與許多電子領(lǐng)域一樣,化學(xué)是壓電材料如何工作的基本驅(qū)動因素.在壓電材料中,原子水平上晶體結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)變化決定了它們的功能.對壓電材料施加的應(yīng)力和/或壓力導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)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(yīng)力和/或應(yīng)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(yīng)用范圍,但兩種類型的壓電材料在傳感器應(yīng)用中都非常有用,即應(yīng)力/應(yīng)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(jié)構(gòu)的應(yīng)用中至關(guān)重要,可以測量石英晶振結(jié)構(gòu)的某些部分是否因過大的應(yīng)力而變形.設(shè)計人員還使用壓電材料作為功率傳感器,執(zhí)行器,導(dǎo)電粘合劑和密封劑,高壓電源和壓電電機.除傳感器應(yīng)用外,壓阻材料的另一個主要應(yīng)用是壓阻式電阻器.
壓電材料
壓電材料通過使用壓電效應(yīng)的原理起作用.壓電效應(yīng)是在施加的應(yīng)力下產(chǎn)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(yīng)力時,電荷停止.但是,這可以反過來.除了引起電荷的應(yīng)力之外,如果向壓電材料施加電荷,則其原子結(jié)構(gòu)將變形并在材料上引起應(yīng)力.
在原子水平上重新排列固態(tài)晶格內(nèi)的離子產(chǎn)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(fù)的陣列,所以這種規(guī)則原子圖案的變形產(chǎn)生電荷.請注意,材料的總電荷是中性的,因此它將在晶格內(nèi)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(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的材料.一些聚合物本質(zhì)上更結(jié)晶而不是無定形.這意味著一些聚合物可以產(chǎn)生壓電電荷;然而,電荷的強度顯著低于它們的無機對應(yīng)物.

壓電材料的特定對稱性是其機制如何工作的關(guān)鍵驅(qū)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(zhì)上是非中心對稱的,這意味著它們在晶格內(nèi)缺少反轉(zhuǎn)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(chǎn)生壓電電流.
材料的晶格對稱是重要的,因為在晶格內(nèi)誘導(dǎo)宏觀極化產(chǎn)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(chǎn)生大的壓電效應(yīng)并且需要材料也具有可以在晶格應(yīng)變下移動的具有大的有效電荷的離子.產(chǎn)生電荷的機制包括這些不同的晶體學(xué)方面.當對材料施加應(yīng)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(nèi)彼此更靠近.這改變了晶格內(nèi)的電荷平衡并引起外部電場.雖然效果發(fā)生在格子內(nèi),電荷不平衡的影響遍布整個材料.結(jié)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(chǎn)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(yīng)的原理起作用.與壓電效應(yīng)一樣,壓阻效應(yīng)是在施加應(yīng)力下的變化;然而,壓阻效應(yīng)中的晶格變形導(dǎo)致材料電阻率的變化.壓阻效應(yīng)僅在以某種方式導(dǎo)電的材料中發(fā)生,無論是高導(dǎo)電材料如金屬還是半導(dǎo)體材料.
導(dǎo)電材料是實現(xiàn)壓阻材料的基礎(chǔ).壓阻效應(yīng)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(jié)構(gòu)中的導(dǎo)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(dǎo)帶重疊并且是金屬導(dǎo)電的原因-因為它使電子能夠以最小的能量障礙物流到導(dǎo)帶.雖然半導(dǎo)體的帶隙不重疊,但是價帶和導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體和金屬更具導(dǎo)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(guān),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(yīng)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(yīng)力的類型.如果材料是應(yīng)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(jié)論
當施加機械應(yīng)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(nèi)部機制和性質(zhì)變化是不同的.對于壓電材料,壓電石英晶體晶格上的應(yīng)力通過在材料內(nèi)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(dǎo)電/半導(dǎo)電材料的帶隙來改變壓阻材料的電阻率.

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