Исследователи UH разрабатывают датчики, которые работают при высоких температурах и в экстремальных условиях

May 31, 2023

Чувствительные, надежные и долговечные датчики, созданные для различных отраслей промышленности

Рашда Хан 713-743-7587

18 мая 2023 г.

Экстремальные условия в нескольких важнейших отраслях промышленности – аэрокосмической, энергетической, транспортной и оборонной – требуют датчиков для измерения и мониторинга многочисленных факторов в суровых условиях, чтобы обеспечить безопасность человека и целостность механических систем.

Например, в нефтехимической промышленности давление в трубопроводах необходимо контролировать в различных климатических условиях: от жаркой пустынной жары до почти арктического холода. Различные ядерные реакторы работают при температуре 300-1000 градусов по Цельсию, а глубокие геотермальные скважины удерживают температуру до 600 градусов по Цельсию.

Теперь команда исследователей из Университета Хьюстона разработала новый датчик, который, как было доказано, работает при температурах до 900 градусов по Цельсию или 1650 градусов по Фаренгейту, что соответствует температуре извержения основной вулканической лавы, самого горячего типа лавы на Земле.

«Для эффективности, обслуживания и целостности этих приложений необходимы высокочувствительные, надежные и долговечные датчики, способные выдерживать такие экстремальные условия», — сказал Джэ-Хюн Рю, доцент кафедры машиностроения в UH и автор исследования, опубликованного в журнале журнал Advanced Functional Materials.

Статья, размещенная на обложке журнала, называется «Пьезоэлектрические датчики, работающие при очень высоких температурах и в экстремальных условиях, изготовленные из гибких монокристаллических тонких пленок AlN со сверхширокозонной зоной».

Заставить это работать

Исследовательская группа UH ранее разработала пьезоэлектрический датчик давления III-N с использованием монокристаллического нитрида галлия или тонких пленок GaN для применения в суровых условиях. Однако чувствительность сенсора снижается при температуре выше 350 градусов Цельсия, что выше, чем у традиционных преобразователей из цирконата-титаната свинца (ЦТС), но незначительно.

Команда полагала, что снижение чувствительности произошло из-за недостаточной ширины запрещенной зоны — минимальной энергии, необходимой для возбуждения электрона и обеспечения электропроводности. Чтобы проверить гипотезу, они разработали датчик с нитридом алюминия или AlN.

«Гипотеза была подтверждена датчиком, работающим при температуре около 1000 градусов по Цельсию, что является самой высокой рабочей температурой среди пьезоэлектрических датчиков», — сказал Нам-Ин Ким, первый автор статьи и аспирант, работающий с группой Рё.

Хотя и AlN, и GaN обладают уникальными и превосходными свойствами, которые подходят для использования в датчиках для экстремальных условий, исследователи были рады обнаружить, что AlN предлагает более широкую запрещенную зону и еще более высокий температурный диапазон. Однако команде пришлось столкнуться с техническими проблемами, связанными с синтезом и изготовлением высококачественной гибкой тонкой пленки AlN.

«Меня всегда интересовало создание устройств с использованием различных материалов, и мне нравится определять характеристики различных материалов. Работая в группе Рё, особенно над пьезоэлектрическими устройствами и материалами III-N, я смог использовать знания, полученные в ходе учебы, ", - сказал Ким, получивший докторскую степень. получил степень бакалавра материаловедения и инженерии в Университете Великобритании в 2022 году. Его отмеченная наградами диссертация была посвящена гибким пьезоэлектрическим датчикам для индивидуального здравоохранения и экстремальных условий.

«Было очень интересно наблюдать за процессом, ведущим к реальным результатам, и мы решили технические проблемы во время разработки и демонстрации датчика», — добавил он.

Что дальше?

Теперь, когда исследователи успешно продемонстрировали потенциал высокотемпературных пьезоэлектрических датчиков с AlN, они проведут его дальнейшие испытания в суровых реальных условиях.

«Наш план состоит в том, чтобы использовать датчик в нескольких суровых сценариях. Например, на атомных станциях для воздействия нейтронов и хранения водорода для испытаний под высоким давлением», — сказал Рю. «Датчики AlN могут работать в атмосфере, подверженной воздействию нейтронов, и в диапазонах очень высоких давлений благодаря стабильным свойствам материала».