与许多电子领域一样,化学是压电材料如何工作的基本驱动因素.在压电材料中,原子水平上晶体结构的诱导变化决定了它们的功能.对压电材料施加的应力和/或压力导致晶体结构中的变形,这引起跨越材料的电流的变化.当分类为压电或压阻的压电材料受到应力和/或应变时,电荷或电阻率(分别)发生变化.
尽管压电材料比压电电阻器具有更广泛的应用范围,但两种类型的压电材料在传感器应用中都非常有用,即应力/应变传感器可以测量材料是否在施加的载荷下机械变形.这些传感器在基于结构的应用中至关重要,可以测量石英晶振结构的某些部分是否因过大的应力而变形.设计人员还使用压电材料作为功率传感器,执行器,导电粘合剂和密封剂,高压电源和压电电机.除传感器应用外,压阻材料的另一个主要应用是压阻式电阻器.
压电材料
压电材料通过使用压电效应的原理起作用.压电效应是在施加的应力下产生电荷.压电性的一个主要特征是它是可逆的.因此,当从材料释放应力时,电荷停止.但是,这可以反过来.除了引起电荷的应力之外,如果向压电材料施加电荷,则其原子结构将变形并在材料上引起应力.
在原子水平上重新排列固态晶格内的离子产生压电性.因为大多数材料是固态无机材料,其中原子石英晶体晶格是有序阳离子和阴离子的规则且重复的阵列,所以这种规则原子图案的变形产生电荷.请注意,材料的总电荷是中性的,因此它将在晶格内包含相同数量的阳离子和阴离子-不考虑固态晶格中可能发生的自然缺陷.
压电性在许多绝缘材料中起作用,特别是那些具有单位晶胞的绝缘材料-即晶格的基本构件-具有特定的对称性.这些材料的例子包括:
•天然和合成水晶
•合成陶瓷
•III-V族和II-VI族半导体
•各种其他金属氧化物配合物
聚合物是一种偏离高度有序的固态晶格结构的材料.一些聚合物本质上更结晶而不是无定形.这意味着一些聚合物可以产生压电电荷;然而,电荷的强度显着低于它们的无机对应物.

压电材料的特定对称性是其机制如何工作的关键驱动因素.有32种不同的晶振几何形状-也称为点组-晶体可以表现出来.压电材料本质上是非中心对称的,这意味着它们在晶格内缺少反转中心.因此,压电材料仅具有一定数量的适用晶格类型.鉴于对称性要求,有20个可行的非中心对称晶格,这意味着只有某些材料才能产生压电电流.
材料的晶格对称是重要的,因为在晶格内诱导宏观极化产生电荷,并且这只能在这些特定的晶格条件下发生.然而,这通常不足以在其自身中产生大的压电效应并且需要材料也具有可以在晶格应变下移动的具有大的有效电荷的离子.产生电荷的机制包括这些不同的晶体学方面.当对材料施加应力时,带相反电荷的离子从它们的正常取向移动,使得它们在晶格内彼此更靠近.这改变了晶格内的电荷平衡并引起外部电场.虽然效果发生在格子内,电荷不平衡的影响遍布整个材料.结果,在压电石英晶体的外表面上出现净电荷-正电荷或负电荷.然后,这在带相反电荷的晶面上产生电压,该电压是压电性的.当去除压力刺激时,晶格返回其自然状态,并且电压减小.
压阻材料
压阻材料与压电材料类似但不同.压阻材料通过使用压阻效应的原理起作用.与压电效应一样,压阻效应是在施加应力下的变化;然而,压阻效应中的晶格变形导致材料电阻率的变化.压阻效应仅在以某种方式导电的材料中发生,无论是高导电材料如金属还是半导体材料.
导电材料是实现压阻材料的基础.压阻效应部分依赖于改变材料的带隙以改变其电阻率/绝缘性能.绝缘材料在其电子能带结构中的导带和价带之间具有宽带隙,因此需要大的能量输入来移动电子.相比之下,金属中的价带和导带重叠并且是金属导电的原因-因为它使电子能够以最小的能量障碍物流到导带.虽然半导体的带隙不重叠,但是价带和导带的能级非常接近.它只需要一点点能量输入-通常是热量-以促进电子从价带到导带的移动.存在电阻率降低的情况,但带隙的减少不是显着的.虽然在这些情况下带隙的变化足以使许多半导体和金属更具导电性,但绝缘材料的影响可以忽略不计.

因为压阻与改变电子带隙的影响有关,所以需要具有零或非常小的带隙的材料.当压阻材料中的离子受到应变时,离子之间的原子间距离改变,这改变了材料的电阻率.压阻的变化可以双向进行,并使材料采用更大或更小的阻力.压阻率的变化是否使材料采用更大或更小的阻力取决于在施加的机械力下原子会发生什么.
电阻率的具体变化取决于施加到材料上的应力的类型.如果材料是应变/拉长的,则大多数原子将彼此远离地扩散.由于带隙由贴片晶振晶格中离子之间的间距控制,因此这个额外的距离会加宽带隙并降低电阻率.另一方面,如果材料受到压缩力,则晶格中的离子将靠近在一起.这降低了电阻率,因为电子在离子之间通过所需的能量减少了.因为该变化涉及晶格中离子之间的距离,所以晶格的几何形状也可以在电阻率在所施加的机械力下如何变化中起作用.
结论
当施加机械应力时,压电和压阻材料的电子特性发生变化.尽管两种材料的刺激是相同的,但内部机制和性质变化是不同的.对于压电材料,压电石英晶体晶格上的应力通过在材料内引起电荷不平衡而使电荷通过通常为绝缘材料的电荷;然而,通过使晶格变形和改变导电/半导电材料的带隙来改变压阻材料的电阻率.

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