huì)附著金屬，而其余部分不會(huì)受鍍液的影響，保留原始特性。此外，考慮到化學(xué)鍍是在80℃高溫下進(jìn)行且化學(xué)鍍和電鍍過程中夾具表面不能鍍有金屬，對(duì)夾具材料的選取有很高要求:如非金屬材料、連接件之間固定牢靠、表面光滑、高溫下不會(huì)軟化等。根據(jù)這些要求，選取了化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且耐高溫的硬尼龍材料制作夾具，固定件之間嵌入磁條實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)電鍍中回路暢通，在電鍍隔離蓋中引入了導(dǎo)線和點(diǎn)接觸頭，實(shí)物圖如圖1b所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照上述工藝對(duì)光纖光柵分段金屬化封裝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，化學(xué)鍍后，首先采用熱震實(shí)驗(yàn)方法對(duì)裸光纖與金屬鎳層的結(jié)合力進(jìn)行檢測(cè)。把鍍有金屬鎳的光纖放在管式爐中加熱60 min然后在水中驟冷，因?yàn)榻饘冁噷雍凸饫w材質(zhì)不同，熱膨脹系數(shù)不同，驟冷后在金屬鎳層與光纖間產(chǎn)生一個(gè)分離力，通過顯微鏡觀察鍍層表面特征，如果光纖與金屬層結(jié)合力不好就會(huì)產(chǎn)生脫落或凸起。分別對(duì)光纖在100℃、150℃、200℃和250℃溫度下進(jìn)行了熱震實(shí)驗(yàn)，圖2是熱震實(shí)驗(yàn)前和250℃熱震實(shí)驗(yàn)后的金屬鍍層表面。

圖2 金屬化光纖表面250℃熱震實(shí)驗(yàn)前(a)后(b)對(duì)比

結(jié)果表明，在250℃熱處理之后，光纖光柵表面金屬鍍層無(wú)脫落且基本無(wú)凸起，說(shuō)明鍍層結(jié)合力較好。由于化學(xué)鍍后光纖表面金屬層較薄，鍍層厚度一般只有微米量級(jí)，焊接時(shí)很容易破壞金屬層。因此需對(duì)化學(xué)鍍后的光纖光柵進(jìn)一步通過電鍍工藝，增加金屬層厚度，鍍層厚度可到亞毫米量級(jí)。圖3是一個(gè)分段金屬化處理之后的光纖光柵經(jīng)激光焊接固定在基底上的實(shí)物圖，從圖中可看出，金屬鍍層較均勻，光澤度好，經(jīng)測(cè)試金屬鍍層厚度為200 μm，中間的光纖光柵柵區(qū)并未鍍上金屬，從而實(shí)現(xiàn)了分段金屬化封裝。

圖3 金屬化處理封裝光纖光柵焊接實(shí)物圖

分段金屬化封裝主要是為了解決膠封帶來(lái)的問題，因此封裝本身不應(yīng)該影響其傳感特性。利用圖4所示裝置，分別對(duì)金屬化前后的光纖光柵進(jìn)行了溫度傳感實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其傳感特性。將裸光柵放在溫度可控的水浴鍋中，記錄不同溫度下對(duì)應(yīng)的光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)。溫度傳感實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示:

圖5 金屬化前后的光柵波長(zhǎng)增量與溫度變化關(guān)系

從圖5可以看到，金屬化前的光柵溫度靈敏度為KT1=8．64 pm/℃，金屬化后的光柵溫度靈敏度為KT2=9．81 pm/℃。由于在化學(xué)鍍時(shí)，保護(hù)光柵部分的化學(xué)鍍隔離蓋沒有達(dá)到完全密封的效果，導(dǎo)致有微量的鍍液滲入其中，使光柵被少量的鍍上金屬，使光纖光柵的溫度傳感靈敏度略有升高但遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)［2］［3］中全金屬化封裝所帶來(lái)的影響。

3 結(jié) 論

針對(duì)現(xiàn)有全金屬化方法的缺點(diǎn)提出了一種光纖光柵分段金屬化方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)并完成了一種可實(shí)現(xiàn)分段金屬化的夾具，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了光纖光柵的分段金屬化。并對(duì)分段金屬化光纖光柵進(jìn)行熱震實(shí)驗(yàn)和溫度響應(yīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種封裝方法金屬的光澤度和附著力很好，溫度響應(yīng)特性幾乎未發(fā)生變化，這種封裝方式為光纖光柵的無(wú)膠化安裝提供了基礎(chǔ)，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 郭亮，張華，馮艷．光纖Bragg光柵封裝增敏技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］．半導(dǎo)體光電，2012，33(4):463-466．

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