Pyroelektrika Der wahre pyroelektrische Effekt beruht auf der

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) 1 Ceramics II 4. Pyroelektrika

Dielektrische Verschiebung Die dielektrische Verschiebung D= e E + Ps (total) e E + (Ps +P induziert) Änderung der dielektrischen Verschiebung mit der Temperatur : d. D/d = d. Ps/d + E × de/d = ps + E × de/d = pg pg = d. D/d für E = konst. ist der generelle pyroelektrische Koeffizient ps = d. Ps/d (die Änderung der spontanen Polarisation mit der Temperatur) ist der sekundäre pyroelektrische Koeffizient 2 Ceramics II 4. Pyroelektrika

Gütekriterium Wünschenswert ist Material mit: 1. ps = d. P/d , gross 2. er möglichst klein, wegen Verstärker hoher Impedanz 3. cp·r möglichst klein, T Änderung der Umgebung soll auch hohe T Änderung im Material bewirken Material-Gütekriterium 3 Ceramics II 4. Pyroelektrika

Pyroelektrische Werkstoffe Anforderungen für IR Sensoren: • • • Keine Depolarisation bei der Einsatztemperatur Signal f(p. H 2 O) F f(DT) (P=Pb, L=La, B=Bi, F=Fe, C=Ca, Co, Z=Zirkonat, T=Titanat, W=Wolframat, 4 N=Niobat). Ceramics II 4. Pyroelektrika

Abhängigkeit der Eigenschaften von der Zusammensetzung PZT Pb. Ti. O 3 × Pb. Zr. O 3 = Pb. Zr 1 -x. Tix. O 3 PLZT = Pb 1 -y. Lay. Zr 1 -x. Tix. O 3 -y/2 = (Pb, La)Zr 1 -x. Tix. O 3 Dielektrizitätskonstante er, wie auch der piezo- und der pyroelektrische Koeffizient besitzen ein Maximum nahe der Phasenumwandlung tetragonal-rhomboedrisch bei ca. 53 Mol% Pb. Zr. O 3 PK Tc FT FRH AO Pb. Zr. O 3 FRN Pb. Ti. O 3 5 Ceramics II 4. Pyroelektrika

Werkstoffkonstanten nahe der morphotropen Phasengrenze im System Pb. Ti. O 3 -Pb. Zr. O 3 Pb. Ti. O 3 6 Ceramics II 4. Pyroelektrika

PZT (Pb. Zr. O 3 -Pb. Ti. O 3) Physikalische Eigenschaften von PZT 90/10 in Funktion des Pb. O Gehaltes 1) Diel. Verluste tan d 2) Dielektrizitätskonstante er 3) pyroel. EMK m. V 7 Ceramics II 4. Pyroelektrika

Dotierungen von PZT Undotierte 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+)O 3 B 1 = Fe, Sc B 2 = Nb, Ta B 1 = Cu, Zn, Ni, Mg B 1 = Co, Cd; B 2 = Nb, Ta; B 2 = W, Mo B 1 (3+) + B 2 (5+) B 1 (2+) + B 2 (5+) 8 Ceramics II 4. Pyroelektrika

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. 9 Ceramics II 4. Pyroelektrika

Bewegungsmelder 10 Ceramics II 4. Pyroelektrika

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 er 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/mol. K eingesetzt, bei leichteren Nichtmetallatomen werden tiefere Werte zwischen 1. 8 cal/mol. K bei Kohlenstoff und 5. 4 cal/mol. K bei Phosphor und Schwefel gebraucht. • Die wichtigsten pyroelektrischen Werkstoffe sind Li. Ta. O 3 und modifizierte PZT-Keramiken. 11 Ceramics II 4. Pyroelektrika

The maximum electric field which arises due to a temperature shift is: where E (pyro) is the induced electric field in volts/meter a is the pyroelectric coefficient in Coulomb/° C meter 2 DT is the temperature difference in °C K 3 is the dielectric constant e 0 is the dielectric permittivity of free space For PZT piezoceramic a is typically ~ 400 x 10 -6 coulomb/°C meter 2 12 Ceramics II 4. Pyroelektrika

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