Vereenvoudiging van sensorfabricage met lijmverbindingen

Sensoren vormen de ruggengraat van een gedigitaliseerde samenleving en meten een breed scala aan fysieke kenmerken in elk type toepassing, van alledaagse consumentenproducten tot bedrijfskritische systemen in de lucht- en ruimtevaart, automobielindustrie, industriële, medische, optische en elke andere toepassing die afhankelijk is van slimme, sensor- gebaseerde apparaten. Sensoren kunnen elk type fundamentele fysieke grootheden meten, zoals temperatuur en druk, evenals dynamische kenmerken zoals versnelling en rotatie.

Voor elk type meting kunnen productontwikkelaars sensoren vinden met het vereiste dynamische bereik, de gevoeligheid en nauwkeurigheid. Gecombineerd in enkele pakketten en modules, bevatten sterk geïntegreerde oplossingen meerdere sensoren met signaalconditioneringsketens, processors en zelfs optische subsystemen om complexere meetmodaliteiten te ondersteunen, zoals biometrie, traagheidsmeting en diverse monitoringmogelijkheden. Actieve chemische biosensoren gaan zelfs nog verder door moleculen in te bedden in een matrix of membraan bestaande uit epoxyhars die het molecuul immobiliseert zonder zijn vermogen om te interageren met moleculen van belang aan te tasten. In feite spelen epoxy- en siliconenverbindingen een cruciale rol in allerlei soorten sensoren.

Of ze nu gebaseerd zijn op eenvoudige junction-apparaten, geavanceerde micro-elektromechanische systemen (MEMS) of zelfs biosensing-membranen, van sensoren wordt verwacht dat ze op betrouwbare wijze nauwkeurige gegevens leveren ondanks ruwe behandeling, ruwe omgevingen en aanhoudende stress door thermische, chemische of mechanische factoren door elke combinatie van ongunstige bedrijfsomstandigheden. Hun prestaties en levensduur zijn in hoge mate afhankelijk van geavanceerde productiemethoden die meerdere materialen combineren tot precisieassemblages.

Binnen deze samenstellingen spelen epoxy- en siliconenverbindingen een cruciale rol als kleefstoffen, underfill-inkapselingsmiddelen, potgrondstoffen of conforme coatings die nodig zijn om sensorcomponenten te stabiliseren, hechten en beschermen tijdens fabricage en voortgezet gebruik in hun doeltoepassingen. Door sensorcomponenten te binden en te beschermen, helpen deze verbindingen de sensorfabricage te vereenvoudigen en blijvende prestaties van deze apparaten te garanderen. Bij het vervullen van hun rol moeten deze verbindingen een combinatie van strikte vereisten ondersteunen die uniek zijn voor elke toepassing.

Voldoen aan diverse vereisten

Ondanks de diverse kenmerken die nodig zijn om de fabricage en inzet van verschillende detectieapparatuur te ondersteunen, kunnen ontwerpingenieurs en fabrikanten kant-en-klare of gemakkelijk aangepaste epoxy- en siliconensystemen vinden die zijn ontworpen om aan bijna elke prestatie- en hanteringsvereiste te voldoen. Voor apparaten die bedoeld zijn voor temperatuurdetectietoepassingen, kunnen fabrikanten profiteren van beschikbare verbindingen die de hoge thermische geleidbaarheid vertonen die nodig is om compromitterende metingen te voorkomen.

Thermische geleidbaarheid en cryogene bruikbaarheid: Hoewel het een essentiële vereiste is voor temperatuursensorassemblages, kan een hoge thermische geleidbaarheid een cruciale rol spelen in andere soorten sensorsystemen. In lucht- en ruimtevaart- en astrofysica-toepassingen kunnen zowel thermische geleidbaarheid als cryogene bruikbaarheid kritische vereisten zijn. Ingenieurs bij GL Scientific moesten een module ontwikkelen voor het huisvesten van infraroodsensorchiparrays voor gebruik in een adaptief optisch beeldinstrument voor een telescoop. ^[1]

Een van de ontwerpdoelstellingen is het vermogen om de temperatuur van de modulebasisplaat en het beeldvlak van de camera binnen 0,1 kelvin (K) te regelen met behulp van een combinatie van cryogene en warmtecycli om thermische stabiliteit te bereiken. In dit ontwerp zouden temperatuursensoren en verwarmers aan het brandvlak en de basisplaat worden gehecht om thermische cycli te bewaken en te regelen. Het ontwerp vereiste daarom een ​​elektrisch isolerende hechtverbinding met een hoge thermische geleidbaarheid en het vermogen om thermische cycli tot cryogene temperaturen te weerstaan, terwijl de hechtsterkte en de thermische en structurele stabiliteit behouden bleven.

Bovendien moest de bindingsverbinding op betrouwbare wijze sterke bindingen vormen met ongelijksoortige materialen. In dit geval werd het brandvlak geconstrueerd uit titanium-zirkonium-molybdeen en molybdeen en tenslotte bedekt met goud; de grondplaat is gemaakt van aluminium en vernikkeld. Voor deze toepassing koos het GL Scientific engineering-team Master Bond EP37-3FLFA0 - een epoxysysteem met een hoge thermische geleidbaarheid, uitstekende elektrische isolatie-eigenschappen en goede fysieke sterkte met behoud van mechanische flexibiliteit bij temperaturen van 4K tot 250 °C.

Elektrische isolatie en verwerking: De specifieke prestatie- en verwerkingskenmerken van een hechtmiddel kunnen sterk variëren van toepassing tot toepassing. Weinig toepassingen demonstreren het brede scala aan vereisten waaraan bindingsverbindingen worden gesteld die worden aangetroffen in biochemische of biofysische toepassingen. In een reeks experimenten gebruikten onderzoekers van de Carnegie Mellon University fotolithografische technieken om microscopisch kleine elektrode-arrays te maken die zijn ontworpen om veranderingen in de impedantie van cellen te meten die zijn blootgesteld aan verschillende medicijnen. ^[2] Omdat deze methode gemakkelijk kan worden geautomatiseerd, kan het laboratoria helpen om de doorvoer van geneesmiddelenscreening drastisch te versnellen, wat een kritieke mogelijkheid biedt voor de gezondheidszorg.

Vanwege de gevoeligheid van deze aanpak moest het onderzoeksteam ervoor zorgen dat de meetsignaalketen vrij bleef van artefacten die de resultaten zouden kunnen veranderen. In dit geval had het team een ​​verbinding nodig die blootgestelde delen van de elektrode-array kon coaten om parasitaire capaciteit te verminderen die de metingen aanzienlijk zou kunnen veranderen. Tegelijkertijd moest de verbinding neutraal blijven ten opzichte van de biochemische omgeving om te voorkomen dat het biologische doelwit wordt aangetast. Voor deze toepassing kozen de onderzoekers Master Bond EP30HT - een epoxysysteem met sterke elektrische isolatie-eigenschappen en chemische weerstand. Hier gebruikte het onderzoeksteam Master Bond EP30HT om de interconnect op ongeveer 150 pm afstand van de elektroden te coaten, waardoor de parasieten tussen de interconnect en het vloeibare medium dat de levende cellen baadde die voor deze op impedantie gebaseerde bioassay-methode worden gebruikt, met succes werden verminderd.

Voldoen aan brede prestatie- en verwerkingsbehoeften

Geschikte lijmsystemen zijn direct beschikbaar met eigenschappen die zijn verfijnd met behulp van vulmaterialen die worden gecombineerd met de basismassa in verschillende belastingsfactoren. Met behulp van verschillende vulstoffen kunnen fabrikanten lijmverbindingen maken die zijn geoptimaliseerd voor specifieke combinaties van prestatiekenmerken zoals elektrische of thermische geleidbaarheid, chemische weerstand en stabiliteit, evenals verwerkingskenmerken zoals viscositeit, verwerkingstijd en uithardingstijd.

Andere soorten gespecialiseerde epoxy- en siliconenverbindingen zijn ontworpen om compatibiliteit te garanderen met belangrijke normen in de medische, ruimtevaart- en andere industrieën. Ingenieurs die geavanceerdere sensoren ontwikkelen die zijn ontworpen voor implantatie of plaatsing op de huid, hebben al volledig gebruik gemaakt van biocompatibele kleefstoffen om een ​​beschermende interface tussen instrumenten en botweefsel te bieden, ^[3] meting van opgeloste zuurstof inschakelen, ^[4] een volledig implanteerbare biosensor-array inkapselen, ^[5] en meer. Deze gespecialiseerde verbindingen bieden niet alleen de noodzakelijke thermische en elektrische geleidbaarheidskenmerken, maar voldoen ook aan de vereisten voor biocompatibiliteit zoals gespecificeerd in de USP Class VI- en ISO10993-5-normen.

Evenzo kunnen ingenieurs die aan assemblages voor ruimtevaartsystemen of andere toepassingen met gevoelige elektronica werken, lijmverbindingen vinden die voldoen aan de ASTM E595- en NASA-vereisten voor lage ontgassing. Het gebruik van deze verbindingen helpt ervoor te zorgen dat optische systemen, gevoelige elektronica of andere oppervlakken zelfs na uitharding vrij blijven van verontreiniging door vluchtige verbindingen die soms door lijm worden afgescheiden.

Nieuwe materialen en methoden

Sensortechnologie blijft zich snel ontwikkelen en houdt gelijke tred met de vooruitgang in materiaalwetenschap en productietechniek. Geavanceerde spanningssensoren op basis van enkelwandige koolstofbuis-nanocomposieten of zeer gevoelige warmtedetectoren die gebruikmaken van de pyro-elektrische eigenschappen van opkomende galliumnitride (GaN) -apparaten, beloven nieuwe toepassingen aan te sturen met behulp van deze nanosensoren om subtiele verschijnselen te detecteren.

Andere sensortechnologieën bieden vergelijkbare voordelen voor een breed scala aan detectiemodaliteiten. Bedoeld om te worden geweven in textiel, geverfd op oppervlakken of gefabriceerd met 3D-printmethoden, zullen nieuwe soorten sensoren de ontwikkeling mogelijk maken van slimme producten die toegang hebben tot uitgebreidere meetgegevens. Meer dan ooit zullen deze opkomende sensoren lijmverbindingen nodig hebben die kunnen voldoen aan specifieke vereisten voor geleidbaarheid, biocompatibiliteit en productie. Net als bij sensoren zullen er steeds nieuwe verbindingen ontstaan, met behulp van nieuwe materialen en methoden voor vulstoffen op basis van geavanceerde materialen zoals grafeen, koolstofnanobuisjes, nanosilicaten en meer.

Dit artikel is geschreven door Rohit Ramnath, Senior Product Engineer, Master Bond (Hackensack, NJ). Ga voor meer informatie naar hier .

Referenties

1. Luppino, G. (2003). GSAOI H2RG 4Kx4K Detector Mozaïek Module Ontwerp Beschrijving. GL Wetenschappelijk Technisch Rapport. GLSTR-0301.
2. Nguyen, D., Domach, M. Huang, X., Greve, D. Impedantie-arraystudies van zoogdiercelgroei.
3. Aan, G, et al. (2008). Meerkanaals draadloos spanningskarteringsinstrument voor totale kniearthoplastiek met 30 microcantilevers en ASIC-technologie. IEEE SENSORS 2008 conferentie.
4. Wittkampf, M., et al. (1997). Silicium dunne film sensor voor het meten van opgeloste zuurstof. Sensoren en actuatoren B:Chemical, Vol. 43, doi:10.1016/S0925-4005(97)00138-X.
5. Baj-Rossi, C. et al. (2013). Fabricage en verpakking van een volledig implanteerbare biosensorarray. 2013 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference, BioCAS 2013. 166-169. doi:10.1109/BioCAS.2013.6679665.