文档介绍：一、材料热释电的表征
第六节热释电陶瓷材料
热释电系数: 表征材料热释电的主要参量
温度变化不大时:
具有自发极化的晶体或极化了的铁电陶瓷,在与极化方向垂直的两个端面上有束缚电荷
在电场和应力恒定条件下随温度的变化率
热释电系数精确或动态定义:
下标 T, E:应力和电场强度
表面束缚电荷密度的变化与相等
自发极化强度
二、热释电探测器的结构及工作原理
硅窗
热释电体(被覆黑色膜)
FET
外壳
导电支架
连线
热释电探测器的结构简图
晶片或陶瓷片既是换能元件又是贮电电容器元件
热释电晶体或陶瓷薄片的电极面与极化方向垂直
探测器上有周期挡光板
热释电材料表面上的束缚电荷变化
通常对外并不显电性(电矩):
在大气中、表面吸附电荷的补偿作用
温度变化
极化强度变化
表面出现净电荷
自发极化
温度升高
浮游电荷
热释电片两端面上的电荷及两端面间的电压将变化,负载上将有相应的电流
晶片或陶瓷片受辐照、温度变化引起正、负结构离子的相对位移、自发极化变化
若热释电薄片的面积:A, 温度的时间变化:dT/dt,
负载电阻:R, 自发极化强度的时间变化:dPs/dt
电极上的电流密度
热释电引起的负载两端的电压:
热释电引起的负载两端的电压:
常数
热释电系数
电压信号:
可在室温下工作、不必达到热平衡,响应快、时间常数达微微秒,优于其它种类的探测器,对宽的辐射波段(X射线至毫米波)有敏感的响应,结构紧凑
热释电探测器的特性:
应用:仪表和空间技术中的辐射计量仪、
缺点:微振动信号易引入噪音、只能用于交流器件、
热成象系统性能欠佳
红外激光探测和热成象等
三、热释电材料
热释电材料的分类:
热释电单晶材料和热释电陶瓷材料(铁电陶瓷材料)
热释电单晶材料:
硫酸三甘肽( TGS )
铌酸锂( LiNbO3 )
钽酸锂( LiTaO3 )
偏铌酸钡锶( Bax Sr1-x Nb2O6 )
热释电系数
热释电单晶材料的热释电系数大,但单晶、成本高
热释电(铁电)陶瓷材料:廉价、热释电性已接近或达到单晶
几种铁电陶瓷材料热释电性
1、BaTiO3 陶瓷的热释电性能
BaTiO3单晶自发极化随温度的变化
20
40
60
80
8
16
24
100
Ps 突然下降为0
一级相变特性
曲线斜率的绝对值:热释电系数
很小;
很大、但起伏大、不稳定,易退极化
性能比热释电单晶差、应用很少
BaTiO3 陶瓷的剩余极化: 单晶自发极化、
特性体现:
2、PbTi O3陶瓷的热释电性能
优良的热释电材料
PbTi O3的相对介电常数(RT: 约200)比其它铁电陶瓷小;
响应快
PbTi O3陶瓷的热释电系数大;
通常使用温度范围:-20℃~+60℃, PbTi O3陶瓷的热释电系数稳定、作为探测器不需保持恒温、系统较简单
居里温度高、抗辐射性能好;
改性的 PbTiO3 陶瓷热释电探测器、探测灵敏度已达到TGS晶体探测器的数量级
应用:人造卫星上的红外地平仪、热释电红外辐射温度计
3、透明铁电陶瓷PLZT的热释电性能
锆钛酸铅镧(PLZT)化学式:
组分表示:
特性:
②常温使用不退极化、居里温度较高:
①热释电系数大:
PbTiO3 的三倍以上
不仅是著名的电光材料,还是优良的热释电材料
PLZT用作热释电探材料时,应重点考虑选择介电损耗小的组成
③介电系数和介质损耗大:
PbTiO3陶瓷:
PZT陶瓷:
不利获得较大的电压灵敏度
PLZT的研究表明:
几乎与其组成无关
三方晶相: 四方晶相:
4、锆钛酸铅陶瓷材料的热释电性能
许多热释电材料:热释电系数和相对介电系数的比值几乎是常数
难以获得大而小的高频材料
20
40
0
60
80
100
200
300
400
500
100
0
0
系相图
:正交系反铁电相;
:四方系反铁电相;
:顺电相;
:不同尺寸三方系铁电相;
:四方系铁电相
、固溶体的铁电—铁电相变特征:
①低温铁电相转为高温铁电相时,自发极化发突变
热释电系数: