Les environnements extrêmes dans plusieurs industries critiques – aérospatiale, énergie, transportation et défense – nécessitent des capteurs pour mesurer et surveiller de nombreux facteurs dans des situations difficiles afin d’assurer la sécurité humaine et l’intégrité des systèmes mécaniques.
Dans l’industrie pétrochimique, par exemple, les pressions des pipelines doivent être surveillées dans des climats allant de la chaleur chaude du désert au froid proche de l’Arctique. Divers réacteurs nucléaires fonctionnent dans une plage de 300 à 1000 degrés Celsius, tandis que les puits géothermiques profonds maintiennent des températures allant jusqu’à 600 degrés Celsius.
Maintenant, une équipe de chercheurs de l’Université de Houston a développé un nouveau capteur qui s’est avéré fonctionner à des températures aussi élevées que 900 degrés Celsius ou 1 650 degrés Fahrenheit, qui est la température de lave volcanique mafique, le kind de lave le plus chaud sur Terre, qui éclate.
« Des capteurs hautement sensibles, fiables et durables capables de tolérer des environnements aussi extrêmes sont nécessaires pour l’efficacité, la maintenance et l’intégrité de ces apps », a déclaré Jae-Hyun Ryou, professeur agrégé de génie mécanique à l’UH et auteur correspondant d’une étude publiée dans le revue Sophisticated Functional Resources.
L’article, qui figurait sur la couverture de la revue, s’intitule “Piezoelectric Sensors Operating at Very Higher Temperatures and in Severe Environments Created of Adaptable Ultrawide-Bandgap Single-Cristallline AlN Skinny Movies”.
Le faire fonctionner
L’équipe de recherche de l’UH a précédemment développé un capteur de pression piézoélectrique III-N utilisant du nitrure de gallium monocristallin ou des couches minces de GaN pour les purposes en environnement difficile. Cependant, la sensibilité du capteur diminue à des températures supérieures à 350 degrés Celsius, ce qui est supérieur à celles des transducteurs conventionnels en titanate de zirconate de plomb (PZT), mais seulement de manière marginale.
L’équipe pensait que la diminution de la sensibilité était thanks au fait que la bande interdite – l’énergie minimale requise pour exciter un électron et fournir une conductivité électrique – n’était pas assez substantial. Pour tester l’hypothèse, ils ont développé un capteur au nitrure d’aluminium ou AIN.
“L’hypothèse a été prouvée par le capteur fonctionnant à approximativement 1000 degrés Celsius, qui est la température de fonctionnement la furthermore élevée parmi les capteurs piézoélectriques”, a déclaré Nam-In Kim, leading auteur de l’article et étudiant postdoctoral travaillant avec le groupe Ryou.
Alors que l’AlN et le GaN ont tous deux des propriétés uniques et excellentes qui conviennent à une utilisation dans des capteurs pour des environnements extrêmes, les chercheurs ont été ravis de découvrir que l’AlN offrait une bande interdite in addition huge et une plage de températures encore moreover élevée. Cependant, l’équipe a dû faire confront à des défis procedures impliquant la synthèse et la fabrication d’AlN en film mince adaptable de haute qualité.
“J’ai toujours été intéressé par la fabrication d’appareils utilisant différents matériaux, et j’aime caractériser divers matériaux. En travaillant dans le groupe Ryou, en particulier sur les appareils piézoélectriques et les matériaux III-N, j’ai pu utiliser les connaissances acquises dans mes études, ” a déclaré Kim, qui a obtenu son doctorat. en science et génie des matériaux de l’UH en 2022. Sa thèse primée portait sur les capteurs piézoélectriques flexibles pour les soins de santé personnels et les environnements extrêmes.
“C’était très intéressant de voir le processus menant aux résultats réels et nous avons résolu les défis procedures lors du développement et de la démonstration du capteur”, a-t-il ajouté.
Et après?
Maintenant que les chercheurs ont démontré avec succès le potentiel des capteurs piézoélectriques à haute température avec AlN, ils vont le tester davantage dans des problems difficiles du monde réel.
“Notre program est d’utiliser le capteur dans plusieurs scénarios difficiles. Par exemple, dans les centrales nucléaires pour l’exposition aux neutrons et le stockage d’hydrogène pour tester sous haute pression”, a déclaré Ryou. “Les capteurs AIN peuvent fonctionner dans des atmosphères exposées aux neutrons et à des plages de pression très élevées grâce à ses propriétés matérielles stables.”
La flexibilité du capteur offre des avantages supplémentaires qui le rendront utile pour de futures apps sous la forme de capteurs portables dans les produits de surveillance des soins de santé personnels et pour une utilisation dans la robotique douce à détection précise.
Les chercheurs espèrent que leur capteur sera commercialement viable à un instant donné dans le futur. “Il est difficile de fixer une day précise à laquelle cela pourrait se produire, mais je pense que c’est notre travail en tant qu’ingénieurs de faire en sorte que cela se produise le as well as tôt achievable”, a déclaré Kim.
