前沿：研究人員開發出，可在高溫和極端環境下運行的壓電感測器

圖片來源：休斯頓大學

休斯頓大學研究人員開發的新型壓電感測器的特寫照片。它有可能在極端環境中工作。

一些關鍵行業（如航空航天、能源、運輸和國防等）在極端環境中，需要感測器在惡劣條件下測量和監控眾多因素，以確保人身安全和機械系統的完整性。

例如，在石化工業中，必須在從炎熱的沙漠高溫到接近北極寒冷的氣候範圍內監測管道壓力。各種核反應堆在 300-1000 攝氏度的範圍內運行，而深地熱井的溫度高達 600 攝氏度。

休斯頓大學的研究人員開發了一種新感測器，經證明可在高達 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時的溫度。

「能夠承受這種極端環境的高度敏感、可靠和耐用的感測器對於這些應用程序的效率、維護和完整性是必要的」。

讓它發揮作用

研究團隊之前使用單晶氮化鎵或 GaN 薄膜開發了 III-N 壓電壓力感測器，用於惡劣環境應用。然而，感測器的靈敏度在高於 350 攝氏度的溫度下會降低，這高於由鋯鈦酸鉛 (PZT) 製成的傳統感測器，但幅度很小。

該團隊認為靈敏度下降是由於帶隙——激發電子和提供電導率所需的最小能量——不夠寬。為了檢驗這個假設，他們開發了一種帶有氮化鋁或 AlN 的感測器。

「感測器在大約 1000 攝氏度下運行證明了這一假設，這是壓電感測器中最高的工作溫度，」該文章的第一作者說。

雖然 AlN 和 GaN 都具有適用於極端環境感測器的獨特而優​異的特性，但研究人員興奮地發現 AlN 提供了更寬的帶隙和更高的溫度範圍。然而，該團隊不得不應對涉及合成和製造高質量、柔性薄膜 AlN 的 技術挑戰。

下一步

既然研究人員已經成功展示了帶有 AlN 的高溫壓電感測器的潛力，他們將在現實的惡劣條件下進一步測試它。

研究人員說「我們的計劃是在幾個惡劣的場景中使用感測器。例如，在核電站中進行中子暴露和氫儲存以在高壓下進行測試」，「由於其穩定的材料特性，AlN 感測器可以在暴露於中子的大氣中和非常高的壓力範圍內工作。」

該感測器的靈活性提供了額外的優勢，將在未來以可穿戴感測器的形式應用於個人醫療保健監測產品和需要精確感測的軟機器人中。

本文參考引用信息：

Nam‐In Kim et al, Piezoelectric Sensors Operating at Very High Temperatures and in Extreme Environments Made of Flexible Ultrawide‐Bandgap Single‐Crystalline AlN Thin Films (Adv. Funct. Mater. 10/2023), Advanced Functional Materials (2023). DOI: 10.1002/adfm.202370056