لماذا يُطرح هذا السؤال
تُركَّب المحلِّلات المباشرة في صناعة الأغذية والأعلاف على السيور الناقلة والمطاحن والخلّاطات ومزالق التفريغ، ومن ثَمّ فإن أي عنصر بصري متحرّك بداخلها يعيش مع اهتزاز مستمر وصدمات عرضية وتقلّبات واسعة في درجة الحرارة. وتضع الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) مثل هذه العناصر المتحرّكة — المرايا والحواجز والمرنانات — على شريحة سيليكون، فيتساءل مهندس المصنع عن حقّ: هل تصمد هناك بنية لا يتجاوز سمكها بضعة ميكرومترات؟ لقد اعتُمد السيليكون مادةً ميكانيكية بفضل خواصه الميكانيكية ولإمكان تصنيع المستشعرات منه على دفعات [1]؛ وهو في درجة حرارة الغرفة مادة هشّة تنكسر بدلًا من أن تتشوّه لدنًا [2]. أما محرّك المشط الكهروستاتيكي المستخدم في كثير من هذه الأجهزة فقد قدّمه Tang وآخرون: تُحرِّك بنى أصابع متشابكة مكّوكًا من السيليكون متعدد البلّورات موازيًا للركيزة على نوابض من عوارض مطويّة، وقد رنّت الأجهزة الأولى بين 18 و80 kHz [3]. ولأن هذا التعليق ينثني ولا ينزلق، فإن مسألة المتانة تتعلّق بالكسر والكلل والالتصاق السطحي والتغليف، لا بتآكل المحامل.
ما الذي قاسه برنامج الموثوقية في Sandia
إن أشمل مجموعة بيانات منشورة عن الآليات الدقيقة السيليكونية تحت الإجهاد البيئي هي تقرير مختبرات Sandia الوطنية الذي أعدّه Tanner وآخرون، إذ اختُبرت فيه محرّكات دقيقة مصنَّعة بالتشغيل السطحي (مشغّلات مشطية على نوابض تدير ترسًا) في تجارب للرطوبة ودرجة الحرارة والصدمات والاهتزاز والتخزين [4]. ونتيجته المحورية أن آلية الإخفاق السائدة في الأجهزة العاملة كانت تآكل أسطح السيليكون متعدد البلّورات المتحاكّة، وهو ما يعمّمه المؤلفون على أي جهاز MEMS ذي أسطح متحاكّة أو متلامسة عن قرب [4]. لذا فإن محرّك المشط المعلّق على نوابض دون تلامس احتكاكي يتجنّب آلية التآكل الرئيسية، لكنه لا يتجنّب الالتصاق السطحي الذي يعزوه التقرير إلى قوى شعرية كبيرة عند هذه الأبعاد، ويُواجَه بطلاءات كارهة للماء أو بالتجفيف فوق الحرج [4].
والنتائج البيئية محدّدة. ففي اختبارات الصدمة بنبضات نصف جيبية مدتها من 0.2 إلى 1 ms ومن 500 g إلى 40,000 g على أجهزة غير موصولة بالتغذية، عملت المحرّكات الدقيقة الأربعة والعشرون جميعها عند 500 g واثنان وعشرون منها عند 1,000 g بعد الاختبار دون أي ضرر؛ وفوق 4,000 g تحرّكت شظايا من حواف الرقاقة وسبّبت دارات قصيرة، وعند 10,000 g انهار رابط تثبيت الرقاقة، ولم يظهر الضرر في الوصلات المرنة الرقيقة ومفاصل المسامير ذات 2.5 µm إلا عند 20,000 g [4]. وفي الاهتزاز العشوائي من 20 إلى 2,000 Hz عند 0.8 g²/Hz (نحو 40 g rms، وذروة تقارب 120 g، وثلاث دقائق لكل محور، دون تغذية)، وهو مستوى اختير ليعادل نحو أربعة أضعاف متطلبات النظام، عمل 17 من أصل 22 محرّكًا دقيقًا بعد الاختبار، وظهرت الإخفاقات الكهربائية الثلاثة كذلك في مجموعة الضبط غير المعرَّضة للإجهاد [4]. وفي التدوير الحراري ظلّت الأجهزة العشرون جميعها عاملة بعد ثلاث دورات بين −55 و+75 °C وبعد أربع دورات أخرى بين −55 و+200 °C، وأشار نموذج للتمدّد الحراري إلى أن تمدّد أجزاء السيليكون متعدد البلّورات ليس آلية إخفاق ذات شأن [4]. ويفسّر Srikar وSenturia تحمّل الصدمات: فعند مُدد صدمة بين 50–5,000 µs تستجيب الركيزة كجسم صلب ويُتوقَّع أن تكون محصّنة ضد أضرار موجات الإجهاد، أما استجابة البنية الدقيقة في النظام الدفعي أو الرنيني أو شبه الساكن فتحدّدها مدة الصدمة نسبةً إلى دورها الطبيعي [5].
الكلل: السيليكون ليس محصّنًا على المقياس الميكروني
إن افتراض أن المادة الهشّة لا تتعرّض للكلل لا يصحّ في أغشية السيليكون الرقيقة. فقد عرّض Muhlstein وآخرون عوارض ناتئة محزّزة من السيليكون أحادي البلّورة بسمك نحو 20 µm لأحمال دورية في الهواء عند 30 °C ورطوبة نسبية 50 %، ورصدوا الإخفاق بعد 106 إلى 1011 دورة عند سعات إجهاد تقارب 4 إلى 10 GPa [6]. ويشير Kahn وآخرون في مراجعتهم لهذا المجال إلى أن الظاهرة رُصدت أول مرة عام 1992، وأن العمر يطول كلما انخفض الإجهاد الأقصى، وأنها تعتمد على مستوى الإجهاد الدوري لا على تردّد الدورات، وأن آليتها ما زالت موضع جدل [2]. وبيّن Pierron وMuhlstein على أغشية محفورة بالحفر الأيوني التفاعلي العميق أن معدّل تراكم الضرر شديد الحساسية لسعة الإجهاد، والأهم من ذلك للرطوبة، إذ يكون التراكم أسرع في هواء رطوبته النسبية 50 % منه في هواء رطوبته 25 % أو في فراغ متوسط [7]. ويلخّص Alsem وآخرون الأدبيات بأنها تُظهر باتّساق عمرًا أطول عند إجهاد دوري أدنى، ويرون أن آلية الطبقة التفاعلية في الأكسيد السطحي هي أفضل ما يفسّر تعرّض السيليكون الميكروني للكلل في حين لا يتعرّض له السيليكون الكتلي [8].
والقراءة الهندسية واضحة. فالنابض الذي يعمل عند جزء صغير من مقاومته للكسر يقع في منطقة العمر الطويل من منحنيات الإجهاد–العمر هذه، والغلاف الجاف المحكم يبطّئ الجزء المرتبط بالرطوبة من تراكم الضرر [7][8]. وما يهمّ في جهاز بعينه هو سعة الإجهاد في نوابضه عند الانحراف التصميمي والجوّ داخل الغلاف، ولذلك تُقيَّم هوامش الكلل لكل تصميم على حدة بدلًا من ذكرها خاصيةً لـ“السيليكون” [2][8].
ما تنصّ عليه فعلًا مواصفات الاختبار البيئي
MIL-STD-810 هي مواصفة طرائق الاختبار لدى وزارة الدفاع الأمريكية بشأن الاعتبارات الهندسية البيئية والاختبارات المخبرية؛ وقد صدرت المراجعة H في يناير 2019 والتعديل 1 في مايو 2022 [9]. وكثيرًا ما يُساء فهمها على أنها شهادة نجاح/إخفاق. فالمواصفة تنصّ على أنها لا تفرض مواصفات تصميم أو اختبار، بل تصف عملية مواءمة تُشتقّ فيها الطرائق والشدّات من العمر الخدمي المتوقّع للعتاد، وتوفّر لهذا الغرض طرائق منفردة مثل 501.7 (درجة الحرارة المرتفعة) و502.7 (درجة الحرارة المنخفضة) و514.8 (الاهتزاز) و516.8 (الصدمة) [9]. ومن ثَمّ فإن الادّعاء بأن منتجًا “اختُبر وفق MIL-STD-810H” لا يكون ذا معنى إلا مقرونًا بالطريقة والإجراء والمنحنى المستخدَم [9].
وتؤدّي سلسلة IEC 60068-2 الغرض نفسه للمعدّات الكهربائية والإلكترونية، وهي الأساس المعتاد لتأهيل الأجهزة الصناعية. فالمواصفة IEC 60068-2-6 (الاختبار Fc) تحدّد قدرة العيّنة على تحمّل شدّات محدّدة من الاهتزاز الجيبي وتكشف الضعف الميكانيكي أو تدهور الأداء المحدّد [10]. وتغطّي IEC 60068-2-27 (الاختبار Ea) الصدمات غير المتكرّرة والمتكرّرة، وغرضها كشف الضعف الميكانيكي أو التدهور أو الضرر المتراكم الناجم عن الصدمة [11]. أما IEC 60068-2-64 (الاختبار Fh) فتطبّق اهتزازًا عشوائيًا عريض النطاق، وهو الإثارة العشوائية التي تُصادَف فعلًا في بيئات النقل والتشغيل، وتُستخدم لتحديد آثار الإجهاد المتراكم [12]. والحماية من النفاذ مسألة منفصلة: إذ تعرّف IEC 60529 رمز IP الذي يصنّف درجات الحماية التي توفّرها الحاويات للمعدّات الكهربائية [13]. وعند تحديد مواصفات محلِّل مباشر تترتّب ثلاث نقاط:
- اطلبوا الطريقة والشدّة، لا التسمية. تعرّف كلٌّ من MIL-STD-810H وIEC 60068-2 إجراءات تُحدَّد مستوياتها بالمواصفة المعنية أو بالمواءمة، ولذلك ينبغي أن يذكر تقرير الاختبار الطريقة والمنحنى (مدى التردّد، والسعة أو الكثافة الطيفية، والمدة) وما إذا كان الجهاز موصولًا بالتغذية ويقيس أثناء الاختبار [9][10][11][12].
- طابِقوا الاختبار مع نقطة التركيب. تُعرَّف شدّة الاهتزاز العشوائي بوصفها كثافة طيفية على نطاق ترددي [12]، لذا ينبغي توصيف الاهتزاز في موضع التركيب المقصود ومقارنته بمنحنى التأهيل قبل التركيب.
- افصلوا البصريات عن الحاوية. إن تحمّل البنية الدقيقة السيليكونية للصدمات والاهتزاز وتصنيف IP للغلاف تأهيلان مختلفان وفق مواصفات مختلفة [4][13]؛ ولا يستلزم أحدهما الآخر.
موقع USTECH من ذلك
تحدّد USTECH مواصفات محلِّلات NIR المباشرة لديها لأرضية المصنع لا للمختبر: فالمحلِّلان ProLine17EC وProLine17ECS مبنيّان في أغلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 مع نافذة معالجة من الياقوت الأزرق وتصنيف IP65 وفق IEC 60529 [13]، ويُستخدم محلِّل العمليات FT-NIR ProLine2550 في الخلّاطات والمفاعلات وخطوط الأنابيب. أما التأهيل البيئي — أيّ طرائق IEC 60068-2 وأيّ شدّات تنطبق، وهل يُركَّب المحلِّل مباشرة على معدّات مهتزّة أم على حامل معزول — فيُناقَش لكل تطبيق على حدة في ضوء الظروف المقيسة في موقع التركيب [10][11][12]، وتُثبَت ملاءمة القياس لخط إنتاج معيّن في دراسة جدوى تُجرى على عيّناتكم.
المراجع
- [1] Petersen, K.E. (1982). Silicon as a mechanical material. Proceedings of the IEEE, 70(5), 420–457. doi:10.1109/PROC.1982.12331
- [2] Kahn, H., Ballarini, R., Heuer, A.H. (2004). Dynamic fatigue of silicon. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 8(1), 71–76. doi:10.1016/j.cossms.2003.12.002
- [3] Tang, W.C., Nguyen, T.-C.H., Howe, R.T. (1989). Laterally driven polysilicon resonant microstructures. Sensors and Actuators, 20(1–2), 25–32. doi:10.1016/0250-6874(89)87098-2
- [4] Tanner, D.M., Smith, N.F., Irwin, L.W., Eaton, W.P., Helgesen, K.S., Clement, J.J., Miller, W.M., Walraven, J.A., Peterson, K.A., Tangyunyong, P., Dugger, M.T., Miller, S.L. (2000). MEMS Reliability: Infrastructure, Test Structures, Experiments, and Failure Modes. Sandia National Laboratories report SAND2000-0091, Albuquerque, NM. doi:10.2172/750344
- [5] Srikar, V.T., Senturia, S.D. (2002). The reliability of microelectromechanical systems (MEMS) in shock environments. Journal of Microelectromechanical Systems, 11(3), 206–214. doi:10.1109/JMEMS.2002.1007399
- [6] Muhlstein, C.L., Brown, S.B., Ritchie, R.O. (2001). High-cycle fatigue of single-crystal silicon thin films. Journal of Microelectromechanical Systems, 10(4), 593–600. doi:10.1109/84.967383
- [7] Pierron, O.N., Muhlstein, C.L. (2006). The critical role of environment in fatigue damage accumulation in deep-reactive ion-etched single-crystal silicon structural films. Journal of Microelectromechanical Systems, 15(1), 111–119. doi:10.1109/JMEMS.2005.863602
- [8] Alsem, D.H., Pierron, O.N., Stach, E.A., Muhlstein, C.L., Ritchie, R.O. (2007). Mechanisms for fatigue of micron-scale silicon structural films. Advanced Engineering Materials, 9(1–2), 15–30. doi:10.1002/adem.200600269
- [9] MIL-STD-810H (31 January 2019) with Change 1 (18 May 2022). Department of Defense Test Method Standard: Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests. US Department of Defense, Washington, DC. quicksearch.dla.mil/qsDocDetails.aspx?ident_number=35978
- [10] IEC 60068-2-6:2007. Environmental testing — Part 2-6: Tests — Test Fc: Vibration (sinusoidal). IEC, Geneva. webstore.iec.ch/en/publication/544
- [11] IEC 60068-2-27:2008. Environmental testing — Part 2-27: Tests — Test Ea and guidance: Shock. IEC, Geneva. webstore.iec.ch/en/publication/514
- [12] IEC 60068-2-64:2026. Environmental testing — Part 2-64: Tests — Test Fh: Vibration, broadband random and guidance. IEC, Geneva (edition 3.0, redline version page). webstore.iec.ch/en/publication/117312
- [13] IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013 CSV. Degrees of protection provided by enclosures (IP Code). IEC, Geneva. webstore.iec.ch/en/publication/2452
