I ricercatori dell'UH sviluppano sensori che funzionano a temperature elevate e in ambienti estremi

May 31, 2023

Sensori sensibili, affidabili e durevoli creati per molteplici settori

Di Rashda Khan 713-743-7587

18 maggio 2023

Gli ambienti estremi in diversi settori critici – aerospaziale, energetico, dei trasporti e della difesa – richiedono sensori per misurare e monitorare numerosi fattori in condizioni difficili per garantire la sicurezza umana e l’integrità dei sistemi meccanici.

Nell’industria petrolchimica, ad esempio, le pressioni delle tubazioni devono essere monitorate in climi che vanno dal caldo torrido del deserto al freddo quasi artico. Vari reattori nucleari funzionano a una temperatura compresa tra 300 e 1.000 gradi Celsius, mentre i pozzi geotermici profondi mantengono temperature fino a 600 gradi Celsius.

Ora un team di ricercatori dell’Università di Houston ha sviluppato un nuovo sensore che ha dimostrato di funzionare a temperature fino a 900 gradi Celsius o 1.650 gradi Fahrenheit, che è la temperatura in cui erutta la lava vulcanica mafica, il tipo di lava più calda sulla Terra.

"Sensori altamente sensibili, affidabili e durevoli in grado di tollerare ambienti così estremi sono necessari per l'efficienza, il mantenimento e l'integrità di queste applicazioni", ha affermato Jae-Hyun Ryou, professore associato di ingegneria meccanica alla UH e autore corrispondente di uno studio pubblicato sulla rivista rivista Materiali funzionali avanzati.

L'articolo, apparso sulla copertina della rivista, è intitolato "Sensori piezoelettrici operanti a temperature molto elevate e in ambienti estremi realizzati con film sottili AlN monocristallini flessibili con banda ultralarga".

Farlo funzionare

Il team di ricerca dell’UH aveva precedentemente sviluppato un sensore di pressione piezoelettrico III-N utilizzando nitruro di gallio monocristallino o film sottili GaN per applicazioni in ambienti difficili. Tuttavia, la sensibilità del sensore diminuisce a temperature superiori a 350 gradi Celsius, che sono superiori a quelle dei trasduttori convenzionali in piombo zirconato titanato (PZT), ma solo marginalmente.

Il team riteneva che la diminuzione della sensibilità fosse dovuta al fatto che il gap di banda – l’energia minima richiesta per eccitare un elettrone e fornire conduttività elettrica – non era sufficientemente ampio. Per testare l'ipotesi, hanno sviluppato un sensore con nitruro di alluminio o AlN.

"L'ipotesi è stata dimostrata dal sensore che funziona a circa 1000 gradi Celsius, che è la temperatura operativa più alta tra i sensori piezoelettrici", ha detto Nam-In Kim, primo autore dell'articolo e studente post-dottorato che lavora con il gruppo Ryou.

Sebbene sia AlN che GaN abbiano proprietà uniche ed eccellenti adatte all'uso in sensori per ambienti estremi, i ricercatori sono stati entusiasti di scoprire che AlN offriva una banda proibita più ampia e un intervallo di temperature ancora più elevato. Tuttavia, il team ha dovuto affrontare sfide tecniche che coinvolgevano la sintesi e la fabbricazione del film sottile e flessibile AlN di alta qualità.

"Sono sempre stato interessato a realizzare dispositivi utilizzando materiali diversi, e amo caratterizzare vari materiali. Lavorando nel gruppo Ryou, in particolare su dispositivi piezoelettrici e materiali III-N, ho potuto utilizzare le conoscenze apprese nei miei studi, " ha detto Kim, che ha conseguito il dottorato di ricerca. in scienza e ingegneria dei materiali presso la UH nel 2022. La sua tesi pluripremiata riguardava i sensori piezoelettrici flessibili per l'assistenza sanitaria personale e gli ambienti estremi.

"È stato molto interessante vedere il processo che porta ai risultati effettivi e abbiamo risolto le sfide tecniche durante lo sviluppo e la dimostrazione del sensore", ha aggiunto.

Qual è il prossimo?

Ora che i ricercatori hanno dimostrato con successo il potenziale dei sensori piezoelettrici ad alta temperatura con AlN, lo testeranno ulteriormente in condizioni difficili nel mondo reale.

"Il nostro piano è quello di utilizzare il sensore in diversi scenari difficili. Ad esempio, negli impianti nucleari per l'esposizione ai neutroni e lo stoccaggio dell'idrogeno per testare ad alta pressione", ha affermato Ryou. "I sensori AlN possono funzionare in atmosfere esposte a neutroni e a intervalli di pressione molto elevati grazie alle proprietà stabili del materiale."