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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Fluidsensor zur Detektion von fluiden Medien, insbesondere Gasen, wie beispielsweise Wasserstoff. Derartige Sensoren werden beispielsweise in der Automobiltechnik zum Nachweis und/oder zur Konzentrationsmessung von Wasserstoff in einem Wasserstoff-Luft-Gemisch eingesetzt.
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Bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, der Chemie oder des Maschinenbaus, müssen Gaskonzentrationen zuverlässig bestimmt werden und/oder es muss definiert ein Gasmassenstrom, insbesondere ein Luftmassenstrom, zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablaufen. Ein wichtiges Beispiel, auf das die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist dabei die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit anschließender katalytischer Abgasreinigung. Auch die Zuführung von Gasen genau definierter Zusammensetzung für Brennstoffzellen ist als Anwendungsgebiet zu nennen. Auch sicherheitsrelevante Anwendungen sind zu nennen. So kann beispielsweise ein Wasserstoffsensor in Brennstoffzellen-Fahrzeugen eingesetzt werden, um Fahrzeuginsassen bei schleichendem Wasserstoff-Austritt zu warnen. Luft wird näherungsweise ab einem Wasserstoff-Anteil von 4 % zündungsfähig und bei höherem Anteil sogar explosionsfähig, so dass der Wasserstoffsensor beispielsweise mit einer entsprechenden Warnvorrichtung oder einer entsprechenden Notfallautomatik gekoppelt werden kann. Auch andere sicherheitsrelevante Anwendungen derartiger Gassensoren sind denkbar.
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Zur Messung eines Gasstromes und/oder einer Gaskonzentration werden dabei verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt. Eine Klasse derartiger Sensoren sind Sensoren mit einem Sensorchip. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp dieser Klasse ist der so genannte Heißfilmluftmassenmesser (HFM), welcher beispielsweise in
DE 196 01 791 A1 in einer Ausführungsform beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise ein Sensorchip eingesetzt, welcher eine dünne Sensormembran aufweist, beispielsweise ein Siliziumsensorchip. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen (Temperaturfühlern) umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann und mittels einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung ausgewertet werden kann. So kann, zum Beispiel aus einer Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Neben der Erfassung einer Strömung spielt die Detektion und Messung von Komponenten, aus welchen sich das jeweilige gasförmige Fluid zusammensetzt, eine große Rolle. Ein Sensorprinzip beruht auf der unterschiedlichen Wärmekapazität und/oder Wärmeleitfähigkeit der unterschiedlichen Fluidkomponenten und ist beispielsweise in M. Arndt: „Micromachined Thermal Conductivity Hydrogen Detector for Automotive Applications", Sensors, 2002. Proceedings of IEEE beschrieben. So wird beispielsweise zur Detektion von Wasserstoff in einem Luft-Wasserstoff-Gemisch die Tatsache ausgenutzt, dass Wasserstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als Luft beziehungsweise die Komponenten der Luft. Bei einem Sensoraufbau, der ähnlich gestaltet ist wie der von Heißfilmluftmassenmessern (HFM), diffundiert z. B. ein Luft-Wasserstoff-Gemisch durch eine dünne Membran oder ein enges Gitter in einen Messraum eines Sensors. Das Vorhandensein von Wasserstoff im gasförmigen Fluid verändert die Temperatur der beheizten Messmembran oder deren Wärmeleistung, die an die Umgebungsluft abgegeben wird. Daraus wiederum wird ein Messsignal erzeugt, welches die Konzentration des Wasserstoffs widerspiegelt.
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Die
DE 10 2006 010 901 A1 beschreibt einen Fluidsensor zur Detektion von fluiden Medien, der einen Sensorchip mit einer mit dem fluiden Medium beaufschlagbaren Chipoberfläche aufweist. Diese Chipoberfläche beinhaltet eine Messoberfläche und eine Festlandsoberfläche. Auf der Messoberfläche sind Leiterbahnen einer Sensorschaltung mit mindestens einem Heizelement und mindestens einem Temperaturfühler aufgebracht.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Fluidsensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So ist bei dem oben genannten Stand der Technik die Messoberfläche freiliegend, so dass äußere Strömungen oder Konvektionen zu dem Sensorchip gelangen können. Derartige Einflüsse führen zu Messeffekten, den so genannten Querempfindlichkeiten, die nicht mit einer zu messenden Konzentrationsänderung im Zusammenhang stehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Fluidsensor zur Detektion von fluiden Medien vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Fluidsensoren zumindest weitegehend vermeiden kann und bei dem insbesondere äußere Strömungen oder Konvektionen vom Sensorchip durch Begrenzen der Strukturen ferngehalten werden, um nicht zu Messeffekten zu führen, die nicht mit einer zu messenden Konzentrationsänderung im Zusammenhang stehen.
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Der erfindungsgemäße Fluidsensor zur Detektion von fluiden Medien, insbesondere von Gasen, umfasst einen Sensorchip mit einer mit dem fluiden Medium beaufschlagbaren Chipoberfläche. Die Chipoberfläche weist eine Messoberfläche und eine Festlandsoberfläche auf. Auf der Messoberfläche sind Leiterbahnen einer Sensorschaltung mit mindestens einem Heizelement und mindestens einem Temperaturfühler aufgebracht. Auf dem Sensorchip ist eine Begrenzungsstruktur angeordnet, die die Messoberfläche zumindest teilweise umgibt bzw. umschließt.
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Die Begrenzungsstruktur kann so angeordnet sein, dass sie die Messoberfläche auf einer Seite zumindest teilweise umgibt. Der Sensorchip kann so ausgebildet sein, dass die Messoberfläche zumindest auf einer Seite mit dem fluiden Medium beaufschlagbar ist. Die Messoberfläche kann als Membran ausgebildet sein. Die Begrenzungsstruktur kann als Kappe ausgebildet sein. Die Begrenzungsstruktur kann so ausgebildet sein, dass sie mit der Messoberfläche ein Referenzvolumen einschließt. Das Referenzvolumen kann evakuiert sein. Die Begrenzungsstruktur kann auf einer dem fluiden Medium abgewandten Seite der Messoberfläche angeordnet sein. Die Begrenzungsstruktur kann zumindest eine Öffnung aufweisen. Der Sensorchip kann eine Zuführung für das fluide Medium zu einer Seite der Messoberfläche aufweisen. Die Zuführung ist beispielsweise als Zuführungskanal in einem Sockel ausgebildet, auf dem der Sensorchip angeordnet ist. Die Begrenzungsstruktur kann auf der der Zuführung gegenüberliegenden Seite der Messoberfläche angeordnet sein.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Fluidsensor hingegen weist einen Sensorchip mit einer mit dem fluiden Medium beaufschlagbaren Chipoberfläche auf. Diese Chipoberfläche beinhaltet eine Messoberfläche und eine Festlandsoberfläche. Beispielsweise kann es sich dabei, wie oben beschrieben, um einen Siliziumchip handeln. Im Bereich der Messoberfläche kann beispielsweise der Sensorchip derart ausgestaltet sein, dass dieser dort eine um mindestens eine Größenordnung geringere transversale thermische Leitfähigkeit aufweist als im Bereich der Festlandsoberfläche. Dies kann beispielsweise, wie bei den eingangs beschriebenen Heißfilmluftmassenmesserchips, dadurch erzielt werden, dass Sensorchips mit einer dünnen Sensormembran eingesetzt werden, welche eine Dicke von lediglich wenigen Mikrometern aufweist. Hierbei wird die geringe thermische Leitfähigkeit in der die Sensormembran umgebenden Luft (beziehungsweise eines alternativen Gases) ausgenutzt.
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Alternativ können als Messbereich mit einer dem zu messenden fluiden Medium zugewandten Messoberfläche auch poröse Bereiche im Chip hergestellt werden, beispielsweise durch eine Porosifizierung eines Siliziumchips. Auf diese Weise lassen sich Messbereiche herstellen, welche aufgrund der eingeschlossenen Luftkavernen eine transversale Leitfähigkeit von 0,1 W/mK bis 2 W/mK aufweisen, im Vergleich zu einem Siliziumsubstrat mit einer thermischen Leitfähigkeit von ca. 156 W/mK. Auf die Messoberfläche beziehungsweise in die Nähe dieser Messoberfläche sind Leiterbahnen einer Sensorschaltung mit mindestens einem Heizelement und mindestens einem Temperaturfühler aufgebracht.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, äußere Strömungen oder Konvektionen vom Sensorchip durch eine Begrenzungsstruktur fernzuhalten. Der erfindungsgemäße Sensorchip kann beispielsweise ein Siliziumchip sein, der eine Membran, ein Heizelement und einen Temperaturfühler zur Messung eines Wärmestroms durch ein gasförmiges Medium aufweist. Die Begrenzungsstruktur wird so angeordnet, dass sie die Messoberfläche zumindest teilweise umgibt bzw. umschließt.
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Unter einer Begrenzungsstruktur ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jede Struktur zu verstehen, die geeignet ist, Strömungen oder Konvektionen vom Sensorchip Strukturen fernzuhalten. Die Begrenzungsstruktur kann insbesondere in Form von Erhebungen von dem Sensorchip ausgebildet sein, die Strömungen des Fluids bremsen, umlenken und/oder abschirmen gegenüber der Messoberfläche.
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Da die Begrenzungsstruktur ebenfalls einen Teil der Heizleistung aufnehmen werden, wird zur Reduzierung von unerwünschten Querempfindlichkeiten vorgeschlagen, die Begrenzungsstruktur möglichst starr in Bezug zur Messmembran zu positionieren, indem die Begrenzungsstruktur direkt am Sensorchip und nicht bzw. nicht nur über ein Gehäuseteil befestigt wird. Zur weiteren Reduzierung von Querempfindlichkeiten wird vorgeschlagen, die Begrenzungsstruktur außerdem thermisch leitend auszuführen und thermisch leitend mit dem Sensorchip zu verbinden. So eignen sich vor allem metallische Werkstoffe oder metallisch beschichtete Werkstoffe. Sollen weniger gut leitende Werkstoffe wie z.B. Silizium, Glas, Kunststoff usw. verwendet werden, so ergibt sich eine gute thermische Leitfähigkeit zumindest über kleine Geometrien bzw. kurze Wärmeleitwege vom Sensorchip durch die Begrenzungsstruktur.
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Bei einseitiger Beaufschlagung der Messmembran können die Querempfindlichkeiten bestmöglich unterdrückt werden, wenn die auf der gegenüberliegenden Seite der Membran angebrachte Struktur eine Kappe ist, die ein Referenzvolumen einschließt. In diesem Fall ist nur der Wärmestrom auf der Messgasseite abhängig von den Umgebungsbedingungen.
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Optimal ist ein evakuiertes Referenzvolumen. Die dazu benötigte dauerhafte Dichtheit lässt sich durch Waferbondverfahren, wie z.B. anodisches Bonden, Glass-Frit-Bonden, Eutektisches Bonden usw. erzielen. Allerdings ist hierbei zu beachten, dass Wärmeleitung und Konvektionsströmungen erst bei einem sehr niedrigen Dampfdruck effektiv unterbunden werden. Außerdem muss die Chipoberfläche trotz der benötigten Leiterbahnstrukturen eben genug sein, um diesen Verbindungsprozess zu ermöglichen.
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Die Gaszuführung auf der Beaufschlagungsseite kann gleichzeitig die auf dieser Seite benötigte Begrenzungsstruktur darstellen. Diese Zuführung kann z.B. durch eine Klebung mit dem Sensorchip verbunden sein oder wiederum durch einen Waferbondprozess.
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Alternativ kann die Kappenstruktur auch geöffnet ausgeführt sein. Bei beidseitiger Beaufschlagung des Sensorchips werden auf diese Weise die konstantesten Bedingungen und gleichzeitig der größte Signalhub erzielt. Unter einseitiger Beaufschlagung sorgt eine solche halboffene Kappe zumindest für geometrische und thermische Konstanz auf der dem Messmedium abgewandten Seite. Bei potentiellen Luftfeuchteänderungen auf der dem Messmedium abgewandten Seite kann der entsprechende Quereinfluss durch Einsatz eines zusätzlichen Feuchtesensors zumindest teilweise kompensiert 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 Fluidsensors gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Fluidsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fluidsensors gemäß einer ersten Modifikation,
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4 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fluidsensors gemäß einer zweiten Modifikation und
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5 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß Fluidsensors gemäß einer dritten Modifikation.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Fluidsensors 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Fluidsensor 10 eignet sich zur Detektion von fluiden Medien, insbesondere von Gasen, wie beispielsweise Wasserstoff. Der Fluidsensor 10 umfasst einen Sensorchip 12 mit einer Chipoberfläche 14, welche mit dem fluiden Medium beaufschlagbar ist.
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Die Chipoberfläche 14 weist eine Messoberfläche 16 und eine Festlandsoberfläche 18 auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann es sich bei dem Sensorchip 12 beispielsweise um einen Siliziumchip handeln, welcher im Bereich der Messoberfläche 16 eine Membran aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrit aufweist.
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Auf der Messoberfläche 16 ist eine Sensorschaltung 20 mit einer Heizelementleiterbahn 22 und einer Temperaturfühlerleiterbahn 24 aufgebracht. Mit anderen Worten sind die Leiterbahnen 22 und 24 als Heizelement 22 und Temperaturfühler 24 ausgebildet. Anschlusspads 26 der Leiterbahnen 22, 24 stehen in Verbindung mit einer Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 28, welche nach dem oben beschriebenen Prinzip eine Wasserstoffkonzentration ermittelt.
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Bei konstanten Umgebungsbedingungen bezüglich Gaszusammensetzung, Druck und Temperatur stehen die Größen Heizleistung, Membrantemperatur und Chiptemperatur zueinander in Relation. Eine Änderung der Umgebungsbedingungen und insbesondere eine zu detektierende Konzentrationsänderung führen zu einer Änderung dieser Relation, was wiederum zur Messung der Konzentration ausgenutzt werden kann. Hierbei spielt es vom Prinzip her keine Rolle, welche der drei Größen Heizleistung, Membrantemperatur und Chiptemperatur vorgegeben und welche gemessen wird. Beispielsweise kann bei dem Fluidsensor 10 eine konstante Heizerspannung vorgegeben werden und alle drei Größen werden gemessen. Eine andere Möglichkeit wäre, beispielsweise auf eine definierte Temperatur oder Temperaturdifferenz zu regeln und die dafür benötigte Heizleistung zu messen.
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Der Sensorchip 12 ist auf einem Sockel 30 angeordnet. Der Sockel 30 ist beispielsweise ein Glassockel. Der Sockel 30 kann beispielsweise durch eine Klebung mit dem Sensorchip 12 verbunden sein oder alternativ durch einen Waferbondprozess. In dem Sockel 30 ist ein Zuführungskanal 32 ausgebildet. Der Sensorchip 12 ist dabei so auf dem Sockel 30 angeordnet, dass durch den Zuführungskanal 32 das zu detektierende fluide Medium zu einer Unterseite 34 der Messoberfläche 16 gelangen kann. Folglich ist die Unterseite 34 der Messoberfläche 16 mit dem fluiden Medium mittels des Zuführungskanals 32 beaufschlagbar. Der Zuführungskanal 32 mündet in einer unterhalb der Unterseite 34 der Messoberfläche 16 befindlichen Kaverne 35.
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Auf dem Sensorchip 12 ist eine Begrenzungsstruktur 36 angeordnet. Die Begrenzungsstruktur 36 umgibt die Messoberfläche 16 zumindest teilweise. Beispielsweise ist die Begrenzungsstruktur 36 als Kappe 38 ausgebildet. Die Kappe 38 umgibt die Messoberfläche 16 auf einer dem Zuführungskanal 32 abgewandten und der Unterseite 34 gegenüberliegenden Oberseite 40 der Messoberfläche 16 zumindest teilweise. Der Sockel 30 wirkt ebenfalls als Begrenzungsstruktur 36 auf der Unterseite 34 der Messoberfläche 16. Die Kappe 38 schließt mit der Messoberfläche 16 ein Referenzvolumen 42 ein. Unter einem Referenzvolumen ist ein Volumen vorbestimmter und damit bekannter Größe zu verstehen, dessen Eigenschaften als Referenzwert für die Detektion dienen. Das Referenzvolumen 42 kann evakuiert sein. Die dazu benötigte dauerhafte Dichtheit zwischen Begrenzungsstruktur 30 bzw. Kappe 38 und dem Sensorchip 12 lässt sich durch Waferbondverfahren, wie beispielsweise anodisches Bonden, Glass-Frit-Bonden, Eutektisches Bonden und dergleichen erzielen. Allerdings ist hierbei zu beachten, dass Wärmeleitung und Konvektionsströmungen erst bei einem sehr niedrigen Dampfdruck effektiv unterbunden werden. Außerdem muss die Chipoberfläche 14 trotz der benötigten Leiterbahnstrukturen eben genug sein, um diesen Verbindungsprozess zu ermöglichen. Diese Ausführungsform erlaubt eine einseitige Beaufschlagung des Sensorchips mit dem fluiden Medium.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Fluidsensors 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei dem Fluidsensor 10 der zweiten Ausführungsform weist die Begrenzungsstruktur 36 zumindest eine Öffnung 44 auf. Beispielsweise ist die Begrenzungsstruktur 36 als halboffene Kappe 38 ausgebildet, die die Öffnung 44 aufweist. Die Öffnung 44 ist dabei so ausgebildet, dass die Kappe 38 einen L-förmigen Querschnitt aufweist. Mit anderen Worten ist die Kappe 38 an ihrer Vorderseite 46 vollständig offen. Diese Ausführungsform erlaubt eine beidseitige Beaufschlagung des Sensorchips 12 mit dem fluiden Medium. So gelangt das fluide Medium durch den Zuführungskanal 32 zu der Unterseite 34 der Messoberfläche 16 und durch die Öffnung 44 in der Kappe 38 zu der Oberseite 40 der Messoberfläche 16. Auf diese Weise werden die konstantesten Bedingungen und gleichzeitig der größte Signalhub erzielt. Im Fall einer einseitigen Beaufschlagung bei der halboffenen Kappe 38 des Fluidsensors 10 gemäß der zweiten Ausführungsform wird für geometrische und thermische Konstanz auf der dem fluiden Medium abgewandten Oberseite 40 der Messoberfläche 16 gesorgt. Bei potentiellen Luftfeuchteänderungen auf der dem fluiden Medium abgewandten Oberseite 40 kann der entsprechende Quereinfluss durch Einsatz eines zusätzlichen Feuchtesensors zumindest teilweise kompensiert werden.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fluidsensors 10 gemäß einer ersten Modifikation der zweiten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der zweiten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform des Fluidsensors 10 ist die Öffnung 44 als Durchgangskanal 48 ausgebildet, der gegenüberliegende Seitenflächen 50 der Kappe 38 verbindet. Die Öffnung 44 kann somit als durchgehende Öffnung ausgebildet sein, so dass sie beide Seitenflächen 50 der Kappe 38 durchdringt.
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4 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Fluidsensors 10 gemäß einer zweiten Modifikation der zweiten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der zweiten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei dem in 4 gezeigten Fluidsensor 10 ist die Öffnung 44 an der Vorderseite 46 der Kappe 38 ausgebildet, durchdringt diese nicht jedoch vollständig, d. h. die Öffnung 44 erstreckt sich nicht bis zu einer Rückseite 52 der Kappe 38, sondern ist ähnlich einem Sackloch ausgebildet.
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5 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Fluidsensors 10 gemäß einer dritten Modifikation der zweiten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der zweiten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei dem in 5 gezeigten Fluidsensor 10 ist die Öffnung 44 in einer Oberseite 54 der Kappe 38 ausgebildet. Beispielsweise ist die Öffnung 44 als ein zylindrischer Kanal ausgebildet.
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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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- DE 19601791 A1 [0003]
- DE 102006010901 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Detector for Automotive Applications“, Sensors, 2002. Proceedings of IEEE [0004]
