曼徹斯特大學(xué)利用先進(jìn)的量子阱霍爾傳感器檢測(cè)表面裂紋

近年來(lái)，曼徹斯特大學(xué)在半導(dǎo)體器件取得了長(zhǎng)足發(fā)展，衍生的Advanced Hall Sensors Ltd. 簡(jiǎn)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(jiàn)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(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度（磁通密度）和方向；但量子阱霍爾傳感器的檢測(cè)范圍更廣：100 nT（地球磁場(chǎng)的 0.5%）到 ~ 10 T。

霍爾傳感器在無(wú)損檢測(cè)(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(dòng)態(tài)范圍以及耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，這使得其更適用于各種無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用。需要說(shuō)明的是，如果有需要，傳感器尺寸還可以進(jìn)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(tuán)隊(duì)利用量子阱霍爾傳感器進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)方面所做的相關(guān)研究。該研究的最終目的是開(kāi)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(cè)表面破損或非常接近表面 (< 1 毫米) 缺陷的技術(shù)：磁粉檢測(cè) (MPI)、渦流檢測(cè) (ECT) 和交流場(chǎng)測(cè)量 (ACFM)。

迄今為止，曼徹斯特大學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)使用單個(gè)量子阱霍爾傳感器開(kāi)發(fā)磁力計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的點(diǎn)讀數(shù)。下一步將研究如何提高磁力計(jì)在更高磁場(chǎng)頻率（從 400 kHz 到 1 MHz）下讀數(shù)的能力，以用于 ACFM 式測(cè)量。在該團(tuán)隊(duì)研究中，有256個(gè) 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(cè)區(qū)域的磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生實(shí)時(shí)磁視（磁性相機(jī)）系統(tǒng)。

該項(xiàng)研究的目標(biāo)是采用量子阱霍爾傳感器作為磁粉檢測(cè) (MPI)和渦流檢測(cè) (ECT)的替代品（或增加價(jià)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(wú)損檢測(cè)的操作員可以快速掃描樣品，無(wú)需使用具有潛在危險(xiǎn)的化學(xué)品、噴霧劑或高強(qiáng)度磁場(chǎng)。量子阱霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是檢查區(qū)域更大，在概念上比渦流檢測(cè) (ECT)更簡(jiǎn)單，并且可以測(cè)量泄漏的實(shí)際磁通密度即 BMFL（與僅檢測(cè)磁通 ΦMFL 的存在或檢測(cè)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(jī)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(cè) (MPI)噴霧中的油懸浮液對(duì)其制造過(guò)程產(chǎn)生了負(fù)面影響。 因此，在接下來(lái)的幾年里，將開(kāi)發(fā)出一種根據(jù) BAE Systems 的要求量身定制的磁性相機(jī)。

另外，曼徹斯特大學(xué)的團(tuán)隊(duì)還開(kāi)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(dú)特的布置使設(shè)備能夠在空間的同一點(diǎn)檢測(cè)磁場(chǎng)的不同分量（Bx 和 Bz）。因此，用戶可以實(shí)時(shí)繪制二維磁場(chǎng)，從而進(jìn)行更高級(jí)的缺陷分析。

他們還探索對(duì)磁場(chǎng)分析（即渦流測(cè)量和 B-H 曲線測(cè)量）在檢查期間進(jìn)行材料表征的研究，嚴(yán)格測(cè)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(jìn)行比較。要測(cè)試的因素包括可檢測(cè)性（遺漏缺陷的概率）、最小可檢測(cè)缺陷、局部分辨率、從檢查中獲得的信息、檢查所需的時(shí)間、進(jìn)行檢查的難易程度以及其他因素。該測(cè)試于 2017 年 10 月開(kāi)始，由 BAE Systems 公司進(jìn)行監(jiān)督，以保持其完整性、高標(biāo)準(zhǔn)并確保無(wú)偏見(jiàn)。

接下來(lái)的部分重點(diǎn)介紹使用基于量子阱霍爾傳感器的磁力計(jì)在低頻 ACFM 式檢查中進(jìn)行場(chǎng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，該檢測(cè)采用了具有表面裂紋的真實(shí)樣本。

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實(shí)驗(yàn)樣本：

本次檢測(cè)使用的樣本由 BAE Systems公司無(wú)損檢測(cè)部門提供。它是一塊低碳鋼板，尺寸為長(zhǎng) 16 厘米、寬 14 厘米、厚 2.5 厘米。它的表面有尺寸為 14 mm 長(zhǎng)、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(jiàn)的。

缺陷的長(zhǎng)度由 BAE Systems 公司使用 MPI 測(cè)得，公差為 2 mm；深度通過(guò)超聲相控陣 TFM 圖像測(cè)得，如下圖 1 所示：

圖 1 – 本次檢測(cè)的樣品的超聲相控陣 TFM 圖像

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實(shí)驗(yàn)裝置：

采用基于量子阱霍爾傳感器的磁力計(jì)對(duì)樣品表面的磁場(chǎng)進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量，尤其是測(cè)量了垂直于樣品的磁場(chǎng)分量 Bz。 然后將這些測(cè)量結(jié)果結(jié)合起來(lái)，即可創(chuàng)建樣品表面的磁場(chǎng)圖。

該磁力計(jì)的檢測(cè)極限為 500 nT，能夠檢測(cè)從 DC 到 1.5 kHz 的磁場(chǎng)頻率。 基于這些參數(shù)，選取了多個(gè)磁場(chǎng)頻率（50、100、200、500 和 1000 Hz），并創(chuàng)建了每個(gè)頻率的磁場(chǎng)圖。 施加到樣品的磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

測(cè)量結(jié)果如下圖 3 所示。

圖 3 – 曲線圖顯示了在 50 Hz 檢測(cè)頻率下測(cè)量的樣品磁場(chǎng)分布

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

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

通過(guò)將圖像進(jìn)行比較，可以證明該方法能夠成功地檢測(cè)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(jì)可以檢測(cè)到。

另外，本實(shí)驗(yàn)顯示了量子阱霍爾傳感器的高靈敏度特點(diǎn)。結(jié)合其高線性度、緊湊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸、大動(dòng)態(tài)范圍以及耐高溫等特點(diǎn)，我們相信量子阱霍爾傳感器能夠適用于各種無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用。