Effect of local mechanical stress on piezoelectric pressure sensors for ship automation systems

Abstract

В статье рассматриваются проблемы прочности и надёжности чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков давления, являющихся важной частью систем автоматизации судна. Экспериментально исследуются изменения микроструктуры пьезоэлектрических материалов на примере монокристаллического сегнетоэлектрика BaTiO3 в поле неоднородных механических напряжений. Экспериментальная установка позволила при помощи оптического микроскопа в поляризованном свете «на просвет» производить наблюдения образцов непосредственно под механической нагрузкой. Рассмотрены условия появления пластических деформаций и появления микротрещин, приводящих к разрушению элемента. Определена роль в указанных процессах изменений доменной структуры кристаллов, а именно 90-градусных доменных переориентаций, происходящих в поле локальной механической нагрузки. Экспериментальные результаты полностью согласуются с теоретическими расчётами распределения полей напряжений под локальной механической нагрузкой. Сделан вывод о значении локальных механических воздействий на чувствительный элемент, нарушающих его правильную работу. The article deals with the problems of strength and reliability of the sensitive elements of piezoelectric pressure sensors. They are an important part of ship automation systems. Changes in the microstructure of piezoelectric materials are experimentally investigated using the example of a single-crystal ferroelectric BaTiO3 in the field of non-uniform mechanical stresses. The experimental setup with a polarized light microscope in transmission regime allowed to make observations of samples directly under mechanical load. The conditions for the appearance of plastic deformations and the appearance of microcracks leading to the destruction of the element are considered. The role of changes in the domain structure of crystals in these processes is determined. Specifically, 90-degree domain reorientations that occur in the field of local mechanical load are studied. The experimental results are in full agreement with the theoretical calculations of the distribution of stress fields under local mechanical load. The conclusion is made about the values of local mechanical influences on the sensitive element that violate its proper operation.