電鍍鎳鐵合金中糖精對磁通門噪聲的影響*

崔智軍

(1.安康學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，陜西 安康 725000；2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129)

0 引 言

坡莫合金(即由80%的鎳(Ni)和20%的鐵(Fe)組成的合金)是最常見的一種由電鍍生成的合金。由于其高磁導(dǎo)率特性，故被作為磁傳感器的首選[1～3]。電鍍坡莫合金不僅被應(yīng)用于線芯結(jié)構(gòu)[4]、平面結(jié)構(gòu)[5]而且也被應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)[6,7]。

電鍍鎳鐵合金最常見的組分主要是基于硫酸鐵、硫酸鎳和氯化鎳，同時混合添加劑硼酸是為了增強鍍液的導(dǎo)電性能。另外，糖精也被添加到鍍液中。已經(jīng)證明糖精對電鍍坡莫合金的晶粒尺寸和矯頑力均有強烈的影響[4，8]。文獻(xiàn)[9]指出添加糖精也可以減小電鍍鎳鐵薄膜的應(yīng)力。

雖然已知糖精如何影響鎳鐵合金的磁特性，但并不明確其對磁通門噪聲的影響。磁通門噪聲一部分依賴鐵芯上的機械應(yīng)力[10,11]，同時鍍液中的糖精減小了電鍍坡莫中的這種應(yīng)力。然而目前，既沒有使磁通門噪聲減小到最小值的糖精最佳組分值信息，也未證明任何弊端是由鍍液中添加的糖精所引起的。

雖然所有公布的配比中建議在鍍液中糖精的濃度為5g/L，但是沒有證據(jù)表明從對磁通門噪聲的影響考慮，5g/L即為最佳濃度值；或者通過改變糖精的濃度能減小磁通門噪聲。因此，本文研究了當(dāng)鍍液中的糖精濃度(2.5～20g/L)變化時，以此鍍液電鍍的鐵芯構(gòu)成的磁通門噪聲變化情況。

1 鐵芯制作

1.1 NiFe電鍍液配置

NiFe電鍍液主成分為硫酸鎳(NiSO4)、氯化鎳(NiCl2)和硫酸亞鐵(FeSO4)；選用硼酸(H3BO3)作為緩沖劑，當(dāng)溶液中的氫離子因放電而消耗，導(dǎo)致溶液pH值上升時，硼酸中的氫會離解出來，穩(wěn)定鍍液pH值，防止產(chǎn)生氫氧化鎳和氫氧化鐵；選用葡萄糖酸鈉作為穩(wěn)定劑，其可與二價鐵離子絡(luò)合防止亞鐵氧化成三價鐵離子沉淀。本文在文獻(xiàn)[12]介紹的采用NiFe電鍍?nèi)芤骸捌咸烟撬徕c鍍鎳鐵合金鍍液”的基礎(chǔ)上，采用的鍍液組分及工藝條件如表1所示。

表1 NiFe鍍液組分及工藝條件

以配置1 L鍍液為例，電鍍NiFe鍍液配置流程如下：

1)在鍍槽中加入總體積60 %(0.6 L)的去離子水并加溫到60 ℃。

2)按照表1加入NiSO4·6H2O 150 g和NiCl2·6H2O 75 g攪拌至完全均勻。

3)另取一個清潔燒杯，加入適量去離子水并加熱至90 ℃，按照表1加入H3BO345 g，去離子水的量約為硼酸的3～4倍，充分?jǐn)嚢韬蠹尤氩襟E(2)的鍍槽中。

4)趁熱邊攪拌邊加入酒石酸鈉15 g，攪拌至完全溶解。

5)按表1加入FeSO4·7H2O 15 g，充分?jǐn)嚢柚镣耆芙狻?/p>

6)加入活性炭3 g，充分?jǐn)嚢? h后靜置8 h，保持溶液溫度60 ℃。采用磁力泵進(jìn)行循環(huán)過濾1 h，濾除活性炭。

7)添加去離子水，增加鍍液至所需體積1 L。

8)用pH試紙(pH試劑)測試溶液pH值，若pH值為3則無需調(diào)整；否則，用3 %稀硫酸調(diào)pH值至3。

9)按照表1加入KS—3000 0.6 mL，糖精5 g和十二烷基硫酸鈉0.3 g并攪拌均勻。

10)將切割成塊狀的Ni79Fe21合金放入鈦籃作為陽極，為防止陽極泥渣泄露，在鈦藍(lán)外包裹2層無塵布，并定期清洗。

11)電鍍的過程中，采用機械攪拌方法保證離子濃度的均勻性，采用57 ℃的電鍍溫度，陰極電流密度選擇直流 3 A/dm2。經(jīng)過2 h的預(yù)鍍，進(jìn)行正式的電鍍實驗。

1.2 鐵芯制作

按上述鍍液組分及配制流程，同比例配制糖精濃度分別為2.5，5.0，7.5，10.0，12.5，15.0，17.5，20.0 g/L的鍍液各1 L；雖然每次僅改變糖精的濃度，但為了獲得相同化學(xué)元素組分，每次的電鍍液均需重新配制(因為經(jīng)過一段時間的電鍍后，鍍液的成分會發(fā)生變化。)。厚度為35 μm的覆銅PCB板作為電鍍鐵芯的陰極，圖1為其PCB板圖，尺寸為1.5 mm×30 mm，將其與直流電源陰極相連接，以直流電流密度為3 A/dm2的電流電鍍10 min，采用DektakXT型臺階分析儀測試所有電鍍樣品厚度，測得沉積的NiFe薄膜厚度約為4 μm。

圖1 覆銅PCB板圖

通過如圖2所示的測試原理自制實驗裝置測試電鍍得到的長條形鐵芯B-H曲線。圖3為糖精濃度分別為2.5，20 g/L時的電鍍長條形鐵芯的磁滯回線，可知，在2種糖精濃度下，其矯頑力和飽和磁化強度非常接近，表明2種糖精濃度下的長條形鐵芯的組分也十分接近。

圖2 LabVIEW測試磁滯回線原理

圖3 不同糖精濃度下電鍍長條形鐵芯的磁滯回線

2 電鍍長條形鐵芯磁通門噪聲性能測試

2.1 測試系統(tǒng)

搭建了一套測試系統(tǒng)，原理如圖4所示。磁通門的激勵信號由任意信號發(fā)生器Agilent 33220A和功率放大器NF HSA4011級聯(lián)產(chǎn)生。電流表Agilent 34401A串聯(lián)在激勵回路中，測量激勵電流的大小。直流電源(Agilent E3610A)激勵螺線管產(chǎn)生被測外部磁場，螺線管電流由電流表指示。磁通門的感應(yīng)線圈兩端與示波器Agilent Oscilloscope Infiniium 54830D或者頻譜分析儀Tektronix RSA 5103A相連，分析輸出的電壓信號。感應(yīng)線圈兩端與示波器或者頻譜分析儀直接相連，未設(shè)置補償或者調(diào)諧環(huán)節(jié)。在磁傳感器的測試中為了排除地磁場的影響，在實際測試中多采用磁屏蔽裝置對地磁場進(jìn)行屏蔽以模擬零磁場空間。

圖4 磁通門噪聲測試系統(tǒng)原理

2.2 磁通門噪聲性能測試

構(gòu)建了如圖5所示的雙平行線圈結(jié)構(gòu)磁通門。2個結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的骨架上由直徑為0.1 mm的銅線分別繞制激勵線圈和感應(yīng)線圈，激勵線圈反向纏繞315匝，電阻值7 Ω，感應(yīng)線圈同向纏繞1 150匝，電阻值32 Ω。骨架為中空結(jié)構(gòu)，可放置制作好的長條形電鍍鐵芯。激勵電流頻率為10 kHz，輸出信號經(jīng)頻譜分析儀Tektronix RSA 5103A得到以dBm為單位的噪聲數(shù)據(jù)，最終經(jīng)換算轉(zhuǎn)換為磁噪聲功率譜密度。

圖5 雙鐵芯磁通門線圈及骨架

圖6為不同糖精濃度下，頻率范圍0.125～50 Hz的磁通門磁噪聲功率譜密度。

圖6 不同糖精濃度下磁通門磁噪聲功率譜密度

圖7 1 Hz噪聲與電鍍液中糖精濃度的依賴關(guān)系

3 結(jié)束語

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