Magnetic Noises of Microchip-Type Hall Transducers

Yu. Ya. Reutov

doi:10.17804/2410-9908.2024.6.107-118

Yu. Ya. Reutov

MAGNETIC NOISES OF MICROCHIP-TYPE HALL TRANSDUCERS

DOI: 10.17804/2410-9908.2024.6.107-118

There is a need to use Hall microchip transducers in non-destructive eddy current testing instead of induction coils, traditionally used to convert the parameters of an alternating magnetic field into an electric signal. The advantage of microchip sensors, along with their manufacturability and low cost, is the low dependence of their efficiency on the frequency of the perceived alternating field (especially in the low-frequency region). At low operating frequencies, the signal voltage induced in the receiving coils of an eddy current flaw detector becomes comparable with the intrinsic noise of its receiving path, and to isolate this signal reliably, it is necessary to increase the number of turns of the receiving coil, which is not always acceptable due to strict requirements for its dimensions. This advantage of Hall transducers (sensors) opens up prospects for a significant expansion of the scope of application of non-destructive eddy current testing. An obstacle to this could be the relatively high intrinsic noise of such sensors, observed at zero operating frequencies and amounting to several (and sometimes dozens of) microteslas (in units of magnetic induction).

This paper presents the results of measuring the noise characteristics of promising 1SA-1M microchip-type Hall magnetic field sensors manufactured by Sentron. It has been found that, at frequencies from 20 Hz to 10 kHz, the intrinsic noises of the examined sensors are tens of times less than those observed at zero frequency. Their amplitude does not exceed tenths of a microtesla (in units of the induction of the measured alternating magnetic field), and this opens up possibilities for using these sensors in eddy current flaw detectors with low (tens of hertz) operating frequencies instead of induction coils. This can expand the application of non-destructive eddy current testing. The obtained information can also be useful in developing means for measuring alternating magnetic fields, regardless of eddy current flaw detection.

Acknowledgement: The study was performed under the state assignment from the Russian Ministry of Science and Higher Education, theme Diagnostics, No. 122021000030-1.

Keywords: eddy current testing, magnetic field sensor, Hall transducer, peak-to-peak noise, alternating field, signal, induction coil

References:

Antonov, V.G., Petrov, L.M., and Shchelkin, A.P. Sredstva izmereniya magnitnykh parametrov materialov [Apparatus for Measuring Magnetic Parameters of Materials]. Energoatomizdat Publ., Leningrad, 1986, 216 p. (In Russian).
Rodigin, N.M. and Korobeinikova, I.E. Kontrol kachestva izdeliy metodom vikhrevykh tokov [Production Quality Control by Means of the Eddy-Current Method]. Mashgiz Publ., Moscow–Sverdlovsk, 1958, 64 p. (In Russian).
Lu, C.-C., Huang, J., Chiu, P.-K., Chiu, S.-L., and Jeng, J.-T. High-sensitivity low-noise miniature fluxgate magnetometers using a flip chip conceptual design. Sensors, 2014, 14 (8), 13815–13829. DOI: 10.3390/s140813815.
Baranochnikov, M.L. Mikromagnitoelektronika [Micromagnetoelectronics, vol. 1]. DMK Press Publ., Moscow, 2001, 544 p. (In Russian).
Patramanskii, B.V. Razrabotka, sozdanie, i ekspluatatsiya sredstv magnitnogo kontrolya sostoyaniya trub magistralnykh gazoprovodov [Development, Design, and Exploitation of the Magnetic Testing Equipment for Inspection of Tubes of Gas Main Pipelines]. Bank Kulturnoy Informatsii Publ., Ekaterinburg, 2006, 240 p. (In Russian).
Panchishin, Yu.M. and Usatenko, S.T. Izmerenie peremennykh magnitnykh poley [Measurement of Alternating Magnetic Fields]. Tekhnika Publ., Kyiv, 1973, 140 p. (In Russian).
Abramzon, G.V. and Oboishev, Yu.P. Induktsionnye izmeritelnye preobrazovateli peremennykh magnitnykh poley [Inductive Measuring Transducers for Alternating Magnetic Fields]. Energoatomizdat Publ., Leningrad, 1984, 117 p. (In Russian).
García-Martín, J., Gómez-Gil, J., and Vázquez-Sánchez, E. Non-destructive techniques based on eddy current testing. Sensors, 2011, 11 (3), 2525–2565. DOI: 10.3390/s110302525.
Reutov Yu.Ya. Features of magnetization of a ferromagnet by an alternating field. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2020, 6, 35–47. DOI: 10.17804/2410-9908.2020.6.035-047. Available at: http://dream-journal.org/issues/2020-6/2020-6_313.html
Reutov, Yu.Ya., Shcherbinin, V.E., and Volkov, A.V. Possibilities for the selection of magnetic field transducers for nondestructive testing. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2014, 50, 760–768. DOI: 10.1134/S1061830914120080.
Drozhzhina, V.I., Reutov, Yu.Ya., and Yanus, R.I., Magnetic noise in circular magnetic modulators. In: Sbornik trudov IFM AN SSSR [Collection of Publications of Institute of Metal Physics of Academy of Sciences of USSR]. Sverdlovsk, 1967, iss. 26, pp. 82–85. (In Russian).
Hooge, F.N. 1/ƒ noise is no surface effect. Physics Letters A, 1969, 29 (3), 139–140. DOI: 10.1016/0375-9601(69)90076-0.
Berntgen, J., Heime, K., Daumann, W., Auer, U., Tegude, F.-J., and Matulionis, A. The 1/f noise of InP based 2DEG devices and its dependence on mobility. IEEE Transactions on Electron Devices, 1999, 46 (1), 194–203. DOI: 10.1109/16.737459.
Tacano, M. Hooge fluctuation parameter of semiconductor microstructures. IEEE Transactions on Electron Devices, 1993, 40 (11), 2060–2064. DOI: 10.1109/16.239749.
Mouetsi, S., El Hdiy, A., and Bouchemat, M. The 1/f noise in a two-dimensional electron gas: temperature and electric field considerations. Elektronika ir Elektrotechnika, 2015, 92 (4), 3–6.
Sysoeva, S. Magnetic field sensors. Komponenty i Tekhnologii, 2012, 1, 19–32. (In Russian).
Popovic, R.S. High resolution Hall magnetic sensors. In: 2014 29th International Conference on Microelectronics Proceedings – MIEL 2014, Belgrade, Serbia, 2014, pp. 69–74. DOI: 10.1109/MIEL.2014.6842087.
Reutov, Yu.Ya. Some aspect of using a magnetoresistive transducer. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2001, 37, 859–863. DOI: 10.1023/A:1016817517351.
Touil, D.R., Lahrech, A.C., Helifa, B., and Lefkaier, I.K. Simulation and Implementation of a high sensitive differential eddy current giant magnetoresistance probe for non-destructive testing. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2022, 58, 833–846. DOI: 10.1134/S1061830922090029.
Kogan, L.K., Stashkov, A.N., and Nichipuruk, A.P. Quality control of soldering of side walls of clamps in current-carrying connections of electric machines taking into account the influence of their sizes. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2022, 58, 1142–1152. DOI: 10.1134/S1061830922700140.
Kogan, L.Kh. and Stashkov, A.N. Capabilities of eddy current NDT of soldered current-carrying joints in submersible electrical equipment for oil and gas industry. Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures, 2023, 4, 47–59. DOI: 10.17804/2410-9908.2023.4.047-059. Available at: http://dream-journal.org/issues/2023-4/2023-4_403.html
Tong, P., Wu, L., Yanchen, A., Su, R., and Wu, Y. A novel eddy current sensor for displacement measurement with high accuracy and long range. IEEE Sensors Journal, 2023, 23 (11), 12066–12075. DOI: 10.1109/JSEN.2023.3266564.
Zagidulin, R.V. and Bakiev, A.T. Determination of the parameters of stress-corrosion cracks of the main gas pipeline based on the results of eddy current control. Kontrol. Diagnostika, 2023, 12, 24–34. (In Russian). DOI: 10.14489/td.2023.12.pp.024-034.
Atavin, V.G., Smirnov, Yu.G., Iskhuzhin, R.R., Zavyalov, Z.I., Uzkih, A.A., Yurchenko, O.S., and Klyuchnikova, M.A. Eddy current quality control of thin-walled refractory alloy pipes. Kontrol. Diagnostika, 2024, 4, 29–37. (In Russian). DOI: 10.14489/td.2024.04.pp.029-037.

Ю. Я. Реутов

МАГНИТНЫЕ ШУМЫ МИКРОСХЕМНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ХОЛЛА

Существует потребность применения в неразрушающем вихретоковом контроле микросхемных преобразователей Холла вместо индукционных катушек, традиционно используемых для преобразования параметров переменного магнитного поля в электрический сигнал. Преимуществом микросхемных сенсоров, наряду с технологичностью и дешевизной, является малая зависимость их эффективности от частоты воспринимаемого переменного поля (особенно в области малых частот). При малых рабочих частотах напряжение сигнала, наводимое в приемных катушках вихретокового дефектоскопа, становится сравнимым с собственными шумами его приемного тракта, и для уверенного выделения этого сигнала приходится увеличивать число витков приемной катушки, что далеко не всегда приемлемо по причине жестких требований к ее габаритам. Такое преимущество преобразователей (сенсоров) Холла открывает перспективы существенного расширения области применения неразрушающего вихретокового контроля. Препятствием к этому могли бы явиться сравнительно большие собственные шумы таких сенсоров, наблюдаемые на нулевых рабочих частотах и составляющие несколько (а порой и десятки) микротесла (в единицах магнитной индукции).

В предлагаемом сообщении излагаются результаты измерения шумовых характеристик перспективных микросхемных холловских сенсоров магнитного поля марки 1SA-1M, производимых фирмой Sentron. Установлено, что собственные шумы обследованных сенсоров на частотах от 20 Гц до 10 кГц в десятки раз меньше наблюдаемых на нулевой частоте. Их размах не превышает десятых долей микротесла (в единицах индукции измеряемого переменного магнитного поля), что открывает возможности для применения указанных сенсоров в вихретоковых дефектоскопах с малыми (десятки герц) рабочими частотами вместо индукционных катушек. Результатом может явиться расширение области применения неразрушающего вихретокового контроля. Полученные сведения могут быть полезны и при разработке средств измерения переменных магнитных полей безотносительно к вихретоковой дефектоскопии.

Благодарность: Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (тема «Диагностика», № 122021000030-1).

Ключевые слова: вихретоковый контроль, сенсор магнитного поля, преобразователь Холла, размах шума, переменное поле, сигнал, индукционная катушка

Библиография:

Антонов В. Г., Петров Л. М, Щелкин А. П. Средства измерений магнитных параметров материалов. – Ленинград : Энергоатомиздат, 1986. – 216 с.
Родигин Н. М., Коробейникова И. Е., Контроль качества изделий методом вихревых токов. – М., Свердловск : Машгиз, 1958. – 64 с.
High-sensitivity low-noise miniature fluxgate magnetometers using a flip chip conceptual design / C.-C. Lu, J. Huang, P.-K. Chiu, S.-L. Chiu, J.-T. Jeng // Sensors. – 2014. – Vol. 14 (8). – P. 13815–13829. – DOI: 10.3390/s140813815.
Бараночников М. Л. Микромагнитоэлектроника : Т. 1. – М. : ДМК Пресс, 2001. – 541 с.
Патраманский Б. В. Разработка, создание и эксплуатация средств магнитных методов контроля состояния магистральных газопроводов. – Екатеринбург : Банк культурной информации, 2006. – 240 с.
Панчишин Ю. М., Усатенко С. Т. Измерение переменных магнитных полей. – Киев : Техника, 1973. – 140 с.
Абрамзон Г. В., Обоишев Ю. П. Индукционные измерительные преобразователи переменных магнитных полей. – Л. : Энергоатомиздат, 1984. –117 с.
García-Martín J., Gómez-Gil J., Vázquez-Sánchez E. Non-destructive techniques based on eddy current testing // Sensors. – 2011. – Vol. 11 (3). – P. 2525–2565. – DOI: 10.3390/s110302525.
Реутов Ю. Я., Особенность намагничивания ферромагнетика переменным полем // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2020. – Iss. 6. – P. 35–47. – DOI: 10.17804/2410-9908.2020.6.035-047. – URL: http://dream-journal.org/issues/2020-6/2020-6_313.html
Reutov Yu. Ya., Shcherbinin V. E., Volkov A. V. Possibilities for the selection of magnetic field transducers for nondestructive testing // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2014. – Vol. 50. – P. 760–768. – DOI: 10.1134/S1061830914120080.
Дрожжина В. И., Реутов Ю. Я., Янус Р. И. О магнитных шумах кольцевых магнитных модуляторов // Сборник трудов Института физики металлов АН СССР. – Свердловск, 1967. – Вып. 26. – C. 82–85.
Hooge F. N. 1/ƒ noise is no surface effect // Physics Letters A. – 1969. – Vol. 29 (3). – P. 139–140. – DOI: 10.1016/0375-9601(69)90076-0.
The 1/f noise of InP based 2DEG devices and its dependence on mobility / J. Berntgen, K. Heime, W. Daumann, U. Auer, F.-J. Tegude, A. Matulionis // IEEE Transactions on Electron Devices. – 1999. – Vol. 46 (1). – P. 194–203. – DOI: 10.1109/16.737459.
Tacano M. Hooge fluctuation parameter of semiconductor microstructures // IEEE Transactions on Electron Devices. – 1993. – Vol. 40 (11). – P. 2060–2064. – DOI: 10.1109/16.239749.
Mouetsi S., El Hdiy A., Bouchemat M. The 1/f noise in a two-dimensional electron gas: temperature and electric field considerations // Elektronika ir Elektrotechnika. – 2015. – Vol. 92 (4). – P. 3–6.
Сысоева С. Датчики магнитного поля // Компоненты и технологии. – 2012. – № 1. – С. 19–32.
Popovic R. S. High resolution hall magnetic sensors // PROC. 29th International Conference on Microelectronics (MIEL 2014), Belgrade, Serbia, MAY 12–14, 2014, pp 69–74.
Reutov Yu. Ya. Some aspect of using a magnetoresistive transducer // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2001. – Vol. 37. – P. 859–863. – DOI: 10.1023/A:1016817517351.
Simulation and Implementation of a high sensitive differential eddy current giant magnetoresistance probe for non-destructive testing / D. R. Touil, A. C. Lahrech, B. Helifa, I. K. Lefkaier // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2022. – Vol. 58. – P. 833–846. – DOI: 10.1134/S1061830922090029.
Kogan L. K., Stashkov A. N., Nichipuruk A. P. Quality control of soldering of side walls of clamps in current-carrying connections of electric machines taking into account the influence of their sizes // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2022. – Vol. 58. – P. 1142–1152. – DOI: 10.1134/S1061830922700140.
Kogan L. Kh., Stashkov A. N. Capabilities of eddy current NDT of soldered current-carrying joints in submersible electrical equipment for oil and gas industry // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2023. – Iss. 4. – P. 47–59. – DOI: 10.17804/2410-9908.2023.4.047-059. – URL: http://dream-journal.org/issues/2023-4/2023-4_403.html
A novel eddy current sensor for displacement measurement with high accuracy and long range / P. Tong, L. Wu, A. Yanchen, R. Su, Y. Wu // IEEE Sensors Journal. – 2023. – Vol. 23 (11). – P. 12066–12075. – DOI: 10.1109/JSEN.2023.3266564.
Загидулин Р. В., Бакиев А. Т. Определение параметров стресс-коррозионных трещин магистрального газопровода по результатам вихретокового контроля // Контроль. Диагностика. – 2023. – № 12. – С. 24–34. – DOI: 10.14489/td.2023.12.pp.024-034.
Вихретоковый контроль качества тонкостенных труб из тугоплавкого сплава / В. Г. Атавин, Ю. Г. Смирнов, Р. Р. Исхужин, З. И. Завьялов, А. А. Узких, О. С. Юрченко, М. А. Ключникова // Контроль. Диагностика. – 2024. – № 4. – С. 29–37. – DOI: 10.14489/td.2024.04.pp.029-037.

Библиографическая ссылка на статью

Reutov Yu. Ya. Magnetic Noises of Microchip-Type Hall Transducers // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2024. - Iss. 6. - P. 107-118. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2024.6.107-118. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_475.html
(accessed: 21.01.2025).