MEMS Mechanische Haltbarkeit von Kammantrieben in industriellen Umgebungen

Warum sich die Frage stellt

Inline-Analysatoren in der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie werden an Förderbändern, Mühlen, Mischern und Auslaufschurren montiert; jedes bewegliche optische Element in ihrem Inneren ist daher dauernder Vibration, gelegentlichen Stößen und großen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) bringen solche beweglichen Elemente — Spiegel, Verschlüsse, Resonatoren — auf einen Siliziumchip, und ein Betriebsingenieur fragt zu Recht, ob eine nur wenige Mikrometer dicke Struktur dort überlebt. Silizium wurde wegen seiner mechanischen Eigenschaften und wegen der Möglichkeit, Sensoren daraus im Batch-Verfahren zu fertigen, als mechanischer Werkstoff übernommen [1]; bei Raumtemperatur ist es spröde und bricht, statt plastisch nachzugeben [2]. Der in vielen dieser Bauelemente verwendete elektrostatische Kammantrieb wurde von Tang et al. eingeführt: Ineinandergreifende Fingerstrukturen bewegen einen Polysilizium-Schlitten auf Faltbalkenfedern parallel zum Substrat, und die ersten Bauelemente resonierten zwischen 18 und 80 kHz [3]. Da sich eine solche Aufhängung biegt, aber nicht gleitet, geht es bei der Haltbarkeit um Bruch, Ermüdung, Haftreibung (Stiction) und Aufbau- und Verbindungstechnik, nicht um Lagerverschleiß.

Was das Zuverlässigkeitsprogramm von Sandia gemessen hat

Der umfassendste öffentliche Datensatz zu Silizium-Mikromechanismen unter Umweltbelastung ist der Bericht der Sandia National Laboratories von Tanner et al., in dem oberflächenmikromechanisch gefertigte Mikromotoren (Kammantriebe auf Federn, die ein Zahnrad antreiben) in Versuchen zu Feuchte, Temperatur, Stoß, Vibration und Lagerung geprüft wurden [4]. Zentrales Ergebnis ist, dass der dominierende Ausfallmechanismus bei betriebenen Bauelementen der Verschleiß reibender Polysiliziumflächen war, was die Autoren auf jedes MEMS-Bauelement mit reibenden oder eng aneinanderliegenden Oberflächen verallgemeinern [4]. Ein federnd aufgehängter Kammantrieb ohne reibenden Kontakt vermeidet daher den Hauptverschleißmechanismus, nicht aber die Haftreibung, die der Bericht auf in diesen Dimensionen große Kapillarkräfte zurückführt und der mit hydrophoben Beschichtungen oder überkritischer Trocknung begegnet wird [4].

Die Umweltergebnisse sind konkret. In Stoßprüfungen mit Haversine-Impulsen von 0,2 bis 1 ms und 500 g bis 40.000 g an nicht betriebenen Bauelementen funktionierten danach alle 24 Mikromotoren bei 500 g und 22 bei 1.000 g ohne Schäden; oberhalb von 4.000 g lösten sich Partikel von den Chipkanten und verursachten Kurzschlüsse, bei 10.000 g versagte die Chipbefestigung, und Schäden an dünnen Biegeelementen und 2,5 µm großen Stiftgelenken traten erstmals bei 20.000 g auf [4]. Bei Zufallsvibration von 20 bis 2.000 Hz mit 0,8 g²/Hz (etwa 40 g rms, Spitze um 120 g, drei Minuten je Achse, nicht betrieben), gewählt als etwa das Vierfache der Systemanforderung, funktionierten danach 17 von 22 Mikromotoren, und die drei elektrischen Ausfälle traten auch in der unbelasteten Kontrollgruppe auf [4]. Beim Temperaturwechsel blieben alle 20 Bauelemente nach drei Zyklen zwischen −55 und +75 °C und nach vier weiteren Zyklen zwischen −55 und +200 °C funktionsfähig, und ein Modell der Wärmeausdehnung zeigte, dass die Ausdehnung der Polysiliziumteile kein wesentlicher Ausfallmechanismus ist [4]. Srikar und Senturia erklären die Stoßfestigkeit: Bei Stoßdauern von 50–5.000 µs reagiert das Substrat als starrer Körper und dürfte gegen Schäden durch Spannungswellen unempfindlich sein, und ob eine Mikrostruktur im impulsartigen, resonanten oder quasistatischen Bereich reagiert, hängt vom Verhältnis der Stoßdauer zu ihrer Eigenperiode ab [5].

Ermüdung: Silizium ist im Mikrometermaßstab nicht immun

Die Annahme, ein spröder Werkstoff könne nicht ermüden, gilt für dünne Siliziumschichten nicht. Muhlstein et al. belasteten gekerbte einkristalline Silizium-Biegebalken von etwa 20 µm Dicke zyklisch in Luft bei 30 °C und 50 % relativer Feuchte und beobachteten das Versagen nach 10⁶ bis 10¹¹ Zyklen bei Spannungsamplituden von etwa 4 bis 10 GPa [6]. Kahn et al. halten in ihrer Übersicht fest, dass das Phänomen erstmals 1992 nachgewiesen wurde, dass die Lebensdauer mit sinkender Spitzenspannung zunimmt, dass sie vom zyklischen Spannungsniveau, nicht aber von der Zyklusfrequenz abhängt und dass der Mechanismus weiterhin umstritten ist [2]. Pierron und Muhlstein zeigten an durch reaktives Ionentiefenätzen hergestellten Schichten, dass die Geschwindigkeit der Schadensakkumulation stark von der Spannungsamplitude und, noch wichtiger, von der Feuchte abhängt: In Luft mit 50 % relativer Feuchte akkumuliert der Schaden schneller als in Luft mit 25 % oder im Grobvakuum [7]. Alsem et al. fassen die Literatur dahingehend zusammen, dass sie durchgängig eine längere Lebensdauer bei geringerer zyklischer Spannung zeigt, und argumentieren, dass ein Reaktionsschichtmechanismus im Oberflächenoxid am besten erklärt, warum Silizium im Mikrometermaßstab ermüdet, massives Silizium dagegen nicht [8].

Die technische Schlussfolgerung ist eindeutig. Eine Feder, die bei einem kleinen Bruchteil ihrer Bruchfestigkeit arbeitet, liegt im Langzeitbereich dieser Wöhlerkurven, und ein trockenes, dichtes Gehäuse verlangsamt den feuchtegetriebenen Anteil der Schadensakkumulation [7][8]. Entscheidend für ein bestimmtes Bauelement sind die Spannungsamplitude in seinen Federn bei der Auslegungsauslenkung und die Atmosphäre im Gehäuse; Ermüdungsreserven werden daher je Konstruktion bewertet und nicht als Eigenschaft von „Silizium“ angegeben [2][8].

Was die Umweltprüfnormen tatsächlich festlegen

MIL-STD-810 ist die Prüfmethodennorm des US-Verteidigungsministeriums für umwelttechnische Gesichtspunkte und Laborprüfungen; Revision H erschien im Januar 2019, Change 1 im Mai 2022 [9]. Sie wird oft als Bestanden/Nicht-bestanden-Zertifikat missverstanden. Die Norm stellt klar, dass sie keine Konstruktions- oder Prüfvorgaben auferlegt, sondern einen Anpassungsprozess (Tailoring) beschreibt, bei dem Verfahren und Schärfegrade aus der erwarteten Einsatzdauer des Materials abgeleitet werden, und stellt dafür einzelne Verfahren bereit, etwa 501,7 (hohe Temperatur), 502,7 (tiefe Temperatur), 514,8 (Vibration) und 516,8 (Stoß) [9]. Die Aussage, ein Produkt sei „nach MIL-STD-810H geprüft“, ist daher nur zusammen mit dem verwendeten Verfahren, der Prozedur und dem Profil aussagekräftig [9].

Die Reihe IEC 60068-2 erfüllt denselben Zweck für elektrische und elektronische Geräte und ist die übliche Grundlage für die Qualifizierung industrieller Messgeräte. IEC 60068-2-6 (Prüfung Fc) ermittelt die Fähigkeit eines Prüflings, festgelegten Schärfegraden sinusförmiger Vibration standzuhalten, und soll mechanische Schwächen oder eine Beeinträchtigung der festgelegten Leistung aufdecken [10]. IEC 60068-2-27 (Prüfung Ea) behandelt einzelne und wiederholte Stöße und soll mechanische Schwächen, Leistungsminderung oder durch Stöße akkumulierte Schäden aufdecken [11]. IEC 60068-2-64 (Prüfung Fh) wendet breitbandige Zufallsvibration an, also die stochastische Anregung, die bei Transport und Betrieb tatsächlich auftritt, und dient dazu, akkumulierte Belastungseffekte zu erkennen [12]. Der Schutz gegen Eindringen ist eine eigene Frage: IEC 60529 definiert den IP-Code, der die Schutzarten durch Gehäuse elektrischer Betriebsmittel einteilt [13]. Bei der Spezifikation eines Inline-Analysators folgen daraus drei Punkte:

• Fragen Sie nach Verfahren und Schärfegrad, nicht nach dem Etikett. Sowohl MIL-STD-810H als auch IEC 60068-2 definieren Prozeduren, deren Pegel durch die jeweilige Spezifikation oder durch Tailoring festgelegt werden; ein Prüfbericht sollte daher das Verfahren, das Profil (Frequenzbereich, Amplitude oder Spektraldichte, Dauer) und die Angabe enthalten, ob das Gerät während der Prüfung eingeschaltet war und gemessen hat [9][10][11][12].
• Stimmen Sie die Prüfung auf den Montageort ab. Der Schärfegrad einer Zufallsvibration ist als Spektraldichte über einem Frequenzband definiert [12]; die Vibration am vorgesehenen Montageort sollte daher vor der Installation erfasst und mit dem Qualifizierungsprofil verglichen werden.
• Trennen Sie die Optik vom Gehäuse. Die Stoß- und Vibrationsfestigkeit einer Silizium-Mikrostruktur und die IP-Schutzart des Gehäuses sind unterschiedliche Qualifizierungen nach unterschiedlichen Normen [4][13]; das eine impliziert nicht das andere.

Die Rolle von USTECH

USTECH spezifiziert seine Inline-NIR-Analysatoren für die Produktionshalle und nicht für das Labor: ProLine17EC und ProLine17ECS sind in Gehäusen aus Edelstahl 316 mit einem Prozessfenster aus Saphir und der Schutzart IP65 nach IEC 60529 aufgebaut [13], und der Prozess-FT-NIR-Analysator ProLine2550 wird in Mischern, Reaktoren und Rohrleitungen eingesetzt. Die Umweltqualifizierung — welche Verfahren und Schärfegrade der IEC 60068-2 gelten und ob der Analysator direkt auf vibrierenden Anlagen oder auf einer entkoppelten Halterung montiert wird — wird je Anwendung anhand der gemessenen Bedingungen der Installation besprochen [10][11][12], und die Eignung einer Messung für eine bestimmte Linie wird in einer Machbarkeitsstudie mit Ihren eigenen Proben nachgewiesen.