陳根：AlN壓電傳感器可在1000攝氏度的極端環境下運行_風聞

文/陳根

在石化工業中，傳感器設備需要在從炎熱的沙漠高温到接近北極寒冷的氣候範圍內進行管道壓力監測；在核電站中，各種核反應堆在300-1000攝氏度的範圍內運行，進行中子暴露和氫儲存以在高壓下進行測試；深地熱井的温度亦高達 600攝氏度。這些涉及極端環境作業的關鍵行業領域，無不需要特製的傳感器用於在惡劣的條件下進行測量和監控眾多因素，以確保作業人員的安全和機械系統設備的完好性。

據《先進功能材料》雜誌最新一期的封面文章《由柔性超寬帶隙單晶 AlN 薄膜製成的在極高温度和極端環境下工作的壓電傳感器》介紹，休斯頓大學的研究人員基於關鍵行業的特殊需求，研發了一款新型氮化鋁傳感器，可在高達900攝氏度或1,650華氏度——地球上最熱的熔岩類型鎂鐵質火山熔岩噴發時的温度——的環境下工作。“能夠承受這種極端環境的高度敏感、可靠和耐用的傳感器對於這些應用程序的效率、維護和完整性是必要的”。休斯頓大學機械工程副教授Jac-Hyun Ryou説。

在產品研發的過程中，研究團隊發現，傳感器的靈敏度跟帶隙——激發電子和提供電導率所需的最小能量有關，而靈敏度的下降便是由於帶隙不夠寬。於是，他們在原先使用單晶氮化鎵（GaN）薄膜開發了III-N壓電壓力傳感器的基礎上，開發了一種帶有氮化鋁（AlN）的傳感器，將運行環境從350攝氏度升級到1000攝氏度——壓電傳感器中最高的工作温度。在研究中，科學家們發現AlN提供了更寬的帶隙和更高的温度範圍。而隨之而來的問題則是，對涉及合成和製造高質量、柔性薄膜AlN的技術挑戰。

據研究團隊介紹，帶有氮化鋁（AlN）的壓電傳感器，除了能在高温下工作外，還具有很好的柔韌性。未來將可用於研製可穿戴傳感器，在個人醫療和精確傳感軟體機器人領域大顯身手。