MEMS Endüstriyel Ortamlarda Tarak Tahrikli Mekanik Dayanıklılık

Soru neden gündeme geliyor

Gıda ve yem endüstrisinde hat içi analizörler konveyörlere, değirmenlere, karıştırıcılara ve boşaltma oluklarına monte edilir; dolayısıyla içlerindeki her hareketli optik eleman sürekli titreşim, ara sıra gelen darbeler ve geniş sıcaklık dalgalanmalarıyla birlikte yaşar. Mikro elektromekanik sistemler (MEMS) bu tür hareketli elemanları — aynalar, kapaklar, rezonatörler — bir silisyum yonga üzerine yerleştirir ve bir tesis mühendisinin, birkaç mikrometre kalınlığındaki bir yapının orada ayakta kalıp kalmayacağını sorması son derece makuldür. Silisyum, mekanik özellikleri nedeniyle ve ondan sensörlerin toplu üretilebilmesi sayesinde mekanik bir malzeme olarak benimsenmiştir [1]; oda sıcaklığında gevrektir ve akmak yerine kırılır [2]. Bu cihazların birçoğunda kullanılan elektrostatik tarak sürücü Tang ve ark. tarafından tanıtılmıştır: iç içe geçmiş parmak yapıları, katlanmış kiriş yaylar üzerindeki bir polisilisyum mekiği alt tabakaya paralel olarak hareket ettirir ve ilk cihazlar 18 ile 80 kHz arasında rezonansa girmiştir [3]. Böyle bir askı sistemi esner ama kaymaz; bu nedenle dayanıklılık sorusu yatak aşınmasıyla değil, kırılma, yorulma, yapışma (stiction) ve paketlemeyle ilgilidir.

Sandia güvenilirlik programı neyi ölçtü

Çevresel zorlama altındaki silisyum mikro mekanizmalar hakkında kamuya açık en kapsamlı veri seti, Sandia National Laboratories adına Tanner ve ark. tarafından hazırlanan rapordur; bu çalışmada yüzey mikro işlemeyle üretilmiş mikromotorlar (yaylar üzerindeki, bir dişliyi süren tarak sürücülü aktüatörler) nem, sıcaklık, darbe, titreşim ve depolama deneylerinde test edilmiştir [4]. Temel bulgu, çalışan cihazlarda baskın arıza mekanizmasının sürtünen polisilisyum yüzeylerin aşınması olduğudur; yazarlar bunu sürtünen ya da birbirine çok yakın temas eden yüzeylere sahip her MEMS cihazına genellemektedir [4]. Dolayısıyla sürtünme teması olmayan, yayla asılı bir tarak sürücü ana aşınma mekanizmasından kaçınır; ancak rapora göre bu boyutlarda büyük olan kılcal kuvvetlerden kaynaklanan ve hidrofobik kaplamalar ya da süperkritik kurutma ile önlenen yapışmadan kaçınamaz [4].

Çevresel sonuçlar somuttur. Enerjisiz cihazlara 500 g ile 40.000 g arasında, 0,2 ile 1 ms süreli haversin darbelerle yapılan darbe testlerinde, 500 g'de 24 mikromotorun tamamı ve 1.000 g'de 22'si test sonrasında hasarsız biçimde çalışmıştır; 4.000 g'nin üzerinde yonga kenarlarından kopan döküntüler yer değiştirip kısa devrelere yol açmış, 10.000 g'de yonga yapıştırma bağı kopmuş, ince esnek elemanlarda ve 2,5 µm'lik pim bağlantılarında hasar ilk kez 20.000 g'de görülmüştür [4]. Sistem gereksiniminin kabaca dört katı olarak seçilen 20 ile 2.000 Hz arasında 0,8 g²/Hz rastgele titreşimde (yaklaşık 40 g rms, tepe değeri 120 g civarı, eksen başına üç dakika, enerjisiz) 22 mikromotordan 17'si test sonrasında çalışmış, üç elektriksel arıza ise zorlanmamış kontrol grubunda da ortaya çıkmıştır [4]. Sıcaklık çevriminde 20 cihazın tamamı −55 ile +75 °C arasında üç çevrimden ve −55 ile +200 °C arasında dört ek çevrimden sonra çalışır durumda kalmış, bir ısıl genleşme modeli de polisilisyum parçaların genleşmesinin önemli bir arıza mekanizması olmadığını göstermiştir [4]. Srikar ve Senturia darbe toleransını şöyle açıklar: 50–5.000 µs darbe sürelerinde alt tabaka rijit bir cisim gibi davranır ve gerilme dalgası hasarına karşı bağışık olması beklenir; bir mikro yapının itki, rezonans ya da yarı statik rejimde tepki verip vermeyeceğini ise darbe süresinin yapının doğal periyoduna oranı belirler [5].

Yorulma: silisyum mikron ölçeğinde bağışık değildir

Gevrek bir malzemenin yorulamayacağı varsayımı ince silisyum filmler için geçerli değildir. Muhlstein ve ark., yaklaşık 20 µm kalınlığındaki çentikli tek kristal silisyum konsolları 30 °C sıcaklıkta ve %50 bağıl nemdeki havada çevrimsel olarak yüklemiş ve kabaca 4 ile 10 GPa gerilme genliklerinde 10⁶ ile 10¹¹ çevrim sonrasında kırılma gözlemiştir [6]. Alanı derleyen Kahn ve ark., olgunun ilk kez 1992'de saptandığını, tepe gerilmesi azaldıkça ömrün uzadığını, çevrimsel gerilme düzeyine bağlı olduğunu ancak çevrim frekansına bağlı olmadığını ve mekanizmanın hâlâ tartışmalı olduğunu belirtir [2]. Pierron ve Muhlstein, derin reaktif iyon aşındırmayla üretilmiş filmlerde hasar birikim hızının gerilme genliğine ve daha da önemlisi neme son derece duyarlı olduğunu göstermiştir: birikim %50 bağıl nemli havada, %25 nemli havaya ya da orta vakuma göre daha hızlıdır [7]. Alsem ve ark. literatürü, düşük çevrimsel gerilmede tutarlı biçimde daha uzun ömür gösterdiği şeklinde özetler ve mikron ölçeğindeki silisyumun neden yorulup kütle silisyumun neden yorulmadığını en iyi yüzey oksidindeki bir reaksiyon katmanı mekanizmasının açıkladığını ileri sürer [8].

Mühendislik açısından yorum açıktır. Kırılma dayanımının küçük bir kesrinde çalışan bir yay, bu gerilme-ömür eğrilerinin uzun ömür bölgesinde yer alır; kuru ve sızdırmaz bir paket ise hasar birikiminin nemden kaynaklanan kısmını yavaşlatır [7][8]. Belirli bir cihaz için önemli olan, tasarım sapmasında yaylarındaki gerilme genliği ve paket içindeki atmosferdir; bu nedenle yorulma payları “silisyumun” bir özelliği olarak verilmez, tasarım bazında değerlendirilir [2][8].

Çevresel test standartları gerçekte neyi tanımlar

MIL-STD-810, Amerika Birleşik Devletleri Savunma Bakanlığı'nın çevresel mühendislik hususları ve laboratuvar testleri için test yöntemi standardıdır; H revizyonu Ocak 2019'da, Change 1 ise Mayıs 2022'de yayımlanmıştır [9]. Sıklıkla bir geçti/kaldı sertifikası olarak yanlış anlaşılır. Standart, tasarım ya da test şartnamesi dayatmadığını, bunun yerine yöntemlerin ve şiddet düzeylerinin malzemenin beklenen hizmet ömründen türetildiği bir uyarlama (tailoring) sürecini tarif ettiğini belirtir ve bu amaçla 501,7 (yüksek sıcaklık), 502,7 (düşük sıcaklık), 514,8 (titreşim) ve 516,8 (darbe) gibi ayrı yöntemler sunar [9]. Dolayısıyla bir ürünün “MIL-STD-810H'ye göre test edildiği” iddiası ancak kullanılan yöntem, prosedür ve profil ile birlikte anlam taşır [9].

IEC 60068-2 serisi elektrikli ve elektronik donanım için aynı amaca hizmet eder ve endüstriyel cihaz yeterlilik değerlendirmesinin olağan dayanağıdır. IEC 60068-2-6 (Test Fc), bir numunenin sinüzoidal titreşimin belirtilen şiddet düzeylerine dayanma yeteneğini belirler ve mekanik zayıflığı ya da belirtilen performanstaki bozulmayı ortaya çıkarır [10]. IEC 60068-2-27 (Test Ea) tekrarlanmayan ve tekrarlanan darbeleri kapsar ve darbenin neden olduğu mekanik zayıflığı, bozulmayı ya da birikmiş hasarı ortaya çıkarmayı amaçlar [11]. IEC 60068-2-64 (Test Fh), taşıma ve işletme ortamlarında gerçekte görülen stokastik uyarım olan geniş bantlı rastgele titreşimi uygular ve birikmiş gerilme etkilerini belirlemek için kullanılır [12]. Giriş koruması ayrı bir konudur: IEC 60529, elektrikli donanım muhafazalarının sağladığı koruma derecelerini sınıflandıran IP kodunu tanımlar [13]. Bir hat içi analizör tanımlanırken bundan üç sonuç çıkar:

• Etiketi değil, yöntemi ve şiddeti sorun. Hem MIL-STD-810H hem de IEC 60068-2, düzeyleri ilgili şartname ya da uyarlama ile belirlenen prosedürler tanımlar; bu nedenle bir test raporunda yöntem, profil (frekans aralığı, genlik ya da spektral yoğunluk, süre) ve cihazın test sırasında enerjili olup ölçüm yapıp yapmadığı belirtilmelidir [9][10][11][12].
• Testi montaj noktasıyla eşleştirin. Rastgele titreşim şiddeti bir frekans bandı üzerindeki spektral yoğunluk olarak tanımlanır [12]; bu nedenle öngörülen montaj konumundaki titreşim, kurulumdan önce karakterize edilmeli ve yeterlilik profiliyle karşılaştırılmalıdır.
• Optiği muhafazadan ayırın. Bir silisyum mikro yapının darbe ve titreşim toleransı ile muhafazanın IP sınıfı, farklı standartlar kapsamındaki farklı yeterliliklerdir [4][13]; biri diğerini ima etmez.

USTECH bu tabloda nerede duruyor

USTECH, hat içi NIR analizörlerini laboratuvar için değil üretim sahası için tasarlar: ProLine17EC ve ProLine17ECS, safir proses penceresine sahip 316 paslanmaz çelik gövdelerde üretilir ve IEC 60529'a göre IP65 sınıfındadır [13]; ProLine2550 proses FT-NIR analizörü ise karıştırıcılarda, reaktörlerde ve boru hatlarında kullanılır. Çevresel yeterlilik — hangi IEC 60068-2 yöntemlerinin ve şiddet düzeylerinin geçerli olduğu, analizörün doğrudan titreşen ekipmana mı yoksa yalıtılmış bir brakete mi monte edileceği — her uygulama için tesisin ölçülmüş koşullarına göre ele alınır [10][11][12]; bir ölçümün belirli bir hatta uygunluğu ise sizin numunelerinizle yapılan bir fizibilite çalışmasıyla belirlenir.