Investigadores de UH desarrollan sensores que funcionan a altas temperaturas y en entornos extremos

Apr 26, 2023

Sensores sensibles, confiables y duraderos creados para múltiples industrias

Por Rashda Khan 713-743-7587

18 de mayo de 2023

Los entornos extremos en varias industrias críticas (aeroespacial, energía, transporte y defensa) requieren sensores para medir y monitorear numerosos factores en condiciones adversas para garantizar la seguridad humana y la integridad de los sistemas mecánicos.

En la industria petroquímica, por ejemplo, las presiones de las tuberías deben monitorearse en climas que van desde el cálido calor del desierto hasta el frío casi ártico. Varios reactores nucleares operan en un rango de 300 a 1000 grados centígrados, mientras que los pozos geotérmicos profundos mantienen temperaturas de hasta 600 grados centígrados.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Houston ha desarrollado un nuevo sensor que se demostró que funciona a temperaturas de hasta 900 grados Celsius o 1650 grados Fahrenheit, que es la temperatura en la que erupciona la lava volcánica máfica, el tipo de lava más caliente de la Tierra.

"Sensores altamente sensibles, confiables y duraderos que pueden tolerar entornos tan extremos son necesarios para la eficiencia, el mantenimiento y la integridad de estas aplicaciones", dijo Jae-Hyun Ryou, profesor asociado de ingeniería mecánica en UH y autor correspondiente de un estudio publicado en el revista Materiales Funcionales Avanzados.

El artículo, que apareció en la portada de la revista, se titula "Sensores piezoeléctricos que funcionan a temperaturas muy altas y en entornos extremos hechos de películas delgadas de AlN monocristalinas flexibles de banda prohibida ultraancha".

Haciendo que funcione

El equipo de investigación de UH desarrolló previamente un sensor de presión piezoeléctrico III-N utilizando nitruro de galio monocristalino o películas delgadas de GaN para aplicaciones en entornos hostiles. Sin embargo, la sensibilidad del sensor disminuye a temperaturas superiores a 350 grados centígrados, que es superior a la de los transductores convencionales hechos de titanato de circonato de plomo (PZT), pero solo marginalmente.

El equipo creía que la disminución de la sensibilidad se debía a que la banda prohibida, la energía mínima requerida para excitar un electrón y suministrar conductividad eléctrica, no era lo suficientemente amplia. Para probar la hipótesis, desarrollaron un sensor con nitruro de aluminio o AlN.

"La hipótesis fue probada por el sensor que opera a aproximadamente 1000 grados Celsius, que es la temperatura de operación más alta entre los sensores piezoeléctricos", dijo Nam-In Kim, primer autor del artículo y estudiante de posdoctorado que trabaja con el grupo Ryou.

Si bien tanto AlN como GaN tienen propiedades únicas y excelentes que son adecuadas para su uso en sensores para entornos extremos, los investigadores estaban entusiasmados al descubrir que AlN ofrecía una banda prohibida más amplia y un rango de temperatura aún más alto. Sin embargo, el equipo tuvo que enfrentarse a desafíos técnicos relacionados con la síntesis y fabricación de AlN de película delgada flexible y de alta calidad.

"Siempre me ha interesado fabricar dispositivos con diferentes materiales, y me encanta caracterizar varios materiales. Al trabajar en el grupo Ryou, especialmente en dispositivos piezoeléctricos y materiales III-N, pude utilizar el conocimiento que aprendí en mis estudios, ", dijo Kim, quien obtuvo su Ph.D. en ciencia e ingeniería de materiales de UH en 2022. Su disertación galardonada fue sobre sensores piezoeléctricos flexibles para el cuidado de la salud personal y entornos extremos.

"Fue muy interesante ver el proceso que condujo a los resultados reales y resolvimos los desafíos técnicos durante el desarrollo y la demostración del sensor", agregó.

¿Que sigue?

Ahora que los investigadores han demostrado con éxito el potencial de los sensores piezoeléctricos de alta temperatura con AlN, lo seguirán probando en condiciones adversas del mundo real.

"Nuestro plan es usar el sensor en varios escenarios difíciles. Por ejemplo, en plantas nucleares para exposición a neutrones y almacenamiento de hidrógeno para probar a alta presión", dijo Ryou. "Los sensores de AlN pueden operar en atmósferas expuestas a neutrones y en rangos de presión muy altos gracias a las propiedades estables de sus materiales".

La flexibilidad del sensor ofrece ventajas adicionales que lo harán útil para futuras aplicaciones en forma de sensores portátiles en productos de monitoreo de atención médica personal y para su uso en robótica blanda de detección precisa.

Los investigadores esperan que su sensor sea comercialmente viable en algún momento en el futuro. "Es difícil poner una fecha específica sobre cuándo podría ser, pero creo que es nuestro trabajo como ingenieros hacer que suceda lo antes posible", dijo Kim.