热释电材料及其原理电子教案.ppt

6.3 热释电材料热释电材料一一 热释电效应热释电效应在自发极化晶体中，当晶体受热或者冷却后，由于在自发极化晶体中，当晶体受热或者冷却后，由于温度变化温度变化导致自发极化强度变化，而在晶体某一个方向产生表面极化导致自发极化强度变化，而在晶体某一个方向产生表面极化电荷，这一现象称为电荷，这一现象称为热释电效应热释电效应热释电效应热释电效应定义定义 某些晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷，某些晶体可以因温度变化而引起晶体表面电荷，这一现象称为这一现象称为热释电效应热释电效应 P=p T 当外加电场施加于热释电晶体时当外加电场施加于热释电晶体时,电场的改变会引起晶体电场的改变会引起晶体温度变化温度变化,这种现象称为这种现象称为电卡效应电卡效应压电、热释电和铁电效应的关系压电、热释电和铁电效应的关系 20种结构的晶体，在压力作用下可产生极化现象，此即种结构的晶体，在压力作用下可产生极化现象，此即压压电效应。电效应。10种结构晶体均存在自发极化。当晶体温度改变时，从而种结构晶体均存在自发极化。当晶体温度改变时，从而使晶体表面出现束缚电荷，此即使晶体表面出现束缚电荷，此即热释电效应热释电效应；自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向，此即自发极化强度矢量在电场作用下会改变方向，此即铁电效铁电效应应自发极化晶体自发极化晶体无外电场无外电场有外电场有外电场热诱导的电偶极子在平衡轴附近的随机摆动热释电材料的温度升高，电偶极子剧烈的摆动，平均自发极化降低，感生电荷的量也减少热释电材料被冷却，电偶极子更小的角度范围内摆动，自发极化将增强，感生电荷的量也增加热释电材料基于热诱导的电偶极子在平衡轴附近的随机摆动，其大小随着温度变化的增加而变大。在室温下的热摆动，热释电材料电偶极子将会在一定程度内在其各自的对称轴上随机摆动。在某一确定的温度下，电偶极子自发极化形成的总的平均强度是不变的，因此，热释电没有输出。当热释电材料的温度升高，温度的增加将导致电偶极子在各自的对称轴附近更加剧烈的摆动。由于摆角的增加，总的平均自发极化降低了。于是电极上感生电荷的量减少，从而产生了电子的流动。如果热释电材料被冷却而不是被加热，由于较低的热激活能，电偶极子在更小的角度范围内摆动，自发极化将增强。相应的电极上感生电荷的量也增加。能产生热释电效应的晶体称之为热释电体能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有：或热释电元件，其常用的材料有：l单晶单晶(LiNbO3 LiTaO3 等等)、l压电陶瓷（压电陶瓷（PZT等）等）l高分子薄膜（高分子薄膜（PVFZ等）等）二二 热释电材料种类热释电材料种类热释电效应的强弱由热释电系数来表示。假设这个晶体的温度均匀地改变了一个小量dT，则极化强度P的改变为：三三 热热释电系数释电系数 p热释电系数对热释电材料性能的评价，通常采用下面两个参数对热释电材料性能的评价，通常采用下面两个参数:l电压响应优值：l探测度优值：p为热释电系数；C为材料体积热容由上公式看出：选择制作热释电的材料时，要求：由上公式看出：选择制作热释电的材料时，要求：具有较大的热释电系数，较低的介电常数，介电损耗和热容具有较大的热释电系数，较低的介电常数，介电损耗和热容民用：民用：可用作机械和工业生产过程可用作机械和工业生产过程监控监控、安全监、安全监视、防火报警、非接触式快速视、防火报警、非接触式快速测温测温、红外、红外热成像热成像、变频空调自动控制、车辆及飞枧的自动驾驶辅助变频空调自动控制、车辆及飞枧的自动驾驶辅助装置、疲物及污染物检测和医疗诊断等。装置、疲物及污染物检测和医疗诊断等。四、四、热释电材料应用热释电材料应用军事军事：用：用热释电靶热释电靶代替光电导靶的热释电摄像代替光电导靶的热释电摄像器件，可用于空中与地面器件，可用于空中与地面侦察、入侵报警、战侦察、入侵报警、战地观察、火情观测、医用热成像、环境污染监地观察、火情观测、医用热成像、环境污染监视视以及其他领域。以及其他领域。光辐射的光谱范围光辐射的光谱范围:紫外光波段紫外光波段:0.10.38um可见光波段可见光波段:0.380.78um红外光波段红外光波段:0.78300uml热释电红外传感器热释电红外传感器人体皮肤温度在人体皮肤温度在3737时，大约有时，大约有3232辐射能量辐射能量在在8-12um8-12um波段波段范围，仅有范围，仅有1 1的辐射能量在的辐射能量在3.2um3.2um波段内。波段内。人体辐射探测人体辐射探测常是安全和军事常是安全和军事信息的重要任务，在医学诊断上也有重要价值。信息的重要任务，在医学诊断上也有重要价值。当人体进入检测区，人体都有恒定的体温，一般当人体进入检测区，人体都有恒定的体温，一般在在3737度左右，会发出度左右，会发出10m10m左右特定波长左右特定波长的红外线，的红外线，红外人体探测传感器就是靠探测人体发射的红外红外人体探测传感器就是靠探测人体发射的红外线而进行。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集线而进行。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到到热释电元件热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经检变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经检测处理后就能产生测处理后就能产生报警信号报警信号。