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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Positionssensor, wie er beispielsweise als Tankstandgeber in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann.
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STAND DER TECHNIK
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Beispielsweise aus der
DE 10 2009 027 462 ist ein Positionssensor als Tankstandgeber bekannt, der in einem Tank eines Kraftfahrzeugs derart verlagerbar angeordnet ist, dass anhand der von dem Positionssensor ermittelten aktuellen Position eine Information über den aktuellen Stand von Kraftstoff in dem Tank des Fahrzeugs ermittelt werden kann. Auf einem Trägersubstrat ist dabei eine Widerstandsbahn ausgebildet. Diese Widerstandsbahn ist mit einer Leiterpaste in Form von mit einer Widerstandspaste verbundener Finger gebildet. Ferner ist eine zu der Widerstandsbahn beabstandete Leiterbahn sowie ein beweglich gelagertes Kontaktmittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Widerstandsbahn und der Leiterbahn vorgesehen. Die Widerstandsbahn, die Leiterbahn und das Kontaktmittel bilden ein Sensorelement. Je nachdem, wie der Positionssensor aktuell positioniert ist, drückt das Kontaktmittel die Leiterbahn an einer anderen Stelle gegen die Widerstandsbahn. Ein zu messender elektrischer Widerstand zwischen einem Anschluss an die Leiterbahn und einem Anschluss an die Widerstandsbahn gibt eine Information über die aktuelle Position des Positionssensors.
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Insbesondere bei einer Verwendung des Positionssensors in einem Kraftstofftank, in dem sich korrosiver und Schmutz enthaltender Kraftstoff befinden kann, sollte das Sensorelement des Positionssensors, das bewegliche Teile enthalten kann, vor einem direkten Kontakt mit Kraftstoff geschützt werden. Der Positionssensor sollte daher dicht verkapselt sein.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Der erfindungsgemäße Positionssensor ermöglicht eine zuverlässige fluiddichte Kapselung eines Sensorelementes in einem Innenraum, der von einem Trägersubstrat und einem Deckel fluiddicht umschlossen ist. Das Trägersubstrat und der Deckel sind dabei derart ausgebildet und aneinander angepasst, dass der Deckel einerseits fluiddicht an dem Trägersubstrat angebracht werden kann, andererseits ein Randbereich des Trägersubstrates nicht von dem Deckel abgedeckt wird. Auf dem Trägersubstrat sind dabei schichtartige Leiterbahnen vorgesehen, die von Anschlüssen des Sensorelements hin zu Außenanschlüssen in dem nicht von dem Deckel abgedeckten Randbereich verlaufen.
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Der erfindungsgemäße Positionssensor ermöglicht eine Kapselung des darin vorgesehenen Sensorelementes mit möglichst wenigen Teilen. Zusätzlich zu dem Trägersubstrat, das das Sensorelement trägt, ist lediglich ein einfacher Deckel vorgesehen, der direkt mit dem Trägersubstrat verbunden werden kann, ohne dass es weiterer Bauteile bedarf. Insbesondere ist kein zweiteiliges Gehäuse vorgesehen, in dem das Sensorelement einschließlich seines Trägersubstrates angeordnet würde.
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Ein Zusammenbau des Positionssensors kann damit einfach gehalten werden, eine Gesamtzahl benötigter Bauteile kann gering gehalten werden und somit können die Kosten des Positionssensors minimiert werden.
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Insbesondere kann eine elektrische Kontaktierung des verkapselten Sensorelements in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass schichtartige Leiterbahnen, beispielsweise in herkömmlicher Weise wie bei einer Platine, direkt auf dem Trägersubstrat ausgebildet werden und der Deckel derart an dem Trägersubstrat angebracht wird, dass die schichtartigen Leiterbahnen zwischen dem Trägersubstrat und dem Deckel hindurch verlaufen. Eine Höhe der schichtartigen Leiterbahnen, das heißt, eine Abmessung, um die die schichtartigen Leiterbahnen über die Oberfläche des Trägersubstrates hinausragen, kann dabei derart gering ausgebildet sein, dass der Deckel problemlos fluiddicht an dem Trägersubstrat auch im Bereich der Leiterbahnen angebracht sein kann. Die Leiterbahnen können beispielsweise unter Verwendung einer Leitpaste ausgebildet werden. Verschiedenste Herstellungsverfahren wie zum Beispiel Siebdruck, Rollendruck, Stempeldruck, etc. können eingesetzt werden.
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Da die Leiterbahnen aus dem verkapselten Innenraum heraus nach außen weitergeführt sind und dort von außen zugänglich freiliegen können, kann somit eine einfache elektrische Kontaktierung des Sensorelements des Positionssensors erreicht werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Positionssensors sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Der Deckel kann mit Hilfe unterschiedlicher Verbindungstechniken an dem Trägersubstrat angebracht sein. Beispielsweise kann der Deckel mit einer Oberfläche des Trägersubstrates verklebt sein. Ein solches Verkleben des Deckels kann in der Massenfertigung einfach realisiert werden und ermöglicht eine dauerhafte, fluiddichte Kapselung um den Innenraum des Positionssensors. Eigenschaften des zum Verkleben des Deckels verwendeten Klebstoffes können dabei derart gewählt werden, dass sich der Klebstoff insbesondere an Stufen im Bereich der schichtartigen Leiterbahnen dicht anschmiegt. Außerdem sollte der Klebstoff resistent gegen Kraftstoff sein.
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Der Deckel kann einstückig ausgebildet sein. Der Deckel kann somit einfach gefertigt und weiterverarbeitet werden. Insbesondere kann die Anzahl der für eine Kapselung des Sensorelements notwendigen Bauteile auf den einstückigen Deckel und das Trägersubstrat begrenzt werden.
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Der Deckel kann insbesondere aus Kunststoff bestehen. Beispielsweise kann der Deckel aus Polypropylensulfid (PPS) bestehen. Der Deckel kann als Spritzgussteil gefertigt werden. Der Kunststoffdeckel kann somit einfach und kostengünstig hergestellt werden und insbesondere resistent gegen Kraftstoff sein.
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Alternativ oder ergänzend kann der Deckel metallhaltig sein. Dabei kann der Deckel entweder vollständig aus Metall bestehen oder zumindest ein Teil des Deckels kann mit Metall ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Rand des Deckels, der mit dem Trägersubstrat verbunden werden soll, aus Metall bestehen, so dass das Trägersubstrat mit dem Deckel beispielsweise durch Verlöten fluiddicht verbunden werden kann. Der metallhaltige Deckel kann in einfacher Weise geerdet werden, beispielsweise durch eine elektrisch leitfähige Verbindung mit einer an dem Trägersubstrat vorgesehenen Erdung.
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Insbesondere wenn der Deckel in einem Bereich, mit dem er an dem Trägersubstrat angebracht wird, metallisch ist, kann an dem Trägersubstrat eine zusätzliche Isolationsschicht ausgebildet sein, die die schichtartigen Leiterbahnen zumindest in dem Bereich, in dem sie von dem Deckel überdeckt werden, abdeckt. Die Isolationsschicht ist somit im zusammengebauten Zustand zwischen den Leiterbahnen und dem Deckel zwischengelagert. Die Isolationsschicht kann dabei flächig und dünn ausgebildet sein. Die Isolationsschicht besteht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material. Die Isolationsschicht kann beispielsweise aus einem Dielektrikum bestehen. Die Isolationsschicht kann durch verschiedene Abscheidungsverfahren wie zum Beispiel Aufdrucken, Aufdampfen, Aufspinnen, etc. auf dem Trägersubstrat und insbesondere auf den schichtartigen Leiterbahnen ausgebildet werden. Mit Hilfe der Isolationsschicht kann vermieden werden, dass der metallhaltige Deckel eine ungewollte elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Leiterbahnen des Trägersubstrates bewirkt. Der Deckel kann dabei direkt an die Isolationsschicht angebracht werden, beispielsweise durch Verkleben.
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Alternativ kann über der Isolationsschicht eine metallhaltige Schicht ausgebildet sein, mit der der Deckel verlötet sein kann. Die metallhaltige Schicht kann dabei mit Hilfe von Lötpaste ausgebildet werden, die sich bei Erhitzen verflüssigt und eine fluiddichte mechanische Verbindung zwischen dem Trägersubstrat und dem Deckel generieren kann. Die Lötpaste kann dabei auch den Deckel an einen Erdungsanschluß an dem Trägersubstrat anlöten.
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Der Deckel kann eine verschließbare Öffnung aufweisen. Diese Öffnung kann dazu dienen, während eines Aushärtungsprozesses eines zum Verbinden des Deckels mit dem Trägersubstrat verwendeten Klebstoffes entweichende Gase aus dem Innenraum heraus abzuleiten und somit einen Überdruck in dem Innenraum zu vermeiden und auch um Überdruck in dem Innenraum durch Anstieg der Lufttemperatur beim Aushärtungsprozess zu vermeiden. Nach der Fertigstellung des Positionssensors kann diese Öffnung beispielsweise mit Hilfe eines Stopfens oder durch Verkleben fluiddicht verschlossen werden.
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Der Deckel kann ferner seitliche Rasthaken zur lateralen Positionierung des Deckels auf dem Trägersubstrat aufweisen. Diese Rasthaken können beispielsweise über den Bereich des Deckels, der mit dem Trägersubstrat verklebt oder verlötet wird, hinausragen und in ihrer Geometrie derart ausgestaltet sein, dass sie beim Zusammenbau des Positionssensors um einen äußeren Rand des Trägersubstrates herumgreifen und somit den Deckel in der Ebene des Trägersubstrates korrekt in Relation zu dem Trägersubstrat positionieren.
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In einer speziell bevorzugten Ausgestaltung weist der Positionssensor außerdem einen Magneten auf. Dieser Magnet dient dazu, mit einem Betätigungselement oder Kontaktmittel des Sensorelementes magnetisch zusammenzuwirken. Beispielsweise kann der Magnet ein in dem Sensorelement vorgesehenes bewegliches Kontaktmittel magnetisch anziehen und somit bei Verlagerung des Positionssensors dieses Kontaktmittel relativ innerhalb des Sensorelementes verlagern. Der Magnet kann dabei an einer dem Sensorelement entgegensetzten Oberfläche des Trägersubstrates außerhalb des Innenraums angeordnet sein. Mit anderen Worten kann das Sensorelement innerhalb des Positionssensors fluiddicht verkapselt sein und der Magnet zwar außerhalb des verkapselten Innenraums angeordnet sein, aber sich ganz in der Nähe des Sensorelementes befinden. Der Magnet kann beispielsweise direkt an der Rückseite des Trägersubstrates anliegen oder zu dieser nur geringfügig beabstandet angeordnet sein, so dass er nahe zu dem an der Vorderseite des Trägersubstrates gehaltenen Sensorelement positioniert ist und somit eine magnetische Wirkung auf das Sensorelement stark ist.
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Die verschiedenen hierin beschriebenen Merkmale des vorgeschlagenen Positionssensors können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden und auf diese Weise zu Synergieeffekten führen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Weder die Zeichnungen noch die Beschreibung sollen als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden.
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1 zeigt eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Positionssensors.
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2 zeigt eine Draufsicht auf Bestandteile eines erfindungsgemäßen Positionssensors.
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3 zeigt eine perspektivische Schnittansicht durch einen Deckel für einen erfindungsgemäßen Positionssensor.
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4 zeigt eine Innenansicht eines Deckels für einen erfindungsgemäßen Positionssensor.
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5 zeigt eine perspektivische Detailaufnahme einer fluiddichten Kapselung zwischen einem Deckel und einem Trägersubstrat eines erfindungsgemäßen Positionssensors.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche oder ähnliche Merkmale sind in den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt Bestandteile eines Positionssensors 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Explosionsansicht.
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Ein Trägersubstrat 3 ist in Form einer keramischen Platte aus Aluminiumoxid vorgesehen. Auf dem Trägersubstrat 3 sind verschiedene Strukturen 5, 7, 9 vorgesehen. Die Strukturen 5, 7, 9 sind mit Hilfe einer leitfähigen Paste auf eine Oberfläche 11 des Trägersubstrats 3 mittels Dickschicht- oder Dünnschichttechniken aufgedruckt. Eine Widerstandsbahn 5 ist von Anschlüssen 8 über schichtartige Leiterbahnen 7 hin zu Außenanschlüssen 9 elektrisch verbunden.
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Über dem Trägersubstrat 3 und zu diesem beabstandet ist eine elastische Folie 15 angeordnet. Auf dieser Folie 15 ist eine Leiterbahn 17 ausgebildet, deren Geometrie etwa der Geometrie der Widerstandsbahn 5 entspricht. Eine Kugel 19 ist als Kontaktmittel bzw. Betätigungselement vorgesehen. Die Kugel 19 kann gravimetrisch, also mit ihrem Eigengewicht, mittels einer Magnetkraft und/oder mittels einer Feder auf die Leiterbahn 17 der Folie 15 wirken und so einen lokalen elektrischen Kontakt der Leiterbahn 17 mit der Widerstandsbahn 5 erzeugen. Je nach Lage des Positionssensors drückt dabei die Kugel 19 an einer anderen Stelle auf die Folie 15 und ändert somit den Kontaktpunkt zwischen der Leiterbahn 17 und der Widerstandsbahn 5.
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Aus einer Messung des zwischen den Außensanschlüssen 9 resultierenden elektrischen Widerstands kann auf die Position bzw. Orientierung des Positionssensors 1 beispielsweise innerhalb eines Tanks eines Kraftfahrzeuges und somit auf den Tankstand rückgeschlossen werden.
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Um die als Sensorelement 21 wirkende Kombination aus Widerstandsbahn 5, Leiterbahn 17 und Kugel 19 vor schädlichen Einflüssen wie zum Beispiel Korrosion durch aggressiven Treibstoff oder Schmutz zu schützen, wird dieses Sensorelement 21 fluiddicht verkapselt. Wie in 2 dargestellt, wird hierzu ein Deckel 23 aus Kunststoff oder Metall fluiddicht mit dem Trägersubstrat 3 verbunden. Der Deckel 23 umschließt dabei zusammen mit dem Trägersubstrat 3 einen geeignet ausgebildeten Innenraum 25, in dem sowohl Teile des Trägersubstrats 3, die die Widerstandsbahn 5 tragen, als auch Teile der Folie 15, die die Leiterbahn 17 tragen, sowie die Kugel 19 aufgenommen werden kann. Die lateralen Abmessungen des Deckels 23 sind dabei kleiner als diejenigen des Trägersubstrats 3, so dass der Deckel 23 nicht das gesamte Trägersubstrat 3 überdeckt, sondern zumindest einen Randbereich 27 des Trägersubstrats 3 nicht von dem Deckel 23 abgedeckt wird.
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Wie in 5 genauer veranschaulicht, wird dabei ein Rand 29 des Deckels 23 fluiddicht mit dem Trägersubstrat 3 verbunden, wobei der Verbindungsbereich zwischen dem Rand 29 des Deckels 23 und dem Trägersubstrat 3 den Innenraum 25 ringförmig umschließt.
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Wie in 2 und detaillierter in 5 dargestellt, können Anschlüsse 8 des in dem Innenraum 25 aufgenommenen Sensorelements 21 über dünne schichtartige Leiterbahnen 7 aus dem Innenraum 25 heraus mit Außenanschlüssen 9 im nicht-verkapselten Randbereich 27 elektrisch verbunden sein. Die Leiterbahnen 7 weisen dabei eine sehr geringe Dicke von beispielsweise weniger als 12 µm auf. Die Leiterbahnen 7 können durch konventionelle Dickschichttechnik oder Dünnschichttechnik auf dem Trägersubstrat 3 aufgebracht werden. Aufgrund der geringen Dicke der Leiterbahn 7 kann diese zwischen dem Trägersubstrat 3 und dem daran angebrachten Rand 29 des Deckels 23 hindurchlaufen, ohne dass es zu Undichtigkeiten käme. Auf eine Führung von elektrischen Kontakten oder Kabeln beispielsweise durch das Trägersubstrat 3 hindurch, wie dies bei herkömmlichen Positionssensoren üblich war, kann daher verzichtet werden, was eine dichte Kapselung des Positionssensors erheblich erleichtern kann.
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Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die schichtartige Leiterbahn 7 in einem Bereich, in dem sie von dem Rand 29 des Deckels 23 bedeckt wird, mit einer Isolationsschicht 31 versehen. Diese Isolationsschicht 31 kann ebenfalls mit Hilfe von Dickschichttechnik oder Dünnschichttechnik aufgebracht werden. Beispielsweise kann ein Dielektrikum lokal aufgedruckt werden. Auf diese Weise kann ein elektrischer Kontakt zwischen der Leiterbahn 7 und dem Rand 29 des Deckels 23 verhindert werden, so dass der Deckel 23 auch elektrisch leitfähig sein kann, ohne dass es zu Kurzschlüssen oder unerwünschten elektrischen Verbindungen zwischen einzelnen Leiterbahnen 7 des Positionssensors käme.
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Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner über der Isolationsschicht 31 eine metallhaltige Schicht 33 ausgebildet. Diese metallhaltige Schicht 33 kann beispielsweise in Form einer Leiterpaste lokal aufgedruckt werden. Durch anschließendes Erhitzen einer nachträglich aufgebrachten Lötpaste kann diese Lötpaste verflüssigt werden und beim anschließenden Erstarren eine fluiddichte mechanische Verbindung zwischen dem Deckel und dem Trägersubstrat 3 herstellen.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann der Deckel 23 entlang seines Randes 29 mit dem Trägersubstrat 3 durch eine Klebeverbindung verbunden werden. Da hierbei keine lötfähige metallhaltige Schicht vorgesehen werden muss, kann für den Fall, dass der Deckel aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material wie zum Beispiel Kunststoff ausgebildet ist, auf eine Isolationsschicht 31 zwischen den Leiterbahnen 7 und dem Deckel 23 verzichtet werden.
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Wie in den 2 und 3 dargestellt, weist der Deckel 23 eine verschließbare Öffnung 35 auf. Durch diese Öffnung 35 können Dämpfe und Gase, die beispielsweise beim Verlöten oder beim Aushärten eines Klebstoffes entstehen können, aus dem Innenraum 25 entweichen. Somit kann ein Überdruck in dem Innenraum 25 vermieden werden. Die Öffnung 35 kann anschließend beispielsweise mit einem Stopfen oder durch Verkleben abgedichtet werden.
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Wie in den 2, 3 und 4 dargestellt, kann der Deckel ferner mit Rasthaken 37 entlang seines Randes 29 ausgestattet sein. Die Rasthaken 37 können dazu dienen, den Deckel 23 lateral relativ zu dem Trägersubstrat 3, d.h. in einer Ebene des Trägersubstrats 3, zu positionieren. Eine Positionierung senkrecht zur Oberfläche des Trägersubstrats 3 kann mit Hilfe von Stützen 39 gewährleistet werden.
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Zurückkommend zu 1 kann der gesamte Positionssensor 1 zusammen mit einem Außengehäuse 40 an einem Federträger 41 befestigt werden. Der Federträger 41 kann über einen Stift 43 schwenkbar beispielsweise in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges befestigt werden. An einem unteren Ende des Federträgers 41 wird ein Magnet 45 gehalten. Dieser Magnet 45 übt eine magnetische Anziehungskraft auf die aus magnetisierbarem Material bestehende Kugel 19 aus und zieht diese somit gegen die Leiterbahn 17 und die Widerstandsbahn 5. Der Magnet 45 kann dabei in direkter Nähe zur Rückseite 13 des Trägersubstrats 3 angeordnet sein, so dass eine starke magnetische Kraft auf die Kugel 19 ausgeübt werden kann. Elektrische Leitungen 47 können über Klemmen 49 direkt an die Außenanschlüsse 9 des Trägersubstrats 3 angebracht werden, um einen elektrischen Widerstand zwischen diesen Außenanschlüssen 9 in Abhängigkeit eines Kontaktpunktes zwischen der Leiterbahn 17 und der Widerstandsbahn 5 bestimmen zu können.
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Der vorgeschlagene Positionssensor 1 ermöglicht eine einfache und zuverlässige Ausgestaltung von elektrischen Anschlüssen zu einem Sensorelement 21 unter gleichzeitiger Gewährleistung einer zuverlässigen fluiddichten Kapselung des Sensorelements 21.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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