Vereinfachte Sensorherstellung mit Klebeverbindungen

Sensoren sind das Rückgrat einer digitalisierten Gesellschaft und messen ein breites Spektrum physikalischer Eigenschaften in jeder Art von Anwendung, von alltäglichen Konsumgütern bis hin zu unternehmenskritischen Systemen in Luft- und Raumfahrt, Automobil, Industrie, Medizin, Optik und allen anderen Anwendungen, die auf intelligenten, sensor- basierte Geräte. Sensoren können jede Art grundlegender physikalischer Größen wie Temperatur und Druck sowie dynamische Eigenschaften wie Beschleunigung und Rotation messen.

Für jede Art von Messung finden Produktentwickler Sensoren mit dem erforderlichen Dynamikbereich, Empfindlichkeit und Genauigkeit. Kombiniert in einzelnen Paketen und Modulen umfassen hochintegrierte Lösungen mehrere Sensoren mit Signalkonditionierungsketten, Prozessoren und sogar optischen Subsystemen, um komplexere Messmodalitäten wie Biometrie, Trägheitsmessung und verschiedene Überwachungsfunktionen zu unterstützen. Aktive chemische Biosensoren gehen sogar noch weiter, indem sie Moleküle in eine Matrix oder Membran aus Epoxidharz einbetten, die das Molekül immobilisiert, ohne seine Fähigkeit zur Wechselwirkung mit interessierenden Molekülen zu beeinträchtigen. Tatsächlich spielen Epoxid- und Silikonverbindungen eine wichtige Rolle in Sensoren aller Art.

Unabhängig davon, ob sie auf einfachen Verbindungselementen, fortschrittlichen mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) oder sogar Biosensormembranen basieren, wird von Sensoren erwartet, dass sie trotz rauer Handhabung, rauer Umgebung und anhaltender Belastung durch thermische, chemische oder mechanische Faktoren durch jede Kombination von zuverlässig genaue Daten liefern widrige Betriebsbedingungen. Ihre Leistung und Langlebigkeit hängen entscheidend von fortschrittlichen Herstellungsmethoden ab, bei denen mehrere Materialien zu Präzisionsbaugruppen kombiniert werden.

Innerhalb dieser Baugruppen spielen Epoxid- und Silikonverbindungen eine entscheidende Rolle als Klebstoffe, Underfill-Vergussmassen, Vergussmassen oder konforme Beschichtungen, die zur Stabilisierung, Bindung und zum Schutz von Sensorkomponenten während der Herstellung und weiteren Verwendung in ihren Zielanwendungen benötigt werden. Durch das Verbinden und Schützen von Sensorkomponenten tragen diese Verbindungen dazu bei, die Sensorherstellung zu vereinfachen und die kontinuierliche Leistung dieser Geräte sicherzustellen. Um ihre Aufgabe zu erfüllen, müssen diese Verbindungen eine Kombination strenger Anforderungen erfüllen, die für jede Anwendung einzigartig sind.

Vielfältige Anforderungen erfüllen

Trotz der unterschiedlichen Eigenschaften, die zur Unterstützung der Herstellung und des Einsatzes verschiedener Sensorgeräte erforderlich sind, können Konstrukteure und Hersteller handelsübliche oder leicht kundenspezifische Epoxid- und Silikonsysteme finden, die für nahezu jede Leistungs- und Handhabungsanforderung ausgelegt sind. Für Geräte, die für Temperaturmessanwendungen bestimmt sind, können Hersteller verfügbare Verbindungen nutzen, die die hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die erforderlich ist, um Beeinträchtigungen der Messungen zu vermeiden.

Wärmeleitfähigkeit und kryogene Betriebsfähigkeit: Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist zwar eine wesentliche Voraussetzung für Temperatursensorbaugruppen, kann aber auch bei anderen Arten von Sensorsystemen eine entscheidende Rolle spielen. Bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Astrophysik können sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die kryogenische Betriebsfähigkeit entscheidende Anforderungen sein. Die Ingenieure von GL Scientific mussten ein Modul entwickeln, um Infrarotsensor-Chip-Arrays aufzunehmen, die in einem Bildgebungsinstrument mit adaptiver Optik für ein Teleskop verwendet werden. ^[1]

Zu den Designzielen gehört die Möglichkeit, die Temperatur der Modulgrundplatte und der Brennebene des Bildsensors innerhalb von 0,1 Kelvin (K) zu steuern, indem eine Kombination aus kryogenen und Wärmezyklen verwendet wird, um thermische Stabilität zu erreichen. Bei diesem Design würden Temperatursensoren und Heizungen mit der Brennebene und der Grundplatte verbunden, um die Temperaturwechsel zu überwachen und zu steuern. Folglich erforderte das Design eine elektrisch isolierende Verbindungsverbindung mit hoher Wärmeleitfähigkeit und der Fähigkeit, Temperaturwechseln bis hin zu kryogenen Temperaturen standzuhalten, während die Verbindungsfestigkeit sowie die thermische und strukturelle Stabilität erhalten bleiben.

Darüber hinaus musste die Verbindungsmasse zuverlässig starke Verbindungen mit unterschiedlichen Materialien eingehen. In diesem Fall wurde die Fokusebene aus Titan-Zirkonium-Molybdän und Molybdän aufgebaut und schließlich mit Gold plattiert; Die Grundplatte wurde aus Aluminium hergestellt und vernickelt. Für diese Anwendung hat das Ingenieurteam von GL Scientific Master Bond EP37-3FLFA0 ausgewählt – ein Epoxidsystem mit hoher Wärmeleitfähigkeit, hervorragenden elektrischen Isoliereigenschaften und guter physikalischer Festigkeit, während die mechanische Flexibilität bei Temperaturen von 4 K bis 250 °C erhalten bleibt>

Elektrische Isolierung und Handhabung: Die spezifischen Leistungs- und Handhabungseigenschaften einer Klebemasse können von Anwendung zu Anwendung stark variieren. Wenige Anwendungen demonstrieren die Bandbreite der Anforderungen an Haftvermittler, die in biochemischen oder biophysikalischen Anwendungen zu finden sind. In einer Reihe von Experimenten verwendeten Forscher der Carnegie Mellon University photolithographische Techniken, um mikroskopisch kleine Elektrodenarrays zu erstellen, die darauf ausgelegt sind, Änderungen der Impedanz von Zellen zu messen, die verschiedenen Medikamenten ausgesetzt sind. ^[2] Da diese Methode leicht automatisiert werden kann, kann sie Laboren dabei helfen, den Durchsatz des Arzneimittel-Screenings drastisch zu beschleunigen, was eine entscheidende Fähigkeit für das Gesundheitswesen darstellt.

Aufgrund der Empfindlichkeit dieses Ansatzes musste das Forschungsteam sicherstellen, dass die Messsignalkette frei von Artefakten blieb, die die Ergebnisse verändern könnten. In diesem Fall benötigte das Team eine Verbindung, die in der Lage ist, freiliegende Teile des Elektrodenarrays zu beschichten, um die parasitäre Kapazität zu reduzieren, die die Messungen erheblich verändern könnte. Gleichzeitig musste die Verbindung gegenüber der biochemischen Umgebung neutral bleiben, um eine Beeinflussung des biologischen Ziels zu vermeiden. Für diese Anwendung wählten die Forscher Master Bond EP30HT – ein Epoxidsystem mit starker elektrischer Isolierung und chemischer Beständigkeit. Hier verwendete das Forschungsteam Master Bond EP30HT, um die Zwischenverbindung etwa 150 pm von den Elektroden entfernt zu beschichten, wodurch Parasiten zwischen der Zwischenverbindung und dem flüssigen Medium, das die lebenden Zellen umspült, erfolgreich reduziert wurden, die für diese impedanzbasierte Bioassay-Methode verwendet wurden.

Umfassende Leistungs- und Verarbeitungsanforderungen erfüllen

Geeignete Klebstoffsysteme mit abgestimmten Eigenschaften sind leicht verfügbar, indem Füllmaterialien verwendet werden, die mit der Basisverbindung in unterschiedlichen Belastungsfaktoren kombiniert werden. Durch die Verwendung verschiedener Füllstoffe können Hersteller Klebstoffverbindungen herstellen, die für bestimmte Kombinationen von Leistungsmerkmalen wie elektrische oder thermische Leitfähigkeit, chemische Beständigkeit und Stabilität sowie Verarbeitungseigenschaften wie Viskosität, Verarbeitungszeit und Aushärtezeit optimiert sind.

Andere Arten von speziellen Epoxid- und Silikonverbindungen wurden entwickelt, um die Kompatibilität mit wichtigen Standards in der Medizin, der Luft- und Raumfahrt und anderen Branchen sicherzustellen. Ingenieure, die ausgefeiltere Sensoren entwickeln, die zum Implantieren oder Anbringen auf der Haut bestimmt sind, haben bereits alle Vorteile biokompatibler Klebstoffverbindungen genutzt, um eine schützende Schnittstelle zwischen Instrumenten und Knochengewebe bereitzustellen, ^[3] Messung von gelöstem Sauerstoff aktivieren, ^[4] verkapseln ein vollständig implantierbares Biosensor-Array, ^[5] und mehr. Diese Spezialmischungen bieten nicht nur die erforderlichen thermischen und elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften, sondern erfüllen auch die Anforderungen für die Biokompatibilität, die in den Standards USP Klasse VI und ISO10993-5 festgelegt sind.

In ähnlicher Weise können Ingenieure, die an Baugruppen für Luft- und Raumfahrtsysteme oder andere Anwendungen mit empfindlicher Elektronik arbeiten, Klebstoffverbindungen finden, die die ASTM E595- und NASA-Anforderungen für geringe Ausgasung erfüllen. Die Verwendung dieser Verbindungen trägt dazu bei, dass optische Systeme, empfindliche Elektronik oder andere Oberflächen auch nach dem Aushärten frei von Verunreinigungen durch flüchtige Verbindungen bleiben, die manchmal von Klebstoffen abgegeben werden.

Neue Materialien und Methoden

Die Sensortechnologie entwickelt sich weiterhin schnell und hält mit den Fortschritten in den Materialwissenschaften und der Fertigungstechnik Schritt. Fortgeschrittene Dehnungssensoren auf der Basis von einwandigen Kohlenstoffröhren-Nanokompositen oder hochempfindliche Wärmedetektoren, die die pyroelektrischen Eigenschaften aufkommender Galliumnitrid (GaN)-Geräte nutzen, versprechen, neue Anwendungen mit diesen Nanosensoren voranzutreiben, um subtile Phänomene zu erkennen.

Andere Sensortechnologien bringen ähnliche Vorteile für eine Vielzahl von Erfassungsmodalitäten. Neue Arten von Sensoren, die dazu bestimmt sind, in Textilien eingewebt, auf Oberflächen gemalt oder mit 3D-Druckverfahren hergestellt zu werden, werden die Entwicklung intelligenter Produkte ermöglichen, die auf umfassendere Messdaten zugreifen können. Diese neuen Sensoren werden mehr denn je Klebstoffverbindungen erfordern, die spezifische Anforderungen an Leitfähigkeit, Biokompatibilität und Herstellung erfüllen können. Wie bei Sensoren werden weiterhin neue Verbindungen entstehen, die neue Materialien und Methoden für Füllstoffe auf der Grundlage fortschrittlicher Materialien wie Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Nanosilikate und mehr verwenden.

Dieser Artikel wurde von Rohit Ramnath, Senior Product Engineer, Master Bond (Hackensack, NJ) verfasst. Weitere Informationen finden Sie unter hier .

Referenzen

1. Luppino, G. (2003). Designbeschreibung des GSAOI H2RG 4Kx4K Detektormosaikmoduls. GL Wissenschaftlicher technischer Bericht. GLSTR-0301.
2. Nguyen, D., Domach, M. Huang, X., Greve, D. Impedance Array Studies of Mammalian Cell Growth.
3. To, G, et al. (2008). Drahtloses Mehrkanal-Strain-Mapping-Instrument für Knie-Totalendoprothetik mit 30 Mikroauslegern und ASIC-Technologie. IEEE SENSORS 2008 Konferenz.
4. Wittkampf, M., et al. (1997). Silizium-Dünnschichtsensor zur Messung von gelöstem Sauerstoff. Sensoren und Aktoren B:Chemical, Vol. 43, doi:10.1016/S0925-4005(97)00138-X.
5. Baj-Rossi, C. et al. (2013). Herstellung und Verpackung eines vollständig implantierbaren Biosensor-Arrays. 2013 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference, BioCAS 2013. 166-169. doi:10.1109/BioCAS.2013.6679665.