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陶瓷传感器阅读:1907

  陶瓷传感器传感器 的供应商是指采用陶瓷材料的用于感受测量信号用于转换输出的传感装置。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料,并具有绝佳的热稳定性。而高性能、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器压力传感器 的供应商的发展方向。

  用于传感器的陶瓷材料可根据其不同的特征参数分类为: 化学成分、相结构成分、物理(电、磁、介质)性质。

陶瓷传感器的材料优势

  陶瓷在传感器中应用的优势:

  1、其原始材料(盐类和氧化物)相对而言不贵,并容易获得。

  2、所需工艺设备的价格较低。

  3、生产过程容易实施和监控。

  4、陶瓷的烧结温度比单晶的生长温度低。

  5、除少些例外外,其生产过程都在大气环境中完成。

  6、陶瓷工艺既可适用于小批量制备,也可适用大规模生产。

  陶瓷性质取决于三个因素:晶粒块体性质,晶粒表面和晶粒间相互接触的界面,这就为有目的的控制其参数提供了很大可能性。

  1、陶瓷的参数和特性可以在很宽的范围内变动。一方面,陶瓷能够成为绝缘体、半导体和导体,另一方面又能制成铁电体、铁氧体、压电、热电、铁弹性体类陶瓷。陶瓷特性的多样性有可能开发出许多效应,应用在许多方面。

  2、陶瓷工艺能够制造出多孔陶瓷,其孔隙具有特定的尺寸和特定的分布。 有些发生在陶瓷材料中的效应,在单晶体中观察不到,例如变阻器效应,以及BaTiO3基半导体铁电陶瓷的正温度系数效应等。

  3、采用陶瓷工艺制备的复合材料能形成具有不同特性的功能相,它们能产生新的效应,并适合于制造传感器。

陶瓷传感器的工作原理

  介质压力直接作用于陶瓷膜片,使测量膜片产生偏移,正常的压力使膜片偏移0.025mm,超压姿态也只使膜片偏移0.1mm,此时,测量膜片贴到了陶瓷支架上,避免了损坏,膜片位移产生的电容量,由与其直接连接的电子部件检测,放大和转换为标准信号输出。

陶瓷传感器的参数性能

  外形尺寸:Φ18.0*6.35mm

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

  工作电压:2-40V

  输入、输出阻抗:10KΩ

  零点输出:0±1mv/v

  输出灵敏度:2-4mv/v,典型值2±0.2mv/v

  线性、迟滞、重复性:0.1%

  响应时间:<1mS

  使用温度:-55~150℃

  温度漂移:±0.01%FS/℃、±0.02%FS/℃

  安全过载:3倍额定量程(灵敏度为典型值时)

  稳定性:优于0.15%FS/年

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。

陶瓷传感器在汽车的应用

  1.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,有负温度特性、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。

  2.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。气体通过多孔陶瓷帽(扩散障)的气量小,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。

  3.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。

  4.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,原理上利用钡钛酸铅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。

  5.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。

陶瓷传感器与扩散硅传感器的比较

光学电流传感器与扩散硅传感器的结构


  ①陶瓷基片 ②测量膜片 ③扩散硅测量元件 ④注入液 ⑤封装膜片

  陶瓷传感器是干式传感器,过程压力直接作用在坚固的陶瓷膜片上,基板电极和膜片电极可以检测出与压力相关的电容变化,测量范围取决于陶瓷膜片的厚度。膜片破碎的自诊断功能。保证抗过压能力可达正常压力的40倍 。高纯度99.9%陶瓷,具有与哈氏合金相同的抗化学腐蚀能力。适用于真空场合。第二腔室用于提高机械强度,阻止因传感器损坏导致介质泄漏。

  扩散硅传感器:基本原理是利用半导体的压阻效应和微机械加工技术,在单晶硅片的特定晶向上,用光刻、扩散等半导体工艺制做一惠斯登电桥,形成敏感膜片,当受到外力作用时产生微应变,电阻率发生变化,使桥臂电阻发生变化(一对变大一对变小)在激励电压信号输出,经过计算机温度补偿、激光调阻、信号放大等处理手段和严格的装配检测、标定等工艺,生产出具有标准输出信号的压力变送器.

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