UH-Forscher entwickeln Sensoren, die bei hohen Temperaturen und in extremen Umgebungen funktionieren

May 31, 2023

Empfindliche, zuverlässige und langlebige Sensoren für verschiedene Branchen

Von Rashda Khan 713-743-7587

18. Mai 2023

Extreme Umgebungen in mehreren kritischen Branchen – Luft- und Raumfahrt, Energie, Transport und Verteidigung – erfordern Sensoren, um zahlreiche Faktoren unter rauen Bedingungen zu messen und zu überwachen, um die menschliche Sicherheit und die Integrität mechanischer Systeme zu gewährleisten.

In der petrochemischen Industrie müssen beispielsweise Pipelinedrücke in Klimazonen überwacht werden, die von heißer Wüstenhitze bis zu nahezu arktischer Kälte reichen. Verschiedene Kernreaktoren arbeiten in einem Temperaturbereich von 300 bis 1000 Grad Celsius, während tiefe Geothermiebrunnen Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius aufweisen.

Jetzt hat ein Team von Forschern der University of Houston einen neuen Sensor entwickelt, der nachweislich bei Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius oder 1.650 Grad Fahrenheit funktioniert. Dies ist die Temperatur, bei der mafische vulkanische Lava, die heißeste Lavaart auf der Erde, ausbricht.

„Für die Effizienz, Wartung und Integrität dieser Anwendungen sind hochempfindliche, zuverlässige und langlebige Sensoren erforderlich, die solchen extremen Umgebungen standhalten“, sagte Jae-Hyun Ryou, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der UH und korrespondierender Autor einer im veröffentlichten Studie Zeitschrift Advanced Functional Materials.

Der Artikel, der auf dem Cover der Zeitschrift zu sehen war, trägt den Titel „Piezoelektrische Sensoren, die bei sehr hohen Temperaturen und in extremen Umgebungen betrieben werden, hergestellt aus flexiblen einkristallinen AlN-Dünnfilmen mit ultrabreiter Bandlücke“.

Damit es funktioniert

Das UH-Forschungsteam hat zuvor einen piezoelektrischen III-N-Drucksensor entwickelt, der einkristalline Galliumnitrid- oder GaN-Dünnfilme für Anwendungen in rauen Umgebungen verwendet. Allerdings nimmt die Empfindlichkeit des Sensors bei Temperaturen über 350 Grad Celsius ab, was höher ist als bei herkömmlichen Wandlern aus Bleizirkonat-Titanat (PZT), jedoch nur geringfügig.

Das Team ging davon aus, dass die Abnahme der Empfindlichkeit darauf zurückzuführen war, dass die Bandlücke – die minimale Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron anzuregen und elektrische Leitfähigkeit bereitzustellen – nicht groß genug war. Um die Hypothese zu testen, entwickelten sie einen Sensor mit Aluminiumnitrid oder AlN.

„Die Hypothese wurde durch den Betrieb des Sensors bei etwa 1000 Grad Celsius bewiesen, was die höchste Betriebstemperatur unter den piezoelektrischen Sensoren darstellt“, sagte Nam-In Kim, Erstautorin des Artikels und Postdoktorandin der Ryou-Gruppe.

Während sowohl AlN als auch GaN über einzigartige und hervorragende Eigenschaften verfügen, die für den Einsatz in Sensoren für extreme Umgebungen geeignet sind, waren die Forscher begeistert, als sie feststellten, dass AlN eine größere Bandlücke und einen noch größeren Temperaturbereich bietet. Allerdings musste sich das Team mit technischen Herausforderungen bei der Synthese und Herstellung des hochwertigen, flexiblen Dünnfilms AlN auseinandersetzen.

„Ich war schon immer daran interessiert, Geräte aus unterschiedlichen Materialien herzustellen, und ich liebe es, verschiedene Materialien zu charakterisieren. Bei der Arbeit in der Ryou-Gruppe, insbesondere an piezoelektrischen Geräten und III-N-Materialien, konnte ich das Wissen, das ich in meinem Studium gelernt habe, nutzen, ", sagte Kim, der seinen Doktortitel erworben hat. in Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der UH im Jahr 2022. Seine preisgekrönte Dissertation befasste sich mit flexiblen piezoelektrischen Sensoren für die persönliche Gesundheitsfürsorge und extreme Umgebungen.

„Es war sehr interessant zu sehen, wie der Prozess zu den tatsächlichen Ergebnissen führte, und wir haben die technischen Herausforderungen während der Entwicklung und Demonstration des Sensors gelöst“, fügte er hinzu.

Was kommt als nächstes?

Nachdem die Forscher nun das Potenzial der piezoelektrischen Hochtemperatursensoren mit AlN erfolgreich demonstriert haben, werden sie sie unter realen rauen Bedingungen weiter testen.

„Unser Plan ist, den Sensor in mehreren rauen Szenarien einzusetzen. Zum Beispiel in Kernkraftwerken zur Neutronenexposition und zur Wasserstoffspeicherung, um ihn unter hohem Druck zu testen“, sagte Ryou. „AlN-Sensoren können dank ihrer stabilen Materialeigenschaften in neutronenexponierten Atmosphären und in sehr hohen Druckbereichen eingesetzt werden.“

Die Flexibilität des Sensors bietet zusätzliche Vorteile, die ihn für zukünftige Anwendungen in Form von tragbaren Sensoren in Produkten zur Überwachung der persönlichen Gesundheitsfürsorge und für den Einsatz in präziser Sensor-Soft-Robotik nützlich machen werden.

Die Forscher freuen sich darauf, dass ihr Sensor irgendwann in der Zukunft kommerziell nutzbar sein wird. „Es ist schwer, ein konkretes Datum dafür zu nennen, aber ich denke, es ist unsere Aufgabe als Ingenieure, dies so schnell wie möglich zu erreichen“, sagte Kim.