陶瓷傳感器是指采用陶瓷材料的用于感受測量信號用于轉(zhuǎn)換輸出的傳感裝置。陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料，并具有絕佳的熱穩(wěn)定性。而高性能、低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向。　　用于傳感器的陶瓷材料可根據(jù)其不同的特征參數(shù)分類為： 化學(xué)成分、相結(jié)構(gòu)成分、物理(電、磁、介質(zhì))性質(zhì)。

　　陶瓷在傳感器中應(yīng)用的優(yōu)勢：

　　1、其原始材料(鹽類和氧化物)相對而言不貴，并容易獲得。

　　2、所需工藝設(shè)備的價格較低。

　　3、生產(chǎn)過程容易實施和監(jiān)控。

　　4、陶瓷的燒結(jié)溫度比單晶的生長溫度低。

　　5、除少些例外外，其生產(chǎn)過程都在大氣環(huán)境中完成。

　　6、陶瓷工藝既可適用于小批量制備，也可適用大規(guī)模生產(chǎn)。

　　陶瓷性質(zhì)取決于三個因素：晶粒塊體性質(zhì)，晶粒表面和晶粒間相互接觸的界面，這就為有目的的控制其參數(shù)提供了很大可能性。

　　1、陶瓷的參數(shù)和特性可以在很寬的范圍內(nèi)變動。一方面，陶瓷能夠成為絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體，另一方面又能制成鐵電體、鐵氧體、壓電、熱電、鐵彈性體類陶瓷。陶瓷特性的多樣性有可能開發(fā)出許多效應(yīng)，應(yīng)用在許多方面。

　　2、陶瓷工藝能夠制造出多孔陶瓷，其孔隙具有特定的尺寸和特定的分布。 有些發(fā)生在陶瓷材料中的效應(yīng)，在單晶體中觀察不到，例如變阻器效應(yīng)，以及BaTiO3基半導(dǎo)體鐵電陶瓷的正溫度系數(shù)效應(yīng)等。

　　3、采用陶瓷工藝制備的復(fù)合材料能形成具有不同特性的功能相，它們能產(chǎn)生新的效應(yīng)，并適合于制造傳感器。2

陶瓷傳感器的工作原理

　　介質(zhì)壓力直接作用于陶瓷膜片，使測量膜片產(chǎn)生偏移，正常的壓力使膜片偏移0.025mm，超壓姿態(tài)也只使膜片偏移0.1mm，此時，測量膜片貼到了陶瓷支架上，避免了損壞，膜片位移產(chǎn)生的電容量，由與其直接連接的電子部件檢測，放大和轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。

3陶瓷傳感器的參數(shù)性能

　　外形尺寸：Φ18.0*6.35mm

　　量程范圍：5bar、10bar、16bar、 20bar、 25bar、 30bar、 40bar、 50bar、 100bar

　　工作電壓：2-40V

　　輸入、輸出阻抗：10KΩ

　　零點輸出：0±1mv/v

　　輸出靈敏度：2-4mv/v,典型值2±0.2mv/v

　　線性、遲滯、重復(fù)性：0.1%

　　響應(yīng)時間：＜1mS

　　使用溫度：-55～150℃

　　溫度漂移：±0.01%FS/℃、±0.02%FS/℃

　　安全過載：3倍額定量程（靈敏度為典型值時）

　　穩(wěn)定性：優(yōu)于0.15%FS/年

4陶瓷傳感器的發(fā)展趨勢

　　陶瓷傳感器已有四十多年的歷史。陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和震動的材料。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-40℃～125℃，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度大于2KV，輸出信號強，長期穩(wěn)定性好。

　　高特性、低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國家陶瓷傳感器有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也有越來越多的用戶使用替代擴散硅壓力傳感器。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，汽車傳感器市場需求將保持高速增長，高穩(wěn)定性、高精度、長壽命、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。

陶瓷傳感器在汽車的應(yīng)用

　　1．檢測汽車溫度

　　一輛汽車檢測溫度一般需用10 余只陶瓷溫度傳感器。例如，發(fā)動機電噴系統(tǒng)需要連續(xù)精確地測量冷卻水溫度、進氣溫度、排氣溫度的傳感器，以便根據(jù)溫度變化修正或補償燃油噴射量，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，有負溫度特性、靈敏度高、價格便宜等特點，常用作檢測冷卻水和進氣以及機油溫度傳感器；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 用于水溫進氣溫度的檢測，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加熱元件。

　　2．檢測汽車尾氣

　　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)測的氧傳感器，測定尾氣排放中的氧濃度來檢測發(fā)動機空燃比，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)生電動勢的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、有廢氣進口的防護外殼、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勢放大作用，以及R 涂覆在ZrO2 管上的催化作用，外電極是測量電極，內(nèi)電極是參比電極。氣體通過多孔陶瓷帽（擴散障）的氣量小，排氣溫度低時，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就會產(chǎn)生電動熱，提供0～1V 的反饋信號，通過檢測廢氣中的氧壓比，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)動機作動力時，除氧傳感器外，用氮氧化物NOx 傳感器進一步改善燃燒狀態(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電荷，NOx 濃度增加時，薄膜電阻增大，在3～15s 內(nèi)即可檢測出廢氣中的NOx濃度，靈敏度為5～800ppm。

　　3．檢測汽缸工作狀態(tài)

　　基于壓阻效應(yīng)的壓電陶瓷可以監(jiān)測汽缸工作的狀態(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)動機氣缸發(fā)生的振動成正比，所產(chǎn)生的電壓經(jīng)屏蔽線進入電控單元，由此檢測出7kHz 左右振動所產(chǎn)生的電壓，電控單元根據(jù)這一電壓的大小判斷爆震強度，及時修正或相應(yīng)推遲點火提前角消除爆震，使發(fā)動機在接近爆震、熱效率最高、燃料消耗量最少的點火時刻工作，實現(xiàn)無爆震工作狀態(tài)，保證發(fā)動機以最大可能的功率與經(jīng)濟指標(biāo)運轉(zhuǎn)。

　　4．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警裝置，也被稱為超聲波倒車?yán)走_或倒車聲納系統(tǒng)，尤其適用于加長型裝載汽車、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，原理上利用鋇鈦酸鉛PZT 壓電陶瓷在電能與機械能之間相互轉(zhuǎn)換的正、逆壓電效應(yīng)，即在壓電陶瓷上加一電信號，便產(chǎn)生機械振動而發(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，則會有電信號輸出，通過數(shù)據(jù)處理時間差測距，計算能顯示出車與障礙物的距離與危險相撞時及時報警，可準(zhǔn)確無誤地探測汽車尾部及駕車者視角盲區(qū)的微小障礙物，實用性相當(dāng)強。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)圓盤彎曲振動換能器的超聲波傳感器是目前市場上的主流產(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角度和范圍，欲覆蓋汽車后部整個區(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)，安裝在運動方向上并形成懸臂梁，并與外圍電路厚膜集成制作在一個外殼內(nèi)。用于檢測汽車瞬間的低速或高速碰撞強度，轉(zhuǎn)換成電信號輸出，滿足診斷控制多種算法要求，確保碰撞強度大時，安全氣囊準(zhǔn)確及時開啟，提高汽車安全性能。

　　5．檢測汽車濕度

　　濕敏陶瓷的特點是測濕范圍寬，響應(yīng)時間較快，生產(chǎn)工藝較簡單，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)動機化油器進氣部分空氣濕度的檢測。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，呈負的濕敏特性。

　　當(dāng)燒結(jié)體吸附了水分子時，其電阻值會發(fā)生變化，由鍍覆電極輸出，濕度增加時阻值減少，相對濕度從0 變化為100％RH 時，傳感器的電阻值將有數(shù)千倍的變化，由此檢測出濕度變化。

6陶瓷傳感器與擴散硅傳感器的比較

光學(xué)電流傳感器與擴散硅傳感器的結(jié)構(gòu)

①陶瓷基片 ②測量膜片 ③擴散硅測量元件 ④注入液 ⑤封裝膜片

　　陶瓷傳感器是干式傳感器，過程壓力直接作用在堅固的陶瓷膜片上，基板電極和膜片電極可以檢測出與壓力相關(guān)的電容變化，測量范圍取決于陶瓷膜片的厚度。膜片破碎的自診斷功能。保證抗過壓能力可達正常壓力的40倍 。高純度99.9%陶瓷，具有與哈氏合金相同的抗化學(xué)腐蝕能力。適用于真空場合。第二腔室用于提高機械強度，阻止因傳感器損壞導(dǎo)致介質(zhì)泄漏。

　　擴散硅傳感器:基本原理是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)和微機械加工技術(shù)，在單晶硅片的特定晶向上，用光刻、擴散等半導(dǎo)體工藝制做一惠斯登電橋，形成敏感膜片，當(dāng)受到外力作用時產(chǎn)生微應(yīng)變，電阻率發(fā)生變化，使橋臂電阻發(fā)生變化（一對變大一對變小）在激勵電壓信號輸出，經(jīng)過計算機溫度補償、激光調(diào)阻、信號放大等處理手段和嚴(yán)格的裝配檢測、標(biāo)定等工藝，生產(chǎn)出具有標(biāo)準(zhǔn)輸出信號的壓力變送器.。

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