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Mesure de pression à technologie Silicon-on-Sapphire

À la découverte de la technologie SOS !

La mesure de la pression est de toute importance dans nombreuses applications industrielles. Les paramètres varient en termes de plage de pression, de température et de fluide, et il n’est pas toujours aisé de savoir quelle technologie de capteur choisir pour son application. Mais il est essentiel de faire le bon choix ! C’est ici qu’intervient ESI avec une solution de haute qualité…

 

Le secret d’une mesure de pression précise et fiable…

La combinaison du silicium et du saphir permet d’obtenir une cellule de mesure extrêmement durable. Parce que le silicium est déposé sur la surface du saphir, il est incroyablement stable et ne présente pratiquement aucune hystérésis. Grâce à ses propriétés d’isolation exceptionnelles, le saphir protège la jauge de contrainte du rayonnement électromagnétique et permet au capteur de fonctionner sur une très large plage de températures sans perte de performances. Il peut supporter des surpressions élevées et offre une excellente résistance à la corrosion. L’excellente élasticité du saphir garantit une répétabilité élevée, ce qui est une caractéristique hautement souhaitable pour les cellules.

Les avantages de l’utilisation de la technologie SOS sont significatifs

  • Le membrane en titane est soudée au raccord fileté en titane lui aussi, donc aucun joint torique
  • Haute précision
  • Haute résistance aux surpressions et pressions transitoires
  • Excellente résistance chimique
  • Stabilité à température élevée
  • Grande sensibilité, de 10 mV/V à 20 mV/V
  • Pression de mesure comprise entre -1 et 5.000 bar
  • Fabrication à partir de pièces usinées en titane
  • Pour les plages de pression élevées, usinage en une seule pièce en titane

Comment est fabriqué ce super capteur ?

Des couches de silicium sur saphir sont formées en déposant du silicium sur le substrat en saphir à des températures très élevées. Le saphir à l’état naturel a tendance à contenir des impuretés, aussi un cristal de saphir très pur est obtenu dans un laboratoire à l’environnement contrôlé. Des lingots de saphir sont coupés à un angle de 57°, ce processus étant désigné Plan R. Ce plan révèle des atomes d’oxygène agencés dans le cristal de façon presqu’identique à celle d’un cristal de silicium. Celui-ci peut alors être déposé proprement sur la surface de la couche de saphir.

Les jauges de contrainte en silicium dopé sont gravées à partir de la couche de silicium et chacune d’elles est électriquement isolées l’une de l’autres par les caractéristiques isolantes exceptionnelles du substrat en saphir. La capacité de fonctionner à des températures élevées, la neutralité chimique et la quasi-absence d’hystérésis rendent ces jauges de contrainte idéales pour une utilisation dans les capteurs de pression.

L’utilisation de la technologie Silicon-on-Sapphire donne une excellente stabilité à long terme <0,2% et présente également un avantage majeur par rapport aux autres technologies de capteurs en silicium. En effet, le pont de Wheatstone en silicium formé lors de la fabrication est exempt de toute contrainte résiduelle qui pourrait s’ajouter aux erreurs d’hystérésis et de non-répétabilité, et donc réduire la stabilité à long terme. Il n’y a pas d’agent de liaison entre l’élément de mesure et le substrat en saphir qui pourrait vieillir et provoquer une instabilité.

Où tout a commencé…

Une expérience très concrète en 1963 chez North American Aviation (aujourd’hui Boeing) a conduit à la découverte du SOS. Un verre de saphir a été poli en une forme sphérique et immergé dans un gaz contenant du silicium (une surface sphérique expose tous les plans qui existent dans un système cristallin). Il a été constaté que le silicium se développait dans certains recoins de la sphère, et ceux-ci ont été identifiés comme correspondant au plan R du saphir. Au milieu des années 1960, des chercheurs ont travaillé à transformer le processus S.O.S en une technologie industrialisable. La principale application était la protection des circuits fortement irradiés, mais il est vite devenu évident que d’autres avantages de la technologie S.O.S pouvaient conduire à une utilisation plus commerciale.

Une autre percée a été le développement de films SOS ultra-minces par le California Institute of Technology, en partenariat avec Hewlett Packard en 1978. Un processus appelé SPER (Solid Phase Epitaxial Re-growth) a été développé jusqu’au stade où la technologie SOS pourrait être commercialisée pour la première fois en 1990.

Le Silicon-on-Sapphire est désormais la technologie de détection de pression la plus avancée, et trouve de plus en plus sa place dans les applications à fort volume.