-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Herstellen eines mindestens ein Diaphragma aufweisenden Werkstücks, insbesondere eines Glas- oder Kunststoffkörpers, für einen elektrochemischen Sensor, beispielsweise für einen pH-Sensor oder einen anderen ionenselektiven Sensor.
-
Elektrochemische Sensoren werden vielfach im Labor oder in der Prozessmesstechnik zur Bestimmung und Überwachung von Analysemessgrößen, z.B. von Konzentrationen bestimmter Substanzen, sog. Analyte, oder von diesen abhängiger Größen, verwendet. Beispiele für elektrochemische Sensoren sind potentiometrische Sensoren, kapazitive Sensoren und amperometrische Sensoren.
-
Potentiometrische Sensoren umfassen in der Regel eine Mess- und eine Referenzhalbzelle, auch als Mess- bzw. Referenzelektrode bezeichnet. Die Halbzellen können in Form einer Einstabmesskette in einem gemeinsamen Glas- oder Kunststoffgehäuse gebildet sein, sie können jedoch auch als zwei voneinander trennbare, separate Glas- oder Kunststoffgehäuse aufweisende Halbzellen ausgestaltet sein.
-
Ein als Einstabmesskette ausgestalteter pH-Sensor, bei dem die Messhalbzelle als pH-Glaselektrode ausgestaltet ist, kann ein Glasgehäuse mit zwei koaxial zueinander angeordneten Glasrohren aufweisen, wobei das äußere Glasrohr an einem Ende mit dem inneren Glasrohr verbunden ist, so dass das äußere Glasrohr an diesem Ende verschlossen ist. Das innere Glasrohr ist an diesem Ende mit einer pH-sensitiven Glasmembran verschlossen und dient als Messhalbzellengehäuse. Der zwischen dem äußeren und dem inneren Glasrohr gebildete Raum dient als Referenzhalbzellenraum.
-
Die Referenzhalbzelle ist häufig als Elektrode zweiter Art ausgestaltet, die ein Referenzelement aufweist, das einen in dem Referenzhalbzellenraum enthaltenen Referenzelektrolyten kontaktiert. In dem äußeren Glasrohr der Einstabmesskette ist eine durch die Rohrwandung durchgehende Überführung angeordnet, welche mindestens ein Diaphragma umfassen kann. Der Endabschnitt des Sensors, der das mindestens eine Diaphragma und die Glasmembran umfasst, ist dazu vorgesehen, mit der Messflüssigkeit in Kontakt gebracht zu werden. Über das Diaphragma ist ein Stoffaustausch, und damit eine elektrolytische Verbindung, zwischen dem Referenzelektrolyten und der Messflüssigkeit gewährleistet.
-
Derartige Elektroden zweiter Art, die ein Referenzelement und einen mit dem Referenzelektrolyt in Kontakt stehenden Elektrolyten umfassen, welcher wiederum über ein Diaphragma mit dem Messmedium in Kontakt steht, kommen auch als Referenzelektroden in anderen elektrochemischen Sensoren zum Einsatz, zum Beispiel in kapazitiven Sensoren, die zum Nachweis eines Analyten in einer Messlösung kapazitive Feldeffektstrukturen, beispielsweise in Form von sogenannten EIS-Strukturen (EIS steht für den englischen Begriff „electrolyte-insulator-semiconductor“), verwenden.
-
Amperometrische Sensoren umfassen mindestens zwei, häufig auch drei Elektroden. Eine der Elektroden dient als Arbeitselektrode, eine weitere als Gegenelektrode. Zur Bestimmung der Messgröße dient ein Stromfluss zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode. In vielen amperometrischen Anwendungen wird das Potential der Arbeitselektrode oder der Stromfluss durch die Arbeitselektrode mittels einer dritten, nicht stromdurchflossenen Referenzelektrode auf einen konstanten oder sich als Funktion der Zeit ändernden Wert geregelt. Die Elektroden sind elektrisch leitend mit einer Messschaltung verbunden. Je nach Art und Messaufgabe des amperometrischen Sensors tauchen die Elektroden unmittelbar in das Messmedium oder in einen in einem Gehäuse untergebrachten Innenelektrolyten ein. In der zuletzt genannten Ausgestaltung ist das Gehäuse in einem zum Eintauchen in das Messmedium bestimmten Bereich mittels einer Membran verschlossen, durch die der Analyt oder ein Reaktionsprodukt des Analyten hindurch in den Innenelektrolyten transportiert werden kann. Als Referenzelektrode kann beispielsweise eine Elektrode zweiter Art, dienen, die in gleicher Weise ausgestaltet ist wie die Referenzelektrode der zuvor beschriebenen potentiometrischen Sensoren, und somit ebenfalls ein zum Stoffaustausch zwischen der Messflüssigkeit und dem Referenzelektrolyten dienendes Diaphragma umfasst.
-
Referenzelektroden bzw. -halbzellen können statt in Glasgehäusen auch in Kunststoffgehäusen untergebracht sein, dies ist beispielsweise bei ISFET-Sensoren häufig der Fall. Ein solcher Sensor ist beispielsweise aus
DE 10 2013 013601 A1 bekannt.
-
Als elektrolytische Überführung einer Referenzelektrode eines elektrochemischen Sensors dienende Diaphragmen sind meist aus einem porösen Keramikkörper, z.B. aus einer Zirkondioxid-Keramik, gebildet. Die Poren des Keramikkörpers bilden eine Verbindung, über die der Referenzhalbzellenraum, in dem der Referenzelektrolyt enthalten ist, und die Umgebung des Gehäuses der Referenzhalbzelle kommunizieren.
-
Je nach Sensortyp kommen Diaphragmen mit unterschiedlichen Eigenschaften, z.B. unterschiedlicher Porengröße und -zahl bzw. -dichte zum Einsatz. Die Porengröße, -dichte und/oder -zahl, insbesondere der durch die Poren zur Verfügung gestellte Gesamtquerschnitt, durch den ein Durchfluss von Elektrolyt und/oder Messflüssigkeit über das Diaphragma möglich ist, beeinflusst die Messeigenschaften und/oder die Standzeit des elektrochemischen Sensors. Je nach Spezifikation des Sensortyps unterscheiden sich daher auch die verwendeten Diaphragmen. Werden Sensoren eines speziellen Sensortyps nur in verhältnismäßig kleiner Stückzahl hergestellt, wird entsprechend auch nur eine geringe Menge einer speziell für Diaphragmen dieses Sensortyps entwickelten und hergestellten Keramik benötigt. Die Herstellung und Bevorratung jeweils kleiner Mengen spezieller Keramiken ist aufwändig und kostspielig. Um zu gewährleisten, dass in einer Serienfertigung jedem Sensortyp die jeweils für ihn angepassten Diaphragmen zugeordnet werden, ist ein relativ hoher logistischer Aufwand erforderlich. Auch eine Automatisierung der Serienfertigung ist aufwändig, da sichergestellt werden muss, dass einer Vorrichtung zur automatisierten Herstellung von Sensoren jederzeit die auf den gerade zu fertigenden Sensortyp angepassten Diaphragmen zur Verfügung gestellt werden.
-
Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, ein in Bezug auf die oben beschriebenen Nachteile der im Stand der Technik bekannten Verfahren verbessertes Verfahren zum Herstellen eines mindestens ein Diaphragma aufweisenden Werkstücks, insbesondere eines Glas- oder Kunststoffkörpers, für einen elektrochemischen Sensor anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren des Anspruchs 1 und durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zum automatisierten Herstellen eines mindestens ein Diaphragma aufweisenden Werkstücks, insbesondere für die Herstellung eines elektrochemischen Sensors, welches folgende Schritte umfasst:
- – Bereitstellen eines Werkstücks, welches eine Wandung mit mindestens einer durch die Wandung durchgehenden Öffnung aufweist, wobei in der mindestens einen Öffnung ein Diaphragmakörper fixiert ist, so dass der Diaphragmakörper einen Querschnitt der Öffnung vollständig ausfüllt; und
- – Bearbeiten des Diaphragmakörpers mittels eines Lasers.
-
Durch die nachträgliche Bearbeitung des Diaphragmakörpers mittels eines Lasers können die Eigenschaften des Diaphragmakörpers gezielt verändert werden, um ein Diaphragma mit vorgegebenen Eigenschaften herzustellen. Der Diaphragmakörper kann aus einem porösen Material, beispielsweise einer porösen Keramik gebildet sein. Durch die nachträgliche Bearbeitung können die Porengröße, -zahl und/oder -dichte in dem Diaphragmakörper an die später beabsichtigte Anwendung eines elektrochemischen Sensors, zu dessen Herstellung das Werkstück verwendet wird, angepasst werden. Die Anpassung der Porengröße kann die Anpassung der Größenverteilung der Poren, insbesondere die Anpassung der mittleren Porengröße, umfassen. Unter Porengröße wird hier ein Porendurchmesser bzw. ein Porenquerschnitt verstanden. Die Bearbeitung des Diaphragmakörpers zur Erzielung bestimmter Eigenschaften erlaubt es, aus Werkstücken mit einem Diaphragmakörper aus ein und demselben Material, z.B. einem Keramik-Material, Sensoren unterschiedlichster Sensortypen herzustellen. Das Herstellen oder Beschaffen und Bevorraten unterschiedlicher Materialien für unterschiedliche Sensortypen entfällt somit.
-
Beispielsweise können die Werkstücke zur Herstellung verschiedenster elektrochemischer Sensoren der eingangs beschriebenen Art dienen, z.B. können sie als Referenzhalbzellen potentiometrischer Sensoren unterschiedlichen Typs, als Referenzelektroden amperometrischer Sensoren unterschiedlichen Typs oder als Referenzelektroden kapazitiver Sensoren unterschiedlichen Typs weiterverarbeitet werden.
-
Der Diaphragmakörper kann in der durch die Wandung durchgehenden Öffnung stoffschlüssig fixiert sein, beispielsweise kann er eingeschmolzen oder eingeklebt sein. Der Diaphragmakörper kann alternativ auch durch Kraft- oder Formschluss in der Öffnung gehalten sein. In diesem Fall kann in späteren, weiteren Bearbeitungsschritten eine stoffschlüssige Verbindung des Diaphragmakörpers mit der Wandung erfolgen.
-
Das Bereitstellen des Werkstücks kann das temporäre Fixieren des Werkstücks in einer Werkstückhalterung umfassen, wobei zum Bearbeiten des Diaphragmakörpers mittels des Lasers ein von dem Laser emittierter Strahl oder ein von dem Laser emittiertes Strahlenbündel und die Werkstückhalterung relativ zueinander bewegt werden, so dass der Strahl oder das Strahlenbündel mindestens auf einen Teilbereich des Diaphragmakörpers trifft. Der Strahl oder das Strahlenbündel kann mittels optischer Elemente geformt und/oder bezüglich des Diaphragmakörpers ausgerichtet werden. Der vom Laser emittierte Strahl bzw. das vom Laser emittierte Strahlenbündel kann kontinuierlich oder gepulst sein.
-
Herkömmliche Herstellungsverfahren von Glas- oder Kunststoffkörpern, die als Gehäuse eines elektrochemischen Sensors dienen, können manuell durchgeführte, handwerkliche Schritte umfassen. Beim manuell durchgeführten, stoffschlüssigen Fixieren eines Diaphragmas in einer Wandung eines Werkstücks können sich, abhängig vom Geschick des Bearbeiters, Eigenschaften des Diaphragmas in verhältnismäßig unkontrollierter Weise verändern. Solche Veränderungen der Eigenschaften des Diaphragmas können zu einer starken Streuung der Eigenschaften des fertigen elektrochemischen Sensors führen. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, durch Bearbeitung des Diaphragmakörpers nach dem Fixieren in der Wandung des Werkstücks die Eigenschaften des Diaphragmakörpers gezielt in der Weise zu verändern, dass Exemplarstreuungen verringert werden. Hierzu können bildgebende Verfahren genutzt werden.
-
In einer Ausgestaltung kann die Lage des mindestens einen Diaphragmakörpers optisch erkannt werden. Das optische Erkennen der Lage des Diaphragmakörpers kann beispielsweise folgende Schritte umfassen:
- – Erfassen von Bilddaten eines den Diaphragmakörper umfassenden Bereichs der Wandung mittels einer Bildaufnahmeeinrichtung;
- – Auswerten der Bilddaten mittels einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung, welche dazu ausgestaltet ist, anhand der Bilddaten eine Position und/oder Orientierung des Diaphragmakörpers mit Bezug auf ein vorgegebenes Koordinatensystem zu ermitteln.
-
Die Bilddaten können mittels einer Digitalkamera erfasst werden. Die Digitalkamera kann mit der Datenverarbeitungseinrichtung verbunden werden, so dass die Datenverarbeitungseinrichtung die Bilddaten einlesen und weiter verarbeiten kann. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann vorteilhaft als Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bearbeitung des Diaphragmakörpers mittels des Lasers dienen. Hierzu kann sie mit dem Laser zur Steuerung der Emission von Strahlung verbunden sein.
-
In einer alternativen Ausgestaltung kann mittels der Auswertung der Bilddaten die Position und/oder Orientierung des Diaphragmakörpers mit Bezug auf die Wandung des Werkstücks erkannt werden. Dies erlaubt es, fertigungsbedingte Variationen der Orientierung der Diaphragmenkörper bezüglich der Wandung bei in Serie gefertigten Werkstücken zu erkennen und gegebenenfalls mittels Laserbearbeitung zu korrigieren. Beispielsweise kann ein Bereich des Diaphragmakörpers, der zu weit über die Wandung des Werkstücks hinausragt, mittels des Lasers abgeschnitten werden.
-
Zur Bearbeitung des Diaphragmakörpers mittels des Lasers können der Diaphragmakörper und der Strahl oder das Strahlenbündel, insbesondere anhand der ermittelten Position und/oder Orientierung des Diaphragmakörpers mit Bezug auf das vorgegebene Koordinatensystem, relativ zueinander bewegt werden. Hierzu kann beispielsweise die Werkstückhalterung mittels eines steuerbaren Antriebs bewegt werden. Alternativ oder zusätzlich können der Strahl oder das Strahlenbündel des Lasers bewegt werden, z.B. indem ein oder mehrere optische Elemente, die den Strahl bzw. das Strahlbündel formen und/oder ausrichten, mittels eines oder mehrerer steuerbarer Antriebe bewegt werden.
-
Die weiter oben beschriebene Datenverarbeitungseinrichtung kann, für den Fall, dass sie als Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bearbeitung des Diaphragmakörpers mittels des Lasers dient, mit den Antrieben verbunden sein und diese zur Steuerung der Bearbeitung des Diaphragmakörpers betätigen. Hierzu kann sie die anhand der Bilddaten ermittelten Informationen bezüglich der Lage des Diaphragmakörpers und gegebenenfalls weitere Daten verwenden.
-
Der Diaphragmakörper kann aus einer Poren aufweisenden Keramik gebildet sein, wobei das Bearbeiten mittels des Lasers umfasst:
Einbringen von Energie mittels des von dem Laser emittierten Strahls oder Strahlenbündels mindestens auf einen Teilbereichs des Diaphragmakörpers zum Verringern eines gesamten Porenvolumens, einer Anzahl der Poren und/oder eines mittleren Querschnitts der Poren mindestens in dem Teilbereich.
-
Die Keramik kann beispielsweise eine Zirkondioxid umfassende Keramik sein. Gegebenenfalls kann die Keramik weitere Oxide umfassen.
-
In einer alternativen Ausgestaltung, bei der der Diaphragmakörper aus einer Keramik gebildet ist, kann das Bearbeiten mittels des Lasers umfassen:
Einbringen von Energie mittels des von dem Laser emittierten Strahls oder Strahlenbündels mindestens auf einen Teilbereich des Diaphragmakörpers und Bilden und/oder Vergrößern von Hohlräumen, insbesondere Poren oder Kanälen, innerhalb des Teilbereichs des Diaphragmakörpers.
-
Die eingebrachte Energie kann in beiden Ausgestaltungen so bemessen sein, dass sich der Diaphragmakörper in dem bearbeiteten Teilbereich auf eine Temperatur im Bereich der Sintertemperatur oder oberhalb der Sintertemperatur des Keramik-Materials, aus dem der Diaphragmakörper gebildet ist, erwärmt.
-
In einer weiteren Ausgestaltung kann der Diaphragmakörper Schlicker oder eine generische Keramikvorläufermasse umfassen. Ein derartiger Diaphragmakörper kann leicht verformbar sein und sich daher gut in die durchgehende Öffnung der Wandung einpassen lassen. Das Bearbeiten mittels des Lasers kann in dieser Ausgestaltung die Sinterung des Diaphragmakörpers zur Bildung einer Keramik aus dem Schlicker oder der Keramikvorläufermasse umfassen.
-
Der Diaphragmakörper kann auch, wie bereits erwähnt, mittels des Lasers auf eine vorgegebene Länge geschnitten werden.
-
Der Diaphragmakörper kann zusätzlich ein oder mehrere Stoffe umfassen, die die Bearbeitung mittels des Lasers beeinflussen, insbesondere fördern. Dabei kann es sich beispielsweise um Stoffe handeln, die die Strahlung des Lasers absorbieren und in thermische Energie wandeln, so dass das Aufheizen des Diaphragmakörpers mittels des Lasers verstärkt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Diaphragmakörper Stoffe umfassen, die bei der Bestrahlung mit dem Laser schmelzen und im flüssigen Zustand in die Poren des Diaphragmakörpers gelangen und so den Querschnitt der Poren verringern. Es ist auch möglich, dass die Poren des Keramik-Materials des Diaphragmakörpers mit einem Stoff gefüllt sind, der unter Bestrahlung mit dem Laser flüssig wird oder in die Gasphase übergeht, so dass die Bestrahlung zur Bildung und/oder Vergrößerung der Poren des Diaphragmakörpers führt.
-
Vorteilhaft wird durch einen oder mehrere zusätzlich im Diaphragmakörper enthaltene Stoffe unter dem Einfluss der Laserbearbeitung eine chemische Modifizierung des Diaphramgakörpers, insbesondere eine chemische Modifizierung von inneren Porenflächen des Diaphragmakörpers, bewirkt und/oder eine Elektronenleitfähigkeit des Diaphragmakörpers hergestellt.
-
In einer weiteren Ausgestaltung kann das Bearbeiten mittels des Lasers das Aufbringen einer Beschichtung auf eine Oberfläche des Diaphragmakörpers und/oder auf mindestens einen Teil der inneren Porenflächen des Diaphragmakörpers, beispielsweise mittels Laserablation, umfassen. Beispielsweise kann hierzu ein von dem Laser emittierter Strahl oder ein von dem Laser emittiertes Strahlenbündel auf ein in der Nähe des Diaphragmakörpers angeordnetes Target gerichtet werden, an dessen Oberfläche aufgrund des Energieeintrags durch die Laserstrahlung Material verdampft wird und sich auf der zu beschichtenden Fläche des Diaphragmakörpers abscheidet.
-
Das Werkstück kann beispielsweise mindestens ein Rohr aufweisen, wobei die Wandung eine ein Lumen umgebende Rohrwandung ist. Die Wandung kann mehrere durchgehende Öffnungen aufweisen, in denen jeweils ein Diaphragmakörper den Querschnitt der jeweiligen Öffnung ausfüllend stoffschlüssig fixiert ist. Einige oder alle Diaphragmakörper können mittels des Lasers bearbeitet werden. In dieser Ausgestaltung kann das Werkstück neben dem Rohr ein innerhalb des Rohrs verlaufendes Innenrohr aufweisen, wobei das Innenrohr und das Rohr koaxial angeordnet sind, und wobei ein Ende des Innenrohrs mit der Rohrwandung des Rohrs stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschmolzen ist. Ein derartiges Werkstück kann beispielsweise zur Herstellung einer potentiometrischen Einstabmesskette verwendet werden, wobei das Rohr als Gehäuse der Messhalbzelle und der zwischen dem Rohr und dem Innenrohr gebildete ringförmige Raum als Gehäuse der Referenzhalbzelle dienen kann.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum automatisierten Herstellen eines ein Diaphragma aufweisenden Werkstücks für einen elektrochemischen Sensor mittels des Verfahrens nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen umfasst:
- – eine Werkstückaufnahme für ein Werkstück, welches eine Wandung mit mindestens einer durch die Wandung durchgehenden Öffnung aufweist, wobei in der mindestens einen Öffnung ein Diaphragmakörper fixiert ist, so dass der Diaphragmakörper einen Querschnitt der Öffnung vollständig ausfüllt;
- – einen Laser, welcher dazu ausgestaltet ist, einen Strahl oder ein Strahlenbündel zu emittieren; und
- – eine elektronische Steuerungseinrichtung, welche dazu ausgestaltet ist, den Laser zur Emission des Strahls oder des Strahlenbündels zu steuern und welche weiter dazu ausgestaltet ist, den Diaphragmakörper mittels des Lasers zu bearbeiten.
-
Der Strahl oder das Strahlenbündel des Lasers und die Werkstückaufnahme können relativ zueinander beweglich sein, um den Diaphragmakörper mittels des Strahls oder des Strahlenbündels zu bearbeiten, wobei die Steuerungseinrichtung dazu ausgestaltet ist, die Relativbewegung zwischen dem Strahl oder dem Strahlenbündel und der Werkstückaufnahme zu steuern.
-
Wie schon im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnt, kann der Diaphragmakörper in der durch die Wandung durchgehenden Öffnung stoffschlüssig fixiert sein, beispielsweise kann er eingeschmolzen oder eingeklebt sein. Der Diaphragmakörper kann alternativ auch durch Kraft- oder Formschluss in der Öffnung gehalten sein. In diesem Fall kann in späteren, weiteren Bearbeitungsschritten eine stoffschlüssige Verbindung des Diaphragmakörpers mit der Wandung erfolgen.
-
Die Vorrichtung kann weiter eine Bildaufnahmeeinrichtung umfassen, welche dazu ausgestaltet ist, Bilddaten des in der Werkstückaufnahme aufgenommenen Werkstücks zu ermitteln und die Bilddaten oder daraus abgeleitete Daten an die Steuerungseinrichtung auszugeben.
-
Die Steuerungseinrichtung kann dazu ausgestaltet sein, anhand der Bilddaten eine Position und/oder Orientierung des Diaphragmakörpers mit Bezug auf ein vorgegebenes Koordinatensystem und/oder mit Bezug auf die Wandung des Werkstücks zu ermitteln.
-
Die Steuerungseinrichtung kann dazu ausgestaltet sein, eine Relativbewegung zwischen dem Strahl oder dem Strahlenbündel und der Werkstückhalterung mit Bezug auf das vorgegebene Koordinatensystem zu steuern. Die Werkstückaufnahme kann mit einem Antrieb zur Bewegung der Werkstückaufnahme verbunden sein. Die Steuerungseinrichtung kann mit dem Antrieb derart verbunden sein, dass sie den Antrieb betätigen und die Bewegung der Werkstückaufnahme steuern kann. Die Vorrichtung kann zusätzlich oder alternativ von der Steuerungseinrichtung betätigbare Mittel zur Bewegung des von dem Laser emittierten Strahls oder des Strahlenbündels umfassen. Beispielsweise kann die Vorrichtung ein oder mehrere optische Elemente umfassen, die den Strahl bzw. das Strahlenbündel ausrichten und/oder formen, um auf einen bestimmten Bereich des Diaphragmakörpers aufzutreffen. Die Vorrichtung kann weitere einen oder mehrere von der Steuerungseinrichtung betätigbare Antriebe zur Bewegung des oder der optischen Elemente umfassen, um den Strahl bzw. das Strahlenbündel in einer von der Steuerungseinrichtung vorgegebenen Weise relativ zum Werkstück zu bewegen.
-
Die Erfindung wird im Folgenden näher anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Werkstücks, das weiter zur Herstellung eines potentiometrischen Sensors bearbeitet werden kann;
-
2 eine schematische Darstellung dreier Rohre, in deren Rohrwandung jeweils ein Diaphragmakörper angeordnet ist;
-
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum automatisierten Herstellen eines ein Diaphragma aufweisenden Werkstücks für einen elektrochemischen Sensor.
-
In 1 ist schematisch eine Glasbaugruppe 1 dargestellt, die weiter zur Herstellung eines potentiometrischen Sensors, insbesondere eines pH-Sensors, bearbeitet werden kann. Die Glasbaugruppe 1 weist ein Innenrohr 6 und ein Außenrohr 3 auf, welche koaxial bezüglich ihrer gemeinsamen Rotationsachse Z angeordnet sind. In der Rohrwandung des Außenrohrs 3 ist ein Diaphragma 2 angeordnet, das durch Einschmelzen in einer durch die Rohrwandung durchgehenden Öffnung stoffschlüssig mit der Rohrwandung des Außenrohrs 3 verbunden ist. Das Diaphragma 2 ist durch einen zylindrischen porösen Keramikkörper, beispielsweise aus einer ZrO2-Keramik, gebildet.
-
An einer Verbindungsstelle 7 sind das Innenrohr 6 und das Außenrohr 3 miteinander verschmolzen. Die Verbindungsstelle 7 verschließt ein Ende einer zwischen dem Innenrohr 6 und dem Außenrohr 3 gebildeten Ringkammer 8. Die Ringkammer 8 kommuniziert über die Poren des Diaphragmas 2 mit der Umgebung des Außenrohrs 3. An seinem im Bereich der Verbindungsstelle 7 befindlichen Ende 9 ist das Innenrohr 6 offen.
-
Die Herstellung eines pH-Sensors mit Glaselektrode aus der Glasbaugruppe 1 kann zum Beispiel in folgender Weise erfolgen: An das vordere, geöffnete Ende 9 der Glasbaugruppe 1 kann eine pH-sensitive Glasmembran angeblasen werden, die das Innenrohr 6 vorderseitig verschließt. In das Innenrohr 6 wird dann eine Pufferlösung und eine Potentialableitung eingebracht. In die zwischen dem Innenrohr 6 und dem Außenrohr 3 gebildete Kammer 8 werden ein Referenzelektrolyt und eine Referenzelektrode eingebracht. Die Glasbaugruppe 1 kann dann rückseitig verschlossen werden, wobei die Referenzelektrode und die Potentialableitung jeweils zu einer Kontaktstelle, welche außerhalb der elektrolytgefüllten, innerhalb der Glasbaugruppe 1 gebildeten Kammern angeordnet ist, geführt werden. Die Kontaktstellen der Potentialableitung und der Referenzelektrode können mit einer Messschaltung verbunden sein, welche in einem rückseitig fest mit der Glasbaugruppe verbundenen Elektronikgehäuse, das beispielsweise als Steckkopf ausgestaltet sein kann, angeordnet werden kann.
-
Im Messbetrieb des pH-Sensors wird das vordere Ende des Sensors, das die Membran und das Diaphragma 2 umfasst, in Kontakt mit einer Messflüssigkeit gebracht. Über die Poren des Diaphragmas 2 ist ein Stofftransport zwischen der Ringkammer 8, in der der Referenzelektrolyt enthalten ist, und der Messflüssigkeit möglich. Der Durchfluss von Elektrolyt durch das Diaphragma 2 hängt von der Beschaffenheit des Diaphragmas 2 ab, z.B. von der Porenanzahl und -größe und von der Länge des Diaphragmas 2. Je nach Sensortyp und Applikation sind unterschiedliche Eigenschaften des Diaphragmas 2 gewünscht.
-
In 2 sind drei Glasrohre 11, 12, 13 gezeigt, in deren Wandung jeweils ein durchgehendes, stabförmiges Diaphragma 14, 15, 16 aus einem porösen Material mittels eines herkömmlichen Einschmelzverfahrens stoffschlüssig fixiert worden ist. Es ist ersichtlich, dass die Diaphragmen 14, 15, 16 unterschiedliche Längen und unterschiedlich große Oberflächenbereiche aufweisen, die mit dem Inneren des Rohrs 11, 12, 13 und mit der Umgebung des jeweiligen Rohrs 11, 12, 13 in Kontakt stehen. Werden die Rohre 11, 12, 13 als Gehäuseteile für eine Referenzhalbzelle eines elektrochemischen, beispielsweise eines potentiometrischen, amperometrischen oder kapazitiven Sensors weiterverarbeitet, so ergeben sich zwischen den aus den Rohren 11, 12, 13 gebildeten Referenzhalbzellen erhebliche Unterschiede im Durchfluss von Referenzelektrolyt und/oder Messflüssigkeit durch das Diaphragma 14, 15, 16. Ein längeres Diaphragma, wie z.B. die beiden Diaphragmen 14 und 16, wird dabei einen geringeren Durchfluss (d.h. einen geringeren Stoffaustausch) gewährleisten als ein kürzeres Diaphragma, wie z.B. das Diaphragma 15. Der Durchfluss von Referenzelektrolyt und/oder Messflüssigkeit durch das Diaphragma beeinflusst die Messeigenschaften und die Standzeit einer Referenzhalbzelle. Gleichermaßen hängt neben dem Stofftransport auch der Ladungstransport durch das Diaphragma von dessen Länge ab. Dieser beeinflusst den Diaphragmawiderstand und die Ausbildung zusätzlicher, die Messeigenschaften gegebenenfalls beeinträchtigender Potentiale. Große Streuungen bei den Diaphragmaeigenschaften gehen also mit großen Exemplarstreuungen hinsichtlich Messeigenschaften und Standzeit der unter Verarbeitung der Rohre 11, 12, 13 hergestellten Sensoren einher.
-
In 3 ist schematisch eine Vorrichtung 20 dargestellt, die eine Bearbeitung eines in der Wandung eines Werkstücks 21 angeordneten Diaphragmakörpers 22 aus einer porösen Keramik, beispielswiese einer ZrO2-Keramik, welche gegebenenfalls weitere Oxide umfassen kann, erlaubt. Im vorliegenden Beispiel ist das Werkstück 21 ein Glasrohr, dessen Rohrwandung eine von dem Diaphragmakörper vollständig ausgefüllte, durchgehende Öffnung aufweist. Der Diaphragmakörper 22 ist in der Öffnung eingeschmolzen. Mit der Vorrichtung 20 kann der Diaphragmakörper 22 nachträglich bearbeitet werden, um ihn zu einem Diaphragma mit gewünschten Eigenschaften weiter zu verarbeiten. Dies erlaubt es zum einen, aus gleichartigen Werkstücken, die jeweils mindestens einen Diaphragmakörper aus ein und demselben Grundmaterial aufweisen, eine Vielzahl verschiedener Sensoren unterschiedlichen Typs herzustellen, deren Diaphragmen jeweils unterschiedliche, an verschiedenste Applikationen angepasste Eigenschaften aufweisen. Zum anderen wird es möglich, die beim stoffschlüssigen Verbinden der Diaphragmakörper 22 mit der Wandung der Werkstücke 21 auftretende Variationen der Eigenschaften der Diaphragmakörper 22 durch eine nachträgliche Bearbeitung zu kompensieren, und so die aufgrund der manuellen Bearbeitungsschritte auftretende Exemplarstreuung zu reduzieren.
-
Die Vorrichtung 20 umfasst eine Werkstückaufnahme 23, in der das Werkstück 21 eingespannt ist. Die Werkstückaufnahme 23 ist mit einem Antrieb 25 verbunden, mittels dessen die Werkstückaufnahme 23 in allen Raumrichtungen x, y, z bewegt werden kann.
-
Die Vorrichtung 20 umfasst weiter einen Laser 24, der dazu ausgestaltet ist, ein Strahlenbündel 26 zu emittieren. Das Strahlenbündel 26 kann gepulst oder kontinuierlich sein. Es wird mittels optischer Elemente derart geformt und ausgerichtet, dass es auf den Diaphragmakörper 22 trifft. In 3 ist schematisch von den verwendeten optischen Elementen nur ein Umlenkspiegel 27 dargestellt. Dem Fachmann sind selbstverständlich weitere Mittel zur Strahllenkung und -formung bekannt, die hier zum Einsatz kommen können. Der Umlenkspiegel 27 weist einen Antrieb 28 auf, mittels dessen das Strahlenbündel in einer oder mehreren Richtungen verschwenkt werden kann, um den Diaphragmakörper 22 zu bearbeiten. Handelt es sich bei dem Material des Diaphragmakörpers beispielsweise um eine Zirkondioxidkeramik, ist aufgrund der Absorptionseigenschaften des Zirkondioxid eine Wellenlänge kleiner 400 nm, vorteilhaft kleiner 380 nm, besonders bevorzugt kleiner 320 nm zur Bearbeitung geeignet, um den Diaphragmakörper 22, beispielsweise zur Beeinflussung seiner Porenstruktur, nachzusintern.
-
Die Vorrichtung 20 umfasst weiter eine Digitalkamera 29, die zur Aufnahme von Bildern des Werkstücks 21 und des Diaphragmakörpers 22 ausgestaltet ist. Die Digitalkamera 29, die Antriebe 25, 28 und der Laser 24 sind mit einer zentralen Steuerungseinrichtung 30 verbunden. Diese umfasst einen Prozessor und einen Speicher, in dem ein Computerprogramm abgelegt ist, das der Steuerung der Vorrichtung 20 zur Bearbeitung des Diaphragmakörpers 22 dient. Die Steuerungseinrichtung 30 umfasst auch Eingabemittel, z.B. eine Tastatur, und Ausgabemittel, z.B. einen Bildschirm, auf dem beispielsweise Betriebsparameter und die mittels der Digitalkamera 29 erfassten Bilder ausgegeben werden können.
-
Die Bearbeitung des Diaphragmakörpers 22 mittels des Lasers 24 kann nach folgendem Verfahren durchgeführt werden:
Das Werkstück 21 wird in die Werkstückhalterung 23 eingespannt. Mittels der Digitalkamera 29 wird ein Bild des Werkstücks 21 mit dem Diaphragmakörper 22 aufgenommen. Die Bilddaten werden von der Steuerungseinrichtung 30 erfasst und weiterverarbeitet. Die Steuerungseinrichtung 30 ermittelt anhand der Bilddaten unter anderem die Lage des Diaphragmakörpers 22 mit Bezug auf ein vorgegebenes Koordinatensystem.
-
In einer ersten Verfahrensvariante kann die Vorrichtung 20 dazu dienen, durch Bearbeitung des Diaphragmakörpers 22 ein Diaphragma mit für einen bestimmten Sensortyp und/oder eine bestimmte Applikation angepassten Eigenschaften zu erzeugen. Hierzu können der Steuerungseinrichtung 30 ein Sensortyp zu dessen Herstellung das aktuell in der Werkstückhalterung 23 angeordnete Werkstück 21 weiterverarbeitet werden soll, und/oder eine Applikation des herzustellenden Sensors vorgegeben werden. Dies kann beispielsweise durch eine Eingabe einer Bedienperson geschehen. Alternativ kann das Werkstück mit einer von der Digitalkamera oder einem zusätzlichen, mit der Steuerungseinrichtung 30 verbundenen Lesegerät einlesbaren Kennung versehen sein. Die Digitalkamera 29 bzw. das Lesegerät können die Kennung in diesem Fall zu Beginn des Verfahrens einlesen und die Information der Steuerungseinrichtung 30 weitergeben. Diese kann die Information weiterverarbeiten und anhand der Information den Sensortyp bzw. die Applikation identifizieren. Anhand des vorgegebenen Sensortyps bzw. der vorgegebenen Applikation kann die Steuerungseinrichtung 30 ein bestimmtes, in einem Speicher der Steuerungseinrichtung 30 hinterlegtes Bearbeitungsprogramm ausführen, das der Steuerung der Vorrichtung 20 zur Erzeugung eines Diaphragmas mit den gewünschten Eigenschaften dient.
-
Ist für den vorgegebenen Sensortyp beispielsweise eine bestimmte mittlere Porengröße und -dichte erwünscht, um später im Messbetrieb einen ausreichenden Durchfluss von Flüssigkeit durch das Diaphragma zu erlauben, so steuert die Steuerungseinrichtung 30 den Laser entsprechend, um ausreichend Energie in den Diaphragmakörper 22 einzutragen, dass die Poren des Diaphragmakörpers 22 vergrößert werden. Um den Eintrag thermischer Energie in den Diaphragmakörper 22 zu verbessern, kann dieser Hilfsstoffe aufweisen, die die mittels des Strahlenbündels 26 eingetragene Energie absorbieren und in Wärme umwandeln. Vorteilhaft wird der Diaphragmakörper 22 im zu bearbeitenden Bereich mittels des Lasers 24 auf eine Temperatur erwärmt, die im Bereich der Sintertemperatur oder über der Sintertemperatur des Keramik-Materials liegt, aus dem der Diaphragmakörper 22 gebildet ist.
-
Zur Bearbeitung des Diaphragmakörpers 22 mittels des Strahlenbündels 26 können die Werkstückhalterung 23 und das Strahlenbündel 26 relativ zueinander bewegt werden. Die Steuerungseinrichtung 30 kann anhand der ermittelten Lage des Diaphragmakörpers 22 den Antrieb 25 der Werkstückhalterung 23 und/oder den Antrieb 28 des Umlenkspiegels 27 in der Weise betätigen, dass das Strahlenbündel 26 auf einen zu bearbeitenden Bereich des Diaphragmakörpers 22 gelenkt wird. Auf diese Weise können auch größere Bereiche des Diaphragmakörpers 22 abgerastert werden. Es ist auf diese Weise auch möglich, das Strahlenbündel 26 in einen inneren Bereich des Diaphragmakörpers 22 zu fokussieren.
-
In einer weiteren Verfahrensvariante, die alternativ oder zusätzlich zur ersten Verfahrensvariante durchgeführt werden kann, kann die Steuerungseinrichtung 30 anhand der Bilddaten auch ermitteln, ob Form und Länge des Diaphragmakörpers 22 sowie seine Orientierung bezüglich der Rohrwandung des Werkstücks 21 entsprechenden vorgegebenen Werten entspricht. Die für einen jeweiligen Sensortyp vorgegebenen Werte können in einem Speicher der Steuerungseinrichtung 30 hinterlegt sein. Ist der Diaphragmakörper 22 zu lang oder ragt er zu weit über die Wandung des Werkstücks 21 hinaus, kann die Steuerungseinrichtung 30 den Laser 24 und die Antriebe 25, 28 betätigen, um den Diaphragmakörper 22 auf eine gewünschte Länge zu kürzen.
-
Eine Vielzahl von Verfahrensvarianten sind denkbar. So kann beispielsweise das Werkstück aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise aus PEEK, bestehen und der Diaphragmakörper kann durch Umspritzen mit der Wandung des Werkstücks stoffschlüssig verbunden sein. Auch in dieser Ausgestaltung ist das voranstehende Verfahren anwendbar bzw. die nachträgliche Bearbeitung des Diaphragmakörpers mittels der voranstehend beschriebene Vorrichtung möglich.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013013601 A1 [0008]
