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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen von Drücken von fluiden Medien, wie beispielsweise Gasen und Flüssigkeiten, bekannt. Die Messgröße Druck ist eine in Gasen und Flüssigkeiten auftretende, allseits wirkende, nicht gerichtete Kraftwirkung. Zur Messung der Drücke gibt es dynamisch und statisch wirkende Messwertaufnehmer bzw. Sensoren. Dynamisch wirkende Drucksensoren dienen nur zur Messung von Druckschwingungen in gasförmigen oder flüssigen Medien. Die Druckmessung kann beispielsweise direkt, über Membranverformung oder durch einen Kraftsensor erfolgen. Insbesondere zur Messung sehr hoher Drücke wäre es grundsätzlich möglich, einen elektrischen Widerstand dem Medium auszusetzen, denn viele bekannte elektrische Widerstände zeigen eine Druckabhängigkeit. Dabei gestalten sich jedoch die Unterdrückung der gleichzeitigen Abhängigkeit der Widerstände von der Temperatur und die druckdichte Durchführung der elektrischen Anschlüsse aus dem Druckmedium heraus als schwierig.
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Eine weit verbreitete Methode der Druckerfassung verwendet daher zur Signalgewinnung zunächst eine dünne Membran als mechanische Zwischenstufe, die einseitig dem Druck ausgesetzt ist und sich unter dessen Einfluss durchbiegt. Sie kann in weiten Grenzen nach Dicke und Durchmesser dem jeweiligen Druckbereich angepasst werden. Niedrige Druckmessbereiche führen zu vergleichsweise großen Membranen mit Durchbiegungen, die im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm liegen können. Hohe Drücke erfordern jedoch dickere Membranen geringen Durchmessers, die sich meist nur wenige Mikrometer durchbiegen. Derartige Drucksensoren sind beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 80–82 und Seiten 134–136 beschrieben.
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Um die Drucksensoren in oder an dem Messraum anzubringen, weisen diese üblicherweise einen Druckanschluss auf. Der Druckanschluss kann beispielsweise als Gewindestutzen ausgeführt sein und in eine Wand eines Messraums eingeschraubt werden. Der eigentliche Messwertaufnehmer bzw. das eigentliche Sensorelement ist entweder direkt oder indirekt über einen Zwischenträger an einem Sockel angeordnet. Der Druckanschluss ist üblicherweise aus Metall hergestellt, wie beispielsweise in der
DE 10 2011 088 044 A1 beschrieben ist.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So sind Drucksensoren mit einem aus Metall, wie beispielsweise Edelstahl, hergestellten Druckanschluss nicht in unedlen Schnittstellen, die Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen und dergleichen umfassen, wie diese z.B. bei Klimaanlagen vorkommen, montierbar. Würde ein solcher Drucksensor mit einem aus Metall hergestellten Druckanschluss in z.B. Aluminium eingeschraubt und ist eine Elektrolytlösung, wie beispielsweise feuchte Luft, Salzwasser, Schmutz und Wasser, vorhanden, kommt es zu Kontaktkorrosion / Spaltkorrosion. Hierbei wird das unedlere Metall (Anode) reduziert und die Schnittstelle zwischen den beiden Metallen undicht. Dies hätte einen Austritt vom Medium und dadurch ein möglichen Defekt im System zur Folge.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Drucksensor und ein Verfahren zum Herstellen desselben vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Drucksensoren zumindest weitgehend vermeiden und die insbesondere Sensoren mit Einsetzbarkeit in Schnittstellen aus unedlen Materialien ermöglichen, so dass eine Korrosion zwischen Druckanschluss und Schnittstelle bei Kontakt mit einer Elektrolytlösung vermeidbar ist.
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Die Erfindung ist grundsätzlich zum Erfassen eines Drucks an jedem Einsatzort geeignet, insbesondere im Bereich der in einem Kraftfahrzeug zu messenden Drücke, insbesondere der Hoch- und Höchstdrücke, wie sie beispielsweise in einem Rail für Benzindirekteinspritzer oder der Leitung für Klimaanlagen vorherrschen.
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Der vorgeschlagene Drucksensor dient der Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums in einem Messraum. Der Druck kann grundsätzlich als Absolutdruck und/oder auch als Differenzdruck erfasst werden. Daneben können bei entsprechender Integration jeweiliger Bauteile ein oder mehrere weitere physikalische und/oder chemische Eigenschaften des fluiden Mediums bestimmt werden, einschließlich beispielsweise einer Temperatur, eines weiteren Drucks, einer Strömungseigenschaft oder einer oder mehrerer anderer Eigenschaften.
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Bei dem Messraum kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen Raum handeln, in welchem das fluide Medium, also ein Gas und/oder eine Flüssigkeit, ruhend oder strömend, aufgenommen ist. Insbesondere kann es sich bei dem Messraum um einen Teil eines Kraftstoffsystems handeln. Der Drucksensor kann somit insbesondere zur Erfassung eines Kraftstoffdrucks eingesetzt werden oder ausgestaltet sein.
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Der Drucksensor weist einen Druckanschluss auf, mittels dessen der Drucksensor an oder in dem Messraum anbringbar ist. In dem Druckanschluss ist ein Zufuhrkanal ausgebildet. Der Druckanschluss kann beispielsweise als Druckstutzen ausgebildet sein. Unter einem Druckstutzen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Ansatz oder Rohrstück mit mindestens einer Bohrung zu verstehen, durch welche das fluide Medium zu dem Sensorelement geleitet werden kann, beispielsweise eine zylindrische Bohrung in einem zylindrischen Stutzen. Der Druckstutzen kann als druckbeständiger Stutzen ausgebildet sein, um beispielsweise durch die in einer Kraftstoffleitung auftretenden Hochdrücke nicht beschädigt zu werden.
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Der Druckanschluss kann insbesondere mittels eines oder mehrerer Verbindungselemente in der Wand des Messraums fixierbar sein, beispielsweise mittels mindestens eines Außengewindes, das in ein Innengewinde der Wand des Messraums greift. Auch andere Fixierungen sind jedoch grundsätzlich alternativ oder zusätzlich möglich. Die Fixierung kann insbesondere druckdicht und/oder mediendicht erfolgen.
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Der Drucksensor weist weiterhin ein Sensorelement zur Erfassung des Drucks des fluiden Mediums auf. Der Zufuhrkanal ist von dem Sensorelement verschlossen und zum Zuführen des fluiden Mediums zu dem Sensorelement ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Druckanschluss aus einem ersten Leichtmetall hergestellt ist und das Sensorelement mindestens eine erste Schicht aufweist, die aus einem zweiten Leichtmetall hergestellt ist, wobei die erste Schicht mit dem Druckanschluss stoffschlüssig verbunden ist.
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Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt. Entsprechend kann das Sensorelement dünn ausgebildet werden.
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Unter einer stoffschlüssigen Verbindung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Verbindung zu verstehen, bei der die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Krafte zusammengehalten werden. Stoffschlüssige Verbindungen sind gleichzeitig nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen. Als Beispiele sind das Löten, das Schweißen, das Kleben und das Vulkanisieren zu erwähnen. Beispielsweise ist die erste Schicht mit dem Druckanschluss verschweißt.
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Die Wahl des ersten Leichtmetalls und des zweiten Leichtmetalls hängt dabei von der Schnittstelle ab, in der der Druckanschluss zu montieren ist. Bevorzugt sind das erste Leichtmetall und das zweite Leichtmetall identisch zu dem Material der Schnittstelle, um eine Korrosion zu vermeiden.
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Das erste Leichtmetall und das zweite Leichtmetall können identische Materialien sein. Dies verhindert eine Korrosion zwischen diesen Materialien. Beispielsweise sind das erste Leichtmetall und das zweite Leichtmetall Aluminium. Aluminium bietet Vorteile hinsichtlich der Verarbeitbarkeit, der Korrosionsbeständigkeit und der Robustheit.
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Das Sensorelement kann weiterhin eine zweite Schicht aufweisen, wobei die zweite Schicht aus Metall hergestellt und mit der ersten Schicht verbunden ist. Somit ist das Sensorelement nicht rein aus Metall hergestellt, wie beispielsweise Stahl, sondern aus einem Sandwichmetallverbund aus Metall und Aluminium. Dies hat den Vorteil, dass die sensitive Fläche und Membran in Form der zweiten Schicht wie bisher aus Metall, wie beispielsweise, Stahl bestehen und so die etablierten Prozesse unverändert angewandt werden können. Der Teil des Sensorelements, der mit dem Druckanschluss aus Aluminium gefügt werden soll, besteht aus Aluminium. Durch diese Kombination kann eine Aluminium/Aluminium-Schweißung durchgeführt werden.
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Unter einer Membran ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine dünne Schicht eines Materials zu verstehen. Membranen haben die Eigenschaft, sich unter einer Belastung zu verformen, insbesondere zu verbiegen, nur Zugkräfte aufzunehmen und an ihre Ränder weitergeben zu können. Eine solche Membran weist eine Dicke von 75 μm bis 300 μm auf, beispielsweise 150 μm.
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Das Sensorelement kann drucksensitive Bereiche aufweisen, wobei die drucksensitiven Bereiche auf der zweiten Schicht angeordnet, insbesondere aufgedruckt, sind. Das Drucken der drucksensitiven Bereiche auf die zweite Schicht erlaubt ein sehr genaues Ausbilden selbst mit kleinen Formgestaltungen. Die drucksensitiven Bereiche können beispielsweise mittels Dünnschichtverfahren, wie beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung, direkt auf der zweiten Schicht abgeschieden werden. Alternativ zu Dünnschichtverfahren können die einzelnen Schichten mittels Siebdruck aufgebracht werden. Siebdruck hat den Vorteil, dass es ein kostengünstiges Verfahren ist, welches auch für Kleinserien eingesetzt werden kann. Im Anschluß an den Siebdruck ist meist ein thermischer Prozess für die Vernetzung oder ein Umschmelzen notwendig.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums in einem Messraum, umfasst:
- – Bereitstellen eines Druckanschlusses, mittels dessen der Drucksensor an oder in dem Messraum anbringbar ist, wobei in dem Druckanschluss ein Zufuhrkanal ausgebildet ist,
- – Verschließen des Zufuhrkanals mittels eines Sensorelements zur Erfassung des Drucks des fluiden Mediums, wobei der Zufuhrkanal zum Zuführen des fluiden Mediums zu dem Sensorelement ausgebildet wird, wobei der Druckanschluss aus mindestens einem ersten Leichtmetall hergestellt wird und das Sensorelement mindestens eine erste Schicht aufweist, die aus einem zweiten Leichtmetall hergestellt wird, wobei die erste Schicht mit dem Druckanschluss stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt, wird.
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Das erste Leichtmetall und das zweite Leichtmetall können identische Materialien, insbesondere Aluminium, seien.
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Das Sensorelement kann weiterhin eine zweite Schicht aufweist, wobei die zweite Schicht aus Metall hergestellt und mit der ersten Schicht verbunden wird. Beispielsweise wird die zweite Schicht mit der ersten Schicht mittels Walzplattieren verbunden. Beim Walzplattieren kommt es zu einer Reib- bzw. Diffusionsschweißung zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht, so dass diese dauerhaft und unlösbar miteinander verbunden werden.
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Das Sensorelement kann drucksensitive Bereiche aufweisen, wobei die drucksensitiven Bereiche auf der zweiten Schicht angeordnet, insbesondere aufgedruckt, werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Drucksensors, und
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2 und 3 Querschnittsansichten bzw. perspektivische Ansichten verschiedener Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Drucksensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Drucksensors 10 Der Drucksensor 10 kann beispielsweise zum Erfassen eines Drucks von Kraftstoff in einer Kraftstoffleitung eines Verbrennungsmotors ausgebildet sein. Der Drucksensor 10 umfasst einen Druckanschluss 12. Der Druckanschluss 12 ist als Druckstutzen ausgebildet und weist ein Außengewinde 14 auf. Das Außengewinde 14 dient dazu, den Druckanschluss 12 an oder in einer Wand des Messraums zu befestigen, wobei das Außengewinde 14 in ein passend geformtes Innengewinde der Wand des Messraums greift. Der Druckanschluss 12 ist aus aus einem ersten Leichtmetall hergestellt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erste Leichtmetall Aluminium.
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Der Druckanschluss 12 weist an einem Ende eine Öffnung 16 für das zu messende Druck beaufschlagt Medium auf, dass sich in einem nicht gezeigten Messraum, wie beispielsweise einer Kraftstoffleitung, befindet. In dem Druckanschluss 12 ist ein Zufuhrkanal 18 ausgebildet. Der Zufuhrkanal 18 schließt sich an die Öffnung 16 an.
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Der Drucksensor 10 weist weiterhin ein Sensorelement 20 auf. Der Zufuhrkanal 18 ist von dem Sensorelement 20 verschlossen. Das Sensorelement 20 befindet sich an einem der Öffnung 16 gegenüberliegenden Ende des Druckanschlusses 12. Das Sensorelement 20 weist mindestens eine erste Schicht 22 auf. Die erste Schicht 22 ist aus einem zweiten Leichtmetall hergestellt ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind das erste Leichtmetall und das zweite Leichtmetall identische Materialien. entsprechend ist das zweite Leichtmetall ebenfalls Aluminium. Die erste Schicht 22 ist mit dem Druckanschluss 12 stoffschlüssig verbunden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Schicht 22 mit dem Druckanschluss 12 verschweißt.
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Das Sensorelement 20 weist weiterhin eine zweite Schicht 24 auf. Die zweite Schicht 24 ist aus Metall, wie beispielsweise Stahl, hergestellt und mit der ersten Schicht 22 verbunden. Beispielsweise wurde die zweite Schicht 24 mit der ersten Schicht beim Herstellen mittels Walzplattieren verbunden.
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Das Sensorelement 20 weist weiterhin drucksensitive Bereiche 26 auf. Die drucksensitiven Bereiche 26 sind auf der zweiten Schicht 24 angeordnet. Beispielsweise sind die drucksensitiven Bereiche 26 auf die der ersten Schicht 22 gegenüberliegende Seite der zweiten Schicht 24 aufgedruckt. Die drucksensitiven Bereiche 26 sind beispielsweise in Form von elektrischen Widerständen ausgebildet, die als Wheatsone’sche Brücke angeordnet sind, deren Widerstand sich aufgrund des von der unterseite der ersten Schicht 22 angelegten Drucks und der sich daraus ergebenden Verformung der als Membran wirkenden zweiten Schicht 24 ändert. Die Aufbereitung und Signalverstärkung des Drucksignals erfolgt mittels einer nicht näher gezeigten Auswerteschaltung auf einer Leiterplatte, die in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (engl. application-specific integrated circuit, ASIC), auch Custom-Chip genannt, oder durch ein Hybrid realisiert sein kann. Eine ASIC ist eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schaltkreis realisiert wurde. Die Funktion eines ASICs ist damit nicht mehr manipulierbar.
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Der Druckanschluss 12 ist weiterhin mit einem Gehäusesockel 28 in Form eines Sechskants verbunden. Auf dem Gehäusesockel 28 kann ein nicht näher gezeigtes Sensorgehäuse angeordnet werden.
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Nachstehend wird ein Verfahren zum Herstellen des Drucksensors 10 unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben. Die 2 und zeigen dabei Querschnittsansichten bzw. perspektivische Ansichten verschiedener Schritte des Verfahrens zur Herstellung des Drucksensors 10.
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2 zeigt perspektivische Ansichten des Verfahrens. In 2 ist die Herstellung des Sensorelements 20 gezeigt. Zu Beginn wird wie links dargestellt eine Verbundplatte 30 aus Stahl und Aluminium hergestellt. Beispielsweise wird die zweite Schicht 24 auf die erste Schicht 22 aufgebracht. die erste Schicht 22 und die zweite Schicht 24 werden dauerhaft miteinander verbunden. Die Verbundplatte 30 wird in einem einzigen Verfahrensschritt wie beispielsweise mittels Walzplattieren oder laserunterstütztem Walzplattieren hergestellt. Beim Walzplattieren kommt es zu einer Reib- bzw. Diffusionsschweißung zwischen den Materialien der beiden Schichten 22, 24.
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Anschließend werden wie in der Mitte dargestellt mehrere drucksensitiven Bereiche 26 auf der zweiten Schicht 24 der Verbundplatte 30 ausgebildet. Beispielsweise werden die drucksensitiven Bereiche 26 mittels eines Dünnschichtverfahrens aufgedruckt.
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Schließlich werden aus der Verbundplatte 30 einzelne Sensorelemente 20 hergestellt, indem diese vereinzelt werden. Beispielsweise werden mehrere Sensorelemente 20 ausgestanzt, wie rechts dargestellt ist.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht eines nachfolgenden Verfahrensschritts. Der Druckanschluss 12 wird bereitgestellt. In dem Druckanschluss 12 ist der Zufuhrkanal 18 ausgebildet. Der Zufuhrkanal 18 kann beispielsweise als Bohrung ausgebildet sein, die sich von einem Ende des Druckanschlusses 12 in diesen hinein erstreckt und diesen vollständig durchdringt. Somit ist wird der Druckanschluss 12 mit der Öffnung 16 und den daran anschließenden Zufuhrkanal 18 ausgebildet. Der Druckanschluss 12 wird mit dem Gehäusesockel 14 verbunden. Der Druckanschluss 12 wird aus dem ersten Leichtmetall in form von Aluminium hergestellt.
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Der Zufurhkanal 18 wird von dem Sensorelement 20 verschlossen, indem das Sensorelement 20 auf das der Öffnung 16 gegenüberliegende Ende derart gesetzt wird, dass die erste Schicht 22 des Sensorelements 20 den Druckanschluss 12 kontaktiert. Anschließend werden das Sensorelement 20 bzw. die erste Schicht 22 und der Druckanschluss 12 stoffschlüssig mitainander verbunden. Beispielsweise werden die erste Schicht 22 und der Druckanschluss 12 mittels eines Lasers 32 miteinander verschweißt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011088044 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 80–82 und Seiten 134–136 [0002]
