CN106688116A - 热释电发生器 - Google Patents

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Abstract

一种热释电装置，包括：具有热释电系数p的多个极性电介质材料层，其中各层表现出热释电特性；以及多个导电电极，其中各导电电极与所述多个极性电介质材料层中的至少一个极性电介质材料层各自的一个表面的至少一部分实质相接触，其中，各导电电极以并联配置电气连接，以形成包括所述多个极性电介质材料层和所述多个导电电极的一系列电容器。

Description

热释电发生器
技术领域
本发明涉及特别是针对温度变化测量的经由热释电效应的热-电能量转换的技术领域。本发明更具体地涉及热释电装置及其用途、温度变化测量装置以及温度变化的测量方法。
背景技术
目前，基于锆钛酸铅(PZT)或聚偏二氟乙烯(PVDF)的单元件热释电单元用于温度变化检测。
这种单元件热释电单元通常是通过使用昂贵的材料和工艺而特意制造的专用装置。为了从这种装置获得足够的电流，通常将有效表面积制造得较大，这可能继而导致装置大小以及装置制造成本增加。
本发明的目的是提供特别是针对温度变化检测的高性能的热释电发生器，这种热释电发生器价格低廉、非常灵敏且尺寸小，以便在多个微电子和工业应用中使用，其中有所减小的尺寸和最佳温度灵敏度是常见要求。
发明内容
通过独立权利要求的主题来解决所提到的问题和目的。另外的优选实施例在从属权利要求中限定。
根据本发明的一个实施例，提供了一种热释电装置，包括：具有热释电系数p的多个极性电介质材料层，其中各层表现出热释电特性；以及多个导电电极，其中各导电电极与所述多个极性电介质材料层中的至少一个极性电介质材料层各自的一个表面的至少一部分实质相接触，其中，各导电电极以并联配置电气连接，以形成包括所述多个极性电介质材料层和所述多个导电电极的一系列电容器。
根据本发明的其它实施例，提供了相应热释电装置的用途以及测量温度变化、测量相应热释电装置的输出响应的方法。
附图说明
现在将参照附图来描述本发明的实施例，这些实施例是为了更好地理解本发明的构思而呈现的并且不应被视为限制本发明，其中：
图1示出本发明的实施例中的MLCC(多层陶瓷电容器)结构的使用；
图2示出多个传统MLCC装置的命名和大小；
图3示出关于减小层厚度并增加层数以增加容量的MLCC演变；
图4示出示例1的PZT-5A样本的正视图；
图5示出示例1中使用的热释电元件的模型；
图6示出示例1中的PZT-5A元件所产生的功率的测量结果和预测结果；
图7示出示例1中的PMN-PT元件所产生的功率的测量结果和预测结果；
图8示出示例1中的PVDF元件所产生的功率的测量结果和预测结果；
图9示出根据本发明的实施例的采用1mV/1℃的温度标度和1MΩ的负载电阻器的单个MLCC测试；
图10示出示例2的边长为4cm的PZT单元；
图11示出示例2的PZT单元#3的电流I和温度T随时间经过的测量值；
图12示出针对示例2的三个PDVF单元所测量的电流；
图13示出在示例2的PZT单元#4放置在空调出风口处的情况下的PZT单元#4的温度T和所产生的电流I；
图14示出根据本发明实施例的采用1mV/1℃的温度标度和100μF的负载电容器的以快的速率进行的四个MLCC单元的测试；
图15示出根据本发明实施例的采用1mV/1℃的温度标度和100μF的负载电容器的以缓慢的速率进行的四个MLCC单元的测试；
图16示出示例3中在三个不同的环境条件下用温度循环测试的PVDF单元；
图17示出具有全波整流器桥的热释电单元电流发生器；
图18示出根据本发明的实施例的MLCC热释电装置的顶视图；
图19示出根据本发明的实施例的MLCC热释电装置的侧视图；
图20示出根据本发明的实施例的单个MLCC热释电单元；
图21示出根据本发明的实施例的多片型MLCC热释电单元；
图22示出根据本发明的另一实施例的驱动外部装置的MLCC热释电单元；以及
图23示出根据本发明的另一实施例的搭载有利用装置的集成MLCC热释电单元。
具体实施方式
通常，由于以并联配置的连接所允许的电容器的有效表面的增加，本发明的实施例可以实现高灵敏度和高电流输出响应。
根据本发明的优选实施例，热释电装置已经经过合适的极化工艺，以迫使材料的铁电畴将铁电畴的偶极子在相同的方向上对准。例如，钛酸钡(BaTiO3)可以在其极化陶瓷状态中表现出热释电性质。极化是指迫使材料的铁电畴将铁电畴的偶极子在相同的方向上对准。施加到BaTiO3陶瓷的强电场可以使畴极化沿场方向对准。在移除电场之后，可以使材料畴保持对准。通常，剩余极化的量依赖于温度和极化工艺的持续时间。
一种有效的技术是在陶瓷冷却通过居里点(对于BaTiO3而言为120℃÷130℃)时施加并维持强电场。这种技术在材料中诱导强对准，这是因为在居里点以上，畴自由移动，并且畴可以使势能最小化，由此使畴沿电场方向排列。在陶瓷冷却到居里点以下的情况下，畴的重新排列困难得多，并且即使在极化电场关闭的情况下，畴仍趋于维持所实现的对准配置。对于“良好极化”的样本，即对于接近饱和的极化，BaTiO3陶瓷的极化电荷大于8μQ/cm2。
惊讶并出乎意料地发现，电子电路构建用的传统非极化小型电容器、多层陶瓷电容器、特别是MLCC可以通过上述方法有效地极化。所述电子电路构建用的小型电容器和MLCC不会由于极化工艺而损坏或变形，并且这些小型电容器和MLCC在上述极化工艺之后表现出显著改进的热释电性质，其特征在于所获得的热释电常数的高再现性以及响应于温度变化的相对高的电流输出。
通常，热释电材料响应于温度的变化，从而在材料的表面上产生电荷。热释电单元产生的电流基于热释电效应，从而将温度变化转换为相应的电输出。热释电电流由下式给出：
Ip＝dQ/dt＝p·A·dT/dt，
其中，p是热释电系数，并且A是电极表面的面积。
根据本发明的优选实施例，多个极性电介质材料层和多个导电电极彼此垂直堆叠。由此，可以实现热释电装置的小的紧凑尺寸。
根据本发明的另一优选实施例，一系列电容器包括至少两个或三个电容器。由于并联配置中的连接所允许的电容器有效表面增大了2或3倍，因此可以实现更高的灵敏度和更高的电流输出响应。
根据本发明的另一优选实施例，一系列电容器包括多于十个电容器。由于并联配置中的连接所允许的电容器有效表面增大了10倍以上，因此可以实现有所增加的灵敏度和电流输出响应。
根据本发明的另一优选实施例，彼此垂直堆叠的多个极性电介质材料层和多个导电电极集成在小尺寸(例如小于5或1mm)的MLCC电容器(多层陶瓷电容器)中。
小尺寸的传统MLCC(多层陶瓷电容器)如今可以大量并且非常廉价地市售。因此，根据本发明的实施例，热释电装置可以由此以低成本制造并且可以在大量工业应用中使用，其中在这些工业应用中，经常需要非常小的尺寸和针对温度变化的非常高的灵敏度。
在MLCC(多层陶瓷电容器)的小型化中观察到的趋势是尽力增加电容容积效率(μF/cm3)。图1中示出典型的单片MLCC结构。多个电介质层和导电层交替堆叠：奇数导电层在一端电气连接，而偶数导电层在相对端电气连接；这两个外部端子形成电容器极板的电触点。MLCC的电容Ct可以表示为：
Ct＝ε0·εr·N·S/d，
其中，S是内部电极的重叠面积，N是个体电介质层的数量，εr是陶瓷BaTiO3电介质的相对电介质常数，d是电介质层的厚度，ε0是真空的电介质常数。图1中示出MLCC电容器的典型结构。在图2中，示出装置的总体视图以及不同尺寸的市售MLCC的EIA代码的部分列表。
多年来，由于层数增加和层厚度减小，因此这些装置的制造技术实现了连续改进，由此具有更高的容量和有所减小的尺寸。图3中示出这种演变。
根据上述考虑，MLCC电容器的特征在于两个主要参数：MLCC电容器的活性(重叠)面积A(导电层的实际“面对面表面”)和陶瓷(BaTiO3)电介质层数N。然后，由此得到的容量与A乘以N所得到的值成比例。因此，活性面积为A的多层电容器可以被认为等效于如下的传统电容器，其中该传统电容器具有两个面对面的平行极板，这两个极板通过相同的电介质材料隔开并且有效极板面积为N×A。例如，编码1210的MLCC电容器(3.2mm×2.5mm)具有500层并且其活性面积为6.5mm2：该MLCC电容器等效于极板面积为3250mm2的“平板电容器”。
由于采用这种MLCC来构建根据本发明的实施例的热释电装置，因此该热释电装置的尺寸可以表现出小于5mm×5mm，优选小于2mm×2mm。同时，可以实现大于2000mm2、优选大于3000mm2的有效活性面积。
根据本发明的另一优选实施例，导电电极层彼此垂直排列，并且通过导电电极层之间的极性电介质材料层隔开，并且所述导电电极层交替地电气互连在一起，以构建彼此堆叠的多个电容器的组，并且并联连接。
根据本发明的另一优选实施例，所述极性电介质材料的至少一层包括BaTiO3(钛酸钡)层。钛酸钡(BaTiO3)与其它铁电材料一样，在极化陶瓷状态下表现了突出的热释电性质。钛酸钡可以以其未掺杂的形式使用，但更常见的是，可以将钛酸钡掺杂其它化学物质以实现材料的改进行为(温度稳定性等)。钙、锶、锆是可能的掺杂剂，但也可以使用多个其它类型。
根据本发明的另一优选实施例，所述电极中的至少一个电极是一般的贱金属电极(BME)或者是包括铂、金、银-钯或者作为替代包括导电氧化物、氧化铱、镍的贵金属电极(PME)。
根据本发明的另一优选实施例，热释电装置至少包括顶部电极、钛酸钡层、第一中间电极、另一钛酸钡层、第二中间电极、第三钛酸钡层以及底部电极，以使得至少三个电容器并联电气连接。
根据本发明的另一优选实施例，所述热释电装置具有由于暴露于温度变化而产生的输出响应。与传统的单元件温度变化检测器相比，热释电装置有利地提供输出响应更大的温度变化检测。
根据本发明的另一优选实施例，所述输出响应是与所述一系列电容器的面积A成比例的输出电流，或者是例如作为外部电阻器两端的热释电电压降V或作为功率来监视的热释电电流I。热释电装置有利地用在接触型或非接触型温度变化测量装置中。
使用采用BaTiO3作为电介质材料的标准商用陶瓷电容器(MLCC)，可以依靠大的有效表面积和高的热释电常数，与非常低的成本、非常小的尺寸和强的模块化能力相结合。这使得该解决方案非常有吸引力，其中该解决方案可以提供具有惊人的高性能的廉价且小尺寸的装置。
如上所述，良好极化的陶瓷电容器在其温度由于热释电效应而变化的情况下可以如标准热释电单元那样产生电流。例如，BaTiO3是具有可观的热释电性质的材料，并且具有以下优点：BaTiO3通常用作如片型电容器(MLCC)那样的廉价且小尺寸的装置中的电介质，这些装置的有效电极面积由于大量堆叠层而达到非常高的值。因此，可以利用成熟的工业技术，并使用已经经历极化工艺的高质量标准电容器来制造效率非常高且成本非常低的紧凑的热释电单元和装置。
将本发明的实施例的“片型电容器单元”(MLCC)与(通常使用特殊材料和昂贵技术来制造的)传统热释电单元进行比较，可以凸显“片型电容器单元”(MLCC)与传统热释电单元的性能差异。具体地，根据本发明实施例的“片型电容器单元”的效率基本上可以超过传统热释电单元其中之一的效率，并且具有更小的总尺寸和大幅降低的成本。
图1示出本发明的实施例中的MLCC(多层陶瓷电容器)结构的使用。根据该实施例，热释电装置包括具有热释电系数p的多个极性电介质材料层，其中各层表现出热释电性质；多个导电电极，其中各导电电极与所述多个极性电介质材料层中的至少一层各自的一个表面的至少一部分实质相接触，其中，所述电极以并联配置电气连接，以形成包括所述多个极性电介质材料层和多个导电电极的一系列电容器。
导电电极层彼此垂直堆叠排列，并且通过导电电极层之间的电介质材料层隔开，并且所述导电电极层交替地电气互连在一起以构建彼此堆叠的多个电容器的组，并且所述导电电极层并联连接。
具体地，MLCC 1是多个电介质材料层101构造而成的多层陶瓷电容器，其中多个电介质材料层101通过其间的并联配置连接的导电电极层102隔开。因此，单个MLCC 1包括多个薄电容器103，其中薄电容器103的数量对应于彼此堆叠的电介质层101的数量。因此，术语电容器可以指代整个MLCC装置1，但是也可以指代MLCC中的单个电介质层101和两个相邻的导电电极层102。如图1所示，MLCC大致具有长方形平行六面体的形状。在两端，导电金属2、3接触形成电容器极板的两组互相贯穿的层。
根据本发明实施例的MLCC装置已经经过合适的极化工艺，以迫使材料的铁电畴使铁电畴的偶极子在相同的方向上对准。在图18和19中示出具有接触电极2和3的片型电容器1(MLCC)的示意性顶视图和侧视图。在某种程度上，MLCC可以被视为根据本发明实施例的热释电单元和/或装置的基础组件。优选地，层101的数量在100和500之间，单层活性面积在1mm2和10mm2之间，装置的总有效面积在500mm2和3000mm2之间，并且MLCC具有1mm2和30mm2之间的几何表面。此外，热释电常数的值优选在库仑/(cm2·℃)的范围内，但也可以以依赖于装置的制造技术并且依赖于极化工艺的有效性而具有更高的值。
为了在居里点进行极化工艺，在120℃÷150℃的范围内的温度下加热释电容器。然后根据装置的制造技术，施加10千伏/cm÷60千伏/cm的范围内的电场并持续约2小时。然后自由冷却至室温。
根据另一实施例，在较低温度下进行极化，这使得能够施加更高的电场而不损坏装置。具体地，可以将装置冷却至-18℃，然后暴露于超过300千伏/cm的电场并持续两小时，随后允许该装置自由返回至室温。
本发明的另一实施例在图20中示出为热释电单元4，其中单个MLCC电容器1被放置在基底5上，基底5的表面上具有两个导电轨道6和7。MLCC电容器的导电金属电极2、3分别与轨道6和7电接触。可以使用图中未示出的任何类型导电焊接材料的夹具，以在片和轨道之间获得可靠的触点。轨道可以沿着基底延伸以向外部利用装置提供可能的触点8和9。通常，如果热释电单元在另一器具内部使用或者与另一器具结合使用，则另一器具可以方便地用作MLCC片的基底，并且将仅需要提供合适的电接触和足够的电容器固定。
图21示出本发明的另一实施例，其中使用具有相似或不同特性的多个MLCC片型电容器来制造具有更高电流输出的更强大的单元10。多个MLCC1适当地并联连接到基底5上以形成多片型的热释电单元10；电容器接触轨道可以沿着基底5延伸以提供利用装置用的外部输出电流路径。在图22中，示出这种装置13，其中装置输入11和12分别连接到外部热释电单元触点8和9。该装置还可以配备有附加的电气连接，以与一些其它器具交换信号或能量。
在另一实施例中，在图23中所示，通过将利用装置放置在MLCC电容器所位于的同一基板5上，可以获得进一步的集成，其中：通过将热释电源18经由连接器16和17连接到所搭载的利用装置19来构建集成热释电单元14。在该实施例中，如上所述，该装置具有附加的输入/输出装置端口15。
不管使用的MLCC的实际数量如何，对于外部或集成的利用设备，本发明的其它实施例至少附加地考虑到负载和/或电荷储存电路。利用装置不一定局限于这种电路，还可以添加如RFID、无线电发送器、LED等的可能的附加模块。
在本发明的又一些实施例中，由于热释电单元测量温度变化，因此考虑到安装MLCC片型电容器，使得在环境和电容器之间发生最佳的热交换，从而在相邻片之间留有足够的空间或者使相邻片与导热表面相接触。此外，还可以考虑将基底用于提供足够的热交换。
以下实验结果和示例通过与根据现有技术制造的“参考装置”进行比较来说明本发明的实施例的优点。
作为第一示例1，参考J.Xie，X.P.Mane、C.W.Green、K.M.Mossi、K.K.Leang的论文：“Performance of Thin Piezoelectric Materials for Pyroelectric EnergyHarvesting”(发表于Journal of Intelligent Material Systems and Structures 2010年2月第21卷第3期243-249页)。在该发表的论文中，研究了目前使用的由三个不同材料制成的热释电单元的性能。在表1中总结了三个热释电材料的多种性质：
在图4中示出PZT-5A单元。使用图5所示的电路来测试热释电单元，其中负载电容Closd＝0，负载电阻Rload＝1MΩ(兆欧)。该电路表示热释电元件的集总参数模型，其中，热释电元件被建模为与内部电容Cp并联的电流源Ip(t)，内部电容Cp与外部电容器Co和电阻器Ro并联。电流Ip(t)与装置的温度变化速率成比例。由热释电元件产生的电压由Vp(t)表示。
这些实验是在相当快的温度变化速率(适合于传感器应用)下所进行的，由此实现了约15℃/s的峰值加热速率(对于不同的材料为图6、7和8)。对于各类型的单元，所测量并预测的结果显示在这些图的(a)、(b)、(c)中，其中：(a)温度和温度速率(dT/dt)相对于时间；(b)所测量并预测的电压相对于时间；(c)所测量并预测的功率相对于时间。在表2(公开的科学文献)中总结了所获得的所有结果：
峰值电压(V)
峰值功率(μW)
功率密度(μW/cm2)
观看从单元获得的峰值功率，用PMT-PT实现了最佳性能。在单元面积为98mm2的情况下，温差ΔT＝82℃产生0.35μWatt的峰值功率。
现在将传统装置的上述实验数据与利用根据本发明实施例的装置所获得的数据进行比较。具体地，单个MLCC片型电容器(EIA代码1210、电容22μF、面积8mm2、厚度1.6mm、制造商：Murata、部件号：GRM32CF51A226ZA01)已经相应地极化。吹风机空气流已用于加热样本，其中，样本的温度通过连接到示波器的转换因子为1mV/1℃的热电偶进行了测量，该热电偶也用于测量片两端的电压。可以与电压相对于时间的曲线同时获得温度相对于时间的曲线。MLCC电容器最初处于室温(25℃)，并以2.94℃/s的速率加热至约75℃。用于测试的外部负载电路具有负载电阻Rload＝1MΩ，并且探头阻抗为10MΩ。在图9中示出测试结果。
值得注意，在ΔT＝50℃的温差下，可以获得0.692V的峰值电压。由此得到的峰值功率为V2/R，其中V是峰值电压，并且R是负载阻抗Rload和探头阻抗之间的分路(1MΩ//10MΩ＝0.909MΩ)。因此，峰值功率变为(0.692V)2/(0.909MΩ)＝0.526μW。
使用单个MLCC电容器并且利用相对于参考装置而言更小的温度变化，可以获得更小的装置尺寸下的更高的峰值功率。在表3中，对根据本发明实施例的装置(e.p.i.)和摘自上述科学文献的示例的结果进行比较(括号中的数值表示改进)：
作为第二示例2，参考A.Cuadras、M.Gasulla、V.Ferrari的论文：“Thermal EnergyHarvesting through Pyroelectricity”(发表于Sensors and Actuators A：Physical，2010年3月，第128(1)卷，第132-139页)。在该发表的论文中，使用快速和缓慢的温度变化速率研究了由PZT和PVDF制成的热释电单元的性能。如前所述，快速率适合于表征装置用于传感器应用，而缓慢的速率更好地模拟从环境采集能量的情况。在图10中示出用于研究的氧化铝基底上的PZT单元。该PZT单元是4cm×4cm的正方形器件，底部电极具有可接触的触点。在摘自上述科学文献的表4中描述所使用的样本的厚度和极化场强，其中为了实验而制造PZT单元，并且PZT厚度和极化场在样本之间有所改变，而面积(4cm×4cm)保持恒定：
用吹风机将PZT单元从室温加热至约77℃(350°K)，随后使这些PZT单元冷却。已经根据测量数据在数值上计算出温度变化速率的值，结果为dT/dt＝1.15℃/s；测得的峰值电流为Ip＝0.32μA。在图11中示出对于PZT单元#3而言电流I和温度T随时间经过的变化。
在表5中总结了所生成的总电荷(Q)、每单位面积产生的电荷(Ps)和最大测量电流(Imax)。根据包围在I(t)曲线下的正面积的积分推断出电荷Q：
已经使用商用PVDF单元进行了类似的实验；测试期间所使用的加热条件不那么严苛，以避免损坏材料；实际上，在暴露于过高的温度的情况下，PVDF单元可能会劣化。在表6中示出所使用的商用PVDF单元的特性，其中，测试了不同的面积和厚度，并且制造商所提供的相对电容率εr为12～13：
样本已被加热并被迫使用吹风机冷却，以获得大致相同的加热和冷却持续时间。如前所述，温度仅升高到67℃，以避免单元劣化。在图12中示出结果，其中，由于37℃的温度偏移而吸取了三个PDVF单元中的测量电流；在这种情况下，吹风机首先产生热空气，然后切换到风扇模式，使样本冷却(强制冷却)；如上表所示，与热释电电荷有关的曲线的面积随着样本的面积而增加。在表7中总结了结果，其中示出了在针对三个PVDF单元的加热阶段期间产生的电荷和电流的值(A3的Ps比A1和A2的Ps低，这是因为A3的长度使得不能均匀加热)：
利用层厚度为100μm的PZT单元#4获得了来自该第一系列实验的最佳结果；包括陶瓷基板和电极的总装置厚度约为745μm。
使用PZT单元进行了另一系列实验以再现缓慢的温度变化条件；如前所述，这模拟了能量采集的环境状况。
使用普通办公空调系统测试了热释电PZT单元#4。初始室温为22℃。在接通空调后，空气温度降低到设定值14℃。如图13所示，将PZT单元#4置于空调出风口附近，并暴露于数百秒的时间内约8℃的温度变化(缓慢的速率)。该测试的结果可以总结如下：在ΔT＝8℃的情况下，可以获得6nA的峰值电流和1.3μC的累积电荷。
现在将传统装置的上述实验数据与利用根据本发明实施例的装置所获得的数据进行比较。具体地，使用并联连接的以前使用的相同类型的四个陶瓷电容器制造了热释电单元：由于单个电容器的容量为22μF，因此可以获得总表面积为4×8mm2＝32mm2的88μF的总容量。为了测量累积的电荷，使用了电解负载电容器Cload＝100μF。产生的电荷Q可以通过随时间经过对电流I进行积分来获得；Q的值也可以从负载电容器两端的测量电压V推断出：Q＝Cload·V。测试了如下两种情况：a)快速T变化速率和b)缓慢T变化速率。
对于快速T变化速率，在约50s的时间间隔期间用吹风机将单元从室温加热至76℃：因此，由此得到的ΔT约为52℃，dT/dt＝1.04℃/s。在图14中示出从该测试获得的图。用“四个电容器单元”实现的结果是：峰值电压Vp＝1.3V；累积电荷Q＝Vp·Cload＝1.3V·100μF＝130μC。
与前一参考PZT单元#4(快速T变化速率)的比较在表8中总结如下：
该比较示出，在ΔT基本相似的情况下，根据实施例的装置可以产生相对于参考PZT单元超过7倍的总电荷，并且表面积和体积大幅减小。(参见括号中的数值)
对于缓慢T变化速率，将根据本发明实施例的装置放置在小加热器附近；在55s的时间间隔期间得到的ΔT为约6℃。在图15中示出所测量到的电压和温度。结果是：峰值电压Vpeak＝26mV；因此，在ΔT＝6℃的情况下，总累积电荷为Q＝26mV·100μF＝2.6μC。同样，如表9所示(参见括号中的数值)，对于缓慢T变化速率测试条件，即使具有较小的ΔT，与参考PZT单元相比，根据本发明实施例的装置也可以展现更好的性能：
还将根据实施例的四个电容器单元的性能与模拟三个不同环境条件的更近期的实验进行比较。作为第三示例3，参考A.K.Batra、A.Bandyopadhyay、A.K.Chilvery、M.Thomas的论文“Modeling and simulation for PVDF-based Pyroelectric EnergyHarvester”(发表于Energy Science and Technology，第5卷，N.2，2013，第1-7页)。在该发表的论文中，由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成的单元在不同条件下进行300小时的循环，以模拟亨茨维尔(美国阿拉巴马州)、沙特阿拉伯和火星的环境。为了在增加和减小的温度间隔中收集能量，根据描述了具有四个二极管的全波桥式整流器电路的图17所示的电路，来提供具有储存型电容器(1μF)的整流桥以积累电荷。在图16中，示出了PVDF单元的环境温度、产生的电压和收集的能量的值。
在表10中，从上述科学文献中总结出与针对300小时所累积的电荷有关的数据作为针对三个位置在数值上获得的预测结果(电压和能量)：
对于面积最大的单元(10cm2)，300小时后产生的累积电荷为：亨茨维尔0.13μC；沙特阿拉伯0.7μC；火星7.7μC。这些值可以容易地与来自根据本发明实施例的先前装置的结果进行比较，结果是性能好得多。在测试中，使用了标准可用的片型电容器(MLCC)：令人惊讶地且出乎意料地，即使在数千次循环之后，这些MLCC仍然表现出良好的热释电性质。然而，可以产生更好的结果。
热释电单元是公知的装置，但是已经经过合适的极化处理的标准MLCC电容器的用途代表了在温度变化测量的应用方面的新颖性。例如，本发明的实施例示出基于极化BaTiO3的MLCC被证明是热释电单元所用的便宜、高性能、紧凑、模块化且鲁棒性的组件。本发明的方法实施例使得在检测温度变化时灵敏度能够非常高。可以进一步获得更复杂的设备中的如下优点：从环境温度波动中提取能量的非常高的能力、低成本、高灵活性和集成性。根据本发明的各个实施例，MLCC的极化可在将MLCC组装在热释电单元内之前或在装置制造之后进行，只要该单元配备有适当的极化电路即可。
由于测试期间施加的温度变化可以具有瞬态特性，因此热释电效应所产生的电流也可以是瞬态的。然而，可以提供平均值，以表现装置的性能；可以获得峰值作为针对小的时间间隔的差商，并且可以根据电容器两端的电压和装置的有效电容来求出总的累积电荷。
对于面积为8mm2且极化后的有效电容约为12.7微法的单个MLCC，利用约0.08℃/秒的缓慢温度变化，可获得57纳安的平均电流值，并且总电荷为2.54微库仑，这与44秒后测量到的0.2伏特的电容器两端的电压值相对应。总能量约为0.254微焦耳。在0.68℃/秒的更快的温度变化的情况下，相同的装置表现出0.771微安的平均电流，总累积电荷为24.7微库仑，并且32秒后测量到的所得电压为1.95伏特。总能量约为24.14微焦耳。
令人惊讶地且出乎意料地，极化工艺更优选在低温下进行。使用50千伏/厘米至350千伏/厘米的范围内的电场在-18℃下将该装置极化2小时，可以观察到低于20纳安的漏电流，该漏电流表明对装置的损坏非常低。随后在室温下以约1.1℃/秒的温度变化所进行的测试提供了约1.6微安的平均电流，并且总累积电荷为32微库仑，并且20秒后测量到的所得电压约为2.5伏。总能量约为39.68微焦耳。
因此，对于1℃/秒的温度变化，可以利用单个良好极化的装置来获得数微安量级的峰值电流。在相同的条件下，可以预期超过1微安的平均电流值。通常，已经使用最初没有表现出任何先前储存的电荷的MLCC装置获得了电参数的报告值，特别是储存的能量的报告值。因此，这些MLCC装置两端的初始电压为零。
根据另一实施例，如果电容器预先充了电，则可以获得甚至更高的能量：如果器件经过如上施加的相同温度变化，则净收集的能量(在减去所储存的预充电能量之后)令人惊讶且出乎意料地变得更高。这表明能量采集的效率也可能依赖于电气设置。
为了对热释电发生器预充电，可以使用常见的电压发生器；能量储存元件(电池或电容器等)也可以提供热释电发生器的预充电。
在采集装置中，热释电发生器可以连接到能量储存装置，以传输能量。如二极管和电阻器等的各种电子元件可以组合在合适的电路中，以有效地管理并将所收集到的能量传输到储存装置。此外，包括微型电感器、振荡器、电荷泵、逻辑端口等的复杂接口电路可用于最佳能量传输。
在温度变化测量装置中，可以利用常见的测试设备(示波器、万用表和微电流计等)来读取来自热释电发生器的信号(电压或电流)。进行校准过程以将来自热释电元件的电信号转换为温度变化值。在校准中，可以使用固定的温度水平和变化来获得装置的响应曲线。可能地，可以根据需要使用信号的放大。
通常，对于许多并联的电容器，电流、累积电荷和所储存的能量的期望值与装置的数量成比例。
根据又一实施例，与传统的单元件温度变化检测器相比，热释电装置有利地提供输出响应更大的温度变化检测。
尽管已经描述了详细的实施例，但是这些实施例仅用于提供对独立权利要求所限定的本发明的更好理解，并且不应被视为限制性的。

Claims (16)

1.一种热释电装置，包括：
具有热释电系数p的多个极性电介质材料层，其中各层表现出热释电特性；以及
多个导电电极，其中各导电电极与所述多个极性电介质材料层中的至少一个极性电介质材料层各自的一个表面的至少一部分实质相接触，
其中，各导电电极以并联配置电气连接，以形成包括所述多个极性电介质材料层和所述多个导电电极的一系列电容器。
2.根据权利要求1所述的热释电装置，其中，极性电介质材料的铁电畴通过极化工艺与所述铁电畴的偶极子在相同方向上对准。
3.根据权利要求1或2所述的热释电装置，其中，所述多个极性电介质材料层和所述多个导电电极彼此垂直堆叠。
4.根据前述权利要求中任一项所述的热释电装置，其中，所述一系列电容器包括至少两个或三个电容器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的热释电装置，其中，所述一系列电容器包括数量超过十个的电容器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的热释电装置，其中，彼此垂直堆叠的所述多个极性电介质材料层和所述多个导电电极集成在多层陶瓷电容器即MLCC电容器中，所述MLCC电容器的大小优选小于5mm或小于1mm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的热释电装置，其中，导电电极层彼此垂直排列并且通过导电电极层之间的极性电介质材料层隔开，以及
所述导电电极层交替地电气互连在一起，以构建彼此堆叠且并联连接的多个电容器的组。
8.根据前述权利要求中任一项所述的热释电装置，其中，至少一个极性电介质材料层包括未进行掺杂或进行了掺杂的钛酸钡层即BaTiO3层。
9.根据前述权利要求中任一项所述的热释电装置，其中，所述多个导电电极中的至少一个导电电极是贱金属电极即BME、或者包含铂、金、银-钯或作为替代包含导电氧化物、氧化铱、镍的贵金属电极即PME。
10.根据前述权利要求中任一项所述的热释电装置，其中，所述热释电装置至少包括顶部电极、钛酸钡层、第一中间电极、另一钛酸钡层、第二中间电极、第三钛酸钡层以及底部电极，以使得至少三个电容器并联电气连接。
11.根据前述权利要求中任一项所述的热释电装置，其中，所述热释电装置具有由于暴露于温度变化而产生的输出响应。
12.根据前述权利要求中任一项所述的热释电装置，其中，所述输出响应是与所述一系列电容器的面积A成比例的输出电流，或者是例如被作为外部电阻器两端的热释电电压降V、或作为功率、或作为通过合适的电子装置处理所述热释电装置的输出响应所获得的信号而监视的热释电电流I，其中所述合适的电子装置优选是运算放大器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的热释电装置，其中，所述热释电装置用在接触型或非接触型温度变化测量装置中。
14.一种根据前述权利要求中任一项所述的热释电装置在能量采集方面的用途。
15.一种温度变化测量装置，其包括根据权利要求1至13中任一项所述的热释电装置。
16.一种温度变化的测量方法，包括以下步骤：测量根据权利要求1至13中任一项所述的热释电装置的输出响应。
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