I. Einführung in Keramiksensoren Automobilsensoren sind als Informationsquelle für elektronische Steuerungssysteme in Fahrzeugen Schlüsselkomponenten dieser Systeme und ein zentrales Forschungsgebiet der Automobilelektronik. Je höher der Grad der Elektrifizierung und Automatisierung von Fahrzeugen ist, desto größer ist die Abhängigkeit von Sensoren. Daher gilt die Automobilsensorik national wie international als wichtiger Hightech-Bereich für die Entwicklung. Elektronische Bauteile machen derzeit 30 % der durchschnittlichen Komponentenkosten eines jeden Oberklassefahrzeugs aus, und es gibt Hunderte bis Tausende von Automobilsensoren. Hochentwickelte Sensoren, die zuvor in Luxus-, Oberklasse- oder Spezialfahrzeugen verbaut wurden, finden nun auch in Mittelklasse- und Kleinwagen Verwendung, und Keramiksensoren sind ein Beispiel dafür. Keramik ist ein Mehrphasensystem, das aus drei Phasen besteht (Einkristallphase, Glasphase und Gasphase). Keramiksensoren werden mithilfe von Standard-Keramikverfahren oder deren Variationen (Sol-Gel-Verfahren usw.) hergestellt. Nach entsprechenden Vorbereitungsschritten werden die geformten Elemente bei hohen Temperaturen gesintert. Ihre Funktionsweise beruht im Wesentlichen auf dem Differenzdruck zwischen dem Keramiksubstrat und der Messmembran. Dieser bewirkt eine Kapazitätsänderung zwischen den Kondensatorplatten, die von auf dem Keramiksubstrat befindlichen Elektroden erfasst wird. II. Fünf Hauptanwendungen von Keramiksensoren (I) Fahrzeugtemperaturmessung Ein typisches Fahrzeug benötigt mehr als zehn Keramiktemperatursensoren zur Temperaturmessung. Beispielsweise benötigen elektronische Kraftstoffeinspritzsysteme Sensoren zur kontinuierlichen und präzisen Messung der Kühlmittel-, Ansaugluft- und Abgastemperatur. Dies dient der Korrektur bzw. Kompensation der Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit von den Temperaturänderungen, der Anpassung der Leerlaufdrehzahl und der Ermittlung des optimalen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. NTC-Thermistoren (Negative Temperature Coefficient) weisen ein exponentielles Temperaturverhalten auf, wobei der Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt. Sie zeichnen sich durch negative Temperatureigenschaften, hohe Empfindlichkeit und geringe Kosten aus und werden häufig zur Messung der Kühlmittel-, Ansaugluft- und Motoröltemperatur eingesetzt. NTC-Thermistoren werden aus Übergangsmetalloxiden wie Mangan, Kupfer, Nickel und Eisen durch keramische Sinterprozesse hergestellt. Je nach Zusammensetzung werden sie hauptsächlich in binäre, ternäre und quaternäre Materialien unterteilt. NTC-Thermistoren mit einem Betriebstemperaturbereich von -200 °C bis 130 °C werden zur Messung der Kühlmittel- und Ansauglufttemperatur eingesetzt. Sie bestehen aus einem in einem verschraubten Metallgehäuse montierten NTC-Widerstand, der in Reihe mit dem Widerstand im Steuergerät geschaltet ist. Ein weiterer Typ von PTC-Thermistoren (positiver Temperaturkoeffizient), hergestellt durch Sintern von BaTiO₃ mit Metalloxiden als Hauptmaterial, dient als Füllstandssensor oder als Niedertemperatur-Anlaufheizelement in Kraftfahrzeugen. (II) Abgasmessung: Mithilfe von gasempfindlichen Festelektrolyt-Keramikmaterialien wurden Sauerstoffsensoren zur Überwachung von Autoabgasen entwickelt. Die Sauerstoffkonzentration im Abgas wird gemessen, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors zu bestimmen. Dies spart Kraftstoff und reduziert die Emission schädlicher Gase wie CO und NO₂. Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit werden in Kraftfahrzeugen hauptsächlich ZrO₂-Sauerstoffsensoren eingesetzt. Die Hauptstruktur besteht aus einem U-förmigen, elektromotorisch empfindlichen ZrO₂-Rohr, das eine elektromotorische Kraft erzeugt, einer als Elektrode dienenden Buchse, einem Widerstandsheizelement, einem Schutzgehäuse mit Abgaseinlass und einer porösen Keramikkappe. Die Innen- und Außenflächen des ZrO₂-Rohrs sind mit einer dünnen Schicht R beschichtet. Platin dient sowohl als Elektrode und verstärkt die elektromotorische Kraft. Zusätzlich wirkt die R-Beschichtung katalytisch auf das ZrO₂-Rohr. Die äußere Elektrode ist die Messelektrode, die innere die Referenzelektrode. Bei geringem Gasdurchfluss durch die poröse Keramikkappe (Diffusionsbarriere) und niedriger Abgastemperatur steuert das Steuergerät (ECU) das Widerstandsheizelement an, um die korrekte Funktion des Sauerstoffsensors zu gewährleisten. Der im Abgaskrümmer oder im vorderen Abgasrohr installierte ZrO₂-Sauerstoffsensor erzeugt bei einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz von 400 °C zwischen dem Inneren und Äußeren des Messrohrs eine elektrische Erwärmung und liefert ein Rückkopplungssignal von 0–1 V. Durch die Messung des Sauerstoffpartialdrucks im Abgas eignet sich diese Methode hervorragend zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Basierend auf ihrem Funktionsprinzip lassen sich Sauerstoffsensoren in Konzentrationszellen- und elektrochemische Pumpen-Strombegrenzungssensoren unterteilen. Beide Typen weisen ähnliche Strukturen und Herstellungsverfahren auf und eignen sich zur Regelung des stöchiometrischen bzw. des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in mageren Verbrennungssystemen. Darüber hinaus werden die Forschung und Entwicklung von oxidkeramischen Sauerstoffsensoren wie TiO₂, Nb₂O₅ und CeO₂ sowie von Dünn- und Dickschicht-Sauerstoffsensoren und deren Anwendung in Automobilen intensiv vorangetrieben. Bei Dieselmotoren sind neben Sauerstoffsensoren auch Stickoxid-(NOx)-Sensoren entscheidend für die weitere Verbesserung der Verbrennung und die Abgasnachbehandlung. Ein etwa 100 µm dicker ZnO- und SnO₂-Dünnfilm wird mittels Sputtern auf einem Aluminiumoxidsubstrat abgeschieden. Anschließend werden Elektroden aufgebracht und ein Heizelement auf der Innenseite des Substrats montiert, um einen NOx-Sensor zu bilden. NOx adsorbiert negative Ladungen an der Oberfläche des Dünnfilms. Mit steigender NOx-Konzentration erhöht sich der Filmwiderstand, und die NOx-Konzentration im Abgas kann innerhalb von 3–15 Sekunden mit einer Empfindlichkeit von 5–800 ppm detektiert werden. (III) Überwachung des Zylinderbetriebszustands: Piezoelektrische Keramiken, basierend auf dem piezoresistiven Effekt, können den Betriebszustand des Zylinders überwachen. Der piezoelektrische Keramik-Klopfsensor besteht aus einem piezoelektrischen Keramikoszillator, einem Metallblech, einer Dichtung und einem Metallgehäuse. Die vom piezoelektrischen Oszillator erzeugte Ladung ist proportional zur Vibration des Motorzylinders. Die erzeugte Spannung gelangt über eine abgeschirmte Leitung in das elektronische Steuergerät und detektiert so die durch die Vibration bei ca. 7 kHz erzeugte Spannung. Das elektronische Steuergerät beurteilt die Klopfintensität anhand der Spannungsgröße und korrigiert bzw. verzögert den Zündzeitpunkt, um Klopfen zu verhindern. Dadurch läuft der Motor im klopffreien Zündzeitpunkt mit höchster thermischer Effizienz und niedrigstem Kraftstoffverbrauch. So wird ein klopffreier Betrieb erreicht und maximale Leistung bei optimalen Wirtschaftlichkeitswerten gewährleistet. (iv) Unterstützung für sicheres Fahren: Ultraschallsensoren, die auf dem piezoresistiven Effekt basieren, dienen als Kollisionswarnsysteme für Kraftfahrzeuge und sind auch als Ultraschall-Rückfahrradar oder Rückfahrsonar bekannt. Sie eignen sich besonders für große Fahrzeuge wie Lang-Lkw, Schwerlast-Lkw und Muldenkipper. Ultraschallsensoren bestehen typischerweise aus einem Gehäuse aus Aluminiumlegierung, einem piezoelektrischen Keramikwandler, schallabsorbierenden Materialien und Bleielektroden. Sie weisen eine breite horizontale, aber eine begrenzte vertikale Richtwirkung auf. Prinzipiell nutzen sie den positiven und inversen piezoelektrischen Effekt von Bleizirkonat (PZT)-Keramiken, die elektrische und mechanische Energie umwandeln. Wird ein elektrisches Signal an die piezoelektrische Keramik angelegt, erzeugt diese mechanische Schwingungen und sendet Ultraschallwellen aus. Treffen die Ultraschallwellen bei ihrer Ausbreitung in der Luft auf ein Hindernis, werden sie sofort reflektiert und wirken auf die Keramik zurück, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird. Durch die Verarbeitung der Daten und die Messung der Zeitdifferenz kann der Abstand zwischen Fahrzeug und Hindernis berechnet und angezeigt werden, um rechtzeitig vor einer drohenden Kollision zu warnen. Das System erkennt präzise kleine Hindernisse hinter dem Fahrzeug und im toten Winkel des Fahrers und ist daher äußerst praktisch. Um eine hohe Sende- und Empfangseffizienz zu erzielen, sind Ultraschallsensoren mit selbstgenerierten, scheibenförmigen Biegeschwingungswandlern, die Senden und Empfangen kombinieren, derzeit die gängigsten Produkte auf dem Markt. Sie zeichnen sich durch hohe Sende- und Empfangseffizienz sowie eine hohe Richtwirkung aus. Ultraschallwellen haben einen bestimmten Erfassungswinkel und eine bestimmte Reichweite. Um den gesamten Heckbereich eines Fahrzeugs abzudecken, benötigen Fahrzeuge mit schmaler Karosserie zwei Ultraschallsensoren, während Fahrzeuge mit breiter Karosserie vier oder mehr benötigen. Keramische Beschleunigungssensoren können in Airbagsystemen eingesetzt werden. Sie nutzen die durch den Aufprall erzeugte Trägheitskraft, um im piezoelektrischen Keramikkörper eine Scherkraft zu erzeugen. Dies führt zu einer Ladung und Spannung, die proportional zur Beschleunigung sind. Dadurch werden hohe Präzision, Zuverlässigkeit und eine schnelle Kollisionserkennung gewährleistet. Zwei piezoelektrische Keramikplatten sind über eine gemeinsame interne Elektrode in Reihe geschaltet und bilden so eine Diodenstruktur. Diese Struktur ist in Bewegungsrichtung montiert und bildet einen Kragarm. Sie ist mit einer externen Dickschichtschaltung in einem Gehäuse integriert. Sie dient dazu, die momentane Aufprallintensität eines Fahrzeugs bei niedriger oder hoher Geschwindigkeit zu erfassen und in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln, das den Anforderungen verschiedener Diagnose- und Steuerungsalgorithmen entspricht. Dies gewährleistet eine präzise und rechtzeitige Airbag-Auslösung auch bei Kollisionen mit hoher Intensität und verbessert somit die Fahrzeugsicherheit. (V) Die Merkmale feuchtigkeitsempfindlicher Keramiksensoren für die Kfz-Feuchtigkeitsmessung sind ein großer Messbereich, eine schnelle Reaktionszeit und ein einfacher Herstellungsprozess. Dadurch sind sie das Hauptmaterial für Kfz-Feuchtigkeitssensoren. Sie eignen sich zur Erkennung von Frost und Kondenswasser an Autoscheiben sowie der Luftfeuchtigkeit im Ansaugtrakt des Vergasers. Der Feuchtigkeitssensor besteht aus einem porösen Sinterkörper aus Metalloxidkeramik. Er nutzt die Adsorption von Wassermolekülen an der Oberfläche des Sinterkörpers zur Feuchtigkeitsmessung. Seine Empfindlichkeit hängt von der Porosität und Porengröße des Materials ab. Die charakteristische Größe der Feuchtigkeitsmessung ist der Widerstand, der ein negatives feuchtigkeitsempfindliches Verhalten aufweist. Wenn der Sinterkörper Wassermoleküle adsorbiert, ändert sich sein Widerstandswert, der über die Elektrode ausgegeben wird. Der Widerstand sinkt mit steigender Luftfeuchtigkeit. Ändert sich die relative Luftfeuchtigkeit von 0 auf 100 % rF, ändert sich der Widerstandswert des Sensors um ein Vielfaches und erfasst so die Feuchtigkeitsänderung. III. Entwicklungstrends von Keramiksensoren: Keramiksensoren blicken auf eine über vierzigjährige Geschichte zurück. Keramik ist als Werkstoff mit hoher Elastizität, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit sowie Stoß- und Vibrationsfestigkeit bekannt. Dank ihrer thermischen Stabilität und Dickschichtbeständigkeit kann sie in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 125 °C eingesetzt werden und zeichnet sich zudem durch hohe Messgenauigkeit und Stabilität aus. Mit einer elektrischen Isolationsfestigkeit von über 2 kV, einem starken Ausgangssignal und guter Langzeitstabilität stellen Keramiksensoren die Zukunft der Drucksensorik dar. In Europa und Amerika ersetzen Keramiksensoren zunehmend andere Sensortypen, und in China tauschen immer mehr Anwender diffusionsbeschichtete Silizium-Drucksensoren gegen diese aus. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit der Weiterentwicklung der Elektronik und der zunehmenden Verbreitung elektronischer Steuerungssysteme in der Automobilindustrie die Nachfrage nach Automobilsensoren weiterhin rasant steigen wird. Hochstabile, hochpräzise, ​​langlebige, drahtlose, integrierte und vernetzte Sensoren werden traditionelle Sensoren nach und nach ablösen und zum Standard in der Automobilsensorik werden.