光电传感技术

光电传感技术

论文题目：

热释电探测器及其应用

设计题目：

光栅传感器十倍频细分电路的设计

院系电子工程学院光电子技术系班级

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热释电探测器及其应用

指导老师：

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摘要：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19世纪末，关于热释电效应定量的和理论的研究开始增多。今天我们对这一概念有了如下定义：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。能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件。热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标。一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。热释电红外传感器的特点是反应速度快、灵敏度高、准确度高、测量范围广、使用方便，随着相关信号处理器性能和可靠性的不断提高，热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。

关键词：光电传感技术；热释电效应；材料选择；具体应用；未来应用领域1、工作原理和材料选择

1.1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，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。如图2所示，热电晶体在自发极化强度Ps的作用下，垂直于Ps的两个晶面上会分别出现等量、异号的面束缚电荷。当热电晶体因吸收光辐射而使其温度由T1上升到T2时，自发极化强度Ps减小，导致晶面上的束缚电荷减少，这相当于晶体表面“释放”了电荷，因此称为热释电效应。

图2

能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，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）[2]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。

热释电器件完成热电转换的条件：

◆ 面电荷密度常被内部或外来的自由电荷所中和，因此不能维持较长时间，其

时间常数为：s 10001-==ερτ（ρε⋅为晶体的介电常数和电阻率）

◆ 只要在该时间内使热释电晶体的温度发生变化，晶体的自发电极化强度将随

温度的变化而变化，从而相应的束缚电荷也随之变化。

◆ 铁电体：具有热释电效应的晶体（硫酸三甘肽TGS ，钽酸锂LiTaO3-LT ，铌

酸锶钡SBN ）

◆ 居里温度：使电极化强度降低到零时的温度。

◆ 单畴化：通过外电场的瞬间作用使铁电体产生较强自发极化强度的过程。

单畴化的热释电晶体，在垂直极化方向的表面上将由表面层的电偶极子构成

相应的静电束缚电荷，且：

（其中σ：面电荷密度；S ，d ：晶体的表面积和厚度）

◆ 热释电晶体的表面束缚面电荷密度等于它的自发电极化强度。 1.2热释电材料的选择原则

σσσ=⋅⋅=∆∆=∑V d S V d S P S

早在2300年前，人类就发现了热释电材料。但直到最近20年来它们才被广泛应用。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。我们可以根据这一特点来作为热释电材料的选择原则。此外，还有一些可作为选择材料的原则，并且与热释电探测器应用相关的重要特性如下：

⏹热释电材料对其温度变化响应，而不是对温度本身响应；

⏹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；

⏹用光学滤波器可设计不同工作波长的探测器；

⏹材料呈电容性，热损极小，不需致冷；

⏹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较低；

⏹用Czocharlski方法可制出廉价的热释电晶体．

热释电晶体对温度变化非常敏感，能探测到10 ℃的温度变化．因此，它非常适于交直流发动机、功率变换及类似场合的过载传感应用。根据此特点作为原则来选择高居里温度的热释电材料能用来探测高温环境中的火灾。图3是典型的热释电探测器信号处理电路的原理框图。

2、红外线气体分析仪的结构及应用

2.1红外线气体分析仪的工作原理

基于热释电效应，物体的红外辐射经光学系统成像在用热释电材料薄片制作的靶面上，靶面吸收红外辐射，温度升高释放出电荷。即：物体表面红外辐射分布→靶面的辐照度→靶面的温度分布→靶面的热释电荷分布→扫描视频信号→热像图。

特点：工作波段长；不用制冷；结构简单可靠；价格低廉；静止物体成像时，必须对物体的辐射进行调制；对于运动物体成像毋须调制，适合于动态物体红外成像，应用广泛。

根据以上原理及特点，并通过与其他的技术与工艺结合，红外线气体分析仪就这样应用而生。如图：