White paper SOS

Il rilevamento della pressione è fondamentale in settori come quello aerospaziale, automobilistico, dell’idrogeno, oil&gas, medico e dell’automazione industriale. Poiché questi settori richiedono sempre di più dai sensori, in particolare in condizioni ambientali estreme, le tecnologie tradizionali (piezoresistiva ed estensimetri) mostrano i propri limiti. I sensori di pressione silicio su zaffiro offrono un vantaggio significativo sfruttando l’elevata purezza e inerzia chimica dei substrati di zaffiro, consentendo sensori più stabili e precisi in condizioni di alta pressione e alta temperatura.

La tecnologia Silicon-on-Sapphire (SoS) prevede la crescita di un sottile strato di silicio su un substrato di zaffiro (ossido di alluminio). Lo zaffiro è un materiale isolante e altamente durevole con eccellenti proprietà termiche e meccaniche. La struttura cristallina dello zaffiro si combina in modo ottimale con il silicio, consentendo di costruire circuiti di silicio direttamente sulla superficie dello zaffiro. Questa soluzione offre vantaggi unici in termini di durata, stabilità della temperatura e miniaturizzazione, rendendola particolarmente adatta per la creazione di sensori di pressione affidabili per ambienti critici.

I wafer SIlicon-on-Sapphire si formano depositando il silicio sul substrato di zaffiro a temperature molto elevate. Lo zaffiro naturale tende a contenere impurità, da qui la necessità di coltivare in un ambiente controllato il cristallo sintetico di purezza adeguata. I lingotti di zaffiro successivamente vengono tagliati con un angolo di 60º, il c.d. “R-Plane”. Lo scopo è esporre gli atomi di ossigeno presenti nel cristallo e, poiché la loro disposizione è quasi identica a quella di un cristallo di silicio, il silicio stesso può essere depositato in modo preciso sulla superficie del wafer di zaffiro.

Gli estensimetri in silicio drogato vengono incisi sullo strato di silicio e risultano isolati elettricamente l’uno dall’altro grazie alle eccezionali caratteristiche del substrato. La capacità di lavorare ad alte temperature, l’inerzia chimica e la virtuale assenza di isteresi rendono questi estensimetri ideali per l’uso nei sensori di pressione.

L’utilizzo della tecnologia SoS nei sensori consente di ottenere un’eccellente stabilità a lungo termine (deviazione <0,2%) e presenta anche un notevole vantaggio anche rispetto ai sensori in silicio non-SOS. Il ponte di Wheatstone creato durante la produzione è esente da sollecitazioni residue che possono aumentare l’isteresi e gli errori di non ripetibilità, che sono causa della riduzione della stabilità a lungo termine. Inoltre, non sono presenti leganti tra l’elemento sensibile e il substrato di zaffiro che possono invecchiare e causare instabilità delle letture.

3.1 Resilienza alle alte temperature
Uno dei vantaggi più significativi della tecnologia SoS è la sua capacità di resistere a temperature estreme. I sensori tradizionali a base di silicio si degradano o si guastano se esposti a temperature elevate a causa della rottura dei componenti in silicio e dei circuiti associati. Lo zaffiro, ivece, può resistere a temperature fino a 2.000 °C, consentendo ai sensori SoS di funzionare efficacemente in ambienti fino a 300 °C o superiori senza degradazione. Questo li rende ideali per applicazioni aerospaziali, automobilistiche e industriali in cui le temperature spesso superano le capacità dei sensori convenzionali.

3.2 Durata meccanica
Lo zaffiro è un materiale chimicamente inerte ed estremamente duro, valutato 9 sulla scala di durezza di Mohs, appena sotto il diamante. Questa caratteristica rende i sensori SoS altamente resistenti all’usura fisica e alla corrosione chimica, prolungando significativamente la durata dello strumento anche se impiegato in ambienti difficili. I sensori di pressione tradizionali, in particolare quelli esposti a materiali abrasivi o corrosivi, subiscono un’usura più rapida, che può portare a deriva e a guasti. I sensori SoS sono, quindi, rappresentano la scelta preferita nelle applicazioni oil&gas subsea, geotermiche e in tutte quelle in cui la durata è fondamentale.

4.1 Sensore piezoresistivo
I sensori piezoresistivi utilizzano l’effetto piezoresistivo del silicio per misurare la pressione. Sebbene ampiamente utilizzati, sono sensibili alle variazioni di temperatura che possono introdurre errori. Spesso richiedono circuiti di compensazione della temperatura aggiuntivi, che aumentano il consumo energetico e limitano le prestazioni alle alte temperature. I sensori SoS, al contrario, sono intrinsecamente stabili in tutti gli intervalli di temperatura, fornendo un vantaggio significativo in ambienti estremi.

4.2 Strain Gauge Sensors
I sensori estensimetrici si basano su elementi resistivi per misurare la deformazione, che è correlata alla pressione. Questi sensori sono generalmente meno sensibili e hanno un tempo di risposta più lento rispetto ai sensori SoS. Sono anche meno durevoli a causa dei materiali utilizzati; sono pertanto meno adatti all’impiego in ambienti con temperature e/o pressioni elevate, dove, invece i sensori SoS eccellono.

5.1 Aerospazio e difesa
L’industria aerospaziale richiede sensori in grado di funzionare in modo affidabile in presenza di variazioni estreme di temperatura e pressione, come quelle che si incontrano nei motori o ad alta quota. I sensori SoS sono ideali per queste condizioni, in cui altre tecnologie di sensori potrebbero fallire.

5.2 Industria automobilistica
Le applicazioni automobilistiche, in particolare nel monitoraggio dei motori e nei sistemi di scarico, richiedono sensori che resistano alle alte temperature e forniscano letture accurate per periodi prolungati. I sensori SoS consentono una migliore efficienza del carburante e un migliore controllo delle emissioni, fornendo dati precisi e in tempo reale anche in ambienti con motori ad alta temperatura.

5.3 Oil & Gas
In queste applicazioni i sensori sono spesso esposti a condizioni corrosive e ad alte pressioni. La durata e la stabilità della temperatura dei sensori SoS consentono un monitoraggio più affidabile della pressione nelle apparecchiature di perforazione ed estrazione.

5.4 Automazione industriale
Gli ambienti industriali spesso comportano fluttuazioni di temperatura, alte pressioni ed esposizione a sostanze chimiche. I sensori di pressione SoS, grazie alla loro robustezza e precisione, migliorano il controllo dei processi e la sicurezza nella produzione, nella chimica e nella generazione di energia.

5.5 Idrogeno
In queste applicazioni gli ambienti sono spesso soggetti a condizioni estreme, come variazioni di temperatura, pressioni elevate ed esposizione a sostanze chimiche aggressive. I sensori di pressione Silicon-on-Sapphire (SoS) eccellono in questi contesti grazie alla loro ineguagliabile durata e precisione. La loro resilienza garantisce prestazioni affidabili, rendendoli ideali per applicazioni come la produzione, il trattamento chimico e la generazione di energia, dove il controllo dei processi e la sicurezza sono fondamentali.

5.6 Aree pericolose
I sensori di pressione Silicon-on-Sapphire (SoS) sono superiori nelle applicazioni in aree pericolose grazie alla loro eccezionale durata, resistenza chimica e capacità di funzionare in modo affidabile in ambienti estremi. A differenza dei sensori di pressione tradizionali, la tecnologia SoS combina la durezza dello zaffiro con la stabilità del silicio, rendendoli altamente resistenti alla corrosione, alle alte temperature e alle sollecitazioni meccaniche. Questo garantisce prestazioni accurate e affidabilità a lungo termine nelle aree pericolose, dove la sicurezza e la precisione sono fondamentali, superando le tecnologie dei sensori alternativi.

5.7 Ambiente marino
I sensori di pressione Silicon-on-Sapphire (SoS) sono ideali grazie alla loro impareggiabile resistenza a condizioni ambientali difficili come la corrosione dell’acqua salata, pressioni estreme e ampie fluttuazioni di temperatura. A differenza dei sensori di pressione tradizionali, il substrato di zaffiro dei sensori SoS offre un’eccezionale durata e stabilità chimica, garantendo prestazioni precise e affidabili. Questo, unitamente all’impiego del titanio, li rende la scelta migliore per applicazioni come l’esplorazione subacquea, i sistemi navali e le operazioni offshore di petrolio e gas, dove l’affidabilità e la longevità sono fondamentali.

5.8 OEM
Per le applicazioni OEM, dove la flessibilità di progettazione è essenziale, i sensori di pressione costruiti con la tecnologia Silicon-on-Sapphire (SoS) si distinguono per la loro capacità di essere facilmente personalizzati per requisiti specifici. Il loro design compatto, unito a un’elevata precisione e a prestazioni robuste, garantisce una perfetta integrazione in un’ampia gamma di sistemi, anche in condizioni difficili. A differenza di altre tecnologie, i sensori SoS offrono un’affidabilità eccezionale a temperature e pressioni estreme, rendendoli la soluzione ideale per le esigenze degli OEM che richiedono precisione e adattabilità.

Sebbene i sensori di pressione SoS offrano numerosi vantaggi, devono affrontare sfide in termini di costi e complessità del processo produttivo. La sintesi di substrati di zaffiro di alta qualità e l’integrazione con il silicio può essere più costosa rispetto ad altre tecnologie. Tuttavia, con l’aumento della domanda di sensori affidabili e ad alte prestazioni, è probabile che le economie di scala e i progressi nelle tecniche di fabbricazione riducano i costi. Gli sviluppi futuri potrebbero concentrarsi su un’ulteriore miniaturizzazione, sull’integrazione di funzionalità aggiuntive (ad esempio, la comunicazione wireless) e sull’espansione in applicazioni ancora più ampie. Con l’avvento dell’Internet of Things (IoT), i sensori SoS sono ben posizionati per supportare ambienti sempre più complessi dal punto di vista dell’acquisizione e rilevazione dei dati.

La tecnologia SoS rappresenta un progresso significativo rispetto alle tradizionali tecnologie di rilevamento della pressione, offrendo prestazioni superiori in termini di resilienza alla temperatura, durata meccanica, precisione, efficienza energetica e potenziale di miniaturizzazione. Poiché le industrie richiedono sensori di pressione sempre più robusti e precisi per l’uso in condizioni estreme, i sensori SoS stanno emergendo come scelta preferita. I loro vantaggi li rendono ideali per un’ampia gamma di applicazioni, tra cui l’aerospaziale, l’automotive, il petrolio e il gas e l’automazione industriale, dove l’affidabilità e la precisione sono fondamentali.

Superando i limiti dei sensori di pressione convenzionali, la tecnologia Silicon-on-Sapphire non solo migliora le attuali pratiche industriali, ma apre anche la strada a nuove applicazioni e progressi nel rilevamento della pressione.