热释电效应及应用

热释电效应及应用

XXX学号：XXXXXXX

【摘要】本文从热释电的起源谈起，重点说明了热释电效应、热释电测温原

理，以及讨论了热释电效应的两种应用一一热释电探测器和热释电传感器。

又说明了热释电探测器的性能参数以及热释电探测器目前和未来的应用。

关键字：热释电热释电效应热释电探测器热释电传感器热释电材料

1、热释电效应的起源

早在公元前315年，古希腊学者在《论石头》一书曾有这样的表达：电气石不仅能吸

引麦秸屑和小木片，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。

具有自发极化的物体，当它的温度发生变化时会产生过剩的外表热释电电荷。这种热

释电效应与熟知的温差电效应不同。温差电效应是由于电偶两端的温度不同引起电动势。

面热释电效应是由于某些电介质的自发极化随温度变化产生的。热释电效应只对温度的变

化率有响应。使物体温度发生变化的热交换方式有传导、对流和辐射，但经常使用的是辐

射加热方式使热释电材料升温，所以热释电效应的主要应用是制作红外探测器，又称辐射

传感器。这类探测器是以光一一热一一电转换方式来检测电磁辐射，所以是一种热敏感型

器件。

2、热释电效应

对于各项异性晶体，晶体存在着固有的自发电极化。晶体的温度发生变化时，晶体的自发

极化强度也随之改变，与极化强度方向垂直的晶体外表就会产生热释电电荷。

&7电曲

Leeeee

-GaaB

eeeee

O⑥G⑥◎

热干窗条伸；IK)击度欠化0成极化7*A7IK|

任】端开电我N的始成他可

宏观上是温度的改变是在材料的两端出现电压或产生电流。但是，通常情况下这类晶

体并不显出外电场因为假设这种材料是导体，那么它的自由电荷分布将与内电矩相抵消；

如果这种材料是绝缘体，那么杂散电荷被吸引而趋附在外表直到与极化引起的外表电荷相

抵消，当晶体的温度变化比拟快而内部的或外界的电荷来不及补偿热释电电荷，这时会显

出外电场这种晶体随温度变化而产生电荷的现象称为热释电效应。

3、热释电材料

热释电材料首先是一种电介质，是绝缘体。它是一种对称性很差的压电晶体，由于分

子间正负电荷中心不重合而产生的自发电极化即固有电偶极矩。在垂直电极化矢量Ps方向

的材料外表就会产生束缚电荷，面电荷密度Os=|Ps|.由于晶体内部自发电极化矢量混乱因

而总的并不大区，和杂散电荷被吸引而趋附在外表直到与极化引起的外表电荷相抵消不会

发觉到电荷。假设对热电体施加直流电场，自发电极化矢量将趋于一致排列，总的Ps加大,

当电场去掉后Ps仍能保持，这种热电体称热电-铁电体。是实现热释电现象的理想材料。

热释电材料吸收外部辐射，温度升高，产生电偶极矩的变化，然后产生电流，所产生

的电流大小与晶体的温度变化率成正比。热释电探测器探测的是引起温度变化的辐射。且

热释电材料温度单一变化时，偶极子之间的距离和链角发生变化，使极化强度发生变化，

极化强度的大小等于单位体积的偶极矩，它与出现在晶体电极外表单位面积内的而电荷成

正比。当晶体温度不变时，晶体外表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。电流为单位时间电荷的变化，所

以，当热释电材料温度单一变化的时候便产生电流。假设dt时间内，热释电材料吸收热辐

射，温度变化dZkT,极化强度变化dP,那么材料单位面积产生的电流可表为

dP/d^T称热电系数，用P表示。d^T/dt为温度变化率。热释电材料的自极化强度与

温度有关。

4、热释电测温原理

热释电效应最初是在一种天然宝石晶体中发现的，以后相继发现了经过人工极化的铁

电单晶、铁电陶瓷和聚合物驻极体，它们都具有热释电性。常用的热释电材料有TGS、

LiTaO3>LiNbCh等单晶，PbTiCH、PZT等陶瓷和聚偏氟乙烯等薄膜做成的驻极体。

图l.a示出了经过人工极化电场E作用后的铁电单晶，其中每个晶胞的自发极化电偶

极矩都保持了规则的排列，使晶体的内部产生持久的非零极化强度P。。图中的小箭头说

明了P的取向，它与原来的极化电场E同向，这和经过人工磁化的永久磁铁有点类似。其

不同之处在于P的端面的电场将吸引周围或晶体内部的异性电荷，直到这些电荷将P的电

场完全屏蔽为止，参见图La中的正、负号。屏蔽电荷可以存在于晶体外表层，也可以存

在于晶体外表的电极上。在平衡状态下，屏蔽电荷的面密度q=P。由于P是温度的函数，

一般说来当温度T增高时，持久极化强度P减小。当温度变化时引起P值改变，使多余的

屏蔽电荷被释放出来，这便是热释电效应。称比值aP/4T=△q/^T二P为热电系数。热通

常在较小的温度范围内，系数P是个固定的、与材料有关的常数。对于较好的热释电材料,

当A=lcm2时，每变化10-3U所放出的电荷约为10-11库仑。由于电荷的测量口J精确到10-14

库仑，故利用热释电效应测温，具有极高的灵敏度。但这时测出的是温度的变化值而

图1热彩电体

不是绝对值To

对于理想的热释电铁电晶体，热释电效应的响应时间很快。假设时间t=0,样品的温

度有阶跃式的突变△T,那么极化强度的变化值^P在微秒级的时间内就能到达稳定值△Po.

5、热释电效应的应用

①、热释电探测器

利用热释电材料的自发极化强度随温度而变化的效应制成的一种热敏型红外探

测器。由于热释电探测器具有室温工作、本钱低廉、光谱响应宽等优点，目前已得到

了广泛的应用。其单元探测器已应用于红外测温、红外报警、气体分析、光甯学、激

光测量以及卫星仪器等诸多方面。

热释电探测器在红外器件领域中占有十分重要的位置。它除了具备经典热探测器（例如

热敏电阻，热电偶或热电堆）的共同优点:室温工作，宽光谱响应之外，还具有灵敏度较高,

响应速度快的优点。尤其是响应速度快在许多应用场合是必不可少的要求。热释电探测器

之所以比经典热探测器响应速度快是由于它的响应正比于晶体温度的变化速率，而经典热

探测器的响应正比于升高的温度值。从理论上讲，热释电探测器的响应速度可以做到小于

毫微秒量级，但往往要以牺牲灵敏度做代价。近来随着热释电前放电路研究的不断进展，

通过电路的改良，做到不损失灵敏度或尽可能少损失灵敏度就能获得较高的响应速度。因

比，但凡可以使用经典热探测器的场合都可以应用热释电探测器，而许多要求响应速度快,

经典热探测器不能胜任的场合，例如激光探测方面又必须使用热释电探测器。可以说热释

电探测器是热探测器中的佼佼者，它有可能逐渐以致最后完全取代经典热探测器。

热释电探测器与量子探测器相比，量子探测器具有灵敏度高、响应速度快的优点，这

是热释电探测器望尘莫及的。但是量子探测器响应的光谱波段窄，需要致冷，价格昂货，

且不易制作大而积器件。它的这些缺点正好与前面谈及的热释电探测器的许多优点相对应,

而且热释电探测器容易制作成大面积（例如①10〃〃〃）器件。热释电探测器是具有中等灵敏度

和中等响应速度的探测器。因此在许多不要求很高灵敏度及响应速度的场合，使用热释电

探测器最为适宜。

器件原理

热释电探测器是利用热释电效应探测红外辐射的接收器件。热释电效应是晶体中的电极化

因温度变化而产生的现象。热释电品体具有自发极化的性质，其自发极化强度P,（数值上

等于而电荷密度）是温度的函数。

其典型变化曲线如图随温度升高而降低，在居里温度To,Ps=0。力口。适当外电场，将

晶体沿一定方向极化。将这种极化后的品体做成一只电容器，其电极做在垂直于极化轴的

外表上，连接电容器的电极组成外电路（如图2）。只要器件接收了交变的红外辐射，在外电

路上便会产生热释电电流力oir与接收辐射的电极以及极化电荷（自发极化强度）的变化速

度成正比，即

dp

5A卡(1)

dP:dp、dT/T

⑵

dtdtdtdt

%To4帮⑶

从（3）式中可以看HI,热释电电流是与温度变化速度成正比的，热释电探测器对

恒定辐射没有反响，它是一个交流器件。

②、热释电传感器

当晶体受到红外辐射而温度升高时，外表电荷将减少，相当于释放了一局部电

荷。将释放的电荷经放大器可转换为电压输出。这就是热释电传感潜的工作原理。

当辐射继续作用于热释电元件，使其外表电荷到达平衡时，便不再释放电荷。因

比，热释电传感器不能探测恒定的红外辐射。

与其它所有的热传感器类似，热释电传感器的工作原理大致可以用以下三个局部

来阐述：

(1)将外界辐射转化为自身热能的吸收阶段。

(2)将吸收的热能用以提升温度的升温阶段。

(3)将热信号转化为电信号的测温阶段。

热释电材料可分为单晶，压电陶瓷及高分子薄膜等诸多种类，它们均能产生热释电效

应固称之为热释电材料。其中，单晶热释电的热释电系数高.，介质损耗小，性能最好的热

释电传感器至今大多项选择用单晶制作，如TGS,LATGS,LITA03等。

在热释电探测领域中，热释电材料和器件的研制，今后仍将会得到较大的重视和开展,

做出这种估计的主要依据是

(1)地面和卫星红外天文研究需要性能更好的器件；

(2)地球卫星和宁宙飞船的辐射计需要性能优良的不致冷探测器，

(3)室温成像需要性能优良的大面积器件和阵列，

(4)激光监测需要高损伤阈值、高响应速度的器件和阵列；

(5)测温、控温、入侵告警、火警、自动控制、工业仪表及玩具等需要廉价和可靠的

器件，并要求某些落件交付生产。

6、热释电探测器性能参数

(1)响应率

响应率是指探测器输出的电信号(电压或电流)与输人的

辐射功率之比单位是V/W和A/Wo

假设在dl时间内，热释电晶体温度变化dAT所引起的极化强度变化为dP,那么与极轴垂

直的晶体外表产生的电流面密度可表达为

,dpd\T1.x

J=—=----vv»——(1J

出出力

称热电系数，用P表示，这样，J可表示为

,dxr

J=p—

山(2)

入射辐射是角频率为卬的正弦调制光，功率幅度为吗，该辐射可表示为卬("=乂"''

探测港吸收率为n.此时，探测潜温度上升量由下式确定

aWejH1=C—+G^T

()dt(3)

其中，C为晶体的热容量，G为晶体与周围环境的热导率，用Laplace变换方法解方程并

利用初始条件△7=()得

△加=

G+jwC(4)

因此热释电晶体产生的电流可表示为

M跑=3_

dtG卜jwC⑸

式中，A为电极面积。

1.1电流响应度

电流响应度定义为探测器的输出信号电流与入射光功率之比，它可表示为

PA.；

叱)GQ+W%)(A/W)(6)

1

w»——

当/时，(6)式简化为

⑺

(7)式在频率为儿Hz已经成立，因此它通常作为R,的表达式.用d表示晶体厚度，f表

示

比热，那么上式可写为

cd(8)

决定R,的材料参数可定义为材料电流响应度这样

⑼

因此对一定材料的探测器，可通过选择，J4来设计电流响应度。

w»/

(8)式指出，当调制频率/%时，电流响应度与调制频率无关，但它跟热释电

材料的厚度成反比.

1.2电压响应度

电压响应度定义为探测器的输出信号电压与入射光功率之比，它可表示为

1^1=_________kRJ=1二段

VG(l+卬胃卢G/1+MW产”一―一叱)(5+加0)-G”+WQ

(10)

其中孰,G〃分别为热释电元的等效电容、等效电导，、=C/Cd，%=%

当卬2.»1,卬2好》1时,上式简化为

用=必=旦

wCCdwg(H)

由此可知，&与调制角频率卬及探测器的电容成反比，Q可写为

_£Q£yA

(12)

(2)响应波长范围

响应波长范围又称响应光谱，是指响应率与波长的依赖关系。

（3）噪声

它包括探测器噪声和前置放大器的噪声。

（4）噪声等效功率（NEP）

（5）探测率D*

D*是NEP归一化到单位面积和单位带宽并取倒数,因此D*数值越大探测器的性能越好。

器件制造者需要用D*来比拟每个探测器性能的优劣而仪器设计者那么常用NEP的数值作为

设计的依据。

6）响应时间

响应时间有时称为时间常数。它表征红外探测器对快速变化的辐射的反响能力。

⑺其它参数

其它参数包括光敏面的面积、探测器的电阻、工作温度以及工作时外加的偏置电压或

电流。

7、热释电材料的选择

热释电材料的发现较早，可追溯到2300年前，但最近20年来它们才被广泛应用，一

些与热释电探测器应用相关的重要特性如下：

1）热释电材料对其温度变化响应，而不是对温度本身响应；

2）它们几乎可探测任何波长的辐射，从软性x射线到远红外，甚至粒子；

3）用光学滤波器可设计不同工作波长的探测器；

4）材料呈电容性，热损极小，不需致冷：

5）介质本身的热噪声占主导地位，因此有些热释电材料的信噪比拟低；

目前，热释电材料主要可分为单晶材料和金属氧化物陶瓷及薄膜材料。晶体的自发极

化随温度发生的变化是其热释电效应的来源。

采用具有低电学噪声特性、优异的频率特性的热释电材料制作的具有优异性能的热释

电红外探测器和热释电-铁电非致冷红外焦平面阵列探测范围宽、可在室温下工作、本钱低!

易于小型化、易于推广应用，正好补偿了光量子探测器及其红外焦平面阵列探测范围主要

在近、中红外波段!必须配备制冷设备、价格昂贵、本钱高、难于实现系统进一步的小型化

和大批量应用等缺乏之处。因此，可以设想，随着热释电材料、热释电-铁电非致冷红外焦

平面阵列、室温探测器和热成像器件的进一步研究开发与进展，热释电材料及其应用器件

将会有广阔的市场。

8、热释电探测器的应用及未来开展方向

目前主要应用领域：

1.红外探测；火灾报警、气体分析、入侵报警、光热探测、污染探测、位置传感、

太阳能电池研究和工程分析.

2.图像装置：森林火警探测、热释电光导摄像管、生物医学图像及自然资源监控.

3.其它：温差探测、微波探测、x射线探测.

两种新应用.

我们所用的热释电探测器中（如图4）,红外辐射入射探测器时，热释电材料两电极间有

正电压输出，这样探测器输出电压较高.当人体离开探测区，及相当于截断入射辐射后，

两地板间有负电压输出，探测器输出电压较低、利用此根本原理，如图5