曼徹斯特大學(xué)利用先進(jìn)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(qiáng)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。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202107/427074.htm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(diǎn),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(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(shí)現(xiàn)使用單個量子阱霍爾傳感器開發(fā)磁力計來實(shí)現(xiàn)磁場的點(diǎn)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(tuán)隊(duì)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(shí)時磁視(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 (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(qiáng)度磁場。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 (ECT)更簡單,并且可以測量泄漏的實(shí)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(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 (MPI)噴霧中的油懸浮液對其制造過程產(chǎn)生了負(fù)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(jī)。
另外,曼徹斯特大學(xué)的團(tuán)隊(duì)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(dú)特的布置使設(shè)備能夠在空間的同一點(diǎn)檢測磁場的不同分量(Bx 和 Bz)。因此,用戶可以實(shí)時繪制二維磁場,從而進(jìn)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(jìn)行材料表征的研究,嚴(yán)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行監(jiān)督,以保持其完整性、高標(biāo)準(zhǔn)并確保無偏見。
接下來的部分重點(diǎn)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(jìn)行場測量的實(shí)驗(yàn),該檢測采用了具有表面裂紋的真實(shí)樣本。
實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行點(diǎn)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(shí)驗(yàn)裝置圖
實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論:
通過將圖像進(jìn)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(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損檢測應(yīng)用。
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