Sensor Fabricatie Stroomlijnen met Geavanceerde Hechttechnologieën

Sensoren zijn de ruggengraat van een gedigitaliseerde samenleving, meten een breed scala aan fysieke kenmerken in elk type toepassing van alledaagse consumentenproducten tot missie-kritische systemen in luchtvaart, auto-industrie, industriële, medische, optische en elke andere toepassing die vertrouwt op slimme, sensor-gebaseerde apparaten. Sensoren kunnen elk type fundamentele fysieke hoeveelheden meten zoals temperatuur en druk, alsook dynamische kenmerken zoals versnelling en rotatie.

Voor elk type meting kunnen productontwikkelaars sensoren vinden met de vereiste dynamische bereik, gevoeligheid en nauwkeurigheid. Gecombineerd in enkele pakketten en modules, incorporeren hoog geïntegreerde oplossingen meerdere sensoren met signaalconditioneringketens, processors, en zelfs optische subsystemen om meer complexe meetmodaliteiten te ondersteunen, zoals biometrie, inertiële meting, en diverse monitoringcapaciteiten. Actieve chemische biosensoren gaan nog verder, door moleculen in een matrix of membraan van epoxyhars in te sluiten die het molecuul immobilizeert zonder de capaciteit om te interageren met moleculen van belang te degraderen. In feite spelen epoxy- en siliconeverbindingen een vitale rol in sensoren van alle typen.

Of gebaseerd op eenvoudige junction devices, geavanceerde micro-electro-mechanische systemen (MEMS) apparaten, of zelfs biosensing membranen, worden sensoren verwacht om nauwkeurige data betrouwbaar te leveren ondanks ruwe behandeling, harde omgevingen, en voortdurende stress van thermische, chemische, of mechanische factoren door elke combinatie van nadelige operationele condities. Hun prestaties en levensduur hangen kritiek af van geavanceerde productiemethoden die meerdere materialen in precisie-assemblages combineren.

Binnen deze assemblages vervullen epoxy- en siliconeverbindingen een kritieke rol als lijmiddelen, underfill encapsulants, potcompounds, of conformal coatings die nodig zijn om sensorcomponenten te stabiliseren, te binden en te beschermen tijdens fabricatie en voortgezet gebruik in hun doeltoepassingen. Door sensorcomponenten te binden en te beschermen, helpen deze verbindingen de sensorfabricatie te vereenvoudigen en de voortdurende prestaties van deze apparaten te garanderen. In het vervullen van hun rol moeten deze verbindingen een combinatie van strenge eisen ondersteunen die uniek is voor elke toepassing.

Voldoen aan Diversiteit in Eisen

Ondanks de diverse kenmerken die nodig zijn om fabricatie en implementatie van verschillende sensortoestellen te ondersteunen, kunnen ontwerpers en fabrikanten off-the-shelf of gemakkelijk aangepaste epoxy- en siliconesystemen vinden die ontworpen zijn om bijna elke prestatie- en afhandelingseis te matchen. Voor apparaten bedoeld voor temperatuursensing toepassingen, kunnen fabrikanten profiteren van beschikbare verbindingen die de hoge thermische geleidbaarheid vertonen die nodig is om metingen niet te compromitteren.

Thermische Geleiding en Cryogene Dienstbaarheid: Hoewel een essentiële vereiste voor temperatuursensor-assemblages, kan hoge thermische geleidbaarheid een vitale rol spelen in andere typen sensorsystemen. In luchtvaart- en astrofysica-toepassingen kunnen zowel thermische geleidbaarheid als cryogene dienstbaarheid kritieke vereisten zijn. Ingenieurs bij GL Scientific moesten een module ontwikkelen om infrarood sensorchip-arrays te huisvesten voor gebruik in een adaptieve optica imager instrument voor een telescoop. ^[1]

Ontwerpdoelstellingen omvatten de capaciteit om de temperatuur van de module basisplaat en imager focale vlak binnen 0,1 kelvin (K) te controleren met een combinatie van cryogene en hittecycli om thermische stabiliteit te bereiken. In dit ontwerp zouden temperatuursensoren en verwarmers aan het focale vlak en de basisplaat gebonden worden om thermische cycli te monitoren en te controleren. Gevolgd vereiste het ontwerp een elektrisch isolerende bindingsverbinding met hoge thermische geleidbaarheid, en het vermogen om thermische cycli tot cryogene temperaturen te weerstaan terwijl bindingssterkte alsook thermische en structurele stabiliteit behouden blijven.

Verder moest de bindingsverbinding betrouwbaar sterke bindingen vormen met ongelijke materialen. In dit geval was het focale vlak geconstrueerd uit titanium-zirconium-molybdeen en molybdeen en ten slotte met goud geplateerd; de basisplaat was geconstrueerd uit aluminium en nikkel geplateerd. Voor deze toepassing selecteerde het GL Scientific engineering team Master Bond EP37-3FLFA0 — een epoxysysteem met hoge thermische geleidbaarheid, uitstekende elektrische isolatie-eigenschappen, en goede fysieke sterkte terwijl mechanische flexibiliteit behouden blijft over temperaturen variërend van 4K tot 250 °C.

Elektrische Isolatie en Afhandeling: De specifieke prestatie- en afhandelingskenmerken van een bindingsverbinding kunnen dramatisch variëren van toepassing tot toepassing. Weinige toepassingen demonstreren de wijdheid aan eisen die bindingsverbindingen tegenkomen in bio-chemische of bio-fysische toepassingen. In een reeks experimenten gebruikten onderzoekers aan Carnegie Mellon University fotolithografische technieken om microscopische elektrode-arrays te creëren ontworpen om veranderingen in impedantie van cellen blootgesteld aan diverse geneesmiddelen te meten. ^[2] Omdat deze methode gemakkelijk geautomatiseerd kan worden, kan het laboratoria helpen de doorvoersnelheid van geneesmiddel-screening dramatisch te versnellen, wat een kritieke capaciteit voor gezondheidszorg biedt.

Vanwege de gevoeligheid van deze benadering, moest het onderzoeks-team ervoor zorgen dat de meet-signaal-keten vrij bleef van artefacten die de resultaten konden veranderen. In dit geval had het team een verbinding nodig die in staat was om blootgestelde delen van de elektrode-array te coaten om parasitair capaciteit te reduceren die de metingen significant kon veranderen. Tegelijkertijd moest de verbinding neutraal blijven ten opzichte van de bio-chemische omgeving om het biologische doelwit niet te beïnvloeden. Voor deze toepassing kozen de onderzoekers Master Bond EP30HT — een epoxysysteem met sterke elektrische isolatiekenmerken en chemische weerstand. Hier gebruikte het onderzoeks-team Master Bond EP30HT om interconnects ongeveer 150 pm van de elektroden te coaten, met succes parasieten tussen de interconnect en vloeistofmedium dat de levende cellen bad die gebruikt werden voor deze impedantie-gebaseerde bioassay-methode te reduceren.

Voldoen aan Brede Prestatie- en Verwerkingsbehoeftes

Geschikte lijmsystemen zijn gemakkelijk beschikbaar met kenmerken fijn-afgesteld met vulmaterialen die gecombineerd zijn met de basische verbinding in verschillende ladingfactoren. Door verschillende vullers te gebruiken, kunnen fabrikanten lijmverbindingen creëren die geoptimaliseerd zijn voor specifieke combinaties van prestatiekenmerken zoals elektrische of thermische geleidbaarheid, chemische weerstand, en stabiliteit alsook verwerkingskenmerken zoals viscositeit, verwerkingstijd, en uithardingstijd.

Andere typen gespecialiseerde epoxy- en siliconeverbindingen zijn ontworpen om compatibiliteit te garanderen met sleutelstandaarden in medische, luchtvaart, en andere industrieën. Ingenieurs die meer gesofisticeerde sensoren ontwikkelen ontworpen voor implantatie of plaatsing op de huid hebben al volledig profiteer van bio-compatibele lijmverbindingen om een beschermende interface te bieden tussen instrumenten en botweefsel, ^[3] meting van opgeloste zuurstof te ermöglichen, ^[4] een volledig implanteerbare biosensor-array te encapsuleren, ^[5] en meer. Deze gespecialiseerde verbindingen bieden niet alleen de benodigde thermische en elektrische geleidbaarheidskenmerken, maar voldoen ook aan eisen voor bio-compatibiliteit gespecificeerd in USP Class VI en ISO10993-5 standaarden.

Op dezelfde manier kunnen ingenieurs die aan assemblages voor luchtvaartsystemen of andere toepassingen met gevoelige elektronica werken, lijmverbindingen vinden die voldoen aan ASTM E595 en NASA eisen voor lage uitgassing. Het gebruik van deze verbindingen helpt ervoor te zorgen dat optische systemen, gevoelige elektronica, of andere oppervlakken vrij blijven van contaminatie door vluchtige verbindingen die soms door lijmiddelen uitgescheiden worden zelfs na uitharding.

Nieuwe Materialen en Methodes

Sensortechnologie blijft snel vooruitgaan, evenwijdig met vooruitgang in materiaalwetenschap en productietechniek. Geavanceerde rek-sensoren gebaseerd op single-walled koolstofbuis nanocomposieten of hooggevoelige warmte-detectoren die de pyro-elektrische eigenschappen van opkomende gallium-nitride (GaN) apparaten gebruiken, beloven nieuwe toepassingen te drijven die deze nanosensoren gebruiken om subtiele fenommenen te detecteren.

Andere sensortechnologieën brengen vergelijkbare voordelen tot een wijd scala aan sensormodaliteiten. Bestemd om in textielen geweven te worden, op oppervlakken geschilderd, of gefabriceerd met 3D-printmethoden, zullen nieuwe typen sensoren de ontwikkeling van slimme producten mogelijk maken die in staat zijn om meer uitgebreide meetdata te benaderen. Meer dan ooit zullen deze opkomende sensoren lijmverbindingen vereisen die in staat zijn om specifieke eisen voor geleidbaarheid, bio-compatibiliteit en productie te voldoen. Net als bij sensoren, zullen nieuwe verbindingen blijvend opduiken, met nieuwe materialen en methoden voor vullers gebaseerd op geavanceerde materialen zoals grafeen, koolstofnanobuizen, nanosilicaten, en meer.

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

Referenties

1. Luppino, G. (2003). GSAOI H2RG 4Kx4K Detector Mosaic Module Design Description. GL Scientific Technical Report. GLSTR-0301.
2. Nguyen, D., Domach, M. Huang, X., Greve, D. Impedance Array Studies of Mammalian Cell Growth.
3. To, G, et al. (2008). Multi-channels wireless strain mapping instrument for total knee arthoplasty with 30 microcantilevers and ASIC technology. IEEE SENSORS 2008 Conference.
4. Wittkampf, M., et al. (1997). Silicon thin film sensor for measurement of dissolved oxygen. Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 43, doi:10.1016/S0925-4005(97)00138-X.
5. Baj-Rossi, C. et al. (2013). Fabrication and packaging of a fully implantable biosensor array. 2013 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference, BioCAS 2013. 166-169. doi:10.1109/BioCAS.2013.6679665.