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(dòng)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(duì)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(dāng)分類為壓電或壓阻的壓電材料受到應(yīng)力和/或應(yīng)變時(shí),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(cè)量材料是否在施加的載荷下機(jī)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(cè)量石英晶振結(jié)構(gòu)的某些部分是否因過(guò)大的應(yīng)力而變形.設(shè)計(jì)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(jī).除傳感器應(yīng)用外,壓阻材料的另一個(gè)主要應(yīng)用是壓阻式電阻器.
壓電材料
壓電材料通過(guò)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(gè)主要特征是它是可逆的.因此,當(dāng)從材料釋放應(yīng)力時(shí),電荷停止.但是,這可以反過(guò)來(lái).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?yàn)榇蠖鄶?shù)材料是固態(tài)無(wú)機(jī)材料,其中原子石英晶體晶格是有序陽(yáng)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(qǐng)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(yáng)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(duì)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(wú)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(qiáng)度顯著低于它們的無(wú)機(jī)對(duì)應(yīng)物.

壓電材料的特定對(duì)稱性是其機(jī)制如何工作的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素.有32種不同的晶振幾何形狀-也稱為點(diǎn)組-晶體可以表現(xiàn)出來(lái).壓電材料本質(zhì)上是非中心對(duì)稱的,這意味著它們?cè)诰Ц駜?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(duì)稱性要求,有20個(gè)可行的非中心對(duì)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(duì)稱是重要的,因?yàn)樵诰Ц駜?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(dòng)的具有大的有效電荷的離子.產(chǎn)生電荷的機(jī)制包括這些不同的晶體學(xué)方面.當(dāng)對(duì)材料施加應(yīng)力時(shí),帶相反電荷的離子從它們的正常取向移動(dòng),使得它們?cè)诰Ц駜?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(chǎng).雖然效果發(fā)生在格子內(nèi),電荷不平衡的影響遍布整個(gè)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(fù)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(dāng)去除壓力刺激時(shí),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(guò)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(wú)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(shí)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(jià)帶之間具有寬帶隙,因此需要大的能量輸入來(lái)移動(dòng)電子.相比之下,金屬中的價(jià)帶和導(dǎo)帶重疊并且是金屬導(dǎo)電的原因-因?yàn)樗闺娮幽軌蛞宰钚〉哪芰空系K物流到導(dǎo)帶.雖然半導(dǎo)體的帶隙不重疊,但是價(jià)帶和導(dǎo)帶的能級(jí)非常接近.它只需要一點(diǎn)點(diǎn)能量輸入-通常是熱量-以促進(jìn)電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶的移動(dòng).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(jì).

因?yàn)閴鹤枧c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(dāng)壓阻材料中的離子受到應(yīng)變時(shí),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(jìn)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(jī)械力下原子會(huì)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(zhǎng)的,則大多數(shù)原子將彼此遠(yuǎn)離地?cái)U(kuò)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(gè)額外的距離會(huì)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?yàn)殡娮釉陔x子之間通過(guò)所需的能量減少了.因?yàn)樵撟兓婕熬Ц裰须x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(jī)械力下如何變化中起作用.
結(jié)論
當(dāng)施加機(jī)械應(yīng)力時(shí),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(jī)制和性質(zhì)變化是不同的.對(duì)于壓電材料,壓電石英晶體晶格上的應(yīng)力通過(guò)在材料內(nèi)引起電荷不平衡而使電荷通過(guò)通常為絕緣材料的電荷;然而,通過(guò)使晶格變形和改變導(dǎo)電/半導(dǎo)電材料的帶隙來(lái)改變壓阻材料的電阻率.

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