Pesquisadores da UH desenvolvem sensores que operam em altas temperaturas e em ambientes extremos

May 31, 2023

Sensores sensíveis, confiáveis ​​e duráveis ​​criados para vários setores

Por Rashda Khan 713-743-7587

18 de maio de 2023

Ambientes extremos em vários setores críticos – aeroespacial, energia, transporte e defesa – exigem sensores para medir e monitorar vários fatores sob condições adversas para garantir a segurança humana e a integridade dos sistemas mecânicos.

Na indústria petroquímica, por exemplo, as pressões dos dutos devem ser monitoradas em climas que variam do calor quente do deserto ao frio quase ártico. Vários reatores nucleares operam em uma faixa de 300 a 1.000 graus Celsius, enquanto poços geotérmicos profundos mantêm temperaturas de até 600 graus Celsius.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Houston desenvolveu um novo sensor que provou funcionar em temperaturas de até 900 graus Celsius ou 1.650 graus Fahrenheit, que é a temperatura máfica da lava vulcânica, o tipo de lava mais quente da Terra.

"Sensores altamente sensíveis, confiáveis ​​e duráveis ​​que podem tolerar tais ambientes extremos são necessários para a eficiência, manutenção e integridade dessas aplicações", disse Jae-Hyun Ryou, professor associado de engenharia mecânica da UH e autor correspondente de um estudo publicado na revista Advanced Functional Materials.

O artigo, que foi destaque na capa da revista, é intitulado "Sensores piezoelétricos operando em temperaturas muito altas e em ambientes extremos feitos de filmes finos AlN monocristalinos flexíveis de banda larga ultralarga".

Fazendo funcionar

A equipe de pesquisa da UH desenvolveu anteriormente o sensor de pressão piezoelétrico III-N usando nitreto de gálio monocristalino ou filmes finos de GaN para aplicações em ambientes agressivos. No entanto, a sensibilidade do sensor diminui em temperaturas superiores a 350 graus Celsius, o que é superior aos dos transdutores convencionais feitos de titanato de zirconato de chumbo (PZT), mas apenas marginalmente.

A equipe acreditava que a diminuição da sensibilidade se devia ao bandgap – a energia mínima necessária para excitar um elétron e fornecer condutividade elétrica – não ser grande o suficiente. Para testar a hipótese, eles desenvolveram um sensor com nitreto de alumínio ou AlN.

“A hipótese foi comprovada pelo sensor operando a cerca de 1.000 graus Celsius, que é a temperatura de operação mais alta entre os sensores piezoelétricos”, disse Nam-In Kim, primeiro autor do artigo e pós-doutorando do grupo Ryou.

Embora AlN e GaN tenham propriedades únicas e excelentes que são adequadas para uso em sensores para ambientes extremos, os pesquisadores ficaram entusiasmados ao descobrir que o AlN oferecia um bandgap mais amplo e uma faixa de temperatura ainda maior. No entanto, a equipe teve que lidar com desafios técnicos envolvendo a síntese e fabricação do filme fino flexível AlN de alta qualidade.

"Sempre me interessei em fazer dispositivos usando materiais diferentes e adoro caracterizar vários materiais. Trabalhando no grupo Ryou, especialmente em dispositivos piezoelétricos e materiais III-N, pude usar o conhecimento que aprendi em meus estudos, " disse Kim, que obteve seu Ph.D. em ciência e engenharia de materiais pela UH em 2022. Sua dissertação premiada foi sobre sensores piezoelétricos flexíveis para cuidados de saúde pessoal e ambientes extremos.

“Foi muito interessante ver o processo levando aos resultados reais e resolvemos os desafios técnicos durante o desenvolvimento e demonstração do sensor”, acrescentou.

Qual é o próximo?

Agora que os pesquisadores demonstraram com sucesso o potencial dos sensores piezoelétricos de alta temperatura com AlN, eles irão testá-lo ainda mais em condições adversas do mundo real.

"Nosso plano é usar o sensor em vários cenários adversos. Por exemplo, em usinas nucleares para exposição a nêutrons e armazenamento de hidrogênio para testar sob alta pressão", disse Ryou. “Os sensores de AlN podem operar em atmosferas expostas a nêutrons e em faixas de pressão muito altas, graças às propriedades estáveis ​​de seu material”.