470
6. 0
200
0. 022
PLZT 8/ 40/ 60
245
6. 2
980
0. 012
PLZT12/ 40/ 60
145
6. 3
1300
0. 013
它的压电常量较小, 从而可大大抑制热释电探测 是一种很有希望的热释电材料, PZT 陶瓷材料性 器因机械振动而引起的噪音 电信号输出. 因此, 能见表 2. 近年来, 改性锆钛酸铅的研究工作进展很快, 它
76
蒙自师范高等专科学校学报
第 4卷
光等工序, 从而降低成本; 缺点也有, 介电损耗增 大, 所以探测率优值严重下降. 另一种方法是设 计新的材料或工作模式, 让热释电探测器工作于 铁电相附近, 这是因为, 在材料的铁电相附近, 材 料的介电 常数变化 不大, 而热释 电系数 呈现峰 值, 因而可以大大提高材料的电压响应优值( 即 热释电优值) . 在 PbZrxTi1- xO3( 0. 65< x< 0. 95) 和 某些 PZT 为基的四元系铁电陶瓷中, 都已观察到 铁电相变附近热释电探测响应率的提高.
率的测量, 从而实现对远距离热物体的探测.
3 热释电材料的性能指标及其应用的研
究进展
工程上往往用 3 个优值指数反映对热释电 材料的要求[ 1] :
3. 1 电流响应优值 Fi =
P c'
,
其中
c'是热释电材料
单位体积的热容, 常用热释电材料的约为 2. 5 @
106J#m- 3#K- 1;
3. 2 电压响应优值 FT= cP'E, 其中 E 为热释电材料 的介电常数, 由于不同热释电材料的差别不大,
氨酸并以磷酸 根取代部分硫酸根的 TGS) . 它们
的热释电系数增高, 介电常数降低, 介电损耗减 小, 因此性能全 面优于 TGS. 不过该系 列材料的
缺点是易水解, 需要密封, 并且加工也不方便.
LiTaO3 是铌酸锂型结构的晶体. 它的热释电
子系数小, 电压响应优值 FT 较低, 但因其介电损 耗很小, 所以探测率优值 Fd 相当高, 并且这种材
尽管热释电晶体材料经过不断改进其性能, 具有热释电系数高, 介电常数低, 居里温度高及 制造成本低等优点, 但是采用其晶体, 陶瓷等块 状材料很难制成小型, 大面积, 集成化和低驱动 电压的器件, 因此, 随着微电子技术发展的需求, 对热释电材料薄膜化的要求越来越高[ 4] . 铁电薄 膜已经成为另一大类热释电材料, 它们在热释电 探测上的应用很有前途. 自铁电薄膜的制备技术 在 80 年中期获得突破性 进展以来, 人们一直致 力于研究铁电薄膜在在微电子技术, 光电子技术 和集成光学中的应用. 以经提出和制备了一大批 相关器件, 相对于体材料而言, 薄膜型热释电红 外探测器不仅具有分辨率高, 反应快, 能与微电 子相集成等优点, 而且能够抗氧化, 耐高温, 耐潮
为了简捷地衡量,
常常只比较材料的
P E
或
P Er
,
并
简称之为材料的热释电优值;
3. 3 探测优值, Fd=
P 1 , 其中 tanD为热释电
c'E( tanD) 2
材料的介电损耗因子. 下面我们就综合说明一下
目前一些典型热释电晶体材料存在的一些优点
与缺点.
有机晶体 TGS( 硫酸三甘肽) 和 DTGS( 氘化的
还不断研制新的复合材料, 这是因为, 复合材料 的介电常数和热释电系数都与两相的体积比有 关, 因而可以设计出电压响应优值或探测率优值 可能比单一材料高的复合材料. TGS 颗粒/ PVDF ( PVF2) 聚偏二氟已烯( 聚二氟已烯) 热释电复合 材料就是一个典型例子. 新的复合材料 PVDF 具 有电压的响应优值高的特点; 另一个优点是其易 于制得大面积的薄膜( 6Lm 以下) , 不需减薄和抛
表 2 改性 PZT 陶瓷材料性能
热释电系数 性质材料
P @ 10- 8C/ ( cm2k)
介电常数Er ( 1kHz)
介电损耗因子 Tan D( 1kHz)
国内改性 PZT
> 3. 8
2900
国外改性 PZT 5. 5- 6. 0
1700
< 0. 003 < 0. 008
表 1 列出的 PZ ) FN 陶瓷是改性的 PbZrO3PbFe13 Nb 23O3, 也是一种值得注意的新材料. 它是 以锆酸铅为基的含铌铁酸铅并加入氯化铀而获 得的一种复杂的固溶体新材料, 选择使用的主材 料具有足够高的居里温度和热释电系数, 而氯化 铀的适量( 约 3% ) 加入又使介电常数和介电损耗 都得到降低. 在这种新思想的引导下, 人们除了 对现有材料进行掺杂, 改性或改变晶体切型外,
热释电电压为:
vu=
AR
dQ dt
AR(
dPs dT
)
(
dT dt
)
=
ARP
dT dt
,
其中
P=
dPs 为热释电系 dt
数. 可见, 热释电晶体两极板输出的讯号电压正
比于红外辐射的温度变化率ddTt , 而不取决于晶体 与热辐射是否达到热平衡, 因此可通过测量讯号
电压的变化实现对远距离热辐射目标温度变化
摘 要: 文章列出主要常规红外热释电材 料及其主要参数, 在对它们进行比较的同时, 着重阐述国内外 近年来红外热释电材料在红外热释电探测器方面应用研究的主要进展。
关 键 词: 热释电效应; 红外热释电材料; 热释电 探测器; 铁电薄膜 中图分类号: TM2 文献标识码: A 文章编号: 1008- 9128( 2002) 02- 0073- 04
第2期
杨瑞东 王光科: 红外 热释电材料的研究进展
75
数, 介电常数和介电损耗等, 从而进一步提高热 热释电系数比其它材料高, 但其介电系数和介电
释电材料的性能. 近年来, 由于陶瓷制造工艺的 发展, 出现了热压法, 微细粉末精制法等, 可制成 更致密的陶瓷, 以及随着添加剂研究的进展, 能 够成功地获得热释电性能较高的铁电陶瓷, 其代 表是 PLZT 陶瓷, 它是用 La 置换 PbT io3 - PbZrO3 中部分 Pb 的固溶体, 在晶格中生成 A 缺位, 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
测器. 目前, 这种晶体的生长还有些困难, 需要进
一步研究.
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
湿, 耐辐射, 因而是制作高性能 热释电红外探测 比较理想的的材料.
4 结束语
通过以上分析可以看出, 红外热释电新材料 的研究与应用非常活跃, 并显示了相当 的实力, 我们认为, 铁电薄膜材料比较适宜研究和生产的 实际情况, 将会为红外热释电材料的优选材料.
参考文献: [1] 干 福 熹. 信 息材 料 [ M] . 天 津: 天 津 大 学 出 版 社,
料性能很稳定, 广泛用于单元热释电探 测器, 不
过, 由于其介电常数低, 所以 不适于探测器阵列
中的小面积探测器. SBN- 50( Sr0. 5Ba0. 5Nb2O6) 是一种钨青铜型结
构的晶体, 它的热释电系数较大, 介电损耗较小,
所以探测率优值 Fd 相当高, 它的另一特点是电 容率很大, 所以适用于探测器阵列中的小面积探
我们知道, 当 T>
1 S
的调制光照射到晶体时,
负载两端就会产生交流讯号电压, 其温度变化率
dT dt
将使
垂直于热电轴
图 2 单一元件热释电传感器工 作原理
方向的晶体单位表面的电荷发生变化: ddQt =
dPs dt
,
其中
Q
为晶体表面的电荷面密度,
Ps
为自发
极化强度. 设两极极面积为 A, 负载电阻为 R, 则
1 引言
尽管早在约公元前 300 年, 人们就发现了热 释电效应, 但从 19 世纪末开始, 随着近代物理的 发展, 关于热释电效应定量和理论的研究才日益 增多. 近 20 年来, 随着激光和红外技术的迅速发 展, 无论在温度记录, 气体分 析, 激光功率控制, 遥感及红外成像等许多领域都迫切需要性能优 良的红外热释电敏感器件. 热释电型红外传感器 与其它热电传感器相比, 具有不需要低温工作条 件, 响应速度快( 响应时间可达微秒) 以及在很宽 广的红外光范围, 其响应几乎与波长无关等优良 性能. 目前, 国内外对各种红外热释电材料及热 释电红外传感器的研究十分活跃. 许多具有强热 释电效应的材料, 如单晶, 铁电陶瓷和热释电薄
图 1 热释电晶体在温度变化时所显示的热释电效应示意 a) 恒温下 b) 温度变化时 c) 温度变化 时的等效表现
X 收稿日期: 2002- 03- 05 第一作者: 杨瑞东( 1973- ) , 男, 云南通海人, 助教, 主要从事材料计算、材 料生长模拟研究.
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第 4卷
TGS
49
5. 5
55
0. 025
2. 6
DTGS
62
5. 5
43
0. 020
2. 4
LiTaO3
665
2. 347Βιβλιοθήκη 0. 0053. 2
SBN- 50
115
5. 5
100
0. 003
2. 5
PZ- FN 陶瓷