热释电探测器简介

热释电探测器简介作者：L.GCatalogue1、热释电效应的历史和发展2、热释电效应原理3、热释电材料4、热释电探测器构造和工作原理5、热释电探测器特点6、热释电探测器的应用7、未来发展趋势1、热释电效应（探测器）的历史和发展早在公元前315年，古希腊学者在《论石头》一书曾有这样的叙述：电气石不仅能吸引麦桔屑和小木片，而且也能吸引铜或铁的薄片。这可能是有关热释电现象的最早记录。到l9世纪末，关于热释电效应定量的和理论的研究开始增多。2O世纪6O年代，激光和红外技术的发展，促进了热释电效应及其应用的研究，至今发现和改进了系列重要的热释电材料，研制出了性能优良的热释电探测器和热释电摄像管等器件。目前，研究热释电效应是固体物理中活跃的研究领域之一，热释电效应在许多方面得到广泛应用。成品实物图2、热释电效应原理热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。热释电材料晶体内正、负电荷中心并不重合，晶体原子具有一定电矩；也就是说晶体本身具有自发极化特性。但介质中的电偶极子排列杂乱,宏观不显极性。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①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。②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。热释电材料单畴极化(外加电场)介质材料中存在不同的电偶极矩，由于分子间正负电荷中心不重合而产生的偶极矩称固有电偶极矩。热释电效应只能发生在不具有中心对称的晶体材料中。热释电材料同普通的热电材料不同，它们有自极化效应，即使在没有外电场的情况下，也存在电偶极矩。热释电材料当温度不变时，晶体表面的电荷被来自外部的自由电荷中和。晶体温度变化越大，极化强度变化就越大，表示大量的电荷聚集在电极。++++++++++++++++++++--------------------------自由电荷束缚电荷++++++++++++++++++++---------------------------+3、热释电材料铁电体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系如图所示，随着温度的升高，极化强度减低，当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”。在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数。其常用的材料有：单晶(LiNbO3LiTaO3等)、压电陶瓷（PZT等）高分子薄膜（PVFZ等）当晶体的温度Ｔ均匀变化时，晶体的自发极化强度矢量Pi随之变化dTPdPii•Pi是热释电系数，是一个矢量，大多数晶体的自发极化随温度增加而下降。•热释电系数为负值，温度升高，热运动倾向于干扰晶体中电矩的有序取向，使固有极化强度减小。3.1、热释电系数3.2、常见热释电（材料）系数4、热释电探测器构造和工作原理图（a）所示的面电极结构中，电极置于热释电晶体的前后表面上,其中一个电极位于光敏面内。这种电极结构的电极面积较大，极间距离较二热释电探测器的电路连接少，因而极间电容较大，故其不适于高速应用。图（b）所示的边电极结构中，电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距较大，电极面积较小，因此极间电容较小。由于热释电器件的响应速度受极间电容的限制，因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。4.1结构图热释电传感器内部结构图如图1所示。光线从(1)窗进入，经过(2)滤光片到达(3)热释电元件，从而产生电信号，电信号经过(4)引线输出。图1.结构内部图图2.结构外部图4.2、热释电探测器的输出电流4.3、热释电探测器的输出电压当沿着垂直于Ps的方向将晶体切成薄片，并在表面淀积金属电极时，随着温度的变化，两电极间就会出现一个与热释电系数和温度变化速率成正比的电压5、热释电探测器特点6、热释电探测器的应用光辐射的光谱范围:紫外光波段:0.1—0.38um可见光波段:0.38—0.78um红外光波段:0.78—300um人体皮肤温度在37℃时，大约有32％辐射能量在8-12um波段范围，仅有1％的辐射能量在3.2um波段内。人体辐射探测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。目前应用最多的是检测人的传感器。广泛用于防盗报警系统、房间自助开灯控制、自动门和其它安全及自动化装置中。国外有把热释电传感器安装在售货机上，有人接近时机器可以语音告知。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，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，经检测处理后就能产生报警信号。菲涅耳滤光片：由一组透镜组成。当人体从一个单元视场进出一次，敏感源的红外辐射也接受一次，温度变化一次，从而输出相应的信号。连续的走动，便产生连续的脉冲信号，形成连续的“报警信号”。7、未来发展趋势近年来发展了快速热释电器件。快速热释电器件一般都设计成同轴结构，将光敏元置于阻抗为50Ω的同轴线的一端，采用面电极结构时，时间常数可达到1ns左右，采用边电极结构时，时间常数可降至几个ps。1、新型材料和处理技术的发展（提高探测率，响应波长）3、热释电红外传感器的大型化和多功能（家庭自动化、大面积安全监视）2、传感器的智能化（内置未处理器）