热释电红外传感器

注：热释电红外传感器就是热型的一种
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热释电效应
晶体因温度 变化引起自发极 化强度变化的现 象被称为热释电 效应
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热释电效应
热释电效应的强弱可以借助 热释电系数表示， 当温度变化Δ T在材料各处一 致时， Δ P=pΔ T, 式中P是自发极化强度，p是 热释电系数，是一个矢量， 其符号通常是相对于晶体压 电轴的符号定义的。
• 在民用产品中，其广泛应用于各类入侵报 警器、自动开关(人体感应灯)、非接触测温、 火焰报警器等自动化设施中
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参考文献
[1]D. Akai, K. Hirabayashi, M. Yokawa, and M. Ishida, Pyroelectric infrared sensors with fast response time and high sensitivity using epitaxial Pb(Zr,Ti)O3 films on epitaxial γ-Al2O3/Si substrates[J]. Sensors and Actuators. 2006.111 [2]D. Akai, M. Yokawa, K. Hirabayashi, K.Sawada, and M. Ishida, Ferroelectric properties of sol-gel delivered Pb(Zrx,Ti1-x)O3 thin films on Si using epitaxial γ-Al2O3 layers[J]. Appl.Phys.Lett. 2005.86.202906 [3]张德银，黄大贵等.钽酸锂薄膜材料及其热释电红外传感器应用研究进展 [J]. 材料导报. 2007 [4]L.H. Lin, X.B. Li, X.Wu, and N.Neumann. Dielectric, ferroelectric, and pyroelectric characterization of Mn-doped 0.74Pb(Mg1/3Nb2/3)O30.26PbTiO3 crystals for infrared detection applications[J].Appl.Phys.Lett.2009.95.192903
基本结构和工作原理
★ 常用的感知元件（热释电材料）以陶瓷氧化物和 压电晶体为最多，如PbTiO3、LiTaO3、TGS（硫 酸三甘肽）、PZT等。
★ 体材料器件的研制受到工艺、几何尺寸、成品率、
器件性能等限制，器件的微型化与集成化，薄膜材
料则显出了特殊优势。
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PZT薄膜热释电传感器
PZT薄膜的热释电性能[2] PZT film Pt film AI2O3(001/111) Si substrate(001/111)
红外探测器有多种分类方法：
• 温度：低温 中温和高温
• 响应波长 ：近红外、中红外和远红外 • 用途：单元型、多元阵列型和成像探测 • 探测机理：热探测型与光电探测型
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红外传感器的分类
♦ 热探测型
响应速度比较慢 可以在室温下工作 工作频率宽、灵敏度与波长无关
♦ 光电探测型
响应速度快 冷却条件下使用 对波长具有依存性
5 按照IRE标准的规定，晶轴的正端为晶体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。
注: 机械边界条件和温度变化的方式，因为热释电体
都具有压电性，所以温度变化时造成的形变也会影 响极化的改变。均匀受热时，样品在变温的过程中 发生的热膨胀引起的压力是恒定的，若非均匀变温
热释电红外传感器通过目标与 背景的温差来探测目标 8
基本结构和工作原理
• 当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有 电信号输出；
• 只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出； • 必须对红外辐射进行调制(或称斩光)，使恒定的辐射变成 交变辐射，不断地引起传感器的温度变化，才能导致热释 电产生，并输出交变的信号； 9
热释电红外传感器
姓名：## 学号：###
主要内容
• • • • • 红外传感器及其分类 热释电效应 热释电红外传感器基本结构和工作原理 PZT薄膜传感器 热释电红外传感器应用
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红外传感器
定义：将红外辐射能转换成电能的光敏器件称为红外探测 器，也称为红外传感器。 ★它是红外探测系统的核心，其性能好坏，直接影响系统性能的优劣。
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过程，在样品中会产生温度梯度，对极化也会影响，
这些因素都会导致热释电系数的改变。
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基本结构和工作原理
发光 物体
Fra Baidu bibliotek
聚光 系统
热释 电传 感器
频域 限制 放大 器
信号 处理 电路
定时 电路
继电 器输 出
热释电红外探测系统
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基本结构和工作原理
工作原理
（1）各种波长的红外线射入传感器；
（2）经过入射窗的滤光片，只让必要的 红外线通过； （3）感知元件上层的吸收膜将红外线转 换成热； （4）感知元件表面温度上升，产生表面 电荷； （5）产生的表面电荷以FET放大，输出；
●多晶PZT薄膜热释电性质不明显； ● PZT（001或111）有较大的自发极化； ●可以应用于硅集成热释电传感器； 11
PZT薄膜热释电传感器
PZT薄膜传感器制造流程[1]
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PZT薄膜热释电传感器
与PZT陶瓷传感器相比，PZT薄膜具有快的 响应速度和高灵敏度，比较薄，热功率小。
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应用
• 主要应用于铁路、车辆、石油化工、食品、 医药、塑料、橡胶、纺织、造纸、电力等 行业的温度测量、温度检测、设备故障的 诊断