Simplificando a fabricação de sensores com compostos adesivos

Os sensores são a espinha dorsal de uma sociedade digitalizada, medindo uma ampla gama de características físicas em todos os tipos de aplicações, desde produtos de consumo diários até sistemas de missão crítica em aplicações aeroespaciais, automotivas, industriais, médicas, ópticas e todas as outras que dependem de sensores inteligentes. dispositivos baseados. Os sensores podem medir todos os tipos de grandezas físicas fundamentais, como temperatura e pressão, bem como características dinâmicas, como aceleração e rotação.

Para cada tipo de medição, os desenvolvedores de produtos podem encontrar sensores com a faixa dinâmica, sensibilidade e precisão necessárias. Combinadas em pacotes e módulos únicos, as soluções altamente integradas incorporam vários sensores com cadeias de condicionamento de sinal, processadores e até subsistemas ópticos para suportar modalidades de medição mais complexas, como biometria, medição inercial e diversos recursos de monitoramento. Os biossensores químicos ativos vão ainda mais longe, incorporando moléculas em uma matriz ou membrana composta por resina epóxi que imobiliza a molécula sem degradar sua capacidade de interagir com moléculas de interesse. De fato, compostos de epóxi e silicone desempenham um papel vital em sensores de todos os tipos.

Seja com base em dispositivos de junção simples, dispositivos de sistemas microeletromecânicos avançados (MEMS) ou até mesmo membranas de biossensores, espera-se que os sensores forneçam dados precisos de forma confiável, apesar do manuseio brusco, ambientes agressivos e estresse contínuo de fatores térmicos, químicos ou mecânicos através de qualquer combinação de condições adversas de operação. Seu desempenho e longevidade dependem fundamentalmente de métodos avançados de fabricação que combinam vários materiais em montagens de precisão.

Dentro desses conjuntos, os compostos de epóxi e silicone desempenham um papel crítico como adesivos, encapsulantes de preenchimento insuficiente, compostos de envasamento ou revestimentos isolantes necessários para estabilizar, unir e proteger os componentes do sensor durante a fabricação e uso contínuo em suas aplicações-alvo. Ao unir e proteger os componentes do sensor, esses compostos ajudam a simplificar a fabricação do sensor e garantem o desempenho contínuo desses dispositivos. Ao cumprir sua função, esses compostos precisam oferecer suporte a uma combinação de requisitos rigorosos que são exclusivos para cada aplicação.

Atendendo a diversos requisitos

Apesar das diversas características necessárias para dar suporte à fabricação e implantação de diferentes dispositivos de detecção, engenheiros de projeto e fabricantes podem encontrar sistemas de epóxi e silicone prontos para uso ou prontamente personalizados projetados para atender a praticamente qualquer requisito de desempenho e manuseio. Para dispositivos destinados a aplicações de detecção de temperatura, os fabricantes podem aproveitar os compostos disponíveis que exibem a alta condutividade térmica necessária para evitar o comprometimento das medições.

Condutividade térmica e facilidade de manutenção criogênica: Embora seja um requisito essencial para montagens de sensores de temperatura, a alta condutividade térmica pode desempenhar um papel vital em outros tipos de sistemas de sensores. Em aplicações aeroespaciais e astrofísicas, tanto a condutividade térmica quanto a capacidade de manutenção criogênica podem ser requisitos críticos. Os engenheiros da GL Scientific precisavam desenvolver um módulo para abrigar conjuntos de chips de sensores infravermelhos para serem usados ​​em um instrumento de imagem óptica adaptativa para um telescópio. ^[1]

Entre os objetivos do projeto, a capacidade de controlar a temperatura da placa de base do módulo e do plano focal do imager dentro de 0,1 kelvin (K) usando uma combinação de criogênico e ciclo de calor para obter estabilidade térmica. Neste projeto, sensores de temperatura e aquecedores seriam ligados ao plano focal e placa de base para monitorar e controlar o ciclo térmico. Consequentemente, o projeto exigia um composto de ligação eletricamente isolante com alta condutividade térmica e capacidade de suportar ciclos térmicos até temperaturas criogênicas, mantendo a força de ligação, bem como a estabilidade térmica e estrutural.

Além disso, o composto de ligação precisava formar ligações fortes de forma confiável com materiais diferentes. Neste caso, o plano focal foi construído em titânio-zircônio-molibdênio e molibdênio e finalmente banhado a ouro; a placa de base foi construída em alumínio e niquelado. Para esta aplicação, a equipe de engenharia da GL Scientific selecionou o Master Bond EP37-3FLFA0 — um sistema epóxi com alta condutividade térmica, excelentes propriedades de isolamento elétrico e boa resistência física, mantendo a flexibilidade mecânica em temperaturas que variam de 4K a 250 °C.

Isolamento elétrico e manuseio: O desempenho específico e as características de manuseio de um composto de ligação podem variar drasticamente de aplicação para aplicação. Poucas aplicações demonstram a ampla gama de requisitos para compostos de ligação encontrados em aplicações bioquímicas ou biofísicas. Em uma série de experimentos, pesquisadores da Universidade Carnegie Mellon usaram técnicas fotolitográficas para criar arranjos de eletrodos microscópicos projetados para medir mudanças na impedância de células expostas a vários medicamentos. ^[2] Como esse método pode ser facilmente automatizado, ele pode ajudar os laboratórios a acelerar drasticamente o rendimento da triagem de medicamentos, fornecendo uma capacidade crítica para a saúde.

Devido à sensibilidade dessa abordagem, a equipe de pesquisa precisava garantir que a cadeia do sinal de medição permanecesse livre de artefatos que pudessem alterar os resultados. Nesse caso, a equipe precisava de um composto capaz de revestir porções expostas da matriz de eletrodos para reduzir a capacitância parasita que poderia alterar significativamente as medições. Ao mesmo tempo, o composto precisava permanecer neutro ao ambiente bioquímico para evitar afetar o alvo biológico. Para esta aplicação, os pesquisadores escolheram o Master Bond EP30HT — um sistema epóxi com fortes características de isolamento elétrico e resistência química. Aqui, a equipe de pesquisa usou o Master Bond EP30HT para revestir a interconexão a cerca de 150 pm de distância dos eletrodos, reduzindo com sucesso os parasitas entre a interconexão e o meio líquido banhando as células vivas usadas para esse método de bioensaio baseado em impedância.

Atendendo a amplas necessidades de desempenho e processamento

Sistemas adesivos adequados estão prontamente disponíveis com características ajustadas usando materiais de enchimento que são combinados com o composto de base em diferentes fatores de carga. Usando diferentes cargas, os fabricantes podem criar compostos adesivos otimizados para combinações específicas de características de desempenho, como condutividade elétrica ou térmica, resistência química e estabilidade, bem como características de processamento como viscosidade, tempo de trabalho e tempo de cura.

Outros tipos de compostos especializados de epóxi e silicone são projetados para garantir a compatibilidade com os principais padrões das indústrias médica, aeroespacial e outras. Os engenheiros que desenvolvem sensores mais sofisticados projetados para implante ou colocação na pele já tiraram o máximo proveito dos compostos de adesivos biocompatíveis para fornecer uma interface protetora entre os instrumentos e o tecido ósseo, ^[3] habilitar a medição de oxigênio dissolvido, ^[4] encapsular uma matriz de biossensores totalmente implantável, ^[5] e mais. Esses compostos especializados não apenas fornecem as características de condutividade térmica e elétrica necessárias, mas também atendem aos requisitos de biocompatibilidade especificados nos padrões USP Classe VI e ISO10993-5.

Da mesma forma, engenheiros que trabalham em montagens para sistemas aeroespaciais ou outras aplicações com eletrônicos sensíveis podem encontrar compostos adesivos que atendem aos requisitos ASTM E595 e NASA para baixa emissão de gases. O uso desses compostos ajuda a garantir que sistemas ópticos, eletrônicos sensíveis ou outras superfícies permaneçam livres de contaminação de compostos voláteis às vezes exalados por adesivos, mesmo após a cura.

Novos materiais e métodos

A tecnologia de sensores continua avançando rapidamente, acompanhando os avanços na ciência de materiais e engenharia de fabricação. Sensores de deformação avançados baseados em nanocompósitos de tubo de carbono de parede única ou detectores de calor altamente sensíveis usando as propriedades piroelétricas de dispositivos emergentes de nitreto de gálio (GaN) prometem impulsionar novas aplicações usando esses nanossensores para detectar fenômenos sutis.

Outras tecnologias de sensores trazem benefícios semelhantes a uma ampla gama de modalidades de detecção. Destinados a serem tecidos em tecidos, pintados em superfícies ou fabricados com métodos de impressão 3D, novos tipos de sensores permitirão o desenvolvimento de produtos inteligentes capazes de acessar dados de medição mais abrangentes. Mais do que nunca, esses sensores emergentes exigirão compostos adesivos capazes de atender a requisitos específicos de condutividade, biocompatibilidade e fabricação. Tal como acontece com os sensores, novos compostos continuarão a surgir, usando novos materiais e métodos para enchimentos baseados em materiais avançados, como grafeno, nanotubos de carbono, nanosilicatos e muito mais.

Este artigo foi escrito por Rohit Ramnath, Engenheiro de Produto Sênior, Master Bond (Hackensack, NJ). Para mais informações, visite aqui .

Referências

1. Lupino, G. (2003). Descrição do projeto do módulo do mosaico do detector de GSAOI H2RG 4Kx4K. GL Relatório Técnico Científico. GLSTR-0301.
2. Nguyen, D., Domach, M. Huang, X., Greve, D. Estudos de matriz de impedância de crescimento de células de mamíferos.
3. Para, G, et al. (2008). Instrumento de mapeamento de tensão sem fio multicanal para artroplastia total do joelho com 30 microcantilevers e tecnologia ASIC. Conferência IEEE SENSORS 2008.
4. Wittkampf, M., et al. (1997). Sensor de filme fino de silício para medição de oxigênio dissolvido. Sensores e Atuadores B:Chemical, Vol. 43, doi:10.1016/S0925-4005(97)00138-X.
5. Baj-Rossi, C. et al. (2013). Fabricação e embalagem de uma matriz de biossensores totalmente implantável. 2013 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference, BioCAS 2013. 166-169. doi:10.1109/BioCAS.2013.6679665.