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： 化學成分、相結構成分、物理(電、磁、介質)性質。

　　陶瓷在傳感器中應用的優(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)。

　　陶瓷性質取決于三個因素：晶粒塊體性質，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、半導體和導體，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，應用在許多方面。

　　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，在單晶體中觀察不到，例如變阻器效應，以及BaTiO3基半導體鐵電陶瓷的正溫度系數(shù)效應等。

　　3、采用陶瓷工藝制備的復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，并適合于制造傳感器。2

陶瓷傳感器的工作原理

　　介質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，放大和轉換為標準信號輸出。

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、重復性：0.1%

　　響應時間：＜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，隨著電子技術的發(fā)展和汽車電子控制系統(tǒng)應用的日益廣泛，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，改變怠速轉速控制目標值等，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，其結構是將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，在汽車的實際應用中大多數(shù)采用這種類型，其主要結構由產(chǎn)生電動勢的U 形ZrO2 電解質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泵的極限電流型氧傳感器，這兩種結構類似，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)側裝上加熱器，構成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)濟指標運轉。

　　4．指導汽車安全駕駛

　　基于壓阻效應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雷達或倒車聲納系統(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換的正、逆壓電效應，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，形成二極結構，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體，利用燒結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。

　　當燒結體吸附了水分子時，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

光學電流傳感器與擴散硅傳感器的結構

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致介質泄漏。

　　擴散硅傳感器:基本原理是利用半導體的壓阻效應和微機械加工技術，在單晶硅片的特定晶向上，用光刻、擴散等半導體工藝制做一惠斯登電橋，形成敏感膜片，當受到外力作用時產(chǎn)生微應變，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格的裝配檢測、標定等工藝，生產(chǎn)出具有標準輸出信號的壓力變送器.。

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