Optimizando la Fabricación de Sensores con Tecnologías Adhesivas Avanzadas

Los sensores son la columna vertebral de una sociedad digitalizada, midiendo una amplia gama de características físicas en todo tipo de aplicaciones desde productos de consumo cotidianos hasta sistemas críticos en aeroespacial, automotriz, industrial, médico, óptico y toda otra aplicación que depende de dispositivos inteligentes basados en sensores. Los sensores pueden medir todo tipo de cantidades físicas fundamentales como temperatura y presión, así como características dinámicas como aceleración y rotación.

Para cada tipo de medición, los desarrolladores de producto pueden encontrar sensores con el rango dinámico, sensibilidad y precisión requeridos. Combinados en paquetes y módulos únicos, soluciones altamente integradas incorporan múltiples sensores con cadenas de acondicionamiento de señal, procesadores e incluso subsistemas ópticos para soportar modalidades de medición más complejas, como biométricas, medición inercial y diversas capacidades de monitoreo. Los biosensores químicos activos van aún más lejos, incrustando moléculas en una matriz o membrana compuesta de resina epóxica que inmoviliza la molécula sin degradar su capacidad para interactuar con moléculas de interés. De hecho, compuestos de epóxido y silicona juegan un papel vital en sensores de todos los tipos.

Ya sea basados en dispositivos de unión simples, sistemas microelectromecánicos (MEMS) avanzados, o incluso membranas de biosensado, se espera que los sensores entreguen datos precisos de manera confiable a pesar de manipulación brusca, ambientes hostiles y estrés continuo por factores térmicos, químicos o mecánicos a través de cualquier combinación de condiciones operativas adversas. Su rendimiento y longevidad dependen críticamente de métodos de fabricación avanzados que combinan múltiples materiales en ensamblajes de precisión.

Dentro de estos ensamblajes, compuestos de epóxido y silicona sirven un papel crítico como adhesivos, encapsulantes de relleno, compuestos de encapsulado o recubrimientos conformes necesarios para estabilizar, unir y proteger componentes de sensores durante fabricación y uso continuo en sus aplicaciones objetivo. Al unir y proteger componentes de sensores, estos compuestos ayudan a simplificar la fabricación de sensores y asegurar rendimiento continuo de estos dispositivos. Al cumplir su papel, estos compuestos necesitan soportar una combinación de requisitos estrictos que es única para cada aplicación.

Cumplir Requisitos Diversos

A pesar de las diversas características necesarias para soportar fabricación y despliegue de diferentes dispositivos de sensado, ingenieros de diseño y fabricantes pueden encontrar sistemas de epóxido y silicona estándar o fácilmente personalizados diseñados para igualar casi cualquier requisito de rendimiento y manejo. Para dispositivos destinados a aplicaciones de detección de temperatura, los fabricantes pueden aprovechar compuestos disponibles que exhiben la alta conductividad térmica necesaria para evitar comprometer mediciones.

Conductividad Térmica y Servicio Criogénico: Mientras un requisito esencial para ensamblajes de sensores de temperatura, alta conductividad térmica puede jugar un papel vital en otros tipos de sistemas de sensores. En aplicaciones aeroespaciales y astrofísicas, tanto conductividad térmica como servicio criogénico pueden ser requisitos críticos. Ingenieros de GL Scientific necesitaban desarrollar un módulo para alojar arrays de chips de sensores infrarrojos para usarse en un instrumento de imagen de óptica adaptativa para un telescopio. ^[1]

Entre objetivos de diseño, la capacidad de controlar temperatura de la placa base del módulo y plano focal del imagenador dentro de 0.1 kelvin (K) usando una combinación de ciclos criogénicos y de calor para lograr estabilidad térmica. En este diseño, sensores de temperatura y calentadores serían unidos al plano focal y placa base para monitorear y controlar ciclos térmicos. Consecuentemente, el diseño requería un compuesto de unión eléctricamente aislante con alta conductividad térmica, y capacidad para soportar ciclos térmicos hasta temperaturas criogénicas manteniendo fuerza de unión así como estabilidad térmica y estructural.

Además, el compuesto de unión necesitaba formar uniones fuertes confiables con materiales disímiles. En este caso, el plano focal fue construido de titanio-circonio-molibdeno y molibdeno y finalmente plateado con oro; la placa base fue construida de aluminio y niquelada. Para esta aplicación, el equipo de ingeniería de GL Scientific seleccionó Master Bond EP37-3FLFA0 —un sistema epóxico con alta conductividad térmica, excelentes propiedades de aislamiento eléctrico y buena resistencia física mientras retiene flexibilidad mecánica a través de temperaturas desde 4K a 250 °C.

Aislamiento Eléctrico y Manejo: Las características específicas de rendimiento y manejo de un compuesto de unión pueden variar dramáticamente de aplicación a aplicación. Pocas aplicaciones demuestran la amplia gama de requisitos que enfrentan compuestos de unión que se encuentran en aplicaciones bioquímicas o biofísicas. En una serie de experimentos, investigadores de la Universidad Carnegie Mellon usaron técnicas fotolitográficas para crear arrays de electrodos microscópicos diseñados para medir cambios en impedancia de células expuestas a varios fármacos. ^[2] Debido a que este método puede automatizarse fácilmente, puede ayudar a laboratorios a acelerar dramáticamente el rendimiento de cribado de fármacos, proporcionando una capacidad crítica para salud.

Debido a la sensibilidad de este enfoque, el equipo de investigación necesitaba asegurar que la cadena de señal de medición permaneciera libre de artefactos que pudieran alterar resultados. En este caso, el equipo necesitaba un compuesto capaz de recubrir porciones expuestas del array de electrodos para reducir capacitancia parásita que podría alterar significativamente las mediciones. Al mismo tiempo, el compuesto necesitaba permanecer neutral al ambiente bioquímico para evitar afectar el objetivo biológico. Para esta aplicación, los investigadores eligieron Master Bond EP30HT —un sistema epóxico con fuertes características de aislamiento eléctrico y resistencia química. Aquí, el equipo de investigación usó Master Bond EP30HT para recubrir interconexiones a unos 150 pm de los electrodos, reduciendo exitosamente parásitos entre la interconexión y medio líquido bañando las células vivas usadas para este método de bioensayo basado en impedancia.

Cumplir Necesidades Amplias de Rendimiento y Procesamiento

Sistemas adhesivos adecuados están disponibles con características afinadas usando materiales de relleno combinados 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 epóxicos y de silicona especializados están diseñados para asegurar compatibilidad con estándares clave en industrias médicas, aeroespaciales y otras. Ingenieros desarrollando sensores más sofisticados diseñados para implante o colocación en la piel ya han aprovechado completamente compuestos adhesivos biocompatibles para proporcionar una interfaz protectora entre instrumentos y tejido óseo, ^[3] permitir medición de oxígeno disuelto, ^[4] encapsular un array de biosensores totalmente implantable, ^[5] y más. Estos compuestos especializados no solo proporcionan las características necesarias de conductividad térmica y eléctrica, sino que también cumplen requisitos de biocompatibilidad especificados en estándares USP Clase VI e ISO10993-5.

Similarmente, ingenieros trabajando en ensamblajes para sistemas aeroespaciales u otras aplicaciones con electrónica sensible pueden encontrar compuestos adhesivos que cumplen requisitos ASTM E595 y NASA para baja desgasificación. Usar estos compuestos ayuda a asegurar que sistemas ópticos, electrónica sensible u otras superficies permanezcan libres de contaminación de compuestos volátiles a veces exudados por adhesivos incluso después de curado.

Nuevos Materiales y Métodos

La tecnología de sensores continúa avanzando rápidamente, manteniendo el ritmo con avances en ciencia de materiales e ingeniería de fabricación. Sensores de deformación avanzados basados en nanocompuestos de nanotubos de carbono de pared simple o detectores de calor altamente sensibles usando propiedades piroeléctricas de dispositivos emergentes de nitruro de galio (GaN) prometen impulsar aplicaciones novedosas usando estos nanosensores para detectar fenómenos sutiles.

Otras tecnologías de sensores aportan beneficios similares a una amplia gama de modalidades de sensado. Destinados a ser tejidos en textiles, pintados en superficies o fabricados con métodos de impresión 3D, nuevos tipos de sensores permitirán desarrollo de productos inteligentes capaces de acceder a datos de medición más comprehensivos. Más que nunca, estos sensores emergentes requerirán compuestos adhesivos capaces de cumplir requisitos específicos para conductividad, biocompatibilidad y fabricación. Como con sensores, nuevos compuestos continuarán surgiendo, usando 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 Producto, Master Bond (Hackensack, NJ). Para más información, visita aquí .

Referencias

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.