使用高级量子阱传感器检测表面裂纹

近年来，曼彻斯特大学在半导体器件方面取得了很大的发展，派生出的高级霍尔Sensors Ltd.简称AHS公司，可以制作出基于AlGaAs-InGaAs异质结构的高灵敏度量子阱效应（QWHE）传感器。和一般的硅基霍尔传感器一样，这些砷化镓基传感器可以可靠地测量磁场的强度（磁通密度）和方向。但是，量子阱传感器的检测范围更广，为100nT（地球磁场的0.5%）~10T。

霍尔传感器在可逆检测（NDE）中的应用不是新的。但是，量子阱传感器具有高灵敏度、高线性、小型化（3mm×3mm×1mm）、宽动态范围、耐热性等优点，适用于各种可逆检查用途。另外，根据需要还可以进一步减小传感器尺寸，有源元件（传感器自身）的尺寸为210μm x 210 μm以下。

下面介绍使用量子阱传感器的可逆检测的研究。这项研究的最终目的是检测现有检测表面破损或非常接近表面（lt；1mm）缺陷的技术：磁粉检测（MPI）、涡流检测（ECT）和交流场测量（ACFM）

到现在为止，开发使用了曼彻斯特大学1个量子阱传感器的磁强计实现磁场的点读。下一步，我们将研究如何提高磁强计在更高磁场频率（400kHz到1MHz）下的读取能力，以便用于ACFM表达式的测量。团队研究成功将256个QWHE传感器集成到16×16阵列中，可以绘制出8 cm×8 cm检测区域的磁场，从而产生了实时磁视（磁相机）系统。

这项研究的目标是采用量子阱传感器作为磁粉检测（MPI）和涡流检测（ECT）的替代（或附加值）通过采用量子威尔霍尔传感器阵列代替磁性粒子或涡流盒，进行可逆检查的操作员可以快速扫描样品，而无需使用潜在危险的化学品、喷雾和高强度磁场。量子陷阱传感器的优点是检测区域，在大概念上比涡轮检测（ect）简单，并可测量出的流出实际磁通密度即bmfl（磁通）Φ只与mfl检测存在或不残留的线圈的阻抗变化相反）

BAE Systems公司对基于量子阱传感器的磁相机的研究应用很感兴趣，目前使用的磁粉检测（MPI）喷雾中的油浮游液对制造工艺产生了不良影响。因此，我们计划在未来几年内根据BAE Systems的要求开发定制的磁性相机。

另外，曼彻斯特大学的小组开发了在不同方向交替排列量子阱传感器的二维扫描仪。通过这种独特的配置，装置可以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，进行更高级的缺陷分析。

他们还探索了磁场分析（即涡流测量和b-h曲线测量）检查之间的材料表征研究，严格测试了基于量子阱传感器的方法，与同样的电磁方法（包括MPI、ECT和ACFM）进行比较。要测试的元素包括可检测性（缺陷泄漏概率）、最小可检测缺陷、部分分辨率、从检查中获得的信息、检查所需的时间、检查的容易程度以及其他。这项于2017年10月启动的测试是为了确保BAE系统保持完整性、高标准，并且没有偏差而进行的监督。

其次，使用量子阱传感器的磁强计，使用表面有裂缝的实际的样品的低频ACFM式检查进行场测量的实验关注。

是实验样品

本次检查使用的样品由BAE Systems公司的可逆检查部门提供。低碳钢板，大小16厘米，宽14厘米，厚2.5厘米。表面长度14mm，深度1.75mm，间隙40μm的直线裂缝。我必须指出，那个缺陷是肉眼看不见的。

缺陷长度由BAE Systems公司使用MPI测量，公差为2mm。深度由超声相控阵TFM图像测量，如图1所示。

图1是本次检测的样品的超声波相控阵TFM图像

实验装置

使用基于量子阱传感器的磁强计对试样表面的磁场进行点测量，特别测量了与试样垂直的磁场成分Bz。将这些测量结果结合在一起，创建样品表面的磁场图

这个磁强计的检测极限是500nT，可以检测从DC到1.5kHz的磁场频率。根据这些参数选择多个磁场频率（50、100、200、500、1000Hz），制作了各自的磁场图。施加在样品上的磁场由C形电磁铁执行，该电磁铁的尺寸为宽9.5厘米、深3厘米和高8厘米；磁铁两端的距离是三八厘米，圈数是N。

此设备如下图2所示。

图2是实验装置图

实验结果

测量结果如图3所示。

图3的图表显示了以50Hz的检测频率测量的试样的磁场分布

图3（a）MFL信号显示异常，检测到缺陷。图3（b）是无缺陷区域的响应示例，可以看到磁场的平滑变化。

实验的结果

通过比较图像，可以证明用这种方法可以检测出缺陷。被检查的钢试样的缺陷肉眼看不见，但可以通过使用量子阱传感器的磁强计进行检测。

另外，本实验显示了量子阱传感器的高灵敏度特性。结合高线性、紧凑的标准尺寸、宽动态范围、耐热性等特点，我们认为量子阱传感器适用于各种可逆检测用途。