Pendahuluan: MEMS dan Tantangan Keandalan di Luar Angkasa
Microelectromechanical Systems (MEMS) telah merevolusi banyak sektor teknologi karena keunggulan mereka yang ringan, hemat energi, dan sangat terintegrasi. Di industri luar angkasa, perangkat ini berpotensi besar digunakan dalam sistem komunikasi, navigasi, dan pemantauan lingkungan. Namun, lingkungan ruang angkasa menghadirkan tantangan ekstrem: vakum, fluktuasi suhu yang tajam, dan paparan radiasi.
Karena itu, penting untuk memastikan keandalan MEMS melalui pendekatan pengujian yang efisien. Artikel ini membahas bagaimana metodologi Physics of Failure (PoF) dikombinasikan dengan simulasi berbasis model perilaku dapat menjadi solusi efisien dalam menilai dan meningkatkan keandalan perangkat MEMS—terutama saat pengujian fisik sulit dilakukan.
Physics of Failure dan Pentingnya Simulasi Perilaku
Physics of Failure (PoF) adalah pendekatan berbasis hukum fisika yang digunakan untuk menganalisis mekanisme kegagalan perangkat. Metodologi ini memungkinkan insinyur:
- Menilai umur produk berdasarkan mekanisme degradasi fisik,
- Mengoptimalkan desain untuk tahan terhadap kondisi lingkungan,
- Mengurangi biaya uji lapangan dan jumlah prototipe yang diperlukan.
Namun, untuk diterapkan pada sistem yang kompleks seperti MEMS, diperlukan model perilaku (behavioral models). Model ini menyederhanakan kompleksitas fisik menjadi hubungan matematis antar parameter fungsional, memungkinkan simulasi cepat pada level sistem tanpa kehilangan akurasi signifikan.
Tiga Pilar Simulasi PoF untuk MEMS
- Parameter Material
- Contoh: ketebalan lapisan, modulus Young, koefisien ekspansi termal.
- Diukur dengan alat seperti FIB, SEM, optical profilometers.
- Pengujian Lingkungan
- Termasuk variasi suhu, kelembapan, tekanan, dan iradiasi.
- Digunakan alat seperti EMA 3D yang menggabungkan vibrometer optik dan ruang lingkungan.
- Modeling Tools
- Finite Element Analysis (FEA): sangat akurat namun mahal secara komputasi.
- Behavioral Modeling: menggunakan interpolasi FEA, model empiris, dan persamaan analitis → sangat cocok untuk simulasi tingkat sistem.
Studi Kasus: Switch RF dalam Kondisi Ekstrem
Deskripsi Teknologi
Switch RF kapasitif paralel dikembangkan oleh LAAS-CNRS. Strukturnya terdiri dari:
- Substrat silikon dengan lapisan SiO₂ dan SixNy,
- Jembatan emas yang menggantung di atas garis sinyal dan ground.
1. Perilaku Gap terhadap Suhu
- Suhu ditingkatkan dari 20°C hingga 120°C.
- Hasil: gap antara jembatan emas dan garis sinyal meningkat secara linear dengan suhu.
- Model yang digunakan: buckling fixed-fixed beam di bawah tegangan termal.
Persamaan kunci:
-
- Defleksi elastika:
d2θds2=PEIsinθ\frac{d^2 \theta}{ds^2} = \frac{P}{EI} \sin \theta
-
- Tegangan termal dari hukum Duhamel–Neumann:
P=EAα(T−Tref)P = EA\alpha(T - T_{ref})
- Hasil model mendekati hasil eksperimen → membuktikan keakuratan pendekatan perilaku.
2. Tegangan Aktuasi (Pull-in Voltage) terhadap Suhu
- Dua efek saling berlawanan:
- Gap meningkat → pull-in voltage naik.
- Modulus Young menurun → pull-in voltage turun.
- Hasil eksperimen: pull-in voltage meningkat secara linear hingga 100°C.
- Di atas 80°C muncul dua tegangan aktuasi berbeda:
- Tegangan pertama mengaktifkan sisi jembatan.
- Tegangan kedua menarik pusat jembatan yang tetap membengkok.
Efek Iradiasi pada Performa Switch
Pengujian Iradiasi:
- Sumber Co-60 dengan dosis 50 rad/jam.
- Pull-in voltage diukur setelah paparan dosis bertahap.
Hasil:
- Setelah 4 krad, pull-in voltage meningkat drastis.
- Pada 8,7 krad dan 60 V, switch meledak.
Analisis:
- Penumpukan muatan di dielektrik menghasilkan medan listrik tambahan.
- Rumus pergeseran tegangan:
ΔV=Qr⋅d2ε0εr\Delta V = \frac{Qr \cdot d}{2\varepsilon_0\varepsilon_r}
- Model hanya menjelaskan sebagian kenaikan tegangan → kemungkinan juga terjadi penjebakan muatan pada emas dan lapisan dielektrik.
Kelebihan Model Perilaku untuk Simulasi MEMS
- Lebih cepat dan hemat komputasi dibanding FEA.
- Cocok untuk simulasi sistem kompleks seperti satelit atau kendaraan antariksa.
- Dapat digunakan sejak tahap desain untuk meningkatkan keandalan produk dan mengurangi biaya prototipe fisik.
Tantangan dan Arahan Penelitian Masa Depan
Tantangan:
- Model masih terlalu sederhana untuk beberapa kondisi ekstrem.
- Belum ada pemahaman lengkap tentang mekanisme kegagalan baru dalam MEMS.
Arah Penelitian:
- Kombinasi FEA + behavioral model untuk keseimbangan akurasi dan kecepatan.
- Pengembangan material baru yang lebih tahan terhadap suhu dan iradiasi.
- Integrasi ke dalam platform EDA (Electronic Design Automation) untuk desain yang responsif terhadap keandalan.
Kesimpulan
Dengan meningkatnya penggunaan MEMS dalam sistem kritis seperti luar angkasa, keandalan menjadi faktor kunci. Pendekatan Physics of Failure yang digabungkan dengan model perilaku menawarkan solusi realistis, efisien, dan dapat diintegrasikan ke dalam proses desain awal.
Studi kasus switch RF membuktikan bahwa:
- Model sederhana dapat memberikan prediksi performa yang akurat terhadap suhu dan iradiasi.
- Pengujian awal berbasis simulasi dapat menghindarkan kegagalan besar di lapangan.
- Model perilaku mampu mempercepat inovasi sambil tetap menjaga kualitas dan keamanan.
Sumber : Schmitt, P., Pressecq, F., Lafontan, X., Pons, P., Nicot, J.M., Oudea, C., Estève, D., Camon, H., Fourniols, J.Y. MEMS Behavioral Simulation: A Potential Use for Physics of Failure (PoF) Modeling.