Simplification de la fabrication de capteurs avec des composés adhésifs

Les capteurs sont l'épine dorsale d'une société numérisée, mesurant un large éventail de caractéristiques physiques dans chaque type d'application, des produits de consommation courante aux systèmes critiques dans l'aérospatiale, l'automobile, l'industrie, la médecine, l'optique et toutes les autres applications qui reposent sur des capteurs intelligents. appareils basés. Les capteurs peuvent mesurer tous les types de grandeurs physiques fondamentales telles que la température et la pression, ainsi que les caractéristiques dynamiques telles que l'accélération et la rotation.

Pour chaque type de mesure, les développeurs de produits peuvent trouver des capteurs avec la plage dynamique, la sensibilité et la précision requises. Combinées dans des packages et des modules uniques, les solutions hautement intégrées intègrent plusieurs capteurs avec des chaînes de conditionnement de signaux, des processeurs et même des sous-systèmes optiques pour prendre en charge des modalités de mesure plus complexes, telles que la biométrie, la mesure inertielle et diverses capacités de surveillance. Les biocapteurs chimiques actifs vont encore plus loin en enchâssant des molécules dans une matrice ou membrane composée de résine époxy qui immobilise la molécule sans dégrader sa capacité à interagir avec les molécules d'intérêt. En fait, les composés époxy et silicone jouent un rôle vital dans les capteurs de tous types.

Qu'ils soient basés sur des dispositifs de jonction simples, des dispositifs de systèmes microélectromécaniques avancés (MEMS) ou même des membranes de biodétection, les capteurs sont censés fournir des données précises de manière fiable malgré une manipulation brutale, des environnements difficiles et des contraintes continues dues à des facteurs thermiques, chimiques ou mécaniques à travers n'importe quelle combinaison de conditions de fonctionnement défavorables. Leurs performances et leur longévité dépendent essentiellement des méthodes de fabrication avancées qui combinent plusieurs matériaux dans des assemblages de précision.

Au sein de ces assemblages, les composés époxy et silicone jouent un rôle essentiel en tant qu'adhésifs, encapsulants de sous-remplissage, composés d'enrobage ou revêtements conformes nécessaires pour stabiliser, lier et protéger les composants du capteur pendant la fabrication et l'utilisation continue dans leurs applications cibles. En liant et en protégeant les composants du capteur, ces composés aident à simplifier la fabrication du capteur et à assurer la performance continue de ces dispositifs. Pour remplir leur rôle, ces composés doivent répondre à une combinaison d'exigences strictes propres à chaque application.

Répondre à diverses exigences

Malgré les diverses caractéristiques nécessaires pour prendre en charge la fabrication et le déploiement de différents dispositifs de détection, les ingénieurs de conception et les fabricants peuvent trouver des systèmes époxy et silicone prêts à l'emploi ou facilement personnalisés conçus pour répondre à presque toutes les exigences de performance et de manipulation. Pour les appareils destinés aux applications de détection de température, les fabricants peuvent tirer parti des composés disponibles qui présentent la conductivité thermique élevée nécessaire pour éviter de compromettre les mesures.

Conductivité thermique et aptitude au service cryogénique : Bien qu'il s'agisse d'une exigence essentielle pour les assemblages de capteurs de température, une conductivité thermique élevée peut jouer un rôle vital dans d'autres types de systèmes de capteurs. Dans les applications aérospatiales et astrophysiques, la conductivité thermique et la capacité de maintenance cryogénique peuvent être des exigences critiques. Les ingénieurs de GL Scientific avaient besoin de développer un module pour héberger des réseaux de puces de capteurs infrarouges à utiliser dans un instrument d'imageur à optique adaptative pour un télescope. ^[1]

Parmi les objectifs de conception, la capacité de contrôler la température de la plaque de base du module et du plan focal de l'imageur à moins de 0,1 kelvin (K) en utilisant une combinaison de cycles cryogéniques et thermiques pour obtenir une stabilité thermique. Dans cette conception, les capteurs de température et les éléments chauffants seraient liés au plan focal et à la plaque de base pour surveiller et contrôler le cycle thermique. Par conséquent, la conception nécessitait un composé de liaison électriquement isolant avec une conductivité thermique élevée et une capacité à résister aux cycles thermiques jusqu'à des températures cryogéniques tout en maintenant la force de liaison ainsi que la stabilité thermique et structurelle.

De plus, le composé de liaison devait former de manière fiable des liaisons solides avec des matériaux différents. Dans ce cas, le plan focal a été construit à partir de titane-zirconium-molybdène et de molybdène et finalement plaqué d'or ; la plaque de base a été construite en aluminium et nickelée. Pour cette application, l'équipe d'ingénieurs de GL Scientific a sélectionné Master Bond EP37-3FLFA0 — un système époxy avec une conductivité thermique élevée, d'excellentes propriétés d'isolation électrique et une bonne résistance physique tout en conservant une flexibilité mécanique à des températures allant de 4K à 250 °C.

Isolation électrique et manutention : Les performances spécifiques et les caractéristiques de manipulation d'un composé de liaison peuvent varier considérablement d'une application à l'autre. Peu d'applications démontrent le large éventail d'exigences auxquelles sont confrontés les composés de liaison que l'on trouve dans les applications biochimiques ou biophysiques. Dans une série d'expériences, des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon ont utilisé des techniques photolithographiques pour créer des réseaux d'électrodes microscopiques conçus pour mesurer les changements d'impédance des cellules exposées à divers médicaments. ^[2] Étant donné que cette méthode peut être facilement automatisée, elle peut aider les laboratoires à accélérer considérablement le débit de dépistage des médicaments, offrant ainsi une capacité essentielle pour les soins de santé.

En raison de la sensibilité de cette approche, l'équipe de recherche devait s'assurer que la chaîne du signal de mesure restait exempte d'artefacts susceptibles d'altérer les résultats. Dans ce cas, l'équipe avait besoin d'un composé capable de recouvrir les parties exposées du réseau d'électrodes pour réduire la capacité parasite qui pourrait modifier considérablement les mesures. Dans le même temps, le composé devait rester neutre vis-à-vis de l'environnement biochimique pour éviter d'affecter la cible biologique. Pour cette application, les chercheurs ont choisi Master Bond EP30HT, un système époxy avec de fortes caractéristiques d'isolation électrique et une résistance chimique. Ici, l'équipe de recherche a utilisé Master Bond EP30HT pour recouvrir l'interconnexion à environ 150 pm des électrodes, réduisant avec succès les parasites entre l'interconnexion et le milieu liquide baignant les cellules vivantes utilisées pour cette méthode d'essai biologique basée sur l'impédance.

Répondre à de larges besoins en matière de performances et de traitement

Des systèmes adhésifs appropriés sont facilement disponibles avec des caractéristiques affinées à l'aide de matériaux de remplissage qui sont combinés avec le composé de base dans différents facteurs de charge. En utilisant différentes charges, les fabricants peuvent créer des composés adhésifs optimisés pour des combinaisons spécifiques de caractéristiques de performance telles que la conductivité électrique ou thermique, la résistance chimique et la stabilité, ainsi que des caractéristiques de traitement telles que la viscosité, le temps de travail et le temps de durcissement.

D'autres types de composés époxy et silicone spécialisés sont conçus pour assurer la compatibilité avec les normes clés des industries médicales, aérospatiales et autres. Les ingénieurs développant des capteurs plus sophistiqués conçus pour être implantés ou placés sur la peau ont déjà tiré pleinement parti des composés adhésifs biocompatibles pour fournir une interface protectrice entre les instruments et le tissu osseux, ^[3] activer la mesure de l'oxygène dissous, ^[4] encapsuler un réseau de biocapteurs entièrement implantables, ^[5] et plus. Ces composés spécialisés fournissent non seulement les caractéristiques de conductivité thermique et électrique nécessaires, mais répondent également aux exigences de biocompatibilité spécifiées dans les normes USP Classe VI et ISO10993-5.

De même, les ingénieurs travaillant sur des assemblages pour des systèmes aérospatiaux ou d'autres applications avec des composants électroniques sensibles peuvent trouver des composés adhésifs qui répondent aux exigences ASTM E595 et NASA pour un faible dégazage. L'utilisation de ces composés permet de garantir que les systèmes optiques, les composants électroniques sensibles ou d'autres surfaces restent exempts de contamination par des composés volatils parfois exsudés par les adhésifs même après durcissement.

Nouveaux matériaux et méthodes

La technologie des capteurs continue de progresser rapidement, suivant le rythme des progrès de la science des matériaux et de l'ingénierie de fabrication. Des capteurs de contrainte avancés basés sur des nanocomposites à tube de carbone à paroi unique ou des détecteurs de chaleur hautement sensibles utilisant les propriétés pyroélectriques des dispositifs émergents au nitrure de gallium (GaN) promettent de conduire à de nouvelles applications utilisant ces nanocapteurs pour détecter des phénomènes subtils.

D'autres technologies de capteurs apportent des avantages similaires à un large éventail de modalités de détection. Destinés à être tissés dans des textiles, peints sur des surfaces ou fabriqués avec des méthodes d'impression 3D, de nouveaux types de capteurs permettront le développement de produits intelligents capables d'accéder à des données de mesure plus complètes. Plus que jamais, ces capteurs émergents nécessiteront des composés adhésifs capables de répondre à des exigences spécifiques de conductivité, de biocompatibilité et de fabrication. Comme pour les capteurs, de nouveaux composés continueront d'émerger, utilisant de nouveaux matériaux et méthodes pour les charges à base de matériaux avancés tels que le graphène, les nanotubes de carbone, les nanosilicates, etc.

Cet article a été rédigé par Rohit Ramnath, ingénieur produit senior, Master Bond (Hackensack, NJ). Pour plus d'informations, visitez ici .

Références

1. Luppino, G. (2003). Description de la conception du module mosaïque du détecteur GSAOI H2RG 4Kx4K. Rapport technique scientifique GL. GLSTR-0301.
2. Nguyen, D., Domach, M. Huang, X., Greve, D. Études des réseaux d'impédance sur la croissance des cellules de mammifères
3. To, G, et al. (2008). Instrument de cartographie des contraintes sans fil multicanaux pour l'arthroplastie totale du genou avec 30 microcantilevers et technologie ASIC. Conférence IEEE SENSORS 2008.
4. Wittkampf, M., et al. (1997). Capteur à couche mince de silicium pour la mesure de l'oxygène dissous. Capteurs et actionneurs B :Chemical, Vol. 43, doi :10.1016/S0925-4005(97)00138-X.
5. Baj-Rossi, C. et al. (2013). Fabrication et conditionnement d'un réseau de biocapteurs entièrement implantable. Conférence IEEE 2013 sur les circuits et systèmes biomédicaux, BioCAS 2013. 166-169. doi:10.1109/BioCAS.2013.6679665.