一、序論
1.1 研究的動機
光纖通常都是使用在通訊方面，在現在普遍要求提高產品的附加價值 的前提下，光纖逐漸的也發展出其它的用途。目前對於一般用於通訊方面 的光纖，其表面多是使用壓克力材料來作鍍層保護，本文則是利用金屬鍍 層取代現行的壓克力材料，來改善現有的壓克力材料其防蝕性不佳的缺 點。除此之外，金屬鍍層還有較高的強度、可以在較高溫的環境下使用、
有較高的防蝕能力、且金屬鍍層也可望能得到與底層光纖材質有較佳的黏 著性。至於光纖金屬鍍層之應用中所介紹的光纖感測器【1∼5】，其所使 用的光纖基本上都是玻璃光纖，此光纖感測器若要能精確的量測待測試片 所承受的應力，則必須要在以玻璃做成的光纖表面上鍍一層金屬鍍層
（metal coating），用以傳導試片上所欲量測的應力至內部感應光纖上。此 感應光纖在受到上述應力後會使得光纖內部傳輸的訊號有所改變，光纖感 測器就可作依照此光纖內部傳輸的訊號改變值來作應力應變的測量。
在本文中所討論的內容，最主要是利用無電電鍍的製作方式來在玻璃 光纖表面鍍上一層金屬鍍層，並藉由探討此一金屬鍍層的各種機械幾何特 性及製作方法 。
1.2 前言
上述所提用於通訊方面的光纖【圖 1.1】，現今工業界的產品都是使用 高分子材料來作鍍層保護，而此高分子鍍層有易受外界水氣滲入的吸水特 性。我們知道，玻璃光纖在製作過程與使用環境上，非常忌諱水中 OH-滲 入玻璃光纖中，因為這樣會大幅度的增加光纖的傳輸損失【圖 1.2】，並且 進而影響玻璃光纖的傳輸特性【6】。所以一般通訊用的光纖若能使用不吸 水的金屬鍍層來保護玻璃光纖不受 OH- 的滲入，且能在商業上大量快速生 產上述的金屬保護鍍層，則是非常理想的一件事。但是，要將此金屬鍍層 當作玻璃光纖的保護鍍層，則必須考慮到此鍍層的膜厚與底材的附著性，
是否能符合要求，這是本文所主要探討的項目之一。
在有關於精密量測方面，近幾年來，許多的結構物，如：發電廠的發 電機的渦輪轉子、飛機、橋樑、高樓、船隻，在結構外觀的設計上均十分 複雜，而其中的一些重要元件中都常需要做非破壞性檢驗。在檢驗時若能 減少所花的檢驗時間或者甚至能在線上（on line）操作時並同時作檢驗，
則更為理想，如此能提高結構物的使用效率並消除因重要元件破壞所造成 的損失。自西元 1978 年，C.Butter，和 G.Hocker【7】發表應用在量測用 途上的光纖應變感測器後，由於其細小而輕（光纖的直徑大約為 125μm）， 且光纖的表面在做適當的保護鍍層處理後，可輕易的埋入或焊接在結構物 的內部或表面上，而其又有不受電磁場干擾的特性，若是能將此感測器加 以商品化的大量生產，此感測器在量測方面的實際應用是非常寬廣的。
但是，要將光纖感測器商品化，首先必須解決的問題是如何在玻璃光 纖表層迅速的鍍上一層金屬鍍層。關於金屬鍍層的製作，要在不導電的非
金屬物質上做金屬鍍層的被覆，一般工業界最常應用的方法不外乎物理汽 相蒸鍍法（PVD）、化學汽相蒸鍍法（CVD）、濺鍍法（sputtering）、浸鍍 (dipping)、無電電鍍(electroless plating)等方式。因為玻璃光纖的製造方式 是在開放空間下進行的，所以上述的前三個較為繁雜且對環境要求較高的 方法較不適用於此項產品在商業上的製造，浸鍍則必須克服玻璃光纖與金 屬的熱膨脹係數（Thermal expansion coefficient）差異過大的問題，所以若 是要做商業上大量連續性的生產時，改採用無電電鍍來製作鍍層則為一個 較可行的方法。
顧名思義，電鍍鍍層的製作必須在導體上通以電流，使其產生氧化還 原反應後才能得到金屬鍍層。可是我們所要製作的金屬鍍層的基材 (substrate)是不導電的玻璃，因此必需改而採用無電電鍍（ Electroless plating）的方式來製作金屬鍍層。而使用無電電鍍時所需要考慮的條件包 括鍍液種類的選用、適當的鍍液操作條件等的選擇，都是影響鍍層操作成 功與否的重要因素。對於光纖鍍層材料而言，其鍍層須符合耐腐蝕、強度 高等特性，但在鍍層作業中應避免鍍層與光纖材質產生反應而影響光纖材 料的光學性質。因此選擇適合的鍍層金屬應是首要條件，從文獻中【 8~14】
我們可以發現可作為鍍層之金屬元素有很多，如銅(copper)、鎳(nickel)、
鐵(iron) 、鎳(nickel)、鉻(chromium) 、釩(vanadium) 、錳(manganese)、鈷 (cobalt)、鋯(zirconium)、鈀(palladium)、白金(platinum)、碳(carbon)等皆是 理想的選擇。但是從商業上的成本因素與操作技術的成熟度的考量下，我 們是選用鎳與銅這兩種金屬，來探討其應用在玻璃光纖上的各項製作結 果。在無電電鍍的材質選用是採用無電鍍鎳於無電鍍銅的另一個原因是，
因為其應用在工業界已經有相當長的一段時間，故其成本與操作方法上都 已經相當成熟，將其應用在本次的製作上，可以說是相當的合適。除此之 外，光纖感測器內的玻璃光纖其基本的機械特性是屬於硬脆物質，所以光
纖在受到外力且光纖本身還沒有任何破裂裂縫產生時，玻璃光纖可容許的 變形量是非常小的。因此在光纖本身還沒有任何因為外力所產生的破裂裂 縫產生的前提下，其本身對外界施加在玻璃上的外力靈敏度非常高，若是 能將此靈敏度加以利用，使其影響光纖內部傳輸的訊號，則將其應用在非 常精密的微小應力應變、微小的溫度變化、或者是微小的壓力變化的量測 是非常適當的。但是光纖感測器其所適當的應用範圍(也就是在受到外界量 測所施加的應力作用下，玻璃光纖本身沒有任何些微的破裂，並且在玻璃 光纖上所製作的金屬鍍層必須與玻璃光纖保持緊密的結合狀態)，目前所作 的相關研究可以說是相當的少，所以若能將量測用光纖的最大可量測應力 找出，則可以作為決定此以產品的適用範圍。關於這一點，在本文中的鍍 層應力檢測部份，有做相關的討論與說明。
在經過本次實驗之製作後，利用無電電鍍來在玻璃光纖上鍍金屬鍍 層，在適當的操作條件與方法下，其所需的時間可以壓縮到十秒以內，驗 證了以無電電鍍的方式，的確是可以應用在生產金屬鍍層的光纖商用製程 中，並可以將此產品的用途加以推廣，應用至光纖感測器的生產上。另外，
為了增加玻璃光纖上鎳鍍層與其他種類金屬鍍層的相互比較性，也有採取 銅加鎳的多層型鍍層的製作方式來與只做鍍鎳鍍層的相互比較測試，來驗 證鍍層增厚率與鍍層附著力的大小是否有所差異。
二、參考文獻
2.1 無電電鍍
所謂的無電電鍍，其是指在無須外加電流情況下，將電鍍液加熱到一 定溫度，再放入被鍍物來達到金屬析鍍的目的。其最主要的優點為對任何 形狀的物品可得到均一的鍍層，不會有一般電鍍所遇到的鍍層不均或弱電 部。此外，由於鍍層皮膜連續，使得針孔較少發生，密著性、耐蝕性、耐 磨耗性均不錯。且因為溫度分布均一，同一槽內的皮膜則皆能達到均一的 厚度。
對於所使用的鍍液，其所具備的條件必須符合以下條件：
1. 鍍液中的還原劑的氧化還原電位，必須較所欲析出金屬的平衡電位大(以 還原電動勢而言)，此對析出速度有很大的影響。
2. 溶液的 pH 值、溫度的調節必須能改變鍍層的析出，才可據此調整鍍層 至所需的鍍層狀態。
3. 析出的金屬本身必須具催化性，此為厚鍍層的必要條件。
4. 還原劑的氧化生成物本身必須不妨礙反應的生成，此為鍍液壽命長的必 要條件。
在無電電鍍鍍層種類方面，我們是採用無電鍍鎳、與無電鍍銅這兩種
不同的鍍層種類。以下就是無電鍍鎳與無電鍍銅製作的大略介紹。
2.1.1 無電鍍鎳
最早發現無電電鍍鎳法為 Brenner 和 Riddlell，他們發展出一種方法，
以具極強還原力的次亞磷酸根還原劑，將管件內部鍍上一層 Ni-W 合金，
此項方法同時也於西元 1950 年取得專利【15~17】。
內含次亞磷酸根的無電鍍鎳的鍍浴的應用，主要是以其操作溫度來區 分，高溫（大約為 95℃）次亞磷酸根鍍浴主要應用在鋼鐵或其它金屬；中 溫（大約為 90℃左右）次亞磷酸根鍍浴則常被用來鍍在塑膠或其它非金屬 上。無電電鍍在應用上主要的優點有：1.均勻性良好.2.防蝕與耐磨性好.3.
低操作成本.等。此外還可因自己的需要來添加不同的添加劑在鍍液中來改 善鍍層性質。目前，在台灣也有相當多的商用無電鍍鍍液可立即購得，故 其在實際上的操作成本的負擔並不是太高。
一般影響無電鍍鎳的實驗因素，比較直接且較容易控制的有：
1. 溫度：其直接對鍍速有影響，一般來講溫度越高則鍍速越快【圖 2.1】， 且其幾乎是呈指數的增加。但是若是加熱不均勻，則可能會造成 熱點而導致浴的分解。
2. pH 值：在大部分以次亞磷酸根為還原劑的無電鍍鎳浴中，pH 值越低，
次亞磷酸根溶解度就越高，鍍液的鍍速也是會隨著 pH 值的升高 而升高【圖 2.2】。由於在此操作中會產生 H+ ，故必須使用緩衝 劑，如乳酸、檸檬酸，氫氧化酸鹽等。
在酸性浴中操作，須定期的加入鹼，以中和酸，通常使用 10％的 NaOH 溶液換碳酸鈉、氨水等。若是在鹼性浴中操作、因為鹼性 浴對 pH 值得敏感度較低，故只需定期加入氨水補充蒸發損失和 中和所生出來酸即可。
3. 磷含量：磷含量直接影響鍍層的性質，若是鍍層內的磷含量越高，其所 得的鍍層密度則越低，其熱膨脹係數也會變小。而鍍液中的磷含 量與鍍浴的 pH 值有密切的關係【圖 2.3】。
4. 攪拌速度：若加快攪拌速度，可使固液接面變薄，可增加質傳效應。
5. 底材的選擇：化學鎳必需析出於活性的底材上，包括鎳、鈷、鋼、銠、
鈀上，其它更具活性的鋁、鈹，由於會發生析出置換，故不 大適宜。所以適當的底材，對於無電鍍鎳的成功於否，是有 相當大的影響的。
從化學反應的觀點來看無電電鍍，是屬於“自身催化或催化鍍著程序
“(Autocatalytic or catalytic plating)，因為這種電鍍係在液相中的化學還原 反應，所以底材若為鈍性金屬，則須先予以敏化（Sensitized）及活化
（Activated）處理，如此才可獲得具良好黏著性的鍍層。
從文獻中【18】，可以得知無電電鍍鎳的反應過程為：
2H2PO2
-+2H2O+Ni 2+à Ni+H2+2HPO3
-2+4H+
而此化學反應之機構可分為以下兩步驟
H2PO2-
+H2Oà HPO3-2
+2H++H-
2H-+Ni2+à Ni+H2
此無電電鍍鎳反應主要是原本次亞磷酸根離子藉一類似氫鍵的鍵結 與鎳基材相互吸引在一起，後來與水分子反應產生一具有還原能力的氫原 子，此氫原子便散佈於基材表面構成許多提供還原反應發生的位置。這 時，還原性氫原子造成兩種不同的反應發生，一種是使溶液中的鎳離子還 原成鎳原子而生成金屬沈積，另一方面也可能兩個氫原子相互結合成為氫 氣析出，即 H+ +H-à H2這也是為何在反應過程中會有氫氣在被鍍物表面 產生的原因。此外，這會影響次亞磷酸的效率，因部份 H-於無效的 H2 生 成。
上述的亞磷酸根離子的析出反應會產生亞磷酸離子，其會沈澱成亞磷 酸鎳，此沈澱物會損失金屬鎳且造成鍍層粗糙和突然分解的原因。若是在 鍍液中添加適當的錯化劑則能解決上述問題。此外，若是鍍液是屬於鹼性 浴，則能容許較多量的亞磷酸根離子。
除了上述兩種可以直接用肉眼觀察到的反應是由氫離子所造成的之 外，還有一需用儀器才能斷定的反應：
H2PO22-
+ 6H- +4H2O à 2P + 3H2 + 8OH-
由此反應，可得知所析出的磷會與鎳同時一起析出而吸附在催化表面 上，成為“鎳-磷“固融體，故一般經由無電鍍鎳所得的沈澱金屬層實際上 為各種不同比例的非晶相(amorphous)結構。在反應中，鎳的反應速率是大
於此亞磷酸根被還原成磷的速率，所以，無電電鍍鎳鍍層中，鎳還是佔主 要的比例，至於磷的比例是與鍍液的 PH 值有關，在較酸性的情況下鎳的 析出速率較慢，所以磷的含量就較高。【19】
上述的機構僅可適用於當基材本來就有一層鎳金屬鍍在上面的情 形，因為鎳本身具有自身催化的特性，導致金屬持續累積，或是由於基材 本身就是一具有較高催化活性的金屬，但是對於一些比較鈍性的金屬卻不 一定行得通，至於在非導體上，則更是沒有辦法產生析出反應了。對於這 些較難析鍍的基材，必須經過某些特別的處理，也就是敏化與活化，才可 以順利的進行無電電鍍。
一般來說，無電電鍍的過程可以分為：
(1).前處理：
其包括脫脂、腐蝕（Etching）、清洗及表面粗糙化等，這些步 驟和電鍍的前處理很相似。
(2).敏化與活化：
敏化通常先將 50ml 的鹽酸與 800ml 的水混合，再將 100g 的 氯化亞錫(SnCl2)加入攪拌溶解後，再配成 1000ml 的溶液來使 用。
活化則將 1g 的氯化鈀(PdCl 2)溶於 20ml 鹽酸中，在加水配成 1000ml 的溶液來使用，需要注意的是鈀離子如果直接與水混
和會發生水解反應造成溶液配置失敗，這一點必須特別注意 的。
Pd2+ +2H2O à Pd(OH)2 +2 H+ （水解反應）
(3).自身催化鍍著：
鍍浴的基本成份有：
a.金屬鹽：其是用來補充析出所損失的金屬成份。
b.還原劑：將金屬還原以析出金屬鹽的作用，一般加入量 以使理論還原離子所需量較高為宜。
c.錯合劑（Complexing agent）：使金屬鹽成錯鹽（析出較 容易），並有安定的作用。此外可以防止鹼性浴 發生氧化物沈澱，並加以調節酸性液的析出速 度與防止分解。
d.緩衝劑：金屬析出後，殘餘 H+使 pH 值下降，此即為抑 制劑。
e.安定劑（Stabilizing agent）：添加微量有機或無機硫化 物，作為中毒性的催化劑。並且以吸著微粒子 防止鍍液的自然分解，而產生黑色的鎳 —磷沈 澱物。
f.溼潤劑、光澤劑、針孔防止劑：其是為了使鍍層均一良 好而添加之。添加劑的選擇若有錯誤，會導致
皮膜密著性惡化和脆化。
(4).後處理
其包括以下幾個項目
a. 中和及清洗
b. 熱處理---其在改進鍍層和底材間的黏著性及減低鍍層的脆性。
2.1.2 無電鍍銅
銅的無電電鍍操作溫度為室溫，此操作溫度比無電鍍鎳的溫度低，故 其反應速度也較慢，其鍍層的內應力也是相對的較無電鍍鎳小，所以若是 要避免因為增厚鍍層時，鍍層容易因為內應力太大而剝離，採用無電鍍銅 作為鍍層則是一個不錯的方法。但是因為無電鍍銅所得的銅鍍層其成份接 近純銅，在空氣中比較容易氧化，
所以本次製作在銅鍍層上有另外加鍍一層鎳鍍層保護。
關於無電鍍銅的製作，一般在工業上是以硫酸銅(供應銅離子)、酒石 酸甲鈉(蜇合劑 Rochelle salt)、氫氧化鈉(鹼)和一些其它的添加劑為主的混 合液中，添加福馬林(還原劑)，銅即被福馬林還原而析出：【20】
Cu2+ + 2e-à Cu
2H-CHO + 4OH- à 2HCOO- + H2O + 2e- +H2
銅離子還原所需的兩個電子，必須由福馬林氧化成蟻酸來供應，故其 總反應式為
Cu2+ + 2HCHO +4OH -à Cu +H2 +2H2O +2HCO2-
鍍液中的每一種成份都具有特定的功用，銅離子最終須還原成金屬 銅，福馬林須氧化成蟻酸才能使銅離子還原，鍍液中的氫氧化鈉則維持鍍 液鹼性狀態，福馬林氧化反應才能進行。由於鹼性狀態下銅離子會形成氫 氧化銅沈澱，因此要靠蜇合劑與銅離子結合成錯合物(complex)才能保持鍍 液成為溶液狀態。添加劑則控制鍍液的整體表現，其中可再細分，如安定 劑(stabilizer)與加速劑(accelerator)控制鍍液的活性，光澤劑(brightener)影響 鍍層的外觀及結構，溼潤劑(wetting agent)減低鍍液的表面張力，避免氣泡 在鍍層表面停留。一般商用鍍液的主要成份都大同小異，真正差別的地方 就在於添加劑，一般添加劑在鍍液中的含量只有數十 ppm，可是過與不及 所造成的結果卻有如天壤之別。【21】
化學銅可用於銅、金、白金、鐵、鈷、鎳、鈀、銠底材析出，其在非 導體上的析出方法與上述的無電鍍鎳方法一樣，也是需要敏化與活化，也 就是在底材上先形成一敏感性的鈀金屬，再來進行銅析出的步驟，其他所 需的清潔步驟與表面處理也是與無電鍍鎳一樣。化學銅鍍液一般都是購買 市面上已調配好的商用鍍液，較為經濟與方便，若是想要自行調配，其配 方可以參照文獻上所提供的成份與比例【表一】，但是要注意的就是，溶 液調配時，須先將 2/3 的純水加入鍍槽，然後再加入所需的 NaOH，待溶 液冷卻後，才可緩慢的加入硫酸銅及其他組成成份，並要攪拌溶液以確保 完全混合。化學銅鍍液因為比較不安定，所以在要進行電鍍前才可將福馬 林溶液加入已調好的溶液內。【22】
2.2. 多層鍍層
我們知道，大部分鍍層的形成，皆殘存壓縮應力或伸張應力，若是對 延性良好的金屬而言，如金、銀、銅、鉛、錫、鎘等，鍍層內的應力問題 通常不是很重要。但是對延性不是很好的金屬鍍層鎳而言，因為鍍層內部 應力所造成的鍍層剝離和撕開問題，則是一個在製作鍍層時所必須解決的 困擾。上述鍍層內部應力形成的原因有三種：【23】
(1).晶體生長並不一致，造成鍍層內部的結構密度並不均ㄧ，若是鍍 層本身是屬於延性較小的金屬，則鍍層厚度會因為此一因素而有所 限制。
(2).雜質的混入如：氧化物、水和氧化物、水、硫、磷、氫、金屬雜 質的混入，妨礙正常晶體的成長。
(3).不當的表面前處理研磨，產生表面變質層而妨礙結晶的成長生 成。
若是在製作時對鍍層的厚度並不是要求很厚時，鍍層內應力對鍍層與 加工件表面的附著性的影響並不是很大，但是若要選用延性較低的金屬如 鎳等，來製作較厚的鍍層時，則此較厚的鍍層通常會因為鍍層內應力的問 題而會有與加工件表面剝離的問題發生。對此一困擾，我們可以採用所謂 的多層鍍層，先在加工工件的表面先鍍上一層延性較軟的鍍層，這樣在第 二層鍍層因為此鍍層增厚所產生較大的鍍層內應力時，可以因為其與加工 工件表面之間有一層延性較好的金屬，作為鍍層內應力的緩衝吸附層，這 樣就可以解決厚鍍層因為內應力的因素而會與工件表面剝離的問題了。
至於對多層鍍層中的第一層鍍層材質的選用方面，我們是選用延性較 好的金屬，這樣才可以吸收較厚的第二層鍍層的應力。這也是為什麼我們 從下列各種不同鍍層中選擇延性不錯的銅當成我們的第一層鍍層材質的 原因。
一般說來，目前國內所作的相關研究，應用在玻璃光纖上的鍍層，其 所選用的鍍層材質有包括碳鍍層【24】、金鍍層、銅鍍層、與鎳鍍層。若 要將上述鍍層與其應用在玻璃光纖上的多層鍍層，則各有其優缺點。
(1).碳鍍層
碳鍍層光纖同樣也是具有可以長期抵抗水氣侵入與抗疲勞性的優 點。但是因為碳鍍層的製造，必須利用化學氣相沈積法來製作，而這化學 氣相沈積法是比較不適用於須在開放空間中生產玻璃光纖的製程。且碳鍍 層本身的延性很低，所以在本次製作中是不考慮將碳鍍層應用在多層鍍層 中。
(2).金鍍層
金鍍層的析出，通常來說是比較慢的，一個鐘頭只能析出大約 4μm 左右【25】，雖然其延性很高，但在要求能夠迅速的鍍上金屬鍍層與經濟 性的原則考量下，金鍍層是不符合我們這一次所需採用的鍍層條件的。
(3).銅鍍層
銅鍍層的析出雖然也不是很快，但是因為其在一般工業上的應用非常
的普遍，並且因為銅本身的延性較好，鍍層內部的內應力也是相對的較小
【26】，所以將其利用在多層鍍層中的底層，是可以降低整個鍍層與被鍍 工件表面之間的剝離狀況。所以在多層鍍層的鍍層種類中，選擇銅鍍層與 鎳鍍層做一搭配，是很合適的。
目前在工業上有關多層鍍層的應用，大部分集中在提升抗腐蝕能力方 面。比較常用的有二重鍍鎳(double nickel plating)與三重鍍鎳(triple nickel plating)，其最大的特徵就是耐蝕力非常優越。此多層鍍層的基本原理為利 用各鍍層之間的電位差，而形成局部電池的現象，在鍍層腐蝕生成時，先 將最外層的鍍層當陽極腐蝕，來保護較內層的鍍層與底材。因為本次製作 是著重鍍層的附著性，所以有關耐蝕性的部份，並沒有加以探討與研究。
2.3 鍍層之檢測
一般比較常用在檢驗鍍層附著力的方法大約有彎曲試驗 (bending test)、刮痕試驗(scratch test)、熱衝擊試驗(thermo shock test)、打擊試驗 (impact shock test)、與剪力試驗(shear force test)等【27】，但是若是考慮鍍 層的厚度，特別是鍍層很薄或者是底材的材質較為特殊(如易碎的玻璃)，
若是使用彎曲試驗或者是以施加打擊力量、刮痕的試驗法，在鍍層還沒有 破壞以前底材就先行的損壞了，所以並無法順利的得到所需要測試值。
針對上述所提，在特殊底材上所作的鍍層檢驗，有另外一種黏著膠帶 (tape)法，也就是把黏著膠帶貼於一定面積的鍍層上，然後剝下膠帶，此時 剝下的角度大都用 90 或 100 ，再來測定鍍層附著於膠帶面而被剝下的 面積，以相對於試驗面積的大小來判定附著力。因為我們所要測試的光纖 其體積很小(OD.只有 125μm)，比較不易觀察，所以要將此一測試方法應
用在本實驗中，較不合適。
在本次實驗中所採用的是利用剪力破壞的試驗，使用此方法的最大的 優點為，在利用環氧塑脂等壓著固定測試的鍍層後，待環氧塑脂硬化後移 動拉力試驗機，就可以獲得量化的鍍層與底材之間的附著力測試數據。
2.4 光纖金屬鍍層之應用
光纖感測器為一利用光纖光柵(Bragg Grating Fibers)為主要元件所製 成的組件，而光纖光柵則為一段其核心具週期性折射率變化的玻璃光 纖，當光波入射此種光纖光柵時，如果其波長滿足所謂布拉格條件，就 會被反射，否則就會被穿透【28】。也正因為如此，光纖光柵的反射頻寬 會很窄，所以可以用來作為窄頻反射器。也就是說，若光纖光柵上光柵 的距離有任何的些微改變，反射光的訊號都會因為窄頻的關係而迅速的 改變。若是將此段光纖光柵緊密的貼合於試片上，則試片上的任何變形 均會傳達至光纖光柵中，並影響光纖光柵中的光反射情形。將變形前與 變形後的不同反射光訊號加以比較，就可以了解試片的變形狀況與變形 位置，這也就是光纖感測器的應用原理。目前光纖感測器的研發工作大 多集中於干涉式及頻譜式，其代表分別為 Fabry-Perot 感測器及布拉格 式光纖光柵（fiber Bragg grating）裝置，本質上，光纖感測器與傳統 應變計（strain gauge）之功能相同，光纖光強度感測器將應變所造成 之光波長損失檢測出來，因此可獲得應變信息，優點為簡單且可採用多 膜光纖（multimode optical fiber），頻譜感測器則將應變所造成之光 波長之改變檢測出來，可當作局部感測器或多工感測器。比較上述兩者，
布拉格式光纖光柵裝置為光纖架構，具有牢靠性、一致性及低價格等潛 力，又易於多工，應為最佳選擇。
談到光纖光柵，它是利用含鍺量高的光纖（germanium doped silica fiber）對紫外光（UV）具有光敏感之特性，將此種光纖置於紫外光照射 (UV exposure)的區域，經光干涉或透過一光罩（mask），光的條紋被寫 入光纖，其折射率就產生變化。一般常用來製作光纖光柵的光纖有單膜 光 纖 （ single mode fiber ） 和 色 散 遷 移 光 纖 （ dispersion shifted
fiber），製作的方法有許多種，基本上是利用發自同一光源的兩種同調 光以不同的角度照射光纖。當光源之光功率足夠大，且波長適宜，在光 纖上所形成干涉圖樣惠週期性改變該斷光纖纖心之折射率。目前具量產 能力的方式，係採用相位光罩（phase mask）法，利用波長為 248nm 之 KrF 準分子雷射(excimer laser)光，照射在週期性相位光罩上，產生的 兩道繞射光，形成干涉圖樣，在照射到光纖上，形成纖心內部布拉格光 柵。關於上述的布拉格光柵（FBG），其具有濾波及反射特定波長的功能，
除了在應變感測器的應用外，尚可應用於光纖通訊，作為濾波器，或是 應用在光纖雷射（fiber laser）或二極體雷射的外部共振腔（laser diode external cavity），當作特定波長的反射鏡。
三、金屬鍍層之製作
本次光纖金屬鍍層的製作是參考如何將塑膠底材做電鍍處理的資料
【29】。在參考資料中，強調為了維持金屬鍍層在塑膠表面黏著的機械強 度，必需實施粗化，也就是利用強酸來把塑膠表面腐蝕，造成許多的孔洞，
以便接下來產生的鍍層能增加與被覆物接觸的表面積。可是，將此原理應 用在光纖上並不適當。因為在生產玻璃光纖時，表面的光滑與否，是否有 無刮痕，這都是非常重要的檢驗項目，也是光纖產品合格與否得基本要 求。若是在光纖表面利用強酸來造成一些刮痕，則光纖在稍微受到外力拉 扯時，會在光纖的刮痕的附近產生應力集中的現象發生，進而導致光纖的 斷裂。
另外，將塑膠電鍍原理應用到本製作上還有一項需要特別注意的是，
依照參考資料中所述，在作活化與敏化前，必需用純水清洗試片，把前一 次處理的化學藥品處理乾淨，才不會有殘存的化學藥液污染到下一步驟。
若把此法原封不動的應用在玻璃光纖上，這樣子一洗，就把前一次附著在 玻璃光纖上的化學藥劑完全洗掉了，導致接下來應該發生的反應無法發 生。
針對上述在玻璃光纖上製作金屬鍍層時所會碰到的困難，我們提出了 兩個方法來解決。
1.在本次製作中，我們完全省略化學粗化的程序。我們從同一份參考 資料中【30】得知，利用無電鍍鎳製作鍍層，鍍層內所產生的內應力是大 部分是屬於壓縮應力，也就是往鍍層內部的力量，若是將此一理論應用在
此次的製作上時，恰好可以彌補金屬鍍層因為沒有較粗造的表面積而降低 鍍層附著力的缺點。因為光纖是一個圓柱狀的物體，一個有內應力的鍍層 包覆於其上，恰好可以利用此一內應力使得鍍層緊密的附著於圓柱體上。
而一般的塑膠電鍍大部分都是鍍在一個平面上，所以剛剛所提到的內應力 對鍍層附著在塑膠上並沒有幫助，必需要在表面粗化對附著力才有幫助，
這是在圓柱狀光纖與一般塑膠表面做同樣的無電鍍鎳處理的最大不同 點。這也是我們之所以可以省略表面粗化的理論根據。【31】
2.對於上述所說的，在做下一道處理前，必須先利用水清洗試片的表 面所殘存的藥液，避免污染接下來要繼續做處理的下一道藥液的步驟。我 們採用的替代方式是在光纖浸泡完敏化液後，立刻將玻璃光纖放入光纖加 熱管中烤乾。這樣在做下一道活化藥液浸泡時，因為前一道所浸泡的藥液 已經完全乾燥且固著在光纖表面上了，就較不會因為將光纖泡入另一種藥 液而使前一種藥液析出而污染下一道藥液（因為光纖的體積與一般電鍍工 件比較起來，可以說是非常非常小，所以關於殘存在光纖上的化學藥液會 污染到下一步驟的問題，就算有的話也是非常少量）。所以，經由此項步 驟既可以解決殘存在光纖表面上藥液若不加以清洗即會污染下一道藥液 的困擾，又可以解決若是附著在光纖表面上的藥液濃度不足即會產生鍍層 無法生成的問題。
在本次製作中，為了增加玻璃光纖上鎳鍍層與其他種類金屬鍍層製作 結果的相互比較性，並且避免因為鎳鍍層之中內應力過大會使得在做增厚 鍍層過程中，有鍍層剝離的問題發生。我們也有採取化學銅加鎳的多層鍍 層的製作方式，其操作方法與原理與上述的無電鍍鎳類似，也是利用加熱 鍍液和在鍍液中添加還原劑來促進金屬銅離子還原的速度，但其所產生的 鍍層還是有一些機械特性上的差異的。
3.1 製作設備：
(1).恆溫加熱攪拌器。
(2).無電鍍鎳之溶液(自行調配，包含有 A 鍍液與 B 鍍液，
其組成成份如【表二】)。
(3).無電鍍鎳之溶液 C 鍍液(外購，台灣麥特 MacDermid 所 生產的 NIKLAD 796，Macuples 78，NICLAD 262 等三種 藥液【附件一】)。
(4)無電鍍銅之溶液(外購，台灣麥特 MacDermid 所生產的 MACuShield 185 化學銅藥液【附件二】)、Macuples 78，
NICLAD 262【附件一】。
(5).檢驗設備(檢驗 pH 值、溫度等儀器)。
(6).光纖加熱管。
3.2 無電鍍鎳鍍層的製作方法：
(1).先將沒有壓克力層的裸光纖裁剪至適當長度後，放入裝 有丙酮的試管內，再將試管置於超音波清洗機內清洗 10 分鐘，以便完成脫脂與清潔表面的工作。
所謂的裸光纖，就是將有壓克力包覆保護的一般商用玻 璃光纖，去除其外層的壓克力包覆保護，只剩下單純的 玻璃光纖，此即為裸光纖。
(2).用純水將丙酮完全洗淨後，加熱烘乾裸光纖，再將其置 於乾淨空試管中(裸光纖表面不得與任何東西接觸)，等 待下一步的處理。
(3).將清洗乾淨與完全乾燥的裸光纖放入室溫(25℃)的敏 化液中，其浸泡時間分別為立刻取出、60 秒、240 秒，
三種不同的浸泡時間，在浸泡完成後，小心緩慢取出裸 光纖，懸空置於加熱管中加熱。
(4).在加熱管內完全乾燥後，再將裸光纖置於活化液中，此 時活化液的溫度是 45℃，浸泡時間為 10 秒、20 秒、60 秒，在完成後，取出裸光纖並懸空放入加熱管中加熱乾 燥。
(5).在乾燥完成後，放入無電電鍍液中，使其完全反應，在 大約 10 秒後，反應的生成氣泡較少後即取出，並放入 純水中清洗，完成後，即得到實驗後的成品，此外，另 外進行 60、600 秒的不同浸泡時間來取樣。
(6).有關上述各相關鍍液的操作溫度與 pH 值如下：
溫度℃ PH 值 敏化液 25 1.5 活化液 45 2.5 無電鍍鎳鍍液 95 4.5
3.3 無電鍍銅鍍層的製作方法：
(1).無電鍍銅鍍層的製作方法與無電鍍鎳一樣，但採用銅鍍 層的原因主要是銅鍍層製作時所產生的鍍層內應力較 小，可以減小鍍層與鍍層覆著在玻璃光纖表面接觸部位 的內應力強度。所以銅鍍層的厚度並沒有一定的特殊要 求，只要鍍層能平整完全的包覆玻璃光纖，並能讓後續 的無電鍍鎳能在此銅鍍層上反應生成即可。
(2).因為這樣，在製作上所採用的敏化與活化程序即採用與 無電鍍鎳製程一樣，但其所需的時間的組合種類則選用 最短時間的製程條件為製作銅鍍層的條件，來尋求製作 整體鍍層製作最佳化的條件。
(3)﹒無電鍍銅的電鍍時間，在此次製作中是參照廠商所提 供的基本操作時間 30 分鐘。
(4)﹒無電鍍銅鍍液的操作狀態為 46℃，pH 值則大約保持 在 12 左右。
四、金屬鍍層之檢驗
對於金屬鍍層的組成材質與厚度檢驗，在上述的無電電鍍製作完畢了 以後，將完成的樣品加以分組編號，並製作冷鑲埋試片與研磨加工其欲檢 測的端面，在研磨時，必需小心不可添加任何的研磨劑，因為微小的研磨 劑顆粒會陷入金屬鍍層與玻璃光纖的界面中，使得後續的觀察比較困難。
而本此的試片是用 3000 號的超微細氮化矽砂紙來做最後的研磨加工。對 於檢驗金屬鍍層所需的設備，我們是利用光學顯微鏡(OM)、掃描式電子顯 微鏡(SEM)、半定量分析(EDAX)等相關設備取得我們所需要的鍍層資料。
因為玻璃本身不導電，且利用無電電鍍法所製成的鍍層又非常薄，所以在 製作檢測試片時，的確是遇到了許多的困難，在適當的調整與改進後，試 片的觀察與檢驗才能順利的進行。
至於檢驗在光纖感測器上的金屬鍍層與光纖底材的附著力大小性 質，我們最主要是要檢驗不同的金屬鍍層的破斷應力大小與鍍層破壞的相 對位置是否有所差異。
4.1 檢驗設備介紹
4.1.1 光學顯微鏡(OM) 【圖 4.1】
我們利用 OM 最主要是觀察金屬鍍層其表面的光滑程度，並判別其是 否有針孔產生，鍍層的均勻性是否良好，鍍層的表面是否有破裂面產生，
鍍層與玻璃裸光纖的接合面是否有間隙產生。
4.1.2 掃描式電子顯微鏡(SEM) 【圖 4.2】
因為 SEM 的放大倍率、景深、解析度都很高，所以利用 SEM 可以取 得較係為部份之結構，尤其是在界面間之部份，且其觀測螢幕也有尺規，
可以精確量測膜的厚度大小，並得到比 OM 更為清晰的影像。
利用 SEM，我們也可以做半定量成份分析(EDAX)，此一分析技術可 以將鍍層的組成元素比例與組成元素成份，以圖表與數值的方式表示，我 們可以依照這些資料來判定鍍層的組成資料。
4.1.3 萬能材料試驗機【圖 4.3】
在檢驗玻璃光纖上金屬鍍層與光纖之附著力時，我們是使用弘達儀器 的 HT-9501 伺服油壓萬能材料試驗機來作拉斷應力檢驗，因為此機台是採 用電腦控制，所以其所取得的測試資料均可以轉成圖形化的.BMP 檔，在 製作相關的報表上可以說是非常方便的。
在此一機台的測試夾具方面，因為其是採用手動夾緊的方式，所以要 能順利的夾住硬脆易斷的測試光纖，使夾頭與光纖能保持在我們所要求的 正確測試位置並能得到所需的相關鍍層破斷應力測試資料，的確是需要耗 費一些心血的。
4.2 試片檢測過程
4.2.1 鍍層檢測
本次製作的試片為一般市面上之標準光纖，其內部玻璃材質部份的直 徑為 125μm【圖 4.4】，我們知道，玻璃是一種硬度極高，且非常易脆的
材質，玻璃材質在鍍了一層厚度很薄的鎳後，外觀用肉眼看起來，除了顏 色之外，並無太大的區別。所以必需另外利用儀器來作檢測。
我們所準備的試片有兩種，一種是觀察有金屬鍍層的光纖側面，另一 種是將有金屬鍍層光纖折斷，再將其埋入冷鑲埋溶劑之中並加以研磨的端 面。第一種試片是用以觀察金屬鍍層的表面狀況，因為此時試片是有金屬 包覆著，是電的良導體，所以不管是用 OM 或 SEM 來作觀察，都可以順 利的進行。在觀察的結果方面，因為 SEM 的景深較深，所以可以得到較 清楚之影像，不過因為要做 SEM，必需要做一些前處理，比，若是使用 OM 來作觀察，就比較方便。所以，我們是先用 OM 來做初步的觀察，在 確定鍍層的表面狀況大致可以接受了以後，再拿去做 SEM 的細部觀察。
另一種將光纖埋入冷鑲埋劑中做端面觀察的試片，要拿來作檢驗就比 較麻煩了，因為玻璃不會導電，無法產生二次電子反射，故無法直接用 SEM 來做觀察，必需先鍍上一層導電物質(通常是鍍金)，可是當我們鍍上這一 層導電物質後，光纖本身的一些構造會被遮掩掉，並不是很理想，甚至在 做實驗時，玻璃光纖中一些有做 CVD(化學氣相沈積法)處理的部份在被加 速電子照射後會有分解反應的現象，並且破壞 SEM 中的真空潔淨度，必 需降低加速電壓才可避免此一現象所以選擇適當的加速電壓是作端面觀 察的一項很重要的步驟。
EDAX 的量測，我們是將測試試片成份的電子束打在金屬鍍層光纖的 側面上，因為此時是完全做金屬表面的觀察，所以可以用較高的加速電 壓，做比較精確的成份分析。
4.2.2 鍍層破斷應力檢測
在做鍍層破斷應力檢測時，首先必須克服的問題就是如何將易斷的玻 璃光纖安裝在夾頭上。此外，在做測試時，還必須確認測試光纖是受到純 粹的軸向拉力，這樣光纖才不會在測試時因為一些側向的應力產生彎曲力 距，而使得光纖從中間斷掉。
關於安裝的部份，我們是採用先將光纖黏在左右各一的玻璃纖維片上
【圖 4.5】，再將此兩片玻璃纖維片架在測試夾頭上另一套固定治具上進行 測試【圖 4.6，圖 4.7】。關於黏膠，我們是使用高剪力強度的金門化工 SD911 系列黏膠，其破斷剪力大約為 40Mpa。在經過多次的測試，並沒有發生金 屬鍍層在做拉力測試後有剝離黏膠的情形發生，所以黏膠的抗剪力強度是 確定大於鍍層破斷剝離的強度，符合我們所要求黏膠強度必須大於試片破 斷強度的要求。在安裝黏有玻璃光纖的兩片玻璃纖維片至夾頭上的過程 中，必須注意，黏有玻璃光纖的兩片玻璃纖維片，必須隨時保持在同一個 平面上，並且不可以兩片分開的左右移動，否則玻璃光纖在尚未安裝完成 就斷掉了。
在做拉力測試時，必須保持純粹的軸向施力，要達到這一點，在黏貼 光纖的時候，必須注意黏好的光纖與固定在夾頭上的治具施力軸能夠完全 的對心，也就是在同一條軸線上。要能完成上述的要求，有時候運氣的成 份也佔了滿大的比例，因為此一機台為了能適合各種的不同測試方法，其 夾頭並不是完全固定住的，而是稍微可以作一些左右擺動與旋轉的，所以 在拉力測試開始前，必須小心調整夾頭與夾頭上的治具的位置，使得施加 在光纖上的測試拉力為完全的軸向拉力。
在測試時，我們是採用定速度(5mm/min)的拉斷測試模式，在測試完 畢取測試數據時，必須先確定光纖試片的斷裂處不可是在膠合處，因為光
纖若是斷在膠合處，則其代表此一光纖是有受到非軸向應力而使得光纖折 斷，此時顯示器所得到的數值只是光纖本身玻璃所承受較低的側向破斷強 度，並不是光纖或者是金屬鍍層所能承受的拉斷強度。所以，對於測試所 得到的數值，必須先加以分類確定其斷裂的方式是我們所想要的，才可採 用其測量數值， 否則會造成實驗結果的誤差。
在鍍層的破斷應力檢測的樣本種類，我們同樣是採用上述兩種不同的 鍍層種類來加以分析與比較其鍍層的破斷應力。鎳鍍層的操作條件是採用 最佳化條件，也就是使用 C 鍍液，藥液浸泡過程為敏化(立刻取出)、活化 (10 秒)、C 鍍液(10 秒)。鎳銅多層數層則因為著重於銅鍍層的特性，故銅 鍍層的操作時間不變，鎳鍍層則考慮到實驗操作的簡便性，故將其操作時 間減少，其操作條件為敏化(立刻取出)、活化(10 秒)、鍍銅(30 分鐘)、活 化(10 秒)、C 鍍液(10 分鐘)。而上述的操作溫度也是與先前的操作條件相 同。
五、結果與討論
本文所得的結果與討論分為兩部份，第一部份為在鍍層結構上分為鎳 鍍層與鎳加銅的多層鍍層兩種不同的鍍層來做討論與比較，其中又包括表 面結果觀察，鍍膜厚度與操作時間之關係、操作容易度等四大項。而此部 份的目標是朝向如何縮短操作時間，而可得到最大鍍層厚度的方向進行。
第二部份即為鍍層的破斷應力檢測，而其則著重於破斷應力的大小與破斷 處在鍍層中的相對位置的分析兩大項。此部份檢測製作則是朝向測定鍍層 與光纖底材間之附著力大小為目標。
5.1 鍍層結構觀察
5.1.1 鎳鍍層
首先從實驗數據中可以發現未作有效的清潔光纖表面時，其所得的 結果不是非常理想，常發生有些光纖表面可以附著金屬鍍層，而有些部份 則沒有的不均勻現象發生，這個結果顯示出光纖表面清潔之前處理步驟對 實驗成功與否有決定性的影響。
從實驗中亦發現未作敏感化及活性化處理之裸光纖，皆無法將金屬鎳 鍍在光纖表面，顯示出敏感化與活性化之前處理步驟同樣的也是對實驗成 功與否有決定性的影響【圖 5.1】。而本次實驗發現先在裸光纖表面附上少 許鈀或錫離子對於促進無電電鍍的製程有很大的幫助，此即為敏感化及活 性化處理的目的。且在敏化與活化的過程中，與藥液接觸的裸光纖（玻璃）
的表面積大小，對敏化與活化的影響很大，這可由下述的比較試驗得知：
在完全相同的製程條件下，採用較粗的玻璃棒進行電鍍，可的到較厚的鎳 鍍層。若採用外徑較細的標準裸光纖，得到的鎳鍍層，約只有 1.5μm 厚。
上述兩個不同的結果，其原因可能是在做敏化及活化時，較粗的玻璃棒其 表面積較大。因為液體表面張力的因素，使得較多的 Sn2+與較多的 Pd2+離 子析附在較粗的玻璃棒上，進而得到較厚的鍍層。
此外，從參考文獻中，所提到的在前處理製程中所需的化學或機械粗 化製程，對本實驗之光纖的製程基本要求，是完全背道而馳的。因為在光 滑的玻璃光纖表面作一些有輕微刮痕的粗化製程，會在光纖受到外力時，
產生應力集中在刮痕處，使得玻璃光纖容易斷裂，故粗化這個製程並未在 本實驗中進行。以肉眼觀察未經任何處理的裸光纖與經無電電鍍鎳處理後 的金屬鍍層光纖，發現兩者表面一樣的光滑，唯一的差別即是色澤的不 同。但如利用掃描式電子顯微鏡觀察兩者，結果則有些許的不同，裸光纖 其表面還是呈現出光滑的表面，而相對的經過無電電鍍鎳處理之後的金屬 鍍層光纖，其鍍層表面則呈現較為粗糙的外觀【圖 5.2】。從鍍層的成份分 析可以得知，鍍層是由三種元素所構成的，其分別為矽（65wt%）、鎳
（26%）、磷（9wt%）【圖 5.3】，由此可以確認此金屬鍍層為由鎳所構成，
而矽為光纖之主要構成元素，因鍍層的厚度有限，因此此次的化學成份分 析的大部分結果皆來自光纖底材，至於磷則是從鍍浴中析出而附著於光纖 金屬鍍層內，此與文獻所得之結果十分相似。由鍍層表面在較高的倍率下 所觀察的結果得知【圖 5.4】，鍍層表面有非常多的空孔產生，其產生的原 因應該是由於無電電鍍過程中，生成鍍層反應面上有產生許多的氣泡，而 這些氣泡沒有在鍍層生成後迅速的離開鍍層表面，卻持續的停留在鍍層表 面妨礙鍍層繼續生長，進而產生上述的空孔。一般無電電鍍過程中如使用 攪拌器，這將有助於減少氣泡吸附在光纖表面，因此可以降低空孔缺陷的 產生，但要完全防止氣泡吸附在光纖表面，則須進一步研究。
從實驗數據中可以很明顯的發現，無電電鍍之製程條件對其所產生之 鍍層有絕對的影響。由鍍層光纖之橫斷面觀察【圖 5.5】，可以很明顯的看 出其光纖外圍被無電電鍍鎳所包圍，而鎳層之厚度十分均勻的分佈在光纖 外圍。此圖為使用 C 鍍液，浸泡在敏感化溶液中立刻取出，然後浸泡在活 化溶液中 10 秒，其無電電鍍時間亦為 10 秒所得的結果。【圖 5.6】為所示 在此無電電鍍條件下所產生之鍍層的局部放大，從圖中可以看出其鍍層厚 度約為 1.5μm。【圖 5.7】為使用 C 鍍液，浸泡在敏感化溶液中立刻取出，
然後浸泡在活化溶液中 20 秒，其無電電鍍時間亦為 10 秒所得的結果，從 圖中顯示出其結果與圖所示之結果相當，鍍層亦非常均勻的鍍在裸光纖的 四周。但如果將其局部放大【圖 5.8】，則可以發現浸泡在活化液中的時間 增長，其鍍層厚度（約為 2.4μm）也會有所增加，而從圖中也可發現鍍層 與裸光纖間已有少許分離的狀態產生，此分離可能是產生於試片觀察前之 試片研磨的步驟，也有可能是發生於鍍層製作過程中。故此表示在某些範 圍裸光纖與鍍層間之附著性並不是十分的良好。而如果使用相同的無電電 鍍製程條件，只改其無電電鍍之時間，則從實驗結果顯示三種鍍液有顯著 的不同，使用鍍 B、C 鍍液其鍍層隨無電電鍍時間之增長而變厚，但鍍層 剝落的現象也會隨無電電鍍時間之增長而漸趨明顯【圖 5.9】。相反的使用 A 鍍液則無明顯鍍層剝落現象發生，但其鍍層厚度增加的幅度亦十分有 限，因此無電電鍍雖可將鎳金屬鍍在光纖表面，但其鍍層厚度有其限制，
無法達到理想的厚度。
【表三】為在各種操作條件下所得結果之綜合，從表中可得到在不同 操作條件下其結果之差異，從表中可以發現浸泡在敏感化溶液中立刻取 出，然後浸泡在活化溶液中 10 秒，其無電電鍍之時間亦為 10 秒，此所得 的結果是最符合要求的製程條件，而且所使用的三種鍍浴皆可成功的將金 屬鎳附著於光纖表面上。
5.1.2 銅加鎳的多層鍍層
我們在做此種鍍層的最主要目的，是為了解決鎳鍍層在增加厚度之 後，鎳鍍層會因為鍍層中的內應力過大而使得鍍層與光纖剝離的問題。所 以若是能在玻璃與鎳鍍層間先鍍上一層較小內應力的鍍層，使得鎳鍍層的 內應力不會直接的施加在玻璃上，這樣就可以在鍍層不會剝離的狀態下使 得鎳鍍層能順利的增厚。在經過選擇後，我們採用小內應力的銅鍍層為中 間的介層，在經過實際操作後，證實此一方法確實有效，可以使得鍍層順 利的增厚卻又不會有鍍層剝離的問題發生。
在製作此一銅鎳鍍層時，因為我們是先鍍銅在玻璃光纖上，所以也是 需要活化與敏化，其所用的敏化與活化條件是採用上文所得到的最佳化條 件，也就是活化十秒鐘，而敏化則是立刻取出。除此之外，其前處理的方 法與鎳鍍層析鍍過程中的注意事項也是完全相同。在銅鎳鍍層析鍍的時間 先後順序部份，我們是採用銅鍍液浸泡 30 分鐘，再活化 10 秒鐘，再浸泡 在鎳鍍液中 30 分鐘。
經過上述析鍍的過程後，所得到的金屬鍍層的確是明顯的增厚了，觀 察 SEM 的照片上所顯現的鍍層，其厚度將近有 15μm 左右【圖 5.10】，可 以說是增加不少，若再參照 EDAX 中的分析更可以得知鍍層中是只含有銅 與鎳的成份【圖 5.13】。在鍍層外觀上，因為將低內應力的銅鍍層作為與 底材玻璃的附著層，所以也沒有前述的剝離現象，可是在鍍層操作容易度 與縮短操作時間上，則明顯的有其缺點。
5.2 鍍層與光纖底材附著力的檢測
鍍層與光纖底材附著力之所以重要，是因為鍍層最主要的目的就是要 保護底材，若是鍍層在稍微受到外力後就輕易的與底材分離，則鍍層就無 法有效的發揮其保護底材的功效，此鍍層就喪失了其存在的意義了。所以 鍍層與光纖底材附著力優良與否與在做剪力測試後所得到的附著力量測 數值，是決定鍍層品質好壞的重要判斷依據。
5.2.1 銅加鎳的多層鍍層
在使用萬能拉伸試驗機做拉力破斷測試後，發現這兩種不同種類的鍍 層在做拉力破斷測試後，其鍍層與光纖分離的狀態，還是有一些區別的。
在做拉力破斷測試後，從巨觀的角度觀察試片破斷的狀態則發現試片為整 根玻璃光纖都從固定黏膠中被抽出來，並且與仍固定在黏膠上的金屬鍍層 大部分的分離。然而將上述黏有銅鎳金屬鍍層的黏膠加以鑲埋，並利用 SEM 觀察保存在黏膠中的金屬鍍層，發現鍍層的外觀基本上還保持著與沒 有做拉力測試以前一樣，是呈現圓形的形狀，並沒有因為做了破斷拉力測 試而使得鍍層本身有破裂的現象發生【圖 5.11】。在部份鍍層與裸光纖的 交界處有鋸齒剝離狀，這代表鍍層破裂的位置大部分是在銅鍍層內。再分 析黏膠內的鍍層成份時，並沒有發現有大量的矽成份存在，只有非常微量 的矽存在，這些微量的矽可能是用砂紙研磨鑲埋試片表面時所殘存研磨粒 子，其餘皆為鍍層本身的基本元素【圖 5.12，圖 5.13】。
由萬能拉伸試驗機所得到的破斷力測試資料，在加以平均後，所得到 的破斷力量約為 12Kg，換算成應力約為 14.9Mpa，其計算方式如下：
破斷力量/光纖截面積*黏膠固定長度=12*9.8/125E-6*π*0.02=破斷應力
5.2.2 鎳鍍層
在抽出由黏膠固定在鎳鍍層中的玻璃光纖後，因為附著在玻璃光纖外 的鍍層與玻璃光纖是被外力強加分開，若是鍍層太薄，則會有試片在做冷 鑲埋後，鍍層會破碎而不易觀察的情形發生。我們在作只有鎳鍍層的破斷 面觀察時，就發生鍍層幾乎是看不見而無法觀察的情形，所以我們將觀察 的樣本改為從鎳鍍層中抽出的裸光纖，並且在其沒有做任何加工的情形下 觀察仍保留在裸光纖上的鍍層的斷面並加以分析其組成成份【圖 5.14，圖 5.16】。從巨觀的角度觀察試片，發現鍍層似乎是與被抽出的玻璃光纖完全 分開，但是從微觀的角度觀察這斷面，我們有觀察到被抽出的裸光纖，其 表面有部份是光滑但是有少量殘存的鎳鍍層在裸光纖表面上【圖 5.15】。
再仔細觀察並分析這表面的狀況，則大略可分為 3 大類：(1)被抽出的裸光 纖，其表面有部份是光滑無殘留鎳之鍍層，表示斷裂的地方是位於鎳鍍層 與光纖底材之界面。(2)有殘存的少量連續較薄的鎳鍍層在裸光纖表面上，
這種現象則是說明鍍層在做測試時，鍍層破裂面大致是產生在鍍層中。若 將此一現象用在實際應用上，雖然鍍層有受到外力破壞而剝離，但殘存的 鍍層仍能保護光纖不受外界的破壞。(3)鍍層整個從黏膠中抽出，這也證明 鍍層的強度比黏膠的強度大很多，才造成鍍層並沒有受到足夠的破壞的力 量作用就滑出黏膠了。(上述三種不同的結果中，(2)與(3)是我們所比較希 望得到的)在將上述三種不同的殘存鍍層表面狀況所佔的比例做比較後，發 現(1)所佔的比例最多(約為 70％)，如此表示實驗所測量之剪力值比較接近 鎳鍍層與光纖底材之界面剪應力，也是此種鍍層最易破裂之處。至於(3) 的情形發生的比例則極少，說明鍍層表面與黏膠之間的附著力與清潔的程 度是足以符合我們的需求的。
若再觀察部份殘存鍍層斷面的側面，可以得知仍然附著在裸光纖上的
鍍層其剝離的外觀是有如島嶼狀的外觀【圖 5.17】。這有兩種可能(1)這可 以表示此一殘留的鍍層與底部玻璃光纖的表面結合狀況是相當良好緊 密，且此一鍍層破斷面大致是產生在鍍層中，並不是在鍍層與玻璃光纖交 接面產生。(2)在做破斷測試時，拉伸剪力並不是完全的沿著鍍層與光纖的 交界面平行前進，導致有部份鍍層是被折斷的，所以也會產生此種斷面。
由萬能拉伸試驗機所得到的破斷力測試資料，在加以平均後，所得到 的破斷力量約為 9Kg，換算成應力約為 11.2Mpa，其計算方式如下：
破斷力量/光纖截面積*黏膠固定長度=9*9.8/125E-6*π*0.02= 破斷應力
六、結論
(1) 未作有效清潔的玻璃光纖，經實驗顯示，其玻璃光纖表面並不能十分均 勻的將金屬鎳附著於其表面上，此即顯示出清潔之前處理步驟對實驗成 功與否有決定性的影響。未作敏感化及活性化處理之玻璃光纖，也是無 法十分均勻的將金屬鎳鍍在光纖表面，顯示出敏感化與活性化之前處理 步驟也對實驗成功與否也是有決定性的影響。
(2) 在電渡過程中，採用省略表面化學粗化與將玻璃光纖放入光纖加熱管中 烤乾這兩個步驟，是這次製作能成功的主要關鍵因素。
(3) 因玻璃光纖與金屬鎳(銀白色)、銅(金黃色)之色澤有明顯的差異，因此 可用肉眼觀察是否有鍍層附著在光纖表面，但如果要知道鍍層的厚度，
則需要利用掃描式電子顯微鏡觀察光纖的橫截面來取得正確的數值。
(4) 浸泡在活化溶液中的時間增長，其鍍層厚度會有些許增加。鍍層隨無電 電鍍時間之增長而變厚，但鍍層剝落的現象也會隨無電電鍍時間之增長 與鍍層的內應力因素而漸趨明顯。
(5) 無電電鍍雖可將鎳金屬鍍在光纖表面，若是將銅先行鍍在玻璃光纖表面 上，再繼續做無電電鍍鎳的製程，則鍍層總厚度可以在不剝離的狀態下 由 1.5μm 增至 15μm 左右。
(6) 由本次的實驗所得到的數據得知，在實驗室中操作，最少只需 10 秒的 電鍍時間即可產生金屬鍍層，依照此種製程方式操作，是可以順利的將
金屬鍍層光纖的製作製程商業化的，惟其製程配方則須有不同的設計。
(7) 浸泡在敏化溶液中立刻取出，然後浸泡在活化溶液中 10 秒，其無電鍍 鎳之浸泡時間亦為 10 秒所得之結果是最符合縮短製程時間要求的製程 條件。但若是要求鍍層厚度超過 15μm，則所需時間就會拉長至將近一 個小時了。
(8) 以 SEM 觀察做完破斷拉力測試後的鍍層斷面後，得知(a)鎳銅鍍層與玻 璃光纖的表面，鍍層破斷面大致是產生在鍍層中，並不是在鍍層與玻璃 光纖交接面產生。(b)鎳鍍層的斷面則是大部分(超過 70％)發生在鎳鍍層 與玻璃光纖的交接面上。
(9) 金屬鍍層與玻璃光纖的界面其所能承受的最大剪力經過實際量測後約 為 11.2Mpa(鎳鍍層)、14.9Mpa(銅鎳鍍層)。
七、未來研究的方向
在利用無電電鍍製作金屬鍍層並且做完初步的鍍層外觀機械與特性 檢測後，可以得知一些此一金屬鍍層的基本資料。但是此一金屬鍍層對光 纖本身的光學特性的影響、浸泡在電鍍溶液中時其中的 OH-離子是否會增 加光纖的傳輸損失、要將此一金屬鍍層光纖焊接在待量測工件上的焊接效 果如何、是否可以利用金屬加工中的熱處理來改善鍍層的晶粒狀態使得鍍 層中的內應力減小等，這些都是我們要將金屬鍍層光纖做進一步應用前所 必須繼續做的研究與探討。
八、參考文獻及附錄
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