Rationaliser la fabrication de capteurs avec des technologies adhésives avancées

Les capteurs sont la colonne vertébrale d'une société numérisée, mesurant une large gamme de caractéristiques physiques dans chaque type d'application, des produits de consommation quotidiens aux systèmes critiques pour la mission dans l'aérospatiale, l'automobile, l'industrie, le médical, l'optique et toutes les autres applications qui reposent sur des dispositifs intelligents basés sur des capteurs. Les capteurs peuvent mesurer chaque type de grandeurs physiques fondamentales comme la température et la pression, ainsi que des caractéristiques dynamiques comme 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. Combinés en packages et modules uniques, des solutions hautement intégrées incorporent plusieurs capteurs avec des chaînes de conditionnement de signal, des processeurs, et même des sous-systèmes optiques pour soutenir des modalités de mesure plus complexes, telles que la biométrie, la mesure inertielle et diverses capacités de surveillance. Les biosenseurs chimiques actifs vont encore plus loin, en intégrant des molécules dans une matrice ou une 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 systèmes microélectromécaniques (MEMS) avancés, ou même des membranes de biosensibilisation, les capteurs sont censés fournir des données précises de manière fiable malgré une manipulation rude, des environnements difficiles et un stress continu provenant de facteurs thermiques, chimiques ou mécaniques à travers toute combinaison de conditions d'exploitation défavorables. Leur performance et leur longévité dépendent crítiquement de méthodes de fabrication avancées qui combinent plusieurs matériaux en assemblages de précision.

Au sein de ces assemblages, les composés époxy et silicone servent un rôle critique en tant qu'adhésifs, encapsulants de sous-remplissage, composés de potage ou revêtements conformes nécessaires pour stabiliser, lier et protéger les composants des capteurs pendant la fabrication et l'utilisation continue dans leurs applications cibles. En liant et protégeant les composants des capteurs, ces composés aident à simplifier la fabrication des capteurs et à assurer la performance continue de ces dispositifs. En remplissant leur rôle, ces composés doivent soutenir une combinaison d'exigences strictes qui est unique à chaque application.

Répondre à des exigences diverses

Malgré les caractéristiques diverses nécessaires pour soutenir 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 personnalisables conçus pour correspondre à presque n'importe quelle exigence de performance et de manipulation. Pour les dispositifs destinés aux applications de détection de température, les fabricants peuvent profiter de composés disponibles qui présentent la conductivité thermique élevée nécessaire pour éviter de compromettre les mesures.

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

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

De plus, le composé de liaison devait former de manière fiable des liens solides avec des matériaux dissemblables. Dans ce cas, le plan focal était construit en titane-zirconium-molybdène et molybdène et finalement plaqué or ; la plaque de base était construite en aluminium et plaquée nickel. Pour cette application, l'équipe d'ingénierie 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 sur des températures allant de 4 K à 250 °C.

Isolation électrique et manipulation : Les caractéristiques de performance et de manipulation spécifiques d'un composé de liaison peuvent varier considérablement d'une application à l'autre. Peu d'applications démontrent la large gamme d'exigences auxquelles font face 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 de cellules exposées à divers médicaments. ^[2] Parce que cette méthode peut être facilement automatisée, elle peut aider les laboratoires à accélérer considérablement le débit de criblage de médicaments, fournissant une capacité critique pour la santé.

En raison de la sensibilité de cette approche, l'équipe de recherche avait besoin de s'assurer que la chaîne de signal de mesure restait exempte d'artéfacts qui pourraient 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 altérer significativement les mesures. En 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 de 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 de bioessai basée sur l'impédance.

Répondre aux besoins de performance et de traitement larges

Des systèmes adhésifs appropriés sont facilement disponibles avec des caractéristiques affinées en utilisant des matériaux de charge qui sont combinés avec le composé de base à différents facteurs de chargement. En utilisant différents charges, les fabricants peuvent créer des composés adhésifs optimisés pour des combinaisons spécifiques de caractéristiques de performance comme la conductivité électrique ou thermique, la résistance chimique et la stabilité ainsi que des caractéristiques de traitement comme 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 des normes clés dans les industries médicales, aérospatiales et autres. Les ingénieurs développant des capteurs plus sophistiqués conçus pour l'implantation ou le placement sur la peau ont déjà pleinement profité des composés adhésifs biocompatibles pour fournir une interface protectrice entre les instruments et le tissu osseux, ^[3] permettre la mesure de l'oxygène dissous, ^[4] encapsuler un réseau de biosenseurs entièrement implantable, ^[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 Class VI et ISO10993-5.

De même, les ingénieurs travaillant sur des assemblages pour les systèmes aérospatiaux ou d'autres applications avec de l'électronique sensible peuvent trouver des composés adhésifs qui répondent aux exigences ASTM E595 et NASA pour les faibles dégazages. L'utilisation de ces composés aide à garantir que les systèmes optiques, l'électronique sensible ou d'autres surfaces restent exempts de contamination par des composés volatils parfois émis par les adhésifs même après durcissement.

Nouveaux matériaux et méthodes

La technologie des capteurs continue d'avancer rapidement, gardant le rythme avec les progrès en science des matériaux et en ingénierie de fabrication. Les capteurs de contrainte avancés basés sur des nanocomposites de nanotubes de carbone à paroi unique ou les détecteurs de chaleur hautement sensibles utilisant les propriétés pyroélectriques des dispositifs émergents de nitrure de gallium (GaN) promettent de piloter de nouvelles applications utilisant ces nanosenseurs pour détecter des phénomènes subtils.

D'autres technologies de capteurs apportent des avantages similaires à une large gamme de modalités de détection. Destinés à être tissés dans les textiles, peints sur les 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 pour la conductivité, la biocompatibilité et la fabrication. Comme pour les capteurs, de nouveaux composés continueront d'émerger, en utilisant de nouveaux matériaux et méthodes pour les charges basées sur des matériaux avancés tels que le graphène, les nanotubes de carbone, les nanosilicates, et plus.

Cet article a été écrit par Rohit Ramnath, Ingénieur Produit Senior, Master Bond (Hackensack, NJ). Pour plus d'informations, visitez ici .

Références

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.