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4. Pyroelektrika

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Pyroelektrika

Der wahre pyroelektrische Effekt beruht auf der Änderung der spontanen Polarisation Ps eines polaren Materials mit der Temperatur.Die Änderung der Polarisation hat eine Änderung der Oberflächenladung des Werkstückes zur Folge, die gemessen werden kann.

Werkstoffe:Ferroelektrika (polykristallin, spontane Polarisation)Turmalin (einkristallin, spontane Polarisation)

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Dielektrische Verschiebung

Die dielektrische Verschiebung D = E + Ps (total)

E + (Ps +P induziert)

Änderung der dielektrischen Verschiebung mit der Temperatur

D/= Ps/ + E / = ps + E /= pg

für E = konst.

pg = dD/dist der generelle pyroelektrische Koeffizient

ps = dPs/d (die Änderung der spontanen Polarisation mit der Temperatur) ist der sekundäre pyroelektrische Koeffizient

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Gütekriterium Wünschenswert ist Material mit:1. ps = P/d, gross2. r möglichst klein, wegen Verstärker hoher Impedanz3. cp·möglichst klein, T Änderung der Umgebung soll auch

hohe T Änderung im Material bewirken

Material-Gütekriterium rp

s

rV

s

cp

CpF

pc

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Pyroelektrische Werkstoffe

Anforderungen für IR Sensoren:

• Keine Depolarisation bei der Einsatztemperatur

• Signal f(pH2O)• F f(T)

MATERIAL: Tc

(°C)

P

(C/m2K)

r

C

(J/cm3K)

F 1010

(C cm/J)

EINKRISTALLE

LiTaO3 618 170-230 43-54 3.1 - 3.2 1.2 - 1.4

LiNbO3 1210 60 - 83 28-30 2.9 0.4 - 0.8

SbN 121 650 380 2.1 - 2.3 0.7 - 0.8

Pb3Ge3O11 177 110-160 45 2.0 - 2.5 0.6 - 1.2

PbTiO3 490 600 200 2.7 - 3.0 0.9 - 1.1

KERAMIK

PZT 220-350 200-500 250-550

2.4 - 2.6 0.2 - 0.5

PLZT 115-230 350-1700 500-3800

2.6 0.2 - 0.3

PBZT 250 310 235 2.5 0.54

PZFN 250 380 240 2.5 0.63

PCCWT 220 443 230 ca. 3.1 0.61

PCCNT 272 580 220 3.1 0.85

PZT-Polymer

60 30 2.4 0.83

(P=Pb, L=La, B=Bi, F=Fe, C=Ca,Co, Z=Zirkonat, T=Titanat, W=Wolframat, N=Niobat).

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Abhängigkeit der Eigenschaften von der Zusammensetzung

PZT PbTiO3 PbZrO3 = PbZr1-xTixO3

PLZT = Pb1-yLayZr1-xTixO3-y/2

= (Pb,La)Zr1-xTixO3

PbZrO3 PbTiO3 PbTiO3

Tc

AO

PK

FRH

FT

FRN

Dielektrizitätskonstante r, wie auch der piezo- und der pyroelektrische Koeffizient besitzen ein Maximum nahe der Phasenumwandlung tetragonal-rhomboedrisch bei ca. 53 Mol% PbZrO3

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Werkstoffkonstanten nahe der morphotropen Phasengrenze im System PbTiO3-PbZrO3

PbZrO3PbTiO3

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PZT (PbZrO3-PbTiO3)

Physikalische Eigenschaften von PZT 90/10 in Funktion des PbO Gehaltes1) Diel. Verluste tan 2) Dielektrizitätskonstante r

3) pyroel. EMK mV

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Dotierungen von PZTUndotierte PZT-Keramik ist ein p-Leiter

Durch Einbau von Elementen mit unterschiedlichen Valenzen lassen sich die Leerstellen kompensieren bzw. Akzeptor- oder Donatorzustände erzeugen.

AB(4+)O3

B1 (3+) + B2 (5+)

B1 (2+) + B2 (5+)

B1 (2+) + B2 (5+)

B1 = Fe, Sc B2 = Nb, Ta

B1 = Cu, Zn, Ni, Mg B2 = Nb, Ta;

B1 = Co, Cd; B2 = W, Mo

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Pyroelektrische Sensoren - Anwendungen• Empfindlichkeit: ist gegeben durch den Quotienten des Detektorausgangssignals und der auf

den Detektor auftreffenden thermischen Strahlungsleistung (W).

• optische Bandbreite: kennzeichnet den Bereich, in dem der Detektor empfindlich ist.

Typ RPY 97 IRA E002SX4

LHI 958 4192 KIR-0 PID-10

Hersteller Material

Mullard PZT Keramik

Murata PZT Keramik

Heimann Lithium Tantalat

Eltec Lithium Tantalat

Kureka PDVF Polymer

Siemens PDVF Polymer

Eigen-schaft Gehäuse

Doppel-element TO-5

Doppel-element TO-5

Doppel-element TO-5

Doppel-element TO-5

Doppel-element TO-5

Kompen-sations-element nicht kompa-ti-bel

Optische Band-brei-te [m]

6.5 - 14 7 - 14 8 - 14 7.5 - 12 2 - 15 -

Empfind-lichkeit

720 V/W 1300 V/W 3500 V/W 2700 V/W 50 V/W 2200 V/W

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Bewegungsmelder

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Zusammenfassung• Der pyroelektrische Effekt setzt sich zusammen aus dem primären und dem

sekundären Effekt. Der primäre Effekt wird durch die Temperaturabhängigkeit der dielektrischen Verschiebung D hervorgerufen. Den sekundären Effekt verursacht die thermische Ausdehnung.

• Die Güte pyroelektrischer Werkstoffe ist direkt proportional zum pyroelektrischen Koeffizienten pg und umgekehrt proportional zur Dielektrizitätszahl r und zur Volumenwärmekapazität C.

• Die molare Wärmekapazität ist in erster Näherung gleich der Summe der Beiträge der Atomwärmen aller beteiligten Atome. Bei schwereren Atomen wird der Wert von 6.2 cal/molK eingesetzt, bei leichteren Nichtmetallatomen werden tiefere Werte zwischen 1.8 cal/molK bei Kohlenstoff und 5.4 cal/molK bei Phosphor und Schwefel gebraucht.

• Die wichtigsten pyroelektrischen Werkstoffe sind LiTaO3 und modifizierte PZT-Keramiken.

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The maximum electric field which arises due to a temperature shift is:

                                        where E (pyro) is the induced electric field in volts/meter is the pyroelectric coefficient in Coulomb/° C meter 2

T is the temperature difference in °C K3 is the dielectric constant0 is the dielectric permittivity of free space For PZT piezoceramic is typically ~ 400x10-6 coulomb/°C meter2

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