Dans plusieurs industries cruciales – aérospatiale, énergie, transport et défense – des environnements extrêmes requièrent des capteurs pour mesurer et surveiller de nombreux facteurs sous des conditions rigoureuses afin d’assurer la sécurité humaine et l’intégrité des systèmes mécaniques.
Prenons l’exemple de l’industrie pétrochimique : les pressions des pipelines doivent être surveillées dans des climats allant de la chaleur du désert à un froid proche de l’arctique. Divers réacteurs nucléaires fonctionnent à des températures allant de 300 à 1000 degrés Celsius, tandis que les puits géothermiques profonds peuvent atteindre 600 degrés Celsius.
Une équipe de chercheurs de l’Université de Houston a développé un nouveau capteur capable de fonctionner à des températures allant jusqu’à 900 degrés Celsius, soit 1 650 degrés Fahrenheit, ce qui correspond à la température d’éruption de la lave volcanique mafique, le type de lave le plus chaud sur Terre.
« Des capteurs hautement sensibles, fiables et durables qui peuvent tolérer de tels environnements extrêmes sont nécessaires pour l’efficacité, la maintenance et l’intégrité de ces applications, » a déclaré Jae-Hyun Ryou, professeur associé de génie mécanique à UH et auteur correspondant d’une étude publiée dans la revue Advanced Functional Materials.
Le travail de l’équipe de recherche de UH a déjà permis de développer un capteur de pression piézoélectrique III-N utilisant des films minces de nitrure de gallium (GaN) pour des applications dans des environnements extrêmes. 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 pensait que la baisse de sensibilité était due à la bande interdite – l’énergie minimale requise pour exciter un électron et fournir une conductivité électrique – n’étant pas assez large. Pour tester cette hypothèse, ils ont développé un capteur à base de nitrure d’aluminium, ou AlN.
« L’hypothèse a été confirmée par le fonctionnement du capteur à environ 1000 degrés Celsius, ce qui est la température de fonctionnement la plus élevée parmi les capteurs piézoélectriques, » a déclaré Nam-In Kim, premier auteur de l’article et étudiant postdoctoral travaillant avec le groupe Ryou.
Alors que l’AlN et le GaN ont des propriétés uniques et excellentes qui sont appropriées pour une utilisation dans des capteurs pour des environnements extrêmes, les chercheurs étaient 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 faire face à des défis techniques liés à la synthèse et à la fabrication du film mince AlN, de haute qualité et flexible.
« J’ai toujours été intéressé par la fabrication de dispositifs à partir de différents matériaux, et j’adore caractériser divers matériaux. Travailler dans le groupe Ryou, notamment sur les dispositifs piézoélectriques et les matériaux III-N, m’a permis d’utiliser les connaissances que j’ai acquises lors de mes études, » a déclaré Kim, qui a obtenu son doctorat en science des matériaux et ingénierie à l’UH en 2022. Sa thèse, récompensée par un prix, portait sur les capteurs piézoélectriques flexibles pour les soins de santé personnels et les environnements extrêmes.
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« Ce fut très intéressant de voir le processus menant aux résultats réels et nous avons résolu les défis techniques lors du développement et de la démonstration du capteur, » a-t-il ajouté.
Quelle est la prochaine étape ?
Maintenant que les chercheurs ont démontré avec succès le potentiel des capteurs piézoélectriques haute température avec l’AlN, ils vont le tester plus en avant dans des conditions réelles et extrêmes.
« Notre plan est d’utiliser le capteur dans plusieurs scénarios difficiles. Par exemple, dans des centrales nucléaires pour l’exposition aux neutrons et le stockage de l’hydrogène pour tester sous haute pression, » a déclaré Ryou. « Les capteurs AlN peuvent fonctionner dans des atmosphères exposées aux neutrons et à des gammes de pression très élevées grâce à leurs propriétés matérielles stables.«
La flexibilité du capteur offre des avantages supplémentaires qui le rendront utile pour des applications futures sous forme de capteurs portables dans les produits de surveillance de la santé personnelle et pour une utilisation dans la robotique douce à détection précise.
Les chercheurs espèrent que leur capteur sera commercialement viable à un moment donné dans le futur. « Il est difficile de fixer une date précise à ce moment, mais je pense que c’est notre travail en tant qu’ingénieurs de le rendre possible le plus tôt possible, » a déclaré Kim.
Illustration image : 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.
L’article, mis en avant sur la 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.”
