曼徹斯特大學(xué)利用先進的量子阱霍爾傳感器檢測表面裂紋

近年來，曼徹斯特大學(xué)在半導(dǎo)體器件取得了長足發(fā)展，衍生的Advanced Hall Sensors Ltd. 簡稱AHS公司，已經(jīng)可以生產(chǎn)出基于 AlGaAs-InGaAs 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高靈敏度量子阱霍爾效應(yīng) (QWHE) 傳感器。與常見的基于硅的霍爾傳感器類似，這些基于砷化鎵的傳感器能夠可靠地測量磁場強度（磁通密度）和方向；但量子阱霍爾傳感器的檢測范圍更廣：100 nT（地球磁場的 0.5%）到 ~ 10 T。

霍爾傳感器在無損檢測(NDE)中的應(yīng)用并不新鮮。然而，量子阱霍爾傳感器具有更高的靈敏度、高線性度、更小的尺寸（3 mm x 3 mm x 1 mm）、更大動態(tài)范圍以及耐高溫等優(yōu)點，這使得其更適用于各種無損檢測應(yīng)用。需要說明的是，如果有需要，傳感器尺寸還可以進一步縮小，有源元件（傳感器本身）的尺寸為 210 μm x 210 μm 或更小。

下文介紹曼徹斯特大學(xué)團隊利用量子阱霍爾傳感器進行無損檢測方面所做的相關(guān)研究。該研究的最終目的是開發(fā)出適用于工業(yè)應(yīng)用的設(shè)備和技術(shù)，以優(yōu)化現(xiàn)有的檢測表面破損或非常接近表面 (< 1 毫米) 缺陷的技術(shù)：磁粉檢測 (MPI)、渦流檢測 (ECT) 和交流場測量 (ACFM)。

迄今為止，曼徹斯特大學(xué)已經(jīng)實現(xiàn)使用單個量子阱霍爾傳感器開發(fā)磁力計來實現(xiàn)磁場的點讀數(shù)。下一步將研究如何提高磁力計在更高磁場頻率（從 400 kHz 到 1 MHz）下讀數(shù)的能力，以用于 ACFM 式測量。在該團隊研究中，有256個 QWHE 傳感器被成功集成到 16 x 16 陣列中，可以繪制 8 cm x 8cm 檢測區(qū)域的磁場，從而產(chǎn)生實時磁視（磁性相機）系統(tǒng)。

該項研究的目標是采用量子阱霍爾傳感器作為磁粉檢測 (MPI)和渦流檢測 (ECT)的替代品（或增加價值）。采用量子阱霍爾傳感器陣列代替磁性粒子或渦流探頭，執(zhí)行無損檢測的操作員可以快速掃描樣品，無需使用具有潛在危險的化學(xué)品、噴霧劑或高強度磁場。量子阱霍爾傳感器的優(yōu)點是檢查區(qū)域更大，在概念上比渦流檢測 (ECT)更簡單，并且可以測量泄漏的實際磁通密度即 BMFL（與僅檢測磁通 ΦMFL 的存在或檢測器線圈中的阻抗變化相反）。

目前，基于量子阱霍爾傳感器的磁性相機研究應(yīng)用已經(jīng)引起了 BAE Systems公司的興趣，該公司現(xiàn)在使用的磁粉檢測 (MPI)噴霧中的油懸浮液對其制造過程產(chǎn)生了負面影響。 因此，在接下來的幾年里，將開發(fā)出一種根據(jù) BAE Systems 的要求量身定制的磁性相機。

另外，曼徹斯特大學(xué)的團隊還開發(fā)了一款二維掃描儀，使用不同方向的量子阱霍爾傳感器的交替線性陣列。這種獨特的布置使設(shè)備能夠在空間的同一點檢測磁場的不同分量（Bx 和 Bz）。因此，用戶可以實時繪制二維磁場，從而進行更高級的缺陷分析。

他們還探索對磁場分析（即渦流測量和 B-H 曲線測量）在檢查期間進行材料表征的研究，嚴格測試基于量子阱霍爾傳感器的方法，并與類似的電磁方法（包括 MPI、ECT 和 ACFM）進行比較。要測試的因素包括可檢測性（遺漏缺陷的概率）、最小可檢測缺陷、局部分辨率、從檢查中獲得的信息、檢查所需的時間、進行檢查的難易程度以及其他因素。該測試于 2017 年 10 月開始，由 BAE Systems 公司進行監(jiān)督，以保持其完整性、高標準并確保無偏見。

接下來的部分重點介紹使用基于量子阱霍爾傳感器的磁力計在低頻 ACFM 式檢查中進行場測量的實驗，該檢測采用了具有表面裂紋的真實樣本。

實驗樣本：

本次檢測使用的樣本由 BAE Systems公司無損檢測部門提供。它是一塊低碳鋼板，尺寸為長 16 厘米、寬 14 厘米、厚 2.5 厘米。它的表面有尺寸為 14 mm 長、1.75 mm 深和 40 μm 縫隙的線性裂紋。必須指出的是，這種缺陷是肉眼不可見的。

缺陷的長度由 BAE Systems 公司使用 MPI 測得，公差為 2 mm；深度通過超聲相控陣 TFM 圖像測得，如下圖 1 所示：

圖 1 – 本次檢測的樣品的超聲相控陣 TFM 圖像

實驗裝置：

采用基于量子阱霍爾傳感器的磁力計對樣品表面的磁場進行點測量，尤其是測量了垂直于樣品的磁場分量 Bz。 然后將這些測量結(jié)果結(jié)合起來，即可創(chuàng)建樣品表面的磁場圖。

該磁力計的檢測極限為 500 nT，能夠檢測從 DC 到 1.5 kHz 的磁場頻率。 基于這些參數(shù)，選取了多個磁場頻率（50、100、200、500 和 1000 Hz），并創(chuàng)建了每個頻率的磁場圖。 施加到樣品的磁場由 C 形電磁體執(zhí)行， 該電磁鐵的尺寸為寬 9.5 厘米、深 3 厘米和高 8 厘米； 磁體兩端的距離為 3.8 厘米，圈數(shù)為 N。

該裝置如下圖 2 所示：

圖 2 – 實驗裝置圖

實驗結(jié)果：

測量結(jié)果如下圖 3 所示。

圖 3 – 曲線圖顯示了在 50 Hz 檢測頻率下測量的樣品磁場分布

圖 3（a） MFL 信號顯示為異常，檢測出了缺陷；圖 3 (b) 為無缺陷區(qū)域的典型響應(yīng)，可以看出磁場的平滑變化。

實驗結(jié)論：

通過將圖像進行比較，可以證明該方法能夠成功地檢測到缺陷。盡管被檢查鋼樣品上的缺陷肉眼看不到的，但使用基于量子阱霍爾傳感器的磁力計可以檢測到。

另外，本實驗顯示了量子阱霍爾傳感器的高靈敏度特點。結(jié)合其高線性度、緊湊的標準尺寸、大動態(tài)范圍以及耐高溫等特點，我們相信量子阱霍爾傳感器能夠適用于各種無損檢測應(yīng)用。