カリフォルニア大学の研究者が高温および極限環境で動作するセンサーを開発

May 31, 2023

複数の業界向けに作成された高感度、信頼性、耐久性に優れたセンサー

ラシュダ・カーン 713-743-7587

2023 年 5 月 18 日

航空宇宙、エネルギー、輸送、防衛などのいくつかの重要な産業における極限環境では、人間の安全と機械システムの完全性を確保するために、過酷な条件下で多数の要素を測定および監視するセンサーが必要です。

たとえば、石油化学産業では、砂漠の灼熱から極寒に近い寒さまで、さまざまな気候でパイプラインの圧力を監視する必要があります。 さまざまな原子炉は摂氏 300 度から 1,000 度の範囲で運転されますが、深層地熱井戸は摂氏 600 度までの温度を保ちます。

今回、ヒューストン大学の研究チームは、地球上で最も熱いタイプの溶岩である苦鉄質火山溶岩が噴出する温度である摂氏900度または華氏1,650度という高温でも動作することが証明された新しいセンサーを開発した。

「これらのアプリケーションの効率、メンテナンス、完全性には、このような極端な環境に耐えることができる高感度、信頼性、耐久性のあるセンサーが必要です」と、カリフォルニア大学機械工学准教授であり、雑誌に掲載された研究の責任著者であるJae-Hyun Ryou氏は述べています。ジャーナル「先端機能材料」。

このジャーナルの表紙に掲載されたこの論文のタイトルは、「柔軟な超広バンドギャップ単結晶 AlN 薄膜で作られた超高温および極端な環境で動作する圧電センサー」です。

機能させる

UH 研究チームは以前、過酷な環境用途向けに単結晶窒化ガリウム、つまり GaN 薄膜を使用した III-N 圧電圧力センサーを開発しました。 ただし、センサーの感度は摂氏 350 度を超えると低下します。これは、従来のチタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) 製のトランスデューサーよりもわずかですが低下します。

研究チームは、感度の低下はバンドギャップ（電子を励起して導電性を供給するために必要な最小エネルギー）が十分に広くないためであると考えた。 この仮説を検証するために、彼らは窒化アルミニウムまたは AlN を使用したセンサーを開発しました。

「この仮説は、圧電センサーの中で最も高い動作温度である摂氏約1000度でセンサーが動作することによって証明されました」と、この論文の筆頭著者でRyouグループと協力する博士課程の学生であるNam-In Kim氏は述べた。

AlN と GaN は両方とも、極限環境用のセンサーでの使用に適した独特で優れた特性を持っていますが、研究者らは、AlN の方がより広いバンドギャップとさらに高い温度範囲を提供することを発見して興奮しました。 しかし、チームは高品質で柔軟な AlN 薄膜の合成と製造に関する技術的な課題に対処する必要がありました。

「私は、さまざまな材料を使用してデバイスを作成することに常に興味があり、さまざまな材料の特性を評価するのが大好きです。Ryou グループで、特に圧電デバイスと III-N 材料について働くことで、研究で学んだ知識を活用することができました。 」と博士号を取得したキム氏は語った。 2022 年にカリフォルニア大学で材料科学と工学の学士号を取得しました。受賞歴のある彼の論文は、個人のヘルスケアや極限環境向けの柔軟な圧電センサーに関するものでした。

「実際の結果に至るプロセスを見るのは非常に興味深く、センサーの開発と実証中に技術的な課題を解決しました」と彼は付け加えた。

次は何ですか？

研究者らは、AlN を使用した高温圧電センサーの可能性を実証することに成功したため、実際の過酷な条件でさらにテストする予定です。

「私たちの計画は、このセンサーをいくつかの過酷なシナリオで使用することです。たとえば、原子力発電所での中性子曝露や高圧下での試験のための水素貯蔵などです」とリョウ氏は語った。 「AlN センサーは、その安定した材料特性のおかげで、中性子にさらされた雰囲気や非常に高圧の範囲でも動作できます。」

このセンサーの柔軟性は、個人の健康管理製品のウェアラブル センサーの形での将来のアプリケーションや、精密センシングのソフト ロボティクスでの使用に役立つ追加の利点を提供します。

研究者らは、将来のある時点でセンサーが商業的に実現可能になることを期待している。 「それがいつになるか具体的な日付を述べるのは難しいですが、できるだけ早くそれを実現することがエンジニアとしての私たちの仕事だと思います」とキム氏は語った。