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Stand der Technik
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Drucksensoren zur Messung eines Drucks eines fluiden Mediums sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen im Stand der Technik bekannt und werden insbesondere zur Erfassung von Drücken in der Kraftfahrzeugtechnik verwendet, insbesondere zur Erfassung von Saugrohrdrücken, z.B. für eine Lasterfassung in Motormangement-Systemen, zur Erfassung von Ladedrücken für Ladedruckregelungen, zur Erfassung von Umgebungsdrücken für eine Berücksichtigung der Luftdichte, z.B. bei einer Ladedruckregelung, zur Erfassung von Öldrücken zur Berücksichtigung der Motorbelastung in einer Serviceanzeige, zur Erfassung von Kraftstoffdrücken zur Überwachung des Verschmutzungsgrades eines Kraftstofffilters oder zur Überwachung eines Unterdrucks in einem Bremskraftverstärker.
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Drucksensoren ermitteln einen Relativdruck oder einen Absolutdruck von Flüssigkeiten und Gasen durch Messung der Druckdifferenz gegenüber einem Referenzvakuum. Um sicherzustellen, dass jederzeit ein ausreichender Unterdruck zur Verfügung steht, müssen bei manchen Anwendungen voneinander unabhängige Drucksensoren eingesetzt werden, um eine redundante Messung (Sicherheitsmessung) zu gewährleisten.
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Allgemein sind redundant arbeitende Sensoren aus anderen Bereichen der Sensorik bekannt, beispielsweise aus
DE 197 537 778 B4 im Bereich der Magnetsensorik.
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Für den Einsatz eines Drucksensors ist in der Regel eine Öffnung zur Druckzufuhr des zu messenden Druckes erforderlich. Bei einer redundanten Messung durch mehrere Drucksensoren sind für jeden Drucksensor eine Druckbeaufschlagung sowie ggf. Versorgungsanschlüsse erforderlich.
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Wünschenswert wäre die Herstellung eines kostenreduzierten Drucksensors, beispielsweise durch Einsparung von Einzelkomponenten bei Gewährleistung der redundanten Sicherheitsmessung. Insbesondere die Verwendung von nur einem Gehäuse, einem Kabelbaum und ein geringerer Montageaufwand wären wünschenswert.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird dementsprechend ein Drucksensor zur Messung eines Drucks eines fluiden Mediums, insbesondere zur Druckmessung in einem Bremskraftverstärker eines Kraftfahrzeugs, vorgeschlagen. Der Drucksensor weist ein Gehäuse auf. Der Drucksensor weist weiterhin einen Druckstutzen und mindestens einen elektrischen Anschluss auf. Vorzugsweise weist der Drucksensor genau einen Druckstutzen auf. In dem Gehäuse sind wenigstens zwei voneinander unabhängige Sensorelemente angeordnet.
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Unter einem Drucksensor im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um mindestens einen Druck mindestens eines fluiden Mediums in mindestens eine elektrische Ausgangsgröße als Maß für den Druck umzuwandeln. Dabei können grundsätzlich beliebige Messprinzipien eingesetzt werden. Insbesondere können Passivdrucksensoren, Relativdrucksensoren, Absolutdrucksensoren oder Differenzdrucksensoren oder beliebige Kombinationen der genannten Sensoren eingesetzt werden.
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Unter einem fluiden Medium im Sinne der vorliegenden Erfindung können alle Arten von Flüssigkeiten und/oder Gasen verstanden werden, insbesondere Luft, Luftgemische, Abgase, Kraftfahrzeugsabgase, Verbrennungsgase, gasförmige Brennstoffgemische, etc.
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Unter einem Druckstutzen im Sinne der vorliegenden Erfindung kann grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eine Fluidverbindung von einem Messort zu einem Messelement herstellen kann. Insbesondere kann der Druckstutzen röhrenförmig ausgestaltet sein und kann ein Stutzengehäuse mit mindestens einem Kanal zur Übertragung des Drucks aufweisen. Der Kanal kann insbesondere gerade ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Druckstutzen mindestens eine beliebige Öffnung, mindestens ein Einlasselement, mindestens einen Zuführstutzen oder eine ähnliche Art von Übertragungselement zur Herstellung einer fluidischen Verbindung umfassen, insbesondere mindestens eines der folgenden Elemente: ein Rohr, eine Röhre, einen Schlauch, ein Rohrstück, ein Schlauchstück, einen Stutzen, einen Einlassstutzen. Der Druckstutzen kann insbesondere zur Einleitung eines Drucks zur Druckmessung in den Drucksensor ausgestaltet sein.
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Unter einem elektrischen Anschluss im Sinne der vorliegenden Erfindung kann grundsätzlich ein beliebiger Anschluss des Drucksensors verstanden werden, mittels dessen mindestens ein elektrisches Signal an den Drucksensor übertragbar ist oder von dem Drucksensor an eine andere Vorrichtung übertragbar ist und/oder mittels dessen mindestens eine elektrische Spannung und/oder mindestens ein elektrischer Strom an den Drucksensor übertragen werden kann. Insbesondere kann der elektrische Anschluss ausgestaltet sein, um ein Sensorsignal von außen zugänglich zu machen, welches dementsprechend an eine andere Vorrichtung übertragbar ist. Insbesondere kann der elektrische Anschluss eine oder mehrere der folgenden Anschlüsse aufweisen: eine Spannungsanbindung, eine Massenanbindung, eine Sensorsignalverbindung. Beispielsweise kann der elektrische Anschluss mindestens ein elektrisches Kontaktpad oder eine Mehrzahl elektrischer Kontaktpads umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der elektrische Anschluss mindestens einen Steckverbinder und/oder mindestens eine Buchse umfassen.
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Unter einem Sensorelement im Sinne der vorliegenden Erfindung kann grundsätzlich ein beliebiges Element verstanden werden, welches zur Erfassung mindestens eines Drucks eingerichtet ist. Beispielsweise kann das Sensorelement grundsätzlich alle Arten von Messelementen und/oder Geräten zur Erfassung eines Drucks umfassen, insbesondere eines stationären Drucks, eines Absolutdrucks oder eines Differenzdrucks, die Erfassung von Druckschwankungen, etc. verstanden werden. Beispielsweise kann das Sensorelement mindestens ein mikromechanisches Sensorelement umfassen, beispielsweise ein mikromechanisches Sensorelement mit mindestens einer Membran, welche durch den zu erfassenden Druck mehr oder weniger verformt wird. Das Sensorelement kann beispielsweise eingerichtet sein, um diese Verformung der Membran optisch und/oder durch einen oder mehrere elektrische Widerstände zu erfassen. Beispiele derartiger mikromechanischer Sensorelemente, welche auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, sind in K. Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1 Auflage 2010, Vieweg und Teubner Verlag Wiesbaden, S. 134–136 beschrieben. Auch andere Sensorelemente sind jedoch grundsätzlich alternativ oder zusätzlich einsetzbar.
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Unter mindestens zwei voneinander unabhängigen Sensorelementen sind mindestens zwei Sensorelemente zu verstehen, welche unabhängig voneinander jeweils mindestens ein Messsignal oder Sensorsignal generieren können. Auch wenn diese mindestens zwei voneinander unabhängigen Sensorelemente mit demselben fluiden Medium und/oder demselben Druck beaufschlagt werden, generieren diese Sensorelemente somit unabhängig voneinander entsprechende elektrische Sensorsignale. Diese Sensorsignale können dann zu einem gemeinsamen Sensorsignal des Drucksensors vereinigt werden oder können getrennt ausgegeben werden.
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Unter einem Differenzdruck im Sinne der vorliegenden Erfindung kann allgemein eine Differenz eines gemessenen Drucks von Flüssigkeiten und/oder Gasen gegenüber einem Referenzdruck verstanden werden.
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Der Drucksensor kann insbesondere als Unterdrucksensor ausgestaltet sein. Unter einem Unterdrucksensor im Sinne der vorliegenden Erfindung kann allgemein ein Sensor verstanden werden, welcher einen Druck unterhalb des Normaldrucks erfassen kann, insbesondere einen Druck in einem Vakuumbereich.
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Die mindestens zwei Sensorelemente können insbesondere bauteilidentisch ausgestaltet sein. Beispielsweise kann es sich bei den mindestens zwei Sensorelementen um bauteilidentische mikromechanische Sensorelemente handeln, beispielsweise mikromechanische Sensorelemente in Form von bauteilidentisch integrierten Halbleiterbauelementen. Die Sensorelemente können auf einen gemeinsamen Schaltungsträger aufgebracht sein, beispielsweise eine gemeinsame Leiterplatte, oder können auch beispielsweise getrennt voneinander auf separaten Schaltungsträgern angeordnet sein. Auch eine andere Art der Montage oder Lagerung der Sensorelemente ist möglich.
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Weiterhin können die Sensorelemente jeweils Bestandteil eines Sensormoduls sein. Beispielsweise kann der Drucksensor mindestens zwei Sensormodule aufweisen. Unter einem Sensormodul im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine Baugruppe verstanden werden, welche mindestens ein Sensorelement und mindestens ein Trägerelement umfasst, welches das Sensorelement trägt. Beispielsweise kann das Trägerelement mindestens einen elektrischen Schaltungsträger aufweisen, insbesondere mindestens eine Leiterplatte. Weiterhin kann das Sensormodul eine oder mehrere zusätzliche elektrische und/oder elektronische Komponenten umfassen, beispielsweise mindestens einen Verstärkerelement. Weiterhin kann das Sensormodul einen oder mehrere elektrische Schaltkreise und/oder eine oder mehrere elektrische Leiterbahnen umfassen. Beispielsweise können die Sensorelemente jeweils als integrierte Halbleiterbauelemente ausgestaltet sein und jeweils auf einen Schaltungsträger aufgebracht sein.
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Die Sensorelemente können in einem gemeinsamen Hohlraum innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Beispielsweise kann das Gehäuse im Wesentlichen druckdicht oder mediendicht ausgestaltet sein. Das Gehäuse kann beispielsweise allgemein mechanisch starr ausgestaltet sein und kann in dem Gehäuse aufgenommene Komponenten des Drucksensors, wie beispielsweise die mindestens zwei Sensorelemente, vor äußeren mechanischen Einflüssen schützen. Weiterhin können die Sensorelemente gemeinsam über denselben Druckstutzen mit Druck beaufschlagbar sein.
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Die Sensorelemente, insbesondere die Sensormodule, können ganz oder teilweise in einem gegenüber dem Druckstutzen abgeschlossenen Elektronikraum des Gehäuses angeordnet sein. Dieser Elektronikraum kann prinzipiell ein beliebiger Hohlraum innerhalb des Gehäuses sein, welcher gegenüber einem Raum, in welchem der Druck des fluiden Mediums gemessen werden soll, abgegrenzt ist, vorzugsweise druckdicht abgeschlossen ist. Neben den mindestens zwei Sensorelementen können ein oder mehrere weitere Komponenten in dem Elektronikraum aufgenommen sein, beispielsweise eine oder mehrere weitere elektronische Komponenten. Insbesondere können in dem Elektronikraum ein oder mehrere Elemente zur elektrischen Anbindung der Sensorelemente angeordnet sein.
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Der Elektronikraum kann, wie oben ausgeführt, insbesondere druckdicht ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Elektronikraum gegenüber dem Druckstutzen druckdicht abgedichtet sein.
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Die Sensorelemente, insbesondere die Sensormodule, können jeweils über mindestens einen Druckzufuhrkanal mit Druck aus dem Druckstutzen beaufschlagbar sein.
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Der elektrische Anschluss kann zumindest teilweise gemeinsam für die Sensorelemente ausgebildet sein. Der elektrische Anschluss kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass die Sensorelemente eine gemeinsame Anbindung an mindestens einem Anschluss aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Masseanbindung, einer Spannungsanbindung und einer Stromanbindung. Die Sensorelemente können insbesondere getrennte Signalleitungen aufweisen.
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Jedes der Sensorelemente kann eine eigene Signalverarbeitung aufweisen. Unter einer Signalverarbeitung kann allgemein eine Elektronik verstanden werden, welches ein von dem jeweiligen Sensorelement bereitgestelltes elektrisches Signal aufarbeitet und/oder vorverarbeitet, bevor dieses Signal weitergegeben wird. Beispielsweise kann diese Signalverarbeitung eine Verstärkung, eine Filterung, eine Mittelwertbildung, eine analog-Digital-Wandlung oder eine andere Art von Verarbeitung umfassen. Die Signalverarbeitung kann weiterhin eingerichtet sein, um einen oder mehrere Bearbeitungsschritte durchzuführen, welche das Ziel haben, Informationen aus einem Signal zu extrahieren und/oder Informationen für die Übertragung von einer Informationsquelle zu einem Informationsverbraucher vorzubereiten. Alternativ oder zusätzlich zu einer getrennten Signalverarbeitung für die mindestens zwei Sensorelemente kann auch mindestens eine gemeinsame Signalverarbeitung für die mindestens zwei Sensorelemente vorgesehen sein. Weiterhin kann mindestens eines der Sensorelemente mindestens einen Chip mit mindestens einer Auswerteelektronik aufweisen.
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Der Drucksensor im Sinne der vorliegenden Erfindung, insbesondere der Unterdrucksensor, kann insbesondere für die Messung von Unterdruck eingesetzt werden, insbesondere für den Einsatz in der Automobilindustrie, und besonders bevorzugt zur Messung des Unterdrucks in Bremskraftverstärkern. Mögliche weitere Einsatzbereiche sind sicherheitsrelevante Anwendungen, insbesondere im Kraftfahrzeug, beispielsweise im Rahmen einer Tankdruckmessung, einer Saugrohrdruckmessung oder ähnlicher sicherheitsrelevanter Anwendungen.
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Vorteile der Erfindung
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In dem Drucksensor sind wenigstens zwei voneinander unabhängige Sensorelemente angeordnet, welche insbesondere voneinander unabhängige Sensorsignale zur Verfügung stellen können. Somit kann anstelle von zwei Gehäusen mit jeweils einem Drucksensor ein Drucksensor mit einem Gehäuse und wenigstens zwei Sensorelementen verwendet werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine redundante Druckmessung sichergestellt werden.
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Vorteilhaft ist hier, eine Kosten- und Materialeinsparung durch Einsatz von nur einem Gehäuse zu ermöglichen.
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Vorteilhaft bei der Anordnung wenigstens zweier Sensorelemente in einem Gehäuse ist weiterhin die Option einer Reduzierung von zwei oder mehreren Kabelbäumen bis hin zu nur einem Kabelbaum. Hierdurch können zusätzlich Kosten und Materialien eingespart werden.
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Vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist auch der geringere Montageaufwand durch die Anordnung von wenigstens zwei Sensorelementen in einem Gehäuse. Es muss nur ein Drucksensor montiert werden im Gegensatz zu zwei Drucksensoren nach dem Stand der Technik.
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Vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist weiterhin, dass insbesondere zur Druckmessung in einem Bremskraftverstärker für den Anschluss des Drucksensors in der Regel nur ein Anschlussloch notwendig ist, im Gegensatz zu zwei Anschlusslöchern aus dem Stand der Technik für eine redundante Messung.
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Vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist weiterhin, dass die Spannung und Masseanbindung für mehrere Sensorelemente gemeinsam erfolgen kann und die Ausgabe des jeweiligen Signals, beispielsweise über einen so genannten anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), eines Sensorelementes über einen eigenen Pin erfolgen kann.
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Vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist weiterhin, dass Bondverbindungen zwischen einem Leadframe und den Sensorelementen angeordnet sein können. Hierdurch ist es möglich, einen ebenen Leadframe zu erzeugen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert, wobei darauf hingewiesen wird, dass dieses Ausführungsbeispiel die Erfindung nicht beschränken soll. So sollen beispielsweise auch Abwandlungen oder Ergänzungen des Ausführungsbeispiels, wie sie sich für den Fachmann unmittelbar ergeben, mit umfasst sein.
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Es zeigen:
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1 eine Außenansicht eines Drucksensors;
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2 eine Aufsicht des Drucksensors gemäß 1 ohne Gehäusedeckel;
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3 eine Schnittdarstellung des Drucksensors gemäß 1 ohne Gehäusedeckel; und
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4 eine Detaildarstellung von Sensorelemente und elektrischen Anschlüssen des Drucksensors gemäß 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 zeigt einen Drucksensor 1 mit einem Gehäuse 2 und einem Gehäusedeckel 3. An dem Gehäuse 2 ist bodenseitig ein Druckstutzen 4 angeordnet. An einer Seite des Gehäuses 2 ist eine Öffnung 5 für elektrische Anschlüsse 9 angeordnet, welche in 2 erkennbar sind. Der Drucksensor 1 wird zur Druckmessung über den Druckstutzen 4 mit dem Bereich, in welchem ein Druck zu messen ist, verbunden. Dieser Bereich kann beispielsweise ein Bremskraftverstärker sein. Die Druckzufuhr erfolgt über den Druckstutzen 4.
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2 zeigt eine Aufsicht des Drucksensors 1 gemäß 1 ohne den Gehäusedeckel 3. Ohne den Gehäusedeckel 3 ist ein Einblick in einen Elektronikraum 6 möglich. In dem Gehäuse 2 sind Sensorelemente 7 und 8 angeordnet. In dem Elektronikraum 6 sind weiterhin die elektrischen Anschlüsse 9 angerordnet. Die elektrischen Anschlüsse 9 sind über Bondverbindungen 10 mit den Sensorelementen 7, 8 verbunden. Die elektrischen Anschlüsse 9 können jeweils als Pins ausgeführt sein und können in die Öffnung für elektrische Anschlüsse 5 hineinragen. Hierbei können beispielsweise beide Sensorelemente 7, 8 über eine gemeinsame Zuleitung und/oder einen gemeinsamen Pin mit elektrischer Energie versorgt werden, beispielsweise über eine gemeinsame Spannungsversorgung. Alternativ oder zusätzlich kann eine Masseanbindung der Sensorelemente 7, 8 über eine gemeinsame Zuleitung und/oder über einen gemeinsamen Pin erfolgen. Eine Ausgabe eines Sensorsignals kann beispielsweise für beide Sensorelemente 7, 8 getrennt über einen eigenen Pin erfolgen. Durch den Einsatz von Bondverbindungen 10 zwischen den elektrischen Anschlüssen 9 und den Sensorelementen 7 und 8 besteht die Möglichkeit einen Leadframe einzusetzen.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung des Drucksensors 1 gemäß 1 mit dem Gehäuse 2, ohne Gehäusedeckel 3. In dieser Darstellung ist der Druckstutzen 4 gut erkennbar. Eine Druckzufuhr kann über den Druckstutzen 4 durch Druckzuführkanäle 11, 12 zu den Sensorelementen 7, 8 erfolgen, welche den anliegenden Druck messen.
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4 zeigt einen Ausschnitt des Elektronikraums 6 gemäß 2. Die elektrischen Anschlüsse 9 sind über die Bondverbindungen 10 mit den Sensorelementen 7, 8 verbunden. Die dargestellten Anschlüsse 9 umfassen eine Spannungsanbindung 13, eine Massenanbindung 14, Stromanbindungen 15 und 16. Somit ist die Verschaltung der Sensorelemente 7, 8 mit einer gemeinsamen Spannungs- und Masseanbindung 14 und getrennten Stromanbindungen 15, 16 für jedes Sensorelement 7, 8 möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- K. Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1 Auflage 2010, Vieweg und Teubner Verlag Wiesbaden, S. 134–136 [0011]
