MEMS Durabilité mécanique des entraînements en peigne dans les environnements industriels

Pourquoi la question se pose

Dans l'industrie de l'alimentation humaine et animale, les analyseurs en ligne sont montés sur des convoyeurs, des broyeurs, des mélangeurs et des goulottes de décharge ; tout élément optique mobile qu'ils contiennent vit donc avec des vibrations continues, des chocs occasionnels et de fortes variations de température. Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) placent de tels éléments mobiles — miroirs, obturateurs, résonateurs — sur une puce de silicium, et un ingénieur d'usine peut légitimement se demander si une structure de quelques micromètres d'épaisseur y survit. Le silicium a été adopté comme matériau mécanique en raison de ses propriétés mécaniques et parce qu'il permet de fabriquer des capteurs par lots [1] ; à température ambiante, il est fragile et se rompt au lieu de se déformer plastiquement [2]. L'actionneur électrostatique à peignes utilisé dans nombre de ces dispositifs a été introduit par Tang et al. : des structures de doigts interdigités déplacent une navette en polysilicium parallèlement au substrat sur des ressorts à poutres repliées, et les premiers dispositifs résonnaient entre 18 et 80 kHz [3]. Une telle suspension fléchit mais ne glisse pas ; la question de la durabilité relève donc de la rupture, de la fatigue, du collage (stiction) et de l'encapsulation plutôt que de l'usure de paliers.

Ce qu'a mesuré le programme de fiabilité de Sandia

Le jeu de données public le plus complet sur les micromécanismes en silicium soumis à des contraintes d'environnement est le rapport des Sandia National Laboratories de Tanner et al., qui a testé des micromoteurs obtenus par micro-usinage de surface (actionneurs à peignes sur ressorts entraînant un engrenage) lors d'essais d'humidité, de température, de choc, de vibration et de stockage [4]. Son résultat central est que le mécanisme de défaillance dominant des dispositifs en fonctionnement était l'usure des surfaces de polysilicium en frottement, conclusion que les auteurs généralisent à tout dispositif MEMS comportant des surfaces en frottement ou en contact étroit [4]. Un actionneur à peignes suspendu par ressorts, sans contact frottant, évite donc le principal mécanisme d'usure, mais pas le collage, que le rapport attribue aux forces capillaires, importantes à ces dimensions, et que l'on combat par des revêtements hydrophobes ou par séchage supercritique [4].

Les résultats d'environnement sont précis. Lors d'essais de choc par impulsions demi-sinus versées (haversine) de 0,2 à 1 ms, de 500 g à 40 000 g, sur des dispositifs non alimentés, les 24 micromoteurs testés à 500 g et 22 à 1 000 g fonctionnaient ensuite sans dommage ; au-delà de 4 000 g, des débris provenant des bords de la puce se sont déplacés et ont provoqué des courts-circuits, à 10 000 g la liaison de report de la puce a cédé, et les premiers dommages aux flexions minces et aux articulations à goupille de 2,5 µm sont apparus à 20 000 g [4]. Sous vibration aléatoire de 20 à 2 000 Hz à 0,8 g²/Hz (environ 40 g rms, crête autour de 120 g, trois minutes par axe, hors tension), niveau choisi à environ quatre fois l'exigence système, 17 micromoteurs sur 22 fonctionnaient ensuite, et les trois défaillances électriques sont aussi apparues dans le groupe témoin non sollicité [4]. En cyclage thermique, les 20 dispositifs sont restés fonctionnels après trois cycles entre −55 et +75 °C puis quatre cycles supplémentaires entre −55 et +200 °C, et un modèle de dilatation thermique a indiqué que la dilatation des pièces en polysilicium n'est pas un mécanisme de défaillance significatif [4]. Srikar et Senturia expliquent cette tolérance aux chocs : pour des durées de choc de 50–5 000 µs, le substrat se comporte comme un corps rigide et devrait être insensible aux dommages par ondes de contrainte, et c'est le rapport entre la durée du choc et la période propre d'une microstructure qui détermine si celle-ci répond en régime impulsionnel, résonant ou quasi statique [5].

Fatigue : le silicium n'est pas immunisé à l'échelle du micron

L'hypothèse selon laquelle un matériau fragile ne peut pas se fatiguer ne vaut pas pour les films minces de silicium. Muhlstein et al. ont sollicité cycliquement des poutres en porte-à-faux entaillées en silicium monocristallin d'environ 20 µm d'épaisseur, dans l'air à 30 °C et 50 % d'humidité relative, et ont observé la rupture après 10⁶ à 10¹¹ cycles pour des amplitudes de contrainte d'environ 4 à 10 GPa [6]. Dans leur revue du domaine, Kahn et al. notent que le phénomène a été détecté pour la première fois en 1992, que la durée de vie augmente lorsque la contrainte maximale diminue, qu'il dépend du niveau de contrainte cyclique mais pas de la fréquence des cycles, et que son mécanisme reste débattu [2]. Pierron et Muhlstein ont montré sur des films gravés par gravure ionique réactive profonde que la vitesse d'accumulation des dommages est fortement sensible à l'amplitude de contrainte et, plus encore, à l'humidité, l'accumulation étant plus rapide dans l'air à 50 % d'humidité relative que dans l'air à 25 % ou sous vide moyen [7]. Alsem et al. résument la littérature comme montrant de façon constante une durée de vie plus longue sous contrainte cyclique plus faible, et soutiennent qu'un mécanisme de couche de réaction dans l'oxyde de surface explique le mieux pourquoi le silicium à l'échelle du micron se fatigue alors que le silicium massif ne le fait pas [8].

La lecture technique est simple. Un ressort qui travaille à une faible fraction de sa résistance à la rupture se situe dans la zone de longue durée de vie de ces courbes contrainte-durée de vie, et un boîtier sec et étanche ralentit la part de l'accumulation des dommages due à l'humidité [7][8]. Pour un dispositif donné, ce qui compte est l'amplitude de contrainte dans ses ressorts à la déflexion nominale et l'atmosphère à l'intérieur du boîtier ; les marges vis-à-vis de la fatigue s'évaluent donc conception par conception et ne se citent pas comme une propriété du “silicium” [2][8].

Ce que les normes d'essai d'environnement spécifient réellement

MIL-STD-810 est la norme de méthodes d'essai du Département de la Défense des États-Unis consacrée aux considérations d'ingénierie environnementale et aux essais en laboratoire ; la révision H a été publiée en janvier 2019 et le Change 1 en mai 2022 [9]. Elle est souvent prise à tort pour un certificat de conformité réussite/échec. La norme indique qu'elle n'impose pas de spécifications de conception ou d'essai, mais décrit un processus d'adaptation (tailoring) dans lequel les méthodes et les sévérités sont déduites de la vie en service prévue du matériel, et elle fournit à cet effet des méthodes individuelles telles que 501,7 (haute température), 502,7 (basse température), 514,8 (vibration) et 516,8 (choc) [9]. L'affirmation qu'un produit a été “testé selon MIL-STD-810H” n'a donc de sens qu'accompagnée de la méthode, de la procédure et du profil utilisés [9].

La série IEC 60068-2 remplit la même fonction pour les équipements électriques et électroniques et constitue la base habituelle de la qualification des instruments industriels. L'IEC 60068-2-6 (essai Fc) détermine l'aptitude d'un spécimen à supporter des sévérités spécifiées de vibration sinusoïdale et à révéler des faiblesses mécaniques ou une dégradation des performances spécifiées [10]. L'IEC 60068-2-27 (essai Ea) couvre les chocs non répétitifs et répétitifs et vise à révéler les faiblesses mécaniques, la dégradation ou les dommages cumulés causés par les chocs [11]. L'IEC 60068-2-64 (essai Fh) applique une vibration aléatoire à large bande, l'excitation stochastique réellement rencontrée lors du transport et en exploitation, et sert à identifier les effets cumulés des contraintes [12]. La protection contre la pénétration est une autre question : l'IEC 60529 définit le code IP qui classe les degrés de protection procurés par les enveloppes des matériels électriques [13]. Lors de la spécification d'un analyseur en ligne, trois points en découlent :

• Demandez la méthode et la sévérité, pas l'étiquette. MIL-STD-810H comme IEC 60068-2 définissent des procédures dont les niveaux sont fixés par la spécification applicable ou par adaptation ; un rapport d'essai doit donc indiquer la méthode, le profil (gamme de fréquences, amplitude ou densité spectrale, durée) et préciser si l'instrument était alimenté et en mesure pendant l'essai [9][10][11][12].
• Adaptez l'essai au point de montage. La sévérité d'une vibration aléatoire est définie comme une densité spectrale sur une bande de fréquences [12] ; la vibration à l'emplacement de montage prévu doit donc être caractérisée et comparée au profil de qualification avant l'installation.
• Distinguez l'optique de l'enveloppe. La tolérance d'une microstructure en silicium aux chocs et aux vibrations et l'indice IP du boîtier sont des qualifications différentes, relevant de normes différentes [4][13] ; l'une n'implique pas l'autre.

La place d'USTECH

USTECH conçoit ses analyseurs NIR en ligne pour l'atelier de production plutôt que pour le laboratoire : les ProLine17EC et ProLine17ECS sont construits dans des boîtiers en acier inoxydable 316 avec une fenêtre de procédé en saphir et un indice IP65 selon l'IEC 60529 [13], et l'analyseur de procédé FT-NIR ProLine2550 est utilisé dans des mélangeurs, des réacteurs et des canalisations. La qualification environnementale — quelles méthodes et sévérités IEC 60068-2 s'appliquent, et si l'analyseur est monté directement sur l'équipement vibrant ou sur un support isolé — est examinée application par application au regard des conditions mesurées sur l'installation [10][11][12], et l'aptitude d'une mesure pour une ligne donnée est établie par une étude de faisabilité réalisée avec vos propres échantillons.