一種光電能量轉換模塊的制造方法與工藝

本發明屬于光電能量轉換結構改進技術領域，尤其是一種光電能量轉換模塊。

背景技術：
光電能量轉換模塊是一種新型的能量傳輸方式，其通過光纖將半導體激光光源發射的激光能量傳送到模塊內，再由光電池將激光能量轉化成電能量，為終端設備提供所需的電能，其具有絕緣性好、損耗低的特點，可以將能量傳輸到幾百米甚至上千米遠的地方，同時由于激光在光纖中傳輸，對高溫、低溫、輻射以及電磁干擾等完全不敏感，該模塊可以應用在電力領域中的隔離斷路器供電、各種傳感器及采集電路供電等，可以使用在核磁共振設備中，可以用于風力發電機健康檢測系統中，可以應用在飛機的燃油艙檢測中。現有的模塊存在以下缺點：1.光電池采用微型電池結構，其需要在半導體襯底上外延PN反結結構電池，再通過多步光刻、套刻制作出多個扇形子電池，制作好的電池輸出電壓恒定，無法再提高或降低；2.激光與光電池之間的距離有嚴格的要求，以保證激光能夠盡可能大的照射光電池，對于外殼的誤差要求極高；3.光電池的輸出功率恒定，但需要調整時，只能整體更換光電池，使用非常不方便；4.TO基座面積較小，散熱效果差，不利于長期穩定運行。綜上所述，現有的光電轉換模塊需要進一步改善。

技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種輸出功率大、光強度均勻且易于制造裝配的一種光電能量轉換模塊。本發明采取的技術方案是：一種光電能量轉換模塊，其特征在于：包括殼體、法蘭接頭、光學器件固定環，光學器件和光電池，所述殼體上端開口連通一殼體內制出的圓柱形空腔，該空腔下端的殼體內壁上制出凸出部，該凸出部上端面和空腔內所裝的光學器件固定環之間嵌裝所述光學器件，該光學器件上方的殼體上端開口安裝法蘭接頭，該法蘭接頭上制出光纖接頭，該光學器件下方的空腔底面上安裝光電池，所述光纖接頭用于導入激光，所述光學器件用于將穿透其的激光匯聚后覆蓋投射至所述光電池的整個上端面，該光電池由多個串聯的子電池拼接構成，每個子電池為扇形或三角形，相互拼接后的光電池整體外緣為圓形或多邊形，第一個子電池和最后一個子電池分別連接嵌裝在殼體底面的正極端子和負極端子。而且，法蘭接頭和殼體上端之間嵌裝一防水密封墊片。而且，所述空腔處的殼體內壁上徑向制出與殼體同軸向的多個凸棱，該多個凸棱下端向殼體中心制出凸出部，該多個凸出部上方的凸棱表面制出內螺紋，所述光學器件固定環外緣制出外螺紋，在凸出部上放置一墊環，該墊環上放置光學器件，該光學器件上的內螺紋嚙合連接所述光學器件固定環，所述光學器件上方的焦點與所述光纖接頭處光纖導入的激光入射點重合。而且，所述空腔底面上貼裝一陶瓷基板，該陶瓷基板上端面設置覆銅層，該覆銅層上制出多個溝槽，該多個溝槽將覆銅層分割成與子電池數量相同的多個導電區域和一個負極區域，該多個導電區域和負極區域之間為斷路絕緣，每個導電區域位于陶瓷基板中部的部位用于貼裝一個子電池且與該子電池底面電連接，第一個導電區域位于陶瓷基板外側的部位連接陶瓷基板和殼體底面嵌裝的正極端子，負極區域連接陶瓷基板和殼體底面嵌裝的負極端子，第一個導電區域中的子電池的上端面通過金帶連接逆時針方向的下一個導電區域位于陶瓷基板外側的部位，最后一個導電區域中的子電池的上端面通過金帶連接負極區域，第一個子電池和最后一個子電池之間的逆時針方向上的剩余子電池均通過金帶連接其逆時針方向上的下一個導電區域位于陶瓷基板外側的部位。而且，所述陶瓷基板底面設置一覆銅層，該覆銅層通過導熱膠與空腔底面處的殼體壓接。而且，所述正極端子和負極端子位于殼體底板內的外緣套裝絕緣層。本發明的優點和積極效果是：1.本模塊中，將光電池分解為多個子電池，然后安裝在具有覆銅層的陶瓷基板上，各子電池之間串聯連接，使輸出電壓增大，輸出功率增大，根據設備的需求，可以采用不同數量的子電池而得到不同電壓等級的光電池，便于使用，解決了現有的制造工藝復雜的微型電池只能提供單一電壓輸出的缺陷。2.本模塊中，在殼體內安裝光學器件，該光學器件為平凸透鏡，其平面朝向光纖接頭，光纖導入的激光入射點正好位于平凸透鏡的平面上方的焦點處，激光被平凸透鏡匯聚成圓柱形勻化激光束，投射到光電池時光強度均勻，增大了光電池的輸出電流，提高了光電池的壽命，而且無需考慮光電池與激光入射點之間的距離，使殼體長度選擇較隨意，易于加工和裝配。3.本模塊中，陶瓷基板上端面和底面均經過金屬化處理，形成了覆銅層，而且陶瓷基板直接貼裝在空腔底面的殼體上，光電池產生的熱量經過陶瓷基板、覆銅層傳導至金屬材料制成的殼體上，與傳統的TO基座及膠封方式比較，使散熱面積增大，散熱效果更好，提高了光電池工作時的可靠性。4.本模塊中，在陶瓷基板和其下方的殼體上嵌裝正極端子和負極端子，正極端子和負極端子通過覆銅層與光電池連接，二者連接更穩固，導電性更好，使光電池的電連接穩定。5。本發明中，殼體內安裝光學器件固定環，由其完成光學器件的固定，光電池由多個子電池拼接而成，陶瓷基板上被溝槽分成若干個導電區域并與子電池相配合，各種結構相互配合，實現了具備光路直徑大、光路長度大、光強度均勻、輸出電壓和功率均高、工作穩定等優點的新型模塊，能夠在不同環境的不同設備中長期、穩定的工作。附圖說明圖1為本發明的結構示意圖；圖2為圖1的截面圖；圖3為圖1的爆炸圖；圖4為圖1的俯視圖；圖5為圖1的A-A向截面圖；圖6為圖5的B-B向放大圖；圖7為光電池和陶瓷基板的放大示意圖；圖8為子電池的正面視圖；圖9為子電池的背面視圖。具體實施方式下面結合實施例，對本發明進一步說明，下述實施例是說明性的，不是限定性的，不能以下述實施例來限定本發明的保護范圍。一種光電能量轉換模塊，如圖1～9所示，本發明的創新在于：包括殼體4、法蘭接頭1、光學器件固定環11，光學器件13和光電池17，所述殼體上端開口連通一殼體內制出的圓柱形空腔15，該空腔下端的殼體內壁上制出凸出部16，該凸出部上端面和空腔內所裝的光學器件固定環之間嵌裝所述光學器件，該光學器件上方的殼體上端開口安裝法蘭接頭，該法蘭接頭上制出光纖接頭2，該光學器件下方的空腔底面19上安裝光電池，所述光纖接頭用于導入激光，所述光學器件用于將穿透其的激光匯聚后覆蓋投射至所述光電池的整個上端面，該光電池由多個串聯的子電池22拼接構成，每個子電池為扇形或三角形，相互拼接后的光電池整體外緣為圓形或多邊形，第一個子電池和最后一個子電池分別連接嵌裝在殼體底面的正極端子26和負極端子25。標號9為開孔，標號12為固定環11內緣制出豎槽。本實施例中，上述多邊形優選正多邊形，殼體呈圓柱形、方柱形或其他多邊形結構，殼體下端部兩側外壁上對稱制出安裝座6，每個安裝座上制出固定孔20。法蘭接頭由金屬板(銅板或鋁板)加工而成，成型后對其進行表面處理使其具有防銹及美觀的效果，其與殼體上端形狀一致的薄片狀，二者通過鎖緊孔7和安裝孔8內的螺栓固定，法蘭接頭和殼體上端之間嵌裝一防水密封墊片3。所述空腔處的殼體內壁上徑向制出與殼體同軸向的多個凸棱10，該多個凸棱下端向殼體中心制出凸出部16，該多個凸出部上方的凸棱表面制出內螺紋，所述光學器件固定環外緣制出外螺紋，在凸出部上放置一墊環14，該墊環上放置光學器件，該光學器件上的內螺紋嚙合連接所述光學器件固定環，光學器件固定環將光學器件和墊環壓緊在凸出部上。所述光學器件為由光學玻璃或塑料注模而成的平凸透鏡，其平面朝法蘭接頭，凸面朝向光電池，平面的焦點與所述光纖接頭處光纖導入的激光入射點重合，其中心法線與光電池中心法線相互重合。使用時的效果見圖2、12、13，圖2、12中箭頭代表光路，光纖導入的激光自平面的焦點處入射，經過平凸透鏡匯聚后，形成了圓柱形的激光束，其照射到光電池的光強度分布見圖13，非常的均勻，而現有技術的光路如圖10所示，激光的入射點和光電池之間的距離要求非常的苛刻，而且光強度分布見圖11，中心處強度大，而外側強度低，這就造成光電池的輸出非常的不均勻。所述空腔底面上貼裝一陶瓷基板18，該陶瓷基板上端面設置覆銅層21，該覆銅層上制出多個溝槽23，該多個溝槽將覆銅層分割成與子電池數量相同的多個導電區域和一個負極區域，結合圖7進行具體說明：子電池為六個分別為M、N、O、P、Q、R，每個均為等邊三角形，相互拼裝后形成正六邊形，導電區域為B、C、D、E、F、G，負極區域為A，該多個導電區域和負極區域之間為斷路絕緣。導電區域位于陶瓷基板中部的部位用于貼裝子電池M、N、O、P、Q、R且與子電池底面(正極)電連接，第一個導電區域G位于陶瓷基板外側的部位連接陶瓷基板和殼體底面嵌裝的正極端子26，負極區域A連接陶瓷基板和殼體底面嵌裝的負極端子25。第一個導電區域G中的子電池M上端面兩個角處的負電極29通過金帶24連接逆時針方向的下一個導電區域F位于陶瓷基板外側的部位，導電區域F中的子電池N上端面通過金帶連接逆時針方向的下一個導電區域E位于陶瓷基板外側的部位，導電區域E中的子電池O上端面通過金帶連接逆時針方向的下一個導電區域D位于陶瓷基板外側的部位,導電區域D中的子電池P上端面通過金帶連接逆時針方向的下一個導電區域C位于陶瓷基板外側的部位,導電區域C中的子電池Q上端面通過金帶連接逆時針方向的下一個導電區域B位于陶瓷基板外側的部位,最后一個導電區域B中的子電池R的上端面通過金帶連接負極區域。通過上述的結構，實現了所有子電池的串聯連接。加工時利用鋼網，在經金屬化表面的陶瓷基板帶有復雜圖形一側，印刷錫膏或銀膠圖形；用貼片機將砷化鎵子電池背面貼在印刷的錫膏圖形上側，使子電池與錫膏圖形方向一致；依次粘貼六片砷化鎵子電池，六片砷化鎵電池片組成圓形或正多邊形；整體放入真空回流焊爐，進行焊接(利用焊接夾具，保證子電池不偏移)；焊接后進行超聲波清洗，以清理焊接時附著在砷化鎵子電池和經金屬化表面的陶瓷襯底表面的助焊劑；清洗完成后，安裝金帶，使所有子電池串聯連接。所述陶瓷基板底面設置一覆銅層，該覆銅層通過導熱膠與空腔底面處的殼體壓接。陶瓷基板上開孔，對應的空腔底面的殼體上也開通孔28，正極端子和負極端子位于殼體底板內的外緣套裝絕緣層27，正極端子和負極端子下端部5伸出殼體外部。本發明制造和裝配過程是：1.利用沖壓、拉伸、沖孔等模具，采用冷沖壓工藝，對鋁板、銅板、不銹鋼板等進行加工，并進行一定的表面處理(陽極氧化、鍍鉻、鍍鎳金等)最終成為一個殼體。2.將數片砷化鎵子電池焊接到經金屬化表面的陶瓷襯底(錫焊，真空回流焊)，數片光電池組成圓形或正多邊形，焊接后進行超聲波清洗，以清理焊接時附著在元器件和經金屬化表面的陶瓷襯底表面的助焊劑，清洗完成后，安裝金帶并連接正極端子和負極端子。3.在陶瓷基板底面印刷銀膠或導熱膠，利用夾具(夾具使裝配精度更高)將陶瓷基板粘貼于空腔底面的殼體表面，若銀膠和導熱膠水需要在一定溫度下固化，則需要一個加熱箱，將粘接后的殼體和陶瓷基板整體進行加熱，之后取下夾具。4.在陶瓷基板的開孔處印刷銀膠，將正、負極端子依此穿過陶瓷基板和殼體，放入加熱箱，進行加熱固化。5.用高透光率絕緣膠水黏貼陶瓷基板，使其更牢固，若銀膠和高透光率膠水需要在一定溫度下固化，則需要一個加熱箱，將其整體進行加熱。6.將墊環用高透光率膠水粘接粘接在凸出部，再放置平凸透鏡，然后將光學器件固定環擰緊并壓住平凸透鏡和墊環，使平凸透鏡的中心法線與拼接后的光電池中心法線重合。7.將法蘭接頭安裝于外殼上側，法蘭接頭下側與外殼中間加防水墊片，并用密封膠密封法蘭接頭。8.可根據需要將光電能量轉換模塊與DC-DC模塊連接，獲得用戶需要的電壓或安裝在PCB電子線路板，給遠程設備提供電源，多個光電能量轉換模塊還可以串、并聯連接，獲得需要的電壓和功率。本發明中，殼體內安裝光學器件固定環，由其完成光學器件的固定，光電池由多個子電池拼接而成，陶瓷基板上被溝槽分成若干個導電區域并與子電池相配合，各種結構相互配合，實現了具備光路直徑大、光路長度大、光強度均勻、輸出電壓和功率均高、工作穩定等優點的新型模塊，能夠在不同環境的不同設備中長期、穩定的工作。