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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drucksensorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Derartige Drucksensorvorrichtungen, üblicherweise unter Nutzung eines piezoresistiven Messprinzips ausgestaltet, finden Anwendung in einer großen Breite von Applikationen bei unterschiedlichsten Arbeitsmedien; neben einem gasförmigen Arbeitsmedium eignet sich dabei eine als gattungsgemäß und bekannt vorausgesetzte Drucksensortechnologie insbesondere auch für flüssige Medien oder andere Formen eines Druckeintrags auf das Druckmesselement.
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In ansonsten bekannter Weise weist dabei üblicherweise ein Druckmesselement eine Membran oder eine vergleichbare, zur Deformation einer Reaktion auf einen Druckeintrag ausgestaltete Einheit auf, welcher geeignete Mittel zur elektrischen bzw. elektrisch auswertbaren Signalgabe zugeordnet sind, so dass im gattungsgemäßen Sinne das Druckmesselement als mechanisch-elektrischer Wandler zur Druckmessung vorliegt.
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Um zum Zweck der Realisierung einer Drucksensorvorrichtung definierte Druckraumbedingungen sowie Zuführungsbedingungen für das Arbeitsmedium zu schaffen, ist wiederum in als allgemein bekannt vorauszusetzender Weise das Druckmesselement auf einem Trägersubstrat vorgesehen, welches einen Einlass oder Durchbruch für das Arbeitsmedium aufweist, so dass dann zwischen dem (typischerweise plan ausgestalteten) Substratträger und dem darauf befestigten Druckmesselement ein Druckraum gebildet ist, in welchen das Arbeitsmedium durch den Einlass bzw. Durchbruch eintreten kann.
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Dieses prinzipielle Realisierungsprinzip existiert in zahlreichen Varianten und Ausgestaltungen, abhängig von dem jeweils zu messenden Arbeitsmedium, konkreten absoluten (bzw. relativen) Druckverhältnissen, Geometriebedingungen an einem Einbauort oder dgl. Gleichwohl ist es all diesen Varianten gemeinsam, den Substratträger (im weiteren auch: Schaltungsträger), mit dem Ziel maximaler Spannungsfreiheit und bestmöglicher Langzeitstabilität, steif auszugestalten und dabei zusätzlich die Wärmeausdehnungseigenschaften des Substrats, insbesondere relativ zum darauf vorgesehenen Druckmesselement, zu kontrollieren: So besteht nämlich im Interesse einer störungsfreien und reproduzierbaren Messqualität der Druckmessung das Bedürfnis, das Druckmesselement möglichst unbeeinflusst von (etwa thermisch oder mechanisch bedingten) Einflüssen zu halten, welche etwa über den Substratträger wirken können; dieser Substratträger, welcher dann seinerseits geeignet zur Festlegung der Baugruppen an oder in einem Gehäuse dient, ist dadurch zwangsläufig Umgebungsbelastungen ausgesetzt, welche etwa augrund absoluter oder schwankender Temperaturen genauso unerwünschte und potenziell ein Druckmessergebnis verfälschende Spannungen auslösen können, wie etwa mechanische Belastungen auf einem umgebenden Gehäuse und dadurch auf dem Substratträger.
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Aufgrund dieser als bekannt vorauszusetzenden Randbedingungen ist es üblich, als steifes und damit im vorliegenden Kontext günstiges Material zur Realisierung des Substratträgers einen Keramikwerkstoff auszuwählen, auf welchem dann das Druckmesselement, ggf. unter Zwischenschaltung einer Zwischenschicht zur Temperaturanpassung bzw. zum Temperaturausgleich, durch Kleben festgelegt ist. Das mechanisch stabile, verbindungssteife und (auch relativ zum Druckmesselement) thermisch wenig problematische Verhalten eines Keramikwerkstoffs als Substratträger weist allerdings auch (materialbedingte) Nachteile auf: So besitzt gängiges und zur Ausbildung des (üblicherweise langgestreckt-flachen) Substratträgers gewähltes Keramikmaterial eine hohe Sprödigkeit, wodurch nicht nur das Schneiden bzw. Vereinzeln des Materials in einzelne Substratträgerbauelemente erschwert ist; diese Eigenschaften erfordern zudem praktisch eine rechtwinklige Außenkontur eines solchen Substratträgers, wogegen etwa gekrümmte oder gar teilkreisförmige Außenkonturen in industriellem Maßstab bei begrenztem Aufwand üblicherweise nicht herstellbar sind. Dies begrenzt die Flexibilität bei der geometrischen Gestaltung gattungsgemäßer Drucksensorvorrichtungen, nicht zuletzt als durch die beschriebene Sprödigkeit bzw. Materialhärte des Keramikmaterials ohnehin hohe Beschädigungsgefahr bei einer Materialtrennung bzw. einer Vereinzelung besteht.
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Als weiterer Nachteil des als gattungsgemäß bekannt vorauszusetzenden Einsatzes von Keramikmaterial zur Realisierung eines Substratträgers ist der Umstand, dass (elektrische) Leiterbahnen oder elektronische Bauelemente auf einer Keramikoberfläche nur mit erhöhtem Aufwand festgelegt werden können; hinzu kommt der Nachteil, dass etwa Durchkontaktierungen (also sich durch das Material hindurch erstreckende leitende Abschnitte etwa zwischen zwei Außenflächen) aufgrund der diskutierten Härte und Sprödigkeit des Materials erhöhten Aufwand verursachen. Komplexere Strukturen, wie sie etwa in der Art von Multilayer-Leiterbahnstrukturen im Zusammenhang mit traditionellen Leiterplatten und Leiterplattenmaterialien ermöglicht sind, scheiden bei einer Verwendung von Keramik als Substratträger im Regelfall ganz aus, da diese nicht wirtschaftlich herstellbar sind.
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Im Ergebnis führen diese Eigenschaften des üblicherweise zur Realisierung des Substratträgers eingesetzten Keramikmaterials zu einer wenig flexiblen Struktur einer Drucksensorvorrichtung, bei welcher ein im Regelfall rechteckig ausgestalteter Substratträger, ohne eigene Leitungs- und Bauelementeinfrastruktur, als Träger für das Druckmesselement dient, und ohne dass hier beliebige Variationen in Umfangskontur und anderer Ausgestaltung möglich sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Drucksensorvorrichtung im Hinblick auf ihre Herstellungseigenschaften und insbesondere auch eine Flexibilität beim geometrischen Design zu verbessern; dabei soll insbesondere der Substratträger, bei gleichermaßen günstigen mechanischen und thermischen Eigenschaften betreffend Unempfindlichkeit gegen Spannungen, flexibel konturierbar und mit Leiterbahn- und/oder Elektronik-Bauelementstrukturen versehbar sein, so dass auf integrierte Messanwendungen, etwa bei welchen ein Druckmesselement möglichst nah benachbart mit zugehöriger Verstärker- und/oder Auswerteelektronik zu verbinden ist, einfach, fertigungstechnisch günstig und großserientauglich herstellbar sein können.
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Die Aufgabe wird durch die Drucksensorvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Zusätzlich Schutz im Rahmen der Erfindung wird beansprucht für eine Verwendung einer solchen erfindungsgemäßen Drucksensorvorrichtung zu Luftdruckmessung in einem Kraftfahrzeug-Technologiegebiet, insbesondere einem Kraftfahrzeug-Bremssystem, wobei Luft als Arbeitsmedium hier typischerweise bis zu einer oberen Druckmessgrenze von ca. 40 bar, bevorzugt bis zu einer oberen Druckmessgrenze von 30 bar, zuverlässig, messgenau und reproduzierbar zu messen ist.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist der Substratträger als bevorzugt beidseitig planer, flacher Körper aus einem Leiterplattenmaterial, beispielhaft etwa FR4, und/oder einem faserverstärkten, insbesondere glasfaserverstärkten, Harzmaterial realisiert, so dass die vorliegende Erfindung zunächst eine grundsätzliche und prinzipielle Abkehr von einem üblicherweise bekannten keramischen Material als Substratträger beschreitet.
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Erfindungsgemäß ist auf diesem Leiterplatten-Substratträger das Druckmesselement durch eine Klebeverbindung im Bereich des Einlasses bzw. Durchbruchs druckdicht festgelegt, also so durch Kleben verbunden, dass bei den Druckverhältnissen bis zu einem Maximaldruck durch diese Klebeverbindung keine Öffnung bzw. Druckbeeinträchtigung des Druckraums entsteht. Dabei ist erfindungsgemäß die Klebeverbindung so ausgestaltet, dass diese eine auf den Substratträger außerhalb des Druckraums, damit also von außerhalb des Druckelementes selbst wirkende mechanische Biegespannung mechanisch vom Druckmesselement entkoppeln kann; dies bedeutet, dass etwa eine vorbestimmte Mindestelastizität der Klebeverbindung, realisiert in der Praxis etwa durch eine bevorzugte Verwendung eines Silikonklebers zur Realisierung der Klebeverbindung, dafür sorgt, dass in gewissen Einsatzsituationen unvermeidbare thermische und/oder mechanische Beanspruchungen, etwa als Biegespannung, die auf den Leiterplatten-Substratträger wirken, das eigentliche Druckmesselement nicht mechanisch beeinflussen. Eine weitere Entkopplung durch Kleberhöhe ist unter Einsatz sog. thixotroper Kleber möglich.
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Diese durch eine inhärente Flexibilität der Klebeverbindung besonders günstige und vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gleichwohl nicht zwingend erforderlich; das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Lösung ist auch verwirklichbar, wenn die Klebeverbindung als starre Klebeverbindung eine feste, unlösbare (und erfindungsgemäß druckdichte) Ankopplung des Druckmesselementes an bzw. auf dem Substratträger bewirkt und etwa durch geeignete Steifigkeitseigenschaften des Druckmesselementes selbst die beschriebenen, mechanisch oder thermisch induzierten Biegespannungen nicht auftreten oder vernachlässigbar bleiben.
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Im Ergebnis entsteht durch diese erfindungsgemäße Realisierung die Möglichkeit, preiswertes, leicht zu bearbeitendes (und damit auch in beliebige Umfangskonturen leicht formbares) Leiterplattenmaterial zur Herstellung erfindungsgemäßer Drucksensorvorrichtungen einzusetzen, welches zusätzlich vorteilhaft das unmittelbare Vorsehen von Leiterbahnen, einer unmittelbar bestückbaren Elektronik oder dgl. Komponenten mit geringem Realisierungsaufwand gestattet, dabei Ausschuss- und Beschädigungsgefahr minimiert, so dass gerade unter Gesichtspunkten einer konstruktiven Flexibilität und Anpassbarkeit gattungsgemäßer Drucksensorvorrichtungen an verschiedenste Mess- und Einsatzbedingungen völlig neue Möglichkeiten eröffnet sind. Dabei stellt die etwa gegenüber üblichen keramischen Substratmaterialien des Substratträgers das erfindungsgemäße Leiterplattenmaterial (bzw. das faserverstärkte Harzmaterial) lediglich einen scheinbaren Nachteil im Hinblick auf die Steifigkeit dar; nicht nur kann, durch elegante, mechanisch entkoppelnde vorteilhafte Wirkung der (flexiblen) Klebeverbindung hier ein Ausgleich erfolgen, auch lassen sich, beim Herstellen einer alternativen starren Klebeverbindung, mechanische Ausgleichseffekte innerhalb eines (entsprechend steif auszugestaltenden) Druckmesselementes selbst realisieren.
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Insoweit nimmt die Erfindung einen scheinbaren Nachteil durch Verwendung des Leiterplattenmaterials zur Realisierung des Substratträgers in Kauf, aufgrund der oben gewürdigten Vorteile überwiegt jedoch das erfindungsgemäße Nutzenpotenziel signifikant.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Substratträger an seiner dem Druckmesselement entgegengesetzten Flachseite auf oder in eine Trägereinheit aus einem polymeren bzw. Kunststoffmaterial festgelegt ist; hier würde dann die Kunststoff-Trägereinheit einen Druckanschluss oder dgl. Zuleitung für das Arbeitsmedium anbieten, welcher zum Einlass bzw. Durchbruch im Substratträger durchgreift, idealerweise mit diesem fluchtet. Zusätzlich weiterbildend ist diese (aufgrund des Kunststoffmaterials einfach durch Spritzgießen oder dgl. massentaugliche Herstellungsverfahren herstellbare) Trägereinheit so ausgestaltet, dass der Substratträger in diese Einheit eingebettet sein kann und/oder die Trägereinheit den Substratträger ganz oder abschnittsweise randseitig umschließt, so dass in der Art eines Modulgedankens eine kompakte, belastbare und insbesondere auch in schwierigen Anwendungsumgebungen gut gegen Umgebungseinflüsse schätzbare Gesamtanordnung geschaffen werden kann.
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Zusätzlich ergänzend ist dann diese (Kunststoff-)Trägereinheit zum Zusammenwirken mit einer das Druckmesselement und/oder die das Druckmesselement tragenden Flachseite des Substratträgers überspannenden Gehäuseschale ausgebildet; diese Gehäuseschale würde dann, zusammen mit der Trägereinheit, ein kostengünstig herstellbares, leicht dichtbares und belastbares Gesamtgehäuse ermöglichen, wobei zusätzlich etwa die Gehäuseschale zum Ausgestalten elektrischer Kontaktmittel, typischerweise in Form gängiger Stecker oder Buchsen mit geeignet einzubettenden elektrischen Kontakten, ausgestaltet oder ausgestaltbar ist.
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Dieser auch fertigungstechnisch günstige Modulgedanke gestattet dann vorteilhaft auch das Vorsehen nicht nur eines Druckelementes auf dem Substratträger (sowie dann in einem umschließenden Gehäuse), nicht zuletzt zur Realisierung von Kontroll- und/oder Differenzdrucklösungen lassen sich auch zwei oder mehr Druckmesselemente geeignet erfindungsgemäß auf einem gemeinsamen Substratträger in der vorbeschriebenen Weise festlegen.
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Die vorteilhaften (und ansonsten als bekannt vorauszusetzenden) Eigenschaften eines Leiterplattenmaterials im Hinblick auf das Bemustern bzw. Ausgestalten von Leiterplatten, insbesondere auch in Form eines Multi-Layers, das einfache Ausbilden seitlicher oder mittiger Durchkontaktierungen sowie die einfache, auch automatisierbare Vorsehbarkeit von Elektronikbauelementen gestattet dann in erfindungsgemäß vorteilhaft weiterbildender Art das Ausgestalten komplexer Schaltungsverbünde unmittelbar benachbart dem (mindestens einen) Druckmesselement, so dass insbesondere parasitäre Effekte wie Leitungswiderstände, unerwünschte Kapazitäten oder dgl. bauart-entfernungsbedingte Effekte wirksam vermieden werden können und die Tauglichkeit der vorliegenden Erfindung für spezielle Anwendungen wiederum verbessert ist.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht zudem vor, zumindest den im Substratträger ausgebildeten Einlass bzw. Durchbruch, bevorzugt diesen in Verbindung mit einem fluchtend in der weiterbildungsgemäß zugeordneten Trägereinheit ausgebildeten Durchbruch, mit einer Innenbeschichtung in der Art einer hülsenartigen Innenverkleidung auszugestalten, wobei diese Innenverkleidung, bei Realisierung mit einem elektrisch leitenden Metallmaterial, zusätzlich als Durchkontaktierung wirkt, wobei eine Wahl eines (bezogen auf das Arbeitsmedium) beständigen bzw. inerten Materials zusätzlich den Vorteil eines Schutzes des Durchbruchs bzw. Einlasses gegenüber dem Arbeitsmedium bringt; gerade im Hinblick auf das erfindungsgemäß eingesetzte Leiterplattenmaterial entsteht hier eine besondere Synergie in der weiterbildungsgemäßen Lösung.
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Im Ergebnis überwindet die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher, dabei konstruktiv eleganter und in für die Großserienfertigung besonders tauglicher Weise die Nachteile aus dem Stand der Technik und stellt eine Drucksensortechnologie bereit, welche die Grenzen des gängigen Ansatzes überschreitet und erfindungsgemäßen Sensoren potenziell neue Anwendungsgebiete erschließen kann, dabei kostengünstige Designs ermöglicht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine schematische Querschnittsansicht durch die Drucksensorvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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2 eine schematische Perspektivansicht zum Verdeutlichen des Einbaukontext der z. B. in 1 gezeigten Anordnung mit einer umgebenden Gehäuseschaleninfrastruktur samt Kontakt.
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Die 1 zeigt in der schematischen Querschnittsansicht die Drucksensorvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Ein piezoresistives Druckmesselement bestehend aus einer Membran 10 als Deformations- bzw. Biegeelement sowie einer dieser Membran zugeordneten (verformungsabhängigen) Widerstandsschicht 12 ist mittels einer aus einem Silikonkleber 14 realisierten Klebstoffschicht auf der Flachseite einer plattenförmigen Membran (als Schaltungsträger) 16 festgelegt, welche im vorliegenden Beispiel aus FR4 als gängigem Leiterplattenmaterial realisiert ist. Diese Substratplatte 16 ist wiederum in eine Kunststoff-Trägerplatte 18 eingebettet und (an der Bodenseite der Substratplatte 16) mit dieser verklebt.
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Die Querschnittsansicht der 1 verdeutlicht zusätzlich einen Durchbruch 20, welcher, in der Figurenebene der 1 von unten sich durch das Kunststoff-Trägermaterial 18 erstreckend, gleichermaßen mit einem (mittigen) Durchbruch 22 in der Substratplatte 16 fluchtet und sich bis zum Messelement 10, 12 erstreckt, dergestalt, dass bodenseitig in die Anordnung der 1 durch (in der 1 nicht gezeigte) Anschlussmittel eintretendes Druckfluid (Druckmedium), im vorliegenden Fall Luft eines Kraftfahrzeug-Bremssystems, bis hin zur Membran 10 gelangt, dort geeignet deformierend wirkt und entsprechend der Deformation die Eigenschaften der Widerstandsschicht 12 beeinflusst, welche dann (über geeignete Zuleitungen, welche insbesondere auch auf der freien Oberfläche des Substratträgers 16 geführt sein können), nach extern geführt und dort dann geeignet durch ggf. unmittelbar vorhandene anschließbare Signalverarbeitungsinfrastruktur ausgewertet werden können. Die 1 verdeutlicht zusätzlich einen schematisch gezeigten Deckel 24, welcher, geeignet durch Verkleben auf der freien Oberfläche des Substratträgers 16 aufsitzend, die gezeigte Messanordnung überspannt und auf diese Weise einen Schutz anbietet. Schließlich verdeutlicht die Schnittansicht der 1, wie die (hohlzylindrisch ausgestaltete) Innenwand des Durchbruchs 20 durch das Trägersubstrat 16 mit einer Hülse 26 aus Gold ausgekleidet ist, wobei diese Hülse 26 einerseits dann eine metallische Durchkantaktierung der beiden Flachseiten des Substratmaterials 16 bewirkt, damit dann insbesondere auch einen möglichen Anschlusspol des Sensors anbieten bzw. auf die untere Seite leiten kann, zusätzlich das (inerte) Goldmaterial eine wirksame Abschirmung bzw. einen Schutz des in der Bohrung 22 ansonsten freiliegenden Leiterplattenmaterials der Baugruppe 16 vor unbeabsichtigt eintretendem Druckfluid bewirkt.
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Geometrisch würde bei typischer und exemplarischer Materialdicke der Substratplatte 16 von 1,6 mm (und ansonsten größenproportionaler Abbildung der Schnittansicht der 1) eine lichte Weite des Durchbruchs 20, 22 ca. 0,5 mm betragen; eine typische Materialschichtdicke des Silikonklebers 14 zum Ermöglichen einer in der erfindungsgemäßen Weise flexiblen, entkoppelnden Befestigung des Druckmesselementes 10, 12 gegenüber dem Substrat 16 beträgt ca. 50 bis 100 μm.
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Die gezeigte Anordnung ist auf diese Weise konfiguriert, typische Fluiddrücke eines pneumatischen Bremssystems von typischerweise maximal 30 bis 40 bar zu messen.
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Die 2 verdeutlicht in der teilweise aufgeschnittenen Perspektivansicht einen Einbaukontext einer Drucksensorvorrichtung, wie sie entsprechend 1 aufgebaut ist; die 2 lässt dabei erkennen, dass auf einem gemeinsamen Substratträger 16', etwa ausgestaltet wie im Ausführungsbeispiel der 1, allerdings zwei Druckmesselemente 15a, 15b, jedes realisiert analog der Kombination 10, 12 gemäß 1, durch entsprechende Klebeverbindungen 14 aufgebracht sind.
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Gegenüber der vereinfachten Schnittansicht der 1 ist die Kunststoff-Trägereinheit 18' in 2 mit einstückig angespritzten Druckanschlüssen 19a, 19b versehen, welche jeweils über Durchbrüche 20a, 20b die Verbindung zu den Durchbrüchen 22a, 22b im (gemeinsamen) Substrat 16' herstellen. Generell bezeichnen die Indizes „a” bzw. „b” die zur Darstellung der 1 äquivalenten Baugruppen, jeweils für eine des Paares der Druckvorrichtungen.
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Überspannt ist die Anordnung aus Trägersubstrat 16' und Kunststoff-Träger 18' von einer Gehäuseschalenbaugruppe 30, welche gleichermaßen als Kunststoff-Spritzgieß-Baugruppe ausgestaltet ist, in der gezeigten Weise die Anordnung 16', 18' umschließt bzw. einbettet, gegen diese dann mit einer Dichtung 32 gedichtet ist und zusätzlich einen elektrischen Kontaktabschnitt 34 ausbildet, welcher über elektrische Kontaktstifte 36 eine Durchkontaktierung auf die obere Oberfläche des Trägersubstrats 16' vornimmt, von wo aus dann über nicht im Detail gezeigte Leiterbahnen bzw. Verbindungen (etwa mittels Bonddrähten) die elektrische Ankopplung zu den jeweiligen Druckmesselementen 15a, 15b erfolgen kann. über seitliche Befestigungsflansche 38 ist das Gehäuse samt der innenliegenden weiteren Baugruppen 18', 16' geeignet an einem Einsatzort befestig- bzw. festlegbar. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Luftdruck-Sensorvorrichtung zur Messung des Luftdrucks in einem LKW-Bremssystem, wobei dann in der beschriebenen Weise über die Druckanschlüsse 19a, 19b Luft als Arbeitsmedium herangeführt und gemessen werden kann, während über die elektrischen Kontakte 36 des Steckeransatzes 34 dann eine elektrische Auswertung des von den Sensoren 15a, 15b erzeugten Signals erfolgen kann.
