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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt. Bei den Strömungseigenschaften als möglichem Parameter kann es sich dabei um beliebige physikalische und/oder chemische messbare Eigenschaften handeln, welche eine Strömung des fluiden Mediums qualifizieren oder quantifizieren. Insbesondere kann es sich dabei um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom handeln.
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Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf so genannte Heißfilmluftmassenmesser beschrieben, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146–148, bekannt sind. Derartige Heißfilmluftmassenmesser basieren in der Regel auf einem Sensorchip, insbesondere einem Silizium-Sensorchip, beispielsweise mit einer Sensormembran als Messoberfläche oder Sensorbereich, welcher von dem strömenden fluiden Medium überströmbar ist. Der Sensorchip umfasst in der Regel mindestens ein Heizelement sowie mindestens zwei Temperaturfühler, welche beispielsweise auf der Messoberfläche des Sensorchips angeordnet sind, wobei der eine Temperaturfühler stromaufwärts des Heizelements und der andere Temperaturfühler stromabwärts des Heizelements gelagert ist. Aus einer Asymmetrie des von den Temperaturfühlern erfassten Temperaturprofils, welches durch die Strömung des fluiden Mediums beeinflusst wird, kann auf einen Massenstrom und/oder Volumenstrom des fluiden Mediums geschlossen werden.
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Heißfilmluftmassenmesser sind üblicherweise als Steckfühler ausgestaltet, welcher fest oder austauschbar in ein Strömungsrohr einbringbar ist. Beispielsweise kann es sich bei diesem Strömungsrohr um einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine handeln.
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Dabei durchströmt ein Teilstrom des Mediums wenigstens einen in dem Heißfilmluftmassenmesser vorgesehen Hauptkanal. Zwischen dem Einlass und dem Auslass des Hauptkanals ist ein Bypasskanal ausgebildet. Insbesondere ist der Bypasskanal derart ausgebildet, dass er einen gekrümmten Abschnitt zur Umlenkung des durch den Einlass des Hauptkanals eingetretenen Teilstroms des Mediums aufweist, wobei der gekrümmte Abschnitt im weiteren Verlauf in einen Abschnitt übergeht, in welchem der Sensorchip angeordnet ist. Der zuletzt genannte Abschnitt stellt den eigentlichen Messkanal dar, in dem der Sensorchip angeordnet ist.
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Derartige Heißfilmluftmassenmesser müssen in der Praxis einer Vielzahl von Anforderungen genügen. Neben dem Ziel, einen Druckabfall an dem Heißfilmluftmassenmesser insgesamt durch geeignete strömungstechnische Ausgestaltungen zu verringern, besteht eine der hauptsächlichen Herausforderungen darin, die Signalqualität sowie die Robustheit der Vorrichtungen gegenüber Kontamination durch Öl- und Wassertöpfchen sowie Ruß-, Staub- und sonstigen Festkörperpartikeln weiter zu verbessern. Diese Signalqualität bezieht sich beispielsweise auf einen Massenstrom des Mediums durch den zu dem Sensorchip führenden Messkanal sowie gegebenenfalls auf die Verminderung einer Signaldrift und die Verbesserung des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses. Die Signaldrift bezieht sich dabei auf die Abweichung beispielsweise des Massenstroms des Mediums im Sinne einer Veränderung der Kennlinien-Beziehung zwischen dem tatsächlich auftretenden Massenstrom und dem im Rahmen der Kalibrierung bei der Fertigung ermittelten auszugebenden Signal. Bei der Ermittlung des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses werden die in schneller zeitlicher Folge ausgegebenen Sensorsignale betrachtet, wohingegen sich die Kennlinien- oder Signaldrift auf eine Veränderung des Mittelwertes bezieht.
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Bei herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern der beschriebenen Art ragt in der Regel ein Sensorträger mit einem darauf angebrachten oder eingebrachten Sensorchip in den Messkanal hinein. Beispielsweise kann der Sensorchip in den Sensorträger eingeklebt oder auf diesen aufgeklebt sein. Der Sensorträger kann beispielsweise mit einem Bodenblech aus Metall, auf welchem auch eine Elektronik, eine Ansteuer- und Auswerteschaltung (beispielsweise mit einem Schaltungsträger, insbesondere einer Leiterplatte) aufgeklebt sein kann, eine Einheit bilden. Beispielsweise kann der Sensorträger als angespritztes Kunststoffteil eines Elektronikmoduls ausgestaltet sein. Der Sensorchip und die Ansteuer- und Auswerteschaltung können beispielsweise durch Bondverbindungen miteinander verbunden werden. Das derart entstandene Elektronikmodul kann beispielsweise in ein Sensorgehäuse eingeklebt werden und der gesamte Steckfühler kann mit Deckeln verschlossen werden.
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Die
DE 10 2010 043 083 A1 offenbart eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Strömungseigenschaft eines fluiden Mediums, bei der in einem Elektronikraum eine Elektronik eines Schaltungsträgers und einer Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung angeordnet sind.
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Die
DE 10 2010 020 264 A1 beschreibt einen Luftmassenmesser mit einem Gehäuse aus Kunststoff, der elektrisch isolierend wirkt, wobei in dem Gehäuse ein Strömungskanal ausgebildet ist, und mit einem Sensorelement, das in dem Gehäuse angeordnet ist und das die im Strömungskanal strömende Luftmasse erfasst. In dem Gehäuse sind Leiterbahnen angeordnet, die das Sensorelement mit Anschlusspins verbinden. Ein Teil des Strömungskanals weist elektrostatisch dissipative Eigenschaften auf.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Vermeidung der Verschmutzung des Sensorelements durch beispielsweise Staubpartikel beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So ist beispielsweise der Einsatz leitfähiger Kunststoffe für strömungsführende Bauteile, die mit der Masseleitung der Komponente verbunden werden, eine mögliche Maßnahme zur Vermeidung der Verschmutzung. Dadurch kann die statische Aufladung der strömungsführenden Bauteile reduziert werden, die das Risiko einer Verschmutzung des Sensorelements durch Staubpartikel erhöht. Das Verbinden der strömungsführenden Kunststoffbauteile des Sensorgehäuses mit dem Träger der Elektronikbauteile, wie beispielsweise einer Leiterplatte, erfordert jedoch ein zusätzliches Bauteil aus leitfähigem Werkstoff, welches zu einer Kostenerhöhung der Sensorvorrichtung führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher eine Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Strategien zumindest weitgehend vermeiden kann und bei der eine Verbindung strömungsführender Kunststoffbauteile mit dem Träger von Elektronikbauteilen, wie beispielsweise einer Leiterplatte, insbesondere ohne separates Bauteil ermöglicht wird. Auf dem Träger der Elektronikbauteile kann eine Verbindung zur Masseleitung der Komponente hergestellt werden.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist die Integration eines elektrischen Leiters in ein strömungsführendes Bauteil aus leitfähigem Kunststoff, wie beispielsweise einen Bypassdeckel.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums, insbesondere eines Ansaugluftmassenstroms einer Brennkraftmaschine, umfasst ein Sensorgehäuse, insbesondere einen in ein Strömungsrohr eingebrachten oder einbringbaren Steckfühler, in dem der Kanal ausgebildet ist, und mindestens einen in dem Kanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums. Das Sensorgehäuse weist einen Einlass in den Kanal, der einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums entgegenweist, und mindestens einen Auslass aus dem Kanal auf. In dem Sensorgehäuse ist mindestens ein Elektronikbauteil angeordnet. Das Sensorgehäuse weist zumindest einen Abschnitt auf, der aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff hergestellt ist und der mit dem Elektronikbauteil elektrisch verbunden ist. Das Sensorgehäuse und der Abschnitt sind integral ausgebildet.
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Der Abschnitt kann als Vorsprung von dem Sensorgehäuse ausgebildet sein. Das Sensorgehäuse kann mindestens einen Deckel aufweisen, der den Kanal verschließt, wobei der Abschnitt an dem Deckel angeordnet ist. Der Abschnitt kann mit dem Elektronikbauteil mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs oder mittels einer mechanischen Verbindung verbunden sein. Die mechanische Verbindung kann beispielsweise durch eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung realisiert sein. In dem Sensorgehäuse ist eine Ansteuer- und Auswerteschaltung angeordnet, die mit dem Sensorchip verbunden ist. In dem Sensorgehäuse kann eine Leiterplatte angeordnet sein. Die Ansteuer- und Auswerteschaltung und das Elektronikbauteil können auf der Leiterplatte angeordnet sein. Das Elektronikbauteil kann eine Leiterbahn sein. Das Elektronikbauteil kann insbesondere eine Masseleitung der Ansteuer- und Auswerteschaltung sein. Das Sensorgehäuse kann vollständig aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff hergestellt sein. Der elektrisch leitfähige Kunststoff kann mindestens ein Element umfassen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: leitfähige Polymere, leitfähige Fasern, Leitruß und leitfähige Beschichtung. Diese Elemente können beispielsweise in den Kunststoff integriert sein.
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Kunststoff mit leitfähigen Bestandteilen, wie beispielsweise Polymeren, Fasern und/oder Leitruß sind kostengünstig und leicht in diesen integrierbar. Als leitfähige Fasern im Kunststoff eignen sich beispielsweise Kohle- oder Metallpartikel. Die leitfähige Beschichtung kann beispielsweise eine dissipative Beschichtung sein. Beispielsweise kann die Beschichtung als galvanische Metallbeschichtung ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, die Beschichtung durch metallisches Sputtern, metallisches Bedampfen oder durch Beschichten mit einem leitfähigen Lack zu erzeugen.
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Unter der Hauptströmungsrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die lokale Strömungsrichtung des fluiden Mediums am Ort des Sensors bzw. der Sensoranordnung zu verstehen, wobei beispielsweise lokale Unregelmäßigkeiten, wie z. B. Turbulenzen unberücksichtigt bleiben können. Insbesondere kann unter der Hauptströmungsrichtung somit die lokale gemittelte Transportrichtung des strömenden fluiden Mediums am Ort der Sensoranordnung verstanden werden. Dabei bezieht sich die gemittelte Transportrichtung auf eine Transportrichtung, in der das fluide Medium im zeitlichen Mittel überwiegend strömt.
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Dadurch wird ein zusätzlich erforderliches Bauteil aus leitfähigem Werkstoff vermieden, das zu einer Kostenerhöhung der Komponente führen würde. Durch die Integration des elektrischen Leiters wird eine zweite Kontaktstelle vermieden und dadurch die technische Zuverlässigkeit erhöht.
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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. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
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2 eine perspektivische Darstellung der Sensoranordnung in einem nicht verschlossenen Zustand,
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3 eine perspektivische Darstellung eines Deckels der Sensoranordnung,
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4 eine perspektivische Darstellung der Sensoranordnung in einem teilweise verschlossenen Zustand,
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5 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der Sensoranordnung der 4 und
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6 eine Schnittansicht der Sensoranordnung im Bereich des elektrisch leitfähigen Abschnitts.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 10 zur Bestimmung eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums. Die Sensoranordnung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet und kann insbesondere einen Ansaugluftmassenstrom einer Brennkraftmaschine erfassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Sensoranordnung 10 einen Steckfühler 12, welcher beispielsweise in ein Strömungsrohr, insbesondere einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, eingesteckt werden kann. In dem Steckfühler 12 ist eine Kanalstruktur 14 aufgenommen, durch die über eine Einlassöffnung bzw. einen Einlass 16, die im eingesetzten Zustand einer Hauptströmungsrichtung 18 des fluiden Mediums entgegenweist, eine repräsentative Menge des fluiden Mediums strömen kann.
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1 zeigt dabei einen Ausschnitt des Steckfühlers 12 im Bereich der Kanalstruktur 14. Die Kanalstruktur 14 weist einen Hauptkanal 20 auf, welcher in einen nicht näher gezeigten Hauptkanalauslass auf einer Unterseite 22 des Steckfühlers 12 bezogen auf die Darstellung der 1 mündet, sowie einen von dem Hauptkanal 20 abzweigenden Bypass- bzw. Messkanal 24, welcher in einen auf der Oberfläche 26, die bei diesem Ausführungsbeispiel die Stirnseite bzw. Stirnfläche bezogen auf die Darstellung der 1 des Steckfühlers sein kann, angeordneten Auslass 28 des Bypass- bzw. Messkanals 24 mündet. Es wird jedoch explizit betont, dass der Auslass 28 auch an einer anderen Oberfläche des Steckfühlers 12 angeordnet sein kann, wie beispielsweise an der Unterseite 22 oder einer Oberseite 30.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Sensoranordnung 10 in einem nicht verschlossenen Zustand. In den Messkanal 24 ragt wie bei herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern ein Sensorträger 32 in Form eines Flügels. In diesem Sensorträger 32 ist ein Sensorchip 34 derart eingelassen, dass eine als Sensorbereich des Sensorchips 34 ausgebildete Sensormembran von dem fluiden Medium überströmt wird. Der Sensorträger 32 ist mit dem Sensorchip 34 Bestandteil eines Elektronikmoduls 36, das ein gebogenes Bodenblech als Sensorträger 32 sowie eine darauf angebrachte, beispielsweise aufgeklebte, Leiterplatte 38 mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 40 aufweist. Der Sensorträger 32 kann beispielsweise als Kunststoffbauteil an das Bodenblech angespritzt sein. Der Sensorträger 32, welcher beispielsweise als Spritzgussbauteil an das Bodenblech angespritzt ist oder mit dem Bodenblech der Leiterplatte 38 integral ausgebildet sein kann, ist mit einer Anströmkante versehen, welche abgerundet ausgestaltet sein kann. Der Sensorchip 34 ist mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung 40 über elektrische Verbindungen 42, welche hier als Draht-Bonding ausgestaltet sein können, elektrisch verbunden. Das derart entstandene Elektronikmodul 36 wird in einen Elektronikraum 44 eines Sensorgehäuses 46 des Steckfühlers 12, in welchem auch die Kanalstruktur 14 ausgebildet ist, eingebracht, wie beispielsweise eingeklebt. Dies kann derart erfolgen, dass der Sensorträger 32 dabei in die Kanalstruktur 14 hineinragt. Anschließend werden der Elektronikraum 44 und die Kanalstruktur 14 durch Deckel 48, 50 (1) verschlossen. Der Deckel 48 dient dabei zum Verschließen der Kanalstruktur 14 und der Deckel 50 dient zum Verschließen des Elektronikraums 44.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Deckels 48, der zum Verschließen der Kanalstruktur 14 dient. Das Sensorgehäuse 46 weist zumindest einen Abschnitt 52 auf, der aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff hergestellt ist. Das Sensorgehäuse 46 und der Abschnitt 52 sind integral bzw. einstückig ausgebildet. Beispielsweise wird das Sensorgehäuse 46 mit dem Abschnitt 52 mittels eines Spritzgußverfahrens gemeinsam ausgebildet. Das Sensorgehäuse 46 kann dementsprechend vollständig aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff hergestellt sein. Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Deckel 48 den Abschnitt 52 auf. Der Abschnitt 52 ist als Vorsprung 54 ausgebildet. Der Vorsprung 54 kann beispielsweise in Form einer schmalen und länglichen Nase ausgebildet sein. Bei der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich der Vorsprung 54 senkrecht bezüglich der Hauptströmungsrichtung 18 von dem Deckel 48 weg.
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4 zeigt eine perspektivische Darstellung der Sensoranordnung 10 in einem teilweise verschlossenen Zustand. Gezeigt ist, wie der Deckel 48 die Kanalstruktur 14 verschließt.
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Der Abschnitt 52 ist so an dem Deckel 48 angeordnet, dass der Vorsprung 52 in Richtung zu dem Elektronikraum 44 vorsteht.
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5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Sensoranordnung 10 der 4 in einem teilweise verschlossenen Zustand. Gezeigt ist eine vergrößerte Darstellung, wie der Deckel 48 die Kanalstruktur 14 verschließt. Der Abschnitt 52 ist mit einem Elektronikbauteil 56, das in dem Sensorgehäuse 46 angeordnet ist, elektrisch verbunden. Das Elektronikbauteil 56 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Leiterbahn 58 und genauer als Masseleitung 60 der Ansteuer- und Auswerteschaltung 40 ausgebildet. Ferner ist gezeigt, dass der Abschnitt 52 mit der Masseleitung 60 verbunden ist.
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6 zeigt eine perspektivische Schnittansicht der Sensoranordnung 10 im Bereich des Abschnitts 52. In 6 ist gezeigt, dass der Abschnitt 52 mit der Masseleitung 60 mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs 62 verbunden ist. Alternativ kann der Abschnitt 52 mit der Masseleitung 60 mittels einer mechanischen Verbindung verbunden sein, Beispielsweise ist die mechanische Verbindung eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung.
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Schmutz- oder Staubpartikel, die üblicherweise statisch geladen sind, können sich bei herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern an einer Wand der Kanalstruktur anlagern. Ein derartiges Anlagern würde die frei Querschnittsfläche der Kanalstruktur verändern und insbesondere verkleinern, so dass ein veränderter Luftmassenstrom über den Sensorchip strömen würde. Folglich würde der Sensorchip 34 ein falsches Signal liefern. Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10 der elektrisch leitfähige Abschnitt 52 mit der Masseleitung 60 der Sensoranordnung 10 verbunden ist, kann die statische Aufladung des Sensorgehäuses 46 im Bereich der Kanalstruktur 14 und insbesondere in dem Kanal 26, in dem sich der Sensorchip 34 befindet, reduziert werden. Dadurch wird das Risiko einer Verschmutzung des Sensorchips 34 durch Staubpartikel oder dergleichen vermieden oder deutlich verringert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010043083 A1 [0007]
- DE 102010020264 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146–148 [0002]
