AlN压电传感器可在1000摄氏度的极端环境下运行

在石化工业中，传感器设备需要在从炎热的沙漠高温到接近北极寒冷的气候范围内进行管道压力监测；在核电站中，各种核反应堆在300-1000摄氏度的范围内运行，进行中子暴露和氢储存以在高压下进行测试；深地热井的温度亦高达 600摄氏度。这些涉及极端环境作业的关键行业领域，无不需要特制的传感器用于在恶劣的条件下进行测量和监控众多因素，以确保作业人员的安全和机械系统设备的完好性。

据《先进功能材料》杂志最新一期的封面文章《由柔性超宽带隙单晶 AlN 薄膜制成的在极高温度和极端环境下工作的压电传感器》介绍，休斯顿大学的研究人员基于关键行业的特殊需求，研发了一款新型氮化铝传感器，可在高达900摄氏度或1,650华氏度——地球上最热的熔岩类型镁铁质火山熔岩喷发时的温度——的环境下工作。“能够承受这种极端环境的高度敏感、可靠和耐用的传感器对于这些应用程序的效率、维护和完整性是必要的”。休斯顿大学机械工程副教授Jac-Hyun Ryou说。

在产品研发的过程中，研究团队发现，传感器的灵敏度跟带隙——激发电子和提供电导率所需的最小能量有关，而灵敏度的下降便是由于带隙不够宽。于是，他们在原先使用单晶氮化镓（GaN）薄膜开发了III-N压电压力传感器的基础上，开发了一种带有氮化铝（AlN）的传感器，将运行环境从350摄氏度升级到1000摄氏度——压电传感器中最高的工作温度。在研究中，科学家们发现AlN提供了更宽的带隙和更高的温度范围。而随之而来的问题则是，对涉及合成和制造高质量、柔性薄膜AlN的技术挑战。

据研究团队介绍，带有氮化铝（AlN）的压电传感器，除了能在高温下工作外，还具有很好的柔韧性。未来将可用于研制可穿戴传感器，在个人医疗和精确传感软体机器人领域大显身手。