3. Микроминиатюризация – за и против

Для приборостроения миниатюризация - естественный процесс. Разработка датчиков идет эволюционным путем, реализуя на основе вновь осваиваемых технологий в меньших габаритах традиционные схемы и структуры. Кроме этого, могут появиться возможности для построения новых структур и необходимость использования принципов действия не оптимальных и потому не популярных в макромасштабах.
Для создания микроэлектромеханических устройств характерно использование практически всего существующего арсенала методов преобразования и типов датчиков (сегодня хотя бы на уровне “лабораторных” университетских разработок). Реализуются и новые подходы: так находят все более широкое применение уравновешивающие преобразователи электростатического типа.
Микроразмеры элементов и макроколичества одновременно обрабатываемых изделий - две основополагающие особенности, которые микротехнологии унаследовали от микроэлектроники. Первая особенность позволяет изготавливать прецизионные уникальные изделия, размеры и взаимное расположение которых воспроизводятся с субмикронными точностями. Вторая – делает эти устройства дешевыми и доступными для массовых применений.
«Успешные» МЭМС датчики характеризуются, кроме высоких метрологических качеств и небольших габаритов, высокой экономичностью, малой материалоемкостью, хорошо сопрягаются с электроникой. Для наиболее «продвинутых на рынок» массовых датчиков стоимость на порядок ниже, чем у макроаналогов.
Типичные размеры МЭМС – чипа 1…10 мм2. В эти габариты вписываются механические, электронные и др. элементы. Такие размеры позволяют создавать датчики для измерения «точечных» (локальных) параметров, снизить влияние массы датчика при измерении ускорений, уменьшить нежелательные эффекты (раздражение) при медико - биологических исследованиях. Малые размеры облегчают экранирование, теплоизоляцию и термостабилизацию. Применение в конструкции микроколичеств чистых и редких материалов, прецизионных сплавов не удорожает стоимость существенно. Микродатчики незаменимы при динамических измерениях – с уменьшением размеров снижается масса чувствительных элементов и постоянные времени реакции датчиков на изменение измеряемого параметра.
В микромасштабах изменяются привычные соотношения между различными полями. При линейном уменьшение размеров «массовые» силы убывают в кубе, а «поверхностные» только в квадрате. Возрастает влияние вязкости, в устройствах различных приводов (уравновешивающих, резонаторных и др.) наиболее эффективными оказываются электростатические, а не привычные электромагнитные.
Платой за малые размеры часто оказывается падение чувствительности, увеличение роли тепловых шумов. Ставка на более чувствительные полупроводниковые преобразователи может обернуться увеличением температурных погрешностей.
Разработка МЭМС – устройств это привычный для приборостроения путь компромиссов. Путь к созданию микроэлектромеханических датчиков, отвечающих тем или иным «жестким» требованиям, может увести от размеров микрочипа к «привычным» макрогабаритам для конструкции датчика в целом.
Так на рис.8-10 представлены МЭМС - датчики давления различного назначения, имеющие практически одинаковые основные метрологические показатели: диапазон измерения, точность.