MEMS Durabilidad mecánica del accionamiento por peine en entornos industriales

Por qué surge la pregunta

Los analizadores en línea de la industria alimentaria y de piensos se montan en transportadores, molinos, mezcladoras y tolvas de descarga, de modo que cualquier elemento óptico móvil en su interior convive con vibración continua, choques ocasionales y grandes oscilaciones de temperatura. Los sistemas microelectromecánicos (MEMS) sitúan estos elementos móviles — espejos, obturadores, resonadores — sobre un chip de silicio, y un ingeniero de planta se pregunta con razón si una estructura de unos pocos micrómetros de espesor sobrevive allí. El silicio se adoptó como material mecánico por sus propiedades mecánicas y porque permite fabricar sensores por lotes [1]; a temperatura ambiente es frágil y se fractura en lugar de deformarse plásticamente [2]. El actuador electrostático de peine que emplean muchos de estos dispositivos fue introducido por Tang et al.: unas estructuras de dedos interdigitados desplazan una lanzadera de polisilicio paralelamente al sustrato sobre resortes de viga plegada, y los primeros dispositivos resonaban entre 18 y 80 kHz [3]. Como esta suspensión se flexiona pero no se desliza, la cuestión de la durabilidad tiene que ver con la fractura, la fatiga, la adherencia (stiction) y el encapsulado, no con el desgaste de cojinetes.

Qué midió el programa de fiabilidad de Sandia

El conjunto de datos público más completo sobre micromecanismos de silicio sometidos a esfuerzos ambientales es el informe de los Sandia National Laboratories de Tanner et al., que ensayó micromotores fabricados por micromecanizado superficial (actuadores de peine sobre resortes que accionan un engranaje) en experimentos de humedad, temperatura, choque, vibración y almacenamiento [4]. Su conclusión central es que el mecanismo de fallo dominante en los dispositivos en funcionamiento fue el desgaste de las superficies de polisilicio en rozamiento, algo que los autores generalizan a cualquier dispositivo MEMS con superficies en rozamiento o en contacto estrecho [4]. Un actuador de peine suspendido en resortes y sin contacto por rozamiento evita, por tanto, el principal mecanismo de desgaste, pero no la adherencia, que el informe atribuye a fuerzas capilares, grandes a estas dimensiones, y que se contrarresta con recubrimientos hidrófobos o con secado supercrítico [4].

Los resultados ambientales son concretos. En ensayos de choque con pulsos de semiseno cuadrado (haversine) de 0,2 a 1 ms, de 500 g a 40.000 g, sobre dispositivos sin alimentación, los 24 micromotores ensayados a 500 g y 22 a 1.000 g funcionaron después sin daños; por encima de 4.000 g se desprendieron partículas de los bordes del chip que provocaron cortocircuitos, a 10.000 g falló la fijación del chip, y los daños en flexiones delgadas y en articulaciones de pasador de 2,5 µm aparecieron por primera vez a 20.000 g [4]. Con vibración aleatoria de 20 a 2.000 Hz a 0,8 g²/Hz (unos 40 g rms, pico en torno a 120 g, tres minutos por eje, sin alimentación), elegida como aproximadamente cuatro veces el requisito del sistema, 17 de 22 micromotores funcionaron después, y los tres fallos eléctricos aparecieron también en el grupo de control no sometido a esfuerzo [4]. En los ciclos térmicos, los 20 dispositivos siguieron funcionando tras tres ciclos entre −55 y +75 °C y tras otros cuatro ciclos entre −55 y +200 °C, y un modelo de dilatación térmica indicó que la dilatación de las piezas de polisilicio no es un mecanismo de fallo significativo [4]. Srikar y Senturia explican la tolerancia al choque: para duraciones de choque de 50–5.000 µs el sustrato responde como un sólido rígido y cabe esperar que sea inmune a los daños por ondas de tensión, y que una microestructura responda en régimen impulsivo, resonante o cuasiestático depende de la duración del choque en relación con su periodo natural [5].

Fatiga: el silicio no es inmune a escala micrométrica

La suposición de que un material frágil no puede sufrir fatiga no se cumple en las películas delgadas de silicio. Muhlstein et al. sometieron a ciclos voladizos entallados de silicio monocristalino de unos 20 µm de espesor en aire a 30 °C y 50 % de humedad relativa, y observaron el fallo tras 10⁶ a 10¹¹ ciclos con amplitudes de tensión de aproximadamente 4 a 10 GPa [6]. Kahn et al., en su revisión del campo, señalan que el fenómeno se detectó por primera vez en 1992, que la vida aumenta al disminuir la tensión máxima, que depende del nivel de tensión cíclica pero no de la frecuencia de los ciclos y que el mecanismo sigue siendo objeto de debate [2]. Pierron y Muhlstein demostraron en películas obtenidas por grabado iónico reactivo profundo que la velocidad de acumulación de daño es muy sensible a la amplitud de tensión y, sobre todo, a la humedad, con una acumulación más rápida en aire al 50 % de humedad relativa que en aire al 25 % o en vacío medio [7]. Alsem et al. resumen la literatura como coherente en mostrar una vida más larga a menor tensión cíclica y sostienen que un mecanismo de capa de reacción en el óxido superficial explica mejor por qué el silicio a escala micrométrica sufre fatiga mientras que el silicio masivo no [8].

La lectura técnica es sencilla. Un resorte que trabaja a una pequeña fracción de su resistencia a la fractura se sitúa en la región de vida larga de estas curvas tensión-vida, y un encapsulado seco y estanco ralentiza la parte de la acumulación de daño impulsada por la humedad [7][8]. Lo que importa para un dispositivo concreto es la amplitud de tensión en sus resortes a la deflexión de diseño y la atmósfera dentro del encapsulado, de modo que los márgenes frente a la fatiga se evalúan para cada diseño en lugar de citarse como una propiedad del «silicio» [2][8].

Qué especifican realmente las normas de ensayo ambiental

MIL-STD-810 es la norma de métodos de ensayo del Departamento de Defensa de los Estados Unidos para consideraciones de ingeniería ambiental y ensayos de laboratorio; la revisión H se publicó en enero de 2019 y el Change 1 en mayo de 2022 [9]. A menudo se interpreta erróneamente como un certificado de apto/no apto. La norma declara que no impone especificaciones de diseño ni de ensayo, sino que describe un proceso de adaptación (tailoring) en el que los métodos y las severidades se derivan de la vida útil prevista del material, y para ello proporciona métodos individuales como 501,7 (alta temperatura), 502,7 (baja temperatura), 514,8 (vibración) y 516,8 (choque) [9]. Afirmar que un producto fue «ensayado según MIL-STD-810H» solo tiene sentido, por tanto, junto con el método, el procedimiento y el perfil utilizados [9].

La serie IEC 60068-2 cumple la misma función para los equipos eléctricos y electrónicos y es la base habitual para la cualificación de instrumentos industriales. IEC 60068-2-6 (ensayo Fc) determina la capacidad de una muestra para soportar severidades especificadas de vibración sinusoidal y para poner de manifiesto debilidades mecánicas o una degradación del rendimiento especificado [10]. IEC 60068-2-27 (ensayo Ea) abarca choques no repetitivos y repetitivos y tiene por objeto revelar debilidades mecánicas, degradación o daños acumulados causados por el choque [11]. IEC 60068-2-64 (ensayo Fh) aplica vibración aleatoria de banda ancha, la excitación estocástica que se produce realmente en el transporte y en el entorno operativo, y se utiliza para identificar efectos de esfuerzo acumulados [12]. La protección contra la penetración es una cuestión aparte: IEC 60529 define el código IP que clasifica los grados de protección que proporcionan las envolventes de los equipos eléctricos [13]. Al especificar un analizador en línea se desprenden tres puntos:

• Pida el método y la severidad, no la etiqueta. Tanto MIL-STD-810H como IEC 60068-2 definen procedimientos cuyos niveles fija la especificación correspondiente o el proceso de adaptación, por lo que un informe de ensayo debe indicar el método, el perfil (rango de frecuencias, amplitud o densidad espectral, duración) y si el instrumento estaba alimentado y midiendo durante el ensayo [9][10][11][12].
• Ajuste el ensayo al punto de montaje. La severidad de la vibración aleatoria se define como una densidad espectral en una banda de frecuencias [12], por lo que la vibración en la posición de montaje prevista debe caracterizarse y compararse con el perfil de cualificación antes de la instalación.
• Separe la óptica de la envolvente. La tolerancia al choque y a la vibración de una microestructura de silicio y el grado IP de la carcasa son cualificaciones distintas según normas distintas [4][13]; ninguna implica la otra.

El papel de USTECH

USTECH especifica sus analizadores NIR en línea para la planta y no para el laboratorio: los ProLine17EC y ProLine17ECS se construyen en carcasas de acero inoxidable 316 con ventana de proceso de zafiro y grado de protección IP65 según IEC 60529 [13], y el analizador FT-NIR de proceso ProLine2550 se utiliza en mezcladoras, reactores y tuberías. La cualificación ambiental — qué métodos y severidades de IEC 60068-2 se aplican y si el analizador se monta directamente sobre equipos que vibran o sobre un soporte aislado — se analiza para cada aplicación frente a las condiciones medidas de la instalación [10][11][12], y la idoneidad de una medición para una línea determinada se establece en un estudio de viabilidad con sus propias muestras.