Sensorfertigung optimieren mit fortschrittlichen Klebetechnologien

Sensoren sind das Rückgrat einer digitalisierten Gesellschaft und messen eine breite Palette physikalischer Eigenschaften in jeder Art von Anwendung – von alltäglichen Konsumprodukten bis zu missionskritischen Systemen in Luft- und Raumfahrt, Automobil, Industrie, Medizin, Optik und jeder anderen Anwendung, die auf intelligente, sensorbasierte Geräte angewiesen ist. Sensoren können jede Art von fundamentalen physikalischen Größen wie Temperatur und Druck messen, sowie dynamische Eigenschaften wie Beschleunigung und Rotation.

Für jeden Messtyp können Produktentwickler Sensoren mit dem erforderlichen Dynamikbereich, Empfindlichkeit und Genauigkeit finden. In einzelnen Paketen und Modulen kombiniert, integrieren hochintegrierte Lösungen mehrere Sensoren mit Signalaufbereitungsketten, Prozessoren und sogar optischen Teilsystemen, um komplexere Messmodalitäten wie Biometrie, Trägheitsmessung und diverse Überwachungsfunktionen zu unterstützen. Aktive chemische Biosensoren gehen noch weiter, indem sie Moleküle in einer Matrix oder Membran aus Epoxidharz einbetten, die das Molekül immobilisiert, ohne seine Fähigkeit zu beeinträchtigen, mit interessanten Molekülen zu interagieren. Tatsächlich spielen Epoxid- und Silikonverbindungen eine entscheidende Rolle in Sensoren aller Art.

Ob basierend auf einfachen Sperrschichtbauelementen, fortschrittlichen Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) oder sogar Biosensormembranen – Sensoren sollen präzise Daten zuverlässig liefern, trotz rauer Behandlung, harter Umgebungen und anhaltender Belastung durch thermische, chemische oder mechanische Faktoren durch jede Kombination widriger Betriebsbedingungen. Ihre Leistung und Langlebigkeit hängen entscheidend von fortschrittlichen Fertigungsmethoden ab, die mehrere Materialien in Präzisionsbaugruppen kombinieren.

Innerhalb dieser Baugruppen erfüllen Epoxid- und Silikonverbindungen eine kritische Rolle als Klebstoffe, Underfill-Encapsulants, Vergussmassen oder Konformbeschichtungen, die benötigt werden, um Sensorkomponenten während der Fertigung und fortgesetzter Nutzung in ihren Zielanwendungen zu stabilisieren, zu verbinden und zu schützen. Durch das Verbinden und Schützen von Sensorkomponenten helfen diese Verbindungen, die Sensorfertigung zu vereinfachen und die kontinuierliche Leistung dieser Geräte sicherzustellen. Bei der Erfüllung ihrer Rolle müssen diese Verbindungen eine Kombination strenger Anforderungen unterstützen, die für jede Anwendung einzigartig ist.

Verschiedene Anforderungen erfüllen

Trotz der vielfältigen Eigenschaften, die zur Unterstützung der Fertigung und Bereitstellung verschiedener Sensorgeräte erforderlich sind, können Designingenieure und Hersteller Standard- oder leicht anpassbare Epoxid- und Silikonsysteme finden, die darauf ausgelegt sind, fast jede Leistungs- und Handhabungsanforderung zu erfüllen. Für Geräte, die für Temperatursensoranwendungen bestimmt sind, können Hersteller verfügbare Verbindungen nutzen, die die hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, die erforderlich ist, um Messungen nicht zu beeinträchtigen.

Thermische Leitfähigkeit und Kryogene Einsatzfähigkeit: Während eine wesentliche Anforderung für Temperatursensorbaugruppen, kann hohe thermische Leitfähigkeit eine entscheidende Rolle in anderen Arten von Sensorsystemen spielen. In Luft- und Raumfahrt- und Astrophysik-Anwendungen können sowohl thermische Leitfähigkeit als auch kryogene Einsatzfähigkeit kritische Anforderungen sein. Ingenieure von GL Scientific mussten ein Modul entwickeln, um Infrarot-Sensorchip-Arrays für ein adaptives Optik-Imager-Instrument für ein Teleskop zu beherbergen. ^[1]

Zu den Designzielen gehörte die Fähigkeit, die Temperatur des Modul-Basisplatten und der Imager-Brennfläche innerhalb von 0,1 Kelvin (K) mit einer Kombination aus kryogenem und Wärmzyklus zur Erreichung thermischer Stabilität zu steuern. In diesem Design würden Temperatursensoren und Heizelemente an der Brennfläche und Basisplatte befestigt, um thermisches Zyklieren zu überwachen und zu steuern. Folglich erforderte das Design eine elektrisch isolierende Verbindungsverbindung mit hoher thermischer Leitfähigkeit und der Fähigkeit, thermisches Zyklieren bis zu kryogenen Temperaturen standzuhalten, während Bindungsfestigkeit sowie thermische und strukturelle Stabilität beibehalten werden.

Darüber hinaus musste die Verbindungsverbindung zuverlässig starke Bindungen mit ungleichen Materialien bilden. In diesem Fall wurde die Brennfläche aus Titan-Zirkonium-Molybdän und Molybdän konstruiert und schließlich mit Gold beschichtet; die Basisplatte wurde aus Aluminium und nickellegiert konstruiert. Für diese Anwendung wählte das GL Scientific Engineering-Team Master Bond EP37-3FLFA0 – ein Epoxidsystem mit hoher thermischer Leitfähigkeit, ausgezeichneten elektrischen Isoliereigenschaften und guter physikalischer Festigkeit, während es mechanische Flexibilität über Temperaturen von 4 K bis 250 °C beibehält.

Elektrische Isolierung und Handhabung: Die spezifischen Leistungs- und Handhabungseigenschaften einer Verbindungsverbindung können sich dramatisch von Anwendung zu Anwendung unterscheiden. Wenige Anwendungen demonstrieren die breite Palette von Anforderungen, denen Verbindungsverbindungen in biochemischen oder biophysikalischen Anwendungen gegenüberstehen. In einer Reihe von Experimenten nutzten Forscher der Carnegie Mellon University photolithografische Techniken, um mikroskopische Elektrodenarrays zu erstellen, die darauf ausgelegt waren, Impedanzänderungen von Zellen zu messen, die verschiedenen Medikamenten ausgesetzt waren. ^[2] Da diese Methode leicht automatisiert werden kann, kann sie Laboren helfen, den Durchsatz von Medikamentenscreenings drastisch zu beschleunigen und eine kritische Fähigkeit für das Gesundheitswesen bereitzustellen.

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 war, exponierte Teile des Elektrodenarrays zu beschichten, um parasitäre Kapazität zu reduzieren, die die Messungen signifikant verändern könnte. Gleichzeitig musste die Verbindung neutral zur biochemischen Umgebung bleiben, um das biologische Ziel nicht zu beeinflussen. Für diese Anwendung wählten die Forscher Master Bond EP30HT – ein Epoxidsystem mit starken elektrischen Isoliereigenschaften und chemischer Beständigkeit. Hier verwendete das Forschungsteam Master Bond EP30HT, um Interconnects etwa 150 pm von den Elektroden entfernt zu beschichten, erfolgreich Parasiten zwischen dem Interconnect und dem Flüssigkeitsmedium, das die lebenden Zellen für diese impedanzbasierte Bioassay-Methode badete, reduzierend.

Breite Leistungs- und Verarbeitungsanforderungen erfüllen

Geeignete Klebstoffsysteme sind mit Eigenschaften verfügbar, die durch Füllmaterialien feinabgestimmt sind, die in unterschiedlichen Beladungsfaktoren mit der Basiskomponente kombiniert werden. Durch die Verwendung verschiedener Füllstoffe können Hersteller Klebstoffverbindungen erstellen, die für spezifische Kombinationen von Leistungseigenschaften wie elektrische oder thermische Leitfähigkeit, chemische Beständigkeit und Stabilität sowie Verarbeitungseigenschaften wie Viskosität, Verarbeitungszeit und Aushärtezeit optimiert sind.

Andere Arten von spezialisierten Epoxid- und Silikonverbindungen sind darauf ausgelegt, die Kompatibilität mit wichtigen Standards in medizinischen, luft- und raumfahrtbezogenen und anderen Branchen sicherzustellen. Ingenieure, die raffiniertere Sensoren für Implantate oder Platzierung auf der Haut entwickeln, haben bereits vollen Vorteil aus biokompatiblen Klebstoffverbindungen gezogen, um eine schützende Schnittstelle zwischen Instrumenten und Knochengewebe bereitzustellen, ^[3] die Messung von gelöstem Sauerstoff zu ermöglichen, ^[4] ein vollständig implantierbares Biosensor-Array zu verkapseln, ^[5] und mehr. Diese spezialisierten Verbindungen bieten nicht nur die notwendigen thermischen und elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften, sondern erfüllen auch Anforderungen an Biokompatibilität, die in USP Class VI und ISO 10993-5 Standards spezifiziert sind.

Ähnlich können Ingenieure, die an Baugruppen für Luft- und Raumfahrtsysteme oder andere Anwendungen mit empfindlicher Elektronik arbeiten, Klebstoffverbindungen finden, die ASTM E595 und NASA-Anforderungen für geringes Ausgasen erfüllen. Die Verwendung dieser Verbindungen hilft sicherzustellen, dass optische Systeme, empfindliche Elektronik oder andere Oberflächen frei von Kontamination durch flüchtige Verbindungen bleiben, die manchmal von Klebstoffen auch nach dem Aushärten ausgedünstet werden.

Neue Materialien und Methoden

Sensortechnologie schreitet schnell voran und hält Schritt mit Fortschritten in Materialwissenschaft und Fertigungstechnik. Fortschrittliche Dehnungssensoren auf Basis von Single-Walled Carbon Tube Nanokompositen oder hochempfindliche Wärmedetektoren, die die pyroelektrischen Eigenschaften von neuartigem Galliumnitrid (GaN) nutzen, versprechen, neuartige Anwendungen mit diesen Nanosensoren zur Detektion subtiler Phänomene anzutreiben.

Andere Sensortechnologien bringen ähnliche Vorteile für eine breite Palette von Sensormodalitäten. Bestimmt, in Textilien eingewebt, auf Oberflächen aufgemalt oder mit 3D-Druckmethoden gefertigt, werden neue Sensortypen die Entwicklung intelligenter Produkte ermöglichen, die auf umfassendere Messdaten zugreifen können. Mehr denn je werden diese aufstrebenden Sensoren Klebstoffverbindungen benötigen, die spezifische Anforderungen an Leitfähigkeit, Biokompatibilität und Fertigung erfüllen können. Wie bei Sensoren werden neue Verbindungen weiterhin entstehen, indem neue Materialien und Methoden für Füllstoffe auf Basis fortschrittlicher Materialien wie Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Nanosilikate und mehr verwendet werden.

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

Referenzen

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.