崔智军

(1.安康学院 电子与信息工程学院，陕西 安康 725000；2.西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710129)

0 引 言

坡莫合金(即由80%的镍(Ni)和20%的铁(Fe)组成的合金)是最常见的一种由电镀生成的合金。由于其高磁导率特性，故被作为磁传感器的首选[1～3]。电镀坡莫合金不仅被应用于线芯结构[4]、平面结构[5]而且也被应用于微结构[6,7]。

电镀镍铁合金最常见的组分主要是基于硫酸铁、硫酸镍和氯化镍，同时混合添加剂硼酸是为了增强镀液的导电性能。另外，糖精也被添加到镀液中。已经证明糖精对电镀坡莫合金的晶粒尺寸和矫顽力均有强烈的影响[4，8]。文献[9]指出添加糖精也可以减小电镀镍铁薄膜的应力。

虽然已知糖精如何影响镍铁合金的磁特性，但并不明确其对磁通门噪声的影响。磁通门噪声一部分依赖铁芯上的机械应力[10,11]，同时镀液中的糖精减小了电镀坡莫中的这种应力。然而目前，既没有使磁通门噪声减小到最小值的糖精最佳组分值信息，也未证明任何弊端是由镀液中添加的糖精所引起的。

虽然所有公布的配比中建议在镀液中糖精的浓度为5g/L，但是没有证据表明从对磁通门噪声的影响考虑，5g/L即为最佳浓度值；或者通过改变糖精的浓度能减小磁通门噪声。因此，本文研究了当镀液中的糖精浓度(2.5～20g/L)变化时，以此镀液电镀的铁芯构成的磁通门噪声变化情况。

1 铁芯制作

1.1 NiFe电镀液配置

NiFe电镀液主成分为硫酸镍(NiSO4)、氯化镍(NiCl2)和硫酸亚铁(FeSO4)；选用硼酸(H3BO3)作为缓冲剂，当溶液中的氢离子因放电而消耗，导致溶液pH值上升时，硼酸中的氢会离解出来，稳定镀液pH值，防止产生氢氧化镍和氢氧化铁；选用葡萄糖酸钠作为稳定剂，其可与二价铁离子络合防止亚铁氧化成三价铁离子沉淀。本文在文献[12]介绍的采用NiFe电镀溶液“葡萄糖酸钠镀镍铁合金镀液”的基础上，采用的镀液组分及工艺条件如表1所示。

表1 NiFe镀液组分及工艺条件

以配置1 L镀液为例，电镀NiFe镀液配置流程如下：

1)在镀槽中加入总体积60 %(0.6 L)的去离子水并加温到60 ℃。

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

3)另取一个清洁烧杯，加入适量去离子水并加热至90 ℃，按照表1加入H3BO345 g，去离子水的量约为硼酸的3～4倍，充分搅拌后加入步骤(2)的镀槽中。

4)趁热边搅拌边加入酒石酸钠15 g，搅拌至完全溶解。

5)按表1加入FeSO4·7H2O 15 g，充分搅拌至完全溶解。

6)加入活性炭3 g，充分搅拌2 h后静置8 h，保持溶液温度60 ℃。采用磁力泵进行循环过滤1 h，滤除活性炭。

7)添加去离子水，增加镀液至所需体积1 L。

8)用pH试纸(pH试剂)测试溶液pH值，若pH值为3则无需调整；否则，用3 %稀硫酸调pH值至3。

9)按照表1加入KS—3000 0.6 mL，糖精5 g和十二烷基硫酸钠0.3 g并搅拌均匀。

10)将切割成块状的Ni79Fe21合金放入钛篮作为阳极，为防止阳极泥渣泄露，在钛蓝外包裹2层无尘布，并定期清洗。

11)电镀的过程中，采用机械搅拌方法保证离子浓度的均匀性，采用57 ℃的电镀温度，阴极电流密度选择直流 3 A/dm2。经过2 h的预镀，进行正式的电镀实验。

1.2 铁芯制作

按上述镀液组分及配制流程，同比例配制糖精浓度分别为2.5，5.0，7.5，10.0，12.5，15.0，17.5，20.0 g/L的镀液各1 L；虽然每次仅改变糖精的浓度，但为了获得相同化学元素组分，每次的电镀液均需重新配制(因为经过一段时间的电镀后，镀液的成分会发生变化。)。厚度为35 μm的覆铜PCB板作为电镀铁芯的阴极，图1为其PCB板图，尺寸为1.5 mm×30 mm，将其与直流电源阴极相连接，以直流电流密度为3 A/dm2的电流电镀10 min，采用DektakXT型台阶分析仪测试所有电镀样品厚度，测得沉积的NiFe薄膜厚度约为4 μm。

图1 覆铜PCB板图

通过如图2所示的测试原理自制实验装置测试电镀得到的长条形铁芯B-H曲线。图3为糖精浓度分别为2.5，20 g/L时的电镀长条形铁芯的磁滞回线，可知，在2种糖精浓度下，其矫顽力和饱和磁化强度非常接近，表明2种糖精浓度下的长条形铁芯的组分也十分接近。

图2 LabVIEW测试磁滞回线原理

图3 不同糖精浓度下电镀长条形铁芯的磁滞回线

2 电镀长条形铁芯磁通门噪声性能测试

2.1 测试系统

搭建了一套测试系统，原理如图4所示。磁通门的激励信号由任意信号发生器Agilent 33220A和功率放大器NF HSA4011级联产生。电流表Agilent 34401A串联在激励回路中，测量激励电流的大小。直流电源(Agilent E3610A)激励螺线管产生被测外部磁场，螺线管电流由电流表指示。磁通门的感应线圈两端与示波器Agilent Oscilloscope Infiniium 54830D或者频谱分析仪Tektronix RSA 5103A相连，分析输出的电压信号。感应线圈两端与示波器或者频谱分析仪直接相连，未设置补偿或者调谐环节。在磁传感器的测试中为了排除地磁场的影响，在实际测试中多采用磁屏蔽装置对地磁场进行屏蔽以模拟零磁场空间。

图4 磁通门噪声测试系统原理

2.2 磁通门噪声性能测试

构建了如图5所示的双平行线圈结构磁通门。2个结构尺寸完全相同的骨架上由直径为0.1 mm的铜线分别绕制激励线圈和感应线圈，激励线圈反向缠绕315匝，电阻值7 Ω，感应线圈同向缠绕1 150匝，电阻值32 Ω。骨架为中空结构，可放置制作好的长条形电镀铁芯。激励电流频率为10 kHz，输出信号经频谱分析仪Tektronix RSA 5103A得到以dBm为单位的噪声数据，最终经换算转换为磁噪声功率谱密度。

图5 双铁芯磁通门线圈及骨架

图6为不同糖精浓度下，频率范围0.125～50 Hz的磁通门磁噪声功率谱密度。

图6 不同糖精浓度下磁通门磁噪声功率谱密度

图7 1 Hz噪声与电镀液中糖精浓度的依赖关系

3 结束语

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