與許多電子領域一樣,化學是壓電材料如何工作的基本驅動因素.在壓電材料中,原子水平上晶體結構的誘導變化決定了它們的功能.對壓電材料施加的應力和/或壓力導致晶體結構中的變形,這引起跨越材料的電流的變化.當分類為壓電或壓阻的壓電材料受到應力和/或應變時,電荷或電阻率(分別)發(fā)生變化.
盡管壓電材料比壓電電阻器具有更廣泛的應用范圍,但兩種類型的壓電材料在傳感器應用中都非常有用,即應力/應變傳感器可以測量材料是否在施加的載荷下機械變形.這些傳感器在基于結構的應用中至關重要,可以測量石英晶振結構的某些部分是否因過大的應力而變形.設計人員還使用壓電材料作為功率傳感器,執(zhí)行器,導電粘合劑和密封劑,高壓電源和壓電電機.除傳感器應用外,壓阻材料的另一個主要應用是壓阻式電阻器.
壓電材料
壓電材料通過使用壓電效應的原理起作用.壓電效應是在施加的應力下產生電荷.壓電性的一個主要特征是它是可逆的.因此,當從材料釋放應力時,電荷停止.但是,這可以反過來.除了引起電荷的應力之外,如果向壓電材料施加電荷,則其原子結構將變形并在材料上引起應力.
在原子水平上重新排列固態(tài)晶格內的離子產生壓電性.因為大多數(shù)材料是固態(tài)無機材料,其中原子石英晶體晶格是有序陽離子和陰離子的規(guī)則且重復的陣列,所以這種規(guī)則原子圖案的變形產生電荷.請注意,材料的總電荷是中性的,因此它將在晶格內包含相同數(shù)量的陽離子和陰離子-不考慮固態(tài)晶格中可能發(fā)生的自然缺陷.
壓電性在許多絕緣材料中起作用,特別是那些具有單位晶胞的絕緣材料-即晶格的基本構件-具有特定的對稱性.這些材料的例子包括:
•天然和合成水晶
•合成陶瓷
•III-V族和II-VI族半導體
•各種其他金屬氧化物配合物
聚合物是一種偏離高度有序的固態(tài)晶格結構的材料.一些聚合物本質上更結晶而不是無定形.這意味著一些聚合物可以產生壓電電荷;然而,電荷的強度顯著低于它們的無機對應物.

壓電材料的特定對稱性是其機制如何工作的關鍵驅動因素.有32種不同的晶振幾何形狀-也稱為點組-晶體可以表現(xiàn)出來.壓電材料本質上是非中心對稱的,這意味著它們在晶格內缺少反轉中心.因此,壓電材料僅具有一定數(shù)量的適用晶格類型.鑒于對稱性要求,有20個可行的非中心對稱晶格,這意味著只有某些材料才能產生壓電電流.
材料的晶格對稱是重要的,因為在晶格內誘導宏觀極化產生電荷,并且這只能在這些特定的晶格條件下發(fā)生.然而,這通常不足以在其自身中產生大的壓電效應并且需要材料也具有可以在晶格應變下移動的具有大的有效電荷的離子.產生電荷的機制包括這些不同的晶體學方面.當對材料施加應力時,帶相反電荷的離子從它們的正常取向移動,使得它們在晶格內彼此更靠近.這改變了晶格內的電荷平衡并引起外部電場.雖然效果發(fā)生在格子內,電荷不平衡的影響遍布整個材料.結果,在壓電石英晶體的外表面上出現(xiàn)凈電荷-正電荷或負電荷.然后,這在帶相反電荷的晶面上產生電壓,該電壓是壓電性的.當去除壓力刺激時,晶格返回其自然狀態(tài),并且電壓減小.
壓阻材料
壓阻材料與壓電材料類似但不同.壓阻材料通過使用壓阻效應的原理起作用.與壓電效應一樣,壓阻效應是在施加應力下的變化;然而,壓阻效應中的晶格變形導致材料電阻率的變化.壓阻效應僅在以某種方式導電的材料中發(fā)生,無論是高導電材料如金屬還是半導體材料.
導電材料是實現(xiàn)壓阻材料的基礎.壓阻效應部分依賴于改變材料的帶隙以改變其電阻率/絕緣性能.絕緣材料在其電子能帶結構中的導帶和價帶之間具有寬帶隙,因此需要大的能量輸入來移動電子.相比之下,金屬中的價帶和導帶重疊并且是金屬導電的原因-因為它使電子能夠以最小的能量障礙物流到導帶.雖然半導體的帶隙不重疊,但是價帶和導帶的能級非常接近.它只需要一點點能量輸入-通常是熱量-以促進電子從價帶到導帶的移動.存在電阻率降低的情況,但帶隙的減少不是顯著的.雖然在這些情況下帶隙的變化足以使許多半導體和金屬更具導電性,但絕緣材料的影響可以忽略不計.

因為壓阻與改變電子帶隙的影響有關,所以需要具有零或非常小的帶隙的材料.當壓阻材料中的離子受到應變時,離子之間的原子間距離改變,這改變了材料的電阻率.壓阻的變化可以雙向進行,并使材料采用更大或更小的阻力.壓阻率的變化是否使材料采用更大或更小的阻力取決于在施加的機械力下原子會發(fā)生什么.
電阻率的具體變化取決于施加到材料上的應力的類型.如果材料是應變/拉長的,則大多數(shù)原子將彼此遠離地擴散.由于帶隙由貼片晶振晶格中離子之間的間距控制,因此這個額外的距離會加寬帶隙并降低電阻率.另一方面,如果材料受到壓縮力,則晶格中的離子將靠近在一起.這降低了電阻率,因為電子在離子之間通過所需的能量減少了.因為該變化涉及晶格中離子之間的距離,所以晶格的幾何形狀也可以在電阻率在所施加的機械力下如何變化中起作用.
結論
當施加機械應力時,壓電和壓阻材料的電子特性發(fā)生變化.盡管兩種材料的刺激是相同的,但內部機制和性質變化是不同的.對于壓電材料,壓電石英晶體晶格上的應力通過在材料內引起電荷不平衡而使電荷通過通常為絕緣材料的電荷;然而,通過使晶格變形和改變導電/半導電材料的帶隙來改變壓阻材料的電阻率.

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