除因机械应力的作用而引起电极化(压电效应)外,某些晶体中还可以由于温度变化而产生电极化。这种介质因温度而引起表面电荷变化的现象称为热释电效应。
热释电效应是由于晶体中存在着自发极化所引起的。自发极化是由于晶体本身的结构在某方向上正、负电中心不重合而固有的,自发极化矢量方向由负电中心指向正电中心。当温度变化时,引起晶体结构上的正、负电荷中心相对位移,从而使得晶体的自发极化发生改变。
通常,自发极化所产生的束缚电荷来自空气中,富集在晶体外表面上的自由电荷和晶体内部的自由电荷所屏敝,电荷不能显现出来,只有在晶体受热或冷却,即温度变化时,所引起的电矩改变不能补偿的情况下,晶体两端所表现出来的电荷才能表现出来。
既然晶体具有热释电效应的必要条件是自发极化,因此,具有对称中心的晶体不可能具有热释电效应,这一点和压电晶体一样。但是,具有压电性的晶体不一定就具有热释电性。这是因为在压电效应发生时,机械力可以沿一定的方向作用,由此而引起的正、负电中心的相对位移,在不同方向上一般是不等的,而晶体在均匀受热时的膨胀却是在各个方向上同时发生的。并且,在相互对称的方向上必定具有相等的线膨胀系数。
热释电陶瓷主要用于探测红外辐射,遥测表面温度及热再生热释电热机等方面。
红外辐射探测已广泛地应用于各类(工业和空间技术等)辐射计、光谱仪以及红外激光探测和热成像管等方面。
随着微机信息系统、控制系统的广泛应用,热释电陶瓷作为应用于医疗、民用和安全防护等方面的传感器。这种传感器可在室温下,作为无触点温度传感器向微机、控制系统提供信号。
热释电陶瓷传感器的主要用途:
(1) 作为断路器;
(2) 室温补偿器;
(3) 建筑物和电梯中使用的进出感应器;
(4) 火灾报警器;
(5) 大气环境监测器;
(6) 探测物体位置的感应元件;
(7) 探测人体温度分布的成像元件;
(8) 有关物质的红外线辐射计数和温度变化测定等元件。
热释电晶体材料应用已较广,但是,由于陶瓷材料比单晶体材料容易制备,因而成本也相应较低。以下简单论述PbTiO3和PZT系热释电陶瓷。
(1) PbTiO3陶瓷
PbTiO3 为介电常数和机电耦合系数都很好的压电陶瓷,同时也是很好的热释电材料。 PbTiO3的居里点较高,热释电系数随温度的变化很小,可用作稳定的红外探测器。
(2) PZT陶瓷
PbZr1-xTixO3系陶瓷已广泛地用作为压电材料。由于随着x的减少居里点降低,热释电系数增大,但介电常数也增大,未能改变作为热释电元件的性能。但是,利用PbZr1-xTixO3在x=0.1附近的复杂相变,可制得性能较好的热释电元件。
3.几种典型的热释电陶瓷