近年來，曼徹斯特大學在半導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?(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：100?nT(地球磁場的?0.5%)到?~?10?T。
霍爾傳感器在無損檢測(NDE)中的應用并不新鮮。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，這使得其更適用于各種無損檢測應用。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?210?μm?x?210?μm?或更小。
下文介紹曼徹斯特大學團隊利用量子阱霍爾傳感器進行無損檢測方面所做的相關研究。該研究的最終目的是開發(fā)出適用于工業(yè)應用的設備和技術，以優(yōu)化現(xiàn)有的檢測表面破損或非常接近表面?(
迄今為止，曼徹斯特大學已經(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(從?400?kHz?到?1?MHz)下讀數(shù)的能力，以用于?ACFM?式測量。在該團隊研究中，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)生實時磁視(磁性相機)系統(tǒng)。
該項研究的目標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?(ECT)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。
另外，曼徹斯特大學的團隊還開發(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。
他們還探索對磁場分析(即渦流測量和?B-H?曲線測量)在檢查期間進行材料表征的研究，嚴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?BAE?Systems?公司進行監(jiān)督，以保持其完整性、高標準并確保無偏見。
接下來的部分重點介紹使用基于量子阱霍爾傳感器的磁力計在低頻?ACFM?式檢查中進行場測量的實驗，該檢測采用了具有表面裂紋的真實樣本。
實驗樣本：
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，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?–?實驗裝置圖
實驗結(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，可以看出磁場的平滑變化。
實驗結(jié)論：
通過將圖像進行比較，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，本實驗顯示了量子阱霍爾傳感器的高靈敏度特點。結(jié)合其高線性度、緊湊的標準尺寸、大動態(tài)范圍以及耐高溫等特點，我們相信量子阱霍爾傳感器能夠適用于各種無損檢測應用。
