Датчики, используемые для мониторинга экстремальных условий, должны обеспечивать надежные измерения, несмотря на высокие температуры и суровые условия. Теперь исследователи разработали пьезоэлектрический датчик, работающий при температуре извергающейся основной лавы — самого горячего типа лавы на Земле.
Аэрокосмическая промышленность, энергетика, транспорт и оборона — все это экстремальные условия, которые создают проблемы при разработке датчиков для контроля физических и механических параметров, таких как давление, сила, деформация и ускорение.
Для работы в этих условиях датчики должны быть в состоянии выдерживать очень высокие температуры и суровые условия. Например, аэрокосмическая турбомашина создает температуру от 167 ° F (75 ° C) до 932 ° F (500 ° C). Ядерные реакторы работают при температуре от 572 ° F (300 ° C) до 1832 ° F (1000 ° C). А температуры в трубопроводах, используемых нефтехимической промышленностью, варьируются от почти арктического холода до палящего зноя пустыни.
Исследователи из Университета Хьюстона разработали пьезоэлектрический датчик, который может выдерживать такие экстремальные условия, оставаясь при этом чувствительным и надежным.
«Для эффективности необходимы высокочувствительные, надежные и долговечные датчики, способные выдерживать такие экстремальные условия. , техническое обслуживание и целостность этих приложений», — сказал Джэ-Хюн Рё, корреспондент исследования.
Пьезоэлектричество — это электрический заряд, который накапливается в твердых материалах, когда они подвергаются механическому воздействию. Пьезоэлектрические датчики измеряют изменения давления, ускорения или напряжения, преобразуя их в электрический заряд.
Исследовательская группа уже разработала пьезоэлектрический датчик давления на основе нитрида галлия (GaN), предназначенный для использования в экстремальных условиях. Однако они обнаружили, что чувствительность датчика падала при температурах выше 662 ° F (350 ° C). Хотя GaN является широкозонным полупроводником, исследователи предположили, что снижение чувствительности связано с недостаточно широкой запрещенной зоной. Ширина запрещенной зоны — это минимальная энергия, необходимая для возбуждения электрона и обеспечения электропроводности. Итак, исследователи создали новый датчик с использованием нитрида алюминия (AlN).
Исследователи сравнили характеристики датчиков AlN и GaN, поместив их в трубчатую печь и увеличивая температуру с шагом 100 градусов от от 212 °F (100 °C) до 1652 °F (900 °C). Газообразный азот с регулируемым давлением использовался для оценки их чувствительности к давлению.
Было обнаружено, что по сравнению с датчиком GaN датчик AlN имеет более широкую запрещенную зону и может работать при более высоких температурах, обеспечивая при этом быстрые, стабильные и надежные измерения. На самом деле, он работал при температуре до 1652 °F (900 °C), температуре извержения основной вулканической лавы – самого горячего типа лавы на Земле.
«Эта гипотеза была подтверждена датчиком, работающим при температуре около 1000 °C [1832 °F], что является самой высокой рабочей температурой среди пьезоэлектрических датчиков», — сказал Нам-Ин Ким, ведущий автор исследования.
Благодаря физическим свойствам AlN он может не только выдерживать высокие температуры, но и обладает высокой радиационной стойкостью, устойчив к органическим растворителям, морской воде, ультрафиолетовому излучению, слабым кислотам и щелочам.
Теперь, что исследователи продемонстрировали Надежность их пьезоэлектрического датчика AlN в лаборатории, они планируют протестировать его в реальных условиях.
«Наш план состоит в том, чтобы использовать датчик в нескольких суровых условиях, — сказал Рю. «Например, на атомных электростанциях для нейтронного облучения и хранения водорода для испытаний под высоким давлением. Датчики AlN могут работать в атмосфере, подверженной нейтронам, и при очень высоких диапазонах давления благодаря стабильным свойствам материала».
Но исследователи присматриваются к приложениям, отличным от тяжелой промышленности. Они планируют встроить свой датчик в носимые устройства, используемые для мониторинга состояния здоровья или используемые в точной сенсорной мягкой робототехнике.
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
