Streamlining Sensor Fabrication with Advanced Adhesive Technologies

Sensor adalah tulang punggung masyarakat yang terdigitalisasi, mengukur berbagai karakteristik fisik dalam setiap jenis aplikasi dari produk konsumen sehari-hari hingga sistem misi kritis di penerbangan angkasa, otomotif, industri, medis, optik, dan setiap aplikasi lain yang bergantung pada perangkat pintar berbasis sensor. Sensor dapat mengukur setiap jenis kuantitas fisik fundamental seperti suhu dan tekanan, serta karakteristik dinamis seperti percepatan dan rotasi.

Untuk setiap jenis pengukuran, pengembang produk dapat menemukan sensor dengan rentang dinamis, sensitivitas, dan akurasi yang diperlukan. Digabungkan dalam paket dan modul tunggal, solusi terintegrasi tinggi menyatukan banyak sensor dengan rantai kondisi sinyal, prosesor, dan bahkan subsistem optik untuk mendukung modalitas pengukuran yang lebih kompleks, seperti biometrika, pengukuran inersial, dan kemampuan pemantauan yang beragam. Sensor biosensor kimia aktif bahkan lebih jauh, menyisipkan molekul dalam matriks atau membran yang terdiri dari epoksi resin yang mengimobilisasi molekul tanpa menurunkan kemampuannya untuk berinteraksi dengan molekul yang diinginkan. Faktanya, senyawa epoksi dan silicone memainkan peran penting dalam sensor semua jenis.

Apakah didasarkan pada perangkat juncinya yang sederhana, perangkat mikroelektromekanis (MEMS) canggih, atau bahkan membran biosensing, sensor diharapkan dapat menyampaikan data yang akurat secara andal meski perawatan kasar, lingkungan yang keras, dan stres berkelanjutan dari faktor termal, kimia, atau mekanis melalui kombinasi kondisi operasi yang tidak menguntungkan. Kinerja dan ketahanannya sangat bergantung pada metode manufaktur canggih yang menggabungkan berbagai bahan menjadi perakitan presisi.

Dalam perakitan ini, senyawa epoksi dan silicone berperan kritis sebagai perekat, encapsulan underfill, senyawa cetak, atau lapisan pelindung yang diperlukan untuk menstabilkan, merekatkan, dan melindungi komponen sensor selama fabrikasi dan penggunaan berkelanjutan dalam aplikasi target mereka. Dengan merekatkan dan melindungi komponen sensor, senyawa-senyawa ini membantu menyederhanakan fabrikasi sensor dan memastikan kinerja berkelanjutan dari perangkat ini. Dalam memenuhi perannya, senyawa-senyawa ini perlu mendukung kombinasi persyaratan yang ketat yang unik untuk setiap aplikasi.

Meeting Diverse Requirements

Meskipun berbagai karakteristik yang diperlukan untuk mendukung pembuatan dan penerapan berbagai perangkat sensor, para insinyur desain dan produsen dapat menemukan sistem epoksi dan silicone siap pakai atau yang mudah disesuaikan yang dirancang untuk cocok dengan hampir semua persyaratan kinerja dan penanganan. Untuk perangkat yang dimaksudkan untuk aplikasi pemantauan suhu, produsen dapat memanfaatkan senyawa yang tersedia yang menunjukkan konduktivitas termal yang diperlukan untuk menghindari compromising pengukuran.

Konduktivitas Termal dan Kelayakan Kriogenik: Sementara persyaratan penting untuk rangkaian pemasangan sensor suhu, konduktivitas termal yang tinggi dapat memainkan peran vital dalam sistem sensor jenis lain. Dalam aplikasi penerbangan angkasa dan astrofisika, baik konduktivitas termal maupun kelayakan kriogenik dapat menjadi persyaratan kritis. Insinyur di GL Scientific perlu mengembangkan modul untuk menampung array chip sensor inframerah yang akan digunakan dalam instrumen imager optik adaptif untuk teleskop. ^[1]

Di antara tujuan desain, kemampuan untuk mengontrol suhu plat dasar modul dan bidang fokus imager dalam 0,1 kelvin (K) menggunakan kombinasi pendinginan kriogenik dan siklus pemanasan untuk mencapai stabilitas termal. Dalam desain ini, sensor suhu dan pemanas akan direkatkan ke bidang fokus dan plat dasar untuk memantau dan mengontrol siklus pemanasan. Akibatnya, desain memerlukan senyawa perekat yang isolir listrik dengan konduktivitas termal tinggi, dan kemampuan untuk menahan siklus termal hingga suhu kriogenik sambil mempertahankan kekuatan perekat serta stabilitas termal dan struktural.

Selanjutnya, senyawa perekat perlu secara andal membentuk ikatan kuat dengan bahan yang berbeda. Dalam hal ini, bidang fokus terbuat dari titan-zirkonium-molibdenum dan molibdenum dan akhirnya dilapisi emas; plat dasar terbuat dari aluminium dan dilapisi nikel. Untuk aplikasi ini, tim insinyur GL Scientific memilih Master Bond EP37-3FLFA0 — sistem epoksi dengan konduktivitas termal tinggi, properti isolasi listrik yang baik, dan kekuatan fisik yang baik sambil mempertahankan fleksibilitas mekanis pada suhu antara 4K hingga 250 °C.

Isolasi Listrik dan Penanganan: Karakteristik kinerja dan penanganan spesifik dari senyawa perekat dapat bervariasi secara dramatis dari satu aplikasi ke aplikasi lain. Sedikit aplikasi yang menunjukkan rentang luas persyaratan yang dihadapi oleh senyawa perekat yang ditemukan dalam aplikasi biokimia atau biofisika. Dalam serangkaian eksperimen, peneliti di Carnegie Mellon University menggunakan teknik fotolitografi untuk membuat array elektroda mikroskopik yang dirancang untuk mengukur perubahan impedansi sel yang terpapar pada berbagai obat. ^[2] Karena metode ini dapat dengan mudah diotomatisasi, dapat membantu laboratorium secara dramatis meningkatkan throughput skrining obat, menyediakan kemampuan kritis untuk perawatan kesehatan.

Karena kepekaan pendekatan ini, tim penelitian perlu memastikan bahwa rantai sinyal pengukuran bebas dari artefak yang dapat mengubah hasil. Dalam hal ini, tim membutuhkan senyawa yang mampu melapisi bagian yang terpapar dari array elektroda untuk mengurangi kapasitas parasit yang dapat secara signifikan mengubah pengukuran. Pada saat yang sama, senyawa perlu tetap netral terhadap lingkungan biokimia untuk menghindari mempengaruhi target biologis. Untuk aplikasi ini, para peneliti memilih Master Bond EP30HT — sistem epoksi dengan karakteristik isolasi listrik yang kuat dan resistensi kimia. Di sini, tim penelitian menggunakan Master Bond EP30HT untuk melapisi interkoneksi sekitar 150 pm dari elektroda, berhasil mengurangi parasit antara interkoneksi dan medium cair yang mandiri sel hidup yang digunakan untuk metode bioassay berbasis impedansi ini.

Meeting Broad Performance and Processing Needs

Sistem perekat yang sesuai dengan mudah tersedia dengan karakteristik yang disesuaikan halus menggunakan bahan pengisi yang digabungkan dengan senyawa dasar dalam faktor beban yang berbeda. Dengan menggunakan pengisi yang berbeda, produsen dapat membuat senyawa perekat yang dioptimalkan untuk kombinasi spesifik karakteristik kinerja seperti konduktivitas listrik atau termal, resistensi kimia, dan stabilitas serta karakteristik proses seperti viskositas, waktu kerja, dan waktu penyulingan.

Jenis senyawa epoksi dan silicone khusus lainnya dirancang untuk memastikan kompatibilitas dengan standar kunci di industri medis, penerbangan angkasa, dan industri lainnya. Insinyur yang mengembangkan sensor yang lebih canggih yang dirancang untuk diimplantasi atau ditempatkan pada kulit telah memanfaatkan sepenuhnya senyawa perekat kompatibel biologis untuk menyediakan antarmuka pelindung antara instrumen dan jaringan tulang, ^[3] memungkinkan pengukuran oksigen terlarut, ^[4] mengenkapsulasi array biosensor yang sepenuhnya dapat diimplantasi, ^[5] dan lebih banyak. Senyawa khusus ini tidak hanya menyediakan karakteristik konduktivitas termal dan listrik yang diperlukan, tetapi juga memenuhi persyaratan kompatibilitas biologis yang ditetapkan dalam standar USP Class VI dan ISO10993-5.

Demikian pula, insinyur yang bekerja pada rangkaian untuk sistem penerbangan angkasa atau aplikasi lain dengan elektronika sensitif dapat menemukan senyawa perekat yang memenuhi persyaratan ASTM E595 dan NASA untuk outgassing rendah. Penggunaan senyawa ini membantu memastikan bahwa sistem optik, elektronika sensitif, atau permukaan lain tetap bebas dari kontaminasi dari senyawa volabel yang terkadang dikeluarkan oleh perekat bahkan setelah penyulingan.

New Materials and Methods

Teknologi sensor terus berkembang dengan cepat, seiring dengan kemajuan dalam ilmu bahan dan rekayasa manufaktur. Sensor regangan canggih berdasarkan komposit nanotubus tunggal karbon atau detektor panas yang sangat sensitif menggunakan properti piroelektrik dari perangkat nitrida galium (GaN) yang muncul menjanjikan untuk mendorong aplikasi baru menggunakan nanosensor ini untuk mendeteksi fenomena yang halus.

Teknologi sensor lainnya membawa manfaat yang sama ke berbagai modalitas pemantauan. Dipredestinasi untuk ditanamkan dalam tekstil, dicat pada permukaan, atau dibuat dengan metode pencetakan 3D, jenis sensor baru akan memungkinkan pengembangan produk pintar yang dapat mengakses data pengukuran yang lebih komprehensif. Semakin banyak dari sebelumnya, sensor muncul ini akan memerlukan senyawa perekat yang mampu memenuhi persyaratan spesifik untuk konduktivitas, kompatibilitas biologis, dan manufaktur. Seperti sensor, senyawa baru akan terus muncul, menggunakan bahan dan metode baru untuk pengisi berdasarkan bahan canggih seperti grafen, nanotubus karbon, nanosilikat, dan lebih banyak.

Artikel ini ditulis oleh Rohit Ramnath, Senior Product Engineer, Master Bond (Hackensack, NJ). Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini .

Referensi

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.