陶瓷传感器的基本介绍与在汽车电子技术领域的应用研究

一、陶瓷传感器的简介

车用传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。汽车电子化和自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大，因此，国内外都将车用传感器技术列为重点发展的高新技术。目前，电子零部件在平均每辆高档车零部件成本中占有30％的比率，汽车传感器多达上百至数百只，以往安装在豪华、高档车或专用车辆上的先进传感器，现也纷纷落户在中、低档车上，陶瓷传感器就是其产品之一。

陶瓷是一种包含三种物相（单晶相、玻璃相、气相）的多相系统。陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺（溶胶-凝胶等）生产，完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。其工作过程主要是作用在陶瓷基片和测量膜片上的差压引起电容极板间电容值的变化并由位于陶瓷基片上的电极进行检测。

二、陶瓷传感器的五大应用

（一）检测汽车温度

一辆汽车检测温度一般需用10余只陶瓷温度传感器。例如，发动机电喷系统需要连续精确地测量冷却水温度、进气温度、排气温度的传感器，以便根据温度变化修正或补偿燃油喷射量，改变怠速转速控制目标值等，获得最佳空燃比；负温度系数NTC热敏电阻的温度特性为一种指数函数，随温度升高电阻值减小，呈现出负温度特性、灵敏度高、价格便宜等特点，常用作检测冷却水和进气以及机油温度传感器；NTC热敏电阻由Mn、Cu、Ni、Fe等过渡金属氧化物配方，经陶瓷烧结工艺制作，按配方的不同，主要分为二元系、三元系、四元系等材料。工作温度范围在-200℃～130℃的NTC用于水温进气温度的检测，其结构是将NTC电阻装配在螺栓型金属外壳内，与电控单元的电阻串联。另一类以BaTiO3为主要材料，与金属氧化物混合烧结制成的正温度系数PTC热敏电阻，则用作汽车的液面水平传感器或低温启动加热元件。

（二）检测汽车尾气

利用固体电解质气敏陶瓷材料，研制出用于汽车尾气监测的氧传感器，测定尾气排放中的氧浓度来检测发动机空燃比，除可节省燃油外，还能减少CO、NO2等有害气体的排放量。ZrO2氧传感器因灵敏度高、可靠性好，在汽车的实际应用中大多数采用这种类型，其主要结构由产生电动势的U形ZrO2电解质敏感管以及起电极作用的衬套、电阻加热器、有废气进口的防护外壳、多孔陶瓷帽组成。ZrO2管的内外表面涂覆有薄薄一层R，Pt既作电极又具有电动势放大作用，以及R涂覆在ZrO2管上的催化作用，外电极是测量电极，内电极是参比电极。气体要通过多孔陶瓷帽（扩散障）的小气量小，排气温度低时，由电控单元给电阻加热器通电加热，保证氧传感器正常工作。ZrO氧传感器安装在歧管或前排气管内，在400℃高温下，敏感管内外面存在氧浓度差时就会产生电动热，提供0～1V的反馈信号，通过检测废气中的氧压比，非常适于空燃比的控制。按工作原理，可分为浓差电池型和电化学泵的极限电流型氧传感器，这两种结构类似，制造工艺相似，分别适宜理论空燃比和稀薄燃烧系统空燃比的控制。此外，TiO2、Nb2O5和CeO2等氧化物陶瓷氧传感器、薄膜和厚膜型氧传感器的研发及在汽车中的应用开发也在积极深入开展。

汽车采用柴油发动机作动力时，除氧传感器外，用氮氧化物NOx传感器进一步改善燃烧状态和废气再处理也是十分重要的。利用溅射法在氧化铝基板上形成约100μm厚的ZnO及SnO2薄膜，然后加上电极，并在基板内侧装上加热器，构成NOx传感器。NOx在薄膜表面上吸附负电荷，NOx浓度增加时，薄膜电阻增大，在3～15s内即可检测出废气中的NOx浓度，灵敏度为5～800ppm。

（三）检测汽缸工作状态

基于压阻效应的压电陶瓷可以监测汽缸工作的状态。压电陶瓷爆震传感器由压电陶瓷振子、金属片、密封垫、金属外壳等构成。压电振子产生的电荷与发动机气缸发生的振动成正比，所产生的电压经屏蔽线进入电控单元，由此检测出7kHz左右振动所产生的电压，电控单元根据这一电压的大小判断爆震强度，及时修正或相应推迟点火提前角消除爆震，使发动机在接近爆震、热效率最高、燃料消耗量最少的点火时刻工作，实现无爆震工作状态，保证发动机以最大可能的功率与经济指标运转。

（四）指导汽车安全驾驶

基于压阻效应的超声波传感器用作汽车倒车防撞报警装置，也被称为超声波倒车雷达或倒车声纳系统，尤其适用于加长型装载汽车、载重大货车、矿山汽车等大型车辆。超声波传感器通常由铝合金外壳、压电陶瓷换能器、吸声材料、引线电极所构成，具有水平方向特性宽，而垂直方向受到限制的方向性，原理上利用错钦酸铅PZT压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应，即在压电陶瓷上加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于压电陶瓷时，则会有电信号输出，通过数据处理时间差测距，计算能显示出车与障碍物的距离与危险相撞时及时报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物，实用性相当强。为获得高的发射效率和接收灵敏度，发射接收全并在一起的自发圆盘弯曲振动换能器的超声波传感器是目前市场上的主流产品，具有很高的发射效率与接收灵敏度以及尖锐的指向性。超声波有一定的探测角度和范围，欲覆盖汽车后部整个区域，窄体车辆需装用2只超声波传感器，而宽体车辆则需安装4只或更多。

陶瓷加速度传感器可用于汽车安全气囊系统，利用碰撞惯性形成的惯性力会在压电陶瓷体内产生剪切力作用，由此发生与加速度成正比的电荷及电压，高精度、可靠，能快速分辨碰撞实况。将两枚压电陶瓷片通过内部的共同电极串联粘接起来，形成二极结构，安装在运动方向上并形成悬臂梁，并与外围电路厚膜集成制作在一个外壳内。用于检测汽车瞬间的低速或高速碰撞强度，转换成电信号输出，满足诊断控制多种算法要求，确保碰撞强度大时，安全气囊准确及时开启，提高汽车安全性能。

（五）检测汽车湿度

湿敏陶瓷的特点是测湿范围宽，响应时间较快，生产工艺较简单，是汽车湿度传感器的主要材料。适用于车窗玻璃防霜、结露和发动机化油器进气部分空气湿度的检测。湿度传感器的内部装有用金属氧化物系列陶瓷材料制成的多孔烧结体，利用烧结体表面对水分子的吸附作用来敏感湿度，其灵敏度取决于材料的气孔率及孔径，感湿特征量为电阻，呈负的湿敏特性。当烧结体吸附了水分子时，其电阻值会发生变化，由镀覆电极输出，湿度增加时阻值减少，相对湿度从0变化为100％RH时，传感器的电阻值将有数千倍的变化，由此检测出湿度变化。

三、陶瓷传感器的发展趋势

陶瓷传感器已有四十多年的历史。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和震动的材料。陶瓷的热稳定性及厚膜电阻可以使它工作温度范围高达-40℃～125℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度大于2KV，输出信号强，长期稳定性好。

高特性、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家陶瓷传感器有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也有越来越多的用户使用替代扩散硅压力传感器。总之，随着电子技术的发展和汽车电子控制系统应用的日益广泛，汽车传感器市场需求将保持高速增长，高稳定性、高精度、长寿命、无线化、集成化和网络化的传感器将逐步取代传统的传感器，成为车用传感器的主流。

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