航空航天、能源、运输和国防等多个关键行业的极端环境要求传感器在恶劣条件下测量和监测众多因素，以确保机械系统的人体安全和完整性。

例如，在石化行业，必须在从炎热的沙漠炎热到近北极寒冷的气候条件下监测管道压力。各种核反应堆在300-1000摄氏度的范围内运行，而深地热井的温度高达600摄氏度。

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现在，休斯顿大学的一个研究小组开发了一种新型传感器，该传感器被证明可以在高达900摄氏度或1，650华氏度的温度下工作，这是温度镁铁质火山熔岩，地球上最热的熔岩类型，喷发。

“能够承受这种极端环境的高度灵敏，可靠和耐用的传感器对于这些应用的效率，维护和完整性是必要的，”UH机械工程副教授Jae-Hyun Ryou说，他是发表在《先进功能材料》杂志上的一项研究的通讯作者。

这篇文章登上了该杂志的封面，标题为“由柔性超宽带隙单晶AlN薄膜制成的在非常高的温度和极端环境中工作的压电传感器”。

让它发挥作用

UH研究团队之前开发了使用单晶氮化镓或GaN薄膜的III-N压电压力传感器，用于恶劣环境应用。然而，传感器的灵敏度在高于350摄氏度的温度下会降低，高于由锆钛酸铅(PZT)制成的传统传感器，但只是略有下降。

研究小组认为，灵敏度的降低是由于带隙 - 激发电子和提供导电性所需的最小能量 - 不够宽。为了验证这一假设，他们开发了一种带有氮化铝或AlN的传感器。

“该假设被工作在约1000摄氏度的传感器所证明，这是压电传感器中最高的工作温度，”该文章的第一作者，博士后Nam-In Kim说。

虽然AlN和GaN都具有独特而出色的性能，适用于极端环境的传感器，但研究人员很高兴发现AlN提供了更宽的带隙和更高的温度范围。然而，该团队必须应对涉及合成和制造高质量柔性薄膜AlN的技术挑战。

“我一直对使用不同的材料制造设备感兴趣，我喜欢表征各种材料。在Ryou小组工作，特别是在压电器件和III-N材料方面，我能够利用我在学习中学到的知识，“Kim说，他于2022年在UH获得材料科学与工程博士学位。他的获奖论文是关于用于个人医疗保健和极端环境的柔性压电传感器。

“看到导致实际结果的过程非常有趣，我们解决了传感器开发和演示过程中的技术挑战，”他补充说。

下一步是什么?

现在，研究人员已经成功地证明了带有AlN的高温压电传感器的潜力，他们将在现实世界的恶劣条件下进一步测试它。

“我们的计划是在几种恶劣的场景中使用传感器。例如，在核电站中进行中子暴露和储氢以在高压下进行测试，“Ryou说。“由于其稳定的材料特性，AlN传感器可以在中子暴露的大气和非常高的压力范围内工作。

传感器的灵活性提供了额外的优势，使其可用于个人医疗保健监测产品中的可穿戴传感器形式的未来应用，以及用于精确传感的软机器人。

研究人员期待他们的传感器在未来的某个时候具有商业可行性。“很难确定具体日期，但我认为作为工程师，我们的工作是尽快实现它，”金说。