電性、介電與鐵電陶瓷

焦電性(pyroelectricity)

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焦電晶體藉由產生一陣電荷來偵測溫度的變化。這正是那個當你走過就點亮保全燈或走廊燈的被動紅外線(PIR)感測器背後的效應:你身體的暖意在你移動時掃過感測器,使它的溫度略微改變,而僅僅這個變化就產生了「剛有溫暖的東西移動了」的訊號。

其機制建立在一個永久、內建的極化之上。焦電體是一種即使沒有外加電場也帶著自發極化的極性晶體——它的表面held著束縛電荷,平時被隨時間漂入的雜散自由電荷靜靜中和掉。那個自發極化的大小與溫度有關。把溫度改變 dT,極化就隨之改變,釋放出(或索取)一個等於 p 乘 dT 的表面電荷密度,其中 p 是焦電係數,單位為庫侖每平方公尺每克耳文。關鍵在於這個訊號是一個導數:它對溫度的變化率有反應,而非對溫度本身,所以一個穩定、不變的溫暖物體在自由電荷重新中和它之後便不再有輸出。每個焦電體也都是壓電的(極性晶體必然非中心對稱),而每個鐵電體都是一個極化還可額外被切換的焦電體。

焦電陶瓷是非致冷紅外偵測的主力:動作感測器、熱影像儀、火焰與氣體感測器,以及非接觸式測溫器,所用材料如鉭酸鋰、改質 PZT、硫酸三甘胺酸,以及高分子 PVDF。相較於其他紅外偵測器,焦電體的一大優點是不需致冷、在室溫下即可運作。它們決定性的限制正是機制的另一面:因為它們只對溫度的變化有反應,看不見靜止的熱物體——PIR 感測器對一個完全不動站著的人是「看不見」的,這正是為什麼實用的熱影像儀會在感測器前放一個旋轉的「斬波器」,讓進來的輻射持續被調變。由於它們也是壓電的,因此也具微音性:振動可能偽裝成熱訊號。

走廊 PIR 燈裡有一小塊焦電陶瓷,前面是一片分段透鏡。當一個溫暖的人穿過,透鏡把他的熱量在感測器上掃進掃出;每一次擺掃都使陶瓷的溫度改變零點幾度,隨之而來的電荷脈衝觸發了燈。若你一動不動地站著,過一會兒燈便放棄了——感測器只看得見「變化」。

焦電性是極化對溫度的導數:它回報變化、從不回報穩態,這既是它的天賦、也是它的盲點。

焦電偵測器看不見靜止的熱源。它只在溫度變化時才發出訊號,所以真正的影像儀會用斬波器調變進入的輻射,以持續產生讀值。

又稱
pyroelectric effect熱釋電性熱釋電效應