热释电效应的原理与进展 ppt课件
热释电效应原理简述
热释电效应原理简述热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是利用热释电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极，在上表面覆以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升△T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压△U。
常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。
实质上热释电传感器是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。
在环境温度有ΔT的变化时，由于有热释电效应，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。
所以这种传感器也称为人体运动传感器。
由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可增加到10m左右。
热释电红外感应传感器内部电路及工作原理热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源(热释电元件)、偏置电阻、EMI电容等元器件组成，其内部电路如图1所示。
光学滤镜的主要作用是只允许波长在10μm左右的红外线(人体发出的红外线波长)通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。
红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成，这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。
一旦有人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收，由于角度不同，两片热释电元件接收到的热量不同，热释电能量也不同，不能完全抵消，经处理电路处理后输出控制信号。
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通常，样品在变温过程中并不受到夹持，而 是处于自由的(应力恒定)的状态。在这种情 况下，样品因为热膨胀发生的形变通过压电 效应改变极化，这一部分贡献叠加到初级热 释电效应上。恒应力样品在均匀变温时表现 出来的这一附加的热释电效应称为次级热释 电效应热释电效应(secondary) 。
13
恒应力条件下的热释电效应是初级和次级热 释电效应的叠加。恒应力热释电系数等于初 级热释电系数与次级热释电系数之和。 热释电器件中的热释电体往往既非受夹持， 也非完全自由，而是出于部分夹持状态。这 种情况下热释电系数被称为部分夹持热释电 系数。
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此式左边为总热释电系数Байду номын сангаас右边第一项是初
级热释电系数，第二项是次级热释电系数。
因为：
D xm i emi x Ti i, (8.2)3
这里emi和i分别为压电应力常量和热膨胀系 数，所以式(8.21)为
p X m p m x eT m iX i, (8 .2)4
29
p X m p m x eT m iX i, (8 .2)4
21
由此两式可得出
pE,X m
S Em
X,T
,
(8.12)
它表明，电场和应力恒定时的热释电系数等 于应力和温度恒定时的电热系数。
22
在考虑以T,E和x为独立变量的情况。电位移 的微分形式可写为
dDm x D i E,Tdxi D Em nX,TdEnD TMx,EdT
15
以上讨论的都是可称为矢量热释电效应，因 为它反映的是电偶极矩(矢量)随温度的变化。 一般来说晶体也具有电四极矩，后者在温度 改变时也会发生变化，这种变化应该用张量 来描述，因而称为张量热释电系数，虽然有 迹象表明，这种现象很可能是存在的，但还 没有得到确切的证实。一般认为，即使它存 在也是非常微弱的。
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THANKS
感谢观看
化、远程控制和数据共享，提高其应用范围和便利性。
热释电传感器在未来的展望与应用场景
工业制造
在工业制造领域，热释电传感器可用于监测生产过程中的温度、压 力、流量等参数，提高生产效率和产品质量。
医疗健康
热释电传感器可用于医疗设备中，如监测病人的体温、呼吸等生理 参数，为医生提供准确的诊断依据。
环境监测
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• 热释电传感器概述 • 热释电传感器的工作原理 • 热释电传感器的制造与封装 • 热释电传感器的应用实例 • 热释电传感器的发展趋势与展望
01
热释电传感器概述
热释电效应
• 热释电效应是指某些晶体或陶瓷材料在温度变化时，会改变其 电荷数量的现象。这一效应最初被发现于铁电晶体中，并被广 泛应用于各种传感器和电子器件中。
02
热释电传感器的工作原理
热释电效应的工作原理
1 2 3
热释电效应 热释电效应是指某些晶体或陶瓷材料在温度变化 时，发生电荷释放的现象。这一现象在特定温度 范围内特别显著。
温度变化引起的晶体结构变化 当温度变化时，晶体结构中的正负电荷中心会发 生相对位移，导致晶体表面出现电荷分布。
热释电系数 热释电系数是指单位温度变化引起的电荷释放量。 这个系数是衡量热释电效应强弱的重要参数。
金属电极制备
在热释电薄膜上制备金属电极， 如采用电子束蒸发或溅射沉积 等方法。
衬底准 备
选择合适的衬底材料，如硅片、 玻璃等，并进行清洗。
薄膜图案化
通过光刻、干法刻蚀等技术对 热释电薄膜进行图案化处理。
保护层制备
热释电效应的原理与进展
利用热释电效应的原理，开发出可用于生物医学领域的传 感器、成像技术和治疗设备等。
01
环境监测领域
利用热释电效应检测环境中的温度变化， 开发探测领域
在航天探测领域，可以利用热释电效 应检测宇宙中的红外辐射，为航天器 的制导、导航和通信提供支持。
THANKS FOR WATCHING
能量转换器件
热释电能量转换器件利用热释电效应将热能转换为电能，是 一种高效、环保的能源利用方式。
热释电能量转换器件具有能量转换效率高、结构简单、易于 维护等优点，可应用于太阳能发电、余热回收等领域。
03 热释电效应的研究进展
高性能热释电材料的研究
新型热释电材料的探索
科研人员不断探索新型热释电材料，如钛酸 钡、锆钛酸铅等，以提高热释电性能。
热释电制冷
02
利用热释电材料将电能转换为机械能，实现快速制冷效果，可
用于电子设备散热、食品保鲜等领域。
热释电在新能源领域的其他应用
03
如热释电在太阳能利用、地热发电等领域的应用研究，探索其
在新能源领域更广泛的应用前景。
04 热释电效应面临的挑战与 展望
热释电材料性能的进一步提升
探索新型热释电材料
热释电效应的原理与进展
目 录
• 热释电效应的原理 • 热释电效应的应用 • 热释电效应的研究进展 • 热释电效应面临的挑战与展望
01 热释电效应的原理
热释电效应的定义
热释电效应是指某些材料在温度变化 时，由于晶体结构或晶格常数的变化 ，会在材料内部产生电荷的现象。
这种电荷通常被称为热释电电流或热 电电流，其大小与温度变化速率和材 料本身的性质有关。
优化器件结构设计
通过改进和优化热释电能量转换器件的结构设计，提高其能量转 换效率和稳定性。
第六章-第二十七讲(自发极化与热释电效应 )
自由晶体受热时所热释电效应是 第一类效应和第二类效应之和
热释电效应与弹性边界条件
电场保持不变时，电位移D是应变x和温度T的函数，应变x又是应 力X和温度T的函数
自发极化
➢ 自发极化的单晶体是一个永久带 ➢ 温度变化时，晶体的总电矩发生
电体，自发极化建立的表面束缚 改变，使束缚在表面的自由电荷
电荷被外来的表面自由电荷所屏 层释放掉，晶体呈现带电状态或
蔽，束缚电荷建立的电场被抵消。 在闭合电路中产生电流，这一现
自由电荷
-------------
++++++++++
象称热释电效应。
--------------
++++++++++
束
缚
电 荷
-------------
++++++++++
-------------
++++++++++
+
热释电效应
• 具有自发极化的晶体称热释电晶体。 • 应力也会改变离子间的距离键角，使晶体自发极化强
度改变，热释电晶体总是压电体。
测试方法
热释电效应
• 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
第4章 热电材料 ppt课件
当直流电通过由两种不同导电材料所构成的回路 时，接点上将产生吸放热现象，改变电流方向， 吸放热也随之反向，该效应称之为珀尔帖效应。
1834年Heinrich Lens发现将一滴水置于铋和 锑的接点上，通以正向电流，水滴结成冰，通以 反向电流，冰融化课件
热还是吸热，依温度梯度和电流的方向而定，热
效应∆QT的大小与电流I、温度梯度dT/dx和通 电流的时间∆t成正比，即
QT
I
dT dx
t
式中μ称为汤姆逊系数，其代表单位电荷通过单位
温度梯度时所吸收（或释放）的热量。
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这种可逆的温差电热效应是汤姆逊从理论上预言 的。汤姆逊将两种温差电热效应的系数与温差热 电效应的赛贝克系数联系起来得到汤姆逊关系式
灵敏阈值是可测出电阻变化的最小（热值）功。
数量级在10-9W左右。12
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三、热电导材料的种类
1、正温度系数热电导材料 其特点是温度增高，电导率增加。
2、负温度系数热电导材料 其特点是温度增高，电导率降低。
四、热电导材料的应用
热电导材料可以作热敏电阻等热敏元件，红外 探测器元件。热电导半导体材料可以作半导体 热敏器件、半导体热敏传感器。
∆V与两接点间的温差∆T有关。当∆T很小时 ，∆V与∆T成正比关系。定义∆V对∆T的微分 热电动势为
SAB为材料A和B的赛贝克系数 。
SAB=SA-SB SA、SB为材料A、B的赛贝克
系数
EAB=SAB ∆T 5
图4－1 赛贝克效应
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（二）温差电热效应
在热电回路中，与两接点间的温度差所引起的赛 贝克电动势相反，通电时，在回路中会引起两种 热效应，珀尔帖和汤姆逊热效应。前者出现在电 极的两个接头处；后者发生在两个电极上。
热释电红外传感器PIR原理教程ppt课件
(三)
1.热释电应用电路原理图 2.典型电路设计分析(一) 3.典型电路设计分析(二) 4.聚光系统---菲涅尔镜片
的原理和应用
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热释电红外传感器工作电路原理图
常用放大电路有 哪些?
17
典型电路设计分析(一)
reture
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具体电路应用设计分析(一) [电路工作原理]
探头接收到人体释放的热释红外信号,经VT1、IC2两级放大,输入电压比较器 IC3。其中RP为参考电压调节电位器，用来调节电路灵敏度，也就是探测范围。 平时，参考电压（IC3的（2）脚电压）高于IC2的输入电压（IC3的（3）脚电 压），IC3输出低电平。
二.定性处理 解决有无的问题
7
红外传感器的工作原理 人体辐射 ♣任何发热体都会产生红外线 辐射的红外线波长跟物体温度有关。表面温度越高 ,辐射能量越强。 ♣最强波长和温度的关系满足λm*T=2989（um.k） ♣人体的正常体温为36~37.5。C ， 其辐射的最强的红外线的波长为
9.67~9.64um，中心波长为 9.65um。
传感器只对移动或运动的人体、体温近似人体的物体起作用。
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红外传感器的工作原理
（1）人体经过探头先后被A源或被B源感应，Sa<Sb或Sa>Sb产生差值，双源失去 互补平衡作用而很敏感地产生信号输出，见图（3C）。 （2）人对着探头呈垂直状态运动，Sa=Sb不产生差值，双源很难产生信号输出。
13
径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向)移动则最为敏感.
2
红外传感器在生活中的应用
3
红外传感器在生活中的应用 1.“有电，危险”安全警示电路 用于有电的场合，当有人进入这些场 合时，通过发出语音和声光提醒人们注意安全。 2.自动门 主要用于银行、宾馆。当有人来到时，大门自动打开，人离 开后又自动关闭。 3.红外线防盗报警器 用于银行、 办公楼、家庭等场合的防盗报警。 4.高速公路车辆车流计数器 5.自动开、关的照明灯，人体 接近自动开关等。
第二十七讲(自发极化与热释电效应 )
------------++++++++++
-
------------++++++++++
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+
热释电效应
• 具有自发极化的晶体称热释电晶体。
• 应力也会改变离子间的距离键角，使晶体自发极化强
度改变，热释电晶体总是压电体。 测试方法
热释电效应
热释电效应实质上是热—电耦合方程。与压电效应相似，在电学 量D、E和热学量T、S中，选E和T作自变量，可列出热电线性耦合 方程。 等温介电常数
T Di ij E j Pi T
热电线性耦合பைடு நூலகம்应
电场直接极化效应
热释电效应
逆热释电系数
E
恒电场下热容
C S Pi Ei T T
态是在外场为零时自发地建立起来的，称自发极化。
自发极化
自发极化只存在单一极轴的点群中，在21种不存在对 称中心的点群中，有10种含有唯一极轴点群1，2，m， mm2，3，3m，4，4mm ，6，6mm
Physics of Ferroelectrics, Karin M. Rabe Charles H. Ahn, Springer, 2007
PX(10-6Cm-2K-1) Px(10-6Cm-2K-1) Ppc(10-6Cm-2K-1)
-4.0 -3.5 -9.4 +86.3 -176 -100 +4.0 -600 -2.97 -2.94 -6.9 +60 -175 -116 +0.48 -500 -0.13 -0.67 -0.35 -161 -92
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。
第二十七讲(自发极化与热释电效应)
CdS(6mm) CdSe(6mm) ZnO(6mm) LiSO4 H2O(2) LiTaO3(3m) Pb3Ge3O11(3) 电气石(3m) Sr0.5Ba0.5Nb2O6(4mm)
-4.0 -3.5 -9.4 +86.3 -176 -100 +4.0 -600
-2.97 -2.94 -6.9
+60 -175 -116 +0.48 -500
dE
0
D
D x
dD
(
T
)T
dT
(Βιβλιοθήκη x)T( T
)x
dT
dx
( x X
)T
dX
( x T
)X
dT
(
D T
)
X
,
E
(
D T
)
x
,E
(
D x
)
T
,E
(
x T
)
X
,
E
热释电效应与弹性边界条件
热释电系数由两部分组成：
D P ( T ) X ,E
P'
热释电效应
• 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
dPi Pi dT
• 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。
一些材料的热释电系数
材料
PX(10-6Cm-2K-1) Px(10-6Cm-2K-1) Ppc(10-6Cm-2K-1)
象称热释电效应。
--------------
热释电_精品文档
❖ 这类器件使用时不需要低温条件，频率特性 好，能探测的红外波段非常宽，从可见光至 远红外波段都可以探测，在热探测领域中占 有十分重要的地位。近几年来，非致冷红外 焦平面阵列技术的突破和发展，使热释电— —铁电型非致冷红外焦平而阵列广泛地应用 于军品和民品各个相关领域。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。
丙烯共聚物等
分
类
金属氧化物 陶瓷及薄膜
• 如Zn0、BaTi03、PMN（镁铌酸铅）、 PST（钽钪酸铅）、BST（钛酸锶钡）、 PbTi03、PLT(钛酸铅镧)、PZT（锆钛
材料
酸铅）等
二、热释电材料特点
❖ 2.1、单晶材料 ❖ 最早的实用热释电材料是硫酸三甘肽(TGS)类晶
体
❖ TGS晶体具有热释电系数大、介电常数小、光谱 响应范围宽、响应灵敏度高和容易从水溶液中培 育出高质量的单晶等优点。但它的居里温度较低， 易退极化，且能溶于水，易潮解，制成的器件必 须适当密封。
❖ 具有热释电效应的材料称为热释电材料。
❖ 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。
❖ 思考：热释电材料在温度变化时会在一定方 向上产生表面电荷，也就是说电荷反应了温 度的变化，能否利用这个现象来检测温度？ 实现非电量的电测？
热释电材料的研究历史和现状
❖ 公元前372年，人们观察到电气石的热释电效 应。到1 9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。
热释电材料 结构特点及其极化应用
❖ 电介质材料的电性包括介电性、压电性、铁 电性和热释电性等。
热释电效应 Pyroelectric Effect
热释电效应Pyroelectric Effect 热释电效应；表征和测量；微观机制；相变和应用。
电介质材料之间的关系电介质材料压电材料热释电材料铁电材料压电陶瓷材料约在公元前300年人们就发现了热释电效应。
不过热释电的现代名称pyroelectricity是1824年才由布鲁斯特引入的。
热释电效应很早就被发现的原因是他们很容易显示出来。
关于热释电效应的最早的记录就是电气石吸引轻小物体。
早期主要是对现象的描述，从19世纪末开始，随着近代物理的发展，关于热释电效应的定量和理论的研究日益发展。
在二十世纪六十年代以来，激光和红外技术的发展极大的促进了热释电效应及其应用的研究，丰富和发展了热释电理论，发现和改变了一些重要的热释电材料，研制了性能优良的热释电探测器和热释电摄像管等热释电器件。
热释电效应及其应用已经成为凝聚态物理和技术中活跃的研究领域之一。
这里主要介绍两部分内容。
一是热释电效应的表征和热释电性的测量方法；二是热释电效应的微观机制，热释电效应与相变的关系及热释电材料应用的一些问题。
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是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。
第四章 第一讲 热释电效应
当点群具有对称心时，有
−1
p1 − p1 p1
−1 p2 = − p2 = p2
−
1
p3
−
p3
p3
此时，p=0.
5
4.1.1 热释电效应
热释电效应与晶体对称性
2. 多极轴晶体（32点群为例）
1
2
−
3
2 0
3
2 1
2 0
0
0 1
p1 p2 p3
按照边界条件分为2类
应变恒定
piε
第一类热释电系数（加持边界）
应力恒定
piσ
第二类热释电系数（自由边界）
两类热释电系数哪个大？
8
4.1.2 热释电效应的分类
两类热释电系数的关系
piσ
−
piε
=
α
E
λ
cλEµT
d
T
iµ
9
4.1.3 热释电效应的各向异性特点
热释电效应的各向异性
pi* = aij p j
热释电效应与晶体对称性
3. 4次反轴晶体 4�
0 − 1 0 p1 − p2
1 0 0 p2 = p1
−
1
p3
− p3
p1 = p2 = p3 = 0
综合以上三种情况，热释电效应只可能存在于单一极轴晶体中！ 这类晶体的共同特点是具有自发极化。
7
4.1.2 热释电效应的分类
3 θ
2 ϕ 1
pi* = p1 sinθ cosφ + p2 sinθ sinφ + p2 cosθ
10
多极轴晶体32点群为例热释电效应与晶体对称性34次反轴晶体综合以上三种情况热释电效应只可能存在于单一极轴晶体中
热释电探测器工作原理
热释电探测器工作原理热释电探测器，听起来高大上，其实就是个能感知温度变化的小家伙。
想象一下，它就像一个超级敏感的“热觉察者”，只要有一点点热量变化，它就能嗅到。
这个小家伙主要利用的是热释电效应。
说白了，就是当某些材料受到温度变化时，它们会释放出电荷。
简单来说，温度一升高，这些材料就像打了鸡血一样，开始“嗨”起来，释放出电流来。
你可以把它想象成一个热爱派对的家伙，温度一上升，它就像被点燃了一样，立马响应。
这种效应的运作原理就像我们日常生活中那种“冷热交替”的感觉一样。
比如说，你在外面冻得瑟瑟发抖，回到家里一开空调，那种温暖瞬间包围你的感觉，哇，简直太美妙了。
而热释电探测器就是利用这种热量的变化来检测周围环境的。
让我们聊聊它的实际应用吧。
你知道吗，它们在安防系统中可是大显身手的。
比如说，夜深人静的时候，家里突然响起警报，原来是这个小家伙发现了潜在的入侵者。
就好比你在家里睡觉，忽然感觉到有个“人”在你周围移动，结果是你那个讨厌的室友又出来找吃的，简直让人无奈。
这种探测器还被广泛应用于一些智能家居设备里。
像是自动开关灯的系统，简直方便得不得了。
你走进一个房间，灯光瞬间亮起，仿佛在说：“欢迎光临，我的主人！”不再需要摸黑找开关，真是省心又省力，简直是懒人的福音。
再说说它的工作原理，听上去复杂，其实并不难。
热释电探测器内有一些特殊的材料，比如说钛酸钡。
当这些材料被热量刺激时，它们的电荷会发生变化，从而产生电流。
这就像是在进行一场热量的“跳舞”，温度一变化，电流就开始欢快地流动，最终被探测器接收到。
有趣的是，这些探测器并不是总是“侦探”周围的热量。
有些时候，它们会“失业”，比如在温度变化不大的环境中。
不过，别担心，它们总是准备好迎接下一次的挑战。
就像我们总会有忙碌和放松的时刻，热释电探测器也是如此。
热释电探测器的优点可多着呢。
它们不需要太多电源，使用起来相对环保。
毕竟，随着科技的发展，节能减排已经成了我们生活中的重要一环。
热释电陶瓷的应用-PPT文档资料
0407401 同的金属导线分别连接
起来，一端加热，一端冷却，那么 在导线中将产生电流。当电流流过 两根不同导线的两个接头时，则一 个接头放热，另一个接头吸热。另 外，在一段均匀的导线上，只要温 差存在，也会有电动势发生。这些 就是金属的热电效应。
半导体受热时，由于热激发载流
子增多，使其导电能力增大，电阻 下降。如果两种不同的半导体两端 相互连接成回路，当回路两端保持 温度不同，在回路中就会产生一个 电动势。这种情况称为半导体的热 电效应。
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。
中国热释电材料的制作情况 热释电材料是红外探测器的关键敏感元材料。上海硅 酸盐研究所已开发出一系列具有自主知识产权的热释电陶 瓷材料产品，曾向国内有关用户批量提供热释电陶瓷材料， 有关器件水平达到或超过日本同类产品的水平。
部分热释电陶瓷材料性能
高电阻率 PZT 陶瓷材料 热释电系数 (C/cm•.k) 相对介电常数 介质损耗 电阻率(.cm) 4.510-8 300 510-3 101012 低电阻率PZT 陶瓷材料 3.510-8 210 <1% 1.21011
红外传感器
菲涅耳透镜把红外光线分成 可见区和盲区，同时又有聚 焦的作用，使热释电人体红 外传感器 (PIR) 灵敏度大大 增加。菲涅耳透镜作用一是 聚焦作用，将热释的红外信 号折射（反射）在PIR上；二 是将检测区内分为若干个明 区和暗区，使进入检测区的 移动物体能以温度变化的形 式在PIR上产生变化热释红外 信号，这样PIR就能产生变化 电信号。
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热释电效应形成原理
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。
热释电陶瓷的应用PPT课件
Is=Aeα/Z ·dT/dt= Aeρ ·dT/dt (ρ ＝α/Z为热释电系数)
由上式可知，Is只与热释电材料的温度变化率有关 ，与温度本身无关。
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热释电效应形成原理
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。
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红外探测器
红外探测器用于工业设备检测和监控、疾病早期诊断与医疗监控、消 防和海上救援用头盔夜视仪、高速公路和银行夜间安全监视、森林火灾 预警、仓库和重要物资的夜间监控与保卫、执法辑毒和生活小区防范等 领域。
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红外传感器
热释电传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成， 元件两个表面做成电极，当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电压ΔV。由于它的 输出阻抗极高，所以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会跟空气中的离 子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0， 传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与 环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；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，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。
热释电陶瓷
人们发现某些铁电陶瓷经过极 化以后具有很好的热释电特性，例 如钛酸铅陶瓷、锆钛酸铅陶瓷（Ｐ ＺＴ）等。
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热释电陶瓷的应用
热释电陶瓷主要用于探测红外辐射，遥测表面温度和热再生热释电热机等方 面。红外辐射探测已广泛地应用于工业和空间技术等辐射计、光谱仪、红外 激光探测、热成像管、火山爆发预报以及地球资源的遥测等。随着微机信息 系统、控制系统的应用，热释电陶瓷用作治疗、民用和安全防护等方面的传 感器。这种传感器在室温下作为无角点温度传感器向微机、控制系统提供信 号。如用做断路器、富温补偿器、建筑物和电梯中使用的进出感应器、火灾 报警器、大气环境监测器、控测物体位置的感应元件、控测人体温度分布的 成像元件、有关物质的红外线辐射计数和温度变化测定等元件。
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d m D d E m ,T d ii X E m ,T d n n E p E m ,X d ,( 8 . T 3 )
式中下标m=13,i=16,上标指保持恒定的物 理量。右边第一和第二项分别反映了压电性 和介电性，第三项反映的是热释电性。 如果应力和电场保持恒定（或为零），则有：
dm D p E m ,X dT(8 .4 )
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通常，样品在变温过程中并不受到夹持，而 是处于自由的(应力恒定)的状态。在这种情 况下，样品因为热膨胀发生的形变通过压电 效应改变极化，这一部分贡献叠加到初级热 释电效应上。恒应力样品在均匀变温时表现 出来的这一附加的热释电效应称为次级热释 电效应热释电效应(secondary) 。
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恒应力条件下的热释电效应是初级和次级热 释电效应的叠加。恒应力热释电系数等于初 级热释电系数与次级热释电系数之和。 热释电器件中的热释电体往往既非受夹持， 也非完全自由，而是出于部分夹持状态。这 种情况下热释电系数被称为部分夹持热释电 系数。
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如果样品被非均匀的加热(冷却),则其中将形 成应力梯度，后者通过压电效应也对热释电效 应有贡献，这种因非均匀变温引入的热释电效 应为第三热释电效应（tertiary）或假 （false）热释电效应。称为假热释电效应是 因为任何压电体都可能表现出这种热释电效应， 而在均匀变温的条件下，不属于极性点群的压 电体是不可能有热释电效应的。在测量时要保 证样品受热均匀，以排除假热释电效应。
16热释电ຫໍສະໝຸດ 数以及与其他参量的关系热释电系数和电热系数 弹性电介质的热力学状态可由温度T,熵S,电 场E，电位移D，应力X和应变x这三对物理量 来描述。先考虑取T,E,X为独立变量的情况下， 此时电位移的微分形式可写为：
dm D D X m i E ,TdiX D E m n X,TdnE D T m X,EdT
热释电效应 Pyroelectric Effect
热释电效应； 表征和测量； 微观机制； 相变和应用。
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电介质材料之间的关系
电介质材料 压电材料 热释电材料 铁电材料
压电陶瓷材料
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约在公元前300年人们就发现了热释电效应。 不过热释电的现代名称pyroelectricity是 1824年才由布鲁斯特引入的。热释电效应很 早就被发现的原因是他们很容易显示出来。 关于热释电效应的最早的记录就是电气石吸 引轻小物体。早期主要是对现象的描述，从 19世纪末开始，随着近代物理的发展，关于 热释电效应的定量和理论的研究日益发展。
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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。
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在均匀受热(冷却)的前提下，根据实验过 程中的机械边界条件可将热释电效应分为 两类。 如果样品受到夹持(应变恒定)，则热释电 效应仅来源于温度改变造成的极化改变， 称为初级热释电效应(primary)或恒应变热 释电效应。
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现在讨论热释电系数与其它参量的关系。因 为独立变量为温度，电场和应力，故特征函 数为吉布斯自由能
G U T X i x S i E m D m ( 8 . 5 )
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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。
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在二十世纪六十年代以来，激光和红外技术 的发展极大的促进了热释电效应及其应用的 研究，丰富和发展了热释电理论，发现和改 变了一些重要的热释电材料，研制了性能优 良的热释电探测器和热释电摄像管等热释电 器件。热释电效应及其应用已经成为凝聚态 物理和技术中活跃的研究领域之一。
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这里主要介绍两部分内容。 一是热释电效应的表征和热释电性的测量方
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热释电效应的强弱用热释电系数来表示。 假设整个晶体的温度均匀的改变了一个小 量ΔT，则极化的改变可由下式给出：
PpT, (8.1)
式中p是热释电系数，它是一个矢量，一般 有三个非零分量
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pm P T m, m1,2,3, (8.2) 其单位为C·m-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。
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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。
法； 二是热释电效应的微观机制，热释电效应与
相变的关系及热释电材料应用的一些问题。
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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 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。
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以上讨论的都是可称为矢量热释电效应，因 为它反映的是电偶极矩(矢量)随温度的变化。 一般来说晶体也具有电四极矩，后者在温度 改变时也会发生变化，这种变化应该用张量 来描述，因而称为张量热释电系数，虽然有 迹象表明，这种现象很可能是存在的，但还 没有得到确切的证实。一般认为，即使它存 在也是非常微弱的。