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

Empfindliche, zuverlässige und langlebige Sensoren für verschiedene Branchen

25.05.2023 - USA

Extreme Umgebungen in verschiedenen kritischen Branchen - Luft- und Raumfahrt, Energie, Transport und Verteidigung - erfordern Sensoren zur Messung und Überwachung zahlreicher Faktoren unter rauen Bedingungen, um die Sicherheit von Menschen und die Integrität mechanischer Systeme zu gewährleisten.

In der petrochemischen Industrie beispielsweise muss der Druck in den Pipelines bei einem Klima überwacht werden, das von heißer Wüstenhitze bis zu arktischer Kälte reicht. Verschiedene Kernreaktoren arbeiten in einem Temperaturbereich von 300 bis 1000 Grad Celsius, während tiefe geothermische Bohrungen Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius aufweisen.

Nun hat ein Forscherteam der University of Houston einen neuen Sensor entwickelt, der nachweislich bei Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius oder 1.650 Grad Fahrenheit funktioniert - der Temperatur, bei der mafische Vulkanlava, die heißeste Art von Lava auf der Erde, ausbricht.

"Hochempfindliche, zuverlässige und langlebige Sensoren, die solchen extremen Umgebungen standhalten können, sind für die Effizienz, Wartung und Integrität dieser Anwendungen erforderlich", so Jae-Hyun Ryou, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der UH und korrespondierender Autor einer in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlichten Studie.

Der Artikel, der auf dem Titelblatt der Zeitschrift abgebildet ist, trägt den Titel "Piezoelectric Sensors Operating at Very High Temperatures and in Extreme Environments Made of Flexible Ultrawide-Bandgap Single-Crystalline AlN Thin Films".

Damit es funktioniert

Das UH-Forschungsteam hatte zuvor einen piezoelektrischen III-N-Drucksensor aus einkristallinen Galliumnitrid- oder GaN-Dünnschichten für Anwendungen in rauen Umgebungen entwickelt. Die Empfindlichkeit des Sensors nimmt jedoch bei Temperaturen über 350 Grad Celsius ab, was zwar höher ist als bei herkömmlichen Wandlern aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), aber nur geringfügig.

Das Team vermutet, dass die Abnahme der Empfindlichkeit darauf zurückzuführen ist, dass die Bandlücke - die Mindestenergie, die erforderlich ist, um ein Elektron anzuregen und elektrische Leitfähigkeit zu erzeugen - nicht breit genug ist. Um diese Hypothese zu testen, entwickelten sie einen Sensor mit Aluminiumnitrid (AlN).

"Die Hypothese wurde dadurch bewiesen, dass der Sensor bei etwa 1000 Grad Celsius funktioniert, was die höchste Betriebstemperatur unter den piezoelektrischen Sensoren ist", so Nam-In Kim, Erstautor des Artikels und Post-Doktorand in der Ryou-Gruppe.

Zwar haben sowohl AlN als auch GaN einzigartige und hervorragende Eigenschaften, die sich für den Einsatz in Sensoren für extreme Umgebungen eignen, aber die Forscher waren begeistert, dass AlN eine größere Bandlücke und einen noch höheren Temperaturbereich bietet. Allerdings hatte das Team mit technischen Herausforderungen bei der Synthese und Herstellung der hochwertigen, flexiblen AlN-Dünnschicht zu kämpfen.

"Ich habe mich schon immer für die Herstellung von Bauelementen aus verschiedenen Materialien interessiert, und ich liebe es, verschiedene Materialien zu charakterisieren. Bei der Arbeit in der Ryou-Gruppe, insbesondere bei piezoelektrischen Bauelementen und III-N-Materialien, konnte ich das in meinem Studium erworbene Wissen anwenden", sagte Kim, der 2022 an der UH seinen Doktortitel in Materialwissenschaft und -technik erhielt. 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 führt und wie wir die technischen Herausforderungen während der Entwicklung und Demonstration des Sensors gelöst haben", fügte er hinzu.

Wie geht es weiter?

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

"Unser Plan ist es, den Sensor in verschiedenen rauen Szenarien einzusetzen. Zum Beispiel in Kernkraftwerken, um die Neutronenbelastung und die Wasserstoffspeicherung unter hohem Druck zu testen", so Ryou. "AlN-Sensoren können dank ihrer stabilen Materialeigenschaften in neutronenbestrahlten Atmosphären und in sehr hohen Druckbereichen arbeiten."

Die Flexibilität des Sensors bietet weitere Vorteile, die ihn für künftige Anwendungen in Form von tragbaren Sensoren in Produkten zur persönlichen Gesundheitsüberwachung und für den Einsatz in der präzisen Soft-Robotik nützlich machen werden.

Die Forscher sind zuversichtlich, dass ihr Sensor irgendwann einmal kommerziell nutzbar sein wird. "Es ist schwer zu sagen, wann das sein wird, aber ich denke, es ist unsere Aufgabe als Ingenieure, dies so schnell wie möglich zu erreichen", so Kim.

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Originalveröffentlichung

Nam-In Kim et al.; Piezoelectric Sensors Operating at Very High Temperatures and in Extreme Environments Made of Flexible Ultrawide-Bandgap Single-Crystalline AlN Thin Films (Adv. Funct. Mater. 10/2023)

https://www.chemie.de/news/1180580/forscher-entwickeln-sensoren-die-bei-hohen-temperaturen-und-in-extremen-umgebungen-funktionieren.html