陶瓷傳感器在汽車電子中的的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

陶瓷傳感器的應(yīng)用

（一）檢測(cè)汽車溫度

一輛汽車檢測(cè)溫度一般需用10余只陶瓷溫度傳感器。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)需要連續(xù)精確地測(cè)量冷卻水溫度、進(jìn)氣溫度、排氣溫度的傳感器，以便根據(jù)溫度變化修正或補(bǔ)償燃油噴射量，改變怠速轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)值等，獲得最佳空燃比；負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻的溫度特性為一種指數(shù)函數(shù)，隨溫度升高電阻值減小，呈現(xiàn)出負(fù)溫度特性、靈敏度高、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，常用作檢測(cè)冷卻水和進(jìn)氣以及機(jī)油溫度傳感器；NTC熱敏電阻由Mn、Cu、Ni、Fe等過渡金屬氧化物配方，經(jīng)陶瓷燒結(jié)工藝制作，按配方的不同，主要分為二元系、三元系、四元系等材料。工作溫度范圍在-200℃～130℃的NTC用于水溫進(jìn)氣溫度的檢測(cè)，其結(jié)構(gòu)是將NTC電阻裝配在螺栓型金屬外殼內(nèi)，與電控單元的電阻串聯(lián)。另一類以BaTiO3為主要材料，與金屬氧化物混合燒結(jié)制成的正溫度系數(shù)PTC熱敏電阻，則用作汽車的液面水平傳感器或低溫啟動(dòng)加熱元件。

（二）檢測(cè)汽車尾氣

利用固體電解質(zhì)氣敏陶瓷材料，研制出用于汽車尾氣監(jiān)測(cè)的氧傳感器，測(cè)定尾氣排放中的氧濃度來檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比，除可節(jié)省燃油外，還能減少CO、NO2等有害氣體的排放量。ZrO2氧傳感器因靈敏度高、可靠性好，在汽車的實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)采用這種類型，其主要結(jié)構(gòu)由產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的U形ZrO2電解質(zhì)敏感管以及起電極作用的襯套、電阻加熱器、有廢氣進(jìn)口的防護(hù)外殼、多孔陶瓷帽組成。ZrO2管的內(nèi)外表面涂覆有薄薄一層R，Pt既作電極又具有電動(dòng)勢(shì)放大作用，以及R涂覆在ZrO2管上的催化作用，外電極是測(cè)量電極，內(nèi)電極是參比電極。氣體要通過多孔陶瓷帽（擴(kuò)散障）的小氣量小，排氣溫度低時(shí)，由電控單元給電阻加熱器通電加熱，保證氧傳感器正常工作。ZrO氧傳感器安裝在歧管或前排氣管內(nèi)，在400℃高溫下，敏感管內(nèi)外面存在氧濃度差時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)熱，提供0～1V的反饋信號(hào)，通過檢測(cè)廢氣中的氧壓比，非常適于空燃比的控制。按工作原理，可分為濃差電池型和電化學(xué)泵的極限電流型氧傳感器，這兩種結(jié)構(gòu)類似，制造工藝相似，分別適宜理論空燃比和稀薄燃燒系統(tǒng)空燃比的控制。此外，TiO2、Nb2O5和CeO2等氧化物陶瓷氧傳感器、薄膜和厚膜型氧傳感器的研發(fā)及在汽車中的應(yīng)用開發(fā)也在積極深入開展。

汽車采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力時(shí)，除氧傳感器外，用氮氧化物NOx傳感器進(jìn)一步改善燃燒狀態(tài)和廢氣再處理也是十分重要的。利用濺射法在氧化鋁基板上形成約100μm厚的ZnO及SnO2薄膜，然后加上電極，并在基板內(nèi)側(cè)裝上加熱器，構(gòu)成NOx傳感器。NOx在薄膜表面上吸附負(fù)電荷，NOx濃度增加時(shí)，薄膜電阻增大，在3～15s內(nèi)即可檢測(cè)出廢氣中的NOx濃度，靈敏度為5～800ppm。

（三）檢測(cè)汽缸工作狀態(tài)

基于壓阻效應(yīng)的壓電陶瓷可以監(jiān)測(cè)汽缸工作的狀態(tài)。壓電陶瓷爆震傳感器由壓電陶瓷振子、金屬片、密封墊、金屬外殼等構(gòu)成。壓電振子產(chǎn)生的電荷與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸發(fā)生的振動(dòng)成正比，所產(chǎn)生的電壓經(jīng)屏蔽線進(jìn)入電控單元，由此檢測(cè)出7kHz左右振動(dòng)所產(chǎn)生的電壓，電控單元根據(jù)這一電壓的大小判斷爆震強(qiáng)度，及時(shí)修正或相應(yīng)推遲點(diǎn)火提前角消除爆震，使發(fā)動(dòng)機(jī)在接近爆震、熱效率最高、燃料消耗量最少的點(diǎn)火時(shí)刻工作，實(shí)現(xiàn)無爆震工作狀態(tài)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)以最大可能的功率與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)運(yùn)轉(zhuǎn)。

（四）指導(dǎo)汽車安全駕駛

基于壓阻效應(yīng)的超聲波傳感器用作汽車倒車防撞報(bào)警裝置，也被稱為超聲波倒車?yán)走_(dá)或倒車聲納系統(tǒng)，尤其適用于加長(zhǎng)型裝載汽車、載重大貨車、礦山汽車等大型車輛。超聲波傳感器通常由鋁合金外殼、壓電陶瓷換能器、吸聲材料、引線電極所構(gòu)成，具有水平方向特性寬，而垂直方向受到限制的方向性，原理上利用錯(cuò)欽酸鉛PZT壓電陶瓷在電能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的正、逆壓電效應(yīng)，即在壓電陶瓷上加一電信號(hào)，便產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)而發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波在空氣傳播途中碰到障礙物立即被反射回來，作用于壓電陶瓷時(shí)，則會(huì)有電信號(hào)輸出，通過數(shù)據(jù)處理時(shí)間差測(cè)距，計(jì)算能顯示出車與障礙物的距離與危險(xiǎn)相撞時(shí)及時(shí)報(bào)警，可準(zhǔn)確無誤地探測(cè)汽車尾部及駕車者視角盲區(qū)的微小障礙物，實(shí)用性相當(dāng)強(qiáng)。為獲得高的發(fā)射效率和接收靈敏度，發(fā)射接收全并在一起的自發(fā)圓盤彎曲振動(dòng)換能器的超聲波傳感器是目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，具有很高的發(fā)射效率與接收靈敏度以及尖銳的指向性。超聲波有一定的探測(cè)角度和范圍，欲覆蓋汽車后部整個(gè)區(qū)域，窄體車輛需裝用2只超聲波傳感器，而寬體車輛則需安裝4只或更多。

陶瓷加速度傳感器可用于汽車安全氣囊系統(tǒng)，利用碰撞慣性形成的慣性力會(huì)在壓電陶瓷體內(nèi)產(chǎn)生剪切力作用，由此發(fā)生與加速度成正比的電荷及電壓，高精度、可靠，能快速分辨碰撞實(shí)況。將兩枚壓電陶瓷片通過內(nèi)部的共同電極串聯(lián)粘接起來，形成二極結(jié)構(gòu)，安裝在運(yùn)動(dòng)方向上并形成懸臂梁，并與外圍電路厚膜集成制作在一個(gè)外殼內(nèi)。用于檢測(cè)汽車瞬間的低速或高速碰撞強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，滿足診斷控制多種算法要求，確保碰撞強(qiáng)度大時(shí)，安全氣囊準(zhǔn)確及時(shí)開啟，提高汽車安全性能。

（五）檢測(cè)汽車濕度

濕敏陶瓷的特點(diǎn)是測(cè)濕范圍寬，響應(yīng)時(shí)間較快，生產(chǎn)工藝較簡(jiǎn)單，是汽車濕度傳感器的主要材料。適用于車窗玻璃防霜、結(jié)露和發(fā)動(dòng)機(jī)化油器進(jìn)氣部分空氣濕度的檢測(cè)。濕度傳感器的內(nèi)部裝有用金屬氧化物系列陶瓷材料制成的多孔燒結(jié)體，利用燒結(jié)體表面對(duì)水分子的吸附作用來敏感濕度，其靈敏度取決于材料的氣孔率及孔徑，感濕特征量為電阻，呈負(fù)的濕敏特性。當(dāng)燒結(jié)體吸附了水分子時(shí)，其電阻值會(huì)發(fā)生變化，由鍍覆電極輸出，濕度增加時(shí)阻值減少，相對(duì)濕度從0變化為100％RH時(shí)，傳感器的電阻值將有數(shù)千倍的變化，由此檢測(cè)出濕度變化。

陶瓷傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

陶瓷傳感器已有四十多年的歷史。陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和震動(dòng)的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定性及厚膜電阻可以使它工作溫度范圍高達(dá)-40℃～125℃，而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度大于2KV，輸出信號(hào)強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。

高特性、低價(jià)格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國(guó)家陶瓷傳感器有全面替代其它類型傳感器的趨勢(shì)，在中國(guó)也有越來越多的用戶使用替代擴(kuò)散硅壓力傳感器。總之，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和汽車電子控制系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛，汽車傳感器市場(chǎng)需求將保持高速增長(zhǎng)，高穩(wěn)定性、高精度、長(zhǎng)壽命、無線化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化的傳感器將逐步取代傳統(tǒng)的傳感器，成為車用傳感器的主流。