曼彻斯特大学利用先进的量子阱霍尔传感器检测表面裂纹

近年来，曼彻斯特大学在半导体器件取得了长足发展，衍生的Advanced Hall Sensors Ltd. 简称AHS公司，已经可以生产出基于 AlGaAs-InGaAs 异质结构的高灵敏度量子阱霍尔效应 (QWHE) 传感器。与常见的基于硅的霍尔传感器类似，这些基于砷化镓的传感器能够可靠地测量磁场强度（磁通密度）和方向；但量子阱霍尔传感器的检测范围更广：100 nT（地球磁场的 0.5%）到 ~ 10 T。

霍尔传感器在无损检测(NDE)中的应用并不新鲜。然而，量子阱霍尔传感器具有更高的灵敏度、高线性度、更小的尺寸（3 mm x 3 mm x 1 mm）、更大动态范围以及耐高温等优点，这使得其更适用于各种无损检测应用。需要说明的是，如果有需要，传感器尺寸还可以进一步缩小，有源元件（传感器本身）的尺寸为 210 µm x 210 µm 或更小。

下文介绍曼彻斯特大学团队利用量子阱霍尔传感器进行无损检测方面所做的相关研究。该研究的最终目的是开发出适用于工业应用的设备和技术，以优化现有的检测表面破损或非常接近表面 (< 1 毫米) 缺陷的技术：磁粉检测 (MPI)、涡流检测 (ECT) 和交流场测量 (ACFM)。

迄今为止，曼彻斯特大学已经实现使用单个量子阱霍尔传感器开发磁力计来实现磁场的点读数。下一步将研究如何提高磁力计在更高磁场频率（从 400 kHz 到 1 MHz）下读数的能力，以用于 ACFM 式测量。在该团队研究中，有256个 QWHE 传感器被成功集成到 16 x 16 阵列中，可以绘制 8 cm x 8cm 检测区域的磁场，从而产生实时磁视（磁性相机）系统。

该项研究的目标是采用量子阱霍尔传感器作为磁粉检测 (MPI)和涡流检测 (ECT)的替代品（或增加价值）。采用量子阱霍尔传感器阵列代替磁性粒子或涡流探头，执行无损检测的操作员可以快速扫描样品，无需使用具有潜在危险的化学品、喷雾剂或高强度磁场。量子阱霍尔传感器的优点是检查区域更大，在概念上比涡流检测 (ECT)更简单，并且可以测量泄漏的实际磁通密度即 BMFL（与仅检测磁通 ΦMFL 的存在或检测器线圈中的阻抗变化相反）。

目前，基于量子阱霍尔传感器的磁性相机研究应用已经引起了 BAE Systems公司的兴趣，该公司现在使用的磁粉检测 (MPI)喷雾中的油悬浮液对其制造过程产生了负面影响。 因此，在接下来的几年里，将开发出一种根据 BAE Systems 的要求量身定制的磁性相机。

另外，曼彻斯特大学的团队还开发了一款二维扫描仪，使用不同方向的量子阱霍尔传感器的交替线性阵列。这种独特的布置使设备能够在空间的同一点检测磁场的不同分量（Bx 和 Bz）。因此，用户可以实时绘制二维磁场，从而进行更高级的缺陷分析。

他们还探索对磁场分析（即涡流测量和 B-H 曲线测量）在检查期间进行材料表征的研究，严格测试基于量子阱霍尔传感器的方法，并与类似的电磁方法（包括 MPI、ECT 和 ACFM）进行比较。要测试的因素包括可检测性（遗漏缺陷的概率）、最小可检测缺陷、局部分辨率、从检查中获得的信息、检查所需的时间、进行检查的难易程度以及其他因素。该测试于 2017 年 10 月开始，由 BAE Systems 公司进行监督，以保持其完整性、高标准并确保无偏见。

接下来的部分重点介绍使用基于量子阱霍尔传感器的磁力计在低频 ACFM 式检查中进行场测量的实验，该检测采用了具有表面裂纹的真实样本。

 

实验样本：

本次检测使用的样本由 BAE Systems公司无损检测部门提供。它是一块低碳钢板，尺寸为长 16 厘米、宽 14 厘米、厚 2.5 厘米。它的表面有尺寸为 14 mm 长、1.75 mm 深和 40 µm 缝隙的线性裂纹。必须指出的是，这种缺陷是肉眼不可见的。

缺陷的长度由 BAE Systems 公司使用 MPI 测得，公差为 2 mm；深度通过超声相控阵 TFM 图像测得，如下图 1 所示：

图 1 – 本次检测的样品的超声相控阵 TFM 图像

 

实验装置：

采用基于量子阱霍尔传感器的磁力计对样品表面的磁场进行点测量，尤其是测量了垂直于样品的磁场分量 Bz。 然后将这些测量结果结合起来，即可创建样品表面的磁场图。

该磁力计的检测极限为 500 nT，能够检测从 DC 到 1.5 kHz 的磁场频率。 基于这些参数，选取了多个磁场频率（50、100、200、500 和 1000 Hz），并创建了每个频率的磁场图。 施加到样品的磁场由 C 形电磁体执行， 该电磁铁的尺寸为宽 9.5 厘米、深 3 厘米和高 8 厘米； 磁体两端的距离为 3.8 厘米，圈数为 N。

该装置如下图 2 所示：

图 2 – 实验装置图

实验结果：

测量结果如下图 3 所示。

 

图 3 – 曲线图显示了在 50 Hz 检测频率下测量的样品磁场分布

图 3（a） MFL 信号显示为异常，检测出了缺陷；图 3 (b) 为无缺陷区域的典型响应，可以看出磁场的平滑变化。

实验结论：

通过将图像进行比较，可以证明该方法能够成功地检测到缺陷。尽管被检查钢样品上的缺陷肉眼看不到的，但使用基于量子阱霍尔传感器的磁力计可以检测到。

另外，本实验显示了量子阱霍尔传感器的高灵敏度特点。结合其高线性度、紧凑的标准尺寸、大动态范围以及耐高温等特点，我们相信量子阱霍尔传感器能够适用于各种无损检测应用。