الفيزياء الأساسية للتأثير الكهروحراري في الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء: الآليات والمواد وتوليد الإشارة

مقدمة: استشعار الحرارة من خلال الاستقطاب

يحمل الإشعاع تحت الأحمر، غير المرئي للعين المجردة، معلومات بالغة الأهمية حول الحالة الحرارية للأجسام. ويُعدّ الكشف عن هذا الإشعاع ضروريًا لتطبيقات متنوعة، بدءًا من التصوير الحراري واستشعار الحركة، وصولًا إلى تحليل الغازات وقياس درجة الحرارة عن بُعد. ومن بين التقنيات المختلفة المستخدمة للكشف عن الأشعة تحت الحمراء، تُقدّم التقنيات القائمة على التأثير الكهروحراري مزايا فريدة، لا سيما للتشغيل دون تبريد في درجة حرارة الغرفة. يصف التأثير الكهروحراري قدرة بعض المواد على توليد إشارة كهربائية مؤقتة (جهد أو تيار) عند تعرضها لتغير في درجة الحرارة. وتنشأ هذه الظاهرة من اعتماد الاستقطاب الكهربائي التلقائي للمادة على درجة الحرارة. ويُعدّ فهم الفيزياء الأساسية الكامنة وراء هذا التأثير، وخصائص المواد الكهروحرارية المختلفة، وكيفية تفاعلها مع الإشعاع تحت الأحمر الساقط، أمرًا بالغ الأهمية لتصميم تقنيات الاستشعار الحديثة وتحسينها.

فيزياء الكهرباء الحرارية

ترتبط الخاصية الكهروحرارية ارتباطًا وثيقًا بالبنية البلورية للمادة. وهي لا تحدث إلا في المواد التي تمتلك استقطابًا كهربائيًا تلقائيًا (P _s ) ، أي أنها تُظهر عزم ثنائي قطب كهربائيًا ذاتيًا لكل وحدة حجم حتى في غياب مجال كهربائي خارجي. ويتطلب ذلك أن تفتقر البنية البلورية للمادة إلى مركز تناظر وأن تنتمي إلى إحدى المجموعات النقطية القطبية العشر من بين المجموعات النقطية البلورية الـ 32.

في هذه المواد القطبية، تعتمد قيمة الاستقطاب التلقائي (P_{_s} ) على درجة الحرارة. ويُعرف التأثير الكهروحراري تحديدًا بهذا التغير في P_{_s} استجابةً لتغير درجة الحرارة (ΔT). ويتم تحديد هذه العلاقة كميًا بواسطة معامل الكهروحرارة (p) ، والذي يُعرَّف بأنه المركبة المتجهة لتغير الاستقطاب على طول المحور القطبي لكل وحدة تغير في درجة الحرارة.

p = دP_s / دT

عندما تتعرض مادة كهروحرارية لتغير منتظم في درجة الحرارة ΔT، ينتج عن التغير في استقطابها التلقائي ΔP _s ظهور شحنات سطحية على الأسطح العمودية على المحور القطبي. وتُعطى كثافة الشحنة السطحية (σ) المتولدة بالعلاقة التالية:

σ = ΔP_s = p · ΔT

إذا تم وضع الأقطاب الكهربائية على هذه الأسطح وتوصيلها عبر دائرة خارجية، فإن هذا التغيير في الشحنة السطحية يمكن أن يظهر كتيار قابل للقياس ( I ) إذا تغيرت درجة الحرارة بمرور الوقت (dT / dt ) ، أو جهد (ΔV ) عبر سعة المادة ( C ) إذا كانت الدائرة مفتوحة أو ذات مقاومة عالية.

I = A · دP_s / دt = A · p · (دT / دt) ΔV = ΔQ / C = (A · p · ΔT) / C = (p · d · ΔT) / (ε₀ · ε_r)

هنا، A هي مساحة القطب، وd هي سماكة المادة، وε₀ هي سماحية الفراغ، وεr _هي ثابت العزل النسبي للمادة. ومن المهم ذكره أن التأثير الكهروحراري لا يُولّد إشارة إلا عند تغير درجة الحرارة . أما عند ثبات درجة الحرارة المرتفعة، فلا تُولّد أي إشارة، إذ تُعادَل الشحنات السطحية بسرعة بفعل التوصيل الداخلي أو مسارات التسرب الخارجية. وهذا يستلزم تعديل الإشعاع تحت الأحمر الساقط (باستخدام مُقطِّع مثلاً) أو رصد الأهداف الحرارية المتحركة لضمان التشغيل المستمر.

آلية الكشف بالأشعة تحت الحمراء واقتران القطبية

تتضمن عملية الكشف بالأشعة تحت الحمراء باستخدام مادة كهروحرارية عدة خطوات تتفاعل فيها الخصائص الحرارية والكهربائية والبصرية للمادة:

1. امتصاص الأشعة تحت الحمراء: يصطدم الإشعاع تحت الأحمر الساقط بعنصر الاستشعار. يتم امتصاص جزء من هذا الإشعاع، وعادة ما يتم تعزيز ذلك بواسطة طبقة سوداء متخصصة على سطح المستشعر مصممة لامتصاص عالٍ عبر طيف الأشعة تحت الحمراء المطلوب.
2. تغيير درجة الحرارة: تتسبب طاقة الإشعاع الممتصة في ارتفاع درجة حرارة العنصر الكهروحراري الرقيق (ΔT). ويعتمد مقدار هذا التغير في درجة الحرارة على شدة الإشعاع الممتص، والكتلة الحرارية للعنصر (الكتلة × السعة الحرارية النوعية)، وموصليته الحرارية إلى المحيط (فقدان الحرارة).
3. تغيير الاستقطاب: يؤدي تغير درجة الحرارة (ΔT) إلى تغيير في الاستقطاب التلقائي للمادة (ΔP)._s = p · ΔT) بسبب التأثير الكهروحراري.
4. توليد الإشارة: يؤدي التغير في الاستقطاب إلى توليد شحنات سطحية، مما يؤدي إلى إشارة تيار أو جهد قابلة للقياس كما هو موضح في المعادلات أعلاه.

وبالتالي، فإنّ العلاقة بين تغيّر قطبية المادة وامتصاص الأشعة تحت الحمراء غير مباشرة ولكنها أساسية: إذ يُحفّز امتصاص الأشعة تحت الحمراء بشكل مباشر تغيّر درجة الحرارة (ΔT)، وهذا التغيّر في درجة الحرارة هو المحفّز المباشر لتغيّر الاستقطاب التلقائي (ΔP _s ). وتعتمد كفاءة هذه العلاقة على امتصاصية السطح، والخصائص الحرارية المؤثرة على ΔT (حيث يُفضّل انخفاض الكتلة الحرارية)، وقيمة معامل الكهروحرارة ( p ) الذي يتحكّم في استجابة ΔP _s لتغيّر ΔT.

مقارنة المواد الكهروحرارية

يؤثر اختيار المادة الكهروحرارية بشكل كبير على أداء المستشعر. تشمل الخصائص الرئيسية المرغوبة معامل كهروحراري عالٍ ( ρ )، وثابت عزل نسبي منخفض (εr ₎ لزيادة استجابة الجهد، وسعة حرارية نوعية منخفضة ( cp ₎ وكثافة منخفضة (ρ) لزيادة تغير درجة الحرارة الناتج عن الطاقة الممتصة، وموصلية حرارية منخفضة ( k ) لتقليل فقد الحرارة، ودرجة حرارة كوري عالية ( Tc _، التي عندها تُفقد الخاصية الكهروحرارية)، واستقرار كيميائي/ميكانيكي جيد. توضح ثلاث مواد شائعة الاستخدام هذه المفاضلات:

• تانتالات الليثيوم (LiTaO₃):
  • بناء: بلورة أحادية كهروإجهادية تنتمي إلى النظام الثلاثي (المجموعة النقطية 3m). تتميز باستقطاب تلقائي عالٍ.
  • الخصائص: يوفر توازنًا جيدًا بين معامل كهرضغطية عالي، وثابت عزل كهربائي منخفض نسبيًا مقارنة بالسيراميك، واستقرار حراري وكيميائي ممتاز، ودرجة حرارة كوري عالية (~610 درجة مئوية).
  • آلية: التغير في P_s ينشأ T من تحولات في المواضع الأيونية داخل وحدة الخلية غير المتناظرة مركزياً.
  • الاستخدام: يُستخدم على نطاق واسع في أجهزة الكشف أحادية العنصر عالية الأداء والمصفوفات الخطية نظرًا لمتانته ومؤشرات أدائه الجيدة بشكل عام. العديد من المنتجات عالية الجودة مكونات الكشف بالأشعة تحت الحمراء الاعتماد على LiTaO₃.
• بولي فينيليدين فلورايد (PVDF) وبوليمراته المشتركة (مثل P(VDF-TrFE)):
  • بناء: بوليمر شبه بلوري. تنشأ الخاصية الكهروحرارية بشكل أساسي من الطور القطبي β، الذي يتميز بمحاذاة محددة لثنائيات أقطاب CF. يتم تحفيز هذا الطور عن طريق التمدد الميكانيكي والاستقطاب الكهربائي.
  • الخصائص: يتميز هذا النوع من المواد بمعامل كهروحراري أقل من البلورات/السيراميك، ولكنه يتميز أيضًا بثابت عزل كهربائي منخفض جدًا وكتلة حرارية منخفضة. ينتج عن ذلك استجابة عالية للجهد. كما أنه مرن وخفيف الوزن ومنخفض التكلفة، ويمكن تشكيله إلى أغشية ذات مساحة كبيرة. درجة حرارة كوري منخفضة (حوالي 100-150 درجة مئوية حسب النوع).
  • آلية: تؤثر تغيرات درجة الحرارة على محاذاة ثنائي القطب وتذبذبه داخل الطور البلوري القطبي.
  • الاستخدام: مناسب لأجهزة الاستشعار منخفضة التكلفة، وأجهزة الكشف ذات المساحة الكبيرة، والميكروفونات المائية، وتطبيقات أجهزة الاستشعار المرنة.
• تيتانات زركونات الرصاص (PZT):
  • بناء: سيراميك متعدد البلورات ذو خصائص كهروإجهادية وبنية بيروفسكايت (ABO₃). يمكن ضبط خصائصه بتغيير نسبة الزركونيوم إلى التيتانيوم وإضافة شوائب. يتطلب استقطابًا كهربائيًا لمحاذاة المجالات الكهروإجهادية وإنشاء استقطاب كلي صافٍ.
  • الخصائص: يتميز هذا المركب بمعاملات كهروحرارية عالية جدًا، بالإضافة إلى خصائص كهرضغطية قوية. ومع ذلك، فإنه عادةً ما يتمتع بثابت عزل كهربائي مرتفع، مما قد يقلل من استجابته للجهد ما لم يتم التحكم فيه بعناية في تصميم الجهاز. وتختلف درجة حرارة كوري باختلاف التركيب (عادةً ما بين 150 و350 درجة مئوية).
  • آلية: تؤثر درجة الحرارة على مقدار الاستقطاب داخل المجالات الكهروإجهادية المتراصة.
  • الاستخدام: يُستخدم هذا النوع من المواد حيث تكون هناك حاجة إلى استجابة عالية للتيار، أو حيث يتم الاستفادة من خصائصه الكهروإجهادية. وغالبًا ما يوجد في أجهزة الكشف المتخصصة ومصفوفات التصوير.

خصائص المواد المقارنة

الخصائص النموذجية للمواد الكهروحرارية الشائعة (قيم تقريبية عند درجة حرارة الغرفة)

الممتلكات	وحدة	LiTaO₃	PVDF (الطور بيتا)	PZT (السيراميك النموذجي)
معامل الكهروحرارة (p)	ميكروكولوم متر⁻² كلفن⁻¹	٢٠٢٤/٢٠٢٣	٢٠٢٤/٢٠٢٣	٢٠٢٤/٢٠٢٣
ثابت العزل الكهربائي النسبي (εr)	بلا أبعاد	٢٠٢٤/٢٠٢٣	٢٠٢٤/٢٠٢٣	٢٠٢٤/٢٠٢٣
السعة الحرارية النوعية (cp)	جول/كجم/كيلوجرام/كيلوجرام	~ 420	~ 1300	~ 300 - 400
الكثافة (ρ)	كجم م⁻³	~ 7450	~ 1780	~ 7500 - 7900
الموصلية الحرارية (k)	واط متر⁻¹ كلفن⁻¹	~ 4.6	~ 0.13 - 0.2	~ 1.0 - 2.0
درجة حرارة كوري (Tc)	° C	~ 610	~ 100 - 150	~ 150 - 350
معامل جودة الجهد (p / εr)	ميكروكولوم متر⁻² كلفن⁻¹	~ 3.6 - 4.3	~ 2 - 4	~ 0.2 - 1.0
معامل جودة الطاقة (p / (εr ρ cp))	م³ ج⁻¹ جول⁻¹ ×10⁻¹²	~ 1.4	~ 8 - 15	~ 0.1 - 0.4

ملاحظة: القيم تقريبية وقد تختلف اختلافاً كبيراً تبعاً للتركيب المحدد، وطريقة التحضير، وظروف الاستقطاب، ودرجة حرارة التشغيل. توفر معايير الأداء مقارنات مبسطة.

توليد الإشارة ومعالجتها

تكون الإشارة الكهربائية الخام (الشحنة أو التيار) الناتجة عن العنصر الكهروحراري صغيرة جدًا في العادة، مما يستلزم تضخيمها ومعالجتها بدقة. عادةً، يقوم مضخم ذو مقاومة عالية، غالبًا ما يكون ترانزستورًا ذا تأثير حقلي (FET) مدمجًا داخل وحدة الاستشعار، بتحويل الشحنة/التيار إلى إشارة جهد قابلة للاستخدام. ثم تُضخّم هذه الإشارة وتُصفّى (لإزالة التشويش وعزل التردد المقابل لتعديل الأشعة تحت الحمراء أو حركة الهدف)، ويمكن تحويلها إلى إشارة رقمية. يُحدد الثابت الزمني الحراري (المرتبط بالكتلة الحرارية والتوصيلية) والثابت الزمني الكهربائي (المرتبط بسعة العنصر ومقاومة الحمل/مقاومة دخل المضخم) لنظام الاستشعار بشكل حاسم استجابته الترددية وحساسيته، وهما أمران أساسيان لفهم مواصفات الأداء التي تُدرج عادةً في منتجات الاستشعار التجارية.

خاتمة

تُوفّر ظاهرة التأثير الكهروحراري آليةً فعّالةً للكشف عن الأشعة تحت الحمراء غير المبرّدة، وذلك بفضل اعتماد الاستقطاب التلقائي على درجة الحرارة في موادّ غير متناظرة مركزياً. ويتطلّب اختيار المادة - سواءً كانت بلورات أحادية متينة مثل LiTaO₃، أو بوليمرات مرنة مثل PVDF، أو خزف عالي الأداء مثل PZT - موازنةً دقيقةً بين معامل التأثير الكهروحراري، والخصائص العازلة، والخصائص الحرارية، والقيود التشغيلية. ويُشكّل اقتران امتصاص إشعاع الأشعة تحت الحمراء الساقط، والتغيّر الناتج في درجة الحرارة، والتغيّر اللاحق في قطبية المادة، أساس توليد الإشارة. ويُبشّر البحث المستمر في مواد كهروحرارية جديدة وتصميمات مجسّات متطورة بمزيد من التحسينات في الحساسية والسرعة والتكامل لمجموعة واسعة من تطبيقات استشعار الأشعة تحت الحمراء.