除因機械應力的作用而引起電極化(壓電效應)外,某些晶體中還可以由于溫度變化而產生電極化。這種介質因溫度而引起表面電荷變化的現象稱為熱釋電效應。
熱釋電效應是由于晶體中存在著自發極化所引起的。自發極化是由于晶體本身的結構在某方向上正、負電中心不重合而固有的,自發極化矢量方向由負電中心指向正電中心。當溫度變化時,引起晶體結構上的正、負電荷中心相對位移,從而使得晶體的自發極化發生改變。
通常,自發極化所產生的束縛電荷來自空氣中,富集在晶體外表面上的自由電荷和晶體內部的自由電荷所屏敝,電荷不能顯現出來,只有在晶體受熱或冷卻,即溫度變化時,所引起的電矩改變不能補償的情況下,晶體兩端所表現出來的電荷才能表現出來。
既然晶體具有熱釋電效應的必要條件是自發極化,因此,具有對稱中心的晶體不可能具有熱釋電效應,這一點和壓電晶體一樣。但是,具有壓電性的晶體不一定就具有熱釋電性。這是因為在壓電效應發生時,機械力可以沿一定的方向作用,由此而引起的正、負電中心的相對位移,在不同方向上一般是不等的,而晶體在均勻受熱時的膨脹卻是在各個方向上同時發生的。并且,在相互對稱的方向上必定具有相等的線膨脹系數。
熱釋電陶瓷主要用于探測紅外輻射,遙測表面溫度及熱再生熱釋電熱機等方面。
紅外輻射探測已廣泛地應用于各類(工業和空間技術等)輻射計、光譜儀以及紅外激光探測和熱成像管等方面。
隨著微機信息系統、控制系統的廣泛應用,熱釋電陶瓷作為應用于醫療、民用和安全防護等方面的傳感器。這種傳感器可在室溫下,作為無觸點溫度傳感器向微機、控制系統提供信號。
熱釋電陶瓷傳感器的主要用途:
(1) 作為斷路器;
(2) 室溫補償器;
(3) 建筑物和電梯中使用的進出感應器;
(4) 火災報警器;
(5) 大氣環境監測器;
(6) 探測物體位置的感應元件;
(7) 探測人體溫度分布的成像元件;
(8) 有關物質的紅外線輻射計數和溫度變化測定等元件。
熱釋電晶體材料應用已較廣,但是,由于陶瓷材料比單晶體材料容易制備,因而成本也相應較低。以下簡單論述PbTiO3和PZT系熱釋電陶瓷。
(1) PbTiO3陶瓷
PbTiO3 為介電常數和機電耦合系數都很好的壓電陶瓷,同時也是很好的熱釋電材料。 PbTiO3的居里點較高,熱釋電系數隨溫度的變化很小,可用作穩定的紅外探測器。
(2) PZT陶瓷
PbZr1-xTixO3系陶瓷已廣泛地用作為壓電材料。由于隨著x的減少居里點降低,熱釋電系數增大,但介電常數也增大,未能改變作為熱釋電元件的性能。但是,利用PbZr1-xTixO3在x=0.1附近的復雜相變,可制得性能較好的熱釋電元件。
3.幾種典型的熱釋電陶瓷