先進接着技術でセンサー製造を効率化

センサーはデジタル化社会のバックボーンであり、日常消費者製品から航空宇宙、自動車、産業、医療、光学、スマートセンサーベースデバイスに依存するあらゆるミッションクリティカルシステムまで、あらゆる用途で幅広い物理特性を測定します。センサーは温度と圧力のような基本物理量から、加速度と回転のような動的特性まで、あらゆるタイプの基本物理量を測定できます。

各測定タイプごとに、製品開発者は必要なダイナミックレンジ、感度、精度を持つセンサーを見つけられます。単一パッケージとモジュールに統合された高集積ソリューションは、信号調整チェーン、プロセッサー、さらには光学サブシステムを備えた複数センサーを組み込み、バイオメトリクス、慣性測定、多様な監視機能など、より複雑な測定モダリティをサポートします。アクティブ化学バイオセンサーはさらに進み、エポキシ樹脂で構成されるマトリックスやメンブレンに分子を埋め込み、対象分子と相互作用する能力を損なわずに分子を固定化します。実際、エポキシとシリコーン化合物はあらゆるタイプのセンサーで重要な役割を果たします。

シンプルな接合デバイスベース、高度なMEMS（マイクロ電気機械システム）デバイス、さらにはバイオセンシングメンブレンベースであっても、センサーは荒っぽい取り扱い、過酷な環境、熱的・化学的・機械的要因による継続的ストレス、これらのいかなる組み合わせの悪条件下でも、正確なデータを確実に提供することが期待されます。それらの性能と寿命は、複数材料を精密アセンブリに組み合わせる高度製造手法に批判的に依存します。

これらのアセンブリ内で、エポキシとシリコーン化合物は接着剤、アンダーフィル封止材、ポッティング化合物、またはコンフォーマルコーティングとして、センサーコンポーネントの製造中および対象用途での継続使用時における安定化、接合、保護に不可欠な役割を果たします。センサーコンポーネントを接合・保護することで、これらの化合物はセンサー製造をシンプルにし、これらデバイスの継続性能を保証します。役割を果たす上で、これらの化合物は、各用途に固有の厳格な要件の組み合わせをサポートする必要があります。

多様な要件への対応

異なるセンシングデバイスの製造と展開を支援するために必要な多様な特性にもかかわらず、設計エンジニアと製造者は、ほぼあらゆる性能と取り扱い要件に合わせて設計された既製品または容易にカスタマイズ可能なエポキシとシリコーンシステムを見つけられます。温度センシング用途向けデバイスでは、測定を損なわない高熱伝導性を示す化合物を活用できます。

熱伝導性と極低温対応性： 温度センサーアセンブリに不可欠な要件である高熱伝導性は、他のタイプのセンサーシステムでも重要な役割を果たすことがあります。航空宇宙と天体物理学用途では、熱伝導性と極低温対応性の両方がクリティカルな要件となり得ます。GLサイエンティフィックのエンジニアたちは、望遠鏡用適応光学イメージャー機器に使用される赤外線センサーチップアレイを収容するモジュールを開発する必要がありました。 ^[1]

設計目標の一つは、モジュールベースプレートとイメージャー焦点面の温度を、極低温と加熱サイクリングの組み合わせで0.1ケルビン（K）以内に制御し、熱的安定性を達成することでした。この設計では、温度センサーとヒーターが焦点面とベースプレートに接着され、熱サイクリングを監視・制御します。従って、設計には高熱伝導性を持ち、極低温まで熱サイクリングに耐えながら接合強度と熱的・構造的安定性を維持する電気絶縁接着化合物が必要でした。

さらに、接着化合物は異種材料と確実に強力な接合を形成する必要がありました。この場合、焦点面はチタン・ジルコニウム・モリブデンとモリブデンで構成され、最終的に金メッキされていました；ベースプレートはアルミニウム製でニッケルメッキでした。この用途で、GLサイエンティフィックエンジニアリングチームはマスターボンドEP37-3FLFA0を選択——高熱伝導性、優れた電気絶縁特性、優れた物理強度を持ち、4K〜250°Cの温度範囲で機械的柔軟性を保持するエポキシシステムです。

電気絶縁と取り扱い性： 接着化合物の特定性能と取り扱い特性は、用途によって劇的に異なります。生化学・生物物理用途ほど、接着化合物が直面する幅広い要件を示すものは少ないでしょう。一連の実験で、カーネギーメロン大学の研究者たちはフォトリソグラフィ技術を用いて微小電極アレイを作成し、様々な薬物に曝露された細胞のインピーダンス変化を測定しました。 ^[2] この方法は容易に自動化可能であるため、薬物スクリーニングのスループットを劇的に高め、医療に不可欠な能力を提供できます。

このアプローチの感度を考慮し、研究チームは測定信号チェーンが結果を変える可能性のあるアーティファクトから自由であることを確実にする必要がありました。この場合、チームは電極アレイの露出部分をコーティングし、測定を大幅に変える可能性のある寄生容量を低減できる化合物を必要としました。同時に、化合物は生化学環境に対して中立であり、生物学的ターゲットに影響を与えない必要がありました。この用途で、研究者たちはマスターボンドEP30HTを選択——強力な電気絶縁特性と耐化学性を持つエポキシシステムです。ここでは、電極から約150pm離れたインターコネクトをコーティングするためにマスターボンドEP30HTを使用し、生きた細胞を浴びせる液体媒質とインターコネクト間の寄生を低減することに成功しました。このインピーダンスベースバイオアッセイ法で。

幅広い性能とプロセスニーズへの対応

適切な接着システムは、ベース化合物と異なる充填率で組み合わされる充填材を用いて特性が微調整された特性で容易に入手可能です。異なる充填材を用いることで、製造者は電気・熱伝導性、耐化学性、安定性などの特定性能特性の組み合わせや、粘度、作業時間、硬化時間などのプロセス特性に最適化された接着化合物を作成できます。

他のタイプの特殊エポキシとシリコーン化合物は、医療、航空宇宙、その他産業の主要標準との互換性を確保するために設計されています。インプラントや皮膚配置向けにより高度なセンサーを開発するエンジニアたちは、すでに生体適合性接着化合物を最大限活用し、器具と骨組織間の保護インターフェース提供 ^[3]、溶存酸素測定可能化 ^[4]、完全埋め込み型バイオセンサーアレイの封止 ^[5] などを行っています。これらの特殊化合物は、必要な熱的・電気的伝導性特性を提供するだけでなく、USPクラスVIとISO10993-5規格で規定される生体適合性要件も満たします。

同様に、航空宇宙システムやセンシティブエレクトロニクスを持つ他の用途のアセンブリに取り組むエンジニアたちは、ASTM E595とNASAの低アウトガス要件を満たす接着化合物を見つけられます。これらの化合物を使用することで、光学システム、センシティブエレクトロニクス、その他表面が、硬化後でも接着剤からときに放出される揮発性化合物による汚染から自由なまま保たれることを確保できます。

新材料と新手法

センサーテクノロジーは、材料科学と製造工学の進歩に歩調を合わせて急速に進化し続けています。単層カーボンナノチューブナノコンポジットベースの高度ひずみセンサーや、新興窒化ガリウム（GaN）デバイスのピロ電気特性を用いた高感度熱検出器は、これらのナノセンサーを用いて微細な現象を検出する新規応用を推進すると期待されます。

他のセンサーテクノロジーも、幅広いセンシングモダリティに同様のメリットをもたらします。テキスタイルに織り込まれ、表面に塗布され、3Dプリント手法で製造される新タイプのセンサーは、より包括的な測定データにアクセスできるスマート製品の開発を可能にします。これまで以上に、これらの新興センサーは、伝導性、生体適合性、製造に関する特定要件を満たせる接着化合物を必要とします。センサーと同様に、新化合物もグラフェン、カーボンナノチューブ、ナノシリケート等の先進材料ベースの充填材を用いた新材料・新手法で登場し続けるでしょう。

本記事は、マスターボンド（ニュージャージー州ハッケンサック）シニアプロダクトエンジニア、ロヒト・ラムナス氏によって執筆されました。詳細はをご覧ください。

参考文献

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.