Ultrawytrzymały sensor

fot. pixabay

Czujniki używane do monitorowania ekstremalnych środowisk muszą zapewniać niezawodne pomiary, pomimo wysokich temperatur i trudnych warunków. W tym kontekście naukowcy opracowali piezoelektryczny sensor, który działa w temperaturze najgorętszego rodzaju lawy na Ziemi.

Lotnictwo, energetyka, transport i obronność to sektory przemysłowe charakteryzujące się trudnymi warunkami środowiskowymi, które stanowią wyzwanie przy opracowywaniu czujników do monitorowania parametrów fizycznych i mechanicznych, takich jak ciśnienie, siła, odkształcenie i przyspieszenie.

Aby działać w takich środowiskach, muszą być w stanie wytrzymywać bardzo wysokie temperatury i trudne warunki. Silniki lotnicze generują temperatury od 75°C do 500°C, reaktory jądrowe działają w temperaturze od 300°C do 1000°C, a temperatury w rurociągach używanych przez przemysł petrochemiczny wahają się od prawie arktycznego zimna do palącego pustynnego upału. Naukowcy z Uniwersytetu Houston opracowali czujnik piezoelektryczny, który może tolerować tego typu skrajności, pozostając przy tym czułym i niezawodnym.

- Wysoce czułe, niezawodne i trwałe czujniki, które mogą tolerować tak ekstremalne środowiska są niezbędne do zapewnienia wydajności, odpowiedniego poziomu utrzymania i integralności tych aplikacji - powiedział Jae-Hyun Ryou, jeden z autorów badań nad sensorem.

Czujniki piezoelektryczne mierzą zmiany ciśnienia, przyspieszenia lub odkształcenia, przekształcając je w ładunek elektryczny. Zespół badaczy już kiedyś opracował piezoelektryczny czujnik ciśnienia z azotku galu (GaN) przeznaczony do użytku w ekstremalnych warunkach. Odkrył jednak, że jego czułość spadała w temperaturach wyższych niż 350°C. Chociaż GaN jest półprzewodnikiem o szerokim paśmie wzbronionym, naukowcy postawili hipotezę, że spadek czułości wynikał wciąż z powodu tego parametru. Dlatego naukowcy stworzyli nowy czujnik wykorzystujący azotek glinu (AlN).

Porównali wydajność obu sensorów, umieszczając je w piecu rurowym i zwiększając ciepło w krokach co 100°C do poziomu 900°C. Do oceny ich możliwości wykrywania ciśnienia wykorzystano gazowy azot o regulowanym ciśnieniu. Stwierdzili następnie, że w porównaniu z czujnikiem GaN, jego aluminiowy odpowiednik wykazuje szersze pasmo wzbronione i może działać w wyższych temperaturach, jednocześnie zapewniając szybkie, stabilne i niezawodne pomiary.

Ze względu na właściwości fizyczne azotek glinu może nie tylko wytrzymać wysokie temperatury, ale ma również wysoką odporność na promieniowanie i rozpuszczalniki organiczne, wodę morską, światło ultrafioletowe oraz słabe kwasy i zasady. Teraz, gdy naukowcy wykazali możliwości swojego czujnika piezoelektrycznego w laboratorium, planują przetestować go w rzeczywistych środowiskach. W przyszłości przewidują również włączenie swojego wynalazku do urządzeń ubieralnych przeznaczonych do monitorowania zdrowia lub w konstrukcji precyzyjnych miękkich robotów.

Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Advanced Functional Materials.

(rr)