Des chercheurs mettent au point des capteurs fonctionnant à des températures élevées et dans des environnements extrêmes
Des capteurs sensibles, fiables et durables créés pour de multiples industries
Les environnements extrêmes dans plusieurs industries critiques - aérospatiale, énergie, transport et défense - nécessitent des capteurs pour mesurer et surveiller de nombreux facteurs dans des conditions difficiles afin de garantir la sécurité des personnes et l'intégrité des systèmes mécaniques.
Un chercheur de l'université de Houston tient un capteur piézoélectrique récemment mis au point, dont le fonctionnement a été prouvé à des températures extrêmement élevées.
University of Houston
Dans l'industrie pétrochimique, par exemple, la pression des pipelines doit être contrôlée dans des conditions climatiques allant de la chaleur du désert au froid arctique. Divers réacteurs nucléaires fonctionnent à une température comprise entre 300 et 1000 degrés Celsius, tandis que les puits géothermiques profonds atteignent des températures de 600 degrés Celsius.
Aujourd'hui, une équipe de chercheurs de l'université de Houston a mis au point un nouveau capteur dont le fonctionnement a été prouvé à des températures atteignant 900 degrés Celsius ou 1 650 degrés Fahrenheit, soit la température à laquelle la lave volcanique mafique, le type de lave le plus chaud sur Terre, entre en éruption.
"Des capteurs très sensibles, fiables et durables, capables de tolérer des environnements aussi extrêmes, sont nécessaires pour assurer l'efficacité, la maintenance et l'intégrité de ces applications", a déclaré Jae-Hyun Ryou, professeur agrégé de génie mécanique à l'UH et auteur correspondant d'une étude publiée dans la revue Advanced Functional Materials.
L'article, qui figure en couverture de la revue, est intitulé "Piezoelectric Sensors Operating at Very High Temperatures and in Extreme Environments Made of Flexible Ultrawide-Bandgap Single-Crystalline AlN Thin Films" (Capteurs piézoélectriques fonctionnant à des températures très élevées et dans des environnements extrêmes, fabriqués à partir de films minces d'AlN monocristallins flexibles à bande passante ultra-large).
Faire fonctionner le système
L'équipe de recherche de l'UH a précédemment mis au point un capteur de pression piézoélectrique III-N utilisant des films minces monocristallins de nitrure de gallium, ou GaN, pour des applications dans des environnements difficiles. Cependant, la sensibilité du capteur diminue à des températures supérieures à 350 degrés Celsius, ce qui est plus élevé que les transducteurs conventionnels en titanate de zirconate de plomb (PZT), mais seulement de façon marginale.
L'équipe pense que la diminution de la sensibilité est due au fait que la bande interdite - l'énergie minimale requise pour exciter un électron et assurer la conductivité électrique - n'est pas assez large. Pour vérifier cette hypothèse, ils ont mis au point un capteur à base de nitrure d'aluminium (AlN).
"L'hypothèse a été confirmée par le fonctionnement du capteur à environ 1 000 degrés Celsius, soit la température de fonctionnement la plus élevée parmi les capteurs piézoélectriques", a déclaré Nam-In Kim, premier auteur de l'article et étudiant post-doctoral travaillant avec le groupe de Ryou.
Bien que l'AlN et le GaN possèdent tous deux d'excellentes propriétés uniques qui conviennent aux capteurs destinés aux environnements extrêmes, les chercheurs ont été ravis de constater que l'AlN offrait une bande interdite plus large et une plage de températures encore plus élevée. Cependant, l'équipe a dû relever des défis techniques liés à la synthèse et à la fabrication d'une couche mince flexible et de haute qualité d'AlN.
"J'ai toujours été intéressé par la fabrication de dispositifs utilisant différents matériaux, et j'aime caractériser ces matériaux. En travaillant dans le groupe de Ryou, en particulier sur les dispositifs piézoélectriques et les matériaux III-N, j'ai pu utiliser les connaissances que j'ai acquises au cours de mes études", a déclaré Kim, qui a obtenu son doctorat en science et ingénierie des matériaux à l'UH en 2022. Sa thèse primée portait sur les capteurs piézoélectriques flexibles pour les soins de santé personnels et les environnements extrêmes.
"C'était très intéressant de voir le processus menant aux résultats réels et nous avons résolu les défis techniques au cours du développement et de la démonstration du capteur", a-t-il ajouté.
Quelles sont les prochaines étapes ?
Maintenant que les chercheurs ont réussi à démontrer le potentiel des capteurs piézoélectriques à haute température avec l'AlN, ils vont les tester plus avant dans les conditions difficiles du monde réel.
"Nous prévoyons d'utiliser le capteur dans plusieurs scénarios difficiles. Par exemple, dans les centrales nucléaires pour l'exposition aux neutrons et le stockage de l'hydrogène pour les tests sous haute pression", a déclaré M. Ryou. "Les capteurs en AlN peuvent fonctionner dans des atmosphères exposées aux neutrons et à des pressions très élevées grâce aux propriétés stables du matériau.
La flexibilité du capteur offre des avantages supplémentaires qui le rendront utile pour des applications futures sous la forme de capteurs portables dans les produits de surveillance des soins de santé personnels et pour une utilisation dans la robotique douce à détection précise.
Les chercheurs espèrent que leur capteur sera commercialement viable à l'avenir. "Il est difficile de fixer une date précise, mais je pense qu'il est de notre devoir, en tant qu'ingénieurs, de faire en sorte que cela se produise le plus tôt possible", a déclaré M. Kim.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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