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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Sensoren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums bekannt. Bei dem fluiden Medium kann es sich insbesondere um ein Gas handeln, beispielsweise Luft, und die Sensoren können insbesondere in einem Ansaug- und/oder Abgastrakt einer Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch möglich.
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So ist beispielsweise aus
DE 10 2013 224 831 A1 eine Sensoranordnung zur Bestimmung mindestens einer Strömungseigenschaft eines strömenden fluiden Mediums bekannt. Die Sensoranordnung weist mindestens einen Sensor zur Bestimmung der Strömungseigenschaft auf. Der Sensor weist mindestens ein Hitzdraht-Messelement auf, wobei das Hitzdraht-Messelement mindestens ein Trägerelement aufweist. Die Sensoranordnung ist derart ausgestaltet, dass das Trägerelement in das fluide Medium hineinragt. Das Trägerelement weist mindestens eine Aussparung auf. Die Aussparung wird von mindestens einem Hitzdraht überspannt.
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Ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden beschrieben unter Bezugnahme auf so genannte Heißfilmluftmassenmesser, wie sie beispielsweise aus Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Konrad Reif (Hrsg.), 2. Auflage Seiten 146-148 beschrieben werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich.
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Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird in der Regel ein Sensorchip in einen Sensorträger eingeklebt, wobei der Sensorträger zusammen mit einem Bodenblech einer Ansteuer- und Auswerteschaltung eine Einheit bildet. Zusätzlich wird noch die Ansteuer- und Auswerteschaltung auf das Bodenblech aufgeklebt. Auf der Leiterplatte befindet sich in der Regel ein Auswerte-IC (ASIC), in welchem eine Messwerterfassung, Aufbereitung und Ausgabe der Messgrößen erfolgen kann.
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Eine technische Herausforderung bei bekannten Sensoren der genannten Art besteht jedoch grundsätzlich darin, dass als Randbedingung üblicherweise, zusätzlich zu dem eigentlichen Messwert des Sensorelements, eine Temperatur erfasst werden muss, da insbesondere Strömungseigenschaften temperaturabhängig sein können. Hierzu können beispielsweise so genannte NTC-Temperatursensoren, also Temperatursensoren auf Halbleiterbasis mit negativem Temperaturkoeffizienten, verwendet werden. Eine technische Herausforderung besteht jedoch dabei insbesondere darin, den Temperatursensor an die Ansteuer- und Auswerteschaltung elektrisch anzukoppeln, ohne hierbei eine thermische Kopplung zwischen dem Temperatursensor und der Ansteuer- und Auswerteschaltung herbeizuführen, welche aufgrund einer Abwärme der Ansteuer-und Auswerteschaltung die Temperaturmessung durch den Temperatursensor verfälscht.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird dementsprechend ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums vorgeschlagen. Bei der Eigenschaft kann es sich grundsätzlich um eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft handeln. Insbesondere kann es sich bei der Eigenschaft um eine Strömungseigenschaft handeln, beispielsweise einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom des fluiden Mediums.
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Der Sensor umfasst mindestens ein Sensorelement sowie mindestens einen Schaltungsträger mit mindestens einer Ansteuer- und Auswerteschaltung. Unter einem Sensorelement ist dabei allgemein ein Element, insbesondere ein monolithisches Element, zu verstehen, welches mindestens eine Messgröße erfassen kann. Insbesondere kann das Sensorelement mindestens einen Sensorchip umfassen. Unter einem Schaltungsträger ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu verstehen, welche mindestens eine elektrische Schaltung tragen kann. Insbesondere kann der Schaltungsträger plattenförmig ausgestaltet sein, vorzugsweise als Leiterplatte. Dementsprechend kann der Schaltungsträger beispielsweise als ebene Leiterplatte ausgestaltet sein, beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff und/oder aus einem keramischen Material. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Unter einer Ansteuer- und Auswerteschaltung ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektronische Schaltung zu verstehen, welche mindestens ein elektrisches oder elektronisches Bauelement aufweist und welche eingerichtet ist, mindestens eine Sensorfunktion des Sensorelements zu steuern und/oder mindestens ein Messsignal des Sensorelements zu empfangen und vollständig und/oder teilweise auszuwerten oder aufzubereiten. Insbesondere kann die Ansteuer- und Auswerteschaltung mindestens einen integrierten Schaltkreis (IC) aufweisen, vorzugsweise mindestens einen applikationsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC).
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Der Schaltungsträger weist mindestens einen Vorsprung auf, wobei auf den Vorsprung mindestens ein Temperatursensor aufgebracht ist. Der Temperatursensor kann insbesondere mindestens einen temperatursensitiven Widerstand umfassen, vorzugsweise einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC). Unter einem Vorsprung ist dabei allgemein ein Bereich des Schaltungsträgers zu verstehen, welcher aus einer ansonsten ebenen Fläche des Schaltungsträgers oder aus einer ansonsten gerade verlaufenden Kante des Schaltungsträgers hervorsteht. Insbesondere kann der Vorsprung sich in einer Ebene des Schaltungsträgers erstrecken. Beispielsweise kann der Schaltungsträger im Wesentlichen eben ausgestaltet sein, wobei der Vorsprung sich in der Ebene des Schaltungsträgers erstreckt. Der Vorsprung kann beispielsweise um 2 mm bis 20 mm, insbesondere um 2 mm bis 10 mm, aus dem Schaltungsträger herausragen.
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Der Sensor kann insbesondere ein Sensorgehäuse aufweisen. Unter einem Sensorgehäuse ist dabei allgemein ein Element oder eine Vorrichtung zu verstehen, welche den Sensor nach außen im Wesentlichen abschließt und/oder dem Sensor mechanische Stabilität verleiht. Das Sensorgehäuse kann insbesondere ganz oder teilweise aus Kunststoff und/oder aus einem metallischen Material hergestellt sein.
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Das Sensorgehäuse kann insbesondere mindestens einen Strömungskanal aufweisen. Unter einem Strömungskanal ist dabei allgemein ein innerhalb des Gehäuses ausgebildeter Kanal oder Kanalabschnitt zu verstehen, welcher von dem fluiden Medium durchströmt werden kann. Beispielsweise kann das Gehäuse mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass aufweisen, wobei der Einlass und der Auslass durch den Strömungskanal verbunden sind. Insbesondere kann der Sensor als Steckfühler ausgebildet sein, welcher in ein fluides Medium, beispielsweise in ein Strömungsrohr des fluiden Mediums, einsteckbar ist. In dieser Konstellation kann dann das fluide Medium aus dem Strömungsrohr in den Strömungskanal eindringen und diesen durchströmen. Der Sensor kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass das Sensorelement auf einen in den Strömungskanal hineinragenden Sensorträger aufgebracht ist. Der Schaltungsträger kann insbesondere außerhalb des Strömungskanals in einem Elektronikraum des Gehäuses angeordnet sein. Beispielsweise kann der Schaltungsträger, wie oben ausgeführt, auf eine Basis, beispielsweise ein Bodenblech, aufgebracht sein, welches in dem Elektronikraum angeordnet ist. Der Schaltungsträger kann beispielsweise fest mit der Basis verbunden sein. Weiterhin kann das Sensorelement auf dem Sensorträger beispielsweise über Drahtbonding oder auch andere elektrische Verbindungstechniken mit dem Schaltungsträger verbunden sein.
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Der Temperatursensor kann insbesondere als SMD-Bauelement ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Temperatursensor als Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) ausgebildet sein, beispielsweise als NTC in SMD-Bauform.
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Das Sensorelement kann insbesondere mindestens einen Sensorchip umfassen und/oder kann ganz oder teilweise als Sensorchip ausgestaltet sein. Insbesondere kann das Sensorelement mindestens eine Messoberfläche mit mindestens einem auf der Messoberfläche angeordneten Heizelement und mindestens zwei auf der Messoberfläche angeordneten Temperaturfühlern aufweisen. Dementsprechend kann der Sensorchip insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser-Sensorchip sein, bei welchem eine durch den Luftmassenstrom erzeugte Asymmetrie in einem mittels des Heizelements erzeugten Temperaturprofil mittels der beiden Temperaturfühler erfasst wird. Wie oben ausgeführt, kann der Sensor insbesondere als Steckfühler ausgebildet sein. Insbesondere kann der Sensor als Heißfilmluftmassenmesser ausgebildet sein. Der Temperatursensor kann insbesondere mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung elektrisch verbunden sein. Die Ansteuer- und Auswerteschaltung kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens ein Temperatursignal des Temperatursensors bei einer Auswertung mindestens eines Signals des Sensorelements berücksichtigen. So kann beispielsweise die Ansteuer- und Auswerteschaltung eingerichtet sein, um mindestens eine Temperaturkorrektur in mindestens einem Signal des Sensorelements vorzunehmen.
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Der Schaltungsträger kann insbesondere als Leiterplatte ausgestaltet sein. Der Vorsprung kann insbesondere als Leiterplattensteg ausgebildet sein, welcher aus dem Schaltungsträger herausragt. Die Leiterplatte kann insbesondere im Wesentlichen rechteckig ausgestaltet sein, wobei der Vorsprung an einer Ecke der Leiterplatte aus der Leiterplatte herausragt.
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Mittels des Vorsprungs in dem Schaltungsträger, auf welchen der Temperatursensor aufgebracht ist, kann der Temperatursensor, wie nachfolgend noch näher beschrieben wird, thermisch vollständig oder teilweise von der mindestens einen Ansteuer- und Auswertungsschaltung entkoppelt werden. Zusätzlich können weitere Maßnahmen zur Temperierung und/oder zur thermischen Entkopplung vorgesehen sein. So kann der Schaltungsträger insbesondere weiterhin mindestens ein Kühlelement aufweisen. Insbesondere kann das Kühlelement im Bereich des Temperatursensors angeordnet sein, beispielsweise in einem Abstand von nicht mehr als 20 mm, vorzugsweise von nicht mehr als 10 mm, zu dem Temperatursensor. Beispielsweise kann das Kühlelement mindestens eine Kühlrippe aufweisen.
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Wie oben ausgeführt, kann die Ansteuer- und Auswerteschaltung insbesondere mindestens einen integrierten Schaltkreis aufweisen, insbesondere mindestens einen ASIC. Zur weiteren Entkopplung zwischen dem integrierten Schaltkreis, welche in der Regel Abwärme generiert, und dem Temperatursensor können zwischen dem Temperatursensor und dem integrierten Schaltkreis weitere thermische Entkopplungsmaßnahmen vorgesehen sein. Insbesondere kann auf dem Schaltungsträger zwischen dem Temperatursensor und dem integrierten Schaltkreis mindestens eine Fräsung zur thermischen Entkopplung des Temperatursensors von dem integrierten Schaltkreis eingebracht sein. Beispielsweise können mindestens ein Schlitz und/oder mindestens eine Nut in eine Oberseite und/oder eine Unterseite der Leiterplatte eingefräst sein, so dass insbesondere mindestens ein Frässteg entstehen kann.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Sensor weist gegenüber bekannten Sensoren der genannten Art eine Vielzahl an Vorteilen auf. Insbesondere lässt sich durch die genannten Maßnahmen eine gute thermische Entkopplung zwischen dem Temperatursensor und möglichen Wärmequellen in der Ansteuer- und Auswerteschaltung erzeugen. Dadurch lässt sich allgemein eine möglichst exakte Temperaturmessung und eine kurze Ansprechzeit ermöglichen. Insbesondere lässt sich mittels der vorliegenden Erfindung ein auf einer Leiterplattenelektronik eines Heißfilmluftmassenmessers montierter Temperatursensor in Form eines in SMD-Bauweise dargestellten NTC gut von der übrigen Leiterplatte entkoppeln. Eigenerwärmungseinflüsse der Heißfilmluftmassenmesser-Elektronik lassen sich so minimieren.
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Insgesamt lassen sich somit durch die vorliegende Erfindung eine höhere Messgenauigkeit und eine kurze Ansprechzeit bei Temperatursprüngen erzielen. Durch den Einsatz eines NTC in SMD-Bauform auf der Leiterplatte eines Heißfilmluftmassenmessers kann ein Temperatursensor kostengünstig mit der Auswerteschaltung verbunden werden.
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Die Verwendung eines Temperatursensors, insbesondere eines NTC, in SMD-Bauform ist allgemein kostengünstiger als die Verwendung eines bedrahteten NTCs. Weiterhin lässt sich durch die Integration des Temperatursensors in die Ansteuer- und Auswerteschaltung das Sensorgehäuse kostengünstig gestalten, da kein separater Bauraum für den Temperatursensor in dem Sensorgehäuse vorgesehen werden muss und da keine separate Anbindung des Temperatursensors an die Ansteuer- und Auswerteschaltung, beispielsweise durch ein aufwändiges Schweißverfahren, erfolgen muss. Insbesondere kann ein Leiterkamm zur Anbindung des Temperatursensors an die Ansteuer- und Auswerteschaltung entfallen.
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Weiterhin lassen sich allgemein die Fertigungskosten reduzieren, da die Aufbringung des Temperatursensors auf den Schaltungsträger mittels herkömmlicher Verfahren und beispielsweise gleichzeitig mit anderen elektronischen Bauelementen erfolgen kann. So können beispielsweise eine Bestückung und ein Reflow-Lötverfahren eines SMD-NTC-Bauelements im Nutzen eingesetzt werden, anstelle einer aufwändigen Einzelfertigung.
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Bei herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern kann eine Eigenerwärmung der Leiterplatte je nach Variante beispielsweise bis zu 15K betragen. Durch die beschriebenen Maßnahmen zur thermischen Entkopplung können Erwärmungseffekte am Ort des Temperatursensors, beispielsweise des NTC, verringert werden und damit die Messgenauigkeit und Dynamik des Sensors erhöht werden.
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Der Temperatursensor, beispielsweise der NTC, kann dabei auf einfache Weise auf einem schmalen Leiterplattensteg montiert werden. Dieser Steg kann beispielsweise lediglich über eine geringe Fläche mit der übrigen Leiterplatte verbunden sein und dadurch thermisch von der übrigen Leiterplatte weitgehend entkoppelt sein. Neben der thermischen Entkopplung des Temperatursensors besteht die Möglichkeit, durch zusätzliche, beispielsweise eine oder mehrere Kühlrippen, im Bereich des Temperatursensors vorhandene oder entstehende Wärme abzuleiten.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und optionale Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in den Figuren dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 eine Explosionsdarstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums; und
- 2A und 2B zwei mögliche Ausführungsbeispiele von Schaltungsträgern für den Einsatz in einem erfindungsgemäßen Sensor, in perspektivischer Darstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums 110 dargestellt. In den nachfolgenden 2A und 2B sind Schaltungsträger 112 mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 114 gezeigt, welche beispielsweise in dem Sensor 110 nach 1 zum Einsatz kommen können. Im Folgenden werden diese Figuren gemeinsam beschrieben.
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Der Sensor 110 umfasst in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Sensorgehäuse 116 mit einem Strömungskanal 118. Durch eine Einströmöffnung 120, auch als Einlass bezeichnet, kann fluides Medium in den Strömungskanal 118 eindringen, diesen durchströmen und anschließend durch eine Ausströmöffnung 122, auch als Auslass bezeichnet, wieder verlassen. Der Sensor 110 kann insbesondere insgesamt als Steckfühler 124 ausgebildet sein und kann beispielsweise in ein Strömungsrohr, welches von dem fluiden Medium durchströmt wird, eingesteckt werden. Dabei weist beispielsweise die Einströmöffnung 120 dem Strom des fluiden Mediums entgegen. Der Strömungskanal 118 kann beispielsweise durch einen Strömungskanaldeckel 126 verschlossen werden.
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Weiterhin ist in dem Sensorgehäuse 116 ein Elektronikraum 128 ausgebildet, in welchem ein Schaltungsträger 112 mit einer darauf aufgebrachten Ansteuer- und Auswerteschaltung 114 aufgenommen ist. Der Schaltungsträger 112 ist beispielsweise als Leiterplatte 130 ausgebildet, welche auf eine Basis, beispielsweise ein Bodenblech 132, aufgeklebt ist. Mit dem Bodenblech 132 verbunden ist ein Sensorträger 134, beispielsweise aus Kunststoff, welcher, beispielsweise in Form eines Flügelchens, aus dem Elektronikraum 128 in den Strömungskanal 118 hineinragt. Auf dem Sensorträger 134 ist ein Sensorelement 136 aufgebracht, welches beispielsweise in Form eines Heißfilmluftmassenmesser-Sensorchips ausgestaltet sein kann. Dieses kann beispielsweise eine von dem fluiden Medium in dem Strömungskanal 118 überströmbare Messoberfläche aufweisen, mit mindestens einem Heizelement und mindestens zwei, beispielsweise symmetrisch zu dem Heizelement angeordneten, Temperaturfühlern. Das Sensorelement 136 kann beispielsweise über Drahtbonding mit der Leiterplatte 130 verbunden sein.
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Der Schaltungsträger 112 kann beispielsweise über einen Leiterkamm 138 mit einem Stecker 140 verbunden sein, über welchen eine elektrische Kontaktierung des Sensors 110 erfolgen kann. Im Betrieb kann der Elektronikraum 128 weiterhin durch einen Elektronikraumdeckel 142 verschlossen sein.
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In 2A ist in einer perspektivischen Darstellung eine erste mögliche Ausgestaltung des Schaltungsträgers 112 mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung 114 gezeigt. Dabei ist erkennbar, dass der Schaltungsträger 112, welcher in diesem Fall beispielsweise als im Wesentlichen rechteckige Leiterplatte 130 ausgebildet sein kann, beispielsweise mit einer Mehrzahl an Elektronikkomponenten 144 bestückt sein kann. Insbesondere kann mindestens ein integrierter Schaltkreis 146 vorgesehen sein, vorzugsweise mindestens ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC). Diese Elektronikkomponenten 144 und insbesondere der integrierte Schaltkreis 146 können eine Abwärme erzeugen.
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Der Sensor 110 weist weiterhin mindestens einen Temperatursensor 148 auf, welcher beispielsweise als SMD-NTC ausgebildet sein kann. Dieser ist jedoch nicht an beliebiger Stelle im Sensorgehäuse 116 integriert und auf komplexe und aufwändige Weise mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung 114 verbunden, sondern ist unmittelbar auf dem Schaltungsträger 112 aufgebracht. Um dennoch eine thermische Entkopplung zwischen dem Temperatursensor 148 und der übrigen Ansteuer- und Auswerteschaltung 114, mit welcher der Temperatursensor 148 elektrisch verbunden sein kann, zu gewährleisten, weist der Schaltungsträger 112 einen Vorsprung 150 auf. Dieser Vorsprung 150 kann beispielsweise an einer Kante 152 aus der Leiterplatte 130 hervorstehen. Der Temperatursensor 148 kann beispielsweise in SMD-Technik auf diesen Vorsprung 150 aufgebracht sein, wobei der Vorsprung 150 beispielsweise als schmaler Leiterplattensteg ausgestaltet sein kann. Dieser schmale Leiterplattensteg ist vorzugsweise nur über eine geringe Fläche mit der Leiterplatte 130 verbunden und dadurch thermisch weitgehend von derselben entkoppelt.
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In 2B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Schaltungsträgers 112 gezeigt, welches eine Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels gemäß 2A darstellt. Dieses Beispiel zeigt, dass zusätzliche Merkmale und Maßnahmen zur thermischen Entkopplung des Temperatursensors 148 von der Ansteuer- und Auswerteschaltung 114 ergriffen werden können. Zusätzlich zur Ausgestaltung des Schaltungsträgers 112 mit dem Vorsprung 150, beispielsweise in Form des Leiterplattenstegs und/oder in Form der Leiterplatten-Zunge, können beispielsweise ein oder mehrere Kühlrippen (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können Fräsungen 154 in die Leiterplatte 130 eingebracht sein, welche für eine zusätzliche thermische Entkopplung des Temperatursensors 148 von dem integrierten Schaltkreis 146 dienen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013224831 A1 [0002]
