سخت‌جان‌ترین حسگر پیزوالکتریک ساخته شد

پژوهشگران دانشگاه هیوستون یک حسگر پیزوالکتریک ابداع کرده‌اند که در دماهای شدید و شرایط محیطی سخت کار می‌کند.

هوافضا، انرژی، حمل‌ونقل و حوزه دفاعی، همگی دارای محیط‌های خشن و شدید هستند که هنگام توسعه حسگرها برای نظارت بر پارامترهای فیزیکی و مکانیکی مانند فشار، نیرو و شتاب‌هایی هستند که می‌توانند ایجاد کنند.

نام این کیم، نویسنده این مطالعه گفت: این فرضیه توسط حسگری که در 1000 درجه سانتیگراد می‌کند که بالاترین سطح کار در بین حسگرهای پیزوالکتریک است، ثابت شد.

حسگرها برای کار در این محیط‌ها باید در برابر بسیار بالا و شرایط سخت مقاومت کنند. برای، توربوماشین‌های هوافضا، مثلا دمای تولید بین ۷۵ درجه سانتیگراد تا ۵ درجه سانتیگراد می‌سازند. راکتورهای هسته‌ای در دمای بین ۳۰۰ درجه سانتیگراد تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد کار می‌کنند و دما در لوله‌های لوله مورد استفاده در پتروشیمی از گرمای نزدیک به قطب تا شمال گرمای شدید بیابان‌ها متفاوت است.

در مقایسه با حسگر GaN مشخص می‌شود که حسگر AlN دارای فاصله 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 900 درجه سانتیگراد، آتشفشان فوران گدازه مافیک که داغ‌ترین نوع گدازه روی زمین است، کار می‌کرد.

این مطالعه در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است.

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

بخوان  با لپ تاپ جدید «تینک پد ایکس ۱ کربن» شرکت لنوو آشنا شوید+ تصاویر

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

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

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 نرم‌افزار با سنجش دقیق نیز قرار دهند.

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

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

اثر پیزوالکتریک مجموعه 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 بسیاری از مواد از جمله تک بلورها، سرامیک‌ها، پلیمرها (بسپارها) و مواد مرکب دیده می‌شود.

به گزارش ایسنا و به نقل از نیو اطلس، حسگرهایی که برای نظارت بر محیط‌های خشن استفاده می‌شوند، با وجود دماهای بالا و شرایط سخت، نیاز به اندازه‌گیری قابل اعتماد دارند. اکنون پژوهشگران یک حسگر پیزوالکتریک ساخته‌اند که می‌تواند در فوران گدازه مافیک که داغ‌ترین نوع گدازه روی آن باشد، کار کند.

بخوان  کشف محل تخم‌گذاری ۱۰۰۰ کیلومتری دایناسورها در هند

اگر GaN یک نیمه هادی Bandgap (فاصله بند) پژوهشگران را انجام دادند، اما نتیجه به اثبات رساندن پهنای باند به اندازه کافی است. فاصله باند یا Bandgap به حداقل انرژی مورد نیاز برای حرکت یک الکترون و تولید رسانایی الکتریکی گفته می‌شود.

گروه پژوهشی این مطالعه قبلاً یک حسگر فشار پیالکتریک گالیوم نیترید(GaN) ساخته شد که برای استفاده در محیط‌های شدید طراحی شده بود. با این حال، آنها دریافتند که حسگر در بالاتر از 35 درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد.

اکنون که پژوهشگران استحکام حسگر پیزوالکتریک AlN خود را در آزمایشگاه نشان داده اند، می خواهند آن را در محیط های واقعی آزمایش کنند.

انتهای پیام



منبع

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 بارها اندازه‌گیری می‌کنند.

پژوهشگران عملکرد حسگرهای AlN و GaN را با قرار دادن آنها در یک کوره لوله‌ای و افزایش حرارت از 100 درجه سانتیگراد به 90 درجه سانتیگراد مقایسه کردند و از گاز نیتروژن تنظیم شده با فشار برای ارزیابی قابل سنجش فشار آنها استفاده می‌شود.

پژوهشگران دانشگاه هیوستون یک حسگر پیزوالکتریک ساخته‌اند که می‌توان این شرایط را تحمل کرد و در عین حال حساس و قابل اعتماد باقی بماند.

از مواد پیزوالکتریک در مبدل‌ها و وسایلی که انرژی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند یا برعکس استفاده می‌شوند. کاربردهای نام‌آشنایی از جمله‌های گرامافون، میکروفون‌ها، مولدهای فراصوت و حسگرهای سونار از ویژگی‌های پیزوالکتریک استفاده می‌کنند.