热释电红外传感器的研究现状

热释电红外传感器的研究现状
苟江川
（哈尔滨工业大学电气学院黑龙江哈尔滨150001）
摘要：热释电红外传感器广泛应用与各种自动控制系统中，目前发展迅速，本文介绍了热释电外传感器的研究现状，包括热释电材料，及其传感器的结构类别及特性。

讨论了热释电传感器的应用领域和发展前景。

关键词：热释电红外传感器；热释电材料；类别；应用。

1.引言
热释电红外传感器是一种新型高灵敏探测元件。

它是利用某些材料的热释电效应制成的红外检测元件。

1938年就曾有人提出过利用热释电效应探测红外辐射的想法, 但长期没有得到重视。

直到20世纪60年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才推动了热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。

90年代初期, 人们采用新材料研制成功了一种新型传感器件一热释人体红外传感器, 它专门用来检测人体辐射的红外线能量, 目前已广泛应用于国际安全防御系统、自动控制、告警系统等中。

2.研究现状
过去, 欧美曾是热释电红外传感器的主要生产者和主要应用市场, 近些年日本奋起直追, 迎头赶上。

现在, 日本多家公司正努力研究和开发多种热释电红外传感器。

例如, 陶瓷公司、Hokuriku 电气工业公司等。

一些产品已占领国外市场[ 1]。

红外传感器主要分两大类, 一类是光电型, 一类是热敏型[ 2]。

前者利用光电效应工作, 响应速度快, 检测特性好。

但需要冷却, 使用不方便。

而且器件的检测灵敏度与红外波长有关。

而热释电器件属于后者, 它工作在室温条件下, 检测灵敏度很高, 而且与辐射波长无关, 可探测功率只受背景辐射的限制。

而且热释电器件响应也很快, 应用又方便。

因此, 热释电红外传感器是光电型传感器无法取代的。

2.1 热释电材料
目前已发现的热释电材料有许多种, 但最常用的不过10 种。

这些热释电材料可分成三类: ( 1)单晶材料, 例如, 硫酸三甘肽( TGS) 或铌酸锂;( 2) 陶瓷材料, 例如, 锆钛酸铅( PZT) 和钛酸铅;( 3) 高分子薄膜材料, 如, 聚偏二氟乙烯。

这三类材料中, 性能最好的是陶瓷材料。

它的居里点高,自发极化强度高, 能大批量生产, 成本低。

【3】
2.2热释电传感器的结构、类别及特性
热释电红外传感器是由陶瓷热释电元件, 氧化铝基底, 场效应管前置电路, 窗口材料和外壳等部分组成的。

为了获得很高的灵敏度, 热释电元件本身必须足够薄, 尽量减小热容量。

同时, 制成的传感器也必须是体积小、热容量小的特定结构。

日本Hokuriku 公司研制的用导电胶将热释电元件与引脚相固定的热释电红外传感器, 不但可保证热释电元件与氧化铝(FET 装在其上) 的间距恒定不变, 而且也避免了热消耗。

一般热释电元件本身厚度为50~ 100u m。

由于热释电元件阻抗很高, 所以易受外来噪声的影响。

为解决这一问题, 在内部插入一个FET 前置级作为阻抗变换电路。

其信噪比很高, 灵敏度极高。

热释电红外传感器主要有双元型、四元型和温补单元型三种。

双元型和四元型广泛用于防盗装置中检测人的出现。

温补单元型用于辐射高温计、气体分析设备、火焰检测器等。

这三种热释电红外传感器中, 应用最广泛的是双元型。

因为它能检测目标的出现和目标的运动方向。

[ 3]
3.应用
热释电传感器的应用比较广泛, 它可探测的红外区域是1 一15 um 。

单元传感器的应用包括入侵报警、火警、气体分析、污染监控等。

而多元列阵, 则可用于热成像、红外光谱分析、激光束剖面等。

热释电器件的某些应用列于表中。

表一热释电传感器的应用
红外探测成像器件其他方面大气温度激光功率控制生物医学成像流速计热量传递
地球资源发动机分析火警
气体分析玻璃加工水平传感器千涉仪
实际探测入侵探测激光探测冶金学
多光子吸收
光热探测
等离子体分析
塑料加工
污染探测
位置传感
辐射计
太阳能电池研究
电子学测试
节能
消防
森林探火
激光准直
激光束剖面分析
军事应用
光学器件
量热计
化学处理
晶体对称性分析
差热分析
剂量计
电热致冷
能量转换
发射率、吸收率
铁电记录
气体探测
导热析气计
激光稳定性
磁共振探测
微波探测
热电离成像
温度计
X 一射线探测
4. 前景
在热电探迎领域中, 热释电材料和器件的研制, 今后仍将会得到较大的重视和发展, 作出这种估计的主要依据是:
( 1 ) 地面和卫星红外天文研究需要性能更好的器件;
( 2 ) 地球卫星和宇宙飞船的辐射计需要性能优良的不致冷探测器,
( 3 ) 室温成像需要性能优良的大面积器件和阵列,
( 4 ) 激光监测需要高损伤阂值、高响应速度的器件和阵列,
( 5 ) 测温、控温、入侵告警、火警、自动控制、工业仪表及玩具等需要廉价和可靠的器件, 并要求某些器件交付生产。

由此可以看出, 热释电材料和器件的前景是美好的, 但研制的任务是艰巨的。

一方面, 我们要通过不同组份和掺杂来提高材料的性能, 也要研究开发新的材料。

但是, 任何新
的热释电材料的发现, 不能期望它出现惊人的性能, 所以必须同时改进传感器的结构, 使性能出现显著的改进。

5.结语
十几年来, 热释电红外传感器的销量每年增长30% 以上。

国外厂家正不断开发新产品以满足未来的市场需求。

目前主要开发多功能多元智能传感器以及其它种类的产品。

可以预见, 热释电红外传感器在家用电器设备中的应用还将迅速增长。

参考文献：
[ 1 ] 闫军. 国外热释电红外传感器的开发应用[ J] . 世
界产品与技术, 1993, 71 ( 6) : 15.
[ 2 ] 肖景和, 赵健. 红外热释电与超声遥控电路[M] .
北京: 人民邮电出版社, 2003. 9.
[ 3 ] 闫军，庄乾章. 热释电红外传感器的类别特性及应用[ J] . 长春大学学报2004,9.。