Упрощение изготовления датчиков с помощью клеевых составов

Датчики являются основой цифрового общества, измеряя широкий спектр физических характеристик в каждом типе приложений от повседневных потребительских товаров до критически важных систем в аэрокосмической, автомобильной, промышленной, медицинской, оптической и любой другой области применения, которая зависит от интеллектуальных, сенсорных технологий. устройства на базе. Датчики могут измерять все основные физические величины, такие как температура и давление, а также динамические характеристики, такие как ускорение и вращение.

Для каждого типа измерений разработчики продукции могут найти датчики с требуемым динамическим диапазоном, чувствительностью и точностью. Объединенные в отдельные пакеты и модули, высокоинтегрированные решения включают несколько датчиков с цепочками обработки сигналов, процессорами и даже оптическими подсистемами для поддержки более сложных методов измерения, таких как биометрические, инерциальные измерения и разнообразные возможности мониторинга. Активные химические биосенсоры идут еще дальше, встраивая молекулы в матрицу или мембрану, состоящую из эпоксидной смолы, которая иммобилизует молекулу, не ухудшая ее способность взаимодействовать с интересующими молекулами. Фактически, эпоксидные и силиконовые соединения играют жизненно важную роль в датчиках всех типов.

Независимо от того, основаны ли они на простых соединительных устройствах, усовершенствованных микроэлектромеханических системах (МЭМС) или даже биосенсорных мембранах, датчики должны надежно передавать точные данные, несмотря на грубое обращение, суровые условия и постоянное воздействие термических, химических или механических факторов в любой комбинации. неблагоприятные условия эксплуатации. Их производительность и долговечность в решающей степени зависят от передовых методов производства, которые объединяют несколько материалов в прецизионные сборки.

В этих сборках эпоксидные и силиконовые компаунды играют решающую роль в качестве клеев, герметиков для заливки, заливочных компаундов или конформных покрытий, необходимых для стабилизации, соединения и защиты компонентов датчика во время изготовления и дальнейшего использования в своих целевых приложениях. Склеивая и защищая компоненты датчиков, эти соединения помогают упростить изготовление датчиков и обеспечивают постоянную работу этих устройств. Выполняя свою роль, эти соединения должны поддерживать сочетание строгих требований, уникальных для каждого приложения.

Соответствие разнообразным требованиям

Несмотря на разнообразные характеристики, необходимые для поддержки изготовления и развертывания различных сенсорных устройств, инженеры-конструкторы и производители могут найти готовые или готовые к заказу эпоксидные и силиконовые системы, разработанные для соответствия практически любым требованиям к производительности и удобству использования. Для устройств, предназначенных для измерения температуры, производители могут воспользоваться доступными составами, которые обладают высокой теплопроводностью, необходимой для того, чтобы не мешать измерениям.

Теплопроводность и криогенная пригодность: Хотя высокая теплопроводность является важным требованием для датчиков температуры, она может играть жизненно важную роль в других типах сенсорных систем. В аэрокосмических и астрофизических приложениях критическими требованиями могут быть как теплопроводность, так и криогенная работоспособность. Инженерам GL Scientific нужно было разработать модуль для размещения массивов чипов инфракрасных датчиков для использования в адаптивном оптическом формирователе изображений для телескопа. ^[1]

Среди целей разработки — возможность контролировать температуру базовой пластины модуля и фокальной плоскости формирователя изображения в пределах 0,1 Кельвина (K) с использованием комбинации криогенного и теплового циклов для достижения термостабильности. В этой конструкции датчики температуры и нагреватели будут прикреплены к фокальной плоскости и опорной плите для контроля и управления термоциклированием. Следовательно, конструкция требовала электроизолирующего связующего компаунда с высокой теплопроводностью и способностью выдерживать термоциклирование до криогенных температур, сохраняя при этом прочность соединения, а также термическую и структурную стабильность.

Кроме того, связующий состав должен был надежно формировать прочные связи с разнородными материалами. В этом случае фокальная плоскость была построена из титана-циркония-молибдена и молибдена и, наконец, покрыта золотом; опорная плита была изготовлена ​​из алюминия и никелирована. Для этого применения команда инженеров GL Scientific выбрала Master Bond EP37-3FLFA0 — эпоксидную систему с высокой теплопроводностью, отличными электроизоляционными свойствами и хорошей физической прочностью, сохраняя при этом механическую гибкость в диапазоне температур от 4K до 250 °C.

Электроизоляция и обращение: Конкретные рабочие характеристики и эксплуатационные характеристики связующего состава могут сильно различаться в зависимости от области применения. Немногие области применения демонстрируют широкий спектр требований, предъявляемых к связующим соединениям, применяемым в биохимических или биофизических приложениях. В серии экспериментов исследователи из Университета Карнеги-Меллона использовали фотолитографические методы для создания микроскопических массивов электродов, предназначенных для измерения изменений импеданса клеток, подвергшихся воздействию различных лекарств. ^[2] Поскольку этот метод можно легко автоматизировать, он может помочь лабораториям значительно ускорить скрининг лекарств, предоставляя критически важные возможности для здравоохранения.

Из-за чувствительности этого подхода исследовательская группа должна была убедиться, что цепочка измерительных сигналов не содержала артефактов, которые могли бы повлиять на результаты. В этом случае команде требовалось соединение, способное покрыть открытые части массива электродов, чтобы уменьшить паразитную емкость, которая могла бы существенно повлиять на результаты измерений. В то же время соединение должно оставаться нейтральным по отношению к биохимической среде, чтобы не воздействовать на биологическую мишень. Для этого применения исследователи выбрали Master Bond EP30HT — эпоксидную систему с высокими электроизоляционными характеристиками и химической стойкостью. Здесь исследовательская группа использовала Master Bond EP30HT для покрытия межсоединений на расстоянии около 150 мкм от электродов, успешно уменьшив количество паразитов между межсоединением и жидкой средой, омывающей живые клетки, используемой в этом методе биологического анализа на основе импеданса.

Удовлетворение широких потребностей в производительности и обработке

Доступны подходящие клеевые системы с характеристиками, точно настроенными с использованием наполнителей, которые комбинируются с базовым компаундом с различными коэффициентами нагрузки. Используя различные наполнители, производители могут создавать клеевые составы, оптимизированные для конкретных комбинаций рабочих характеристик, таких как электрическая или теплопроводность, химическая стойкость и стабильность, а также технологических характеристик, таких как вязкость, время работы и время отверждения.

Другие типы специализированных эпоксидных и силиконовых компаундов предназначены для обеспечения совместимости с ключевыми стандартами в медицинской, аэрокосмической и других отраслях промышленности. Инженеры, разрабатывающие более сложные датчики, предназначенные для имплантации или размещения на коже, уже в полной мере воспользовались преимуществами биосовместимых адгезивов, чтобы обеспечить защитный интерфейс между инструментами и костной тканью, ^[3] включить измерение растворенного кислорода, ^[4] инкапсулировать полностью имплантируемый массив биосенсоров, ^[5] и более. Эти специализированные соединения не только обеспечивают необходимые характеристики тепло- и электропроводности, но и отвечают требованиям по биосовместимости, указанным в стандартах USP Class VI и ISO10993-5.

Точно так же инженеры, работающие над сборками для аэрокосмических систем или других приложений с чувствительной электроникой, могут найти клеевые составы, которые соответствуют требованиям ASTM E595 и NASA по низкому выделению газа. Использование этих составов помогает гарантировать, что оптические системы, чувствительная электроника или другие поверхности не будут загрязнены летучими соединениями, иногда выделяемыми клеями, даже после отверждения.

Новые материалы и методы

Сенсорные технологии продолжают быстро развиваться, идя в ногу с достижениями в области материаловедения и технологии производства. Усовершенствованные датчики деформации на основе нанокомпозитов с одностенными углеродными трубками или высокочувствительные тепловые детекторы, использующие пироэлектрические свойства новых устройств из нитрида галлия (GaN), обещают создать новые приложения, использующие эти нанодатчики для обнаружения малозаметных явлений.

Другие сенсорные технологии приносят аналогичные преимущества широкому спектру способов восприятия. Датчики нового типа, предназначенные для вплетения в ткань, окрашивания поверхностей или изготовления с помощью методов 3D-печати, позволят разрабатывать интеллектуальные продукты, способные получать доступ к более полным данным измерений. Более чем когда-либо для этих новых сенсоров потребуются клеевые составы, способные удовлетворить особые требования к проводимости, биосовместимости и технологичности. Как и в случае с датчиками, будут продолжать появляться новые соединения с использованием новых материалов и методов для наполнителей на основе передовых материалов, таких как графен, углеродные нанотрубки, наносиликаты и другие.

Эта статья была написана Рохитом Рамнатом, старшим инженером по продуктам, Master Bond (Хакенсак, Нью-Джерси). Для получения дополнительной информации посетите здесь .

Ссылки

1. Луппино, Г. (2003). Описание конструкции мозаичного модуля детектора GSAOI H2RG 4Kx4K. Научно-технический отчет GL. GLSTR-0301.
2. Нгуен, Д., Домач, М. Хуанг, X., Грев, Д. Исследования роста клеток млекопитающих с помощью массива импедансов.
3. То, Г. и др. (2008). Многоканальный беспроводной инструмент для картирования деформации коленного сустава с 30 микрокантилеверами и технологией ASIC. Конференция IEEE SENSORS 2008.
4. Wittkampf, M., et al. (1997). Кремниевый тонкопленочный датчик для измерения растворенного кислорода. Датчики и приводы B:Chemical, Vol. 43, doi:10.1016/S0925-4005(97)00138-X.
5. Baj-Rossi, C. et al. (2013). Изготовление и упаковка полностью имплантируемого массива биосенсоров. Конференция IEEE по биомедицинским схемам и системам, 2013 г., BioCAS 2013. 166–169. doi:10.1109/BioCAS.2013.6679665.