DE102015219649A1

DE102015219649A1 - Markierung keramischer Sensorelemente

Info

Publication number: DE102015219649A1
Application number: DE102015219649.6A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joerg Renz; Peter Kolb; Jens Schneider; Heino Ehnis; Gerhard Schneider; Christine Nagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2017-04-13
Also published as: CN108140136A; WO2017060146A1

Abstract

Es wird vorgeschlagen, dass ein keramisches Sensorelement (10) für einen Abgassensor eine visuell auslesbare Markierung (50) aufweist. Bevorzugt soll dafür kein Edelmetall verwendet werden.

Description

Stand der Technik
Es sind bereits keramische Sensorelemente für Abgassensoren bekannt, welche unter anderem von der Anmelderin in großen Stückzahlen hergestellt und weltweit vertrieben werden, wozu sie in aller Regel in einem metallischen Gehäuse mit Kabelausgang, Gewinde und Schutzrohr verbaut werden. Das keramische Sensorelement realisiert die eigentliche Messfunktion derartiger Abgassensoren und hat somit entscheidenden Einfluss auf Funktionsverhalten, Robustheit und Lebensdauer der Abgassonde.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung geht der Wunsch voraus, einer beliebigen, beispielsweise in bestimmungsgemäßer Benutzung befindlichen, Abgassonde Informationen hinsichtlich der Identität und der Entstehung ihres keramischen Sensorelements entnehmen zu können. Von besonderem Interesse kann dies beim Auftreten von Fehlfunktionen oder zur Identifikation von Plagiaten sein.
Deshalb wird vorgeschlagen, dass das keramische Sensorelement eine visuell auslesbare Markierung aufweist.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Rückverfolgung von keramischen Sensorelementen gemäß dem nebengeordneten Anspruch.
Es hat sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Markierung mittels einer eisenoxidhaltigen Druckpaste auf das keramische Sensorelement vor dem Sintern aufzubringen und nachfolgend mit einer Aluminiumoxidschicht zu überdrucken, die nach dem Sintern weitgehend transparent ist.
Alternativ zur Verwendung einer eisenoxidhaltigen Druckpaste ist auch die Verwendung eines anderen farbigen stabilen Oxids möglich, zum Beispiel ein Oxid eines anderen Übergangsmetalls wie Nb, V, Co, Ni und/oder Cr. Bevorzugt sind solche Oxide, in denen die Übergangsmetalle in verschiedener Oxidationsstufe zugleich vorliegen, z.B. Fe^II und Fe^III; V^IV und V^V; Co^II und Co^III; Ni^II und Ni^III, da sich auf diese Weise besonders intensive Pigmentzubereitungen ergeben. Auch bei Verwendung dieser Materialien für die Markierung ist es vorteilhaft, eine darüber angeordnete transparente, bedeckende Aluminiumoxidschicht vorzusehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung ein Sensorelement einer einzelligen Breitband-Lambdasonde.
2 zeigt in schematischer Form die Fertigungskette zur Herstellung keramischer Sensorelemente.
1 zeigt das Sensorelement 10 einer einzelligen Abgassonde mit einem Festelektrolyten 11 als Grundkörper und einem Diffusionskanal 14, der zu einem Abgaskanal einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine hin geöffnet ist. Die Abgassonde dient als Lambda-Sonde zur Bestimmung der Zusammensetzung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs. Der Festelektrolyt 11 ist beispielhaft aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid gefertigt, das bei Betriebstemperatur ionenleitend ist und mit einer geeigneten Anordnung von Elektroden und Gas-Zuführungen zur Bestimmung einer Konzentration bestimmter Komponenten einer Gas-Zusammensetzung geeignet ist. Abgas 18 tritt über den Diffusionskanal 14 durch eine Diffusionsbarriere 13 in einen Messhohlraum 12. Die Diffusionsbarriere 13 ist ein poröses Element, welches einen Transport von Gas aus dem Abgas in den Messhohlraum 12 oder in umgekehrter Richtung drosselt. In dem Messhohlraum 12 ist ein Teil der Wandung des Festelektrolyten 11 mit einer ersten inneren Pumpelektrode 22 belegt, die über eine zweite Zuleitung 46 nach außen geführt ist. Der Festelektrolyt 11 weist weiterhin einen Referenzgaskanal 15 auf, der mit einem porösen, gasdurchlässigen Medium ausgefüllt ist und dessen Wandung teilweise mit einer zweiten Pumpelektrode 21 belegt ist. Die zweite Pumpelektrode 21 ist über eine erste Zuleitung 45 nach außen geführt. Der Referenzgaskanal 15 wird auch als Abluftkanal (ALK), die zweite Pumpelektrode 21 auch als Abluftelektrode (ALE) bezeichnet. Die innere Pumpelektrode 22 und die zweite Pumpelektrode 21 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Inneren des als Schichtaufbau ausgeführten Grundkörpers angeordnet. Die innere Pumpelektrode 22, die zweite Pumpelektrode 21 und der dazwischen liegende Teil des Festelektrolyten 11 bilden gemeinsam eine Pumpzelle 20.
Weiterhin umfasst die Abgassonde in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Heizelement 16 mit einem Isolationsmaterial 17, welches das Heizelement 16 umgibt und bei Betriebstemperatur einen elektrischen Kontakt zu anderen Komponenten in der Abgassonde verhindert. Das Heizelement 16 wird über einen ersten Heizanschluss 43 und einen zweiten Heizanschluss 44 mit Betriebsspannung versorgt. Die Betriebsspannung wird von einer zugeordneten Steuerung oder Sondenelektronik derart eingestellt, dass sich ein vorgegebener elektrischer Innenwiderstand der Pumpzelle 20 einstellt. In der Steuerung beziehungsweise Sondenelektronik werden auch die elektrischen Spannungen an der inneren Pumpelektrode 22 und zweiten Pumpelektrode 21 vorgegeben oder bestimmt und die Ströme in der ersten und zweiten Zuleitung 45, 46 vorgegeben oder bestimmt. Zwischen die innere Pumpelektrode 22, welche mit Abgas 18 beaufschlagt ist und die äußere Pumpelektrode 22 oder Abluftelektrode ist die Pumpspannung U_P angelegt, die während der Messfunktion zum Beispiel im Bereich von 300mV bis 900mV liegt.
Bei der hier gezeigten einzelligen Abgassonde diffundiert bei einem mageren Abgas 18 Sauerstoff aus dem Abgas 18 über den Diffusionskanal 14 und die Diffusionsbarriere 13 in den Messhohlraum 12. Der Sauerstoff wird durch die zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 21 angelegten Spannung U_p und dem daraus folgenden positiven Pumpstrom I_p aus dem Messhohlraum 12 in den Referenzkanal 15 gepumpt.
Wie in 1 zu erkennen ist, weist das keramische Sensorelement 10 in seinem anschlussseitigen Endbereich 102 eine visuell auslesbare Markierung 50 auf. Es handelt sich in diesem Beispiel bei der Markierung 50 um eine für das individuelle keramische Sensorelement spezifische Identifikationsnummer, die mittels einer eisenoxidhaltigen Druckpaste im Siebdruckverfahren auf das keramische Sensorelement 10 vor dem Sintern 7 aufbracht und nachfolgend mit einer Aluminiumoxidschicht 51 überdruckt wurde, die nach dem Sintern weitgehend transparent ist.
Die Verwendung einer edelmetallhaltigen Markierung 50 wird vorzugsweise vermieden, weil sie teuer ist.
Es ist vorgesehen, dass in einer Datenbank zu dieser Identifikationsnummer auf zumindest einem Computer weitere Informationen hinterlegt sind, die für dieses keramische Sensorelement 10 relevante Informationen hinsichtlich Chargennummern, Rohstoffspezifikation, Halbzeugspezifikation, Fertigungsstandort, Fertigungsdatum, Herstellaggregat, Patenrohstoffcharge, Prüfdatum, Prüflinie, Funktionsdaten, Kundenzuordnung und/oder Applikationszuordnung enthalten. Alternativ oder zusätzlich wäre es auch möglich gewesen, diese Informationen ganz oder teilweise zum Gegenstand der Markierung 50 zu machen.
Die Kodierung der Markierung 50 mittels einer Nummer ist nur eine von vielen Möglichkeiten. Alternativen sind Punktcodes, Strichcodes und dergleichen. Die Verwendung eines > 32-Bit-Codes ist bevorzugt.
Wenngleich die Markierung 50, wie im Beispiel angegeben, durch Aufbringung einer übergangsmetalloxidhaltigen Druckpaste und einer transparenten aluminiumoxidhaltigen Deckschicht 51 und nachfolgendes Sintern bevorzugt ist, gibt es auch hierzu zahlreiche Alternativen, insbesondere Tintenstrahldruck, Thermotranfer-Druck und/oder Laserbeschriftung, die insbesondere am gesinterten Sensorelement durch Anwendung ultrakurzer Laserpulse möglich ist.
Auch Beschriftungen, die lediglich mithilfe von UV-Licht sichtbar gemacht werden können (beispielsweise auf Basis von fluoreszierenden Oxidkeramiken die aufgedruckt oder in das keramische Sensorelement eingebracht werden können) oder aufgrund ihrer Kleinheit zur visuellen Wahrnehmung einer Vergrößerung bedürfen, können vorteilhaft sein.
Grundsätzlich kann auch eine Beschriftung vor dem Sintern erfolgen und nachfolgend eine weitere Beschriftung nach dem Sintern erfolgen, jeweils mit den an anderer Stelle hierfür spezifisch erläuterten Verfahren. Während vor dem Sintern beispielsweise Informationen über Rohstoffe, Fertigungsstandorte und dergleichen in der Beschriftung kodiert werden können, kann eine weitere, nach dem Sintern aufgebrachte Beschriftung beispielsweise Daten aus einer Prüfung der Funktion der Sensorelemente oder Informationen über die beabsichtigte weitere Verwendung, z.B. Kundenzuordnung, oder den Sinterprozess betreffende Daten der Sensorelemente codieren.
Die erfindungsgemäßen keramischen Sensorelemente 10 können Anwendung in Verfahren finden, in denen von ihrer Rückverfolgung Gebrauch gemacht wird. Hierzu sind insbesondere auf einem Computer Daten hinterlegt, mittels derer die auf den keramischen Sensorelementen kodierten Informationen interpretierbar sind, wie oben bereits erläutert.
Weiterbildungen derartiger Verfahren können beispielsweise vorsehen, dass es zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist: Regelkreise für Fertigung, Fertigungsplanung, Prozessparameter-Kontrolle, Prozessparameter-Einstellung, Wertstromlenkung auf Fertigungsaggregate, Schnittstelle zu Logistik und Bestellwesen, Qualitätssicherung, Datamining, Feld-Beanstandungsbearbeitung, 8D-Methodik, Industrie 4.0 und dergleichen.
Die Prozesskette zur Herstellung erfindungsgemäßer keramischer Sensorelemente ist in 2 noch einmal schematisch dargestellt. Insofern ist vorgesehen, dass in einem ersten Prozessschritt 1 ein Schlicker gegossen und getrocknet 2 wird, sodass eine keramische Folie 3 entsteht, die bedruckt 4, laminiert 5 und nachfolgend vereinzelt 6 wird. Anschließend erfolgt eine in 2 nur symbolisch angedeutete Sinterung 7 in einem Ofen. Es kann die Markierung 50 vor dem Sintern 7, beispielsweise gleichzeitig mit dem Bedrucken 4 aufgebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Markierung auch nach dem Sintern 7 aufgebracht werden.

Claims

Keramisches Sensorelement für einen Abgassensor, dadurch gekennzeichnet, dass es eine visuell auslesbare Markierung (50) aufweist, die insbesondere keinen Edelmetallanteil aufweist.
Keramisches Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die visuell auslesbare Markierung (50) auf das keramische Sensorelement (10) aufgebracht ist.
Keramisches Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die visuell auslesbare Markierung (50) ein Übergangsmetalloxid enthält und von einer transparenten Aluminiumoxidschicht (51) flächig bedeckt ist.
Keramisches Sensorelement nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Übergangsmetalloxid Übergangsmetalle in verschiedener Oxidationsstufe zugleich vorliegen, z.B. Fe^II und Fe^III; V^IV und V^V; Co^II und Co^III; Ni^II und Ni^III.
Keramisches Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Sensorelement (10) ein abgasseitiges Ende (101) und ein anschlussseitiges Ende (102) aufweist und die visuell auslesbare Markierung (50) näher am anschlussseitigen Ende (102) als am abgasseitigen (101) Ende angeordnet ist.
Keramisches Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die visuell auslesbare Markierung (50) vor dem Sintern (7) des keramischen Sensorelements (10) generiert wird, insbesondere mittels Siebdruck, Tintenstrahldruck und/oder Thermotransferdruck aufgebracht oder mittels Farbpigmentierung in das Sensorelements eingebracht wird.
Keramisches Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die visuell auslesbare Markierung (50) nach dem Sintern (7) des keramischen Sensorelements (10) aufgebracht wird, insbesondere mittels Laserbeschriftung.
Keramisches Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die visuell auslesbare Markierung (50) mittels Vorsinterungssystemen und Nachsinterrungssystemen, insbesondere mittels Vorsinterungsbeschriftungssystemen und Nachsinterrungsbeschriftungssystemen unabhängig voneinander erfolgt.
Keramisches Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die visuell auslesbare Markierung (50) eine Kodierung zumindest einer der folgenden Informationen ist: Identität des keramischen Sensorelements, Chargennummern, Rohstoffspezifikation, Halbzeugspezifikation, Fertigungsstandort, Fertigungsdatum, Herstelleraggregat, Patenrohstoffcharge, Prüfdatum, Prüflinie, Funktionsdaten, Kundenzuordnung, Applikationszuordnung.
Keramisches Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die visuell auslesbare Markierung (50) eine Kodierung in einem der nachfolgenden Formate ist: Punktcode, Strichcode, alphanumerischer Code, insbesondere fortlaufende Nummerierung.
Keramisches Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die visuell auslesbare Markierung (50) lediglich unter Zuhilfenahme von Hilfsmitteln, insbesondere UV-Licht und/oder optischer Vergrößerung, visuell auslesbar ist.
Verfahren zur Rückverfolgung von keramischen Sensorelementen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einem Computer Daten hinterlegt sind, mittels derer auf den keramischen Sensorelementen codierte Informationen interpretierbar sind.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist: Regelkreise für Fertigung, Fertigungsplanung, Prozessparameter-Kontrolle, Prozessparameter-Einstellung, Wertstromlenkung auf Fertigungsaggregate, Schnittstelle zu Logistik und Bestellwesen, Qualitätssicherung, Datamining, Feld-Beanstandungsbearbeitung, 8D-Methodik, Industrie 4.0.