Des chercheurs de l'UH développent des capteurs qui fonctionnent à des températures élevées et dans des environnements extrêmes

May 31, 2023

Capteurs sensibles, fiables et durables créés pour de multiples industries

Par Rashda Khan 713-743-7587

18 mai 2023

Les environnements extrêmes dans plusieurs industries critiques - aérospatiale, énergie, transport et défense - nécessitent des capteurs pour mesurer et surveiller de nombreux facteurs dans des conditions difficiles afin d'assurer la sécurité humaine et l'intégrité des systèmes mécaniques.

Dans l'industrie pétrochimique, par exemple, les pressions des pipelines doivent être surveillées dans des climats allant de la chaleur chaude du désert au froid proche de l'Arctique. Divers réacteurs nucléaires fonctionnent dans une plage de 300 à 1000 degrés Celsius, tandis que les puits géothermiques profonds maintiennent des températures allant jusqu'à 600 degrés Celsius.

Maintenant, une équipe de chercheurs de l'Université de Houston a développé un nouveau capteur qui s'est avéré fonctionner à des températures aussi élevées que 900 degrés Celsius ou 1 650 degrés Fahrenheit, qui est la température de lave volcanique mafique, le type de lave le plus chaud sur Terre, qui éclate.

« Des capteurs hautement sensibles, fiables et durables capables de tolérer des environnements aussi extrêmes sont nécessaires pour l'efficacité, la maintenance et l'intégrité de ces applications », a déclaré Jae-Hyun Ryou, professeur agrégé de génie mécanique à l'UH et auteur correspondant d'une étude publiée dans le revue Advanced Functional Materials.

L'article, qui figurait sur la couverture de la revue, s'intitule "Piezoelectric Sensors Operating at Very High Temperatures and in Extreme Environments Made of Flexible Ultrawide-Bandgap Single-Cristallline AlN Thin Films".

Le faire fonctionner

L'équipe de recherche de l'UH a précédemment développé un capteur de pression piézoélectrique III-N utilisant du nitrure de gallium monocristallin ou des couches minces de GaN pour les applications en environnement difficile. Cependant, la sensibilité du capteur diminue à des températures supérieures à 350 degrés Celsius, ce qui est supérieur à celles des transducteurs conventionnels en titanate de zirconate de plomb (PZT), mais seulement de manière marginale.

L'équipe pensait que la diminution de la sensibilité était due au fait que la bande interdite - l'énergie minimale requise pour exciter un électron et fournir une conductivité électrique - n'était pas assez large. Pour tester l'hypothèse, ils ont développé un capteur au nitrure d'aluminium ou AIN.

"L'hypothèse a été prouvée par le capteur fonctionnant à environ 1000 degrés Celsius, qui est la température de fonctionnement la plus élevée parmi les capteurs piézoélectriques", a déclaré Nam-In Kim, premier auteur de l'article et étudiant postdoctoral travaillant avec le groupe Ryou.

Alors que l'AlN et le GaN ont tous deux des propriétés uniques et excellentes qui conviennent à une utilisation dans des capteurs pour des environnements extrêmes, les chercheurs ont été ravis de découvrir que l'AlN offrait une bande interdite plus large et une plage de températures encore plus élevée. Cependant, l'équipe a dû faire face à des défis techniques impliquant la synthèse et la fabrication d'AlN en film mince flexible de haute qualité.

"J'ai toujours été intéressé par la fabrication d'appareils utilisant différents matériaux, et j'aime caractériser divers matériaux. En travaillant dans le groupe Ryou, en particulier sur les appareils piézoélectriques et les matériaux III-N, j'ai pu utiliser les connaissances acquises dans mes études, " a déclaré Kim, qui a obtenu son doctorat. en science et génie des matériaux de l'UH en 2022. Sa thèse primée portait sur les capteurs piézoélectriques flexibles pour les soins de santé personnels et les environnements extrêmes.

"C'était très intéressant de voir le processus menant aux résultats réels et nous avons résolu les défis techniques lors du développement et de la démonstration du capteur", a-t-il ajouté.

Et après?

Maintenant que les chercheurs ont démontré avec succès le potentiel des capteurs piézoélectriques à haute température avec AlN, ils vont le tester davantage dans des conditions difficiles du monde réel.

"Notre plan est d'utiliser le capteur dans plusieurs scénarios difficiles. Par exemple, dans les centrales nucléaires pour l'exposition aux neutrons et le stockage d'hydrogène pour tester sous haute pression", a déclaré Ryou. "Les capteurs AIN peuvent fonctionner dans des atmosphères exposées aux neutrons et à des plages de pression très élevées grâce à ses propriétés matérielles stables."

La flexibilité du capteur offre des avantages supplémentaires qui le rendront utile pour de futures applications sous la forme de capteurs portables dans les produits de surveillance des soins de santé personnels et pour une utilisation dans la robotique douce à détection précise.

Les chercheurs espèrent que leur capteur sera commercialement viable à un moment donné dans le futur. "Il est difficile de fixer une date précise à laquelle cela pourrait se produire, mais je pense que c'est notre travail en tant qu'ingénieurs de faire en sorte que cela se produise le plus tôt possible", a déclaré Kim.