TMR傳感器及其在電磁檢測(cè)中的應(yīng)用

張繼楷，楊 蕓，康宜華，雷嘯鋒

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074;2.江蘇多維科技有限公司， 張家港 215634)

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TMR傳感器及其在電磁檢測(cè)中的應(yīng)用

張繼楷1，楊 蕓1，康宜華1，雷嘯鋒2

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074;2.江蘇多維科技有限公司， 張家港 215634)

隧道磁敏電阻(TMR)具有精度高、頻響快、線性范圍寬、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，在電磁無損檢測(cè)中有望得到廣泛應(yīng)用。基于這一新型的傳感器技術(shù)，有望開創(chuàng)新的無損檢測(cè)方法。為此，介紹了TMR傳感器的原理和磁場(chǎng)測(cè)量特性，并結(jié)合其在微弱漏磁場(chǎng)測(cè)量、通電電磁檢測(cè)、渦流檢測(cè)傳感器等方面的應(yīng)用前景，闡述了TMR傳感器的應(yīng)用特征。

TMR；磁場(chǎng)測(cè)量特性；無損檢測(cè)；應(yīng)用

電磁無損檢測(cè)是利用材料在電磁場(chǎng)作用下呈現(xiàn)出的電磁特性變化來判斷材料組織及有關(guān)性能的一類試驗(yàn)方法[1]。已有的檢測(cè)對(duì)象有在用的油井管、輸油輸氣管道、鋼絲繩、生產(chǎn)車間中的熱軋和冷拔鋼管等。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車零部件如軸承內(nèi)外圈、滾子、活塞環(huán)、缸套等精密加工件均要求100%檢測(cè)。當(dāng)采用電磁方法進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)，由于裂紋等缺陷的尺寸越來越小，對(duì)電磁傳感器的精度、靈敏度、一致性、空間分辨力、響應(yīng)速度等都提出了更高的要求。為此，新的電磁傳感技術(shù)與器件的發(fā)展，將極大地提升電磁無損檢測(cè)的檢測(cè)能力。

目前，在電磁無損檢測(cè)中應(yīng)用的磁傳感器主要有感應(yīng)線圈、霍爾元件、各向異性磁敏電阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)、巨磁電阻(Giant Magnetoresistance, GMR)以及隧道磁敏電阻(Tunnel Magnetoresistance，TMR)等。感應(yīng)線圈具有大量程、高精度、制作成本低等特點(diǎn)，在渦流檢測(cè)、漏磁檢測(cè)中應(yīng)用十分普遍，但其測(cè)量的是磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率，必須處在變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)才能工作，不能探測(cè)靜態(tài)和緩慢變化的磁場(chǎng)，對(duì)低頻交變的檢測(cè)靈敏度低。霍爾傳感器可直接測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度值的變化；在低頻時(shí)也具有良好的響應(yīng)能力，可測(cè)量10-7～10 T的恒定磁場(chǎng)，也可測(cè)量頻率10 Hz～100 MHz、磁感應(yīng)強(qiáng)度5 T的交變磁場(chǎng)，以及脈沖持續(xù)時(shí)間為幾十微秒的脈沖磁場(chǎng)[2]，但其功耗大、線性度差。AMR元件雖然靈敏度比霍爾元件高很多，但其線性范圍窄;同時(shí),以AMR為敏感元件的磁傳感器需要設(shè)置Set/Reset線圈對(duì)其進(jìn)行預(yù)設(shè)/復(fù)位操作，制造工藝較復(fù)雜，線圈結(jié)構(gòu)的設(shè)置在增加尺寸的同時(shí)也增加了功耗。GMR元件較霍爾元件有更高的靈敏度，但其線性范圍較小。TMR元件通常也用磁隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)來代指，相對(duì)于霍爾元件具有更好的溫度穩(wěn)定性、更高的靈敏度、更低的功耗、更好的線性度，不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)；相對(duì)于AMR元件具有更好的溫度穩(wěn)定性、更高的靈敏度、更寬的線性范圍，不需要額外的Set/Reset線圈結(jié)構(gòu)；其相對(duì)于GMR元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更寬的線性范圍。表1為從霍爾元件到TMR前后四代半導(dǎo)體磁傳感器的技術(shù)參數(shù)對(duì)比。

表1 四代磁傳感器技術(shù)參數(shù)比對(duì)

綜上所述，TMR傳感器的優(yōu)點(diǎn)突出，可以取代傳統(tǒng)磁傳感器，在電磁無損檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮巨大的應(yīng)用。

圖1 MTJ結(jié)構(gòu)示意

1 TMR傳感器原理

隧道磁電阻效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)。交換偏置作用的自旋閥結(jié)構(gòu)的MTJ是一種典型的三明治結(jié)構(gòu)[3]，包括由鐵磁層(被釘扎層)和反鐵磁層組成的釘扎層、隧道勢(shì)壘層以及鐵磁層組成的自由層，MTJ元件結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。鐵磁層和反鐵磁層之間的交換耦合作用決定了鐵磁層的磁矩方向；隧道勢(shì)壘層通常由MgO或Al2O3構(gòu)成，位于釘扎層的上部;自由層位于隧道勢(shì)壘層的上部。圖1中的單向箭頭和雙向箭頭分別代表被釘扎層和自由層的磁矩方向。被釘扎層的磁矩在一定大小的磁場(chǎng)作用下是相對(duì)固定的；自由層的磁矩相對(duì)于被釘扎層的磁矩是相對(duì)自由且可旋轉(zhuǎn)的，可隨外場(chǎng)的變化而發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)自由層與釘扎層磁化方向平行時(shí)，隧道結(jié)處在低阻態(tài)；當(dāng)自由層與釘扎層磁化方向反平行時(shí)，隧道結(jié)處在高阻態(tài)；當(dāng)自由層磁矩與釘扎層磁矩垂直時(shí)，阻值是位于低阻態(tài)和高阻態(tài)之間的中間值，該區(qū)域是理想的線性磁傳感器的“工作點(diǎn)”。

在理想狀態(tài)下，磁電阻R隨外場(chǎng)H的變化是完美的線性關(guān)系，同時(shí)沒有磁滯。理想情況下的MTJ元件的響應(yīng)曲線如圖2所示。圖中，白色箭頭代表自由層磁矩方向，黑色箭頭代表釘扎層磁矩方向，RL代表低阻態(tài)，RH代表高阻態(tài)，HO是偏移場(chǎng)，-HS+HO～HS+HO是線性區(qū)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)范圍。

圖2 MTJ元件的響應(yīng)曲線

理論上，一個(gè)單獨(dú)的TMR電阻條就可作為一個(gè)最簡(jiǎn)單的隧道磁電阻傳感器，但它具有一個(gè)較大的與磁場(chǎng)無關(guān)的直流背景信號(hào)。對(duì)于在低頻情況工作的傳感器，通常采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)去除背景信號(hào)(見圖3(a))。同時(shí)，由于橋式結(jié)構(gòu)的四壁材料、性能完全相同，溫度系數(shù)也完全一樣，TMR電阻條的溫度效應(yīng)的一級(jí)項(xiàng)抵消，即橋式結(jié)構(gòu)基本沒有溫度效應(yīng)[4]，所以橋式結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于TMR傳感器中。但是，如果組成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的四個(gè)TMR電阻條對(duì)外磁場(chǎng)相應(yīng)特性相同時(shí)，電橋?qū)]有信號(hào)輸出，設(shè)計(jì)上可采用兩種常見方法來解決：第一種是將組成電橋的四個(gè)電阻中的兩個(gè)相對(duì)的電阻用軟磁材料(如坡莫合金)進(jìn)行屏蔽，以屏蔽外場(chǎng)對(duì)它的影響，如圖3(b)所示。這種情況下，在外界磁場(chǎng)下，被屏蔽的兩個(gè)電阻阻值不發(fā)生改變，使得傳感器有信號(hào)輸出，但是此結(jié)構(gòu)的傳感器的輸出為單極性信號(hào)，傳感器只對(duì)磁場(chǎng)大小敏感，方向相反的磁場(chǎng)產(chǎn)生相同輸出，且由于電橋的一對(duì)電阻被屏蔽，輸出信號(hào)減小一半。第二種方法采用推挽式的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)(見圖3(c))，當(dāng)一對(duì)電阻(如R1、R3)隨磁場(chǎng)增大而增大，另一對(duì)電阻(R2、R4)隨著磁場(chǎng)增大而減小，形成推挽輸出，四個(gè)同時(shí)激活的電阻條導(dǎo)致電橋的最佳輸出，但是為了實(shí)現(xiàn)零磁場(chǎng)的零輸出，需要反饋電路支持。采用上述的推挽式惠斯通橋式結(jié)構(gòu)的TMR傳感器，具有超高靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍、低功耗、優(yōu)越的溫度穩(wěn)定性、極低的磁滯、寬工作電壓范圍、極低的本底噪聲以及高頻率響應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

圖3 TMR傳感器基本橋式單元結(jié)構(gòu)

2 TMR測(cè)量磁場(chǎng)的特性

TMR在磁場(chǎng)測(cè)量上的特性及應(yīng)用上主要表現(xiàn)在下列幾方面。

2.1 靈敏度高

目前已經(jīng)商業(yè)化的TMR線性傳感器的靈敏度可以達(dá)到3 000 mV·V-1·mT-1，是傳統(tǒng)GMR傳感器的數(shù)十倍甚至數(shù)百倍，對(duì)微弱磁場(chǎng)檢測(cè)具有極大優(yōu)勢(shì)。圖4為國(guó)內(nèi)的多維科技公司研發(fā)出的TMR 9001線性傳感器的輸出曲線，可以看出，在±0.2 mT內(nèi)，其具有良好的線性性。

圖4 TMR 9001線性傳感器輸出曲線

精密加工件，如軸承內(nèi)外圈、滾子、活塞環(huán)、缸套等，制造過程中產(chǎn)生的裂紋微小，其在漏磁或渦流檢測(cè)中產(chǎn)生的磁場(chǎng)微弱，故對(duì)微弱磁場(chǎng)的測(cè)量將成為這類零件檢測(cè)的難點(diǎn)。以軸承檢測(cè)為例，軸承上存在的最小微裂紋的深度尺寸僅為幾微米，磁化后其漏磁場(chǎng)微弱到僅有幾百納特，且提離效應(yīng)得到放大，半導(dǎo)體元件能夠測(cè)量到的磁場(chǎng)更弱；磁粉檢測(cè)方法能有效檢出微小裂紋，但預(yù)處理及后處理復(fù)雜，且不便于自動(dòng)化。TMR的高靈敏度便可解決此類檢測(cè)中的微弱磁場(chǎng)測(cè)量問題，且TMR傳感器可采用普通電子元件形式進(jìn)行封裝，利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。

SAKA[5]等曾提出一種對(duì)金屬通直流電激勵(lì)，再通過檢測(cè)金屬外部磁場(chǎng)變異來評(píng)價(jià)缺陷的方法，但試驗(yàn)中缺陷較大，探頭尺寸也較大，沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；國(guó)內(nèi)的康宜華、談存真[6]等也提出一種針對(duì)有色金屬直流電激勵(lì)、霍爾元件測(cè)量裂紋上磁場(chǎng)的檢測(cè)方法，但試驗(yàn)中通電電流較大，不能連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作。

通過COMSOL仿真建立模型，在100 mm×20 mm×4 mm(長(zhǎng)×寬×厚)的銅板上，存在一10 mm×2 mm×2 mm(長(zhǎng)×寬×深)的刻槽，銅板兩端通1 A的直流電，在距離銅板表面0.1 mm的平面上測(cè)量沿銅板寬度方向x的磁場(chǎng)分量Bx，結(jié)果如圖4所示。可以看出，若要檢出缺陷，需要在0.028 mT的背景磁場(chǎng)中檢出約0.004 mT的變化量，這點(diǎn)是傳統(tǒng)磁傳感器難以做到的。

圖5 某含刻槽銅板的磁場(chǎng)分量Bx試驗(yàn)信號(hào)

在此次通電電磁檢測(cè)中，筆者采用TMR 2905系列探頭進(jìn)行試驗(yàn)，通電電流降到毫安級(jí)別時(shí)仍可以有效檢出銅板上的刻槽，并且可以對(duì)工件進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)通電。通過在1 000 mm×20 mm×5 mm(長(zhǎng)×寬×厚)的銅板上分別用電火花刻傷機(jī)制作6個(gè)不同深度、寬度的刻槽，尺寸參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)論為：① 刻槽越深，Bx的最大變化量ΔBx值越大，且在一定范圍內(nèi)與刻槽深度線性相關(guān)。② 刻槽越寬，ΔBx值越大，且在一定范圍內(nèi)與刻槽寬度線性相關(guān)。

圖6 含不同刻槽銅板的磁場(chǎng)分量Bx試驗(yàn)信號(hào)

編號(hào)深度/mm寬度/mm112222332421522623

由于TMR芯片尺寸小，便于檢測(cè)設(shè)備的小型化、集成化，能極大地推動(dòng)此種無損檢測(cè)方法與技術(shù)的發(fā)展。

2.2 空間分辨率高

目前TMR傳感元件的尺寸可做到微米級(jí)別，空間分辨率極高，通過合理設(shè)計(jì)，可以精確繪出空間磁場(chǎng)的矢量圖，提供更多的信息。

北京工業(yè)大學(xué)的吳斌等[7]通過在鋼絲繩的漏磁檢測(cè)中引入TMR傳感器作為檢測(cè)探頭進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在橫向刻槽寬度為0.2 mm時(shí)，檢測(cè)兩個(gè)相鄰的刻槽的軸向分辨率小于2.5 mm。且試驗(yàn)證實(shí)，通過引入TMR傳感器，不僅極大地改善了軸向分辨率，還提高了鋼絲繩漏磁檢測(cè)的精度和靈敏度。

2.3 頻率響應(yīng)快TMR傳感器的頻率響應(yīng)范圍從直流到GHz，具有極好的頻率響應(yīng)特性，在交變磁場(chǎng)檢測(cè)中具有優(yōu)勢(shì)。

在渦流檢測(cè)中，由于在工件中產(chǎn)生的渦流并不是自表面向下均勻分布的，而是由表面向下隨透入深度增加而作指數(shù)衰減的，渦流透入材料的距離稱為透入深度，渦流密度衰減到其表面值的1/e(37%)時(shí)的透入深度稱為趨膚深度，可按下式計(jì)算：

(1)

式中:δ為趨膚深度,m;f為頻率,Hz;μ為材料磁導(dǎo)率,H·m-1;σ為材料電導(dǎo)率,S·m-1。

由式(1)可以看出，趨膚深度隨著頻率的增加而減小，所以對(duì)于渦流檢測(cè)，其主要的劣勢(shì)之一就在于只能檢測(cè)表面或近表面部位。

與傳統(tǒng)的電渦流檢測(cè)線圈相比，TMR傳感器直接測(cè)量磁場(chǎng)的靈敏度與磁場(chǎng)的交變頻率幾乎無關(guān)，尤其在低頻段，具有感應(yīng)線圈無法比擬的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，因此，利用TMR傳感器制成的渦流檢測(cè)探頭，具有更強(qiáng)的深層缺陷檢測(cè)能力。國(guó)防科技大學(xué)的安寅[8]等利用COMSOL有限元仿真軟件建立螺栓孔孔周徑向埋藏裂紋檢測(cè)物理模型，確定基于TMR的平面電磁傳感器結(jié)構(gòu)，最后通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：在鋁合金板上，埋藏深度5 mm的缺陷仍可以被檢出；TMR傳感器能有效檢測(cè)螺栓孔深層缺陷。

2.4 易于陣列化和模塊化

TMR傳感器輸出端口簡(jiǎn)單，易于陣列化;目前市場(chǎng)上已有商業(yè)化的陣列探頭，最多可達(dá)360個(gè)通道，且分辨率可達(dá)到0.475 mm，主要用于金融領(lǐng)域。

若將TMR陣列傳感器應(yīng)用到所有磁測(cè)量的場(chǎng)合，則可使磁場(chǎng)矢量可視化，并可將磁測(cè)量問題轉(zhuǎn)化為圖像處理問題，一方面能提高測(cè)量速度與效率，另一方面能利用圖像處理的技術(shù)處理磁場(chǎng)信息。

3 結(jié)語

隧道磁電阻傳感器具有靈敏度高、精度高、線性范圍寬等諸多優(yōu)點(diǎn)，其關(guān)鍵性能已遠(yuǎn)超傳統(tǒng)磁傳感器。筆者基于市場(chǎng)已有的TMR傳感器芯片，簡(jiǎn)要介紹了TMR傳感器在微弱漏磁場(chǎng)測(cè)量、通電電磁檢測(cè)、渦流檢測(cè)傳感器、電磁超聲檢測(cè)傳感器等幾個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。在電磁無損檢測(cè)領(lǐng)域，TMR傳感器還會(huì)有更多可用之處，相信TMR傳感器將極大地推動(dòng)無損檢測(cè)領(lǐng)域向高精化、高效化方向發(fā)展。

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綜上所述，超聲波檢測(cè)波形異常是由套圈內(nèi)部硅酸鹽夾雜物超標(biāo)引起。

4 結(jié)論

(1) 采用黑磁粉、熒光磁粉、超聲A型顯示或超聲相控陣方法都可以有效地檢測(cè)出軸承套圈中的夾雜物。

(2) 由于夾雜物會(huì)導(dǎo)致材料缺陷處磁導(dǎo)率的突變，從而產(chǎn)生大量的磁泄漏；故，黑色磁粉檢測(cè)和熒光磁粉檢測(cè)都可以有效地發(fā)現(xiàn)夾雜物缺陷，磁痕顯示清晰、銳利。熒光磁粉檢測(cè)時(shí)，缺陷和背景的對(duì)比較黑磁檢測(cè)更為強(qiáng)烈，更容易識(shí)別缺陷。

(3) 夾雜物會(huì)導(dǎo)致材料介質(zhì)聲學(xué)性能發(fā)生突變，超聲波檢測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的聲波反射。因此，針對(duì)夾雜物缺陷，超聲波A型顯示的回波幅值較高。

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TMR Sensor and Its Application in Electromagnetic Nondestructive Testing

ZHANG Ji-kai1, YANG Yun1, KANG Yi-hua1, LEI Xiao-feng2

(1.School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science &Technology, Wuhan 430074, China; 2.Jiangsu Multi-Dimension Technology Co.,Ltd., Zhangjiagang 215634, China)

Magnetic sensors based on the TMR effect have the virtue of high response frequency, high sensitivity, wide linearity range and low power consumption, etc, which have great potential in application in electromagnetic nondestructive testing. Based on this novel sensor technique, some promising NDT methods would be discovered. For these reasons, it is introduced about the principles and characteristics of TMR combined with the applications and potential of TMR sensors in micro magnetic testing, DC-introduced defect detection and eddy current testing sensor in the field of nondestructive testing.

TMR; Characteristic of magnetic field testing; Nondestructive testing; Application

2016-04-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275193)

張繼楷(1992-)，男，博士研究生，主要從事電磁和光學(xué)自動(dòng)化無損檢測(cè)研究。

康宜華(1965-)，男，博士生導(dǎo)師，主要從事無損檢測(cè)技術(shù)及儀器方向研究，E-mail:yhkang@263.net。

10.11973/wsjc201612009

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0036-04