Пироэлектрический эффект

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 разделе, 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. В 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.

Глава 3. Физические приципы датчиков

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, которое в упрощенном виде можно считать следствием пьезоэлектрического эффекта (например, возник­новение напряжения в материале из-за теплового расширения). На рис. 3.26 показан пироэлектрический датчик, имеющий одинаковую температуру Т₀ 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, которое 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 T₁), 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:

М = μ Ah, (3 72)

Где μ — дипольный момент на единицу объема, А — площадь датчика, h — его тол­щина. Заряд Q_a, собранный на электродах, приводит к появлению в материале следующего дипольного момента:

M₀ = Q_ah

(3.73)

M должен быть равен М₀, поэтому

Q_a = μ A.

(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 показан пироэлектрический детектор, подсоединенный к резистору R_b, отображающему либо внутреннее сопротивление утечки, либо входное сопро­тивление интерфейсной схемы, подключенной к выходу датчика. В правой части рисунка показана 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 R_b.

Пиро­электрический эффект характеризуется двумя коэффициентами [21]:

где P_s — спонтанная поляризация (другими словами, электрический заряд), Е — напряженность электрического поля, а Т— температура в Кельвинах. Отношение двух коэффициентов можно выразить через диэлектрическую проницаемость ε _r. и электрическую постоянную ε ₀: