EN
Vật liệu chịu được nhiệt độ cao được sử dụng trong bao bì và chất nền cho cảm biến
Silicon cacbua, gốm sứ và các bán dẫn có vùng cấm rộng khác
Các vật liệu được sử dụng cho cảm biến nhiệt độ cao hoạt động ở nhiệt độ 600°C trở lên là các loại gốm ổn định ở nhiệt độ cao. Các chất nền được sử dụng bao gồm nhôm oxit, bari titanat-stronti và nitrua silic—những vật liệu có tính ổn định nhiệt tốt, điểm nóng chảy cao (>1800 °C) và hệ số giãn nở nhiệt thấp, ổn định (< 4,5 ppm/K) nhằm tránh hiện tượng sốc nhiệt và nứt vỡ. Silic cacbua (SiC) là một bán dẫn có vùng cấm rộng, có độ dẫn nhiệt 4,9 W/cm·K và khả năng cách điện cũng như chống oxy hóa ở nhiệt độ cao (trên 300 °C). Điều này cho phép tích hợp SiC vào các hệ thống điều khiển bằng ngọn lửa cháy và tuabin, nơi nhiệt độ vượt quá giới hạn vận hành của SiC. Hơn nữa, nhờ đặc tính áp điện trở, các loại gốm BTS có khả năng vận hành cảm biến biến dạng và cảm biến áp suất trong môi trường nóng.
Độ tin cậy nhiệt-cơ của lớp bao phủ dưới ứng suất chu kỳ ở 600°C
Có các xung nhiệt lặp đi lặp lại tác động lên lớp bao phủ kín (encapsulation), và việc duy trì tính toàn vẹn của lớp này là một trong những thách thức lớn nhất mà hiện tượng này đặt ra. Nhôm oxit (alumina) hoặc nitrua nhôm (aluminum nitride) cung cấp lớp bao phủ kín có khả năng chống ăn mòn. Lớp bao phủ này cũng phải chịu được sự uốn cong liên tục do sự chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt (CTE) giữa các vật liệu bao phủ khác nhau. Các hợp kim platin-iridi được sử dụng làm rào cản khuếch tán kim loại, có khả năng chịu đựng số chu kỳ nhiệt cao nhất (trên 10.000 chu kỳ nhiệt) đồng thời vẫn duy trì được tiếp xúc ôm (ohmic contact). Hiện nay, phương pháp hàn hợp kim vàng-thiếc (eutectic gold-tin) đang được áp dụng trong nhiều trường hợp vì nó có thể chịu đựng được nhiều chu kỳ nhiệt hơn đáng kể (lên đến 5 lần) so với các loại hàn tiêu chuẩn; điều này đã được mô phỏng bằng Phương pháp Phần tử Hữu hạn (Finite Element Modeling) chứng minh rằng các mối hàn giòn chính là những vùng chịu ứng suất cao nhất. Nhiều giếng địa nhiệt đã chứng minh được rằng cảm biến gốm vẫn duy trì độ trôi hiệu chuẩn ở mức 0,02% sau 18 tháng hoạt động ở nhiệt độ 600 °C. Điều này là do các cảm biến đã được thiết kế với tốc độ giãn nở nhiệt phù hợp nhằm phân bố đều ứng suất. Đây cũng là kết quả của các lớp phủ mới có khả năng giảm thiểu hiện tượng bong lớp (delamination) tới 40% trong quá trình thử nghiệm tăng tốc.
Cảm biến nhiệt độ với các nguyên lý cảm biến tối ưu cho độ ổn định cao
Cảm biến áp điện AlN và các lựa chọn khác dựa trên kỹ thuật điều chỉnh vùng cấm
AlN có thể được sử dụng làm nền cảm biến áp điện cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao, hỗ trợ tín hiệu ổn định mà không cần cấp điện ở nhiệt độ trên 1150°C (các nghiên cứu công bố trên Tạp chí Khoa học Vật liệu năm 2024 ghi nhận độ trôi nhỏ hơn 1% sau thời gian phơi nhiễm kéo dài). Kỹ thuật điều chỉnh vùng cấm có thể mở rộng thêm dải nhiệt độ hoạt động. GaN và ScAlN giúp tăng hệ số áp điện và duy trì khả năng chịu nhiệt cao hơn 200%, từ đó đảm bảo độ chính xác trong việc đo áp suất và gia tốc trong động cơ phản lực cũng như quá trình xử lý kim loại nóng chảy. Các ưu điểm vận hành bổ sung bao gồm chế độ hoạt động thụ động (không tiêu thụ điện), miễn nhiễm với nhiễu điện từ và thời gian đáp ứng ở mức microgiây đối với các biến thiên nhiệt.
Cảm biến nhiệt độ cao quang học: FBG được tái tạo và FBG được ghi bằng xung femtosecond
Cảm biến quang học sử dụng mạng Bragg được tái tạo và ghi bằng laser femtosecond (FBG) loại bỏ hoàn toàn các linh kiện điện tử khỏi vùng nhiệt độ cao, từ đó giải quyết các chế độ hỏng hóc chủ yếu của cảm biến truyền thống. Các FBG được tái tạo—được ủ nhiệt để tạo thành các cấu trúc chịu nhiệt—đạt độ ổn định bước sóng ±0,5 pm dưới tải chu kỳ ở 600°C. Việc khắc mạng bằng laser femtosecond tạo ra các mạng ổn định trong sợi ngọc bích (sapphire), cho phép hoạt động liên tục hơn 10.000 giờ ở nhiệt độ 1000°C (Tạp chí Optics Express, 2023). Các cảm biến này đã được ứng dụng trong lò phản ứng hạt nhân và giếng địa nhiệt, cung cấp khả năng đo biến dạng trên chiều dài hơn 50 m, độ bền với bức xạ, giám sát ăn mòn và phát hiện hydro theo thời gian thực, do đó trở nên thiết yếu cho cơ sở hạ tầng hàng không vũ trụ và năng lượng.
Điện tử silicon cacbua cho việc xử lý tín hiệu và tích hợp ở nhiệt độ 600°C
Bộ khuếch đại JFET silicon cacbua và độ ổn định tiếp xúc ôm trong các hệ thống cảm biến nhiệt độ cao
Silicon Carbide (SiC) cung cấp độ dẫn nhiệt cao nhất (gấp 3,5 lần) và độ ổn định ở nhiệt độ trên 600 °C, cho phép tích hợp monolitic các cảm biến nhiệt độ cao và mạch điện xử lý tín hiệu. Các bộ khuếch đại JFET dựa trên SiC mang lại độ khuếch đại ổn định và nhiễu thấp, trong khi các linh kiện silicon (Si) bị suy giảm và gây trôi tín hiệu ở cấp độ hệ thống. Các tiếp xúc ôm (ohmic contacts) trở nên kém đi do phản ứng giao diện giữa lớp kim loại hóa và SiC ở nhiệt độ trên 500 °C, dẫn đến điện trở tiếp xúc tăng và mất hiệu chuẩn. Các lớp chắn niken/tantalum kìm hãm hiện tượng di chuyển điện tử (electromigration) và khuếch tán lẫn nhau (interdiffusion), nhờ đó đảm bảo độ nguyên vẹn của tiếp xúc sau hơn 1.000 chu kỳ nhiệt. Các gói tích hợp đầy đủ gồm cảm biến và bộ khuếch đại SiC có thể duy trì độ chính xác đo lường ở mức ±1 % trong điều kiện hoạt động liên tục ở 600 °C.
Triển khai thực tế các cảm biến nhiệt độ cao: Từ kiểm định đến ứng dụng công nghiệp
Các mảng FBG đạt tiêu chuẩn thực địa và những thông tin rút ra từ Chương trình HOTS trong môi trường hạt nhân và địa nhiệt
Các mảng cảm biến FBG được đánh giá thực địa đã chứng minh hiệu năng bền bỉ trong các ứng dụng then chốt, nơi các cảm biến thông thường thất bại—trong lõi lò phản ứng hạt nhân và các giếng địa nhiệt sâu. Chương trình Cảm biến Nhiệt độ Cao (HOTS) đã xác thực các hệ thống quang học thông qua hơn 1.000 giờ vận hành liên tục ở nhiệt độ 600°C trong môi trường mô phỏng lò phản ứng, ghi nhận độ trôi bước sóng dưới 0,1%—yếu tố then chốt đối với việc giám sát tình trạng sức khỏe kết cấu. Trong môi trường địa nhiệt, các cảm biến FBG phủ lớp safia kim loại chịu được dung dịch nước mặn ăn mòn, chu kỳ thay đổi áp suất lên đến 25 MPa và sốc nhiệt, cho phép giám sát thời gian thực tính toàn vẹn của lỗ khoan. Khả năng miễn nhiễm với nhiễu điện từ của chúng hỗ trợ đo thông lượng neutron trong các cơ sở hạt nhân và giảm 40% số lượng điểm xuyên cáp so với các mảng cặp nhiệt điện. Đặc biệt, các rãnh ghi bằng tia laser femtosecond đã chịu được 500 chu kỳ sốc nhiệt (600°C ↔ 25°C) mà không bị nứt—vượt qua một hạn chế đáng kể của các giải pháp thay thế làm từ silica. Những khả năng đã được kiểm chứng thực địa này hiện đang cho phép thực hiện bảo trì dự đoán tại các khu vực trước đây chưa thể giám sát, qua đó giảm 30% thời gian ngừng hoạt động của tua-bin trong các nhà máy địa nhiệt siêu tới hạn.
Câu hỏi thường gặp
Các vật liệu nào thường được sử dụng làm nền cho cảm biến chịu nhiệt độ cao?
Các nền cảm biến chịu nhiệt độ cao thường dùng bao gồm nhiều loại vật liệu gốm, nhôm oxit (Al₂O₃), nitrua silic (Si₃N₄), gốm bari titanat-stronti (BTS) và các bán dẫn có vùng cấm rộng như cacbua silic (SiC). Những vật liệu này mang lại tính ổn định nhiệt và khả năng chống chịu tốt đối với chu kỳ thay đổi nhiệt.
Độ tin cậy của cảm biến ở nhiệt độ cao khi áp dụng các kỹ thuật bao phủ là bao nhiêu?
Việc quản lý ứng suất nhiệt và các cơ chế giảm trôi sai số hiệu chuẩn mà những phương pháp này sử dụng cho phép vận hành liên tục ở nhiệt độ cao.
Những lợi thế khi sử dụng cacbua silic (SiC) trong môi trường nhiệt độ cao cho việc xử lý tín hiệu là gì?
Tín hiệu cũng khó bị trôi do ứng suất nhiệt. Nhờ tích hợp điện tử SiC, việc xử lý tín hiệu trở nên khả thi ngay trong các vùng vận hành ở nhiệt độ cao.
Các công nghệ cảm biến quang học mang lại những ưu điểm gì trong môi trường khắc nghiệt?
Việc không có các thành phần điện tử trong vùng nhiệt độ cao, kết hợp với các công nghệ cảm biến quang học như mạng nhiễu xạ Bragg sợi quang (FBG), giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Các công nghệ này không chỉ được thiết kế để chịu đựng được điều kiện khắc nghiệt mà còn có khả năng chống bức xạ, đồng thời cung cấp dữ liệu thời gian thực nhằm giám sát cấu trúc và môi trường.
