Simplificación de la fabricación de sensores con compuestos adhesivos

Los sensores son la columna vertebral de una sociedad digitalizada, midiendo una amplia gama de características físicas en cada tipo de aplicación, desde productos de consumo cotidianos hasta sistemas de misión crítica en aplicaciones aeroespaciales, automotrices, industriales, médicas, ópticas y cualquier otra aplicación que dependa de sensores inteligentes. dispositivos basados Los sensores pueden medir todo tipo de cantidades físicas fundamentales como la temperatura y la presión, así como características dinámicas como la aceleración y la rotación.

Para cada tipo de medición, los desarrolladores de productos pueden encontrar sensores con el rango dinámico, la sensibilidad y la precisión requeridos. Combinadas en paquetes y módulos únicos, las soluciones altamente integradas incorporan múltiples sensores con cadenas de acondicionamiento de señales, procesadores e incluso subsistemas ópticos para admitir modalidades de medición más complejas, como biometría, medición inercial y diversas capacidades de monitoreo. Los biosensores químicos activos van aún más allá, incorporando moléculas en una matriz o membrana compuesta de resina epoxi que inmoviliza la molécula sin degradar su capacidad para interactuar con las moléculas de interés. De hecho, los compuestos de epoxi y silicona juegan un papel vital en sensores de todo tipo.

Ya sea que se basen en dispositivos de unión simples, dispositivos de sistemas microelectromecánicos avanzados (MEMS) o incluso membranas biosensoras, se espera que los sensores proporcionen datos precisos de manera confiable a pesar del manejo brusco, los entornos hostiles y el estrés continuo de factores térmicos, químicos o mecánicos a través de cualquier combinación de condiciones adversas de operación. Su rendimiento y longevidad dependen de manera crítica de los métodos de fabricación avanzados que combinan múltiples materiales en ensamblajes de precisión.

Dentro de estos ensamblajes, los compuestos de epoxi y silicona desempeñan un papel fundamental como adhesivos, encapsulantes de relleno inferior, compuestos de encapsulado o revestimientos de conformación necesarios para estabilizar, unir y proteger los componentes del sensor durante la fabricación y el uso continuo en sus aplicaciones de destino. Al unir y proteger los componentes del sensor, estos compuestos ayudan a simplificar la fabricación del sensor y garantizan el rendimiento continuo de estos dispositivos. Para cumplir su función, estos compuestos deben soportar una combinación de requisitos estrictos que es único para cada aplicación.

Cumplir diversos requisitos

A pesar de las diversas características necesarias para respaldar la fabricación y el despliegue de diferentes dispositivos de detección, los ingenieros de diseño y los fabricantes pueden encontrar sistemas de epoxi y silicona listos para usar o fácilmente personalizados diseñados para satisfacer casi cualquier requisito de rendimiento y manejo. Para dispositivos destinados a aplicaciones de detección de temperatura, los fabricantes pueden aprovechar los compuestos disponibles que exhiben la alta conductividad térmica necesaria para evitar mediciones comprometidas.

Conductividad térmica y servicio criogénico: Si bien es un requisito esencial para los conjuntos de sensores de temperatura, la alta conductividad térmica puede desempeñar un papel vital en otros tipos de sistemas de sensores. En aplicaciones aeroespaciales y astrofísicas, tanto la conductividad térmica como la capacidad de servicio criogénico pueden ser requisitos críticos. Los ingenieros de GL Scientific necesitaban desarrollar un módulo para albergar conjuntos de chips de sensores infrarrojos que se utilizarían en un instrumento generador de imágenes de óptica adaptativa para un telescopio. ^[1]

Entre los objetivos de diseño, la capacidad de controlar la temperatura de la placa base del módulo y el plano focal del generador de imágenes dentro de 0,1 kelvin (K) mediante una combinación de ciclos criogénicos y térmicos para lograr la estabilidad térmica. En este diseño, los sensores de temperatura y los calentadores estarían unidos al plano focal y la placa base para monitorear y controlar los ciclos térmicos. En consecuencia, el diseño requería un compuesto de unión eléctricamente aislante con alta conductividad térmica y la capacidad de soportar ciclos térmicos hasta temperaturas criogénicas mientras se mantenía la fuerza de unión, así como la estabilidad térmica y estructural.

Además, el compuesto adhesivo necesitaba formar enlaces fuertes de forma fiable con materiales diferentes. En este caso, el plano focal se construyó con titanio-zirconio-molibdeno y molibdeno y finalmente se recubrió con oro; la placa base se construyó con aluminio y niquelado. Para esta aplicación, el equipo de ingeniería de GL Scientific seleccionó Master Bond EP37-3FLFA0, un sistema epoxi con alta conductividad térmica, excelentes propiedades de aislamiento eléctrico y buena resistencia física al mismo tiempo que mantiene la flexibilidad mecánica a temperaturas que van desde 4K a 250 °C.

Aislamiento y Manejo Eléctrico: El rendimiento específico y las características de manejo de un compuesto adhesivo pueden variar drásticamente de una aplicación a otra. Pocas aplicaciones demuestran la amplia gama de requisitos que enfrentan los compuestos de unión que se encuentran en aplicaciones bioquímicas o biofísicas. En una serie de experimentos, los investigadores de la Universidad Carnegie Mellon utilizaron técnicas fotolitográficas para crear conjuntos de electrodos microscópicos diseñados para medir los cambios en la impedancia de las células expuestas a diversos fármacos. ^[2] Debido a que este método se puede automatizar fácilmente, puede ayudar a los laboratorios a acelerar drásticamente el rendimiento de la detección de drogas, proporcionando una capacidad crítica para la atención médica.

Debido a la sensibilidad de este enfoque, el equipo de investigación necesitaba asegurarse de que la cadena de la señal de medición permaneciera libre de artefactos que pudieran alterar los resultados. En este caso, el equipo necesitaba un compuesto capaz de recubrir las partes expuestas de la matriz de electrodos para reducir la capacitancia parásita que podría alterar significativamente las mediciones. Al mismo tiempo, el compuesto debía permanecer neutral en el entorno bioquímico para evitar afectar el objetivo biológico. Para esta aplicación, los investigadores eligieron Master Bond EP30HT, un sistema epoxi con fuertes características de aislamiento eléctrico y resistencia química. Aquí, el equipo de investigación usó Master Bond EP30HT para recubrir la interconexión a unas 150 pm de distancia de los electrodos, reduciendo con éxito los parásitos entre la interconexión y el medio líquido que baña las células vivas utilizadas para este método de bioensayo basado en la impedancia.

Satisfacción de amplias necesidades de rendimiento y procesamiento

Los sistemas adhesivos adecuados están fácilmente disponibles con características ajustadas utilizando materiales de relleno que se combinan con el compuesto base en diferentes factores de carga. Usando diferentes rellenos, los fabricantes pueden crear compuestos adhesivos optimizados para combinaciones específicas de características de rendimiento como conductividad eléctrica o térmica, resistencia química y estabilidad, así como características de procesamiento como viscosidad, tiempo de trabajo y tiempo de curado.

Otros tipos de compuestos de epoxi y silicona especializados están diseñados para garantizar la compatibilidad con los estándares clave en las industrias médica, aeroespacial y de otro tipo. Los ingenieros que desarrollan sensores más sofisticados diseñados para implantes o colocación en la piel ya han aprovechado al máximo los compuestos adhesivos biocompatibles para proporcionar una interfaz protectora entre los instrumentos y el tejido óseo, ^[3] habilitar la medición de oxígeno disuelto, ^[4] encapsular una matriz de biosensores completamente implantable, ^[5] y más. Estos compuestos especializados no solo brindan las características necesarias de conductividad térmica y eléctrica, sino que también cumplen con los requisitos de biocompatibilidad especificados en las normas USP Clase VI e ISO10993-5.

De manera similar, los ingenieros que trabajan en ensamblajes para sistemas aeroespaciales u otras aplicaciones con componentes electrónicos sensibles pueden encontrar compuestos adhesivos que cumplan con los requisitos de ASTM E595 y NASA para una baja emisión de gases. El uso de estos compuestos ayuda a garantizar que los sistemas ópticos, los componentes electrónicos sensibles u otras superficies permanezcan libres de contaminación por compuestos volátiles que a veces exudan los adhesivos incluso después del curado.

Nuevos materiales y métodos

La tecnología de sensores continúa avanzando rápidamente, manteniendo el ritmo de los avances en la ciencia de los materiales y la ingeniería de fabricación. Los sensores de tensión avanzados basados ​​en nanocompuestos de tubo de carbono de pared simple o detectores de calor altamente sensibles que utilizan las propiedades piroeléctricas de los dispositivos emergentes de nitruro de galio (GaN) prometen impulsar aplicaciones novedosas que utilizan estos nanosensores para detectar fenómenos sutiles.

Otras tecnologías de sensores brindan beneficios similares a una amplia gama de modalidades de detección. Destinados a ser tejidos en textiles, pintados en superficies o fabricados con métodos de impresión 3D, los nuevos tipos de sensores permitirán el desarrollo de productos inteligentes capaces de acceder a datos de medición más completos. Más que nunca, estos sensores emergentes requerirán compuestos adhesivos capaces de cumplir requisitos específicos de conductividad, biocompatibilidad y fabricación. Al igual que con los sensores, seguirán surgiendo nuevos compuestos, utilizando nuevos materiales y métodos para rellenos basados ​​en materiales avanzados como grafeno, nanotubos de carbono, nanosilicatos y más.

Este artículo fue escrito por Rohit Ramnath, ingeniero senior de productos, Master Bond (Hackensack, NJ). Para obtener más información, visite aquí .

Referencias

1. Luppino, G. (2003). Descripción del diseño del módulo de mosaico del detector GSAOI H2RG 4Kx4K. Informe Técnico Científico GL. GLSTR-0301.
2. Nguyen, D., Domach, M. Huang, X., Greve, D. Estudios de matriz de impedancia del crecimiento de células de mamíferos.
3. To, G, et al. (2008). Instrumento de mapeo de tensión inalámbrico multicanal para artroplastia total de rodilla con 30 microcantilevers y tecnología ASIC. Conferencia IEEE SENSORES 2008.
4. Wittkampf, M., et al. (1997). Sensor de película delgada de silicio para la medición de oxígeno disuelto. Sensores y actuadores B:Química, vol. 43, doi:10.1016/S0925-4005(97)00138-X.
5. Baj-Rossi, C. et al. (2013). Fabricación y empaquetado de una matriz de biosensores totalmente implantable. Conferencia de sistemas y circuitos biomédicos IEEE de 2013, BioCAS 2013. 166-169. doi:10.1109/BioCAS.2013.6679665.