本發(fā)明涉及特別是針對溫度變化測量的經(jīng)由熱釋電效應(yīng)的熱-電能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明更具體地涉及熱釋電裝置及其用途、溫度變化測量裝置以及溫度變化的測量方法。

背景技術(shù)：

目前，基于鋯鈦酸鉛(PZT)或聚偏二氟乙烯(PVDF)的單元件熱釋電單元用于溫度變化檢測。

這種單元件熱釋電單元通常是通過使用昂貴的材料和工藝而特意制造的專用裝置。為了從這種裝置獲得足夠的電流，通常將有效表面積制造得較大，這可能繼而導(dǎo)致裝置大小以及裝置制造成本增加。

本發(fā)明的目的是提供特別是針對溫度變化檢測的高性能的熱釋電發(fā)生器，這種熱釋電發(fā)生器價格低廉、非常靈敏且尺寸小，以便在多個微電子和工業(yè)應(yīng)用中使用，其中有所減小的尺寸和最佳溫度靈敏度是常見要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

通過獨立權(quán)利要求的主題來解決所提到的問題和目的。另外的優(yōu)選實施例在從屬權(quán)利要求中限定。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種熱釋電裝置，包括：具有熱釋電系數(shù)p的多個極性電介質(zhì)材料層，其中各層表現(xiàn)出熱釋電特性；以及多個導(dǎo)電電極，其中各導(dǎo)電電極與所述多個極性電介質(zhì)材料層中的至少一個極性電介質(zhì)材料層各自的一個表面的至少一部分實質(zhì)相接觸，其中，各導(dǎo)電電極以并聯(lián)配置電氣連接，以形成包括所述多個極性電介質(zhì)材料層和所述多個導(dǎo)電電極的一系列電容器。

根據(jù)本發(fā)明的其它實施例，提供了相應(yīng)熱釋電裝置的用途以及測量溫度變化、測量相應(yīng)熱釋電裝置的輸出響應(yīng)的方法。

附圖說明

現(xiàn)在將參照附圖來描述本發(fā)明的實施例，這些實施例是為了更好地理解本發(fā)明的構(gòu)思而呈現(xiàn)的并且不應(yīng)被視為限制本發(fā)明，其中：

圖1示出本發(fā)明的實施例中的MLCC(多層陶瓷電容器)結(jié)構(gòu)的使用；

圖2示出多個傳統(tǒng)MLCC裝置的命名和大小；

圖3示出關(guān)于減小層厚度并增加層數(shù)以增加容量的MLCC演變；

圖4示出示例1的PZT-5A樣本的正視圖；

圖5示出示例1中使用的熱釋電元件的模型；

圖6示出示例1中的PZT-5A元件所產(chǎn)生的功率的測量結(jié)果和預(yù)測結(jié)果；

圖7示出示例1中的PMN-PT元件所產(chǎn)生的功率的測量結(jié)果和預(yù)測結(jié)果；

圖8示出示例1中的PVDF元件所產(chǎn)生的功率的測量結(jié)果和預(yù)測結(jié)果；

圖9示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的采用1mV/1℃的溫度標(biāo)度和1MΩ的負載電阻器的單個MLCC測試；

圖10示出示例2的邊長為4cm的PZT單元；

圖11示出示例2的PZT單元#3的電流I和溫度T隨時間經(jīng)過的測量值；

圖12示出針對示例2的三個PDVF單元所測量的電流；

圖13示出在示例2的PZT單元#4放置在空調(diào)出風(fēng)口處的情況下的PZT單元#4的溫度T和所產(chǎn)生的電流I；

圖14示出根據(jù)本發(fā)明實施例的采用1mV/1℃的溫度標(biāo)度和100μF的負載電容器的以快的速率進行的四個MLCC單元的測試；

圖15示出根據(jù)本發(fā)明實施例的采用1mV/1℃的溫度標(biāo)度和100μF的負載電容器的以緩慢的速率進行的四個MLCC單元的測試；

圖16示出示例3中在三個不同的環(huán)境條件下用溫度循環(huán)測試的PVDF單元；

圖17示出具有全波整流器橋的熱釋電單元電流發(fā)生器；

圖18示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的MLCC熱釋電裝置的頂視圖；

圖19示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的MLCC熱釋電裝置的側(cè)視圖；

圖20示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的單個MLCC熱釋電單元；

圖21示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的多片型MLCC熱釋電單元；

圖22示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的驅(qū)動外部裝置的MLCC熱釋電單元；以及

圖23示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的搭載有利用裝置的集成MLCC熱釋電單元。

具體實施方式

通常，由于以并聯(lián)配置的連接所允許的電容器的有效表面的增加，本發(fā)明的實施例可以實現(xiàn)高靈敏度和高電流輸出響應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，熱釋電裝置已經(jīng)經(jīng)過合適的極化工藝，以迫使材料的鐵電疇將鐵電疇的偶極子在相同的方向上對準(zhǔn)。例如，鈦酸鋇(BaTiO₃)可以在其極化陶瓷狀態(tài)中表現(xiàn)出熱釋電性質(zhì)。極化是指迫使材料的鐵電疇將鐵電疇的偶極子在相同的方向上對準(zhǔn)。施加到BaTiO₃陶瓷的強電場可以使疇極化沿場方向?qū)?zhǔn)。在移除電場之后，可以使材料疇保持對準(zhǔn)。通常，剩余極化的量依賴于溫度和極化工藝的持續(xù)時間。

一種有效的技術(shù)是在陶瓷冷卻通過居里點(對于BaTiO₃而言為120℃÷130℃)時施加并維持強電場。這種技術(shù)在材料中誘導(dǎo)強對準(zhǔn)，這是因為在居里點以上，疇自由移動，并且疇可以使勢能最小化，由此使疇沿電場方向排列。在陶瓷冷卻到居里點以下的情況下，疇的重新排列困難得多，并且即使在極化電場關(guān)閉的情況下，疇仍趨于維持所實現(xiàn)的對準(zhǔn)配置。對于“良好極化”的樣本，即對于接近飽和的極化，BaTiO₃陶瓷的極化電荷大于8μQ/cm²。

驚訝并出乎意料地發(fā)現(xiàn)，電子電路構(gòu)建用的傳統(tǒng)非極化小型電容器、多層陶瓷電容器、特別是MLCC可以通過上述方法有效地極化。所述電子電路構(gòu)建用的小型電容器和MLCC不會由于極化工藝而損壞或變形，并且這些小型電容器和MLCC在上述極化工藝之后表現(xiàn)出顯著改進的熱釋電性質(zhì)，其特征在于所獲得的熱釋電常數(shù)的高再現(xiàn)性以及響應(yīng)于溫度變化的相對高的電流輸出。

通常，熱釋電材料響應(yīng)于溫度的變化，從而在材料的表面上產(chǎn)生電荷。熱釋電單元產(chǎn)生的電流基于熱釋電效應(yīng)，從而將溫度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電輸出。熱釋電電流由下式給出：

I_p＝dQ/dt＝p·A·dT/dt，

其中，p是熱釋電系數(shù)，并且A是電極表面的面積。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，多個極性電介質(zhì)材料層和多個導(dǎo)電電極彼此垂直堆疊。由此，可以實現(xiàn)熱釋電裝置的小的緊湊尺寸。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，一系列電容器包括至少兩個或三個電容器。由于并聯(lián)配置中的連接所允許的電容器有效表面增大了2或3倍，因此可以實現(xiàn)更高的靈敏度和更高的電流輸出響應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，一系列電容器包括多于十個電容器。由于并聯(lián)配置中的連接所允許的電容器有效表面增大了10倍以上，因此可以實現(xiàn)有所增加的靈敏度和電流輸出響應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，彼此垂直堆疊的多個極性電介質(zhì)材料層和多個導(dǎo)電電極集成在小尺寸(例如小于5或1mm)的MLCC電容器(多層陶瓷電容器)中。

小尺寸的傳統(tǒng)MLCC(多層陶瓷電容器)如今可以大量并且非常廉價地市售。因此，根據(jù)本發(fā)明的實施例，熱釋電裝置可以由此以低成本制造并且可以在大量工業(yè)應(yīng)用中使用，其中在這些工業(yè)應(yīng)用中，經(jīng)常需要非常小的尺寸和針對溫度變化的非常高的靈敏度。

在MLCC(多層陶瓷電容器)的小型化中觀察到的趨勢是盡力增加電容容積效率(μF/cm³)。圖1中示出典型的單片MLCC結(jié)構(gòu)。多個電介質(zhì)層和導(dǎo)電層交替堆疊：奇數(shù)導(dǎo)電層在一端電氣連接，而偶數(shù)導(dǎo)電層在相對端電氣連接；這兩個外部端子形成電容器極板的電觸點。MLCC的電容Ct可以表示為：

Ct＝ε0·εr·N·S/d，

其中，S是內(nèi)部電極的重疊面積，N是個體電介質(zhì)層的數(shù)量，εr是陶瓷BaTiO₃電介質(zhì)的相對電介質(zhì)常數(shù)，d是電介質(zhì)層的厚度，ε0是真空的電介質(zhì)常數(shù)。圖1中示出MLCC電容器的典型結(jié)構(gòu)。在圖2中，示出裝置的總體視圖以及不同尺寸的市售MLCC的EIA代碼的部分列表。

多年來，由于層數(shù)增加和層厚度減小，因此這些裝置的制造技術(shù)實現(xiàn)了連續(xù)改進，由此具有更高的容量和有所減小的尺寸。圖3中示出這種演變。

根據(jù)上述考慮，MLCC電容器的特征在于兩個主要參數(shù)：MLCC電容器的活性(重疊)面積A(導(dǎo)電層的實際“面對面表面”)和陶瓷(BaTiO₃)電介質(zhì)層數(shù)N。然后，由此得到的容量與A乘以N所得到的值成比例。因此，活性面積為A的多層電容器可以被認為等效于如下的傳統(tǒng)電容器，其中該傳統(tǒng)電容器具有兩個面對面的平行極板，這兩個極板通過相同的電介質(zhì)材料隔開并且有效極板面積為N×A。例如，編碼1210的MLCC電容器(3.2mm×2.5mm)具有500層并且其活性面積為6.5mm²：該MLCC電容器等效于極板面積為3250mm²的“平板電容器”。

由于采用這種MLCC來構(gòu)建根據(jù)本發(fā)明的實施例的熱釋電裝置，因此該熱釋電裝置的尺寸可以表現(xiàn)出小于5mm×5mm，優(yōu)選小于2mm×2mm。同時，可以實現(xiàn)大于2000mm²、優(yōu)選大于3000mm²的有效活性面積。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，導(dǎo)電電極層彼此垂直排列，并且通過導(dǎo)電電極層之間的極性電介質(zhì)材料層隔開，并且所述導(dǎo)電電極層交替地電氣互連在一起，以構(gòu)建彼此堆疊的多個電容器的組，并且并聯(lián)連接。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，所述極性電介質(zhì)材料的至少一層包括BaTiO₃(鈦酸鋇)層。鈦酸鋇(BaTiO₃)與其它鐵電材料一樣，在極化陶瓷狀態(tài)下表現(xiàn)了突出的熱釋電性質(zhì)。鈦酸鋇可以以其未摻雜的形式使用，但更常見的是，可以將鈦酸鋇摻雜其它化學(xué)物質(zhì)以實現(xiàn)材料的改進行為(溫度穩(wěn)定性等)。鈣、鍶、鋯是可能的摻雜劑，但也可以使用多個其它類型。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，所述電極中的至少一個電極是一般的賤金屬電極(BME)或者是包括鉑、金、銀-鈀或者作為替代包括導(dǎo)電氧化物、氧化銥、鎳的貴金屬電極(PME)。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，熱釋電裝置至少包括頂部電極、鈦酸鋇層、第一中間電極、另一鈦酸鋇層、第二中間電極、第三鈦酸鋇層以及底部電極，以使得至少三個電容器并聯(lián)電氣連接。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，所述熱釋電裝置具有由于暴露于溫度變化而產(chǎn)生的輸出響應(yīng)。與傳統(tǒng)的單元件溫度變化檢測器相比，熱釋電裝置有利地提供輸出響應(yīng)更大的溫度變化檢測。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，所述輸出響應(yīng)是與所述一系列電容器的面積A成比例的輸出電流，或者是例如作為外部電阻器兩端的熱釋電電壓降V或作為功率來監(jiān)視的熱釋電電流I。熱釋電裝置有利地用在接觸型或非接觸型溫度變化測量裝置中。

使用采用BaTiO₃作為電介質(zhì)材料的標(biāo)準(zhǔn)商用陶瓷電容器(MLCC)，可以依靠大的有效表面積和高的熱釋電常數(shù)，與非常低的成本、非常小的尺寸和強的模塊化能力相結(jié)合。這使得該解決方案非常有吸引力，其中該解決方案可以提供具有驚人的高性能的廉價且小尺寸的裝置。

如上所述，良好極化的陶瓷電容器在其溫度由于熱釋電效應(yīng)而變化的情況下可以如標(biāo)準(zhǔn)熱釋電單元那樣產(chǎn)生電流。例如，BaTiO₃是具有可觀的熱釋電性質(zhì)的材料，并且具有以下優(yōu)點：BaTiO₃通常用作如片型電容器(MLCC)那樣的廉價且小尺寸的裝置中的電介質(zhì)，這些裝置的有效電極面積由于大量堆疊層而達到非常高的值。因此，可以利用成熟的工業(yè)技術(shù)，并使用已經(jīng)經(jīng)歷極化工藝的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)電容器來制造效率非常高且成本非常低的緊湊的熱釋電單元和裝置。

將本發(fā)明的實施例的“片型電容器單元”(MLCC)與(通常使用特殊材料和昂貴技術(shù)來制造的)傳統(tǒng)熱釋電單元進行比較，可以凸顯“片型電容器單元”(MLCC)與傳統(tǒng)熱釋電單元的性能差異。具體地，根據(jù)本發(fā)明實施例的“片型電容器單元”的效率基本上可以超過傳統(tǒng)熱釋電單元其中之一的效率，并且具有更小的總尺寸和大幅降低的成本。

圖1示出本發(fā)明的實施例中的MLCC(多層陶瓷電容器)結(jié)構(gòu)的使用。根據(jù)該實施例，熱釋電裝置包括具有熱釋電系數(shù)p的多個極性電介質(zhì)材料層，其中各層表現(xiàn)出熱釋電性質(zhì)；多個導(dǎo)電電極，其中各導(dǎo)電電極與所述多個極性電介質(zhì)材料層中的至少一層各自的一個表面的至少一部分實質(zhì)相接觸，其中，所述電極以并聯(lián)配置電氣連接，以形成包括所述多個極性電介質(zhì)材料層和多個導(dǎo)電電極的一系列電容器。

導(dǎo)電電極層彼此垂直堆疊排列，并且通過導(dǎo)電電極層之間的電介質(zhì)材料層隔開，并且所述導(dǎo)電電極層交替地電氣互連在一起以構(gòu)建彼此堆疊的多個電容器的組，并且所述導(dǎo)電電極層并聯(lián)連接。

具體地，MLCC 1是多個電介質(zhì)材料層101構(gòu)造而成的多層陶瓷電容器，其中多個電介質(zhì)材料層101通過其間的并聯(lián)配置連接的導(dǎo)電電極層102隔開。因此，單個MLCC 1包括多個薄電容器103，其中薄電容器103的數(shù)量對應(yīng)于彼此堆疊的電介質(zhì)層101的數(shù)量。因此，術(shù)語電容器可以指代整個MLCC裝置1，但是也可以指代MLCC中的單個電介質(zhì)層101和兩個相鄰的導(dǎo)電電極層102。如圖1所示，MLCC大致具有長方形平行六面體的形狀。在兩端，導(dǎo)電金屬2、3接觸形成電容器極板的兩組互相貫穿的層。

根據(jù)本發(fā)明實施例的MLCC裝置已經(jīng)經(jīng)過合適的極化工藝，以迫使材料的鐵電疇使鐵電疇的偶極子在相同的方向上對準(zhǔn)。在圖18和19中示出具有接觸電極2和3的片型電容器1(MLCC)的示意性頂視圖和側(cè)視圖。在某種程度上，MLCC可以被視為根據(jù)本發(fā)明實施例的熱釋電單元和/或裝置的基礎(chǔ)組件。優(yōu)選地，層101的數(shù)量在100和500之間，單層活性面積在1mm²和10mm²之間，裝置的總有效面積在500mm²和3000mm²之間，并且MLCC具有1mm²和30mm²之間的幾何表面。此外，熱釋電常數(shù)的值優(yōu)選在庫侖/(cm²·℃)的范圍內(nèi)，但也可以以依賴于裝置的制造技術(shù)并且依賴于極化工藝的有效性而具有更高的值。

為了在居里點進行極化工藝，在120℃÷150℃的范圍內(nèi)的溫度下加熱釋電容器。然后根據(jù)裝置的制造技術(shù)，施加10千伏/cm÷60千伏/cm的范圍內(nèi)的電場并持續(xù)約2小時。然后自由冷卻至室溫。

根據(jù)另一實施例，在較低溫度下進行極化，這使得能夠施加更高的電場而不損壞裝置。具體地，可以將裝置冷卻至-18℃，然后暴露于超過300千伏/cm的電場并持續(xù)兩小時，隨后允許該裝置自由返回至室溫。

本發(fā)明的另一實施例在圖20中示出為熱釋電單元4，其中單個MLCC電容器1被放置在基底5上，基底5的表面上具有兩個導(dǎo)電軌道6和7。MLCC電容器的導(dǎo)電金屬電極2、3分別與軌道6和7電接觸?？梢允褂脠D中未示出的任何類型導(dǎo)電焊接材料的夾具，以在片和軌道之間獲得可靠的觸點。軌道可以沿著基底延伸以向外部利用裝置提供可能的觸點8和9。通常，如果熱釋電單元在另一器具內(nèi)部使用或者與另一器具結(jié)合使用，則另一器具可以方便地用作MLCC片的基底，并且將僅需要提供合適的電接觸和足夠的電容器固定。

圖21示出本發(fā)明的另一實施例，其中使用具有相似或不同特性的多個MLCC片型電容器來制造具有更高電流輸出的更強大的單元10。多個MLCC1適當(dāng)?shù)夭⒙?lián)連接到基底5上以形成多片型的熱釋電單元10；電容器接觸軌道可以沿著基底5延伸以提供利用裝置用的外部輸出電流路徑。在圖22中，示出這種裝置13，其中裝置輸入11和12分別連接到外部熱釋電單元觸點8和9。該裝置還可以配備有附加的電氣連接，以與一些其它器具交換信號或能量。

在另一實施例中，在圖23中所示，通過將利用裝置放置在MLCC電容器所位于的同一基板5上，可以獲得進一步的集成，其中：通過將熱釋電源18經(jīng)由連接器16和17連接到所搭載的利用裝置19來構(gòu)建集成熱釋電單元14。在該實施例中，如上所述，該裝置具有附加的輸入/輸出裝置端口15。

不管使用的MLCC的實際數(shù)量如何，對于外部或集成的利用設(shè)備，本發(fā)明的其它實施例至少附加地考慮到負載和/或電荷儲存電路。利用裝置不一定局限于這種電路，還可以添加如RFID、無線電發(fā)送器、LED等的可能的附加模塊。

在本發(fā)明的又一些實施例中，由于熱釋電單元測量溫度變化，因此考慮到安裝MLCC片型電容器，使得在環(huán)境和電容器之間發(fā)生最佳的熱交換，從而在相鄰片之間留有足夠的空間或者使相鄰片與導(dǎo)熱表面相接觸。此外，還可以考慮將基底用于提供足夠的熱交換。

以下實驗結(jié)果和示例通過與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制造的“參考裝置”進行比較來說明本發(fā)明的實施例的優(yōu)點。

作為第一示例1，參考J.Xie，X.P.Mane、C.W.Green、K.M.Mossi、K.K.Leang的論文：“Performance of Thin Piezoelectric Materials for Pyroelectric Energy Harvesting”(發(fā)表于Journal of Intelligent Material Systems and Structures 2010年2月第21卷第3期243-249頁)。在該發(fā)表的論文中，研究了目前使用的由三個不同材料制成的熱釋電單元的性能。在表1中總結(jié)了三個熱釋電材料的多種性質(zhì)：

在圖4中示出PZT-5A單元。使用圖5所示的電路來測試熱釋電單元，其中負載電容C_losd＝0，負載電阻R_load＝1MΩ(兆歐)。該電路表示熱釋電元件的集總參數(shù)模型，其中，熱釋電元件被建模為與內(nèi)部電容C_p并聯(lián)的電流源I_p(t)，內(nèi)部電容C_p與外部電容器C_o和電阻器R_o并聯(lián)。電流I_p(t)與裝置的溫度變化速率成比例。由熱釋電元件產(chǎn)生的電壓由V_p(t)表示。

這些實驗是在相當(dāng)快的溫度變化速率(適合于傳感器應(yīng)用)下所進行的，由此實現(xiàn)了約15℃/s的峰值加熱速率(對于不同的材料為圖6、7和8)。對于各類型的單元，所測量并預(yù)測的結(jié)果顯示在這些圖的(a)、(b)、(c)中，其中：(a)溫度和溫度速率(dT/dt)相對于時間；(b)所測量并預(yù)測的電壓相對于時間；(c)所測量并預(yù)測的功率相對于時間。在表2(公開的科學(xué)文獻)中總結(jié)了所獲得的所有結(jié)果：

峰值電壓(V)

峰值功率(μW)

功率密度(μW/cm²)

觀看從單元獲得的峰值功率，用PMT-PT實現(xiàn)了最佳性能。在單元面積為98mm²的情況下，溫差ΔT＝82℃產(chǎn)生0.35μWatt的峰值功率。

現(xiàn)在將傳統(tǒng)裝置的上述實驗數(shù)據(jù)與利用根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置所獲得的數(shù)據(jù)進行比較。具體地，單個MLCC片型電容器(EIA代碼1210、電容22μF、面積8mm²、厚度1.6mm、制造商：Murata、部件號：GRM32CF51A226ZA01)已經(jīng)相應(yīng)地極化。吹風(fēng)機空氣流已用于加熱樣本，其中，樣本的溫度通過連接到示波器的轉(zhuǎn)換因子為1mV/1℃的熱電偶進行了測量，該熱電偶也用于測量片兩端的電壓?？梢耘c電壓相對于時間的曲線同時獲得溫度相對于時間的曲線。MLCC電容器最初處于室溫(25℃)，并以2.94℃/s的速率加熱至約75℃。用于測試的外部負載電路具有負載電阻Rload＝1MΩ，并且探頭阻抗為10MΩ。在圖9中示出測試結(jié)果。

值得注意，在ΔT＝50℃的溫差下，可以獲得0.692V的峰值電壓。由此得到的峰值功率為V²/R，其中V是峰值電壓，并且R是負載阻抗Rload和探頭阻抗之間的分路(1MΩ//10MΩ＝0.909MΩ)。因此，峰值功率變?yōu)?0.692V)²/(0.909MΩ)＝0.526μW。

使用單個MLCC電容器并且利用相對于參考裝置而言更小的溫度變化，可以獲得更小的裝置尺寸下的更高的峰值功率。在表3中，對根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置(e.p.i.)和摘自上述科學(xué)文獻的示例的結(jié)果進行比較(括號中的數(shù)值表示改進)：

作為第二示例2，參考A.Cuadras、M.Gasulla、V.Ferrari的論文：“Thermal Energy Harvesting through Pyroelectricity”(發(fā)表于Sensors and Actuators A：Physical，2010年3月，第128(1)卷，第132-139頁)。在該發(fā)表的論文中，使用快速和緩慢的溫度變化速率研究了由PZT和PVDF制成的熱釋電單元的性能。如前所述，快速率適合于表征裝置用于傳感器應(yīng)用，而緩慢的速率更好地模擬從環(huán)境采集能量的情況。在圖10中示出用于研究的氧化鋁基底上的PZT單元。該PZT單元是4cm×4cm的正方形器件，底部電極具有可接觸的觸點。在摘自上述科學(xué)文獻的表4中描述所使用的樣本的厚度和極化場強，其中為了實驗而制造PZT單元，并且PZT厚度和極化場在樣本之間有所改變，而面積(4cm×4cm)保持恒定：

用吹風(fēng)機將PZT單元從室溫加熱至約77℃(350°K)，隨后使這些PZT單元冷卻。已經(jīng)根據(jù)測量數(shù)據(jù)在數(shù)值上計算出溫度變化速率的值，結(jié)果為dT/dt＝1.15℃/s；測得的峰值電流為Ip＝0.32μA。在圖11中示出對于PZT單元#3而言電流I和溫度T隨時間經(jīng)過的變化。

在表5中總結(jié)了所生成的總電荷(Q)、每單位面積產(chǎn)生的電荷(Ps)和最大測量電流(Imax)。根據(jù)包圍在I(t)曲線下的正面積的積分推斷出電荷Q：

已經(jīng)使用商用PVDF單元進行了類似的實驗；測試期間所使用的加熱條件不那么嚴苛，以避免損壞材料；實際上，在暴露于過高的溫度的情況下，PVDF單元可能會劣化。在表6中示出所使用的商用PVDF單元的特性，其中，測試了不同的面積和厚度，并且制造商所提供的相對電容率εr為12～13：

樣本已被加熱并被迫使用吹風(fēng)機冷卻，以獲得大致相同的加熱和冷卻持續(xù)時間。如前所述，溫度僅升高到67℃，以避免單元劣化。在圖12中示出結(jié)果，其中，由于37℃的溫度偏移而吸取了三個PDVF單元中的測量電流；在這種情況下，吹風(fēng)機首先產(chǎn)生熱空氣，然后切換到風(fēng)扇模式，使樣本冷卻(強制冷卻)；如上表所示，與熱釋電電荷有關(guān)的曲線的面積隨著樣本的面積而增加。在表7中總結(jié)了結(jié)果，其中示出了在針對三個PVDF單元的加熱階段期間產(chǎn)生的電荷和電流的值(A3的Ps比A1和A2的Ps低，這是因為A3的長度使得不能均勻加熱)：

利用層厚度為100μm的PZT單元#4獲得了來自該第一系列實驗的最佳結(jié)果；包括陶瓷基板和電極的總裝置厚度約為745μm。

使用PZT單元進行了另一系列實驗以再現(xiàn)緩慢的溫度變化條件；如前所述，這模擬了能量采集的環(huán)境狀況。

使用普通辦公空調(diào)系統(tǒng)測試了熱釋電PZT單元#4。初始室溫為22℃。在接通空調(diào)后，空氣溫度降低到設(shè)定值14℃。如圖13所示，將PZT單元#4置于空調(diào)出風(fēng)口附近，并暴露于數(shù)百秒的時間內(nèi)約8℃的溫度變化(緩慢的速率)。該測試的結(jié)果可以總結(jié)如下：在ΔT＝8℃的情況下，可以獲得6nA的峰值電流和1.3μC的累積電荷。

現(xiàn)在將傳統(tǒng)裝置的上述實驗數(shù)據(jù)與利用根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置所獲得的數(shù)據(jù)進行比較。具體地，使用并聯(lián)連接的以前使用的相同類型的四個陶瓷電容器制造了熱釋電單元：由于單個電容器的容量為22μF，因此可以獲得總表面積為4×8mm²＝32mm²的88μF的總?cè)萘?。為了測量累積的電荷，使用了電解負載電容器Cload＝100μF。產(chǎn)生的電荷Q可以通過隨時間經(jīng)過對電流I進行積分來獲得；Q的值也可以從負載電容器兩端的測量電壓V推斷出：Q＝Cload·V。測試了如下兩種情況：a)快速T變化速率和b)緩慢T變化速率。

對于快速T變化速率，在約50s的時間間隔期間用吹風(fēng)機將單元從室溫加熱至76℃：因此，由此得到的ΔT約為52℃，dT/dt＝1.04℃/s。在圖14中示出從該測試獲得的圖。用“四個電容器單元”實現(xiàn)的結(jié)果是：峰值電壓V_p＝1.3V；累積電荷Q＝Vp·Cload＝1.3V·100μF＝130μC。

與前一參考PZT單元#4(快速T變化速率)的比較在表8中總結(jié)如下：

該比較示出，在ΔT基本相似的情況下，根據(jù)實施例的裝置可以產(chǎn)生相對于參考PZT單元超過7倍的總電荷，并且表面積和體積大幅減小。(參見括號中的數(shù)值)

對于緩慢T變化速率，將根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置放置在小加熱器附近；在55s的時間間隔期間得到的ΔT為約6℃。在圖15中示出所測量到的電壓和溫度。結(jié)果是：峰值電壓V_peak＝26mV；因此，在ΔT＝6℃的情況下，總累積電荷為Q＝26mV·100μF＝2.6μC。同樣，如表9所示(參見括號中的數(shù)值)，對于緩慢T變化速率測試條件，即使具有較小的ΔT，與參考PZT單元相比，根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置也可以展現(xiàn)更好的性能：

還將根據(jù)實施例的四個電容器單元的性能與模擬三個不同環(huán)境條件的更近期的實驗進行比較。作為第三示例3，參考A.K.Batra、A.Bandyopadhyay、A.K.Chilvery、M.Thomas的論文“Modeling and simulation for PVDF-based Pyroelectric Energy Harvester”(發(fā)表于Energy Science and Technology，第5卷，N.2，2013，第1-7頁)。在該發(fā)表的論文中，由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成的單元在不同條件下進行300小時的循環(huán)，以模擬亨茨維爾(美國阿拉巴馬州)、沙特阿拉伯和火星的環(huán)境。為了在增加和減小的溫度間隔中收集能量，根據(jù)描述了具有四個二極管的全波橋式整流器電路的圖17所示的電路，來提供具有儲存型電容器(1μF)的整流橋以積累電荷。在圖16中，示出了PVDF單元的環(huán)境溫度、產(chǎn)生的電壓和收集的能量的值。

在表10中，從上述科學(xué)文獻中總結(jié)出與針對300小時所累積的電荷有關(guān)的數(shù)據(jù)作為針對三個位置在數(shù)值上獲得的預(yù)測結(jié)果(電壓和能量)：

對于面積最大的單元(10cm²)，300小時后產(chǎn)生的累積電荷為：亨茨維爾0.13μC；沙特阿拉伯0.7μC；火星7.7μC。這些值可以容易地與來自根據(jù)本發(fā)明實施例的先前裝置的結(jié)果進行比較，結(jié)果是性能好得多。在測試中，使用了標(biāo)準(zhǔn)可用的片型電容器(MLCC)：令人驚訝地且出乎意料地，即使在數(shù)千次循環(huán)之后，這些MLCC仍然表現(xiàn)出良好的熱釋電性質(zhì)。然而，可以產(chǎn)生更好的結(jié)果。

熱釋電單元是公知的裝置，但是已經(jīng)經(jīng)過合適的極化處理的標(biāo)準(zhǔn)MLCC電容器的用途代表了在溫度變化測量的應(yīng)用方面的新穎性。例如，本發(fā)明的實施例示出基于極化BaTiO₃的MLCC被證明是熱釋電單元所用的便宜、高性能、緊湊、模塊化且魯棒性的組件。本發(fā)明的方法實施例使得在檢測溫度變化時靈敏度能夠非常高?？梢赃M一步獲得更復(fù)雜的設(shè)備中的如下優(yōu)點：從環(huán)境溫度波動中提取能量的非常高的能力、低成本、高靈活性和集成性。根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，MLCC的極化可在將MLCC組裝在熱釋電單元內(nèi)之前或在裝置制造之后進行，只要該單元配備有適當(dāng)?shù)臉O化電路即可。

由于測試期間施加的溫度變化可以具有瞬態(tài)特性，因此熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電流也可以是瞬態(tài)的。然而，可以提供平均值，以表現(xiàn)裝置的性能；可以獲得峰值作為針對小的時間間隔的差商，并且可以根據(jù)電容器兩端的電壓和裝置的有效電容來求出總的累積電荷。

對于面積為8mm²且極化后的有效電容約為12.7微法的單個MLCC，利用約0.08℃/秒的緩慢溫度變化，可獲得57納安的平均電流值，并且總電荷為2.54微庫侖，這與44秒后測量到的0.2伏特的電容器兩端的電壓值相對應(yīng)。總能量約為0.254微焦耳。在0.68℃/秒的更快的溫度變化的情況下，相同的裝置表現(xiàn)出0.771微安的平均電流，總累積電荷為24.7微庫侖，并且32秒后測量到的所得電壓為1.95伏特?？偰芰考s為24.14微焦耳。

令人驚訝地且出乎意料地，極化工藝更優(yōu)選在低溫下進行。使用50千伏/厘米至350千伏/厘米的范圍內(nèi)的電場在-18℃下將該裝置極化2小時，可以觀察到低于20納安的漏電流，該漏電流表明對裝置的損壞非常低。隨后在室溫下以約1.1℃/秒的溫度變化所進行的測試提供了約1.6微安的平均電流，并且總累積電荷為32微庫侖，并且20秒后測量到的所得電壓約為2.5伏?？偰芰考s為39.68微焦耳。

因此，對于1℃/秒的溫度變化，可以利用單個良好極化的裝置來獲得數(shù)微安量級的峰值電流。在相同的條件下，可以預(yù)期超過1微安的平均電流值。通常，已經(jīng)使用最初沒有表現(xiàn)出任何先前儲存的電荷的MLCC裝置獲得了電參數(shù)的報告值，特別是儲存的能量的報告值。因此，這些MLCC裝置兩端的初始電壓為零。

根據(jù)另一實施例，如果電容器預(yù)先充了電，則可以獲得甚至更高的能量：如果器件經(jīng)過如上施加的相同溫度變化，則凈收集的能量(在減去所儲存的預(yù)充電能量之后)令人驚訝且出乎意料地變得更高。這表明能量采集的效率也可能依賴于電氣設(shè)置。

為了對熱釋電發(fā)生器預(yù)充電，可以使用常見的電壓發(fā)生器；能量儲存元件(電池或電容器等)也可以提供熱釋電發(fā)生器的預(yù)充電。

在采集裝置中，熱釋電發(fā)生器可以連接到能量儲存裝置，以傳輸能量。如二極管和電阻器等的各種電子元件可以組合在合適的電路中，以有效地管理并將所收集到的能量傳輸?shù)絻Υ嫜b置。此外，包括微型電感器、振蕩器、電荷泵、邏輯端口等的復(fù)雜接口電路可用于最佳能量傳輸。

在溫度變化測量裝置中，可以利用常見的測試設(shè)備(示波器、萬用表和微電流計等)來讀取來自熱釋電發(fā)生器的信號(電壓或電流)。進行校準(zhǔn)過程以將來自熱釋電元件的電信號轉(zhuǎn)換為溫度變化值。在校準(zhǔn)中，可以使用固定的溫度水平和變化來獲得裝置的響應(yīng)曲線?？赡艿兀梢愿鶕?jù)需要使用信號的放大。

通常，對于許多并聯(lián)的電容器，電流、累積電荷和所儲存的能量的期望值與裝置的數(shù)量成比例。

根據(jù)又一實施例，與傳統(tǒng)的單元件溫度變化檢測器相比，熱釋電裝置有利地提供輸出響應(yīng)更大的溫度變化檢測。

盡管已經(jīng)描述了詳細的實施例，但是這些實施例僅用于提供對獨立權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的更好理解，并且不應(yīng)被視為限制性的。