Evaluating temperature errors and developing methods for reducing them has been among the most important problems in the microsensors design. The temperature effect on the performance of a resonant-frequency microelectromechanical pressure sensor was studied in this work. This study aim was to numerically evaluate the mechanical stresses occurring in a resonant-frequency pressure sensor and to investigate their impact on the sensor frequency characteristics. The stress-strain state numerical modeling of a membrane under static pressure and subject to a temperature field (from –50 to +85 °C) was performed by the finite element method. The authors also studied the natural frequencies of resonators with various configurations, located above the membrane and consisted of a layered composite structure based on titanium and aluminum oxide. Through the obtained results, the design solutions were proposed. They were to compensate for thermal deformations of the resonators. The temperature field influence on their frequency characteristics was reduced and, therefore, the overall error of the developed sensor was also decreased. The proposed design solutions allow reducing thermal stress in composite resonators to 9 % of the original value at ceramic membrane use. Modifying the resonator cross-section let reduce thermal stress by 58 %. The sensitive element total error, expressed as the temperature frequency coefficient, has been reduced from 2620–2770 to 500 ppm/°C.
При проектировании микродатчиков одна из важнейших задач – оценка температурных погрешностей и разработка способов их уменьшения. В работе исследовано температурное влияние на характеристики резонансно-частотного микроэлектромеханического датчика давления. Проведена численная оценка механических напряжений, возникающих в резонансно-частотном преобразователе давления. Исследовано их влияние на частотные характеристики датчика. Методом конечных элементов проведено численное моделирование напряженно-дефор-мированного состояния мембраны под действием статического давления и температурного поля в диапазоне –50…+85 °С. Проанализированы собственные частоты расположенных над мембраной резонаторов с разной конфигурацией, представляющих собой слоистую композитную структуру на основе титана и оксида алюминия. Предложены конструктивные решения, позволяющие компенсировать тепловые деформации резонаторов. Показано, что влияние температурного поля на частотные характеристики резонаторов снижено и, как следствие, уменьшена суммарная погрешность разрабатываемого датчика. Предложенные конструктивные решения позволили снизить температурные напряжения в композитных резонаторах до 9 % от первоначального значения при использовании керамической мембраны. Модификация сечения резонаторов позволила снизить температурные напряжения дополнительно на 58 %. В соответствии с этим суммарная погрешность чувствительного элемента, выраженная в виде температурного коэффициента частоты, уменьшилась с 2620–2770 ppm/°C до значений, не превышающих 500 ppm/°C.