想监测一座正在喷发的火山吗？这种传感器可做到这一点

用于监测极端环境的传感器需要在高温和恶劣的条件下提供可靠的测量。现在，研究人员已经开发出一种压电传感器，可以在喷发的岩浆（地球上最热的熔岩类型）的温度下工作。

航空航天、能源、交通和国防--所有这些极端环境在开发监测物理和机械参数（如压力、力、应变和加速度）的传感器时构成了一种挑战。

为了在这些环境中运行，传感器必须能够承受非常高的温度和恶劣的条件。例如，航空涡轮机械产生的温度在167°F（75°C）和932°F（500°C）之间。核反应堆在572 °F (300 °C) 和1832 °F (1000 °C) 之间运行。而石化行业使用的管道中的温度从接近北极的寒冷到沙漠的炙热不等。

休斯顿大学的研究人员已经开发出一种压电传感器，它可以耐受这些类型的极端情况，同时保持敏感和可靠。

该研究的通讯作者Jae-Hyun Ryou说："能够容忍这种极端环境的高灵敏度、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。"

压电性是指固体材料在受到机械压力时积累的电荷。压电传感器通过将压力、加速度或应变转换为电荷来测量它们的变化。

该研究小组已经开发了一种氮化镓（GaN）压电压力传感器，旨在用于极端环境中。然而，他们发现该传感器的灵敏度会在温度高于662°F（350°C）时下降。尽管氮化镓是一种宽带隙半导体，但研究人员推测，灵敏度的下降是由于带隙不够宽。带隙是激发电子并产生导电性所需的最小能量。因此，研究人员使用氮化铝（AlN）创建了一个新的传感器。

研究人员比较了氮化铝和氮化镓传感器的性能，把它们放在一个管式炉中，以100度的增量将热量从212°F（100℃）增加到1652°F（900℃），随后使用压力调节的氮气来评估它们的压力感应能力。

与GaN传感器相比，AlN传感器被发现具有更宽的带隙，可以在更高的温度下工作，同时仍然提供快速、稳定和可靠的测量。事实上，它可以在高达1652°F（900°C）的温度下工作，这是喷发的黑火山熔岩的温度，是地球上最热的熔岩类型。

该研究的主要作者Nam-In Kim说："传感器在大约1000 °C[1832 °F]下工作证明了这一假设，这是压电传感器中的最高工作温度。"

由于氮化铝的物理特性，它不仅可以承受高温，而且还具有很高的抗辐射能力，并能抵抗有机溶剂、海水、紫外线以及弱酸和弱碱。

现在，研究人员已经在实验室里证明了他们的AlN压电传感器的高耐用性，他们计划在真实世界的环境中进行测试。

"我们的计划是在几个恶劣的环境中使用该传感器，"Ryou说。"例如，在核电站进行中子暴露，在高压下测试氢气储存。氮化铝传感器由于其稳定的材料特性，可以在中子暴露的大气中和非常高的压力范围内运行。"

但研究人员把目光投向了重工业以外的其他应用。他们预见到将他们的传感器纳入用于健康监测的可穿戴设备，或用于精确感应的软机器人。

该研究发表在《先进功能材料》杂志上。