热释电大全
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。
热释电铁电篇
°C ° C ± 5° C 90° C ± 9° C → 4 mm 0 → mm2 − → 3m m3m 120
（立方） 顺电相
居里温度
（四方） 铁电相
（正交） 铁电相
（三方） 铁电相
罗息盐晶体：
顺电相 上铁电居里温度，24°C 铁电相
11
２．３．３ 铁电性
铁电性
电介质晶体中，电偶极子由于它们的相互作用而产生自发平行排列的现象。这 种过程类似于铁磁性中所看到的磁偶极子的自发排列，因而得名铁电性。 原子构型是温度的函数，材料的极化状态将随温度的变化而 变化，这种性质称为热电性(Pyroelectrocity) ，热电性是所 有呈现自发极化的晶体的共性。 铁电体具有自发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向， 在电场作用下，其取向可以改变，铁电体具有的这种性质叫 铁电性(Ferroelectricity)，存在自发极化并不是铁电体的充 分条件。
与磁畴类似，铁电体是由铁电畴组成的。 晶体中铁电相的自发极化总是会分裂成一 系列极化方向不同的小区域，其自发极化 在外部空间建立的电场互相抵消，因而， 整个单晶对外不呈现电场。
相邻 畴极 化方 向相 差 180º 相邻 畴极 化方 向相 差 90º
24
２．３．３ 铁电性
晶体的铁电性
铁电畴
铁电畴：铁电体从顺电相转变为铁电 相时具有自发极化，自发极化一致的 区域称为铁电畴铁 畴壁(Domain Wall)：铁电畴之间的界 面称为畴壁。 为使体系的能量最低，各电畴的极化 方向通常“首尾相连”。
当在低于居里点的温度范围内，一条晶轴 (c轴) 伸长而其他晶轴缩短， 晶体变成四方晶格 (如图所示)。在这种情况下，由于发生极化，Ti4+离 子将沿着晶体单元的晶轴方向分布。 由于晶体结构的不对称而造成极化现象，在不施加外电场或压力的常温 情况下，这种极化现象就存在。这种类型的极化称为自发性极化现象。
热释电
12
脚２低电平，ＶＴ１截止，Ｋ断开
9
例：人体遥感灯光/门铃
10
11
参考文献： 1. 陈尔绍编，《传感器实用装置制作集锦》，人民 邮电出版社，2000年4月北京2版
2. “热释电红外自动测温系统研究”，《传感器世 界》，2001年2期
用HN911L热释电红外探测模块设计一个
自动门开启电路，当有人靠近时，门自动
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
5
三、热释电红外探测模块
讨论：适合于移动人体的探测？ _____ +++++ 体 _晶 __ __ +++++ _____ +++++ 体 _晶 __ __ +++++
传感器、 测量电路
人体静止
晶体
___ +++ 晶 _ _体 _ +++
对外不呈电性
人体移动
对外呈电性
自由电荷释放和补充：充放电现象
6
管脚
1 2 3 4、 5
功
能
输出（无信号：低电平，有信号：高电平） 输出（无信号：高电平，有信号：低电平） 电源（+5V） 增益调节 地
ＨN９１１型
6
7
名 称
电源电压 传感响应度 传感水平视角 传感垂直视角 放大器增益（dB） 放大器频宽（Hz） 输出延时（s） 静态电流（uA） 工作温度（℃） 保存温度（℃） 监控距离（m）
4-2 热释电材料与器件
4.2.3 热释电材料制备方法 TGS热释电单晶一般是通过降低温度法生长晶体，
对TGS饱和溶液进行缓慢降温，降低溶解度产生过饱和 以长出大尺寸优质单晶。LT单晶与铌酸锶钡单晶都是用 提拉法从熔体中生长的。热释电陶瓷的制备方法与压电 陶瓷的制备方法基本一致，都经过配料-混合磨细-预烧二次细磨-造粒-成型-排塑-烧结成形-外形加工-被电极-高 压极化-性能测试的流程。热释电薄膜的制备方法有溅射 法、脉冲激光沉积法、溶胶-凝胶法、流延法等。
热释电温度/红外辐射传感器其结构如图所示，一般由以 下部件构成：一个菲涅尔透镜，用来聚焦红外线，减少环境 中的红外辐射的干扰，并且将检测区域分为可见区和盲区， 当物体移动时，能产生变化的电信号；
热释电红外传感器结构与器件示意图
一个多层膜干涉滤光片，滤掉可见光和无线电波，只 让红外线经过菲涅尔透镜和滤光片照到热释电材料上；
在室温下工作的非制冷红外焦平面阵列（UFPA）是 红外热像仪的核心器件，UFPA由一个个铁电场效应晶体 管探测器构成，其中的铁电薄膜的极化受红外辐射而变化 时，漏极电流也随之发生变化。热释电探测器的性能参数 是影响整机性能的关键因素，包括响应率、噪声、噪声 等效功率、噪声等效温差、探测率、最小可分辨温度和 热响应时间等。UPFA基的红外热像仪已经广泛应用于工 业监测探测、战场侦察监视探测与瞄准、红外搜索与跟踪、 消防与环境监测、医疗诊断、海上救援、遥感等领域。
4.2.4 热释电材料器件 例1 温度/红外辐射传感器
任何物体只要温度高于0K，就会向外辐射红外线，温 度越高，红外辐射越强，而且能够显著地被物体吸收转变 成热量。当热释电温度/红外辐射传感器检测范围物体内有 温度变化时，就会使传感器内的热释电材料温度发生变化， 在两个电极表面产生电荷和电压，检测电压大小，就能获 知物体的温度变化量。热释电传感器拥有价格低廉，性能 稳定，可远距离/非接触探测的优点，在防盗报警、火灾警 报、非接触式开关、红外探测等领域广泛应用。
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。
热释电材料
热释电材料
热释电材料，又称热敏电阻材料，是一种可以将热能转换为电能的新
型材料。
这类材料具有体积小，重量轻，电阻可调等优点，可用于温度检
测和温度控制。
热释电材料一般由半导体或绝缘体材料制成，其特性是温度升高时，
其电阻会随之增大，从而改变电路的工作状态，从而产生温度信号。
目前
常见的热释电材料有硅质热释电材料、聚苯乙烯材料、多元聚合物热释电
材料、硫化橡胶、碳酸钙热释电材料等。
硅质热释电材料是目前应用最广泛的热释电材料，其特点是湿性强、
温度灵敏度高、温度稳定性好，但热稳定性差、电阻变化率低。
多元聚合物热释电材料，其热释电效应是由其含水量决定的，其电阻
敏感度高，劣质的多元聚合物热释电材料劣质程度很高，会因湿气的变化
而产生电阻变化，会影响温度信号的可靠性。
碳酸钙热释电材料是一种热敏电阻新型材料，与传统热敏电阻材料相比，它具有更好的热稳定性。
如果湿度过大，它的热敏效应会降低，因此
也不能用于低温环境。
热释电材料得到了广泛应用，可用于各种温度检测和温度控制系统中。
随着新型材料的出现，热释电材料将会发挥更大的作用，为社会的发展贡
献力量。
热释电原理
热释电原理热释电现象是指当物体中存在温度梯度时，会发生电荷分布的现象。
这种电势差被称为热释电电势差。
热释电效应是一种源于非平衡热力学理论的自然现象。
在很多实际应用中，热释电现象被用来实现物体温度测量、红外探测、长距离无线通讯和防盗技术等。
本文将介绍热释电原理及其在实际应用科技领域中的应用。
我们先来了解一下热释电效应发生的基本原理。
从微观角度上讲，这种效应产生的根源，是由于电荷的热扰动及其在材料中电子散射行为引起的。
如果物体中存在温度差异，其中光电活性材料就会发生外部电场的修正行为，也就是产生所谓的热释电电势差。
这种电势差与温度的梯度成正比。
热释电效应的产生还与材料中的电子特性有很大的关系。
在低温下，材料的导电性非常小，甚至可以达到绝缘状态，因此称为绝缘体。
当材料被加热时，由于电子在材料中移动速度的增加及其能隙的缩小，材料就会逐渐变成一种导体，并产生电子热荷运动。
在这种情况下，热释电效应就会出现。
与其他物理现象不同的是，热释电电势是不依赖于材料形状及其大小的，也与传统的热电效应有所不同。
在热电效应中，温度梯度对电势的影响仅限于材料的两端，而在热释电效应中，电势的变化却可以遍及整个材料的各个部分。
热释电现象所形成的电势差，可以被用来测量材料表面或周围环境的温度差异。
在现代科技中，人们采用热释电相机进行红外成像是一种很常见的方法。
这种相机利用热释电效应在材料表面形成的电势差来显示物体的红外图像，从而实现可见光不可见的热像识别。
这种技术在很多领域中广泛应用，如科研、环保、军事、交通等领域。
在防盗技术领域，热释电原理也被广泛应用。
在一些保密场所或者公共场所，安装了热感应器可以实现自动检测，警示系统以及视频监控等功能。
当存在人或者其他动态物体时，产生的热释电信号可以被热感应器检测到，并转化成电信号，再由相应的处理器和警示器进行指示和警告。
热释电效应是一种基于非平衡态热力学理论的自然现象，它具有广泛的应用及研究价值，并被广泛应用于红外成像技术、长距离无线通信、防盗技术等诸多领域。
一级热释电电流和二级热释电电流 -回复
一级热释电电流和二级热释电电流-回复什么是热释电效应？热释电效应是指某些材料在温度变化时产生电压的现象。
这种效应是由于温度变化引起材料中电荷分布不均匀而产生的。
根据热释电效应的原理和机制，研究人员分别发现了一级热释电电流和二级热释电电流。
一级热释电电流是指在温度快速变化时产生的电流。
当温度迅速升高或降低时，材料中的电荷会由于热运动而重新分布，进而产生电流。
这种电流的产生速度非常快，通常在纳秒或亚纳秒的范围内。
二级热释电电流是指在温度缓慢变化时产生的电流。
当材料的温度变化较为缓慢时，热释电效应也会相应地发生变化。
由于温度的缓慢变化，材料中的电荷重新分布的速度较慢，电荷聚集和扩散的过程比较明显，因此产生的电流也相对较慢。
一级热释电电流和二级热释电电流的产生机制略有不同。
一级热释电电流主要是由于温度变化导致电荷的热扩散效应，即温度变化引起电荷的非平衡。
二级热释电电流则主要是由于温度导致电荷的重新分布和扩散过程，即电荷由于热运动在材料中的重新分布。
对于一级热释电电流而言，材料的特性是至关重要的。
一些具有高比例系数和快速起伏响应的材料，如单晶体和压电材料，通常比其他材料产生更高强度的一级热释电电流。
而对于二级热释电电流而言，材料的特性以及温度变化的速率和幅度都起着重要作用。
通常情况下，温度变化较快且幅度较大的材料会产生更高强度的二级热释电电流。
热释电效应在科学研究和技术应用中具有广泛的应用前景。
通过利用热释电效应，可以开发出各种热电传感器、热电转换器和热电发电装置，用于测量温度、产生电能等。
同时，一级热释电电流和二级热释电电流也是研究红外探测器、光学和电子器件等领域的重要手段。
总而言之，热释电效应是指在温度变化过程中产生的电压现象。
一级热释电电流是在温度快速变化时产生的电流，而二级热释电电流是在温度缓慢变化时产生的电流。
这两种类型的电流产生机制略有不同，受到材料特性和温度变化速率的影响。
研究这些电流的产生机制有助于深入理解热释电效应，并推动相关领域的科学研究和技术应用。
热释电材料
的应用
的应用
热释电材料的最重要应用是热释电传感器和红外成像焦平面。室温红外探测器与列阵的主要工作原理是：当 热释电元件受到调制辐射加热后，晶片温度将发生微小变化，由此引起晶体极化状态的变化，从而使垂直于自发 极化轴方向的晶体单位表面上的电荷发生改变。
利用热释电材料制作的单元热释电探测器在国内外均已形成相当规模的产业。这些室温红外探测器在防火、 防盗、医疗、遥测以及军事等方面具有广泛的应用。热释电材料器件应用的最新发展是用于红外成像系统，即 “夜视”装置，这种装置基于各种物体在黑暗的环境中随其温度的变化而发射具有不同强度和波长的红外线的原 理，使红外摄像机能够接收到来自物体不同部位的不同强度和波长的红外线,从而产生不同强度的电信号,最后被 还原成可视图像。化改变的现象成为热释电效应。热释电效应的原因是晶体中存在着自发极化， 温度变化时自发极化也发生变化，当温度发生变化时所引起的电偶极矩不能及时被补偿时，自发极化就能表现出 来。晶体中温度发生了微小变化，则极化矢量P的改变可表达为热释电系数，这是热释电晶体的主要参数，晶体的 热释电效应是矢量描述，一般有三个分量。
具有对称中心的晶体不可能具有热释电效应，而在20类压电晶体中，也只有某些有特殊极轴方向的晶体才具 有热释电性质，故只有10种极性晶类才是热释电晶类。
铁电晶体
铁电晶体
铁电晶体这类晶体同样具有P值高、性能稳定的特点，但与热释电晶体不同的是在外电场作用下其自发极化 会改变方向。典型的有硫酸三甘肽(TGS)及其改性的材料。
热释电陶瓷
热释电陶瓷
热释电陶瓷与单晶体比较，制备容易，成本低。常用的有如下几种： ①钛酸铅陶瓷其居里温度高，热释电系数随温度的变化很小，是一种较好的红外探测器材料。 ②锆钛酸铅陶瓷是用量很大的压电陶瓷。陶瓷在室温附近具有较大的热释电系数。 ③锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷的居里点高，在常温下使用不退化，热释电性能良好。
热释电效应的原理
热释电效应的原理热释电效应是指在某些材料中，随着温度的变化，会引起该材料内部的电荷分布的改变，从而产生电压差。
这一效应是由于材料中存在着称为热压电效应的物理机制。
热释电效应的原理主要涉及三个方面：热力学效应、压电效应和电荷分布改变效应。
首先，当材料受热时，其中的原子或分子的振动会加剧，导致材料的晶格结构发生变化。
这个过程中，内部的电荷分布也会发生改变，产生电场的不均匀分布。
其次，材料中的电荷分布的不均匀会引起电压差的产生。
最后，材料的压电性质使得电压差可以通过外电路流动，从而产生电流。
具体来说，热释电效应可以分为两种类型：正温度系数效应和负温度系数效应。
正温度系数效应指的是材料在温度升高时，会产生正电压差；而负温度系数效应指的是材料在温度升高时，会产生负电压差。
这两种效应是由材料的晶格结构和化学成分决定的。
热释电效应的应用非常广泛。
首先，热释电材料可以用于温度传感器，通过测量材料产生的电压差来确定温度变化。
其次，热释电材料可以用于红外热成像，通过感应材料产生的电压差来获取目标物体的热能分布情况。
此外，热释电效应还可以用于能量收集和转换，将热能转化为电能，用于供电或储能。
热释电效应的研究和应用也面临一些挑战和限制。
首先，不同材料的热释电特性会有所差异，选择合适的材料对于实现所需的效果非常关键。
其次，热释电材料通常需要较高的温度才能产生较大的电压差，因此需要提供适当的热源来维持温度变化。
此外，材料的热释电效应还受到外界环境因素、材料自身的缺陷和结构等因素的影响，需要进一步的研究和优化。
总的来说，热释电效应是一种利用材料的热力学和电学特性来实现能量转换和传感的重要技术。
随着材料科学和工程的发展，热释电材料的性能和应用前景将会不断提升。
热释电效应的进一步研究将有助于推动材料领域的发展，推动能源转换和传感技术的创新。
人体热释电 应用电路
人体热释电应用电路人体热释电是指人体产生的热量通过辐射的方式释放出去，这种热量可以被检测到并转化为电能。
人体热释电技术被广泛应用于各个领域，尤其在安防、医疗和生活健康等方面发挥着重要作用。
一、人体热释电技术的原理人体热释电技术的原理是基于人体产生的红外辐射热量。
人体的新陈代谢和肌肉活动都会产生热能，这些热能通过红外辐射的形式散发出去。
人体热释电技术利用红外传感器来感知人体散发出的红外辐射，然后将其转化为电信号。
二、人体热释电技术在安防领域的应用在安防领域，人体热释电技术可以用于人体检测和监控。
通过布置红外传感器，可以实时监测人体的活动情况，例如入侵者的行为或者人员的安全状况。
人体热释电技术还可以与其他安防设备结合使用，例如与摄像头、警报器等联动，提高安防系统的效果和响应速度。
三、人体热释电技术在医疗领域的应用在医疗领域，人体热释电技术可以用于疾病诊断和治疗。
通过监测人体的体温变化，可以及时发现体温异常，帮助医生进行疾病早期诊断。
同时，人体热释电技术还可以用于体温调节，例如在低温环境下提供加热功能，或者在高温环境下提供散热功能，保护人体的健康。
四、人体热释电技术在生活健康领域的应用除了在安防和医疗领域，人体热释电技术还可以应用于生活健康领域。
例如，智能家居系统可以通过人体热释电技术来感知人体的存在和活动，从而实现智能灯光的自动开关、智能空调的温度调节等功能。
此外，人体热释电技术还可以用于健身设备，例如心率监测、卡路里消耗统计等。
人体热释电技术作为一种能够将人体产生的热量转化为电能的技术，具有广泛的应用前景。
在安防、医疗和生活健康等领域，人体热释电技术可以发挥重要作用，提高人们的安全性、健康性和生活质量。
随着科技的不断进步，人体热释电技术将会有更多的创新和应用，为人们的生活带来更多便利和保障。
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。
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
热释电效应原理
热释电效应原理热释电效应是指在一些特定的材料中，当其受到热能激发时，会产生电压差，从而产生电流。
这一现象被称为热释电效应，也是研究材料热学和电学相互关系的重要现象之一。
热释电效应的原理可以通过以下几个方面来解释。
首先，材料中的原子和分子具有热振动。
当材料受到外界热源的加热时，材料内部的原子和分子振动加剧，其振动能量也随之增加。
这些振动能量的变化会引起材料内部的电荷分布发生变化。
其次，材料中存在着正负电荷的分离。
由于材料中的原子和分子在热振动的作用下会发生位移，导致正负电荷的分离程度发生变化。
最后，正负电荷的分离变化会导致材料内部的电势差发生变化，从而产生了电流。
热释电效应的应用非常广泛。
其中最常见的应用就是红外探测器。
红外探测器是一种利用热释电效应来探测红外辐射的设备。
当红外辐射照射到红外探测器上时，探测器内部的材料会因为光能的吸收而产生热能，进而产生电势差和电流。
通过测量电势差和电流的变化，就可以获得红外辐射的信息。
因此，红外探测器被广泛应用于红外成像、红外测温等领域。
热释电效应还可以应用于能量转换和储存。
通过将热能转化为电能，可以实现能量的有效利用和储存。
热释电效应还可以应用于无线传感器网络中的能量收集和供电。
通过将热能转化为电能，无线传感器节点可以实现自供电，从而提高了传感器网络的可靠性和稳定性。
除了上述应用，热释电效应还可以用于人体检测和安防领域。
由于人体具有热能辐射，当人体接近热释电器件时，热释电效应会导致电势差和电流的变化。
通过检测这些变化，可以实现对人体的检测和追踪。
因此，热释电效应在安防领域具有重要的应用价值。
热释电效应是一种利用材料中的热能转化为电能的现象。
通过研究和应用热释电效应，可以实现红外探测、能量转换和储存、无线传感器网络以及人体检测和安防等多个领域的应用。
随着科学技术的不断进步，对热释电效应的研究和应用也将不断深入，为人类的生活和工作带来更多的便利和发展。
热释电材料原理及应用
热释电材料原理及应用热释电材料是一种能够将温度变化转化为电能的材料。
它的工作原理是基于热效应和电效应之间的相互转换。
热释电效应是指当某些物质受到热量刺激时，会产生电势差。
这是由于材料内部电荷分布的不均匀性导致的。
当物质的温度变化时，其内部的正、负电荷会发生位移，从而形成电势差。
这种电势差可以驱动电子在外部回路中流动，产生电流。
热释电材料主要分为无机热释电材料和有机热释电材料两类。
无机热释电材料主要包括铁电材料、铁电体材料、铁电聚合物材料等。
有机热释电材料主要是有机高分子材料，例如聚乙烯吡咯烷酮（PVDF）。
热释电材料有许多应用。
首先是能量采集和转换方面的应用。
由于热释电材料可以将温度变化转化为电能，因此可以用于制造热电发电器件。
这些发电器件可以利用环境中的温度变化，例如太阳能、地热能、人体热能等，将其转化为电能。
热释电发电器件可以应用于自动化设备、传感器、移动电源等领域，为这些设备提供持续的电力供应。
其次，热释电材料还可以用于热探测和成像方面的应用。
由于热释电材料对温度的变化非常敏感，因此可以用于制造热像仪和红外测温仪等热成像设备。
这些设备可以通过测量物体表面的温度分布来获取图像信息，并应用于安防监控、工业检测、医疗诊断等领域。
此外，热释电材料还可以用于纳米电子器件和柔性电子器件等领域。
由于热释电材料具有柔性和可塑性等特点，因此可以制造出柔性的电子器件。
这些器件可以应用于柔性显示屏、可穿戴设备、电子皮肤等领域。
此外，热释电材料还可以用于环境监测和控制方面的应用。
由于热释电材料对环境温度变化非常敏感，因此可以用于制造温度传感器和智能控制系统。
这些设备可以检测环境的温度变化，并通过控制系统进行相应的反馈和调节，以实现温度的控制和调节。
总结起来，热释电材料是一种能够将温度变化转化为电能的材料。
它的原理是基于热效应和电效应之间的相互转换。
热释电材料有许多应用，包括能量采集和转换、热探测和成像、纳米电子器件和柔性电子器件、环境监测和控制等领域。
热释电
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选 择 敏 材 料 要 考 虑 的 因 素
工作环境的最高温度; 要求稳定工作的温度范围; 环境状况及条件; 敏感波长区; 被探测的功率水平; 探测器的尺寸; 工作频率; 材料的热电性能、机械加工性能、成本等。
很难找到一种能充分满足上述各项要求的材料。因此,研 制和发展了各种不同类型的热释电材料。
PART ONE
热释电陶瓷
与热释电单晶材料相比,铁电氧化物型热释电陶瓷具有一系列优点, 如易于制成大面积的器 件且成本低, 力学性能和化学性能好, 便于加工, 居里温度高, 所以在通常条件下, 没有退 极化问题. 此外, 在陶瓷中可以进行多种多样的掺杂和取代 ,可在相当大的范围内调节其性能, 如热释电系数, 介电常数和介电损耗等, 从而进一步提高热释电材料的性能. 初期研究的金属氧化物陶瓷热释电材料以各种掺杂改性的 PbZrO3一PbTiO3(PZT)二元系为主。 具有很大的热释电系数,相对介电常数在200-500之间,且相变前后自发极化方向不变,仅数值 改变,介电常数的变化也不大,因此非常适合作热释电材料。但缺点是其相变温度高于室温,且 存在热滞,导致热释电响应的非线性。 热释电性能较高的铁电陶瓷,代表是PLZT陶瓷, 它是用La 置换PbTiO3 - PbZrO3中部分Pb 的 固溶体,其组成为( Pb1- xLax ) ( Zr1- yTiy )O3, 它的居里温度高, 热释电系数也很高, 且随 La的添加量增加, 热释电系数上升, 除了某些组成的铌酸锶钡外, PLZT的热释电系数比其它 材料高, 但其介电系数和介电损耗也较大, 这对热释电电压灵敏不利.
PART ONE
几种典型的热释电陶瓷参数比对
PART TWO
热释电转换
图 2. 铁电体的典型电滞回线
热释电材料(铁电体)的电滞回线是温度的函数。在较低温度下,电滞回线表 现为较高的非线性,随着温度的升高则趋于线性。 只要保持等温条件,随着施加电 场的周期变化,电滞回线循环总是逆时针方向的,并且发生电能转化为热量的情 况,但如果将等温条件的限制移去,并将 2 个不同温度下的电滞回线重叠,则有可 能倒转电滞回线的方向,构成一个‘热生电’的回线。图 3 表示由 Olsen 等人提 出的热电转换循环。如图 3 所示,2 个不同温度下的电滞回线重叠在一起,循环 a-b-c-d-a 由处于高压、低温的 a 点开始。在外部高电压(电场强度)的作用下, 当热释电材料(如薄膜)的温度升高时,放电过程(a-b)发生。在高温下,外部高电
图 1. 热释电效应的工作原理
若 dt 时间内,热释电材料吸收热辐射,温度变化 dΔ T,极化强度变化 dP,则材 料的电流密度为 J = dP/dT ∙ d∆T/dt (1)
其中 dP/dT 称热电系数,用 p 来表示.dቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ T/dt 为温度变化率.热释电材料的
自极化强度与温度有关。
2、 热释电转换循环原理
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3.3.2 热释电红外传感器热释电红外(PIR)传感器，亦称为热红外传感器，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。
目前市场上常见的热释电人体红外线传感器主要有上海赛拉公司的SD02、PH5324，德国Perkinelmer 公司的LHi954、LHi958，美国Hamastsu公司的P2288，日本Nippon Ceramic公司的SCA02-1、RS02D等。
虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和特性参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。
热释电红外线传感器由探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成，如图3-29所示。
对不同的传感器来说，探测元的制造材料有所不同。
如SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；P2288由LiTaO3 制成。
将这些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容。
因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自身产生极化，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。
传感器中两个电容是极性相反串联的。
图3-29 双探测元热释电红外传感器当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，在电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。
当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到两个电容上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。
当人体在传感器的检测区域内移动时，照射到两个电容上的红外线能量不相等，光电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。
综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。
滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，能够有效地滤除7.0~14um波长以外的红外线。
人体的正常体温为36~37.5℃，即309~310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um，中心波长为9.65um，正好落在滤光窗的响应波长的中心。
所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。
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。
由于探测元输出的是电荷信号，不能直接使用，因而需要将其转换为电压形式。
场效应管输入阻抗高达104MΩ，接成共漏极形式来完成阻抗变换。
使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。
对于移动速度非常缓慢的物体，如阳光，两个电容上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低(一般为0.1~10Hz)，即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄(一般为5~15um)，因此，传感器对它们不敏感，因而无输出。
被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成，其结构框图如图3-30所示。
图中，菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而加强其能量幅度。
热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。
图3-30 报警器的结构框图图3-31是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。
人体辐射的红外线中心波长为9~10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
图3-31 人体通过传感器产生的信号BISS0001是一款高性能的传感信号处理集成电路。
静态电流极小，配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式的热释电红外传感器，广泛用于安防、自控等领域能。
BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路，内部电路如图3-32所示。
使用时，根据实际需要，利用运放OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。
然后耦合给运放OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为V M(≈0.5VDD)后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。
由于V H≈0.7VDD、V L≈0.3VDD，所以，当VDD=5V 时，可有效抑制±1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。
COP3是一个条件比较器。
当输入电压Vc>V R时，COP3输出为高电平，进入延时周期。
当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。
当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。
在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
图3-32 BISS0001内部电路图BISS0001的典型应用电路如图3-33所示。
运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器，输出信号Vo经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。
R3为光敏电阻，用来检测环境照度。
当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。
SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。
输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，值为Tx≈24576xR9C7；触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，值为Ti≈24xR10C6。
图3-33 BISS0001典型应用电路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。
热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面电荷的现象。
热释电红外传感器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△T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷△Q，即在两电极之间产生一微弱的电压△V。
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△Q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，△T=O，传感器无输出。
在自然界，任何高于绝对温度(-273℃)时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其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有关。
人体或者体积较大的动物都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅耳透镜滤光片增强后聚集到红外感应源(热释电元件)上，红外感应源在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，进而产生△T并将△T向外围电路输出，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有信号输出，所以这种传感器适合检测人体或者动物的活动情况。
热释电红外传感器常用型号目前常用的热释电红外传感器型号主要有P228、LHl958、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、LHI878、PD632等。
热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端(内部开关管D 极，DRAIN)、信号输出端(内部开关管S极，SOURCE)、接地端(GROUND)。
常见的热释电红外传感器外形如图2所示。
热释电红外传感器的主要参数:热释电红外传感器的主要工作参数有:工作电压:常用的热释电红外传感器工作电压范围为3～15V;工作波长:通常为7.5～14 μm;源极电压:通常为0.4～1.1V，R=47kΩ;输出信号电压:通常大于2.0V;检测距离:常用热释电红外传感器检测距离约为6～10m；水平角度:约为120°；工作温度范围:－10℃～＋40℃。