Оптимизация производства датчиков передовыми клеевыми технологиями

Датчики — основа оцифрованного общества, измеряющие широкий спектр физических характеристик в каждом типе применения — от повседневных потребительских продуктов до миссионно-критических систем в авиации, автомобилестроении, промышленности, медицине, оптике и каждом другом применении, полагающемся на умные сенсорные устройства. Датчики могут измерять каждый тип фундаментальных физических величин вроде температуры и давления, так и динамических характеристик вроде ускорения и вращения.

Для каждого типа измерения разработчики продуктов могут найти датчики с требуемым динамическим диапазоном, чувствительностью и точностью. Объединенные в одиночные пакеты и модули, высокоинтегрированные решения включают множественные датчики с цепочками кондиционирования сигналов, процессорами и даже оптическими подсистемами для поддержки более сложных модальностей измерения, таких как биометрия, инерциальное измерение и разносторонние возможности мониторинга. Активные химические биосенсоры идут еще дальше, встраивая молекулы в матрицу или мембрану, составленную из эпоксидной смолы, которая иммобилизует молекулу без деградации её способности взаимодействовать с молекулами интереса. Фактически, эпоксидные и силиконовые соединения играют жизненно важную роль в датчиках всех типов.

Будь то основанные на простых структурах p-n переходов, передовых микроэлектромеханических системах (MEMS) или даже биосенсорных мембранах, датчики ожидают доставлять точные данные надежно несмотря на грубое обращение, суровые среды и продолжающееся напряжение от термических, химических или механических факторов через любую комбинацию неблагоприятных операционных условий. Их производительность и долговечность критически зависят от передовых методов производства, комбинирующих множественные материалы в точные сборки.

Внутри этих сборок эпоксидные и силиконовые соединения играют критическую роль как клеи, подзаполняющие инкапсулянты, компаундные материалы или конформальные покрытия, необходимые для стабилизации, склеивания и защиты компонентов датчиков во время производства и продолженного использования в их целевых приложениях. Склеивая и защищая компоненты датчиков, эти соединения помогают упростить производство датчиков и обеспечивают продолженную производительность этих устройств. В выполнении своей роли эти соединения должны поддерживать комбинацию строгих требований, уникальную для каждого приложения.

Удовлетворение разнообразных требований

Несмотря на разнообразные характеристики, необходимые для поддержки производства и развертывания разных сенсорных устройств, инженеры-проектировщики и производители могут находить готовые или легко настраиваемые эпоксидные и силиконовые системы, спроектированные для соответствия практически любому требованию по производительности и обработке. Для устройств, предназначенных для применений температурного чутвования, производители могут воспользоваться доступными компаундами, демонстрирующими высокую теплопроводность, необходимую для избежания компрометации измерений.

Теплопроводность и криогенная пригодность: В то время как обязательное требование для сборок датчиков температуры, высокая теплопроводность может играть жизненно важную роль в других типах сенсорных систем. В авиации и астрофизике приложениях и теплопроводность, и криогенная пригодность могут быть критическими требованиями. Инженеры GL Scientific нуждались в разработке модуля для размещения массивов инфракрасных сенсорных чипов для использования в адаптивном оптико-измерительном инструменте для телескопа. ^[1]

Среди целей дизайна — способность контролировать температуру базовой пластины модуля и фокальной плоскости измерителя в пределах 0,1 Кельвина (K) с использованием комбинации криогенного и теплового циклирования для достижения термической стабильности. В этом дизайне температурные датчики и нагреватели должны быть приклеены к фокальной плоскости и базовой пластине для мониторинга и контроля термического циклирования. Следовательно, дизайн требовал электрически изолирующего компаунда для склеивания с высокой теплопроводностью и способностью выдерживать термическое циклирование до криогенных температур при сохранении прочности склеивания, а также термической и структурной стабильности.

Кроме того, компаунд для склеивания должен был надежно формировать прочные связи с непохожими материалами. В этом случае фокальная плоскость была построена из титан-цирконий-молибден и молибден и в конечном счете покрыта золотом; базовая пластина была построена из алюминия и никелирована. Для этого приложения инженерная команда GL Scientific выбрала Master Bond EP37-3FLFA0 — эпоксидную систему с высокой теплопроводностью, отличными свойствами электрической изоляции и хорошей физической прочностью при сохранении механической гибкости в диапазоне температур от 4K до 250 °C.

Электрическая изоляция и обращение: Специфические производительности и характеристики обращения компаунда для склеивания могут драматически варьироваться от приложения к приложению. Мало приложений демонстрируют широкий спектр требований, с которыми сталкиваются компаунды для склеивания, найденные в биохимических или биофизических приложениях. В серии экспериментов исследователи Карнеги-Меллонского университета использовали фотолитографические техники для создания микроскопических электродных массивов, спроектированных для измерения изменений импеданса клеток, подвергнутых различным лекарствам. ^[2] Поскольку этот метод может быть легко автоматизирован, он может помочь лабораториям драматически ускорить пропускную способность скрининга лекарств, предоставляя критическую способность для здравоохранения.

Из-за чувствительности этого подхода исследовательская команда должна была обеспечить, чтобы цепочка измерительного сигнала оставалась свободной от артефактов, которые могли бы изменить результаты. В этом случае команде нужен был компаунд, способный покрыть экспонированные участки электродного массива для снижения паразитной емкости, которая могла бы значительно изменить измерения. В то же время компаунд должен был оставаться нейтральным к биохимической среде, чтобы избежать влияния на биологическую мишень. Для этого приложения исследователи выбрали Master Bond EP30HT — эпоксидную систему с сильными характеристиками электрической изоляции и химической стойкостью. Здесь исследовательская команда использовала Master Bond EP30HT для покрытия интерконнекта примерно в 150 пм от электродов, успешно снижая паразиты между интерконнектом и жидкой средой, омывающей живые клетки, используемые для этого импедансного биоаналитического метода.

Удовлетворение широких требований к производительности и обработке

Подходящие клеевые системы легко доступны с характеристиками, тонко настроенными с использованием наполнителей, комбинируемых с базовым компаундом в разных коэффициентах загрузки. Используя разные наполнители, производители могут создавать клеевые компаунды, оптимизированные для специфических комбинаций характеристик производительности вроде электрической или тепловой проводимости, химической стойкости и стабильности, а также характеристик обработки вроде вязкости, времени работы и времени отверждения.

Другие типы специализированных эпоксидных и силиконовых компаундов спроектированы для обеспечения совместимости с ключевыми стандартами в медицинской, авиационной и других отраслях. Инженеры, разрабатывающие более сложные датчики, предназначенные для имплантации или размещения на коже, уже полностью воспользовались преимуществами биосовместимых клеевых компаундов для обеспечения защитного интерфейса между инструментами и костной тканью, ^[3] обеспечения измерения растворенного кислорода, ^[4] инкапсуляции полностью имплантируемого биосенсорного массива, ^[5] и более. Эти специализированные компаунды не только предоставляют необходимые термические и электрические характеристики проводимости, но и соответствуют требованиям биосовместимости, указанным в стандартах USP Class VI и ISO10993-5.

Подобно этому, инженеры, работающие над сборками для авиационных систем или других приложений с чувствительной электроникой, могут находить клеевые компаунды, соответствующие требованиям ASTM E595 и NASA по низкому выгазированию. Использование этих компаундов помогает гарантировать, что оптические системы, чувствительная электроника или другие поверхности остаются свободными от загрязнения летучими соединениями, иногда выделяемыми клеями даже после отверждения.

Новые материалы и методы

Сенсорная технология продолжает быстро развиваться, сохраняя темп с прогрессом в материаловедении и производственной инженерии. Передовые датчики деформации на основе нанокомпозитов с однослойными углеродными нанотрубками или высокочувствительные тепловые детекторы, использующие пироэлектрические свойства الناشющих галлиевого нитрида (GaN) устройств, обещают двигать новые применения с использованием этих нанодатчиков для обнаружения тонких феноменов.

Другие сенсорные технологии приносят похожие выгоды широкому спектру сенсорных модальностей. Предназначенные для плетения в текстили, рисования на поверхностях или производства методами 3D-печати, новые типы датчиков позволят разработку умных продуктов, способных получать доступ к более комплексной измерительной информации. Больше чем когда-либо, эти الناشющие датчики будут требовать клеевые компаунды, способные соответствовать специфическим требованиям для проводимости, биосовместимости и производства. Как и с датчиками, новые компаунды будут продолжать появляться, использующие новые материалы и методы для наполнителей на основе передовых материалов таких как графен, углеродные нанотрубки, нанокремнеземы и более.

Эта статья написана Рохан Рамнат, старшим инженером по продукту, Master Bond (Хакенсак, Нью-Джерси). Для получения дополнительной информации посетите .

Ссылки

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.