|
|
|
ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТВ отличие от термопар (термоэлектрических устройств), на выходе которых появляется постоянное напряжение, когда два спая различных металлов находятся при стационарной, но разной температуре (см. раздел 3.9), в пироэлектриках формируется заряд в ответ на изменение температуры. Поскольку изменение температуры происходит при перемещении тепловых волн, пироэлектрические устройства являются детекторами потока тепла. Их иногда называют динамическими датчиками, что соответствует их физической природе. Когда пироэлектрический кристалл подвергается воздействию потока тепла (к примеру, от источника ИК излучения), его температура повышается, и он также становится источником тепла. Пироэлектрики — это материалы с кристаллической структурой, в которых при воздействии на них тепловым потоком появляются электрические заряды. пироэлектрический эффект очень близок к пьезоэлектрическому эффекту. Поэтому многое из того, что было изложено в предыдущем сайте, справедливо и для пироэлектриков. Подобно пьезоэлектрикам пироэлектрики используются в виде тонких пленок, с противоположных сторон которых нанесены электроды для сбора индуцированных теплом зарядов (рис. 3.26). пироэлектрический детектор можно представить в виде конденсатора, электрически заряжающегося от потока тепла. Такой датчик не нуждается ни в каких внешних сигналах возбуждения, ему только требуется соответствующая интерфейсная электронная схема для измерения заряда. Поэтому с противоположной стороны кристалла возникает отток тепла, как отображено на рис. 3.26. Считается, что кристалл обладает пироэлектрическими свойствами, если при изменении температуры в нем появляется спонтанная поляризация. 21 из 32 типов кристаллов не обладают симметрией относительно центра, и только 10 из них проявляют пироэлектрические свойства. В дополнение к пироэлектрическим свойствам все эти кристаллы в той или иной степени являются пьезоэлектриками, т.е. в них появляются заряды в ответ на механическое напряжение. Пироэлектричество было открыто в кристаллах турмалина еще в 18 веке (хотя есть сведения, что греки заметили этот эффект на 23 века раньше). Позже, в 19 веке, для изготовления пироэлектрических сенсоров использовались кристаллы сег-нетовой соли. После 1915 года в качестве пироэлектриков стали применяться следующие материалы: KDP (КН2Р<Э4), ADP (NH4H2P04), ВаТЮ, и композиции PbZr03 и PbTiOv известные как PZT. В настоящее время известно более 1000 материалов, обладающих свойством обратимой поляризации. Они называются ферроэлектрическими кристаллами. Самыми интересными из них считаются триглицин сульфат (TGS) и танталат лития (ЦТа03). В 1969 году ученый Каваи обнаружил, что неко—
Рис. 3.26 пироэлектрический датчик имеет два электрода,
расположенных на противоположных сторонах кристалла. Тепло поступает снизу
вдоль оси 3 и оттекает
торые пластмассы, к примеру, поливинил фторид (PVF) и
поливинилидин фторид (PVDF) [20], обладают сильными пьезоэлектрическими
свойствами. Также оказалось, что эти материалы также являются и
пироэлектриками.
Любой пироэлектрик можно представить в виде композиции
большого числа кристаллитов, каждый из которых ведет себя как маленький
электрический диполь. Все эти диполи имеют произвольную ориентацию (рис. 3.23А). При температуре, превышающей точку Кюри, у кристаллитов нет дипольного
момента. Изготовление пироэлектриков аналогично производству пьезоэлек-триков
(см. раздел 3.6).
Существует несколько механизмов, объясняющих почему
изменение температуры приводит к возникновению пироэлектричества. Изменение
температуры может привести к удлинению или укорачиванию отдельных диполей. На
ориентацию диполей может повлиять их возбуждение от повышения температуры. Эти
явления получили название первичного пироэлектричества. Существует также
вторичное пироэлектричество, то в упрощенном виде можно считать следствием
пьезоэлектрического эффекта (к примеру, возникновение напряжения в материале
из-за теплового расширения). На рис. 3.26 отображен пироэлектрический датчик,
имеющий одинаковую температуру Т в любой точке объема. Будучи электрически
поляризованными, диполи ориентированы так, что одна сторона материала
становится положительно заряженной, а вторая — отрицательной. Однако в
стационарных условиях свободные носители зарядов (электроны и дырки)
нейтрализуют заряды, возникшие вследствие поляризации, и конденсатор,
образованный электродами и пироэлект-риком, разряжается (рис. 3.23В), что
приводит к появлению нулевого заряда на выходе датчика. Тепло на сенсор может
поступать в виде теплового излучения, то поглощается нижним электродом и
распространяется по пиро-электрику, используя механизм теплопроводности. Нижний
электрод иногда покрывают теплопоглощающим слоем из черненого золота или
органического красителя. В результате поглощения тепла нижняя часть сенсора
нагревается (его новая температура становится равной 7*,), что приводит к его
расширению, что, в свою очередь, вызывает изгиб датчика. Появившаяся деформация
означает возникновение механического напряжения и, следовательно, изменение
ориентации диполей. Поскольку материал сенсора также обладает и
пьезоэлектрическими свойствами, его напряженное состояние приводит к появлению
на электродах противоположных по знаку зарядов. Отсюда видно, что вторичный
пироэлектрический эффект можно описать следующей последовательностью событии:
тепловое излучение — > поглощение тепла — « механическое напряжение,
индуцированное теплом — > электрический заряд.
Дипольный момент М объемного пироэлектрического датчика
можно найти по выражению:
где /л — дипольный момент на единицу объема, А — площадь
датчика, h — его толщина. Заряд Qa, собранный на электродах, приводит к
появлению в материале следующего дипольного момента:
(3.73)
M должен быть равен М0, поэтому
(3.74)
Поскольку температура меняется, дипольный момент тоже не
остается постоянным, что и приводит к индуцированию заряда.
Количество поглощенного тепла можно выразить через изменение
диполь-ного момента, при этом ц зависит как от температуры Г, так и от
приращения тепловой энергии AW, поглощенной материалом:
На рис. 3.27 отображен пироэлектрический детектор,
подсоединенный к резистору Rb, отображающему либо внутреннее сопротивление
утечки, либо входное сопротивление интерфейсной схемы, подключенной к выходу
датчика. В правой части рисунка отображена эквивалентная электрическая схема
такого сенсора. Она состоит из следующих трех компонентов: (1) источника тока
/, приводящего к появлению тепла (необходимо помнить, что ток — это движение
электрических зарядов), (2) емкости детектора Си (3) сопротивления утечки Rb.
Рис.3.27 пироэлектрический детектор и его эквивалентная
схема
Выходным сигналом пироэлектрического детектора в зависимости от конкретного применения может быть либо заряд (ток), либо напряжение. Поскольку пироэлектрический датчик является конденсатором, он будет разряжаться через сопротивление Rb. Величина электрического тока через этот резистор и напряжение на нем соответствуют заряду, индуцированному тепловым потоком. Пироэлектрический эффект характеризуется двумя коэффициентами [21]: 
где Ps — спонтанная поляризация (другими словами,
электрический заряд), Е — напряженность электрического поля, а Т — температура
в Кельвинах. Отношение двух коэффициентов можно выразить через диэлектрическую
проницаемость е и электрическую постоянную е0:
(3.77)
Поляризация зависит от температуры, и поэтому оба
пироэлектрических коэффициента являются функциями температуры.
При воздействии источника тепла на пироэлектрик, его
температура повышается на Д71, при этом происходят соответствующие изменения
заряда и напряжения.
Видно, что выходное напряжение датчика пропорционально росту
температуры и пироэлектрическому коэффициенту по заряду и обратно
пропорционально его толщине.
Когда пироэлектрический чувствительный элемент подвергается
воздействию перепада температур, его поляризация (индуцируемый электрический
заряд внутри кристалла) также меняется с температурой. На рис. 3.28 отображена
типовая зависимость поляризации от температуры. пироэлектрический коэффициент
по напряжению Рсоответствует наклону кривой поляризации. Приближаясь к точке
Кюри, этот коэффициент резко возрастает, что объясняется исчезновением
поляризации и потерей пироэлектрических свойств в этом температурном диапазоне. Предполагается, что нелинейность кривой поляризации объясняется увеличением
чувствительности датчика с ростом температуры.
Рис. 3.28. Поляризация пироэлектрического кристалла. Датчик
должен работать и храниться при температурах, значительно меньших точки Кюри
При выборе пироэлектрического материала необходимо учитывать эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую, которую можно оценить по пироэлектрическому коэффициенту связи к1 [21, 22] (к является аналогом пьезоэлектрического коэффициента связи к). Этот коэффициент показывает во сколько раз пироэлектрическая эффективность ниже предельного значения Карно АТ/Т. В Приложении приведены численные значения к 2. Из соответствующей таблицы Приложения видно, что кристаллы триглицин сульфата (TGS) являются самыми эффективными пироэлектрическими преобразователями. Но до недавнего времени из-за низкой температуры Кюри они редко применялись на практике. Поскольку если температура датчика превышает этот уровень, он теряет свои поляризационные свойства. К тому же оказалось, что TGS датчики обладают довольно низкой стабильностью даже при температурах ниже точки Кюри [23]. Однако было обнаружено, что при легировании TGS кристаллов L-аланином (Philips запатентовал название LATGS) в процессе выращивания не только повышается их стабильность, но и несколько увеличивается температура Кюри, которая после этого становится равной 60°С, и, значит, верхний предел рабочих температур возрастает до уровня 55°С, достаточного для многих практических применений. Для производства пироэлектрических сенсоров используются и другие материалы, к примеру, танталат лития и пироэлектрические керамики. Довольно популярным стало применение полимерных пленок. В течение последних лет интенсивно разрабатывались технологии нанесения тонких пироэлектрических пленок. Особенно перспективным считается применение титаната свинца (PbTi03), который относится к классу ферроэлектрических керамических материалов и обладает высокими пироэлектрическим коэффициентом и температурой Кюри (около 490°С). Его основное достоинство — простота нанесения на кремниевые подложки золь-гелевым методом напыления [24]. На рис. 3.29 отображены временные диаграммы, построенные для пироэлектрическою датчика при подаче на его вход ступенчатой тепловой функции. Из диаграмм видно, что электрический заряд достигае г своего пикового значения практически мгновенно, а затем начинает уменьшаться с тепловой постоянной времени тг Это можно объяснить следующим образом: при нагреве поляризация первоначально происходит в самых поверхностных слоях кристаллического материала толщиной в нескольких атомов, температура которых мгновенно повышается до максимального значения. При этом в материалах возникает высокий градиент температур, вызывающий максимальную поляризацию. После чего происходит распространение тепла по всему пироэлектрику, часть того поглощается его массой пропорционально значению теплоемкости С, а другая часть отдается в окружающую среду через тепловое сопротивление R. Все это приводит к уменьшению первоначального заряда. Тепловая постоянная времени определяется произведением теплоемкости датчика на его тепловое сопротивление: xT = CR Предполагается, что на пироэлектрический датчик воздействует источник тепла, обладающий очень высокой теплоемкостью, поэтому его собственной теплоемкостью можно пренебречь. Тогда температура среды Ть во время проведения измерений считается постоянной, в то время как температура датчика является функцией времени и определяется плотностью, удельной теплоемкостью и толщиной детектора. Если входной тепловой поток имеет форму ступенчатой функции, а датчик работает в воздушной среде, для выходного тока можно записать следующее аппрокси-мационное выражение: 
Рис. 3.29. Реакция пироэлектрического чувственного
элемента на тепловую ступенчатую функцию Значения заряда Qgn напряжения V0 для
ясности несколько увеличены
На рис. 3.29 отображено, что заряд Q и напряжение ^никогда не
снижаются до нуля. Рассмотрим почему так происходит: пироэлектрик получает
тепловую энергию со стороны датчика а (рис. 3.26), за счет той
увеличивается температура материала. Рост температуры приводит к скачку заряда
в датчике, уменьшающегося с постоянной времени тг Однако датчик имеет еще одну
сторону — Ь, контактирующую с более холодной средой, через которую происходит
потеря тепловой энергии, т.е. охлаждение датчика. Поскольку стороны а и b
чувственного элемента подвергаются воздействию разной температуры, через
пироэлектрик постоянно проходит тепловой поток. Электрический ток на выходе
пироэлектрического датчика всегда повторяет форму теплового потока, проходящего
через него. Проводя точные измерения, можно убедиться в том, что выходное
напряжение пироэлектрического сенсора равно постоянному значению К0,
пропорциональному величине теплового потока.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
