COMS-Magview-磁場(chǎng)相機(jī)背后的秘密-磁光傳感器！

磁性材料的可靠使用需要精確的磁場(chǎng)分布信息，例如在生產(chǎn)過(guò)程中、作為質(zhì)量管理過(guò)程的一部分以及在研發(fā)領(lǐng)域中。磁光傳感器是無(wú)損檢測(cè)磁場(chǎng)分布的新方法。

圖1. 此圖代表不同階段的磁光傳感器：初始基板、涂有 MO 和反射層（從左到右）

現(xiàn)有磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的原理基于磁場(chǎng)對(duì)傳感器內(nèi)電壓和電流等電學(xué)參數(shù)產(chǎn)生不同物理效應(yīng)。通過(guò)測(cè)量值和特定材料常數(shù)，可以分析磁場(chǎng)強(qiáng)度和通量密度。例如，在霍爾傳感器中，導(dǎo)電材料（如半導(dǎo)體材料）的霍爾效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓——霍爾電壓——其與磁通密度成正比。另一種廣泛使用的類型是磁阻傳感器，它利用了傳感器材料阻力隨磁場(chǎng)變化而變化的特性，并因此提供了與施加的磁場(chǎng)相關(guān)聯(lián)的測(cè)量電壓。

圖2. 圖示法拉第旋轉(zhuǎn)的圖解，其中E=光振幅，d=透明介質(zhì)中的距離，B=樣品磁通密度，而B(niǎo)則是產(chǎn)生的法拉第旋轉(zhuǎn)。

Matesy GmbH位于德國(guó)耶拿，探索了一種新的磁光傳感器類型（MO-傳感器）用于直接場(chǎng)可視化和測(cè)量。Matesy引入了磁光學(xué)而非電磁效應(yīng)進(jìn)行二維磁場(chǎng)分析。磁光傳感器具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，即可以在整個(gè)磁表面上直觀地識(shí)別出磁場(chǎng)及其分布。因此，可以執(zhí)行實(shí)時(shí)的磁場(chǎng)分布分析，而不是使用需要在表面上精確定位的霍爾探針進(jìn)行耗時(shí)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”掃描。

圖3.磁光效應(yīng)的示意圖

一、法拉第效應(yīng)

磁光傳感器的原理是法拉第效應(yīng)。它描述了通過(guò)磁光傳感器的線性偏振光的偏振平面的旋轉(zhuǎn)，該磁光傳感器暴露在磁場(chǎng)中，該磁場(chǎng)平行于應(yīng)用光波的傳播方向。更具體地，線偏振光由具有相同頻率和相位的左圓偏振波和右圓偏振波疊加而成。當(dāng)光通過(guò)施加與光波方向平行的磁場(chǎng)的 MO 介質(zhì)時(shí)，它會(huì)分散成兩個(gè)具有不同相速度的相反旋轉(zhuǎn)的圓偏振波。由于這兩個(gè)部分波的相移 - 光的偏振面的旋轉(zhuǎn)和每個(gè)分量的不均勻吸收 - 導(dǎo)致橢圓偏振波，這最終是磁場(chǎng)強(qiáng)度的可分析現(xiàn)象，并允許有深入了解樣品的磁性。

圖4.這是動(dòng)態(tài)范圍為0.05 至 30kA/m 的 MO 傳感器在整個(gè)傳感器表面上的特性圖

二、傳感器晶片

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的成像特性和最佳分辨率，耶拿的研發(fā)機(jī)構(gòu)INNOVENT e.V.基于一種鉍取代稀土鐵石榴石化合物設(shè)計(jì)了單晶鐵磁層，其具有增強(qiáng)的磁光成像特性。傳感器層的制造過(guò)程是通過(guò)液相外延法實(shí)現(xiàn)的，這種方法非常適合在單晶石榴石襯底上應(yīng)用微米級(jí)功能涂層。為了確保系統(tǒng)長(zhǎng)期功能，還在原始傳感器上沉積了一個(gè)附加鏡面和保護(hù)層。對(duì)于不同領(lǐng)域的應(yīng)用，可以定制各種形狀和尺寸的傳感器。

三、磁場(chǎng)可視化

為了實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的光學(xué)可視化，將磁光傳感器直接與磁性樣品材料接觸，并用偏振光源進(jìn)行照明。光線穿過(guò)透明傳感器，被鏡面反射并再次通過(guò)傳感器。當(dāng)經(jīng)過(guò)非互易MO介質(zhì)的雙倍程時(shí)，所述法拉第效應(yīng)與雙層厚度成比例。

由于不同旋轉(zhuǎn)角度取決于局部磁場(chǎng)強(qiáng)度，分析極化模塊會(huì)生成一個(gè)強(qiáng)度對(duì)比圖案，該圖案與磁性材料的磁場(chǎng)分布成比例。結(jié)果是一幅視覺(jué)圖像，說(shuō)明了磁漂移場(chǎng)的二維交點(diǎn)。這種正常組件在X-Y平面上記錄和分析的圖像采集以及整個(gè)傳感器表面上同時(shí)進(jìn)行，在實(shí)時(shí)中發(fā)生，并且可以檢測(cè)和分析動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)變化。

磁光傳感器是基于邁克爾-法拉第在1845年發(fā)現(xiàn)的法拉第效應(yīng)，他認(rèn)識(shí)到光通過(guò)透明介質(zhì)時(shí)，外部施加的磁場(chǎng)會(huì)改變光波，這取決于磁場(chǎng)。這一發(fā)現(xiàn)是光和磁之間相互作用的第一個(gè)跡象，后來(lái)導(dǎo)致了麥克斯韋方程的建立，其中包括將光描述為電-磁波。經(jīng)典物理學(xué)中的電-磁相互作用的基本原理就是通過(guò)這些發(fā)現(xiàn)而產(chǎn)生的。法拉第效應(yīng)描述的是旋轉(zhuǎn)的通過(guò)磁體的偏振光的偏振面（振動(dòng)面）的影響下的光學(xué)介質(zhì)。與光波傳播方向平行的外部磁場(chǎng)（圖1）。偏振面的旋轉(zhuǎn)角由以下方程定義

β= V ?d ?B

其中（指MO傳感器） 與外部磁場(chǎng)B的靜態(tài)磁通密度成比例，d是光在MO介質(zhì)中通過(guò)的距離，V是特定材料的Verdet常數(shù)，用于表示材料的特定旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度。并且因材料不同而不同。因此，Verdet常數(shù)取決于光的波長(zhǎng)

四、COMS-Magview系列磁場(chǎng)相機(jī)

COMS-Magview系列磁場(chǎng)相機(jī)是一種高分辨率、高精度的磁性材料、部件和表面測(cè)量和可視化系統(tǒng)，不僅可以使磁場(chǎng)和磁性結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，還可以測(cè)量磁通量密度。CMOS-MagView是一種用于磁場(chǎng)光學(xué)可視化的創(chuàng)新設(shè)備。高度工程化的磁光傳感器技術(shù)可以直接以高光學(xué)分辨率觀察磁性材料的磁雜散場(chǎng)。對(duì)測(cè)試樣品的磁光分析提供了關(guān)于場(chǎng)極性、場(chǎng)均勻性、磁性材料的分布和磁化特性的具體信息，讓看不見(jiàn)摸不著的磁場(chǎng)高分辨率可視化成為可能！

1．測(cè)量原理

磁光原理是基于法拉第效應(yīng)。它描述了線偏振光在穿過(guò)透明介質(zhì)時(shí)的平面旋轉(zhuǎn)。當(dāng)光通過(guò)磁光介質(zhì)時(shí)，偏振的不同旋轉(zhuǎn)角度取決于局部磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而產(chǎn)生可以視覺(jué)評(píng)估的對(duì)比度差異。因此，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)傳感器表面上準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)的直接、實(shí)時(shí)可視化。

圖1.磁光效應(yīng)的示意圖

磁場(chǎng)可視化的基礎(chǔ)是利用法拉第效應(yīng)的磁光傳感器技術(shù)。該傳感器在傳感器平面上產(chǎn)生一個(gè)二維的磁場(chǎng)圖像。因?yàn)閭鞲衅髌矫姹恢挥袔孜⒚缀竦溺R面覆蓋，所以可以檢測(cè)到靠近測(cè)試樣本表面的雜散場(chǎng)。探測(cè)到的是測(cè)試試樣的磁場(chǎng)相對(duì)于磁光傳感器表面的法向分量。

2．尺寸型號(hào)

3．應(yīng)用和傳感器類型

質(zhì)量檢查和幾何評(píng)估:

A型傳感器

·磁性編碼器

· 電工鋼板

· 法醫(yī)安全特性

·剩磁

表面檢測(cè)與定量分析:

B/C型傳感器

·具有強(qiáng)磁化的磁性編碼器

·永磁體

·聚合物粘合磁鐵

·復(fù)合材料中的磁性粒子

·超導(dǎo)材料

調(diào)查和可視化:

D型傳感器

· 軟磁

· 紙幣上的磁性墨水

·文件中的的磁性墨水

大磁場(chǎng)測(cè)量:

E型傳感器

· 達(dá)1T的永磁體

·大磁場(chǎng)多級(jí)磁鐵

4．技術(shù)規(guī)格

·傳感器尺寸：最大可達(dá) 45*60mm

·測(cè)量時(shí)間：1s

·幾何分辨率：最大可達(dá) 15μm(取決于傳感器和相機(jī))

·實(shí)時(shí)顯示磁場(chǎng)，測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度

·用于圖像分析的Cmos-magview軟件