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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der
DE 10 2015 226 352 A1 oder aus der
WO 2018/114094 A1 , sind bereits keramische Sensorelemente mit gedruckten Leiterbahnen bekannt.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt der Wunsch zugrunde, die Integrität einer gedruckten Leiterbahn eines keramischen Sensorelements zu überprüfen.
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Die Erfinder haben erkannt, dass Verfahren, die lediglich eine niedrige elektrische Spannung zwischen zwei Punkten, zum Beispiel an den Enden, der Leiterbahn anlegen und eine den elektrischen Widerstand der Leiterbahn repräsentierende Größe, also den Kaltwiderstand der Leiterbahn messen, und die Integrität der Leiterbahn lediglich auf Basis dieses Kaltwiderstandes bewerten, teilweise auch solche Leiterbahnen als integer bewerten, die lokale Engstellen aufweisen, die beispielsweise durch Verunreinigungen während des Druckens entstehen. Dies ist kritisch, da derartige Leiterbahnen im Betrieb mit erhöhter Wahrscheinlichkeit versagen können, beispielsweise durch Überhitzung im Bereich der Engstelle und/oder durch andere Alterungsmechanismen im Bereich der Engstelle, beispielsweise Oxidation, Abrasion, Abdampfen, bis hin zur Ausbildung einer elektrischen Unterbrechung.
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Es wird daher vorgeschlagen, dass Testverfahren zu verbessern, indem nach der Messung des Kaltwiderstands für eine kurze Zeit eine hohe elektrische Spannung zwischen den zwei Punkten der Leiterbahn angelegt wird und dann nachfolgend der Warmwiderstand bestimmt wird, als eine den elektrischen Widerstand der Leiterbahn repräsentierenden Größe bei Anlegen einer niedrigen elektrischen Spannung zwischen den zwei Punkten der Leiterbahn.
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Durch Anlegen der hohen Spannung wird bei Vorhandensein einer Engstelle in der Leiterbahn an dieser einer besonders starke Erwärmung erzeugt. In der Folge steigt der elektrische Widerstand in diesem Bereich stark an und auch der elektrische Widerstand der Leiterbahn steigt stärker an, als er es bei einer Leiterbahn tut, die keine Engstelle aufweist.
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Das Verfahren sieht vor, einen Erwartungswert für den Warmwiderstand zu bestimmen aus dem gemessenen Kaltwiderstand und der für eine gerade noch integre Leiterbahn durch das Anlegen der hohen elektrischen Spannung für die kurze Zeit zu erwartenden Erwärmung der Leiterbahn.
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Das Verfahren sieht weiterhin vor, die Integrität der Leiterbahn auf Basis eines Vergleichs des Warmwiderstands mit dem Erwartungswert des Warmwiderstands zu bewerten, dergestalt, dass die Leiterbahn als integer bewertet wird, wenn der Warmwiderstand einen nicht größeren elektrischen Widerstand repräsentiert als der Erwartungswert für den Warmwiderstand und/oder die Leiterbahn als nicht integer bewertet wird, wenn der Warmwiderstand einen größeren elektrischen Widerstand repräsentiert als der Erwartungswert für den Warmwiderstand.
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Hierzu in äquivalenter Weise von der Erfindung umfasst, kann selbstredend statt dem Erwartungswert des Warmwiderstands eine Größe bestimmt werden, die sich von dieser additiv und/oder multiplikativ um einen konstanten Wert oder um den Kaltwiderstand oder um den Warmwiderstand unterscheidet oder durch eine sonstige Verrechnung aus dem Erwartungswert des Warmwiderstands hervorgeht, denn diese Größe repräsentiert dann ihrerseits dennoch den gleichen elektrischen Widerstand wie der Erwartungswert des Warmwiderstands. Der insofern vorgesehene Verfahrensschritt der Bewertung der Leiterbahn mit der aus dem Erwartungswert des Warmwiderstands abgeleiteten Größe (statt mit dem Erwartungswert des Warmwiderstands) führt insofern zum selben Ergebnis.
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Im Rahmen der Anmeldung werden unter elektrischen Widerständen Größen betrachtet, die sich durch Division einer Spannung mit einem Strom ergeben, also beispielsweise die Einheit Ohm haben.
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Im Rahmen der Anmeldung werden unter Größen, die einen elektrischen Widerstand repräsentieren, beispielsweise der Warmwiderstand und der Kaltwiderstand, auch Größen verstanden, die zumindest im vorliegenden Kontext mit einem elektrischen Widerstand eineindeutig zusammenhängen. Beispielsweise kann es sich bei der den elektrischen Widerstand repräsentierenden Größe um den elektrischen Widerstand handeln oder es kann sich bei der den elektrischen Widerstand repräsentierenden Größe im Kontext gegebener Spannung bei der den elektrischen Widerstand repräsentierenden Größe um einen Strom oder um einen inversen Strom handeln. In einem anderen Beispiel kann es sich im Kontext eines gegebenen Stroms bei der den elektrischen Widerstand repräsentierenden Größe um eine Spannung handeln
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Unter einer Leiterbahn wird vorliegend eine beliebige elektrisch leitfähige Struktur verstanden, deren Längserstreckung insbesondere größer als eine dazu senkrechte (lokale) Breite und/oder eine dazu senkrechte (lokale) Tiefe der Leiterbahn ist.
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Eine metallische gedruckte Leiterbahn eines keramischen Sensorelements kann beispielsweise Platin und/oder ein anderes Edelmetall aufweisen und/oder mittels Siebdruck auf einer grünen Keramik aufgebracht und nachfolgend gemeinsam gesintert sein. Es kann sich beispielsweise um eine Heizerstruktur und/oder eine Temperaturmessstruktur und/oder eine Interdigitalelektrode eines resistiven Partikelsensors oder eines sonstigen Abgassensors handeln.
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Unter Anlegen einer niedrigen elektrischen Spannung zwischen zwei Punkten der Leiterbahn wird insbesondere verstanden, dass zwei Punkte der Leiterbahn mit einer elektrischen Versorgungseinheit (Spannungsquelle, Stromquelle oder sonstiges) in elektrischen Kontakt gebracht werden, sodass zwischen ihnen die angegebene Potentialdifferenz entsteht. Die niedrige elektrische Spannung kann beispielsweise 0,5V oder 6V oder einen dazwischenliegenden Wert betragen. Die beiden Punkte der Leiterbahn können Punkte an den sich längs der Leiterbahn gegenüberliegenden Enden der Leiterbahn sein, beispielsweise Punkte auf Kontaktflächen, die an den sich gegenüberliegenden Enden der Leiterbahn angeordnet sind.
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Entsprechendes versteht sich insbesondere unter dem Anlegen einer hohen elektrischen Spannung zwischen den zwei Punkten der Leiterbahn. Die hohe Spannung kann beispielsweise 12V oder mehr betragen, beispielsweise 48V. Die kurze Zeit kann beispielsweise maximal 100ms oder weniger betragen, beispielsweise lediglich maximal 5ms.
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Die hohe elektrische Spannung kann ein Vielfaches der niedrigen elektrischen Spannung sein, also mindestens doppelt so groß sein.
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Die Bestimmung eines Erwartungswerts für den Warmwiderstand, aus dem Kaltwiderstand und der für eine gerade noch integre Leiterbahn durch das Anlegen der hohen elektrischen Spannung für die kurze Zeit zu erwartenden Erwärmung der Leiterbahn kann auf einem physikalischen Modell der Leiterbahn basieren und auf einer Simulation basieren, die den Kaltwiderstand und die Energiemenge berücksichtigt, die während des Anlegens der hohen elektrischen Spannung zwischen den zwei Punkten der Leiterbahn für eine kurze Zeit in der Leiterbahn deponiert wurde. Alternativ kann sie auch auf einer hinterlegten Funktion und/oder Tabelle basieren, die dem Kaltwiderstand einen Erwartungswert des Warmwiderstands zuordnet. Nochmals alternativ oder zusätzlich kann die Bestimmung eines Erwartungswerts für den Warmwiderstand, aus dem Kaltwiderstand und der für eine gerade noch integre Leiterbahn durch das Anlegen der hohen elektrischen Spannung für die kurze Zeit zu erwartenden Erwärmung der Leiterbahn auch auf empirisch mittels mindestens eines Grenzmusters, das eine gerade noch integre Leiterbahn aufweist, gewonnen Daten basieren.
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Die Bewertung der Leiterbahn als integer, wenn der Warmwiderstand einen nicht größeren elektrischen Widerstand repräsentiert als der Erwartungswert für den Warmwiderstand und/oder die Bewertung der Leiterbahn als nicht integer, wenn der Warmwiderstand einen größeren elektrischen Widerstand repräsentiert als der Erwartungswert für den Warmwiderstand, erfolgt durch einen Vergleich der gemessenen Größen und der Interpretation gemäß der durch sie repräsentierten elektrischen Widerstände: Ist der gemessene Widerstand größer als der erwartete, dann ist die Leiterbahn nicht integer.
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Optional kann vorgehen sein, dass die Leiterbahn nur unter der zusätzlichen Bedingung als integer bewertet wird, dass der Kaltwiderstand in einem vorgegebenen Intervall liegt und/oder dass die Leiterbahn auch dann als nicht integer bewertet wird, wenn der Kaltwiderstand nicht in einem vorgegebenen Intervall liegt. Hierdurch können beispielsweise Leiterbahnen als nicht integer identifiziert werden, die vollständige Unterbrechungen zwischen den beiden Punkten aufweisen. Diese Leiterbahnen sind nicht integer, wenngleich im Sinne der Erfindung der Kaltwiderstand und der Warmwiderstand möglicherweise den gleichen (sehr großen) Wert aufweisen bzw. der Erwartungswert für den Warmwiderstand möglicherweise mit dem Warmwiderstand übereinstimmt.
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Das Ergebnis der Bewertung kann in unterschiedlicher Art und Weise verwendet werden. Beispielsweise bei der Durchführung des Verfahrens in einem Kraftfahrzeug kann im Falle eines als nicht integer bewerteten Sensorelements eine Fehlermeldung generiert und/oder in einer elektronischen Datei eingetragen werden oder ein elektronisches Bit in einem Datenspeicher entsprechend manipuliert werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Fahrer des Fahrzeugs mittels eines „Malfunction Indicator Lights“ auf den Fehler aufmerksam gemacht werden. Andere Verwendungen sind natürlich auch denkbar.
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Insbesondere im Kontext einer industriellen Fertigung kann vorgesehen sein, dass das Verfahren für eine Vielzahl von keramischen Sensorelementen durchgeführt wird, beispielsweise mit einer Taktzeit von wenigen Sekunden oder darunter. In Weiterbildung können die Sensorelemente mit einer als integer bewerteten Leiterbahn von den Sensorelementen mit einer nicht als integer bewerteten Leiterbahn räumlich getrennt werden. Beispielsweise können die Sensorelemente mit einer als integer bewerteten Leiterbahn nachfolgend in einem Gehäuse verbaut werden und/oder die Sensorelemente mit einer nicht als integer bewerteten Leiterbahn können nachfolgend verschrottet bzw. recycelt oder nachgearbeitet werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 zeigt gemessene elektrische Spannungen und Ströme durch die Leiterbahn während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie den daraus errechneten ohmsche Widerstand.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ein keramisches Sensorelement 10 weist im Beispiel eine platinhaltige, metallische Leiterbahn 20 auf, die sich schlaufenförmig und in Mäandern auf einer Oberfläche oder im Inneren des keramischen Sensorelements 10 erstreckt. Ein erstes Ende 21 der Leiterbahn 20 bzw. eine erste Kontaktfläche 23 der Leiterbahn 20 ist mit einem elektrischen Pulsgenerator 110 verbunden. Ein gegenüberliegendes zweites Ende 22 der Leiterbahn 20, bzw. eine gegenüberliegende zweite Kontaktfläche 24 der Leiterbahn 20 ist über einen Referenzwiderstand 120 mit einem Massepotenzial 130 verbunden. Zwischen dem zweiten Ende 22 der Leiterbahn 20 und dem Referenzwiderstand 120 erfolgt der Abgriff 140 eines Messsignals. Auf diese Weise sind der durch die Leiterbahn 20 fließende elektrische Strom I und die zwischen den Enden 21, 22 der elektrischen Leiterbahn 20 anliegende Spannung U, mithin der elektrische Widerstand R der elektrischen Leiterbahn 20 zugänglich. Letzterer ist von der Temperatur T der Leiterbahn 20 abhängig, im Fall von Inhomogenitäten der Temperatur T längs der Leiterbahn 20 ist er von der Temperaturverteilung längs der gesamten Leiterbahn 20 abhängig.
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In der 2 sind die während der Durchführung des Verfahren mittels des Abgriffs 140 zugänglichen Größen dargestellt, also der durch die Leiterbahn 20 fließende elektrische Strom I und die zwischen den Enden 21, 22 der elektrischen Leiterbahn 20 anliegende Spannung U und der daraus errechnete elektrische Widerstand R der elektrischen Leiterbahn 20.
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Zum Zeitpunkt t0 beginnt eine erste Messung an einem ersten Sensorelement 20. Dazu wird an den Enden 20, 21 der Leiterbahn 20 des Sensorelements 10 bis zum Zeitpunkt t1 eine Spannung U von 2 Volt angelegt. Eine Erwärmung der Leiterbahn 20 kann dabei vernachlässigt werden, sodass zwischen t0 und t1 ein konstanter Strom von im Beispiel 0,5 A gemessen werden kann. Ein dadurch repräsentierter Widerstand R von 4 Ohm liegt im Rahmen eines als gut zu bewertenden Intervalls. Bei dem Strom I bzw. bei dem elektrischen Widerstand R handelt es sich insofern um den Kaltwiderstand der Leiterbahn 20.
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Zum Zeitpunkt t2 wird an den Enden 20, 21 der Leiterbahn 20 des Sensorelements 10 bis zum Zeitpunkt t3, also 2ms lang, eine Spannung U von 48 Volt angelegt. Es resultiert ein großer Stromfluss, der die Leiterbahn erhitzt.
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Zum Zeitpunkt t4 wird an den Enden 20, 21 der Leiterbahn 20 des Sensorelements 10 bis zum Zeitpunkt t5 eine Spannung U von 2 Volt angelegt. In diesem Fall resultiert ein Strom I von nur 0,25 A der einen elektrischen Widerstand R von 8 Ohm repräsentiert. Bei dem Strom I bzw. bei dem elektrischen Widerstand R handelt es sich insofern um den Warmwiderstand der Leiterbahn 20.
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Aus empirischen Voruntersuchungen ist bekannt und hinterlegt oder es ist das Ergebnis einer Berechnung, dass ein Sensorelement 10 mit einer grenzwertigen Leiterbahn 20, also einer Leiterbahn 20, die eine gerade noch zu tolerierende Verengung aufweist, die einen Kaltwiderstand von 4 Ohm hat, nach der elektrischen Beaufschlagung der vorliegenden Art und Weise einen Warmwiderstand von 7 Ohm hat. Dies beziehungsweise die zugehörige Stromstärke von 0,28 A ist im Beispiel der Erwartungswert des Warmwiderstandes.
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Der Warmwiderstand ist im Beispiel 8 Ohm und damit größer als der Erwartungswert des Warmwiderstands, der 7 Ohm beträgt. Die Leiterbahn 20 wird daher als nicht integer bewertet, das erste Sensorelement 10 wird beispielsweise einem Recycling zugeführt.
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Zum Zeitpunkt t6 beginnt eine andere Messung an einem anderen Sensorelement 20. Dazu wird an den Enden 20, 21 der Leiterbahn 20 des Sensorelements 10 bis zum Zeitpunkt t7 eine Spannung U von 2 Volt angelegt. Eine Erwärmung der Leiterbahn 20 kann dabei vernachlässigt werden, sodass zwischen t0 und t1 ein konstanter Strom von im Beispiel 0,5 A gemessen werden kann. Ein dadurch repräsentierter Widerstand R (Kaltwiderstand) von 4 Ohm liegt im Rahmen eines als gut zu bewertenden Intervalls.
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Zum Zeitpunkt t8 wird an den Enden 20, 21 der Leiterbahn 20 des Sensorelements 10 bis zum Zeitpunkt t9, also 2ms lang, eine Spannung U von 48 Volt angelegt. Es resultiert ein großer Stromfluss, der die Leiterbahn 20 des Sensorelements 10 erhitzt.
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Zum Zeitpunkt t10 wird an den Enden 20, 21 der Leiterbahn 20 des Sensorelements 10 bis zum Zeitpunkt t11 eine Spannung U von 2 Volt angelegt. In diesem Fall resultiert ein Strom I von nur 0,3 A der einen Widerstand R (Warmwiderstand) von 6,6 Ohm repräsentiert.
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Wie oben bereits erläutert, hat ein Sensorelement 10 mit einer grenzwertigen Leiterbahn 20, die einen Kaltwiderstand von 4 Ohm hat, nach der elektrischen Beaufschlagung der vorliegenden Art und Weise einen Warmwiderstand von 7 Ohm, entsprechend einer Stromstärke von 0,28 A.
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Der Warmwiderstand ist im Beispiel 6,6 Ohm und damit kleiner als der Erwartungswert des Warmwiderstands. Die Leiterbahn wird als integer bewertet, das andere Sensorelement 20 kann in einem Gehäuse eines Abgassensors verbaut werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015226352 A1 [0001]
- WO 2018/114094 A1 [0001]
