هوافضا، انرژی، حمل‌ و نقل و حوزه دفاعی، همگی دارای محیط‌های خشن و شدیدی هستند که هنگام توسعه حسگرها برای نظارت بر پارامترهای فیزیکی و مکانیکی مانند فشار، نیرو و شتاب چالش‌هایی را ایجاد می‌کنند.

حسگرها برای کار در این محیط‌ها باید بتوانند در برابر دمای بسیار بالا و شرایط سخت مقاومت کنند. برای مثال، توربوماشین‌های هوافضا، دمایی بین ۷۵ درجه سانتیگراد تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد تولید می‌کنند. راکتورهای هسته‌ای در دمای بین ۳۰۰ درجه سانتیگراد تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد کار می‌کنند و دما در خطوط لوله مورد استفاده در صنعت پتروشیمی از سرمای نزدیک به قطب شمال تا گرمای شدید بیابان‌ها متفاوت است.

پژوهشگران دانشگاه هیوستون یک حسگر پیزوالکتریک ساخته‌اند که می‌تواند این شرایط دشوار و پرفشار را تحمل کند و در عین حال حساس و قابل اعتماد باقی بماند.

جائئه هیون ریو، نویسنده مسئول این مطالعه گفت: حسگرهای بسیار حساس، قابل اعتماد و بادوام که می‌توانند چنین محیط‌های شدیدی را تحمل کنند، برای کارایی، نگهداری و یکپارچگی این برنامه‌ها ضروری هستند.

منظور از پیزوالکتریک، بار الکتریکی است که در مواد جامد، زمانی که تحت فشار مکانیکی قرار می‌گیرند، تجمع می‌یابد. حسگرهای پیزوالکتریک تغییرات فشار، شتاب یا کشش را با تبدیل آنها به بار الکتریکی اندازه‌گیری می‌کنند.

یکی از ویژگی‌های غیرمعمولی که برخی سرامیک‌ها و پلیمرها از خود نشان می‌دهند، پدیده پیزوالکتریک یا اثر فشاربرقی است. با اعمال نیروی خارجی، دوقطبی‌های این سرامیک‌ها تحریک می‌شوند و میدان الکتریکی ایجاد می‌شود. وارونه کردن اثر نیرو (مثلاً از کششی به فشاری) جهت میدان را معکوس می‌کند.

از مواد پیزوالکتریک در مبدل‌ها و وسایلی که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند یا برعکس استفاده می‌شود. کاربردهای نام ‌آشنایی از جمله گرامافون، میکروفون‌ها، مولدهای فراصوت و حسگرهای سونار از خاصیت پیزوالکتریک استفاده می‌کنند.

اثر پیزوالکتریک توانایی برخی مواد برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی است. این اثر را برادران کوری، پیر و ژاک کوری در دهه ۱۸۸۰ کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز می‌دهند، مواد پیزوالکتریک نامیده می‌شوند. اثر پیزوالکتریک در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها، سرامیک‌ها، پلیمرها(بسپارها) و مواد مرکب دیده می‌شود.

گروه پژوهشی این مطالعه قبلاً یک حسگر فشار پیزوالکتریک گالیوم نیترید(GaN) ساخته بود که برای استفاده در محیط‌های شدید طراحی شده بود. با این حال، آنها دریافتند که حساسیت حسگر در دمای بالاتر از ۳۵۰ درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد.

اگرچه GaN یک نیمه هادی Bandgap (فاصله باند) است، اما پژوهشگران تصور کردند که کاهش حساسیت به دلیل پهن نبودن فاصله باند به اندازه کافی است. فاصله باند یا Bandgap به حداقل انرژی مورد نیاز برای تحریک یک الکترون و تولید رسانایی الکتریکی گفته می‌شود.

بنابراین پژوهشگران یک حسگر جدید با استفاده از آلومینیوم نیترید(AlN) ساختند.

پژوهشگران عملکرد حسگرهای AlN و GaN را با قرار دادن آنها در یک کوره لوله‌ای و افزایش حرارت از ۱۰۰ درجه سانتیگراد به ۹۰۰ درجه سانتیگراد مقایسه کردند و از گاز نیتروژن تنظیم شده با فشار برای ارزیابی قابلیت‌های سنجش فشار آنها استفاده شد.

در مقایسه با حسگر GaN مشخص شد که حسگر AlN دارای فاصله باند وسیع‌تری است و می‌تواند در دماهای بالاتر به خوبی عمل کند و در عین حال اندازه‌گیری‌های سریع، پایدار و قابل اعتماد را ارائه دهد. در واقع، در دمای ۹۰۰ درجه سانتیگراد، دمای فوران گدازه آتشفشان مافیک که داغ‌ترین نوع گدازه روی زمین است، کار می‌کرد.

نام‌این کیم، نویسنده ارشد این مطالعه گفت: این فرضیه توسط حسگری که در حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد کار می‌کند که بالاترین دمای کار در بین حسگرهای پیزوالکتریک است، اثبات شد.

به دلیل ویژگی‌های فیزیکی حسگر AlN، این حسگر نه تنها می‌تواند دماهای بالا را تحمل کند، بلکه همچنین در برابر تشعشعات مقاومت بالایی دارد و در برابر حلال‌های آلی، آب دریا، اشعه فرابنفش و اسیدها و قلیایی‌های ضعیف نیز مقاوم است.

اکنون که پژوهشگران استحکام حسگر پیزوالکتریک AlN خود را در آزمایشگاه نشان داده‌اند، قصد دارند آن را در محیط‌های واقعی آزمایش کنند.

ریو می‌گوید: برنامه ما استفاده از این حسگر در چندین سناریوی سخت است. به عنوان مثال، در نیروگاه‌های هسته‌ای برای قرار گرفتن در معرض نوترون و ذخیره‌سازی هیدروژن برای آزمایش تحت فشار بالا. حسگرهای AlN می‌توانند در اتمسفرهای در معرض نوترون و در محدوده‌های فشار بسیار بالا به لطف خواص مواد پایدار آن کار کنند.

اما پژوهشگران چشمشان به کاربردهایی غیر از صنایع سنگین است. آنها پیش‌بینی می‌کنند که حسگر خود را در دستگاه‌های پوشیدنی مورد استفاده برای نظارت بر سلامت یا در رباتیک نرم با سنجش دقیق نیز قرار دهند.

این مطالعه در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است.