接着剤を使用したセンサー製造の簡素化

センサーはデジタル化された社会のバックボーンであり、日常の消費者製品から、航空宇宙、自動車、産業、医療、光学、およびスマートなセンサーに依存するその他すべてのアプリケーションのミッションクリティカルなシステムまで、あらゆるタイプのアプリケーションで幅広い物理的特性を測定します。ベースのデバイス。センサーは、温度や圧力などのあらゆる種類の基本的な物理量と、加速度や回転などの動的特性を測定できます。

製品開発者は、測定の種類ごとに、必要なダイナミックレンジ、感度、および精度を備えたセンサーを見つけることができます。単一のパッケージとモジュールに統合された高度に統合されたソリューションには、信号調整チェーン、プロセッサ、さらには光学サブシステムを備えた複数のセンサーが組み込まれており、生体認証、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。アクティブな化学バイオセンサーはさらに進んで、対象の分子と相互作用する能力を低下させることなく分子を固定化するエポキシ樹脂で構成されるマトリックスまたは膜に分子を埋め込みます。実際、エポキシとシリコーンの化合物は、あらゆるタイプのセンサーで重要な役割を果たしています。

単純な接合デバイス、高度な微小電気機械システム（MEMS）デバイス、さらにはバイオセンシングメンブレンに基づいているかどうかにかかわらず、センサーは、乱暴な取り扱い、過酷な環境、および熱的、化学的、または機械的要因による継続的なストレスにもかかわらず、正確なデータを確実に提供することが期待されます。不利な動作条件。それらの性能と寿命は、複数の材料を組み合わせて精密なアセンブリにする高度な製造方法に大きく依存します。

これらのアセンブリ内で、エポキシおよびシリコーンコンパウンドは、接着剤、アンダーフィル封止材、ポッティングコンパウンド、または製造中およびターゲットアプリケーションでの継続使用中にセンサーコンポーネントを安定化、結合、保護するために必要なコンフォーマルコーティングとして重要な役割を果たします。これらの化合物は、センサーコンポーネントを結合して保護することにより、センサーの製造を簡素化し、これらのデバイスの継続的なパフォーマンスを保証します。これらの化合物は、その役割を果たすために、すべてのアプリケーション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。

多様な要件を満たす

さまざまなセンシングデバイスの製造と展開をサポートするために必要な多様な特性にもかかわらず、設計エンジニアとメーカーは、ほぼすべてのパフォーマンスと処理要件に一致するように設計された、既製または容易にカスタマイズできるエポキシおよびシリコーンシステムを見つけることができます。温度検知アプリケーション向けのデバイスの場合、メーカーは、測定の妥協を避けるために必要な高い熱伝導率を示す利用可能な化合物を利用できます。

熱伝導率と極低温保守性： 温度センサーアセンブリには不可欠な要件ですが、他のタイプのセンサーシステムでは高い熱伝導率が重要な役割を果たす可能性があります。航空宇宙および天体物理学のアプリケーションでは、熱伝導率と極低温の保守性の両方が重要な要件になる可能性があります。 GL Scientificのエンジニアは、望遠鏡の補償光学イメージャ機器で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]

設計目標の中で、熱安定性を達成するために極低温と熱サイクルの組み合わせを使用して、モジュールベースプレートとイメージャ焦点面の温度を0.1ケルビン（K）以内に制御する機能。この設計では、温度センサーとヒーターを焦点面とベースプレートに結合して、熱サイクルを監視および制御します。その結果、設計には、高い熱伝導率と、結合強度と熱的および構造的安定性を維持しながら、極低温までの熱サイクルに耐える能力を備えた電気絶縁結合化合物が必要でした。

さらに、結合化合物は、異種材料と確実に強力な結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、最後に金でメッキされています。ベースプレートはアルミニウムとニッケルメッキで構成されています。このアプリケーションでは、GL ScientificエンジニアリングチームがマスターボンドEP37-3FLFA0を選択しました。これは、4K〜250°Cの温度で機械的柔軟性を維持しながら、高い熱伝導率、優れた電気絶縁特性、および優れた物理的強度を備えたエポキシシステムです。

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電気絶縁と取り扱い： ボンディングコンパウンドの特定の性能と取り扱い特性は、アプリケーションごとに大幅に異なる可能性があります。生化学的または生物物理学的アプリケーションで見られる結合化合物が直面する幅広い要件を示すアプリケーションはほとんどありません。一連の実験で、カーネギーメロン大学の研究者はフォトリソグラフィー技術を使用して、さまざまな薬剤にさらされた細胞のインピーダンスの変化を測定するように設計された顕微鏡電極アレイを作成しました。 ^[2] この方法は簡単に自動化できるため、ラボが薬物スクリーニングのスループットを劇的に高速化し、ヘルスケアに重要な機能を提供するのに役立ちます。

このアプローチの感度のために、研究チームは、測定信号チェーンに結果を変える可能性のあるアーティファクトがないことを確認する必要がありました。この場合、チームは、測定値を大幅に変える可能性のある寄生容量を減らすために、電極アレイの露出部分をコーティングできる化合物を必要としていました。同時に、化合物は、生物学的標的に影響を与えないように、生化学的環境に対して中性を維持する必要がありました。このアプリケーションでは、研究者はマスターボンドEP30HTを選択しました。これは、強力な電気絶縁特性と耐薬品性を備えたエポキシシステムです。ここで、研究チームはマスターボンドEP30HTを使用して、電極から約150 pm離れた相互接続をコーティングし、このインピーダンスベースのバイオアッセイ法に使用される生細胞を浸す相互接続と液体培地の間の寄生虫を減らすことに成功しました。

幅広いパフォーマンスと処理のニーズへの対応

さまざまな負荷率でベースコンパウンドと組み合わされたフィラー材料を使用して微調整された特性を備えた適切な接着剤システムが容易に入手できます。メーカーは、さまざまなフィラーを使用して、電気伝導率や熱伝導率、耐薬品性、安定性などの性能特性と、粘度、作業時間、硬化時間などの処理特性の特定の組み合わせに最適化された接着剤を作成できます。

他のタイプの特殊なエポキシおよびシリコーンコンパウンドは、医療、航空宇宙、およびその他の業界の主要な規格との互換性を確保するように設計されています。皮膚へのインプラントまたは配置用に設計されたより洗練されたセンサーを開発するエンジニアは、生体適合性接着剤化合物をすでに十分に活用して、器具と骨組織の間の保護インターフェースを提供しています。 ^[3] 溶存酸素の測定を可能にする、 ^[4] 完全に移植可能なバイオセンサーアレイをカプセル化する、 ^[5] もっと。これらの特殊な化合物は、必要な熱伝導率と電気伝導率の特性を提供するだけでなく、USPクラスVIおよびISO10993-5規格で指定されている生体適合性の要件も満たしています。

同様に、航空宇宙システムまたは高感度の電子機器を使用するその他のアプリケーションのアセンブリに取り組んでいるエンジニアは、低ガス放出に関するASTME595およびNASAの要件を満たす接着剤を見つけることができます。これらの化合物を使用することで、光学システム、高感度の電子機器、またはその他の表面が、硬化後も接着剤によって滲出することがある揮発性化合物による汚染を受けないようにすることができます。

新しい材料と方法

センサー技術は、材料科学や製造工学の進歩に歩調を合わせて、急速に進歩し続けています。単層カーボンチューブナノコンポジットに基づく高度なひずみセンサー、または新しい窒化ガリウム（GaN）デバイスの熱電特性を使用した高感度熱検出器は、これらのナノセンサーを使用して微妙な現象を検出する新しいアプリケーションを推進することを約束します。

他のセンサー技術は、幅広いセンシングモダリティに同様の利点をもたらします。新しいタイプのセンサーは、織物に織り込まれたり、表面に塗装されたり、3D印刷法で製造されたりすることを目的としており、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、これらの新しいセンサーには、導電性、生体適合性、および製造に関する特定の要件を満たすことができる接着剤化合物が必要になります。センサーと同様に、グラフェン、カーボンナノチューブ、ナノシリケートなどの先端材料に基づくフィラー用の新しい材料と方法を使用して、新しい化合物が出現し続けます。

この記事は、マスターボンド（ニュージャージー州ハッケンサック）のシニアプロダクトエンジニアであるRohitRamnathによって書かれました。詳細については、をご覧ください。 ここ 。

参考資料

1. Luppino、G.（2003）。 GSAOIH2RG4Kx4K検出器モザイクモジュールの設計の説明。 GLサイエンティフィックテクニカルレポート。 GLSTR-0301。
2. Nguyen、D.、Domach、M. Huang、X.、Greve、D.哺乳類細胞増殖のインピーダンスアレイ研究。
3. To、G、etal。 （2008）。 30個のマイクロカンチレバーとASICテクノロジーを備えた膝関節全置換術用のマルチチャネルワイヤレスひずみマッピング機器。 IEEESENSORS2008カンファレンス。
4. Wittkampf、M.、etal。 （1997）。溶存酸素測定用シリコン薄膜センサー。センサーおよびアクチュエーターB：Chemical、Vol。 43、doi：10.1016 / S0925-4005（97）00138-X。
5. Baj-Rossi、C.etal。 （2013）。完全に移植可能なバイオセンサーアレイの製造および包装。 2013 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference、BioCAS2013。166-169。 doi：10.1109/BioCAS.2013.6679665。