想監測一座正在噴發的火山嗎？這種傳感器可做到這一點

用于監測極端環境的傳感器需要在高溫和惡劣的條件下提供可靠的測量。現在，研究人員已經開發出一種壓電傳感器，可以在噴發的巖漿（地球上最熱的熔巖類型）的溫度下工作。

航空航天、能源、交通和國防--所有這些極端環境在開發監測物理和機械參數（如壓力、力、應變和加速度）的傳感器時構成了一種挑戰。

為了在這些環境中運行，傳感器必須能夠承受非常高的溫度和惡劣的條件。例如，航空渦輪機械產生的溫度在167°F（75°C）和932°F（500°C）之間。核反應堆在572 °F (300 °C) 和1832 °F (1000 °C) 之間運行。而石化行業使用的管道中的溫度從接近北極的寒冷到沙漠的炙熱不等。

休斯頓大學的研究人員已經開發出一種壓電傳感器，它可以耐受這些類型的極端情況，同時保持敏感和可靠。

該研究的通訊作者Jae-Hyun Ryou說："能夠容忍這種極端環境的高靈敏度、可靠和耐用的傳感器對于這些應用的效率、維護和完整性是必要的。"

壓電性是指固體材料在受到機械壓力時積累的電荷。壓電傳感器通過將壓力、加速度或應變轉換為電荷來測量它們的變化。

該研究小組已經開發了一種氮化鎵（GaN）壓電壓力傳感器，旨在用于極端環境中。然而，他們發現該傳感器的靈敏度會在溫度高于662°F（350°C）時下降。盡管氮化鎵是一種寬帶隙半導體，但研究人員推測，靈敏度的下降是由于帶隙不夠寬。帶隙是激發電子并產生導電性所需的最小能量。因此，研究人員使用氮化鋁（AlN）創建了一個新的傳感器。

研究人員比較了氮化鋁和氮化鎵傳感器的性能，把它們放在一個管式爐中，以100度的增量將熱量從212°F（100℃）增加到1652°F（900℃），隨后使用壓力調節的氮氣來評估它們的壓力感應能力。

與GaN傳感器相比，AlN傳感器被發現具有更寬的帶隙，可以在更高的溫度下工作，同時仍然提供快速、穩定和可靠的測量。事實上，它可以在高達1652°F（900°C）的溫度下工作，這是噴發的黑火山熔巖的溫度，是地球上最熱的熔巖類型。

該研究的主要作者Nam-In Kim說："傳感器在大約1000 °C[1832 °F]下工作證明了這一假設，這是壓電傳感器中的最高工作溫度。"

由于氮化鋁的物理特性，它不僅可以承受高溫，而且還具有很高的抗輻射能力，并能抵抗有機溶劑、海水、紫外線以及弱酸和弱堿。

現在，研究人員已經在實驗室里證明了他們的AlN壓電傳感器的高耐用性，他們計劃在真實世界的環境中進行測試。

"我們的計劃是在幾個惡劣的環境中使用該傳感器，"Ryou說。"例如，在核電站進行中子暴露，在高壓下測試氫氣儲存。氮化鋁傳感器由于其穩定的材料特性，可以在中子暴露的大氣中和非常高的壓力范圍內運行。"

但研究人員把目光投向了重工業以外的其他應用。他們預見到將他們的傳感器納入用于健康監測的可穿戴設備，或用于精確感應的軟機器人。

該研究發表在《先進功能材料》雜志上。