iPhoni in helij - Ko opozorilo ni zgolj teoretično

V navodilih za uporabo Applovih telefonov iPhone je zapisano, da jih lahko poškoduje izpostavljanje okolju z visoko koncentracijo industrijskih kemikalij ali pa večjim količinam utekočinjenih plinov, ki hitro hlapijo, na primer heliju. Opozorilo se ne nanaša zgolj na jedke kemikalije, saj telefone resnično onesposobijo že sorazmerno nizke koncentracije helija. Razlog so nove mikrostrukture, ki so nadomestile kvarčne kristale.

V bolnišnici Morris v ameriški zvezni državi Illinois so začeli 8. oktobra množično odpovedovati iPhoni. Služba za IT je tisti dan prejela več kot 40 prijav zaposlenih, da so njihove Applove naprave – v glavnem telefoni, nekaj je bilo tudi tablic in pametnih ur – nehale delovati. Ker je tistega dne potekalo postavljanje nove naprave za magnetno resonanco (MRI), ki vsebuje zelo močne elektromagnete, so bile prijave na prvi pogled razumljive. Očitno je nekdo nekako sprožil manjši elektromagnetni pulz (EMP) ali pa je bila elektronika izpostavljena izjemno visokemu magnetnemu polju, da se je pokvarila. Toda to, kar bi morala biti preprosta zgodba, se je spremenilo v enega najnenavadnejših primerov v zgodovini ITja – kljub temu da teoretično ozadje poznamo že skoraj desetletje.

Prvi znak, da zgodba ni tako premočrtna, je bila preostala oprema v bolnišnici. Če bi šlo resnično za močan EMP, bi gotovo odpovedalo še kaj drugega. Toda vsi računalniki in vsa medicinska oprema so delovali brez težav. Število pokvarjenih Applovih naprav pa se je večalo in ni bilo omejeno zgolj na telefone. Večina jih je povsem ugasnila, tako da jih sploh ni bilo mogoče več vključiti. Celo ob priključitvi na omrežno napajanje se ni zgodilo nič. Naprave so bile mrtve. Še nenavadnejši je bil razpon okvar. Medtem ko je večina odpovedala, je bil manjši del prizadet specifično. Mnogokrat je sporadično odpovedoval sprejem signala, medtem ko težav z Wi-Fi ni bilo.

Skrivnost se je še poglobila, ko so ugotovili, da so bile prizadete samo Applove naprave. V istih prostorih ni manjkalo niti pametnih telefonov z Androidom, a z njimi ni bilo nobenih težav. Postalo je jasno, da imajo težave nekaj opraviti z napravo za magnetno resonanco in strojno opremo v Applovih napravah. Kaj neki se je zgodilo?

Izpust helija

Za delovanje v superprevodnem režimu, saj so le tako dosegljivi dovolj visoki tokovi za vzpostavitev zadostnega magnetnega polja, je treba tuljave v MRI ohladiti. Za to se uporablja tekoči helij. Ko se tuljave ohlajajo, helij prevzema odvečno toplote, zato ga nekaj odpari (in če sistem ne tesni, se izgubi v okolico). Tistega dne je v 5 urah odhlapelo 120 litrov tekočega helija. Sistem je nekje puščal, zato je neznan del helija pronical v prostore.

Kaj je MEMS

MEMS ali mikroelektromehanični sistem je litografska tehnologija za miniaturizacijo in proizvodnjo mehaničnih in elekromehaničnih sistemov, ki imajo premične dele. Izdelujejo jih enako kakor čipe, torej avtomatično z jedkanjem plasti silicija, iz česar dobimo tridimenzionalne strukture v velikosti od nekaj mikronov do nekaj milimetrov. Segajo od enostavnih geometrij do kompleksnih struktur z več premičnimi deli, ki jih krmili integrirana elektronika.

Ključna značilnost MEMS je, da ima vsaj en del mehanično funkcionalnost, torej da so pomembni njegova oblika, velikost in položaj. Uporabljamo jih zlasti kot mikrotipala za merjenje najrazličnejših količin, od elektromagnetnih polj in sevanja do premikanja, pospeškov, tlaka, temperatur in sil. MEMS se uporabljajo tudi kot oscilatorji, kjer zamenjujejo vezja s kristali kvarca.

MEMS žiroskop ST LYPR540AH, ki ga najdemo v iPhonu 4. Slika: iFixIt

Koncentracije v zraku so bile dovolj nizke, da ni tega nihče opazil. Navsezadnje je helij popolnoma inerten in nestrupen, zato je nevaren le v količinah, ko bi v celoti zapolnil prostor in povzročil zadušitev. Manjše puščanje je daleč od tega.

Toda v navodilih za uporabo iPhona piše: »Izpostavljanje iPhona okolju z visoko koncentracijo industrijskih kemikalij, vključno s hlapljivimi utekočinjenimi plini, kot je helij, lahko poškoduje iPhone ali zmanjša njegovo zmogljivost. Upoštevajte vse znake in navodila.« Uradni odgovor iz ameriškega Appla še priporoča, da ob težavah tak telefon pustimo na zraku kak teden, da helij v celoti oddifundira, potem ga bomo lahko z veliko verjetnostjo spet napolnili in uporabljali.

Demonstracija hitrega odparevanja helija (quench), ki se zgodi ob dvigu temperature magnetov nad točko superprevodnosti. Slika: Medical Outfitters Inc/YouTube

Lov na krivca

Zgodba je bila seveda deležna veliko publicitete, saj je onesposobitev telefona s koncentracijami inertnega plina helija, ki so za človeka neopazno nizke, zanimiv hrošč. Nadaljnje preverjanje je pokazalo, da so bili med iPhoni prizadeti samo serija 6 in novejše. Kaj je torej Apple spremenil in česa drugi izdelovalci ne uporabljajo? Androidi so bili namreč imuni. Da bi resnično preveril zgodbo, je ITjevec v bolnišnici Morris vzel iPhone 8+, pognal štoparico pri aktivnem zaslonu in telefon zaprl v vrečko s čistim helijem. Tako ekstremnih razmer med incidentom seveda ni bilo, a rezultat je kljub vsemu kazal v isto smer. Po osmih minutah se je ura ustavila, telefon pa se je nehal odzivati. Zaslon je še vedno svetil, le telefon je bil povsem neodziven. Stanje se je rešilo, ko se je v enem dnevu baterija popolnoma izpraznila. Telefon je priključil v omrežno napetost in ta je spet čudežno oživel. Ko je isti preizkus ponovil z nekoliko nižjo koncentracijo helija, je telefon zdržal 12 minut, potem pa zamrznil. To pot je bil toliko odziven, da ga je lahko ugasnil, ni pa ga mogel več vključiti.

Podobno se je zgodilo tudi s telefoni prizadetih zaposlenih, le da so ti obnemeli ob izključenem zaslonu. Zaradi tega je trajalo bistveno dlje, da se je baterija izpraznila, ko jih je bilo mogoče s polnjenjem spet obuditi. Večina telefonov je naslednji teden oživela, nekateri pa so imeli trajne posledice. Na pametnih urah je na primer nehal delovati dotik na zaslonu.

MEMS

V modernih telefonih se uporablja tehnologija MEMS (mikroelektromehanični sistem). Tako označujemo mikroskopske električne naprave, ki imajo premične dele. Posamezne komponente so velike od 1 do 100 mikrometra, celotne naprave MEMS pa so manjše od enega milimetra. V telefonih se uporabljajo predvsem v žiroskopih in pospeškomerih, najdemo pa jih še marsikje. Imajo jih diski, da zaznajo prosti pad in pravočasno parkirajo bralno-pisalno glavo, ima jih vezje za zračne blazine v avtomobilih itd.

Apple je v iPhonu 6 začel uporabljati pospeškomer MEMS, ki ga helij lahko onesposobi. Toda zelo podobne pospeškomere imajo tudi telefoni z Androidom, pa nimajo težav. Če bi lahko imel hrošča operacijski sistem iOS, ki bi ob napačnem delovanju pospeškomera ohromil telefon, pa ostaja nepojasnjen mrk pametnih ur z operacijskim sistemom WatchOS. Toda razmislek je vodil v pravo smer.

Oscilatorji

Podrobnejša analiza je pokazala, da je najverjetnejši krivec oscilator. Elektronika za delovanje potrebuje oscilatorje. To so komponente, ki ustvarjajo ponavljajoč se signal stalne oblike in konstantne frekvence. Njihovi predhodniki so kvarčni kristali, ki so še danes najbolj priljubljeni. Brez oscilatorjev je procesor mrtev kos silicija.

Kot rečeno, zgodovinsko so najpomembnejši kvarčni oscilatorji, v katerih je glavni del kristal iz kvarca. Za delovanje izkoriščajo piezoelektrični efekt – ko tak kristal izpostavimo električnemu polju, tako da na elektrodo v neposredni bližini pritisnemo električno napetost, se kristal malce deformira (pojav imenujemo elektrostrikcija). Ko električno polje izgine, se kristal vrne v prvotno obliko, pri čemer spet ustvari električno polje, ki ustvari napetost. Zaradi tega se kristali iz kvarca obnašajo kot vezje RLC (upornik, tuljava, kondenzator), ki ima natančno določeno resonančno frekvenco. Ta je tako stabilna (napaka poceni kristalov je 10-5 do 10-6), da jo uporabljamo za merjenje časa v ugasnjenih elektronskih napravah in krmiljenje frekvence čipov. Kvarčni oscilator sestavljata poleg kristala še ojačevalnik in filtrirno/ojačevalno vezje s pozitivno povratno zanko.

Novejši iPhoni namesto kvarčnih kristalov uporabljajo oscilator MEMS s frekvenco 32 kHz. Ti se uporabljajo zato, ker so cenejši in manjši od kvarčnih oscilatorjev, obenem pa so odpornejši za temperaturne spremembe ter vibracije in mehanske šoke. Kvarčni oscilatorji potrebujejo natančno obdelan in odrezan kristal kvarca, ki mu je potem treba dodati še ustrezno vezje. Oscilatorji MEMS pa dajejo enak rezultat kakor kristal, a so zgrajeni drugače, njihova proizvodnja je enostavnejša. Gre za jedkani silicij v čipu, ki deluje podobno kot glasbene vilice.

Odpoved oscilatorja MEMS bi pojasnila dogajanje, saj je v iPhonu ta povezan tudi s čipom za upravljanje energijske porabe (PMU). Ta ima več funkcij, med drugim skrbi za uro in omogoča polnjenje, zagon in zaustavitev telefona. Brez PMU imamo zgolj zelo drag obtežilnik za papir.

Da MEMS deluje pravilno, mora biti hermetično zaprt. Znotraj mora biti bodisi vakuum bodisi konstantna atmosfera. Podjetje SiTime, ki je razvilo proces EpiSeal za hermetično zapiranje MEMSov, prodaja oscilator SiT1532 s frekvenco 32,768 kHz, ki ga najdemo tudi v iPhonu 8. Na njihovi spletni strani so že zdavnaj zapisali, da so imele prve generacije EpiSeala težave pri visokih koncentracijah plinov z majhnimi molekulami – to sta vodik in helij. Zaradi tega vsem, ki načrtujejo rabo v takih razmerah, priporočajo, da se pri zasnovi naprav prej posvetujejo z njimi.

Tudi v podjetju InvenSense Motion, ki izdeluje čipe MEMS za stabilizacijo slike v telefonih Pixel 3, imajo podobne izkušnje. David Almoslino, ki vodi marketing, je povedal, da so nekateri izdelki lahko občutljivi za helij, ker ta difundira in povzroči nepravilno delovanje njihovih senzorjev tlaka, pospeška in položaja (žiroskop). Po prestavitvi v okolje brez helija si načeloma opomorejo. V resnici je testiranje tesnjenja MEMS na helij standardni del proizvodnje, je še povedal Almoslino.

Prečni posnetek hermetično zatesnjenega MEMS z vrstičnim elektronskim mikroskopom. Levo: zatesnitev s pasiviranim oksidom nad polisilicijem. Aluminij omogoča električno povezavo. Desno: vrzel v polisiliciju za električno povezavo med aluminijem in elektrodo. Slika: Kim, B. et al. Journal of Applied Physics, 105, 013514 (2009)

Čez sedem let vse pride prav

Pred petimi leti je bil objavljen znanstveni članek (Output Drifting of Vacuum Packaged MEMS Sensors Due to Room Temperature Helium Exposure), v katerem so raziskovalci preverjali vpliv helija na različne MEMS. Ugotovili so, da helij na merilnike tlaka nima večjega vpliva, na žiroskope, oscilatorje in tipala masnega pretoka pa deluje kvarno.

MEMS so običajno hermetično zaprti z oksidnim slojem, ki ga nanesejo s CVD (kemični nanos par). Pri 400° C helij in vodik pospešeno prehajata to oviro, so odkrili že leta 2009 (Hermeticity and diffusion investigation in polysilicon film encapsulation for microelectromechanical systems). Učinek je očiten tudi pri sobni temperaturi. Helij (zanimivo, ne pa vodik!) počasi pronica tudi skozi to zaporo, so odkrili že v študiji pred šestimi leti (The hermeticity of sealed microstructures under low temperature helium and hydrogen exposure).

Ker se želita tlaka plina na obeh straneh izravnati in ker je v notranjosti MEMS vakuum, helij difundira vanj, to pa onesposobi MEMS. Razlog je preprost. Frekvenca nihanja je odvisna tudi od hitrosti zvoka, ta je v heliju trikrat hitrejši kakor v zraku. Zato naše glasilke v helijevi atmosferi oddajajo vreščeč zvok, MEMSova frekvenca pa zaide daleč od pričakovanih vrednosti. K sreči je helij res prodoren. Napravo zato oživimo preprosto tako, da jo odnesemo v prostor brez helija, pa bo zaradi težnje po izenačitvi tlaka helij oddifundiral proč.

Vodik (in helij) sta dovolj majhna, da prodreta v MEMS.

Opozorjeni smo bili

Izkazalo se je, da gre za pojav, ki je izdelovalcem MEMS dobro znan. Tudi Apple je vedel zanj, zato je v navodilih odsvetoval izpostavljanje heliju. Toda ker doslej še ni bilo takega primera v praksi, je veljalo napačno prepričanje, da gre zgolj za teoretično nevarnost. Očitno je imel Apple smolo (ali pa je preveč varčeval) pri izbiri MEMS za svoje telefone. In zato jih pokopljejo že majhne koncentracije helija.

Difuzija: vodik in helij najbolj neubogljiva

Vodik in helij sta plina z najmanjšimi in najlažjimi molekulami (z molskima masama 2 oziroma 4 g/mol), drugi imajo vsaj desetkrat težje. Poleg tega sta izrazito nepolarna, helij pa za povrh ne tvori molekul, temveč obstaja v atomarni obliki. Ker so njune molekule zelo lahke, imajo tudi višjo hitrost od drugih plinov (pri enakih razmerah imajo molekule različnih plinov približno enako kinetično energijo).

Zaradi tega imata daleč najvišji koeficient difuzije. Vodik in helij zaradi svoje majhnosti in hitrosti prodirata skozi materiale, ki so (praktično) nepropustni za preostale pline. Njuno hranjenje je zato težavno, izdelava nepropustnih materialov pa zahtevna. S helijem napolnjeni baloni se že po nekaj dneh spraznijo, helij počasi difundira celo skozi steklo in kovino. Enako velja tudi za vodik. Zaradi tega se helij in vodik industrijsko uporabljata tudi za preverjanje tesnjenja.