前沿：研究人员开发出，可在高温和极端环境下运行的压电传感器

图片来源：休斯顿大学

休斯顿大学研究人员开发的新型压电传感器的特写照片。它有可能在极端环境中工作。

一些关键行业（如航空航天、能源、运输和国防等）在极端环境中，需要传感器在恶劣条件下测量和监控众多因素，以确保人身安全和机械系统的完整性。

例如，在石化工业中，必须在从炎热的沙漠高温到接近北极寒冷的气候范围内监测管道压力。各种核反应堆在 300-1000 摄氏度的范围内运行，而深地热井的温度高达 600 摄氏度。

休斯顿大学的研究人员开发了一种新传感器，经证明可在高达 900 摄氏度或 1,650 华氏度的温度下工作，这是地球上最热的熔岩类型镁铁质火山熔岩喷发时的温度。

“能够承受这种极端环境的高度敏感、可靠和耐用的传感器对于这些应用程序的效率、维护和完整性是必要的”。

让它发挥作用

研究团队之前使用单晶氮化镓或 GaN 薄膜开发了 III-N 压电压力传感器，用于恶劣环境应用。然而，传感器的灵敏度在高于 350 摄氏度的温度下会降低，这高于由锆钛酸铅 (PZT) 制成的传统传感器，但幅度很小。

该团队认为灵敏度下降是由于带隙——激发电子和提供电导率所需的最小能量——不够宽。为了检验这个假设，他们开发了一种带有氮化铝或 AlN 的传感器。

“传感器在大约 1000 摄氏度下运行证明了这一假设，这是压电传感器中最高的工作温度，”该文章的第一作者说。

虽然 AlN 和 GaN 都具有适用于极端环境传感器的独特而优​异的特性，但研究人员兴奋地发现 AlN 提供了更宽的带隙和更高的温度范围。然而，该团队不得不应对涉及合成和制造高质量、柔性薄膜 AlN 的 技术挑战。

下一步

既然研究人员已经成功展示了带有 AlN 的高温压电传感器的潜力，他们将在现实的恶劣条件下进一步测试它。

研究人员说“我们的计划是在几个恶劣的场景中使用传感器。例如，在核电站中进行中子暴露和氢储存以在高压下进行测试”，“由于其稳定的材料特性，AlN 传感器可以在暴露于中子的大气中和非常高的压力范围内工作。”

该传感器的灵活性提供了额外的优势，将在未来以可穿戴传感器的形式应用于个人医疗保健监测产品和需要精确传感的软机器人中。

本文参考引用信息：

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