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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen von Drücken von fluiden Medien, wie beispielsweise Gasen und Flüssigkeiten, bekannt. Die Messgröße Druck ist eine in Gasen und Flüssigkeiten auftretende, allseits wirkende, nicht gerichtete Kraftwirkung. Zur Messung der Drücke gibt es dynamisch und statisch wirkende Messwertaufnehmer bzw. Sensoren. Dynamisch wirkende Drucksensoren dienen nur zur Messung von Druckschwingungen in gasförmigen oder flüssigen Medien. Die Druckmessung kann beispielsweise direkt, über Membranverformung oder durch einen Kraftsensor erfolgen. Insbesondere zur Messung sehr hoher Drücke wäre es grundsätzlich möglich, einen elektrischen Widerstand dem Medium auszusetzen, denn viele bekannte elektrische Widerstände zeigen eine Druckabhängigkeit. Dabei gestalten sich jedoch die Unterdrückung der gleichzeitigen Abhängigkeit der Widerstände von der Temperatur und die druckdichte Durchführung der elektrischen Anschlüsse aus dem Druckmedium heraus als schwierig.
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Eine weit verbreitete Methode der Druckerfassung verwendet daher zur Signalgewinnung zunächst eine dünne Membran als mechanische Zwischenstufe, die einseitig dem Druck ausgesetzt ist und sich unter dessen Einfluss durchbiegt. Sie kann in weiten Grenzen nach Dicke und Durchmesser dem jeweiligen Druckbereich angepasst werden. Niedrige Druckmessbereiche führen zu vergleichsweise großen Membranen mit Durchbiegungen, die im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm liegen können. Hohe Drücke erfordern jedoch dickere Membranen geringen Durchmessers, die sich meist nur wenige Mikrometer durchbiegen. Derartige Drucksensoren sind beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 80–82 und Seiten 134–136 beschrieben.
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Um die Drucksensoren in oder an dem Messraum anzubringen, weisen diese üblicherweise einen Druckanschluss auf. Der Druckanschluss kann beispielsweise als Gewindestutzen ausgeführt sein und in eine Wand eines Messraums eingeschraubt werden. Der eigentliche Messwertaufnehmer bzw. das eigentliche Sensorelement ist entweder direkt oder indirekt über einen Zwischenträger an einem Sockel angeordnet. Der Sockel ist entweder integral bzw. einstückig mit dem Druckanschluss ausgebildet, wie beispielsweise in der
DE 01 2009 054 689 A1 beschrieben ist, oder der Sockel und der Druckanschluss sind separate Bauteile, die mittels einer Schweißung dauerhaft miteinander verbunden werden, wie beispielsweise in der
DE 10 2011 088 044 A1 beschrieben ist.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So ist beispielsweise die einstückige Ausbildung von Gehäusesockel und Druckanschluss relativ aufwändig herzustellen. Außerdem lassen sich die Bauteil nicht mit der erforderlichen Genauigkeit herstellen und besitzen weniger Gestaltungsmöglichkeiten der Sensorzelle, was eine größere Streuung im Sensorsignal zur folge hat. Bei der zweiteiligen Ausbildung muss hingegen in der Regel darauf geachtet werden, dass die verwendeten Materialien miteinander verschweißbar sind. Außerdem muss auf eine sehr exakte Schweißverbindung geachtet werden, da ansonsten die Stabilität der Verbindung abnimmt und diese bei entsprechender Drehmomentübertragung beim Einschrauben in die Wand des Messraums brechen kann. Zudem ist die zeiteilige ausbildung nicht für Höchstdruckanwendungen bei drücken von mehrs als 2700 bar geeignet. So bilden die Schweißverbindung an sich bzw. potentielle Poren in der Schweißnaht durch ihre Kerbwirkung und die damit verbundene Belastung eine Einsatzgrenze dieses Konzeptes.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Drucksensor und ein Verfahren zum Herstellen desselben vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Drucksensoren zumindest weitgehend vermeiden und die insbesondere Sensoren mit hoher Signalgenauigkeit auch für Höchstdruckanwendungen ermöglicht. Die Erfindung ist grundsätzlich zum Erfassen eines Drucks an jedem Einsatzort geeignet, insbesondere im Bereich der in einem Kraftfahrzeug zu messenden Drücke, insbesondere der Hoch- und Höchstdrücke, wie sie beispielsweise in einem Common Rail vorherrschen.
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Der vorgeschlagene Drucksensor dient der Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums in einem Messraum. Der Druck kann grundsätzlich als Absolutdruck und/oder auch als Differenzdruck erfasst werden. Daneben können bei entsprechender Integration jeweiliger Bauteile ein oder mehrere weitere physikalische und/oder chemische Eigenschaften des fluiden Mediums bestimmt werden, einschließlich beispielsweise einer Temperatur, eines weiteren Drucks, einer Strömungseigenschaft oder einer oder mehrerer anderer Eigenschaften.
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Bei dem Messraum kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen Raum handeln, in welchem das fluide Medium, also ein Gas und/oder eine Flüssigkeit, ruhend oder strömend, aufgenommen ist. Insbesondere kann es sich bei dem Messraum um einen Teil eines Kraftstoffsystems handeln. Der Drucksensor kann somit insbesondere zur Erfassung eines Kraftstoffdrucks eingesetzt werden oder ausgestaltet sein.
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Der Drucksensor weist einen Druckanschluss auf, mittels dessen der Drucksensor an oder in dem Messraum anbringbar ist. In dem Druckanschluss ist ein Zufuhrkanal ausgebildet. Der Druckanschluss kann beispielsweise als Druckstutzen ausgebildet sein. Unter einem Druckstutzen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Ansatz oder Rohrstück mit mindestens einer Bohrung zu verstehen, durch welche das fluide Medium zu dem Sensorelement geleitet werden kann, beispielsweise eine zylindrische Bohrung in einem zylindrischen Stutzen. Der Druckstutzen kann als druckbeständiger Stutzen ausgebildet sein, um beispielsweise durch die in einer Kraftstoffleitung auftretenden Hochdrücke nicht beschädigt zu werden.
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Der Druckanschluss kann insbesondere mittels eines oder mehrerer Verbindungselemente in der Wand des Messraums fixierbar sein, beispielsweise mittels mindestens eines Außengewindes, das in ein Innengewinde der Wand des Messraums greift. Auch andere Fixierungen sind jedoch grundsätzlich alternativ oder zusätzlich möglich. Die Fixierung kann insbesondere druckdicht und/oder mediendicht erfolgen.
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Der Drucksensor weist weiterhin ein Sensorelement zur Erfassung des Drucks des fluiden Mediums auf. Das Sensorelement ist auf einer Membran angeordnet. Unter einer Membran ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine dünne Schicht eines Materials zu verstehen. Membranen haben die Eigenschaft, sich unter einer Belastung zu verformen, insbesondere zu verbiegen, nur Zugkräfte aufzunehmen und an ihre Ränder weitergeben zu können. Eine solche Membran weist eine Dicke von 100 μm bis 300 μm auf, beispielsweise 200 μm.
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Der Zufuhrkanal ist von der Membran verschlossen und zum Zuführen des fluiden Mediums zu dem Sensorelement ausgebildet ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Druckanschluss und die Membran einstückig ausgebildet sind und das Sensorelement auf die Membran gedruckt ist. Bei der Erfindung wird somit ein einteiliger Druckstutzen mit integrierter Membran verwendet. Vorteil dieses Konzeptes ist, dass die Membran ohne schwächende Schweißnaht auf dem Druckstutzen sitzt und so Höchstdruckbereiche abgedeckt werden können. Das Drucken des Sensorelements auf die Membran erlaubt ein sehr genaues Ausbilden des Sensorelements selbst mit kleinen Formgestaltungen. Das Sensorelement kann beispielsweise mittels Dünnschichtverfahren, wie beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung, direkt auf dem Druckanschluss abgeschieden werden. Die Abscheidung erfolgt ohne Maskierung, da die sensitive Fläche im Anschluss strukturiert werden kann. Alternativ zu Dünnschichtverfahren können die einzelnen Schichten mittels Siebdruck aufgebracht werden. Siebdruck hat den Vorteil, dass es ein kostengünstiges Verfahren ist, welches auch für Kleinserien eingesetzt werden kann. Im Anschluß an den Siebdruck ist meist ein thermischer Prozess für die Vernetzung oder ein Umschmelzen notwendig. Die Erfindung erlaubt die Verwendung von unterschiedlichen für die ausbildung des Sensorelements Bevorzugt sind der Druckanschluss und die Membran monolithisch ausgebildet, d.h. aus einem Stück bestehend, zusammenhängend und fugenlos.
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Das Sensorelement kann insbesondere als strukturierte Schicht ausgebildet sein. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt. Entsprechend kann das Sensorelement dünn ausgebildet werden und die einzelnen sensitiven Elemente werden als Strukturen in der Schciht ausgebildet.
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Die Schicht kann aus Metall hergestellt sein. Ein solches Material lässt sich gut strukturieren.
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Zwischen dem Sensorelement und der Membran kann eine Schicht mit elektrisch isolierenden Eigenschaften, insbesondere ein Dielektrikum, angeordnet sein. Dadurch ist das Sensorelement gegenüber dem Druckanschluss, der üblicherweise aus Metall hergestellt ist, elektrisch isolieren, um so signalverfälschungen zu vermeiden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums in einem Messraum, umfasst:
- – Bereitstellen eines Druckanschlusses, mittels dessen der Drucksensor an oder in dem Messraum anbringbar ist, wobei in dem Druckanschluss ein Zufuhrkanal ausgebildet ist,
- – Verschließen des Zufuhrkanals mit einer Membran,
- – Anordnen eines Sensorelement zur Erfassung des Drucks des fluiden Mediums auf der Membran, wobei der Zufuhrkanal zum Zuführen des fluiden Mediums zu dem Sensorelement ausgebildet wird. Der Druckanschluss und die Membran einstückig ausgebildet werden. Das Sensorelement wird auf die Membran gedruckt.
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Das Sensorelement kann als Schicht auf die Membran gedruckt und strukturiert werden. Beispielsweise wird die Schicht mittels eines Dünnschichtverfahrens oder Siebdrucks auf die Membran gedruckt.
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Die Schicht kann aus Metall hergestellt werden, da sich solche Materialien gut strukturieren lassen.
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Die Schicht kann mittels eines Lasers, insbesondere eines Ultrakurzpulslasers strukturiert werden. Unter einem Ultrakurzpulslaser ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Laserstrahlquelle zu verstehen, die gepulstes Laserlicht mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden und Femtosekunden aussendet. Sind die einzelnen Schichten auf dem Druckstutzen appliziert, erfolgt somit die Strukturierung mittels Laserabtrags. Als Strahlquelle wird bevorzugt ein Ultrakurzpulslaser verwendet. Ein Ultrakurzpulslaser hat den Vorteil, dass sehr feine Strukturen, wie beispielsweise Meander, auf dem Sensorelement dargestellt werden können.
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Zwischen dem Sensorelement und der Membran eine Schicht mit elektrisch isolierenden Eigenschaften, insbesondere ein Dielektrikum, angeordnet werden, wodurch das Sensorelement von dem Druckanschluss elektrisch isoliert ist.
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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 Drucksensors, und
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2 bis 9 Querschnitts bzw. Draufsichten verschiedener Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Drucksensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksensors 10 Der Drucksensor 10 kann beispielsweise zum Erfassen eines Drucks von Kraftstoff in einer Kraftstoffleitung eines Verbrennungsmotors ausgebildet sein. Der Drucksensor 10 umfasst einen Druckanschluss 12. Der Druckanschluss 12 ist als Druckstutzen ausgebildet und weist ein Außengewinde 14 auf. Das Außengewinde 14 dient dazu, den Druckanschluss für 12 an oder in einer Wand des Messraums zu befestigen, wobei das Außengewinde 14 in ein passend geformtes Innengewinde der Wand des Messraums greift. Der Druckanschluss 12 ist aus Metall hergestellt.
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Der Druckanschluss 12 weist an einem Ende eine Öffnung 16 für das zu messende Druck beaufschlagt Medium auf, dass sich in einem nicht gezeigten Messraum, wie beispielsweise einer Kraftstoffleitung, befindet. In dem Druckanschluss 12 ist ein Zufuhrkanal 18 ausgebildet. Der Zufuhrkanal 18 schließt sich an die Öffnung 14 an. Der Zufuhrkanal 18 ist von einer Membran 20 verschlossen. Die Membran 20 befindet sich an einem der Öffnung 16 gegenüberliegenden Ende des Druckanschlusses 12. Der Druckanschluss 12 ist weiterhin mit einem Gehäusesockel 22 in Form eines Sechskants verbunden. Auf dem Gehäusesockel 22 kann ein nicht näher gezeigtes Sensorgehäuse angeordnet werden.
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Der Druckanschluss 12 und die Membran 20 sind einstückig und bevorzugt monolithisch ausgebildet. Auf der Membran 20 ist ein Sensorelement 24 zur Erfassung des Drucks des fluide Mediums angeordnet. Genauer ist das Sensorelement 24 auf die Membran 20 gedruckt. Der Zufuhrkanal 18 ist dabei zum Zuführen des fluiden Mediums zu dem Sensorelement 24 ausgebildet. Das Sensorelement 24 ist als strukturierte Schicht 26 ausgebildet. Die Schicht 26 ist aus Metall hergestellt. Optional kann zwischen der Schicht 26 und der Membran 20 eine Schicht 28 mit elektrisch isolierenden Eigenschaften angeordnet sein. Beispielsweise ist zwischen der Schicht 26 und der Membran 20 ein Dieelektrikum angeordnet.
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Nachstehend wird ein Verfahren zum Herstellen des Drucksensors 10 unter Bezugnahme auf die 2 bis 9 beschrieben. Die 2–9 zeigen dabei Querschnittsansichten bzw. Draufsichten verschiedener Schritte des Verfahrens zur Herstellung des Drucksensors 10.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht zu Beginn des Verfahrens. Der Druckanschluss 12 wird bereitgestellt. In dem Druckanschluss 12 ist der zufuhrkanal 18 ausgebildet. Der Zufuhrkanal 18 kann beispielsweise als Bohrung ausgebildet sein, die sich von einem Ende des Druckanschlusses 12 in diesen hinein erstreckt, ohne diesen vollständig zu durchdringen. Somit ist wird der Druckanschluss 12 mit der Öffnung 16 und den daran anschließenden Zufuhrkanal 18 ausgebildet. Dadurch, dass der Zufurhkanal 18 in der Art eines Sacklochs ausgebildet wird, wird der Zufurhkanal 18 von der Membran 20 verschlossen. Dadurch wird auch die Membran 20 und Druckanschluss 14 einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht eines nachfolgenden Verfahrensschritts. Auf die Membran 20 wird die optionale Schicht 28 aus einem elektrisch isolierenden Material gedruckt, beispielsweise mittels eines Dünnschichtverfahrens oder mittels Siebdrucks. Die optionale Schicht 28 kann eine Schichtdicke von 10 μm bis 100 μm aufweisen, beispielsweise 25 μm, und ist abhängig von dem jeweiligen Aufbringungsverfahren.
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4 zeigt eine Draufsicht zur 3. Wie zu erkennen ist, kann die Schicht 28 kreisförmig auf die Membran 20 gedruckt werden, da der Druckanschluss 12 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
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5 zeigt eine Querschnitt eines nachfolgenden Verfahrensschritts. Auf die Schicht 28 wird die Schicht 26 gedruckt, beispielsweise mittels eines Dünnschichtverfahrens oder mittels Siebdrucks. Die Schicht 26 ist dabei aus Metall hergestellt. Die Schicht 26 kann eine Schichtdicke von 10 μm bis 100 μm aufweisen, beispielsweise 50 μm, und ist abhängig von dem jeweiligen Aufbringungsverfahren.
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6 zeigt eine Draufsicht zur 5. Wie aus 6 zu erkennen ist, kann die Schicht 26 ebenfalls kreisförmig ausgebildet werden, wobei ein Außendurchmesser der Schicht 26 identisch mit einem Außendurchmesser der Schicht 28 sein kann.
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7 zeigt eine Querschnittsansicht eines nachfolgenden Verfahrensschritts. Die Schicht 26 wird mittels eines Lasers 30 strukturiert. Bevorzugt ist der Laser 30 ein Ultrakurzpulslaser.
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8 zeigt eine Draufsicht zur 7. Durch die Strukturierung mittels des Lasers 30 werden einzelne sensitive Bereiche 32 und Kontaktpads 34 auf bzw. in der Schicht 26 ausgebildet. 8 zeigt dabei die Schicht 26 zu Beginn des Materialabtrags mittels Lasers 30.
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9 zeigt eine weitere Draufsicht zum Ende des Verfahrens. Nach dem Materialabtrag mittels Lasers 30 von der Schicht 26 sind die jeweiligen sensitiven Bereiche 32 und Kontakpads 34 des Sensorelements 16 fertiggestellt. Mit anderen Worten bleiben von der Schicht 26 die Bereiche 32, die die drucksensitiven Elemente darstellen, und die Kontakpads 34 übrig. Beispielsweise sind die Bereiche 32 Widerstände, die mittels der Kontaktpads 34 elektrisch kontaktiert sind.
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Das Sensorelement 24 befindet sich daher in dem Inneren des Sensorgehäuses und ist somit vor äußeren Einflüssen und insbesondere dem fluiden Medium geschützt. Das Sensorelement 24 ist insbesondere so in oder an dem Sensorgehäuse 24 angeordnet, dass es zum Messen des Drucks des Mediums dem Medium indirekt aussetzbar ist. Das Sensorelement 24 weist beispielsweise auf der dem Medium abgewandten Seite der Membran 20 die Bereiche 32 in Form von Widerständen in Dünnschichttechnik auf. Diese können zu einer Wheatstone’schen Brücke geschaltet sein, deren Widerstand sich aufgrund des von de runterseite der Membran 20 angelegten Drucks und der sich daraus ergebenden Verformung der Membran 20 ändert. Die Aufbereitung und Signalverstärkung des Drucksignals erfolgt mittels einer nicht näher gezeigten Auswerteschaltung auf einer Leiterplatte, die in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (engl. application-specific integrated circuit, ASIC), auch Custom-Chip genannt, oder durch ein Hybrid realisiert sein kann. Eine ASIC ist eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schaltkreis realisiert wurde. Die Funktion eines ASICs ist damit nicht mehr manipulierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 012009054689 A1 [0003]
- DE 102011088044 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 80–82 und Seiten 134–136 [0002]
