陶瓷傳感器在汽車電子中的的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)
(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)精確地測(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,獲得最佳空燃比;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、熱效率最高、燃料消耗量最少的點(diǎn)火時(shí)刻工作,實(shí)現(xiàn)無爆震工作狀態(tài),保證發(fā)動(dòng)機(jī)以最大可能的功率與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)運(yùn)轉(zhuǎn)。
評(píng)論