賀德克傳感器:陶瓷傳感器在汽車中的五大應(yīng)用
一、陶瓷傳感器的簡(jiǎn)介
車用傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。汽車電子化和自動(dòng)化程度越高，對(duì)傳感器的依賴性就越大，因此，國(guó)內(nèi)外都將車用傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的優(yōu)良。目前，電子零部件在平均每輛車零部件成本中占有30％的比率，汽車傳感器多達(dá)上百至數(shù)百只，以往安裝在豪華、車或車輛上的*傳感器，現(xiàn)也紛紛落戶在中、低檔車上，陶瓷傳感器就是其產(chǎn)品之一。
陶瓷是一種包含三種物相（單晶相、玻璃相、氣相）的多相系統(tǒng)。陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝（溶膠-凝膠等）生產(chǎn)，完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。其工作過(guò)程主要是作用在陶瓷基片和測(cè)量膜片上的差壓引起電容極板間電容值的變化并由位于陶瓷基片上的電極進(jìn)行檢測(cè)。
二、陶瓷傳感器的五大應(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)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*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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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zui高、燃料消耗量zui少的點(diǎn)火時(shí)刻工作，實(shí)現(xiàn)無(wú)爆震工作狀態(tài)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)以zui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(lái)，作用于壓電陶瓷時(shí)，則會(huì)有電信號(hào)輸出，通過(guò)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(wú)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(guò)內(nèi)部的共同電極串聯(lián)粘接起來(lái)，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(lái)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。
三、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*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(lái)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(wú)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。
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