光纤光栅分段金属化封装实验研究

朱 军，李 成，单 尧，朱良秋，汪 辉，俞本立

(安徽大学，安徽 合肥 230601)

光纤光栅凭借体积小、重量轻、波长编码等诸多优点，在光通信、光传感等领域得到广泛的应用。尤其在传感领域，其具有抗电磁干扰、电绝缘、抗腐蚀、低成本和高灵敏度等诸多优点，已受到越来越多的关注。

但裸光纤光栅细小质脆易损伤，实际使用时必须对其保护，将其封装在一个基底上构成传感探头。目前，光纤光栅与基底的固定主要采用胶黏剂［1］，这种方法存在一些不足如常用胶粘剂二酚基丙烷型环氧树脂在180～200℃会氧化分解，失去作用;再比如在恶劣环境下，胶封结构探头在长时间工作中的可靠性并未得到验证。目前解决这一问题的常用方法是对光纤光栅进行金属化封装，在光纤光栅表面镀镍、铜、银等［2-5］，这种探头有更好的环境适应性。但已有报道中，都是对光纤光栅表面全金属化，所镀金属覆盖了光纤光栅的栅区，这种处理方式改变了光栅原有的传感特性，导致其温度响应变高［2，3］，在某些应用领域如应变测量中不利于温度应变交叉敏感问题的解决，从而影响了光纤光栅传感探头的应用。

针对以上问题，提出了一种光纤光栅分段金属化工艺，即只在光纤光栅两端封装区域进行金属化处理。这种封装工艺既不会影响光栅自身的传感特性，又可以解决胶粘剂所带来的各种问题，具有更高的实用价值。介绍了优化后的光纤光栅分段金属化的工艺以及分段金属化夹具，通过实验完成了光纤光栅的分段金属化，并对分段金属化光纤光栅的温度响应特性进行了测试。

1 分段金属化工艺研究

采用先化学镀后电镀的方法进行光纤光栅的金属化，具体工艺流程为除油-活化-化学镀镍-电镀镍等四步。第一步，除油，主要是将待裸光纤光栅浸入15%NaOH溶液中，使光纤光栅的表面清洁;第二步，活化，将光纤光栅浸到胶体钯中，使胶体态金属钯颗粒吸附在光纤上，接着解胶，使表面具体有还原性;第三步，化学镀，使光纤光栅表面附着一层薄金属层，从而具有导电性，为电镀做准备;第四步，电镀，在化学镀得到的金属上对需要焊接的部分进行电镀加厚镀层，以达到焊接封装的要求。具体处理方法及参数如表1所示:

表1 光纤光栅表面金属化工艺

考虑到全金属化封装会影响到光纤光栅的传感特性，实验中设计了特殊夹具固定光纤光栅，使光纤光栅两端部分裸露在化学镀和电镀溶液中，实现分段金属化封装。夹具结构及实物图如图1所示:

图1 分段金属化工艺中所使用的夹具设计图(a)和实物图(b)

为实现光纤光栅分段金属化，设计了隔离盖对镀膜过程中的光纤光栅部分进行隔离，使镀液无法接触到光纤光栅的栅区，结合固定罩固定光纤光栅并对其尾纤进行保护。这种结构设计使得在化学镀和电镀过程中只有光纤光栅两端的部分光纤裸露在镀液中，表面会附着金属，而其余部分不会受镀液的影响，保留原始特性。此外，考虑到化学镀是在80℃高温下进行且化学镀和电镀过程中夹具表面不能镀有金属，对夹具材料的选取有很高要求:如非金属材料、连接件之间固定牢靠、表面光滑、高温下不会软化等。根据这些要求，选取了化学性质稳定且耐高温的硬尼龙材料制作夹具，固定件之间嵌入磁条实现牢固结合，为实现电镀中回路畅通，在电镀隔离盖中引入了导线和点接触头，实物图如图1b所示。

2 实验结果及分析

按照上述工艺对光纤光栅分段金属化封装进行了实验研究，化学镀后，首先采用热震实验方法对裸光纤与金属镍层的结合力进行检测。把镀有金属镍的光纤放在管式炉中加热60 min然后在水中骤冷，因为金属镍层和光纤材质不同，热膨胀系数不同，骤冷后在金属镍层与光纤间产生一个分离力，通过显微镜观察镀层表面特征，如果光纤与金属层结合力不好就会产生脱落或凸起。分别对光纤在100℃、150℃、200℃和250℃温度下进行了热震实验，图2是热震实验前和250℃热震实验后的金属镀层表面。

图2 金属化光纤表面250℃热震实验前(a)后(b)对比

结果表明，在250℃热处理之后，光纤光栅表面金属镀层无脱落且基本无凸起，说明镀层结合力较好。由于化学镀后光纤表面金属层较薄，镀层厚度一般只有微米量级，焊接时很容易破坏金属层。因此需对化学镀后的光纤光栅进一步通过电镀工艺，增加金属层厚度，镀层厚度可到亚毫米量级。图3是一个分段金属化处理之后的光纤光栅经激光焊接固定在基底上的实物图，从图中可看出，金属镀层较均匀，光泽度好，经测试金属镀层厚度为200 μm，中间的光纤光栅栅区并未镀上金属，从而实现了分段金属化封装。

图3 金属化处理封装光纤光栅焊接实物图

分段金属化封装主要是为了解决胶封带来的问题，因此封装本身不应该影响其传感特性。利用图4所示装置，分别对金属化前后的光纤光栅进行了温度传感实验，测试其传感特性。将裸光栅放在温度可控的水浴锅中，记录不同温度下对应的光纤光栅的反射中心波长。温度传感实验结果如图5所示:

图5 金属化前后的光栅波长增量与温度变化关系

从图5可以看到，金属化前的光栅温度灵敏度为KT1=8．64 pm/℃，金属化后的光栅温度灵敏度为KT2=9．81 pm/℃。由于在化学镀时，保护光栅部分的化学镀隔离盖没有达到完全密封的效果，导致有微量的镀液渗入其中，使光栅被少量的镀上金属，使光纤光栅的温度传感灵敏度略有升高但远小于文献［2］［3］中全金属化封装所带来的影响。

3 结 论

针对现有全金属化方法的缺点提出了一种光纤光栅分段金属化方法并进行了实验研究。设计并完成了一种可实现分段金属化的夹具，通过实验实现了光纤光栅的分段金属化。并对分段金属化光纤光栅进行热震实验和温度响应对比实验。实验结果表明这种封装方法金属的光泽度和附着力很好，温度响应特性几乎未发生变化，这种封装方式为光纤光栅的无胶化安装提供了基础，具有广泛应用价值。

［1］ 郭亮，张华，冯艳．光纤Bragg光栅封装增敏技术研究现状［J］．半导体光电，2012，33(4):463-466．

［2］ 范典．光纤光栅金属化封装及传感特性试验研究［J］．传感技术学报，2006，19(4):1234-1237．

［3］ 赵诚，李玉龙，姜智超．镀镍过程对光纤Bragg光栅中心波长及传感特性的影响［J］．传感技术学报，2013，26(12):1666-1670．

［4］ 李小甫，姜德生，余海湖，等．石英光纤表面化学镀镍磷合金工艺［J］．化工学报，2005，56(1):126-129．

［5］ 彭刚，张华，李玉龙，等．光纤Bragg光栅传感器化学镀铜研究［J］．材料导报，2008，22(9):77-79．