一种光电能量转换模块的制造方法与工艺

本发明属于光电能量转换结构改进技术领域，尤其是一种光电能量转换模块。

背景技术：
光电能量转换模块是一种新型的能量传输方式，其通过光纤将半导体激光光源发射的激光能量传送到模块内，再由光电池将激光能量转化成电能量，为终端设备提供所需的电能，其具有绝缘性好、损耗低的特点，可以将能量传输到几百米甚至上千米远的地方，同时由于激光在光纤中传输，对高温、低温、辐射以及电磁干扰等完全不敏感，该模块可以应用在电力领域中的隔离断路器供电、各种传感器及采集电路供电等，可以使用在核磁共振设备中，可以用于风力发电机健康检测系统中，可以应用在飞机的燃油舱检测中。现有的模块存在以下缺点：1.光电池采用微型电池结构，其需要在半导体衬底上外延PN反结结构电池，再通过多步光刻、套刻制作出多个扇形子电池，制作好的电池输出电压恒定，无法再提高或降低；2.激光与光电池之间的距离有严格的要求，以保证激光能够尽可能大的照射光电池，对于外壳的误差要求极高；3.光电池的输出功率恒定，但需要调整时，只能整体更换光电池，使用非常不方便；4.TO基座面积较小，散热效果差，不利于长期稳定运行。综上所述，现有的光电转换模块需要进一步改善。

技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种输出功率大、光强度均匀且易于制造装配的一种光电能量转换模块。本发明采取的技术方案是：一种光电能量转换模块，其特征在于：包括壳体、法兰接头、光学器件固定环，光学器件和光电池，所述壳体上端开口连通一壳体内制出的圆柱形空腔，该空腔下端的壳体内壁上制出凸出部，该凸出部上端面和空腔内所装的光学器件固定环之间嵌装所述光学器件，该光学器件上方的壳体上端开口安装法兰接头，该法兰接头上制出光纤接头，该光学器件下方的空腔底面上安装光电池，所述光纤接头用于导入激光，所述光学器件用于将穿透其的激光汇聚后覆盖投射至所述光电池的整个上端面，该光电池由多个串联的子电池拼接构成，每个子电池为扇形或三角形，相互拼接后的光电池整体外缘为圆形或多边形，第一个子电池和最后一个子电池分别连接嵌装在壳体底面的正极端子和负极端子。而且，法兰接头和壳体上端之间嵌装一防水密封垫片。而且，所述空腔处的壳体内壁上径向制出与壳体同轴向的多个凸棱，该多个凸棱下端向壳体中心制出凸出部，该多个凸出部上方的凸棱表面制出内螺纹，所述光学器件固定环外缘制出外螺纹，在凸出部上放置一垫环，该垫环上放置光学器件，该光学器件上的内螺纹啮合连接所述光学器件固定环，所述光学器件上方的焦点与所述光纤接头处光纤导入的激光入射点重合。而且，所述空腔底面上贴装一陶瓷基板，该陶瓷基板上端面设置覆铜层，该覆铜层上制出多个沟槽，该多个沟槽将覆铜层分割成与子电池数量相同的多个导电区域和一个负极区域，该多个导电区域和负极区域之间为断路绝缘，每个导电区域位于陶瓷基板中部的部位用于贴装一个子电池且与该子电池底面电连接，第一个导电区域位于陶瓷基板外侧的部位连接陶瓷基板和壳体底面嵌装的正极端子，负极区域连接陶瓷基板和壳体底面嵌装的负极端子，第一个导电区域中的子电池的上端面通过金带连接逆时针方向的下一个导电区域位于陶瓷基板外侧的部位，最后一个导电区域中的子电池的上端面通过金带连接负极区域，第一个子电池和最后一个子电池之间的逆时针方向上的剩余子电池均通过金带连接其逆时针方向上的下一个导电区域位于陶瓷基板外侧的部位。而且，所述陶瓷基板底面设置一覆铜层，该覆铜层通过导热胶与空腔底面处的壳体压接。而且，所述正极端子和负极端子位于壳体底板内的外缘套装绝缘层。本发明的优点和积极效果是：1.本模块中，将光电池分解为多个子电池，然后安装在具有覆铜层的陶瓷基板上，各子电池之间串联连接，使输出电压增大，输出功率增大，根据设备的需求，可以采用不同数量的子电池而得到不同电压等级的光电池，便于使用，解决了现有的制造工艺复杂的微型电池只能提供单一电压输出的缺陷。2.本模块中，在壳体内安装光学器件，该光学器件为平凸透镜，其平面朝向光纤接头，光纤导入的激光入射点正好位于平凸透镜的平面上方的焦点处，激光被平凸透镜汇聚成圆柱形匀化激光束，投射到光电池时光强度均匀，增大了光电池的输出电流，提高了光电池的寿命，而且无需考虑光电池与激光入射点之间的距离，使壳体长度选择较随意，易于加工和装配。3.本模块中，陶瓷基板上端面和底面均经过金属化处理，形成了覆铜层，而且陶瓷基板直接贴装在空腔底面的壳体上，光电池产生的热量经过陶瓷基板、覆铜层传导至金属材料制成的壳体上，与传统的TO基座及胶封方式比较，使散热面积增大，散热效果更好，提高了光电池工作时的可靠性。4.本模块中，在陶瓷基板和其下方的壳体上嵌装正极端子和负极端子，正极端子和负极端子通过覆铜层与光电池连接，二者连接更稳固，导电性更好，使光电池的电连接稳定。5。本发明中，壳体内安装光学器件固定环，由其完成光学器件的固定，光电池由多个子电池拼接而成，陶瓷基板上被沟槽分成若干个导电区域并与子电池相配合，各种结构相互配合，实现了具备光路直径大、光路长度大、光强度均匀、输出电压和功率均高、工作稳定等优点的新型模块，能够在不同环境的不同设备中长期、稳定的工作。附图说明图1为本发明的结构示意图；图2为图1的截面图；图3为图1的爆炸图；图4为图1的俯视图；图5为图1的A-A向截面图；图6为图5的B-B向放大图；图7为光电池和陶瓷基板的放大示意图；图8为子电池的正面视图；图9为子电池的背面视图。具体实施方式下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。一种光电能量转换模块，如图1～9所示，本发明的创新在于：包括壳体4、法兰接头1、光学器件固定环11，光学器件13和光电池17，所述壳体上端开口连通一壳体内制出的圆柱形空腔15，该空腔下端的壳体内壁上制出凸出部16，该凸出部上端面和空腔内所装的光学器件固定环之间嵌装所述光学器件，该光学器件上方的壳体上端开口安装法兰接头，该法兰接头上制出光纤接头2，该光学器件下方的空腔底面19上安装光电池，所述光纤接头用于导入激光，所述光学器件用于将穿透其的激光汇聚后覆盖投射至所述光电池的整个上端面，该光电池由多个串联的子电池22拼接构成，每个子电池为扇形或三角形，相互拼接后的光电池整体外缘为圆形或多边形，第一个子电池和最后一个子电池分别连接嵌装在壳体底面的正极端子26和负极端子25。标号9为开孔，标号12为固定环11內缘制出竖槽。本实施例中，上述多边形优选正多边形，壳体呈圆柱形、方柱形或其他多边形结构，壳体下端部两侧外壁上对称制出安装座6，每个安装座上制出固定孔20。法兰接头由金属板(铜板或铝板)加工而成，成型后对其进行表面处理使其具有防锈及美观的效果，其与壳体上端形状一致的薄片状，二者通过锁紧孔7和安装孔8内的螺栓固定，法兰接头和壳体上端之间嵌装一防水密封垫片3。所述空腔处的壳体内壁上径向制出与壳体同轴向的多个凸棱10，该多个凸棱下端向壳体中心制出凸出部16，该多个凸出部上方的凸棱表面制出内螺纹，所述光学器件固定环外缘制出外螺纹，在凸出部上放置一垫环14，该垫环上放置光学器件，该光学器件上的内螺纹啮合连接所述光学器件固定环，光学器件固定环将光学器件和垫环压紧在凸出部上。所述光学器件为由光学玻璃或塑料注模而成的平凸透镜，其平面朝法兰接头，凸面朝向光电池，平面的焦点与所述光纤接头处光纤导入的激光入射点重合，其中心法线与光电池中心法线相互重合。使用时的效果见图2、12、13，图2、12中箭头代表光路，光纤导入的激光自平面的焦点处入射，经过平凸透镜汇聚后，形成了圆柱形的激光束，其照射到光电池的光强度分布见图13，非常的均匀，而现有技术的光路如图10所示，激光的入射点和光电池之间的距离要求非常的苛刻，而且光强度分布见图11，中心处强度大，而外侧强度低，这就造成光电池的输出非常的不均匀。所述空腔底面上贴装一陶瓷基板18，该陶瓷基板上端面设置覆铜层21，该覆铜层上制出多个沟槽23，该多个沟槽将覆铜层分割成与子电池数量相同的多个导电区域和一个负极区域，结合图7进行具体说明：子电池为六个分别为M、N、O、P、Q、R，每个均为等边三角形，相互拼装后形成正六边形，导电区域为B、C、D、E、F、G，负极区域为A，该多个导电区域和负极区域之间为断路绝缘。导电区域位于陶瓷基板中部的部位用于贴装子电池M、N、O、P、Q、R且与子电池底面(正极)电连接，第一个导电区域G位于陶瓷基板外侧的部位连接陶瓷基板和壳体底面嵌装的正极端子26，负极区域A连接陶瓷基板和壳体底面嵌装的负极端子25。第一个导电区域G中的子电池M上端面两个角处的负电极29通过金带24连接逆时针方向的下一个导电区域F位于陶瓷基板外侧的部位，导电区域F中的子电池N上端面通过金带连接逆时针方向的下一个导电区域E位于陶瓷基板外侧的部位，导电区域E中的子电池O上端面通过金带连接逆时针方向的下一个导电区域D位于陶瓷基板外侧的部位,导电区域D中的子电池P上端面通过金带连接逆时针方向的下一个导电区域C位于陶瓷基板外侧的部位,导电区域C中的子电池Q上端面通过金带连接逆时针方向的下一个导电区域B位于陶瓷基板外侧的部位,最后一个导电区域B中的子电池R的上端面通过金带连接负极区域。通过上述的结构，实现了所有子电池的串联连接。加工时利用钢网，在经金属化表面的陶瓷基板带有复杂图形一侧，印刷锡膏或银胶图形；用贴片机将砷化镓子电池背面贴在印刷的锡膏图形上侧，使子电池与锡膏图形方向一致；依次粘贴六片砷化镓子电池，六片砷化镓电池片组成圆形或正多边形；整体放入真空回流焊炉，进行焊接(利用焊接夹具，保证子电池不偏移)；焊接后进行超声波清洗，以清理焊接时附着在砷化镓子电池和经金属化表面的陶瓷衬底表面的助焊剂；清洗完成后，安装金带，使所有子电池串联连接。所述陶瓷基板底面设置一覆铜层，该覆铜层通过导热胶与空腔底面处的壳体压接。陶瓷基板上开孔，对应的空腔底面的壳体上也开通孔28，正极端子和负极端子位于壳体底板内的外缘套装绝缘层27，正极端子和负极端子下端部5伸出壳体外部。本发明制造和装配过程是：1.利用冲压、拉伸、冲孔等模具，采用冷冲压工艺，对铝板、铜板、不锈钢板等进行加工，并进行一定的表面处理(阳极氧化、镀铬、镀镍金等)最终成为一个壳体。2.将数片砷化镓子电池焊接到经金属化表面的陶瓷衬底(锡焊，真空回流焊)，数片光电池组成圆形或正多边形，焊接后进行超声波清洗，以清理焊接时附着在元器件和经金属化表面的陶瓷衬底表面的助焊剂，清洗完成后，安装金带并连接正极端子和负极端子。3.在陶瓷基板底面印刷银胶或导热胶，利用夹具(夹具使装配精度更高)将陶瓷基板粘贴于空腔底面的壳体表面，若银胶和导热胶水需要在一定温度下固化，则需要一个加热箱，将粘接后的壳体和陶瓷基板整体进行加热，之后取下夹具。4.在陶瓷基板的开孔处印刷银胶，将正、负极端子依此穿过陶瓷基板和壳体，放入加热箱，进行加热固化。5.用高透光率绝缘胶水黏贴陶瓷基板，使其更牢固，若银胶和高透光率胶水需要在一定温度下固化，则需要一个加热箱，将其整体进行加热。6.将垫环用高透光率胶水粘接粘接在凸出部，再放置平凸透镜，然后将光学器件固定环拧紧并压住平凸透镜和垫环，使平凸透镜的中心法线与拼接后的光电池中心法线重合。7.将法兰接头安装于外壳上侧，法兰接头下侧与外壳中间加防水垫片，并用密封胶密封法兰接头。8.可根据需要将光电能量转换模块与DC-DC模块连接，获得用户需要的电压或安装在PCB电子线路板，给远程设备提供电源，多个光电能量转换模块还可以串、并联连接，获得需要的电压和功率。本发明中，壳体内安装光学器件固定环，由其完成光学器件的固定，光电池由多个子电池拼接而成，陶瓷基板上被沟槽分成若干个导电区域并与子电池相配合，各种结构相互配合，实现了具备光路直径大、光路长度大、光强度均匀、输出电压和功率均高、工作稳定等优点的新型模块，能够在不同环境的不同设备中长期、稳定的工作。