凡是具有自发极化的晶体，其表面会出现面束缚电荷，而这些面束缚电荷平时被晶体内部和外部的自由电荷所中和，因此在常态下呈中性[77]。如果交变的辐射照射在光敏元件上，则光敏元件的温度、晶片的自发极化强度以及由此引起的面束缚电荷的密度均以同样频率发生周期性变化[78]。如果面束缚电荷变化较快，自由电荷来不及中和，在垂直于自发极化矢量的两个端面间将会出现交变的端电压[79]，热释电探测器就是这种原理来设计的，图3-2描述了其测量原理。
图3-2 热释电探测器的原理示意图
其工作原理可以用三个过程来描述：“辐射→热”为吸收过程，“热→温度”为加热过程，“温度→电”则为测温过程。根据热平衡方程，对周期变化的红外辐射响应元温升描述为
式中 Φ——正弦变化辐射功率峰值；
ω——辐射角频率；
ε——响应元比辐射率；
G——响应元热导，单位为WK-1；
τ——热容与有效热导之比（C/G），即热时间常数，单位为s。
热释电探测器是一个电容性的低噪声器件，等效电路如图3-3所示。
图3-3 热释电探测器的等效电路
热释电电流与辐射角频率、响应元面积、温升成正比，可表达为
id=ωPAdΔTd （3-7）
式中 P——热电系数。信号电压为(www.xing528.com)
Vs=idZ=ωPAdΔTdRe（1+ω2τ2e）-1/2 （3-8）
式中 Re——探测器的等效输入电阻；
Ce——探测器的等效电容；
τe——电时间常数，τe=ReCe。
将温升结果代入得到响应率，得到
辐射角频率、热时间常数、电时间常数对热释电器件响应率的影响可归纳为
ω=0 响应率为零，随角频率增加而增加；
1/τT≤ω≤1/τe 响应率为常数；
ω≥1/τe 响应率与角频率成反比。
图3-4所示为热释电探测器ΔT、R与ω之间的对数关系曲线。
热释电材料有单晶、陶瓷、薄膜等种类。单晶热释电晶体的热释电系数高，介质损耗小，至今性能最好的热释电探测器大多选用单晶制作，如TGS、LATGS、LiTaO3等。陶瓷热释电晶体成本较低，但响应较慢。薄膜热释电材料可以用溅射法、液相外延等方法制备，有些薄膜的自发极化取向率已接近单晶水平。由于薄膜一般可以做得很薄，因而对于制作高性能的热释电探测器十分有利。热释电探测器光谱响应范围很宽，可以在非致冷条件下工作，所以常被用于辐射测量。
图3-4 热释电探测器ΔT、R与ω之间的对数关系曲线
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