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[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[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，充分攪拌后加入步驟(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，充分攪拌至完全溶解。

6)加入活性炭3 g，充分攪拌2 h后靜置8 h，保持溶液溫度60 ℃。采用磁力泵進行循環(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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