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Ceramics II 4. Pyroelektrika 1 Pyroelektrika Der wahre pyroelektrische Effekt beruht auf der Änderung der spontanen Polarisation P s eines polaren Materials.

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Präsentation zum Thema: "Ceramics II 4. Pyroelektrika 1 Pyroelektrika Der wahre pyroelektrische Effekt beruht auf der Änderung der spontanen Polarisation P s eines polaren Materials."—  Präsentation transkript:

1 Ceramics II 4. Pyroelektrika 1 Pyroelektrika Der wahre pyroelektrische Effekt beruht auf der Änderung der spontanen Polarisation P s 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)

2 Ceramics II 4. Pyroelektrika 2 Dielektrische Verschiebung Die dielektrische Verschiebung D =  E + P s (total)  E + (P s +P induziert ) Änderung der dielektrischen Verschiebung mit der Temperatur   D / == P s / + E /   = p s + E /  = p g für E = konst. p g = dD/d  ist der generelle pyroelektrische Koeffizient p s = dP s /d  (die Änderung der spontanen Polarisation mit der Temperatur) ist der sekundäre pyroelektrische Koeffizient

3 Ceramics II 4. Pyroelektrika 3 Gütekriterium Wünschenswert ist Material mit: 1.p s =  P/d , gross  r möglichst klein, wegen Verstärker hoher Impedanz 3.c p ·  möglichst klein, T Änderung der Umgebung soll auch hohe T Änderung im Material bewirken Material-Gütekriterium

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

5 Ceramics II 4. Pyroelektrika 5 Abhängigkeit der Eigenschaften von der Zusammensetzung PZT PbTiO 3  PbZrO 3 = PbZr 1-x Ti x O 3 PLZT= Pb 1-y La y Zr 1-x Ti x O 3-y/2 = (Pb,La)Zr 1-x Ti x O 3 PbZrO 3 PbTiO 3 TcTc AOAO PKPK F RH FTFT F RN Dielektrizitätskonstante  r, wie auch der piezo- und der pyroelektrische Koeffizient besitzen ein Maximum nahe der Phasenumwandlung tetragonal-rhomboedrisch bei ca. 53 Mol% PbZrO 3

6 Ceramics II 4. Pyroelektrika 6 Werkstoffkonstanten nahe der morphotropen Phasengrenze im System PbTiO 3 -PbZrO 3 PbZrO 3 PbTiO 3

7 Ceramics II 4. Pyroelektrika 7 PZT (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) Physikalische Eigenschaften von PZT 90/10 in Funktion des PbO Gehaltes 1) Diel. Verluste tan  2) Dielektrizitätskonstante  r 3) pyroel. EMK mV

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

9 Ceramics II 4. Pyroelektrika 9 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.

10 Ceramics II 4. Pyroelektrika 10 Bewegungsmelder

11 Ceramics II 4. Pyroelektrika 11 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 p g 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 LiTaO 3 und modifizierte PZT-Keramiken.

12 Ceramics II 4. Pyroelektrika 12 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 K 3 is the dielectric constant  0 is the dielectric permittivity of free space For PZT piezoceramic  is typically ~ 400x10 -6 coulomb/°C meter 2

13 Ceramics II 4. Pyroelektrika 13

14 Ceramics II 4. Pyroelektrika 14


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