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，其衍生的AdvancedHallSensorsLtd.，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：100nT(地球磁場(chǎng)的0.5%)到~10T?；魻杺鞲衅髟跓o(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用并不鮮見(jiàn)。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(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210μmx210μm或更小。曼徹斯特大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用量子阱霍爾傳感器進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)方面的相關(guān)研究，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(<1mm)缺陷的技術(shù)，如磁粉檢測(cè)(MPI)、渦流檢測(cè)(ECT)和交流場(chǎng)測(cè)量(ACFM)等。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(400kHz~1MHz)下讀數(shù)的能力，以用于ACFM式測(cè)量。在該研究中，有256個(gè)QWHE傳感器被成功集成到16x16陣列中，可以繪制8cmx8cm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)。該研究的目標(biāo)是采用量子阱霍爾傳感器陣列代替磁粉檢測(cè)中要用到的磁性粒子，或渦流檢測(cè)中要用到的渦流探頭，執(zhí)行無(wú)損檢測(cè)的操作人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)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BAESystems公司的興趣，該公司現(xiàn)在使用的磁粉檢測(cè)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)BAESystems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。他們還探索通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)的分析(即渦流測(cè)量和B-H曲線測(cè)量)進(jìn)行材料表征的研究，基于量子阱霍爾傳感器的方法進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，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BAESystems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)。下面重點(diǎn)介紹一下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)量的試驗(yàn)，該檢測(cè)采用了具有表面裂紋的真實(shí)樣本。

試驗(yàn)樣本本次檢測(cè)使用的樣本由BAESystems公司無(wú)損檢測(cè)部門提供。它是一塊低碳鋼板，長(zhǎng)16cm、寬14cm、厚2.5cm。其表面上有長(zhǎng)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(jiàn)的。缺陷的長(zhǎng)度由BAESystems公司使用MPI方法測(cè)得，公差為2mm；深度通過(guò)超聲相控陣TFM圖像測(cè)得，如下圖所示：

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

試驗(yàn)結(jié)果在50Hz檢測(cè)頻率下測(cè)量的樣品磁場(chǎng)分布測(cè)量結(jié)果如下圖所示：可以看出MFL信號(hào)異常，檢測(cè)出了缺陷；而無(wú)缺陷區(qū)域顯示出的典型響應(yīng)，可以看出磁場(chǎng)的平滑變化。

試驗(yàn)結(jié)論通過(guò)以上試驗(yàn)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是肉眼看不到的，但使用基于量子