ฟิสิกส์พื้นฐานของปรากฏการณ์ไพโรอิเล็กทริกในการตรวจจับด้วยอินฟราเรด: กลไก วัสดุ และการสร้างสัญญาณ

บทนำ: การตรวจจับความร้อนผ่านกระบวนการโพลาไรเซชัน

รังสีอินฟราเรด (IR) ซึ่งมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า มีข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับสถานะความร้อนของวัตถุ การตรวจจับรังสีนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับงานประยุกต์ต่างๆ ตั้งแต่การถ่ายภาพความร้อนและการตรวจจับการเคลื่อนไหว ไปจนถึงการวิเคราะห์ก๊าซและการวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัส ในบรรดาเทคโนโลยีต่างๆ ที่ใช้ในการตรวจจับ IR เทคโนโลยีที่ใช้หลักการของ ปรากฏการณ์ ไพโรอิเล็กทริกมีข้อดีเฉพาะตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการทำงานโดยไม่ต้องใช้ระบบระบายความร้อนที่อุณหภูมิห้อง ปรากฏการณ์ไพโรอิเล็กทริกอธิบายถึงความสามารถของวัสดุบางชนิดในการสร้างสัญญาณไฟฟ้าชั่วคราว (แรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า) เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นจากความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับการโพลาไรเซชันทางไฟฟ้าโดยธรรมชาติของวัสดุ การทำความเข้าใจฟิสิกส์พื้นฐานเบื้องหลังปรากฏการณ์นี้ คุณสมบัติของวัสดุไพโรอิเล็กทริกต่างๆ และวิธีการที่วัสดุเหล่านี้ทำงานร่วมกับรังสี IR ที่ตกกระทบ เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพเทคโนโลยีเซ็นเซอร์สมัยใหม่

ฟิสิกส์ของปรากฏการณ์ไพโรอิเล็กทริก

ปรากฏการณ์ไพโรอิเล็กทริซิตี้มีความเชื่อมโยงโดยตรงกับโครงสร้างผลึกของวัสดุ มันเกิดขึ้นเฉพาะในวัสดุที่มีการโพลาไรเซชันทางไฟฟ้าโดยธรรมชาติ (P _{_s} )ซึ่งหมายความว่าวัสดุนั้นแสดงโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าต่อหน่วยปริมาตรโดยธรรมชาติแม้ใน ausencia ของสนามไฟฟ้าภายนอก ซึ่งต้องอาศัยโครงสร้างผลึกของวัสดุที่ไม่มีจุดศูนย์กลางสมมาตรและอยู่ในกลุ่มจุดขั้ว 1 ใน 10 กลุ่มจากทั้งหมด 32 กลุ่มผลึกศาสตร์

ในวัสดุที่มีขั้วเหล่านี้ ขนาดของการโพลาไรเซชันแบบเกิดขึ้นเอง (P _{_s} ) ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ปรากฏการณ์ไพโรอิเล็กทริกคือการเปลี่ยนแปลงของ P_{_s} นี้เอง ที่ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ (ΔT) ความสัมพันธ์นี้ถูกวัดปริมาณโดยสัมประสิทธิ์ไพโรอิเล็กทริก (p)ซึ่งนิยามว่าเป็นส่วนประกอบเวกเตอร์ของการเปลี่ยนแปลงของโพลาไรเซชันตามแกนขั้วต่อหน่วยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ:

p = งP_s /dT

เมื่อวัสดุไพโรอิเล็กทริกมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสม่ำเสมอ ΔT การเปลี่ยนแปลงของโพลาไรเซชันแบบเกิดขึ้นเอง ΔP _sจะส่งผลให้เกิดประจุบนพื้นผิวที่ตั้งฉากกับแกนขั้ว ประจุความหนาแน่นบนพื้นผิว (σ) ที่เกิดขึ้นนั้นกำหนดโดย:

σ = ΔP_s = p · ΔT

หากวางอิเล็กโทรดบนพื้นผิวเหล่านี้และเชื่อมต่อผ่านวงจรภายนอก การเปลี่ยนแปลงของประจุบนพื้นผิวนี้สามารถแสดงออกมาในรูปของกระแสไฟฟ้าที่วัดได้ ( I ) หากอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงตามเวลา (dT / dt )หรือแรงดันไฟฟ้า (ΔV )ที่เกิดขึ้นกับความจุของวัสดุ ( C ) หากวงจรเปิดหรือมีความต้านทานสูง

I = A · NSP_s /dt = A · p · (dT /dt) ΔV = ΔQ / C = (A · p · ΔT) / C = (p · d · ΔT) / (ε₀ · ε_r)

ในที่นี้Aคือพื้นที่ของอิเล็กโทรดdคือความหนาของวัสดุ ε₀ คือค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าของสุญญากาศ และ εr _คือค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์ของวัสดุ ที่สำคัญคือ ปรากฏการณ์ไพโรอิเล็กทริกจะสร้างสัญญาณก็ต่อเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงเท่านั้นอุณหภูมิที่สูงคงที่จะไม่ก่อให้เกิดสัญญาณ เนื่องจากประจุบนพื้นผิวจะถูกทำให้เป็นกลางอย่างรวดเร็วโดยการนำไฟฟ้าภายในหรือเส้นทางการรั่วไหลภายนอก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับเปลี่ยนรังสีอินฟราเรดที่ตกกระทบ (เช่น การใช้ตัวตัดรังสี) หรือตรวจจับเป้าหมายความร้อนที่เคลื่อนที่เพื่อการทำงานอย่างต่อเนื่อง

กลไกการตรวจจับอินฟราเรดและการจับคู่ขั้ว

กระบวนการตรวจจับรังสีอินฟราเรดโดยใช้วัสดุไพโรอิเล็กทริกนั้นเกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอน ซึ่งคุณสมบัติทางความร้อน ไฟฟ้า และแสงของวัสดุจะมีการปฏิสัมพันธ์กัน:

1. การดูดซับรังสีอินฟราเรด: รังสีอินฟราเรดตกกระทบลงบนองค์ประกอบเซ็นเซอร์ รังสีส่วนหนึ่งจะถูกดูดซับ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะถูกเพิ่มประสิทธิภาพด้วยการเคลือบสีดำชนิดพิเศษบนพื้นผิวเซ็นเซอร์ที่ออกแบบมาเพื่อการดูดซับสูงตลอดช่วงสเปกตรัมอินฟราเรดที่ต้องการ
2. การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ: พลังงานรังสีที่ถูกดูดซับจะทำให้อุณหภูมิของชิ้นส่วนไพโรอิเล็กทริกบางๆ สูงขึ้น (ΔT) ขนาดของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมินี้ขึ้นอยู่กับความเข้มของรังสีที่ถูกดูดซับ มวลความร้อนของชิ้นส่วน (มวล × ความจุความร้อนจำเพาะ) และการนำความร้อนไปยังสิ่งแวดล้อม (การสูญเสียความร้อน)
3. การเปลี่ยนแปลงขั้ว: การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (ΔT) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในโพลาไรเซชันแบบเกิดขึ้นเอง (ΔP) ของวัสดุ_s = p · ΔT) เนื่องมาจากปรากฏการณ์ไพโรอิเล็กทริก
4. การสร้างสัญญาณ: การเปลี่ยนแปลงของขั้วไฟฟ้าส่งผลให้เกิดประจุบนพื้นผิว ซึ่งนำไปสู่สัญญาณกระแสหรือแรงดันที่สามารถวัดได้ ดังที่อธิบายไว้ในสมการข้างต้น

การเชื่อมโยงระหว่างการเปลี่ยนแปลงขั้วของวัสดุและการดูดซับรังสีอินฟราเรดจึงเป็นการเชื่อมโยงทางอ้อมแต่มีความสำคัญอย่างยิ่ง กล่าวคือ การดูดซับรังสีอินฟราเรดเป็นตัวขับเคลื่อนโดยตรงของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (ΔT) และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมินี้เป็นตัวกระตุ้นโดยตรงสำหรับการเปลี่ยนแปลงของโพลาไรเซชันแบบธรรมชาติ (ΔP _s ) ประสิทธิภาพของการเชื่อมโยงนี้ขึ้นอยู่กับการดูดซับของพื้นผิว คุณสมบัติทางความร้อนที่มีอิทธิพลต่อ ΔT (มวลความร้อนต่ำเป็นที่ต้องการ) และขนาดของสัมประสิทธิ์ไพโรอิเล็กทริก ( p ) ที่ควบคุมการตอบสนองของ ΔP _sต่อ ΔT นั้น

การเปรียบเทียบวัสดุไพโรอิเล็กทริก

การเลือกใช้วัสดุไพโรอิเล็กทริกส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ คุณสมบัติที่สำคัญที่ต้องการ ได้แก่ ค่าสัมประสิทธิ์ไพโรอิเล็กทริกสูง ( p ) ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสัมพัทธ์ต่ำ (εr ₎เพื่อการตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น ความจุความร้อนจำเพาะต่ำ ( cp ) และความหนาแน่น (ρ) _ต่ำเพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มากขึ้นจากพลังงานที่ดูดซับ ค่าการนำความร้อนต่ำ ( k ) เพื่อลดการสูญเสียความร้อน อุณหภูมิคิวรีสูง ( Tc ซึ่งสูงกว่านี้คุณสมบัติไพโรอิเล็กทริกจะหายไป) และความเสถียรทางเคมี/เชิงกลที่ดี วัสดุที่ใช้กันทั่วไปสาม _ชนิดแสดงให้เห็นถึงข้อดีข้อเสีย:

• ลิเธียมแทนทาเลต (LiTaO₃):
  • โครงสร้าง: ผลึกเดี่ยวเฟอร์โรอิเล็กทริกที่อยู่ในระบบไตรโกนัล (กลุ่มจุด 3m) มีค่าโพลาไรเซชันแบบเกิดขึ้นเองสูง
  • คุณสมบัติ: มีคุณสมบัติที่สมดุลดี ทั้งค่าสัมประสิทธิ์ไพโรอิเล็กทริกสูง ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับเซรามิก เสถียรภาพทางความร้อนและเคมีที่ดีเยี่ยม และอุณหภูมิคิวรีสูง (~610 °C)
  • กลไก: การเปลี่ยนแปลงใน P_s โดยที่ T เกิดจากการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของไอออนภายในหน่วยเซลล์ที่ไม่สมมาตรแบบจุดศูนย์กลาง
  • วิธีใช้: นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องตรวจจับแบบองค์ประกอบเดี่ยวประสิทธิภาพสูงและอาร์เรย์เชิงเส้น เนื่องจากมีความทนทานและมีคุณภาพโดยรวมที่ดี มีคุณภาพสูงหลายรุ่น ส่วนประกอบการตรวจจับอินฟราเรด อาศัย LiTaO₃
• โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) และโคพอลิเมอร์ของมัน (เช่น P(VDF-TrFE)):
  • โครงสร้าง: พอลิเมอร์กึ่งผลึก ปรากฏการณ์ไพโรอิเล็กทริกส่วนใหญ่เกิดจากเฟส β ที่มีขั้ว ซึ่งมีการเรียงตัวของไดโพล CF ที่เฉพาะเจาะจง เฟสนี้เกิดขึ้นได้จากการยืดทางกลและการเหนี่ยวนำทางไฟฟ้า
  • คุณสมบัติ: มีค่าสัมประสิทธิ์ไพโรอิเล็กทริกต่ำกว่าผลึก/เซรามิก แต่ก็มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำมากและมวลความร้อนต่ำด้วย ส่งผลให้ตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าสูง มีความยืดหยุ่น น้ำหนักเบา ราคาถูก และสามารถขึ้นรูปเป็นฟิล์มขนาดใหญ่ได้ อุณหภูมิคิวรีต่ำ (~100-150 °C ขึ้นอยู่กับชนิด)
  • กลไก: การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิส่งผลต่อการจัดเรียงตัวของไดโพลและการสั่นไหวภายในเฟสผลึกขั้ว
  • วิธีใช้: เหมาะสำหรับเซ็นเซอร์ราคาประหยัด เครื่องตรวจจับพื้นที่ขนาดใหญ่ ไฮโดรโฟน และการใช้งานเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่น
• ตะกั่วเซอร์โคเนตไททาเนต (PZT):
  • โครงสร้าง: เซรามิกเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบผลึกหลายเหลี่ยมที่มีโครงสร้างเพอร์รอฟสไกต์ (ABO₃) คุณสมบัติของมันสามารถปรับเปลี่ยนได้โดยการเปลี่ยนแปลงอัตราส่วน Zr/Ti และการเติมสารเจือปน ต้องใช้การจัดเรียงขั้วไฟฟ้าเพื่อจัดเรียงโดเมนเฟอร์โรอิเล็กทริกและสร้างขั้วไฟฟ้าสุทธิในระดับมหภาค
  • คุณสมบัติ: มีค่าสัมประสิทธิ์ไพโรอิเล็กทริกสูงมากและมีคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกที่แข็งแกร่ง อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปจะมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูง ซึ่งอาจลดการตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าได้ เว้นแต่จะมีการจัดการอย่างระมัดระวังในการออกแบบอุปกรณ์ อุณหภูมิคิวรีจะแตกต่างกันไปตามองค์ประกอบ (โดยทั่วไปอยู่ที่ 150-350 °C)
  • กลไก: อุณหภูมิมีผลต่อขนาดของโพลาไรเซชันภายในโดเมนเฟอร์โรอิเล็กทริกที่เรียงตัวกัน
  • วิธีใช้: ใช้ในกรณีที่ต้องการการตอบสนองต่อกระแสไฟฟ้าสูง หรือในกรณีที่ต้องการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางไฟฟ้าแบบเพียโซ มักพบในอุปกรณ์ตรวจจับและอาร์เรย์การถ่ายภาพเฉพาะทาง

เปรียบเทียบคุณสมบัติของวัสดุ

คุณสมบัติทั่วไปของวัสดุไพโรอิเล็กทริก (ค่าโดยประมาณที่อุณหภูมิห้อง)

อสังหาริมทรัพย์	Unit	LiTaO₃	PVDF (เฟส β)	PZT (เซรามิกทั่วไป)
สัมประสิทธิ์ไพโรอิเล็กทริก (p)	μC m⁻² K⁻¹	180 - 230	20 - 40	300 - 600
ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์ (ε)r)	ไร้มิติ	43 - 55	8 - 12	300 - 2000
ความจุความร้อนจำเพาะ (cp)	J kg⁻¹ K⁻¹	~ 420	~ 1300	~ 300 - 400
ความหนาแน่น (ρ)	กก. ม⁻³	~ 7450	~ 1780	~ 7500 - 7900
การนำความร้อน (k)	W m⁻¹ K⁻¹	~ 4.6	~ 0.13 - 0.2	~ 1.0 - 2.0
อุณหภูมิคิวรี (Tc)	° C	~ 610	~ 100 - 150	~ 150 - 350
ค่าประสิทธิภาพแรงดันไฟฟ้า (p /εr)	μC m⁻² K⁻¹	~ 3.6 - 4.3	~ 2 - 4	~ 0.2 - 1.0
ตัวชี้วัดประสิทธิภาพด้านพลังงาน (p / (εr ρ cp))	m³ C⁻¹ J⁻¹ ×10⁻¹²	~ 1.4	~ 8 - 15	~ 0.1 - 0.4

หมายเหตุ: ค่าที่ระบุเป็นค่าโดยประมาณและอาจแตกต่างกันอย่างมาก ขึ้นอยู่กับส่วนประกอบเฉพาะ วิธีการเตรียม สภาวะการโพลาไรซ์ และอุณหภูมิในการทำงาน ตัวชี้วัดประสิทธิภาพใช้สำหรับการเปรียบเทียบแบบง่ายๆ เท่านั้น

การสร้างและประมวลผลสัญญาณ

สัญญาณไฟฟ้าดิบ (ประจุหรือกระแส) ที่เกิดจากองค์ประกอบไพโรอิเล็กทริกมักมีขนาดเล็กมาก จึงจำเป็นต้องมีการขยายและประมวลผลอย่างระมัดระวัง โดยปกติแล้ว ตัวขยายสัญญาณที่มีอิมพีแดนซ์สูง ซึ่งมักเป็นทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็ก (FET) ที่รวมอยู่ในแพ็คเกจเซ็นเซอร์ จะแปลงประจุ/กระแสให้เป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้ จากนั้นสัญญาณนี้จะถูกขยาย กรอง (เพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนและแยกความถี่ที่สอดคล้องกับการมอดูเลชั่นอินฟราเรดหรือการเคลื่อนที่ของเป้าหมาย) และอาจแปลงเป็นดิจิทัล ค่าคงที่เวลาทางความร้อน (ที่เกี่ยวข้องกับมวลและความนำความร้อน) และค่าคงที่เวลาทางไฟฟ้า (ที่เกี่ยวข้องกับความจุขององค์ประกอบและความต้านทานโหลด/อิมพีแดนซ์อินพุตของตัวขยายสัญญาณ) ของระบบเซ็นเซอร์เป็นตัวกำหนดการตอบสนองความถี่และความไว ซึ่งจำเป็นต่อการทำความเข้าใจข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่มักระบุไว้สำหรับผลิตภัณฑ์เซ็นเซอร์ เชิง พาณิชย์

สรุป

ปรากฏการณ์ไพโรอิเล็กทริกเป็นกลไกที่มีประสิทธิภาพสำหรับการตรวจจับรังสีอินฟราเรดโดยไม่ต้องใช้ความเย็น โดยมีพื้นฐานมาจากความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับการเกิดโพลาไรเซชันโดยธรรมชาติในวัสดุที่ไม่สมมาตรบางชนิด การเลือกใช้วัสดุ ไม่ว่าจะเป็นผลึกเดี่ยวที่แข็งแรงอย่าง LiTaO₃ โพลิเมอร์ที่ยืดหยุ่นอย่าง PVDF หรือเซรามิกประสิทธิภาพสูงอย่าง PZT นั้น เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนที่สำคัญระหว่างค่าสัมประสิทธิ์ไพโรอิเล็กทริก คุณสมบัติทางไดอิเล็กทริก ลักษณะทางความร้อน และข้อจำกัดในการใช้งาน การรวมกันของการดูดซับรังสีอินฟราเรดที่ตกกระทบ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่เกิดขึ้น และการเปลี่ยนแปลงขั้วของวัสดุในภายหลัง เป็นพื้นฐานของการสร้างสัญญาณ การวิจัยอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับวัสดุไพโรอิเล็กทริกใหม่และการออกแบบเซ็นเซอร์ขั้นสูง สัญญาว่าจะนำไปสู่การปรับปรุงเพิ่มเติมในด้านความไว ความเร็ว และการบูรณาการสำหรับการใช้งานการตรวจจับรังสีอินฟราเรดที่หลากหลาย