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，其衍生的AdvancedHallSensorsLtd.，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：100nT(地球磁場的0.5%)到~10T?；魻杺鞲衅髟跓o損檢測中的應(yīng)用并不鮮見。然而，量子阱霍爾傳感器具有更高的靈敏度和線性度、更小的尺寸(3mmx3mmx1mm)、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210μmx210μm或更小。曼徹斯特大學(xué)團隊利用量子阱霍爾傳感器進行了無損檢測方面的相關(guān)研究，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(<1mm)缺陷的技術(shù)，如磁粉檢測(MPI)、渦流檢測(ECT)和交流場測量(ACFM)等。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(400kHz~1MHz)下讀數(shù)的能力，以用于ACFM式測量。在該研究中，有256個QWHE傳感器被成功集成到16x16陣列中，可以繪制8cmx8cm檢測區(qū)域的磁場，從而產(chǎn)生實時磁視(磁性相機)系統(tǒng)。該研究的目標是采用量子阱霍爾傳感器陣列代替磁粉檢測中要用到的磁性粒子，或渦流檢測中要用到的渦流探頭，執(zhí)行無損檢測的操作人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BAESystems公司的興趣，該公司現(xiàn)在使用的磁粉檢測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)BAESystems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。他們還探索通過對磁場的分析(即渦流測量和B-H曲線測量)進行材料表征的研究，基于量子阱霍爾傳感器的方法進行嚴格測試，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BAESystems公司進行監(jiān)督，以保持其完整性、高標準并確保無偏見。下面重點介紹一下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試驗，該檢測采用了具有表面裂紋的真實樣本。

試驗樣本本次檢測使用的樣本由BAESystems公司無損檢測部門提供。它是一塊低碳鋼板，長16cm、寬14cm、厚2.5cm。其表面上有長14mm、深1.75mm、寬40μm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BAESystems公司使用MPI方法測得，公差為2mm；深度通過超聲相控陣TFM圖像測得，如下圖所示：

試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，著重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500nT，能夠檢測從DC到1.5kHz的磁場頻率?；谶@些參數(shù)，選取了多個磁場頻率（50，100，200，500和1000Hz），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9.5cm、深3cm、高8cm；磁體兩端的距離為3.8cm，圈數(shù)為N。該試驗裝置如下圖所示：

試驗結(jié)果在50Hz檢測頻率下測量的樣品磁場分布測量結(jié)果如下圖所示：可以看出MFL信號異常，檢測出了缺陷；而無缺陷區(qū)域顯示出的典型響應(yīng)，可以看出磁場的平滑變化。

試驗結(jié)論通過以上試驗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是肉眼看不到的，但使用基于量子