夏威夷大學研究人員開發可在高溫和極端環境下運作的感測器
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2023 年 5 月 18 日
微型壓電感測器的特寫
航空航太、能源、運輸和國防等幾個關鍵產業的極端環境需要感測器在惡劣條件下測量和監控眾多因素，以確保人員安全和機械系統的完整性。
例如，在石化產業，必須在從炎熱的沙漠炎熱到接近北極寒冷的氣候條件下監測管道壓力。各種核反應器的運作溫度範圍爲攝氏 300-1000 度，而深地熱井的溫度可達攝氏 600 度。
現在，休士頓大學研究人員團隊開發了一種新型感測器，經證明可以在高達 900 攝氏度或 1,650 華氏度的溫度下工作，這是地球上最熱的熔岩類型鎂鐵質火山熔岩噴發的溫度。
「能夠承受如此極端環境的高度靈敏、可靠和耐用的傳感器對於這些應用的效率、維護和完整性是必要的，」夏威夷大學機械工程副教授、發表在《自然》雜誌上的一項研究的通訊作者Jae-Hyun Ryou 說。
這篇文章出現在該雜誌的封面上，標題爲「由柔性超寬帶隙單晶 AlN 薄膜製成的在極高溫度和極端環境下運行的壓電感測器」。
讓它發揮作用
夏威夷大學研究團隊先前開發了使用單晶氮化鎵或 GaN 薄膜的 III-N 壓電壓力感測器，適用於惡劣環境應用。然而，當溫度高於攝氏 350 度時，感測器的靈敏度會降低，這高於由鋯鈦酸鉛 (PZT) 製成的傳統感測器，但也隻是輕微降低。
研究小組認爲，靈敏度下降是因爲帶隙（激發電子和提供導電性所需的最小能量）不夠寬所緻。爲了驗證這個假設，他們開發了一種採用氮化鋁或 AlN 的感測器。
該文章的第一作者、Ryou 小組的博士後學生 Nam-In Kim 表示：“感測器的工作溫度約爲 1000 攝氏度，這是壓電感測器中最高的工作溫度，這一假設得到了證明。”
雖然 AlN 和 GaN 都具有獨特且優異的特性，適合用於極端環境的感測器，但研究人員很高興地發現 AlN 提供了更寬的帶隙和更高的溫度範圍。然而，該團隊必須應對涉及高品質、柔性薄膜 AlN 的合成和製造的技術挑戰。
「我一直對使用不同材料製造設備感興趣，我喜歡表徵各種材料。在 Ryou 小組工作，特別是在壓電器件和 III-N 材料方面，我能夠運用在研究中學到的知識。 2022 年獲得夏威夷大學材料科學與工程博士學位。
「看到產生實際結果的過程非常有趣，我們解決了感測器開發和演示過程中的技術挑戰，」他補充道。
接下來是什麽？
現在研究人員已經成功展示了氮化鋁高溫壓電感測器的潛力，他們將在現實世界的惡劣條件下進一步測試它。
「我們的計劃是在幾種惡劣的場景中使用該感測器。例如，在核電廠中用於中子暴露和高壓下測試的氫儲存，」Ryou 說。 “由於其穩定的材料特性，AlN 感測器可以在中子暴露的大氣和非常高的壓力範圍內運行。”
此感測器的靈活性提供了額外的優勢，使其在未來的應用中非常有用，例如個人醫療保健監測產品中的可穿戴感測器以及精確感測軟機器人。
研究人員期待他們的感測器在未來某個時候具有商業可行性。 「很難確定具體日期，但我認爲作爲工程師，我們的工作就是讓它盡快實現，」金說。
資料來源：休士頓大學
