热释电PZT薄膜材料及其在红外探测器的应用
热释电红外传感器原理及其应用
热释电红外传感器原理及其应用热释电红外传感器原理及其应用
热释电红外传感器（thermoelectric infrared sensor，TIRS）是一种利用热释电效应（thermoelectric effect）来检测环境中红外热源的光学传感器。
它能够通过辐射能量与传感器内表面温度的差异来检测非可见的红外辐射，以实现远距离监测和测量热源发射能力的目的。
热释电红外传感器的工作原理是，当热释电芯片内的两个特定的同质金属材料互相接触时，会出现一个电压，这称为热释电效应。
热释电红外传感器将两种金属材质聚集在一起，当热源照射到传感器表面时，会让其中一种材料受热，而另一种材料不受热。
随着材料的表面温度升高，热释电效应将产生一个电压，这一区别值便可以表示出环境中红外辐射强度发生变化的情况。
热释电红外传感器广泛应用于飞机机舱设备房内的温度监控，能够检测空调系统及周边电子设备的温度变化，从而维持机舱温度在所需范围内。
此外，也常用于物流运输、医疗保健及无人机等行业对环境温度进行监控，能够有效降低安全风险，提高工作效率。
此外，热释电红外传感器还可用于检测大气污染物，能够根据环境温度及湿度两种因素来监测大气环境，提供可靠的污染数据以帮助制定行之有效的污染防治措施。
热释电红外探测器
热释电红外探测器热释电红外传感器是一种红外光传感器， 属于热电型器件，当热电元件PZT 受到光照时能将光能转换为热能，受热的晶体两端产生数量相等符号相反的电 荷，如果带上负载就会有电流流过，输出电压信号。
热释电效应及原理在自然界，任何高于绝对温度（-273K ）的物体都将产生红外光谱，不同温 度的物体释放的红外能量的波长是不一样的， 因此红外波长与温度的高低是相关 的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。
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。
通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自 由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。
当温度变化时，晶体结构中的正 负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗 尽的状况正比于极化程度，图1表示了热释电效应形成的原理图1热释电效应形成原理热释电传感器利用的正是热释电效应， 是一种温度敏感传感器。
它由陶瓷氧 化物或压电晶体组件组成，组件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有 △ T 的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷 △ Q ,即在两电极之间产 生一微弱电压△ V 。
&那电何*© 0 0 0 0 ❺ © 0 @ O © © © ® 倫条杵T[K]r~S極化T+ATIKJ能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电组件， 其常用的材料有单 晶（LiTaO3等）、压电陶瓷（PZT 等）及高分子薄膜（PVFZ 等）。
当以LiTaO3为代表的热释电材料处于自极化状态时，吸收红外线入射波后， 结晶的表面温度改变，自极化也发生改变，结晶表面的电荷变得不平衡，把这种 不平衡电荷的电压变化取出来，便可测出红外线。
热释电材料只有在温度变化时 才产生电压，如果红外线一直照射，则没有不平衡电压，一旦无红外线照射时， 结晶表面电荷就处于不平衡状态，从而输出电压。
热释电红外传感器及其应用
热释电红外传感器及其应用摘要：为有效解决电化学、气敏类传感器稳定性差、检测范围窄、易中毒、测量精度低等问题，研制了一种基于钽酸锂薄膜材料的热释电红外气体传感器。
重点介绍了该气体传感器的工作原理及其结构设计，其结构采用双通道光路测量结构，分别为测量通道和参考通道，有效避免了光源波动和腔体污染对传感器造成的影响。
该传感器具有结构新颖、简单可靠、测量范围宽、不中毒等特点，市场应用前景广阔。
关键词：钽酸锂薄膜;热释电红外气体传感器;双通道结构;光源波动.Abstract: In order to effectively resolve the problem of the electrochemical, gas type sensor, such as poor stability, narrow detection range, easy to poisoning and low accuracy etc.，a pyroelectric infrared gas sensor is developed based on lithium tantalate thin-film. The emphasis is paid on the working principle of the gas sensor and its design, its structure using two-channel optical measurement of the structure, respectively measuring channel and reference channel, effectively prevent the light source fluctuation and cavity impact of pollution on the sensor. The sensor has a novel structure, simple and reliable, wide measuring range, not poisoning etc., the market prospect is broad.Keyword: lithium tantalate thin films; pyroelectric infrared gas sensor; dual-channel structure; light fluctuations.引言今天，环境保护已经成为我们最关注的问题，环保、安全防护越来越受到人们的重视，随着智能化、网络化的推动，应用于这些领域的传感器日新月异。
氧化钒薄膜材料及非制冷红外探测器微结构设计的研究
氧化钒薄膜材料及非制冷红外探测器微结构设计的研究1. 引言1.1 概述氧化钒薄膜材料及非制冷红外探测器微结构设计是当前光电领域中的研究热点之一。
红外技术具有在暗夜或复杂环境下实现目标探测和成像的能力，因此被广泛应用于军事安防、火灾监测、医学诊断等领域。
然而，传统的制冷红外探测器由于高成本、大尺寸以及复杂维护等问题限制了其在民用领域的普及。
非制冷红外探测器作为一种新型的探测技术，具有体积小、重量轻、无需制冷等优点，在红外领域有着广阔的应用前景。
1.2 研究背景在非制冷红外探测器中，氧化钒薄膜材料作为一种重要的敏感元件已经引起了广泛关注。
氧化钒薄膜具有良好的热电特性和纵横触发效应，可将红外辐射转化为电信号，并显示出快速响应、高灵敏度的特点。
然而，氧化钒薄膜在实际应用中面临着一些挑战，如制备工艺复杂、稳定性差等问题，因此对其进行深入研究和优化设计具有重要意义。
1.3 研究意义本文旨在探索氧化钒薄膜材料以及非制冷红外探测器微结构设计的相关研究，并揭示其在红外技术领域中的应用潜力和发展方向。
通过对氧化钒薄膜材料制备方法和物理性质的分析，可以为制备工艺的改进提供依据，并为其应用领域提供更广阔的空间。
同时，通过对非制冷红外探测器微结构要素及其优化设计进行研究，可以提高非制冷红外探测器的灵敏度和响应速度。
将氧化钒薄膜与非制冷红外探测器相结合，则可实现更高性能的红外成像系统。
我们希望本文能够为相关领域的研究人员提供有益参考，并促进氧化钒薄膜材料和非制冷红外探测器微结构设计技术的进一步发展。
2. 氧化钒薄膜材料研究2.1 氧化钒薄膜的制备方法氧化钒薄膜是一种重要的功能材料，在红外光电子器件中具有广泛的应用。
为了制备高质量的氧化钒薄膜，研究人员尝试了多种不同的制备方法。
一种常用的制备氧化钒薄膜的方法是物理气相沉积（PVD）。
在这个过程中，首先需要将高纯度的金属钒加热至其沸点，形成金属蒸汽。
然后，将基底材料放置在反应室中，并通过调节反应室内部的温度和压力来控制金属钒与基底之间的相互作用。
第六章、 热释电红外传感器及其应用
常见热释电红外传感器的外形
热释电传感器的内部结构
⑴ 敏感元 敏感元用红外热释电材料 — 锆钛酸铅(PZT)制成
，经极化处理后，其剩余极化强度随温度T升高 而下降。制作敏感元件时，将热释电材料制成很 小的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成两个串 联的、有极性的小电容。把两个极性相反的热释 电敏感元做在同一晶片上，由于温度的变化影响 整个晶片产生温度变化时，两个敏感元产生的热 释电信号互相抵消，起到补偿作用。 使用热释电传感器时，通常要在使用菲涅尔透镜 将外来红外辐射通过透镜会聚光于一个传感元上 ，它产生的信号不会被抵消。 热释电传感器的持点是它只在由于外界的辐射而 引起它本身的温度变化时，才会给出一个相应的 电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再没有信 号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率 成正比。因此，热释电传感器只对运动的人体或 物体敏感。
⑵ 集成红外探测报警器
① 被动红外探测控制集成电路
TWH9511 TWH系列PIR(热释电传感器)控
制电路采用大规模CMOS数字电路及 微型元件固化封装，具有性能指标高，
第六章、 热释电红外传感器及其应用
热释电红外传感器是一种被动式调制型温度 敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标 与背景的温差来探测目标的。其响应速度虽不如 光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、 工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。这 种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性 很强的探测器。因此广泛应用于各类入侵报警器， 自动开关、非接触测温、火焰报警器等，目前生 产有单元、双元、四元、180°等传感器和带有 PCB控制电路的传感器。常用的热释电探测器如： 硫酸三甘钛（TGS）探测器、铌酸锶钡（SBN） 探测器、钽酸锂（LiTaO3）探测器、锆钛酸铅 （PZT）探测器等。
红外线传感器原理及使用方法【大全】
红外线传感器原理--特征热电型红外线传感器系利用热电效果，其材料则使用强介质陶瓷体、钽酸锂等单结晶及PVDF 等有机材料，热电型红外线传感器具有下列几项特征：(1) 系检知从物体放射出出来的红外线，不必直接接触就能够感知物体表面的温度，所以能以非接触之方式测得温度。
(2) 热电型红外线传感器系接受检知对象物所发出的红外线，属于被动型，不需要校对投光器、受光器之光轴等烦琐的作业。
(3) 热电效果是温度变化而产生的，只能接受因温度变化之能量，而热电型红外线传感器将电压微分而输出之。
红外线传感器原理感知组件系使用PZT强介质陶瓷体，在感知组件施加高压电而分极之，组件表面显现的正负电荷会和空气中相反之电荷结合而呈电气中和状。
当组件的表面温度变化时，感知组件分极的大小会随着温度变化而变化，因此稳定时之电荷中和状态就崩溃，而感知组件表面电荷与吸着杂散电荷的缓和时间不同，所以会形成电气上的不平衡，而产生没有配对的电荷。
红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。
例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。
红外传感器的种类红外线是一种人类肉眼看不见的光，所以，它具有光的一切光线的所有特性。
但同时，红外线还有一种还具有非常显著的热效应。
所有高于绝对零度即－273℃的物质都可以产生红外线。
根据发出方式不同，红外传感器可分为主动式和被动式两种。
主动红外传感器的工作原理及特性主动红外传感器的发射机发出一束经调制的红外光束，被红外接收机接收，从而形成一条红外光束组成的警戒线。
当遇到树叶、雨、小动物、雪、沙尘、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。
主动红外探测器技术主要采用一发一收，属于线形防范，现在已经从最初的但光束发展到多光束，而且还可以双发双受，最大限度的降低误报率，从而增强该产品的稳定性，可靠性。
热释电材料及其应用
热释电材料及其应用王文瀚12S0110291 热释电效应热释电效应指的是极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变使在材料的两端出现电压或产生电流。
考虑一个单畴化的铁电体，其中极化强度的排列使靠近极化矢量两端的表面附近出现束缚电荷。
在热平衡状态下，这些束缚电荷被等量反号的自由电荷所屏蔽，所以铁电体对外界并不显示电的作用。
当温度改变时，极化强度发生变化，原先的自由电荷不能再完全屏蔽束缚电荷，于是表面出现自由电荷，他们在附近空间形成电场，对带电微粒有吸引或者排斥作用。
通过与外电路连接，则可在电路中观测到电流。
升温和降温两种情况下电流的方向相反，与铁电体中的压电效应相似，热释电效应中电荷或电流的出现是由于极化改变后对自由电荷的吸引能力发生变化，使在相应表面上自由电荷增加或减少。
与压电效应不同的是，热释电效应中极化的改变由温度变化引起，压电效应中极化的改变则是由应力造成的。
属于具有特殊极性方向的10个极性点群的晶体具有热释电性，所以常称它们为热释电体。
其中大多数的极化可因电场作用而重新取向，是铁电体。
经过强直流电场处理的铁电陶瓷和驻极体，其性能可按极性点群晶体来描写，也具有热释电效应。
2 热释电效应的描述热释电效应的强弱由热释电系数来表示，假设整个晶体的温度均匀地改变，则极化的改变可由下式给出：, 1,2,3m m P p m T∂==∂ 其中P 为极化强度，T 为温度，其单位为cm -2 K -1。
热释电系数符号通常是相对于晶体压电轴的符号定义的。
按照IRE 标准的规定，晶轴的正端沿该轴受张力时出现正电荷的一端。
在加热时，如果靠正端的一面产生正电荷，就定义热释电系数为正，反之为负。
铁电体的自发极化一般随温度升高而减小，故热释电系数为负。
但相反的情况也是有的，例如罗息盐在其居里点附近自发极化随温度升高而增大。
在研究热释电效应时，必须注意边界条件和变温的方式。
因为热释电体都具有压电性，所以温度改变时发生的形变也会造成极化的改变，这也是对热释电效应的贡献。
热释电人体红外传感器原理及应用
热释电红外传感器原理及应用(测控技术与仪器1002班，刘建军发)【摘要】：随着社会的发展，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以热释电红外传感器为核心的自动门系统就是其中之一。
热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器。
其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合虑光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。
热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。
设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。
【关键词】：热释电、红外线、自动控制、自动门。
1热释电红外传感器原理1.1热释电红外传感器的原理特性热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。
不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。
为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。
热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。
由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式该电阻阻抗高达104ＭΩ，故引入的Ｎ沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换。
热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。
设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。
由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。
1.2 被动式热释电红外传感器的工作原理与特性人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。
一文读懂热释电传感器的原理与应用
一文读懂热释电传感器的原理与应用热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。
它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出，是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。
它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。
将输出的电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警等。
早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。
直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。
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。
通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。
当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，而电荷耗尽情况正比于极化程度。
能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件。
热释电元件常用的材料有单晶(LiTaO3 等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVFZ等)。
热释电传感器利用的正是热释电效应，这是一种对温度敏感的传感器。
它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。
由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。
热释电效应所产生的电荷ΔQ 会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=0，则传感器无输出。
当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有ΔT输出;若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。
所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。
热释电红外线传感器结构普通热释电人体红外线传感器的外形如图所示，D脚和S脚分别为内部场效应管的漏极和源极的引出端，G脚为内部敏感元件的接地引出端。
PZT薄膜的结晶特性及红外特性
膜的制备工艺显得很重要．本研究 采用 电子束蒸发法制备不同 Ｚ Ｔ 比的 Ｐ Ｔ薄膜 ， ｒ ｉ ／ Ｚ 并研究薄膜 的结 晶取 向和红外 吸收 特性 随生长 温度 、 退火 气氛 及退 火温度 的变 化规 律．
１ 实
验
１ １ Ｐ Ｔ靶 材料 的制 备 ． Ｚ
（ ）Ｐ Ｔ／５靶 的制备 将 ５ ．９ ｂ １５ ｇＺＯ ，９ １ｇＴＯ 粉 体 混 合 （ １ Ｚ ５９ ７ ４ ｇＰ Ｏ，．６ ｒ ２１．７ ｉ２ ３种 成分 的纯 度 均 为 ９％ ， 中 Ｐ Ｏ按 ２ ９ 其 ｂ ％过 量配 比）加 入适 量水 球磨 ２ ， 所得 前驱 物烘 干后 放人 Ａ： ， ， ｈ将 １ 坩埚 中加 适量 蒸 ０ 馏水 预压 ， 然后在 ８０Ｃ 烧 ２ ， 得 Ｐ （ ｒ。 ｉ ） ， 简记 为 Ｐ Ｔ ／５ 块 体 材 料 ， 为 电子束 蒸 发 ０ ￣煅 ｈ制 ｂ Ｚｏ Ｏ （ Ｔ Ｚ ５９ ） 作
Ｐ Ｔ薄 膜 的结 晶特 性及 红 外 特 性 Ｚ
谢东珠 ， 任玉磊
（ 上海师 范大学 数理学院 ， 海 ２ ０ ３ ） 上 ０２ ４
摘 要 ：采用 电子 柬蒸发 方 法在 ｎ— ｉ１０ 衬 底上 制备 Ｐ （ ｒ ｉ ） ， 简记 为 Ｐ Ｔ 多晶 薄 Ｓ（０ ） ｂ ｚ ０ （ Ｔ Ｚ） 膜．用 ｘ射 线衍 射分析 了 Ｐ Ｔ薄膜 的 结晶择优 取 向与 Ｚ／ ｉ Ｚ ｒＴ 成分 比 、 生长 温度 、 火 气氛和 退 退
Hale Waihona Puke 第３ 第 ６期 ７卷２０ ０８年 １ ２月
上海师范 大学学报 （ 自然科学版 ）
Ｊｕｎ ｌ ｆ ｈｎ ｈｉ ｏｍ ｌＵ ｉｅｓｙ Ｎａ ｒｌ ｃｅｃｓ ｏｒａ ｏ ａｇａ Ｎ ｒ ａ ｎｖｒｉ （ ｔ ａ Ｓｉｎｅ） Ｓ ｔ ｕ
热释电传感器
晶体
晶体
___ +++
对外不呈电性
人体移动
晶体 _____
++++&;
对外呈电性
自由电荷释放和补充：充放电现象
4
热释电红外传感器 二、热释电红外传感器的结构及性能
结 型 场 效 应 管
热释电红外传感器
ＰＺＴ压电陶瓷：居里点高、可靠性高、成本低 滤光片：６ｕｍ 短波：高反射率 长波：高穿透率 人体：１０ｕｍ
LS-064
80 3300 —— 2.2~15 0.7 -30~70 -40~80 2×1 TO-5
LH1958
80 3500 8~14 3~15 1.0 -40~70 -40~80 2×1 TO-5
热释电红外传感器 三、热释电红外探测模块
传感器 + 测量电路
ＨN９１１型
管脚
1 2 3 4、5 6
热释电体 热电元件
定义： 由于热变化产生的电极化现象
常用材料：单晶（ＬｉＴａＯ３）、压电陶瓷（ＰＺＴ）
高分子薄膜（ＰＶＦＺ） 发展史：三个世纪、1938年 - 红外探测器 60年代后 - 热释电材料和器件应用研究
热释电红外传感器 讨论：只适合于移动人体的探测？
人体静止
_____ +++++ _____ +++++ _____ +++++
视野特性
6
热释电红外传感器
探测人体用的热释电红外传感器主要技术指标
型号
典型噪声值（mV 峰-峰） 响应性（V/W） 窗口光频响应（um） 工作电压（V） 失调电压（V） 工作温度（℃） 保存温度（℃） 元件尺寸（mm） 封装形式
PZT压电厚膜的发展及其应用
PZT压电厚膜的发展及其应用第43 卷第8 期2007年8 月中国陶瓷Vol.43 No.8Aug.2007综述与评述文章编号：1001-9642（2007）08-0003-04董金美，沈建兴，李传山，张雷（山东轻工业学院，济南250353）【摘要】：PZT压电厚膜材料是20世纪90年代发展起来的一种新型功能材料，它兼顾了块体材料和薄膜材料的优点，具有良好的压电、介电和热释电性能。
简述了PZT压电厚膜的国内外研究进展，对PZT压电厚膜的制备方法做了简短的介绍，并对其改性研究做了较为详细的总结，最后，阐述了PZT压电厚膜在国内外的应用并展望了其前景。
【关键词】：PZT，压电厚膜，研究进展体材料相比，PZT压电薄膜尺寸小、重量轻、工作电压低、能与半导体集成电路兼容，可制成非易失随机存取存储器、热释电红外探测器、压电微型驱动器与执行器等，但这些器件是基于PZT膜的厚度小于1μm的铁电薄膜的基础上得到的。
实际上铁电膜的应用不仅仅局限于厚度小于1μm的薄膜微型器件领域，许多潜在的应用需要1μm～50μm厚度的压电膜，因为厚度小于1μm时，PZT薄膜易受界面、表面效应的影响，尤其是薄膜与电极之间的界面效应在很大程度上会影响器件的整体性能，再加上PZT薄膜产生的驱动力较小，因而PZT薄膜在压电器件方面的应用受到了一定的限制。
20世纪90年代中期，PZT厚膜材料及厚膜器件成为科学工作者研究的热点。
PZT压电厚膜材料兼顾了块体材料和薄膜材料的优点，与薄膜相比具有更大的驱动力和更为明显的压电效应。
厚膜PZT材料制成的器件不仅工作电压低、使用频率范围宽、能够与半导体集成电路兼容，而且电性能优于薄膜材料。
引言锆钛酸铅[Pb(ZrxTi1-x)O3，简称(PZT)]固溶体是一种性能优异的功能材料，具有优良的铁电、压电和热释电性能[1]，是目前研究的一个热点。
PZT压电材料因其居里温度和机电耦合系数高、温度稳定性好，且可通过适当的取代添加改性达到不同用途等特点，已被广泛应用于社会生产的各个领域，尤其是超声领域和电子科学技术领域，如医学及工业超声检测、水声探测等，可制成压电换能器、超声马达、显示器件和电控多色滤波器等。
热释电红外传感器简介
Pyroelectric infrared sensor Preface Pyroelectric infrared sensor is a very potential applications of the sensor.It can detect people or animals, the infrared transmitter and converted into anelectrical signal output. As early as 1938, it was proposed detection using pyroelectric infrared radiation effect, but not taken seriously. Until the sixties, with the laser, infrared technology is developingrapidly, it has contributed tothepyroelectric effect and research on pyroelectric crystals application development. In recent years, along with the rapid development of integrated circuit technology, as well as the characteristics of the sensor depth study of the relevant application specific integrated circuit processing technology is also growing rapidly. This article first describes the principle of the pyroelectric sensor, and then describe the relevant ASIC processing technology.Pyroelectric effectIn nature, any more than the absolute temperature (-273K) objects will have infrared spectra, objects at different temperatures the wavelength of infrared energyreleased is not the same, so the level of infrared wavelengths is related to temperature, and radiation energy size and surface temperature.1µm wavelength of visible light is usually less, but more than 1µm light the human eye can not see, but can be an appropriate instrument to detect the energy oradiation.When some of the crystal is heated, the crystal will have an equal number of both ends of the opposite sign of charge, such as heat of changes in the polarization phenomenon, known as the pyroelectric effect. Typically, the crystals produced by the spontaneous polarization bound charge is attached to the air from the surface of free electrons in the crystal and in itsspontaneous polarization electric moment can not be demonstrated. When the temperature changes, positive and negative charges in the crystal structure of the relative center of gravity shifts, the spontaneous polarization changes, the crystal surface will have run out of charge, charge depletion is proportional to the polarization degree of the situation, Figure 1 shows thepyroelectric The principle effect of the formation.Pyroelectric effect can produce a crystal or call the pyroelectricpyroelectric body components, the material commonly used in single crystal (LiTaO3, etc.), piezoelectric ceramic (PZT, etc.) and polymer film (PVFZ, etc.) [ 2] When represented LiTaO3 pyroelectric material is self-polarized state, the absorption of infrared incident, the crystallization of the surface temperature change, since the polarization has changed, crystal surface charge becomes imbalanced, the imbalance taken out of charge voltage can be measured by infrared. Pyroelectric materials produced only when the temperature changes the voltage, if the infrared radiation has been, there is no imbalance in voltage, if no infrared radiation, the crystal surface charge on the in an unbalanced state, so the output voltage Pyroelectric infrared sensors, infrared light irradiation due to gain or lose heat and shelter, resulting in voltage output. In principle should be independent of the wavelength, but the material made by the pyroelectric sensor has a light transmission window, the translucent windows and wavelength selection of a relationship. To SiO2 as the window material, such as sensors, it can almost all visible light, while others near the window material can only 4µm wavelength of light, and some wavelengths of light through 6.1µm, and some through 8µm ~ 14µm wavelength of light, so use a different window materials which can be confirmed that the heat generated by the wavelength of light.Quantum-type infrared detectorQuantumponse, response sensitivity and infrared wavelength. The energy generated by each incident photon E = hc / λ = 1124λ Where, h - Planck constant, h = 4.14 × 10-15 (evs) = 6.625 × 10-34 (JS) c - the speed of light, c = 3 × 1010cm / s 1µm infrared light energy 1.24eV, 10µm infrared light energy of 0.12eV, compared with the visible light, infrared light energy smaller. Quantum-type infrared sensor light conductive type and is divided into two kinds of light force. Components of light conductive material PbS, PbSe, Hg, Cd, Te, etc., it is the use of infrared radiation to reduce the characteristics of impedance detection signal to obtain; and light force type is in Ge, IrSb formed on a substrate such as semiconductor PN Results, when the infrared radiation generated when the light force, Ge band gap for the 0.6ev, Ge diode of 0.6µm and 1.9µm more sensitive to infrared light, infrared light when the wavelength of the incident in the 0.6µm ~ 1.9µm, in the PN junction force formed with the increase of the amount of incident light, thereby detecting amplified output signal.Pyroelectric sensorPyroelectric sensor using the pyroelectric effect is, is atemperature-sensitive sensor. It consists of oxides or ceramic piezoelectric crystal components, the component made of two surface electrodes, when the temperature within the sensor monitoring the change ∆T, the pyroelectric effect in the two electrodes will produce the charge ∆Q, ie between two electrodes in a weak voltage ∆V. Pyroelectric infrared sensors and thermocouples are based on the principle of thermoelectric thermoelectric infrared sensors. Different pyroelectric infrared sensors is the thermoelectric coefficient is much higher than the thermocouple. Chart Pyroelectric infrared sensor structure and the internal circuit shown in Figure 2. Sensors are mainly case, interference filters, pyroelectriccomponent PZT, FET, FET and other components.FilterHuman central wavelength of infrared radiation 9 ~ 10 - um, the wavelength sensitivity of the detection component in 0.2 ~ 20 - um range is almost constant. The top of the sensor chip has opened a window with filter, this filter through the wavelength range of 7 ~ 10 - um, just right for the detection of infrared radiation in the human body, while the other infrared wavelengths by the filter film to be absorbed, thus forming a special body for detection of infrared radiation sensor. Thermoelectric components Thermoelectric materials will be a certain thickness of the sheet, and in its metal electrodes deposited on both sides, and then power on its polarization, this will make the pyroelectric detectors. As the voltage increases polarization is extremelynature and therefore, the detection element is polarized positive 、 negative in nature. Thermoelectric element within the Seebeck coefficient by the high iron titanate ceramic lead and mercury, and lithium tantalate、 Triglyceride iron sulfate, and its polarization changes with temperature. In order to suppress the temperature change due to their interference can be generated process will be the same two features reverse thermoelectric element connected in series or poor way of balancing the circuit, to suppress its own temperature as a result of the interference. Thus able to detect objects in non-contact infrared energy emitted changes and converts it to electrical signal output.FET impedance transformationPyroelectric infrared sensors in the structure aims to introduce complete FET impedance transformation. Thermoelectric element as is the charge output signal, resistance up to 104M , so the introduction of the N-channel JFET common drain pipe should be connected in the form of that the source followerto complete the impedance transformation. Because of its high output impedance, so the sensor has a field effect transistor for impedance transformation. Pyroelectric effect will be produced by the charge ∆Q with combination of ions in the air disappeared, when the ambient temperature stability constant, ∆T = 0, the sensor no output. When the body into the detection zone, because the body temperature and ambient temperature differential, resulting in ∆T, is a signal output; if the body does not move into the detection zone, the temperature does not change, the sensor has no output, so this sensor can detect body or animal activities.Reference SelectionThe commonly used models of pyroelectric infrared sensors are P228, LHl958, LHI954, RE200B, KDS209, PIS209, LHI878, PD632 and so on. Pyroelectric infrared sensor is usually a 3 pin metal package, the pins are supply-side (internalswitch D pole, DRAIN), signal output (internal switch S pole, SOURCE), ground (GROUND) . Pyroelectric infrared sensors are the main working parameters Voltage (commonly used pyroelectric infrared sensor operating voltage range 3 ~ 15V) Wavelength (typically 7.5 ~ 14 µ m) Source voltage (usually 0.4 ~ 1.1V, R = 47k ) Output signal voltage (typically greater than 2.0V)Note the use of infrared modules:1, the human body are highly sensitive sensor device module, its high power requirements, the regulator must be a good filter, such as cascading 9V battery may not work because of the larger resistance, advises clients to use the LM7808 regulator chip 0.1UF regulator and then through the 220UF capacitor filtered supply. 2, the module does not work properly when connected load, after load connected to the work of disorder, because the power capacity of a small load is power, work load due to voltage fluctuations lead to the module malfunction, the other reason is that the load may causeinterference with electrical work, such as relays or solenoids and other inductive load will produce back EMF, 315M will be launching board work will affect the electromagnetic radiation module. Solution is as follows: A, power supply filter inductor increases. B, by using different load and voltage of the module, for example: load with 24V operating voltage, 12V voltage module, during which three-terminal regulator with the LM7812 isolation. C: with a larger capacity power supply. 3, the body work environment sensor module should avoid sunlight, direct exposure to bright light, if the work environment has a strong radio frequency interference shielding measures can be used. In case of strong flow interference, close doors and windows or to prevent convection. Sensitive area to avoid facing the heating appliances and objects, and debris easily by the wind and clothing 4, the human sensor module must be assembled in a sealed box, otherwise the outputsignal has been there. Sensor (PIR) and the lens has a focusing distance, usually 20-30mm range of adjustment. 5, infrared detectors to detect if the required angle of less than 90 degrees, you can block the lens with opaque tape or cut narrow the lens to achieve. 6, the human body sensor module using a dual probe, the body's limbs and head movement direction and the sensor sensitivity are closely linked, if you set the improper installation, will affect the induced effects. 7, module probe (PIR) for assembly and welding the other side of the circuit board. Probe can also be extended with the dual-core shielded cable, 2 meters length should be as well.ConclusionPyroelectric infrared sensor has low price, technical performance and stability, development using simple One such feature, in addition to the above monitoring alarm and automatic switching of typical applications, in many of its It has wide application areas, such as automatic starting or stopping the air conditioner, water dispenser, TV, automatic Camera filmingthe activities of humans and animals, or digital camera, with the development of electronic technology, heat Pyroelectric infrared sensors will be more widely used in the field of automatic control.。
硅基PZT热释电厚膜红外探测器的研制
ｐｅ ａｅ ｏ ｐｅ ｅ ｔＳ ｉ ｕｉｎ ｂ ｔ ｅ Ｚ Ｓ ｈｏ ｇ ｅ ｃｉｅ ｒｄｏ ｆ ｑ ｅ ｃ （ Ｆ ｐ ｔ ｒｎ ． ｏ ｒｐ ｄ ｔ ｒｖ ｎ ｉｄｆ ｓ ｅｗｅ ｎ Ｐ Ｔ／ ｉｔｒ ｕ ｈ ｒａ ｔ ａ ｉ ｒ ｕ ｎ ｙ Ｒ ）ｓ ｕｔ ｇ Ｃｏ ｌ ｒ ｆ ｏ ｖ ｅ ｅ ｉ
ｅｃ ｅ ｙ ｔｔ — ｔｙ ｍｍｏ ｉｍ ｙ ｒｘｄ （ ＭＡＨ） ｓｌｔ ｎ ｅ ｏ ｄｙ ｈｅ Ａ１ ａｒ ｒ ｌｙ ｒ ｗａ ｔｈ ｄ ｂ ｅｒ ｍｅ ｌ ａ ａ ｈ ｎｕ ｈ ｄｏ ｉｅ Ｔ ｏｕｉ ．Ｓ ｃ ｎ ｌ ，ｔ ２ ｂ ｒｉ ａ ｅ ｓ ｏ ０３ ｅ
（ ．Ｓａｅ Ｋｅ ａ ｏ ａｏｙ ｏ ｌｃ ｏ ｉ Ｔ ｉ ｉ ，ａ ｄ Ｉ ｔ ｒｔｄ Ｄ ｖｃ ｓ Ｕｎｖ ｒ ｔ ｆＥ ｅ ｔ ｎ ｃ Ｓ ｉ ｃ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｆ １ ｔｔ ｙ Ｌ ｂ ｒｔｒ ｆＥ ｅ ｔ ｎｃ ｈ ｎ Ｆ ｌ ； ｎ ｎｅ ａｅ ｅ ｉｅ ， ｉｅｓ ｙ ｏ ｌｃｒ ｉ ｃｅ ｅ ａ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｒ ｍ， ｇ ｉ ｏ ｎ ｎ
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曹家强 ， 传贵 ， 强祥 ， 吴 彭 罗文博 ， 张万 里 ， 书安 王
（．电子科技 大学 电子薄膜 与 集成 器件 国家重 点 实验 室 ， 川 成都 ６０５ ； １ 四 １０４
２ 四川 汇 源科技 股份 有 限公 司 ， ． 四川 成 都 ６ ０ ５ ） １ ０４
热释电红外 原理
热释电红外原理热释电红外原理是指通过材料的温度改变引起物质内部电荷的移动而产生的红外辐射。
它是一种基于材料热响应性质的红外探测技术，利用热释电效应来探测热辐射，并将其转换为电信号，以实现红外图像的获取和目标检测。
热释电效应指的是当物质受到辐射或者温度变化时，内部原子以更高频率振动产生热能。
这种振动引起了物质内部电荷的移动，从而形成了电流。
在材料的晶体结构中，由于晶体的偶极矩的存在，当温度改变时，晶体内的正负电荷分布也会发生变化。
由于偶极矩的改变，会引起材料表面或界面的电势变化，进一步形成电流。
这种电流被称为热释电电流。
热释电红外探测器通常使用的是热释电材料，如锂钽酸锂（LiTaO3）、锂铌酸锂（LiNbO3）、焦亥石（PZT）等。
这些材料具有良好的热释电特性，能够有效转换红外辐射为电信号。
热释电红外探测器的工作原理可以简单地分为三个步骤：感应、传导和放大。
首先，当有热辐射进入探测器时，热辐射会使得热释电材料发生温度变化。
这种温度变化会引起材料内部原子的振动和电荷分布的变化。
其次，热释电效应使得材料表面的电位发生变化。
当有红外辐射进入探测器时，探测器的电极会受到改变的电位作用，从而形成热释电电流。
这个电流信号可以被测量和记录。
最后，为了增强热释电电流信号的检测和处理，通常使用电路和放大器来放大和处理电流信号。
这个过程通常包括滤波、放大和去背景噪声等步骤，以获得更准确的红外信号。
总结起来，热释电红外原理是通过材料的温度变化引起物质内部电荷的移动而产生的红外辐射。
通过利用热释电效应，并采用相应的电路和放大器，可以将热辐射转换为电信号，实现红外图像的获取和目标检测。
这种探测技术在军事、安防、消防等领域具有广泛的应用和发展前景。
热释电PZT薄膜材料及其在红外探测器的应用
热释电PZT薄膜材料及其在红外探测器的应用王幸福无机非金属材料工程 080308113摘要：对敏感元材料锆钛酸铅( PZT) 铁电薄膜的制备、结构和性能, 热释电材料分类, PZT热释电材料的性质及PZT红外探测器作了简易介绍、该研究为铁电薄膜在热释电红外探测器中的应用奠定了基础。
关键词: 热释电材料; 热释电红外探测器。
引言公元前372 年, 人们观察到电气石的热释电效应。
到19 世纪末, 关于热释电效应定量的和理论的研究开始增多。
20 世纪60 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。
,尽管人们很早就发现了红外线和热释电效应,但受到红外探测元件的限制, 红外遥感技术发展非常缓慢。
一个重要的原因是热释电探测器的核心元件———热释电材料的研究进展非常缓慢, 目前用于红外焦平面列阵器件的材料只有锆钛酸铅(PZT), 钛酸锶钡(BST)和钽钪酸铅(PST)等【1】.PZ T 薄膜是一种很重要的钙钦矿型材料, 它们所具有的优越的压电性【2】和热释电性已被广泛应用到射频声波滤波器【3】、微电子机械系统【4】和非致冷红外传感器中【5、6】.由于其优越的铁电性( 如高剩余极化强度、低矫顽场) Pz T 薄膜被广泛实际应用于非挥发性随机存储器【7】等各个相关领域。
热释电材料及其应用研究已成为凝聚态物理和技术中活跃的研究课题之一。
一．热释电的性质及分类1.1热释电材料的性质晶体由于受热温度变化而导致自发极化发生改变，在晶体的一定方向上产生表面电荷，这种现象称为热释电效应(pyroelectric effect)。
在整个晶体中,温度均匀地发生微小变化ΔT与自发极化强度Ps的关系可用式表明：P =p ΔT式中的p为热释电系数，用来描述热释电效应的强弱。
热释电效应是由于晶体中存在着自发极化所引起的。
自发极化的产生原因是物体本身的结构在某方向上正、负电重心不重合而固有的。
PZT薄膜的结晶特性及红外特性
PZT薄膜的结晶特性及红外特性谢东珠;任玉磊【摘要】采用电子束蒸发方法在n-Si(100)衬底上制备Pb(zrxTi1-x)O3(简记为PZT)多晶薄膜.用X射线衍射分析了PZT薄膜的结晶择优取向与Zr/Ti成分比、生长温度、退火气氛和退火温度的关系.结果表明不同Zr/Ti比的薄膜在真空中退火都形成(110)择优取向;而在空气中退火后薄膜的择优方向与Zr/Ti成分比有关,Zr/Ti 比值小时为(101)择优取向,Zr/Ti大时为(100)择优取向.红外吸收光谱的测量结果表明(100)和(11O)择优取向的PZT薄膜在长红外波段(8～12 um)存在较强的吸收峰,而(101)择优取向的PZT薄膜在这一波段没有明显的吸收峰.【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2008(037)006【总页数】5页(P587-591)【关键词】PZT材料;择优取向;X射线衍射;红外吸收光谱【作者】谢东珠;任玉磊【作者单位】上海师范大学,数理学院,上海,200234;上海师范大学,数理学院,上海,200234【正文语种】中文【中图分类】O482.20 引言Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)薄膜是一种钙钛矿型化合物, 具有优越的铁电性、压电性和热释电性. PZT材料的物相随Zr/Ti的变化而变化, Zr/Ti<52/48时，PZT材料为四方相; Zr/Ti>52/48时, PZT材料为三角相; Zr/Ti=52/48附近，PZT材料处于准同型相界, 四方相和三角相共存; 在Zr/Ti=95/5附近, PZT材料为反铁电相, 无压电性[1～4]. 在热处理过程中PZT薄膜从无定形相经焦绿石相转变为钙钛矿相[3～6].薄膜的性能与薄膜的晶粒取向有关,(100)晶向的薄膜介电常数高,适用于动态随机存储器, 而(111)晶向的薄膜剩余极化强度高，适用于铁电随机存储器[7,8]. 近年来人们对用PZT材料制做非致冷红外探测器进行了广泛的研究[9], 不同晶向的PZT材料其红外吸收特性也不同. 因此不同的应用领域需要选用不同晶向的PZT材料. 而PZT薄膜的晶向与制备和退火条件有关, 故掌握不同晶向PZT薄膜的制备工艺显得很重要. 本研究采用电子束蒸发法制备不同Zr/Ti比的PZT薄膜，并研究薄膜的结晶取向和红外吸收特性随生长温度、退火气氛及退火温度的变化规律.1 实验1.1 PZT 靶材料的制备(1) PZT5/95靶的制备将57.49g PbO，1.56g ZrO2，19.17g TiO2粉体混合(3种成分的纯度均为99%,其中PbO按2%过量配比),加入适量水球磨2h,将所得前驱物烘干后放入Al2O3坩埚中加适量蒸馏水预压,然后在800℃煅烧2h,制得Pb(Zr0.05Ti0.95)O3(简记为PZT5/95)块体材料, 作为电子束蒸发制备PZT5/95薄膜所需的靶材料.(2) PZT50/50靶的制备用上面相同的方法将57.49g PbO，15.56g ZrO2，10.097g TiO2混合、球磨、烘干、预压、煅烧可制得Pb(Zr0.5Ti0.5)O3(简记为PZT50/50)靶材料.(3) PZT95/5靶的制备将57.49g PbO，29.55g ZrO2，1.008g TiO2混合、球磨、烘干、预压、煅烧即可得到用于生长Pb(Zr0.95Ti0.05)O3(简记为PZT95/5)薄膜所需的靶材料.1.2 PZT 薄膜的制备及退火处理PZT 薄膜是在10-3Pa真空环境下采用电子束蒸发的方法生长在经过常规半导体工艺清洗干净的n-Si(100)基片上. 为了分析薄膜的晶向与生长温度、退火温度和退火环境的关系, 共制备了3组样品, 样品的厚度在0.5 ～1.00 μm之间. 第一组用于分析生长温度对薄膜晶向的影响, 生长温度选择在50～435℃的范围; 第二组样品均在50℃生长, 用于分析真空下退火温度对薄膜晶向的影响，真空度为10-2Pa, 退火温度为200～450℃的温度; 第三组样品均在50℃生长, 用于分析空气中退火温度对薄膜晶向的影响，退火温度为200～1000℃．1.3 PZT 薄膜的表征薄膜的结晶取向用DMAX-111X射线衍射仪进行分析，所用波长为Cukα线，2θ角以20°/min的速度在20°～60° 之间做连续扫描,扫描步长为0.02°；用AVA7AP330红外光谱仪测量了薄膜的红外吸收光谱．2 结果与讨论2.1 生长温度对晶向的影响对在不同基底温度下(50～435℃)生长的3种成分比的PZT薄膜用X射线衍射进行了分析, X射线衍射(XRD)结果表明: 在一定的基底温度下不同Zr/Ti比的PZT薄膜都可以形成(101)择优取向, 但形成(101)择优取向所需的生长温度随Zr/Ti比的增大而升高. 如图1所示是部分PZT薄膜的XRD 结果. 从图1可以看出50℃的生长温度就可以使PZT5/95薄膜形成(101)择优取向(图1a), 50℃以上的生长温度, 其择优程度更高; PZT50/50薄膜在365℃的温度下生长可形成几乎100%的(101)择优取向(图1b)，而在200℃以下生长则没有明显的择优取向(此处未给出XRD 图); PZT95/5薄膜形成(101)择优取向需要的生长温度更高(如图1c所示), 低于400℃时薄膜没有明显的择优取向.(a)PZT5/95 50℃生长; (b)PZT50/50 365℃生长; (c) PZT95/5 435℃生长图 1 PZT薄膜的X射线衍射图2.2 退火环境对晶向的影响退火环境对薄膜材料的结晶取向有重要影响. 图2是部分PZT薄膜样品真空中退火后的XRD图. 从图2可以看到, 不同Zr/Ti比的PZT薄膜在真空中足够高的温度下退火时, 薄膜都形成(110)择优取向. 此外还发现, PZT50/50薄膜经300℃退火后其XRD并不显示明显的择优取向, 说明PZT50/50在真空中退火时形成择优取向所需的退火温度应当不低于约350℃；而PZT95/5薄膜在真空中370℃温度退火2h 后，薄膜也没有明显的择优取向, 说明PZT95/5 在真空中退火时形成明显(110)择优取向所需退火温度高于370℃. 这些XRD结果表明在真空中退火时，PZT薄膜形成(110)择优取向所需的退火温度随Zr/Ti的增大而升高.(a)PZT5/95 350℃退火; (b) PZT50/50薄膜350℃退火; (c) PZT95/5 400℃退火图 2 真空中退火2 h后PZT薄膜的XRD图不同Zi/Ti比的PZT薄膜在空气中退火时表现出与真空中退火不同的择优取向特性. 图3是3种成分的PZT薄膜在空气中退火2h后的X射线衍射结果.从XRD结果可以看出，PZT5/95薄膜经250℃退火后具有很好的(101)择优取向, 根据择优取向程度的一般表示法ɑhkl=Ihkl/∑Ihkl[10], 其中Ihkl为各个衍射峰的相对高度, 可以算得PZT5/95 (101)择优取向参数为ɑ101=81%. PZT50/50薄膜在空气中500℃退火后的择优取向为(110)晶向, 且ɑ110=70%, 而400℃以下退火后PZT50/50的XRD没有明显的择优取向特性. PZT95/5薄膜在700℃以下退火无明显的择优取向, 在700℃以上退火时薄膜为(100)择优取, 其择优取向程度随退火温度升高而增大, 800℃、850℃和900℃退火后(100)择优取向参数ɑ100分别为70.3%，76.2%和78.3%. 从以上分析可以看出PZT5/95，PZT50/50和PZT95/5薄膜空气中退火时分别形成(101)，(110)和(100)择优取向所需的最低退火温度随Zr/Ti的增大而升高.(a)PZT5/95 250℃退火; (b)PZT50/50 500℃退火; (c)PZT95/5 850℃退火图 3 空气中退火2 h后PZT薄膜的XRD图对于PZT薄膜, 随着Zr/Ti比的增大, 能形成择优取向所需要的生长温度或退火温度都增大, 其原因可能是由于Zr原子半径比Ti大, 从而Zr原子进入晶格所需要的激活能也大, 因此需要更高的温度.2.3 红外吸收光谱PZT材料由于具有良好的热释电性, 因此是很好的制做非致冷红外探测器的材料. 对不同晶向的PZT薄膜进行了红外吸收特性的测量. 结果表明, 不同晶向的PZT薄膜材料其红外吸收特性不同. (101)择优取向的PZT薄膜在近红外至长红外波段内的吸收都比较均匀(图4), 而(100)择优取向和(110)择优取向的PZT薄膜在长红外波段(833～1250cm-1) 具有明显的增强吸收(图5), 这个吸收峰通常被认为是由于Ti-O 键和Pb-O键的伸缩振动引起的[3,11]. 由吸收光谱的特点可知(100)择优取向和(110)择优取向的PZT薄膜比(101)择优取向的PZT薄膜更适合于制做长红外非致冷探测器.图 4 (101)晶向PZT薄膜的红外吸收光谱图图 5 (100)和(110)晶向PZT薄膜的红外吸收光谱3 结论(1) XRD测量表明电子束蒸发制备不同Zr/Ti比的PZT薄膜在一定的生长温度下都可以形成(101)择优取向, 但形成(101)择优取向所需的生长温度随Zr/Ti比的增大而升高.(2) 真空中退火时, 不同Zr/Ti比的PZT薄膜都形成(110)择优取向, 但形成(110)择优取向所需的退火温度随Zr/Ti比的增大而升高.(3) 空气中退火时, PZT薄膜择优取向的晶向与Zr/Ti比有关, PZT5/95 的择优取为(101)晶向, PZT50/50的择优取向为(110)晶向, 而PZT95/5 的择优取向是(100)晶向.(4) 在长红外波段(100)和(110)晶向的PZT薄膜比(101)晶向的PZT薄膜具有更高的吸收系数.致谢: 作者感谢上海师范大学生环学院孙大志教授和朱杰、陶振卫2位研究生在PZT靶材料制备及PZT薄膜红外吸收光谱测量中提供的帮助.参考文献:[1] ROSSETTI G A. Phase coexistence near the morphotroic phase boundary in lead zirconate titanate(PbZrO3- PbTiO3) solidsolutions[J].Appl Phys Lett,2006,88(8):072912-1.[2] 戴玉蓉.PZT陶瓷材料的微结构及物性[D].南京大学博士论文,2002.[3] ESCOTE M T. Highly oxygen-pressure annealing effects on the ferroelectric and structural properties of PbZr PbZr0.3Ti0.7O3 thin films[J]. Appl Phys Lett,2004,96(4):2186-2191.[4] 蒲兴华.PZT陶瓷厚膜的制备和性能研究[D].中科院上海硅酸盐研究所博士论文,2001.[5] SCOTT J F. Ferroelectric thin films in integrated microelectronic devices[J].Ferroelectrics, Part I,1992,133(1):47-60.[6] AL-SHAREEF H N, DIMOS D, WARREN W L, et al. Voltage offset and imprint mechanism in Sr Bi3Ta3O9 thin films[J].J ApplPhys,1996,80(8):4573-4577.[7] AOKI K, FUDUDA Y, NUMATA K, et al. Dielectric properties of (111) and (100) lead-zirconate-titanatefilms prepared by sol-gel technique[J].Jpn J Appl Phys Part I,1994,33(9B):5155-5158.[8] 林殷茵,汤庭鳌,黄维宁,等.用于铁电存储器的PZT薄膜的制备与性能[J].固体电子学研究与进展，2001,21(2):234-238.[9] 李建康，姚熹.锆钛酸铅铁电薄膜的制备及在红外探测器中的应用[J].太原理工大学学报,2004,35(4):388-391.[10]HUI H. Highly a-axis-oriwnted Nb-Doped Pb(TixZr1-x)O3 thin films grown by sol-gel technique for uncooled infrared detectors[J]. Appl Phys Lett，2004,85(22):5310-5312.[11]QIN N, FAN X C, WU S Y, et al. Infrared reflection spectra of Ba6～3xSm8+2xTi18O54 (x=0.5, 0.67, and 0.75) microwave dielectric ceramics [J].J Appl Phys, 2007, 101: 064103.。
红外线传感器的发展与应用
红外线传感器的发展与应用一、引言宇宙间的任何物体只要其温度超过零度就能产生红外辐射，事实上同可见光一样，其辐射能够进行折射和反射，这样便产生了红外技术利用红外光探测器因其独有的优越性而得到广泛的重视，并在军事和名用领域得到了广泛的应用。
军事上，红外探测用于制导、火控跟踪、警戒、目标侦查、武器热瞄准器、舰船导航等。
在民用领域，广泛应用于工业设备监控、安全监视、救灾、遥感、交通管理以及医学诊断技术等。
红外探测就是用仪器接受被探测物发出或者反射的红外线从而掌握被测物所处位置的技术。
作为红外探测系统的核心期间，红外传感器（也称为红外探测器）的研究成为一个热点。
二、红外传感器的综述2.1 红外传感器的定义红外线传感器（n frared tran sducer ）是用红外线的物理性质来进行测量的传感器。
红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。
它是一种不可见光，其光谱位于可见光中红色以外，所以称红外线。
工程上把红外线占据在电磁波谱中的位置（波段）分为：近红外、中红外、远红外、极远红外四个波段。
任何物质，只要它本身具有一定的湿度（高于绝对零度），都能辐射红外线。
2.2 特点红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。
2.3可测量的物理量红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。
2.4红外传感器的原理红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。
在物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波长（或频率）的不同而已。
下面是将各种不同的电磁波按照波（或频率）排成如下图所示的波谱图，称之为电磁波谱。
严谣对1大*w 材-4 匚茲4站 #L»J 电磁波波谱图从图中可以看出，红外线属于不可见光波的范畴，它的波长一般在 0.76 —600卩m 之间（称为红外区。
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热释电PZT薄膜材料及其在红外探测器的应用王幸福无机非金属材料工程 080308113摘要：对敏感元材料锆钛酸铅( PZT) 铁电薄膜的制备、结构和性能, 热释电材料分类, PZT热释电材料的性质及PZT红外探测器作了简易介绍、该研究为铁电薄膜在热释电红外探测器中的应用奠定了基础。
关键词: 热释电材料; 热释电红外探测器。
引言公元前372 年, 人们观察到电气石的热释电效应。
到19 世纪末, 关于热释电效应定量的和理论的研究开始增多。
20 世纪60 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。
,尽管人们很早就发现了红外线和热释电效应,但受到红外探测元件的限制, 红外遥感技术发展非常缓慢。
一个重要的原因是热释电探测器的核心元件———热释电材料的研究进展非常缓慢, 目前用于红外焦平面列阵器件的材料只有锆钛酸铅(PZT), 钛酸锶钡(BST)和钽钪酸铅(PST)等【1】.PZ T 薄膜是一种很重要的钙钦矿型材料, 它们所具有的优越的压电性【2】和热释电性已被广泛应用到射频声波滤波器【3】、微电子机械系统【4】和非致冷红外传感器中【5、6】.由于其优越的铁电性( 如高剩余极化强度、低矫顽场) Pz T 薄膜被广泛实际应用于非挥发性随机存储器【7】等各个相关领域。
热释电材料及其应用研究已成为凝聚态物理和技术中活跃的研究课题之一。
一．热释电的性质及分类1.1热释电材料的性质晶体由于受热温度变化而导致自发极化发生改变，在晶体的一定方向上产生表面电荷，这种现象称为热释电效应(pyroelectric effect)。
在整个晶体中,温度均匀地发生微小变化ΔT与自发极化强度Ps的关系可用式表明：P =p ΔT式中的p为热释电系数，用来描述热释电效应的强弱。
热释电效应是由于晶体中存在着自发极化所引起的。
自发极化的产生原因是物体本身的结构在某方向上正、负电重心不重合而固有的。
晶体的32种对称类型中有21种晶类没有对称中心，有10种晶类具有热释电效应。
当温度发生变化时，引起晶体结构上的正负电荷重心相对位移，从而使得晶体的自发极化发生改变，与极化强度方向垂直的晶体表面就会产生热释电电荷。
是，通常自发极化所产生的表面束缚电荷被屏蔽，因为如果这种材料是导体，那么它的自由电荷分布将与内电偶极矩相抵消；如果是绝缘体，则杂散电荷被吸引而趋附在表面，直到与极化引起的表面电荷相抵消。
只有在晶体受热或冷却，所引起的电偶极矩不能被补偿的情况下，晶体两端产生的电荷才能表现出来【8】。
1.2热释电材料的分类热释电材料是压电材料的一个亚族，而铁电材料又是热释电材料的一个亚族。
目前受到密切关注的热释电材料主要为铁电材料，可以分为以下几种：单晶、铁电陶瓷、铁电薄膜以及高分子有机薄膜材料等【9】，见表1-1。
表1-1热释电材料的分类热释电陶瓷材料主要为钙钛矿结构的铁电体，同样，热释电薄膜材料要为铁电薄膜。
可以分为两大类，一类是含铅的，有PT、PZT、PLT、PLZT、PCT、PLCT、PZFNT和PST等，另一类是不含铅的，主要为BST。
薄膜与相应的块材在性能和结构上有相同之处，但也有不同的地方，如材料的微结构、取向生长等受基片的影响较大，薄膜中还存在界面效应。
此外，由于薄膜属于低维材料，尺寸效应变得突出。
这些将对薄膜的结构以及最终的性能产生较大的影响。
在含铅的薄膜材料中，PT具有较高的自发极化和居里温度，但由于具有较大的c/a比和较高的矫顽场，给材料的制备和极化造成了较大的困难。
由此出现了掺杂改性的铅基钙钛矿铁电薄膜，如PZT、PZFNT、PCT和PLT等。
二．PZT材料及其制备方法2.1PZT 薄膜钙钛矿结构P ZT 薄膜是指锆钛酸铅( PbZr x Ti1 - x O3 , PZT)铁电薄膜,它是ABO3 型钙钛矿(perovs kites) 结构,Zr ,Ti 处于氧八面体的中心,Pb 处于氧八面体的间隙【10】。
单元结构如图1 所示。
2.2PZT薄膜材料纯PZT薄膜与其块材在许多地方有相似之处，如在富Ti区，具有较高的热释电系数、较低的介电常数和介电损耗。
当PbTiO3在PZT中为6～40mol%时，即富锆区，具有两个铁电相变。
在室温附近，随着温度的升高，从低温菱方铁电相转变为高温菱方铁电相，这时自发极化强度会发生突变，使得热释电系数特别大【11】，而介电常数和介电损耗变化很小，具有较高的优值。
但在这个范围内薄膜的生长温度较高，不利于与现有的半导体工艺兼容。
当PbTiO3在PZT中的含量大于47mol%时，即富钛区，虽然没有相变可以利用，但生长温度比富锆区的要低，有利于与现有的半导体工艺兼容。
2.3PZT铁电薄膜材料的制备及相关物理问题【12】我们之所以选择PZT铁电薄膜作为研究重点，主要基于一下几点因素：（1）PZT薄膜具有较高的铁电相变温度（Tc），PZT薄膜的Tc一般在200℃以上，故适合以本征热释电模式工作的红外器件。
（2）PZT具有非常可观的热释电系数，可以保证红外器件有较高的响应率。
（3）PZT薄膜的介电常数较大。
在红外焦平列阵技术中，考虑到探测单元与读出放大系统之间的电容匹配，要求铁电薄膜具有足够大的介电常数。
（4）PZT薄膜的结构和性质随Zr／Ti比值的变化而改变。
例如，当Zr／Ti比值在55／45和95／5之间时，PZT薄膜属于三方相，当此比值小于53／47时，呈四方相结构。
因此，人们可通过调整组份来制备所需性能的PZT薄膜（见下图）。
锆钛酸铅（PZT）的相图2.4热释电PZT薄膜的制备方法目前, PZT 薄膜的制备方法主要有磁控溅射、射频溅射、激光闪蒸、金属有机化合物气相沉积(MOCVD) 以及溶胶2凝胶( Sol2Gel) 等。
Sol2Gel 与其他方法相比具有设备简单,化学计量容易控制,可以得到大面积均匀薄膜以及合成温度较低等优点。
笔者利用Sol2Gel 法制备出Pb (Zr0. 52Ti0. 48) O3 铁电薄膜,并对其微观结构、介电性能和铁电性能进行了研究。
另外采用半导体光刻工艺和化学腐蚀法对PZT 薄膜进行了刻蚀,同时采用剥离技术对相应的电极实现了图形化【13】.三热释电PZT材料在红外探测器的应用目前，PZT薄膜的应用大部分集中在红外探测器上，它是基于薄膜的热释电效应，利用热电系数较高的薄膜材料表面电荷极化强度随温度变化的特性，以非接触的形式检测从物体辐射出来的红外线能量，并依其变化转换成电信号，以电压或电流形式取出变量的一种热学型红外传感器。
图（a）和(b)是基于PZT材料热释电性制备的红外探测器【14】。
红外探测器因具有灵敏度高、频率范围宽、隐蔽性好、功能低、抗干扰、响应快、可以在室温下工作、价格便宜、安装简便等特点，广泛应用在夜视装置、卫星遥感探测装置、导弹、坦克等的探测装置、银行、保险公司的报警器等地方。
（a）山东淄博博山新颖传感器厂生图（b）德国海曼公司生产的产的双元热释电红外探测器热释电红外探测器3.1PZT红外探测器的基本原理PZT热释电陶瓷材料经过计划后，原先随机去想的小电畴即会转向电场方向，材料呈现出自发极化特性，即使在外电场撤去后，仍保持有自发极化强度。
在与垂直的表面上有面束缚电荷，其密度=Ps。
一般情况下，自发极化建立的电场吸引晶体内部和外部空间的异性自由电荷，使其屏蔽，因此不显电性。
由于Ps随温度变化而变化，当热释电材料吸收周期调制的红外辐射热后，材料的温度和将以调制频率f作周期变化。
当f﹥1／（为热释电体的热时间常数），自由电荷将来不及中和束缚电荷，这样在热释电体的面电极两端便出现开路交流电压。
若将两电极引线连接到前置放大器上。
则周围调制红外光就会在前置放大器输出端产生信号电压V，见下图【15】。
3.2PZT红外探测器的基本机构PZT红外探测器采用面电极形式，电极面就是辐射接受面，其头部结构见下图，与低噪声高阻抗前置放大器相连即成为PZT红外探测器。
（a）衬底结构（b）悬空结构1.窗口2.敏感体3.上电极引线4.下电极引线5.地线6.支架7.衬底8.支柱四、结论与展望PZT 陶瓷材料在红外领域的应用时间为时不久, 但它具有大的热电系数, 可以获得优值因子较高的探测器材料。
今后随着微电子机械技术和集成铁电学的发展,薄膜型热释电红外探测器阵列和焦平面阵列已深受人们的关注。
热释电单片式红外焦平面阵列和混合式非致冷红外焦平面阵列产品已进入商品和军品领域[11]。
随着非致冷红外焦平面阵列技术日益广泛地应用于军品和民品各个相关领域,热释电材料在红外探测领域必将发挥越来越大的作用,并从根本上改变目前红外光电子学的面貌。
参考文献:（1) 新型热释电材料及其在高性能红外探测器中的应用罗豪甦( 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海201800)（2）田中哲郎压电陶瓷材料「M 〕. 北京: 科学出版社, 198 2.（3）刘理天, 任天令, 刘燕翔.采用PZT 薄膜的体声波R F 滤波器设计[ J] .压电与声光, 2001 , 23 ( 1 )： 1 一4（4）杨冰, 杨银堂, 李跃进.PZ T 压电薄膜在微传感器中的应用〔J 」传感技术, 200 3 , 2 2( 12 ) : 73 一7 .（5）李建康, 姚熹。
锆钛酸铅铁电薄膜的制备及在红外探测器中的应用【J 〕.太原理工大学学报, 20 4 , 35 ( 4) : 38一39 1（6）王忠华，李振豪，普朝光，杨培志，林遒慎。
用于非制冷热释电红外探测器的PZT贴点薄膜研究.昆明物理研究所。
（7）林殷茵, 汤庭鳌, 黄维宁, 等用于铁电存储器的PZ T 薄膜的制备与性能〔J 〕固体电子学研究与进展, 20 01 , 21 ( 2 ) : 2 3 4 一2 3 8 ， 2 40 . （8）李世普主编特种陶瓷工艺学203（9）PZT热释电薄膜材料的研究彭家根2005，P3（10）PZT压电薄膜在微传感器中的应用杨冰,杨银堂,李跃进(西安电子科技大学微电子所,陕西西安710071)（11）杨同青，王旭升，张良莹等.PZT94/6陶瓷热释电性能，功能材料，1997，V ol.28,No.5：492～494（12）热释电PZT的薄膜材料物理与器件物理（13）锆钛酸铅铁电薄膜的制备及在红外探测器中的应用1李建康,2姚熹(1.西安交通大学电子材料研究所,陕西西安710049 ;2. 太原理工大学材料科学与工程学院,山西太原030024)（14）PZT薄膜制备、结构与热释电特性测试李珺泓中北大学2005 p5 （15）PZT热释电红外探测器关平（南京航空学院）康琳（无锡微电子工商科研中心）。