CN106001827B - 一种基于回流焊的光纤光栅磁传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于回流焊的光纤光栅磁传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：1)选取长方体形状的硅片并进行超声清洗；2)用磁控溅射的方法在硅片上溅射一层一定厚度的磁致伸缩薄膜；3)选取可以在高温条件下使用的光纤光栅并进行超声清洗；4)用磁控溅射的方法在光纤光栅上溅射一层一定厚度的金属薄膜；5)将镀了金属薄膜的光纤光栅固定在磁致伸缩薄膜上；6)采用回流焊的方法，将镀了金属薄膜的光纤光栅焊接在磁致伸缩薄膜上，形成可靠的焊点，从而在光纤光栅与磁致伸缩薄膜之间建立长期的机械连接。本发明方法工艺简单，操作方便，制造的传感器性能良好。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅磁传感器领域，更具体地，涉及一种光纤光栅磁传感器的制备工艺和连接方法。
背景技术
光纤光栅磁传感器是实现磁信号和光信号转换的器件，它是利用磁致伸缩薄膜对变化的磁信号产生伸缩形变，而这个形变会引起磁致伸缩薄膜上的应力变化，光纤光栅对应力变化是敏感的，这是因为应力变化会使得光纤光栅反射的中心波长发生漂移，通过测量波长的漂移量就可以实现对应力的传感，进而实现对磁信号的测量。光纤光栅实现磁信号测量的关键是光纤光栅与磁致伸缩薄膜的复合方式，这也是光纤光栅磁传感器应用面临的挑战。光纤光栅磁传感器传统的复合方法有环氧树脂粘贴法等。传统复合方法的主要问题是光纤光栅与磁致伸缩薄膜的复合效率低，主要表现为以下三点：(1)环氧树脂的杨氏模量比较低，而杨氏模量的大小与复合效率是成正相关的；(2)环氧树脂胶人工涂的不均匀，这样会影响磁致伸缩薄膜应力变化的传递；(3)环氧树脂存在粘贴的时间长了会变得不牢固的隐患，这会严重影响光纤光栅的复合效率。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于回流焊的光纤光栅磁传感器的制备方法，其目的在于制备一种高效复合的光纤光栅磁传感器，由此解决光纤光栅与磁致伸缩薄膜的高效复合的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于回流焊的光纤光栅磁传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)选取长方体形状的硅片，其中，所述硅片尺寸以适应光纤光栅的尺寸为准；
(2)将所述硅片依次通过丙酮、酒精、去离子水超声清洗干净，然后用射频磁控溅射仪在硅片的上表面溅射一层厚度为1000nm～2000nm磁致伸缩薄膜，形成磁致伸缩薄膜硅片；
(3)将光纤光栅通过去离子水超声清洗干净，用射频磁控溅射仪在光纤光栅表面溅射一层厚度为300nm～800nm金属薄膜；
(4)将磁致伸缩薄膜硅片固定在载玻片上，然后将所述光纤光栅固定在磁致伸缩薄膜表面上的相应位置，通过在放大镜下观看以确保光纤光栅与薄膜接触没有缝隙；用丝印机把适量的焊锡膏均匀漏印到磁致伸缩薄膜表面未被光纤光栅遮挡的部分；把漏印了焊锡膏的磁致伸缩薄膜硅片送入回流焊设备中，使焊锡膏经历干燥、预热、熔化、润湿、冷却，完成光纤光栅与磁致伸缩薄膜的焊接过程，最终完成光纤光栅磁传感器制作。
进一步的，所述步骤(2)中所溅射的磁致伸缩薄膜包括但不限于FeCoSiB薄膜、Terfenol-D薄膜。
进一步的，所述步骤(3)中所溅射的金属薄膜包括但不限于镍、银薄膜。
进一步的，所述步骤(2)、(3)中的溅射参数为：真空度为7×10-4以下，靶间距为7cm，溅射功率100W-300W。
进一步的，所述步骤(3)中超声清洗的时间为10min。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)采用的方案新颖，大大简化了工艺流程；
2)采用回流焊的方法涂的焊锡均匀，光纤光栅与磁致伸缩薄膜之间形成可以形成可靠的焊点，并可以达到长期稳定的机械连接，从而可以实现光纤光栅与磁致伸缩薄膜之间高效的复合。
3)制备的光纤光栅磁传感头性能稳定，在各种环境下都能保持很好的性能，光纤光栅可以在高温条件下使用。
4)使用的材料造价低廉，工艺流程简单易用，大大减少了生产成本。
附图说明
图1(a)是光纤光栅，缺口部位为光纤上所刻光栅的部位，图1(b)中的黑色部分是本发明中对光纤光栅溅射金属薄膜的结构示意图，图1(a)至图1(b)的黑色箭头指的工艺流程；
图2(a)是硅片，图2(b)是本发明在硅片上溅射磁致伸缩薄膜的结构示意图，图2(a)至图2(b)的黑色箭头指的工艺流程；
图3是本发明中将磁控溅射了金属薄膜的光纤光栅固定在磁致伸缩薄膜表面的结构示意图，图3至图4的黑色箭头指的工艺流程；
图4是本发明完成的光纤光栅磁传感器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在电子产品生产技术中，焊接工艺的优劣对产品的质量和可靠性具有重要影响，回流焊炉是实现焊接的重要设备。回流焊也称再流焊，回流焊是通过重新溶化预先分配到印制板焊盘上的焊料，实现元器件的焊端与印制板之间的机械连接。在回流焊之前，用丝印机把适量的焊锡膏漏印到基板的燥盘上，用贴片机把元器件贴到相应位置上，把贴好元器件的基板送入回流焊设备，焊锡膏经历了干燥、预热、培化、润湿、冷却，将元器件接到印制板上完成焊接过程。经各种理论研究和仿真结果表明，采用回流焊的方法来实现光纤光栅与磁致伸缩薄膜的复合是一种可行的解决方案。
参照图1(a)、图1(b)是在光纤光栅上溅射金属薄膜的过程，图2(a)、图2(b)是在硅片上溅射磁致伸缩薄膜的过程，图3-图4是将光纤光栅固定在磁致伸缩薄膜上并焊接上示意图，可知本发明提供了基于回流焊的光纤光栅磁传感器的制备工艺流程。其工艺流程简单，不仅制备了磁致伸缩薄膜，而且设计一种高效的光纤光栅与磁致伸缩薄膜复合的方法，并通过磁场发生器和光纤光栅解调仪等测试，证明这是一种行之有效的方案。
实例步骤：
1)切片，切取长为2cm，宽1cm的硅片；
2)洗片，将切好的硅片进行清洗，首先用丙酮超声清洗10min，然后用乙醇超声清洗10min，最后用去离子水超声清洗10min。
3)磁致伸缩薄膜的制备，用射频磁控溅射仪在硅片上溅射一层Terfenol-D和FeCoSiB复合薄膜，厚度为2μm。溅射参数：溅射时间为45min(在此功率下这么长的时间内可以生长2μm的薄膜)，真空度为7×10-4Pa以下，靶间距为7cm，溅射功率300W，气压为3.5mTorr，基片采用水冷方式。
4)光纤光栅表面镍薄膜的制备，首先是将光纤光栅分别用去离子水超声清洗10min，用射频磁控溅射仪在光纤光栅上溅射一层300nm的镍薄膜。溅射参数：溅射时间为12min(在此功率下这么长的时间内可以生长300nm的薄膜)，真空度为7×10-4Pa以下，靶间距为7cm，溅射功率100W，气压为3.5mTorr，基片采用水冷方式。
5)将溅射有镍的光纤光栅固定在磁致伸缩薄膜的相应位置上，用丝印机把适量的焊锡膏漏印到溅射有磁致伸缩薄膜的硅片上，将贴好光纤光栅的磁致伸缩薄膜送入回流焊设备中，焊锡膏经历了干燥、预热、熔化、润湿、冷却，至此完成了光纤光栅与磁致伸缩薄膜的焊接过程，从而实现了基于回流焊方法的光纤光栅磁传感器的制备。
影响光纤光栅与磁致伸缩薄膜高效复合的主要有以下几个原因：1)粘贴的可靠性，也即牢固性；2)粘贴材料的杨氏模量；3)粘贴材料涂的均匀性。而本发明提出的回流焊方法在实现光纤光栅与磁致伸缩薄膜的复合上，首先，可以使他们之间建立长久的机械连接，因为他们之间是通过焊锡实现连接的，它的特点是连接牢固；然后，光纤光栅与磁致伸缩薄膜的复合效率是与粘贴材料的杨氏模量成正比的，而焊锡的杨氏模量比环氧树脂等粘贴材料的杨氏模量大的多，而杨氏模量越大也有利于磁致伸缩薄膜的应力传递到光纤光栅上，而光纤光栅对应力变化时很敏感的，这样就可以实现应力的高效传感，进而实现磁场等信号的高效传感；最后，粘贴剂涂的均匀性主要是影响磁致伸缩薄膜的应力至光纤光栅的应力传递，粘贴剂涂的越均匀越有利于应力的传递，而本发明提出的方法涂的相对较均匀。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于回流焊的光纤光栅磁传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)选取长方体形状的硅片，其中，所述硅片尺寸以适应光纤光栅的尺寸为准；
(2)将所述硅片依次通过丙酮、酒精、去离子水超声清洗干净，然后用射频磁控溅射仪在硅片的上表面溅射一层厚度为1000nm～2000nm磁致伸缩薄膜，形成磁致伸缩薄膜硅片；
(3)将光纤光栅通过去离子水超声清洗干净，用射频磁控溅射仪在光纤光栅表面溅射一层厚度为300nm～800nm金属薄膜；
(4)将磁致伸缩薄膜硅片固定在载玻片上，然后将所述光纤光栅固定在磁致伸缩薄膜表面上的相应位置，通过在放大镜下观看以确保光纤光栅与薄膜接触没有缝隙；用丝印机把适量的焊锡膏均匀漏印到磁致伸缩薄膜表面未被光纤光栅遮挡的部分；把漏印了焊锡膏的磁致伸缩薄膜硅片送入回流焊设备中，使焊锡膏经历干燥、预热、熔化、润湿、冷却，完成光纤光栅与磁致伸缩薄膜的焊接过程，最终完成光纤光栅磁传感器制作。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所溅射的磁致伸缩薄膜包括但不限于FeCoSiB薄膜、Terfenol-D薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中所溅射的金属薄膜包括但不限于镍、银薄膜。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的溅射参数为：真空度为7×10-4以下，靶间距为7cm，溅射功率100W-300W。
5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中超声清洗的时间为10min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |