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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Drucksensormodul mit einem Drucksensorelement in einer Ölvorlage sowie einen Drucksensor mit einem entsprechenden Drucksensormodul.
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Stand der Technik
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Ein Drucksensorelement kann schmutzempfindlich sein. Um das Drucksensorelement vor Verschmutzungen zu schützen, kann es beispielsweise in einem inkompressiblen Medium angeordnet werden. Das Medium überträgt den Druck zu dem Drucksensorelement, hält jedoch Verschmutzungen von dem Drucksensorelement fern. Beispielsweise kann das Drucksensorelement in ein Gel eingebettet werden. Alternativ dazu kann das Drucksensorelement in einer Ölvorlage angeordnet werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Drucksensormodul mit einem Drucksensorelement in einer Ölvorlage und Drucksensor mit einem entsprechenden Drucksensormodul gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, in einem einfach beherrschbaren Prozess ein Drucksensormodul mit einer Ölvorlage herzustellen. Durch den einfachen Prozess kann das Drucksensormodul kostengünstig hergestellt werden. Das Drucksensormodul kann einfach in einen Drucksensor integriert werden.
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Es wird ein Drucksensormodul mit einem Drucksensorelement in einer Ölvorlage vorgestellt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine mit der Ölvorlage gefüllte Ölkammer des Drucksensormoduls durch eine Teilfläche eines Schaltungsträgers des Drucksensormoduls, einen um die Teilfläche herum auf dem Schaltungsträger angeordneten, fluiddicht mit dem Schaltungsträger verbundenen Ölrahmen und eine der Teilfläche gegenüberliegende, mit dem Ölrahmen fluiddicht verbundene Trennmembran ausgebildet ist, wobei das Drucksensorelement in der Ölkammer auf der Teilfläche angeordnet ist.
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Weiterhin wird ein Drucksensor mit einem Drucksensormodul gemäß dem hier vorgestellten Ansatz und einem Temperaturfühler vorgestellt, wobei der Temperaturfühler direkt von einem Medium umströmbar an einem Druckstutzen des Drucksensors angeordnet ist und über frei in einem zu der Trennmembran führenden Druckkanal des Druckstutzens angeordnete Anschlussleitungen elektrisch mit dem Schaltungsträger des Drucksensormoduls verbunden ist, wobei die Anschlussleitungen im Bereich der Trennmembran seitlich durch eine fluiddichte Dichteinrichtung aus dem Druckkanal zu dem Schaltungsträger geführt sind.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Ein Druckmodul auf Basis eines mikroelektromechanischen Sensorelements MEMS mit einem Gelschutz ist kostengünstig. Der MEMS Sensor mit Gelschutz ist jedoch nicht geeignet für flüssige Medien. Der MEMS Sensor mit Gelschutz ist nicht geeignet für viel Feuchte, da es zu einer Gelquellung kommen kann. Der MEMS Sensor mit Gelschutz ist nicht geeignet für Druck größer 4,5 bar.
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Bei dem hier vorgestellten Drucksensor mit Ölvorlage besteht kein Kontakt zwischen einem Messmedium und dem MEMS-Sensorelement. Dadurch ergeben sich eine allgemein hohe Medienbeständigkeit und insbesondere eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Weiterhin weist der Drucksensor mit Ölvorlage im Gegensatz zu einem Sensor mit Gel keine Begrenzung des Druckbereichs auf. Daher sind Messdrücke bis 200 bar möglich. Die hier verwendete Aufbau- und Verbindungstechnik ist einfach und günstig. Die Kombination mit dem Temperaturfühler ist möglich. Es wird vorzugsweise kein O-Ring zur Dichtung des Elektronikraums verwendet, da die Dichtheit von O-Ringen bei tiefen Temperaturen kritisch ist. Bei der hier verwendeten Verbindungstechnik kann bei tiefen Temperaturen im Regelfall keine Mediumleckage zum Elektronikraum stattfinden. Dadurch wird eine Korrosion der Aufbau- und Verbindungstechnik verhindert. Durch die Trennmembran kommt kein Medium direkt an den Sensorchip. Da der Temperatursensor nicht gekapselt ist, ergibt sich eine kurze Ansprechzeit zwischen zwei Sekunden und sechs Sekunden durch Weglassen einer Isolierhülse. Die Kontaktierung des Temperaturfühlers, beispielsweise eines NTC zum Elektronikraum ist gegen das Medium abgedichtet.
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Unter einer Ölvorlage kann ein abgeschlossenes Volumen aus einem inkompressiblen Öl verstanden werden, das einen auf die Ölvorlage wirkenden Druck zu einem in dem Öl angeordneten Sensorelement zum Erfassen des Drucks weiterleitet. Das Drucksensorelement kann ein mikroelektromechanisches Bauteil MEMS sein. Das Drucksensorelement kann als Chip bezeichnet werden. Der Druck kann auf die Ölvorlage über eine dünne, biegsame beziehungsweise flexible Membran wirken. Die Membran trennt die Ölvorlage von einem Medium, dessen Druck erfasst werden soll. Die Membran kann als Trennmembran bezeichnet werden. Die Trennmembran ist unempfindlich gegen das Öl der Ölvorlage und resistent gegen das zu messende Medium. Die Trennmembran ist im Wesentlichen parallel zu der Teilfläche des Schaltungsträgers ausgerichtet. Die Trennmembran ist an einem umlaufenden Rand durch den Ölrahmen fixiert. Ein zentraler Bereich der Trennmembran ist zum Übertragen des Drucks auf die Ölvorlage im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene der Trennmembran beweglich. Der Ölrahmen kann ein flächiges Bauteil mit einer Aussparung für die Ölkammer sein. Der Ölrahmen kann flächig mit dem Schaltungsträger verbunden sein. Der Schaltungsträger kann elektrische Leiterbahnen zum elektrischen Kontaktieren des Drucksensorelements aufweisen. Auf dem Schaltungsträger und/oder in den Schaltungsträger integriert können Schaltungsbauteile zum Auswerten von Signalen des Drucksensorelements angeordnet sein. Der Schaltungsträger kann beispielsweise eine Leiterplatte sein. Ebenso kann der Schaltungsträger ein keramisches Bauteil sein.
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Druck und Temperatur des Mediums können einander beeinflussen. Daher ist es vorteilhaft zusätzlich zum Druck auch die Temperatur zu erfassen. Die Temperatur wird über einen Temperaturfühler erfasst. Damit der Temperaturfühler mit einer geringen Verzögerung auf Änderungen der Temperatur ansprechen kann, ist der Temperaturfühler ohne eine schützende, jedoch auch isolierende Hülle unmittelbar im Medium angeordnet. Der Temperaturfühler kann ein thermoresistives elektrisches Bauteil sein, das beispielsweise auf eine Temperaturänderung mit einer Änderung eines elektrischen Widerstands reagiert. Ebenso kann der Temperaturfühler ein thermoelektrisches Bauteil sein, das auf die Temperaturänderung mit einer Spannungsänderung reagiert. Die Dichteinrichtung kann die Anschlussleitungen fluiddicht umschließen.
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Der Ölrahmen und die Trennmembran können aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere aus dem gleichen Kunststoffmaterial sein. Das Kunststoffmaterial ist unempfindlich gegen eine Vielzahl an Medien. Das Kunststoffmaterial, in einer sehr dünnen Schichtdicke, wie bei der Trennmembran, ist flexibel bzw. elastisch. Das Kunststoffmaterial ist einfach zu verarbeiten und kostengünstig. Wenn die Trennmembran aus dem gleichen Kunststoffmaterial besteht, wie der Ölrahmen, können beide Teile im gleichen Arbeitsschritt hergestellt werden, wodurch die Herstellung des Drucksensormoduls kostengünstig ist.
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Die Trennmembran kann mit dem Ölrahmen verklebt oder verschweißt sein. Alternativ kann die Trennmembran in den Ölrahmen integriert sein. Bei der integrierten Trennmembran kann ein umlaufender Randbereich der Trennmembran durch ein Kunststoffmaterial des Ölrahmens hinterspritzt sein.
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Bei der geklebten Trennmembran kann die Trennmembran durch eine Klebeschicht mit dem Ölrahmen verbunden sein. Bei der geschweißten Trennmembran kann die Trennmembran mit dem Ölrahmen in einem thermischen Prozess verschweißt sein. Beispielsweise kann die Trennmembran unter Verwendung von Laser oder Ultraschall mit dem Ölrahmen zum Verschweißen erhitzt werden. Bei der integrierten Trennmembran kann die Trennmembran während eines Spritzgussprozesses in den Ölrahmen integriert werden. Dabei umfließt das Kunststoffmaterial des Ölrahmens einen Randbereich der Trennmembran. Dadurch ist die Trennmembran fest mit dem Ölrahmen verbunden. Wenn die Trennmembran und der Ölrahmen aus dem gleichen Kunststoffmaterial bestehen, können die Trennmembran und der Ölrahmen zusammen in einem Arbeitsschritt hergestellt werden.
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Die Trennmembran kann eine Wellenstruktur aufweisen oder eben sein. Die Trennmembran kann eckig oder rund sein. Da die Trennmembran aus flexiblem Material besteht, kann die Trennmembran mit oder ohne dreidimensionale Struktur ausgeführt sein. Beispielsweise kann auf die Wellenstruktur verzichtet werden. Durch eine in Draufsicht eckige, insbesondere viereckige Membranfläche kann bei einem eckigen Druckkanal eine wirksame Fläche zum Übertragen des Drucks auf die Ölvorlage vergrößert werden.
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Der Ölrahmen kann auf einer dem Schaltungsträger gegenüberliegenden Seite eine Klebefläche zum Befestigen an einem Druckstutzen eines Drucksensors aufweisen. Die Trennmembran kann in einer Aussparung der Klebefläche angeordnet sein. Der Schaltungsträger kann über den Ölrahmen befestigt werden. Die Klebeverbindung kann Fertigungstoleranzen ausgleichen.
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Der Ölrahmen kann an der Klebefläche mit dem Druckstutzen unter Verwendung eines Klebstoffs fluiddicht verklebt sein. Der Klebstoff kann einen Spalt zwischen dem Ölrahmen und dem Druckstutzen vollständig auffüllen, sodass kein Medium aus dem Druckstutzen austreten kann.
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Die Dichteinrichtung für die Anschlussleitungen kann durch den Klebstoff ausgebildet sein. Der Klebstoff kann in flüssiger oder pastöser Form aufgebracht werden. Dann kann der Klebstoff die Anschlussleitungen vollständig umschließen und die Durchführung der Anschlussleitungen aus dem Druckkanal fluiddicht versiegeln.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen als Drucksensormodul und Drucksensor beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Drucksensor mit einem Drucksensormodul gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein in einem Drucksensor verbautes Drucksensormodul gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Drucksensor 100 mit einem Drucksensormodul 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Drucksensor 100 weist ein zweiteiliges Gehäuse auf. Ein Gehäuseoberteil 104 trägt eine Steckverbindungseinrichtung 106 zum elektrischen Kontaktieren des Drucksensormoduls 102. Die Steckverbindungseinrichtung 106 ist hier näherungsweise um 45° zu einer Einschraubrichtung des Drucksensors 100 ausgerichtet. Das Gehäuseoberteil 104 ist mit einem Gehäuseunterteil 108 verbunden. Das Drucksensormodul 102 ist zwischen dem Gehäuseoberteil 104 und dem Gehäuseunterteil 108 angeordnet.
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Das Gehäuseunterteil 108 weist einen im Wesentlichen zylindrischen Druckstutzen 110 auf. Der Druckstutzen 110 kann in eine Aufnahmebohrung gesteckt und mit einem Befestigungsflansch befestigt werden. Alternativ kann der Druckstutzen 110 ein Außengewinde zum Einschrauben in die Aufnahmebohrung aufweisen. Weiterhin weist der Druckstutzen 110 eine Dichtung zum fluiddichten Abdichten gegen eine Dichtfläche der Aufnahmebohrung auf. Die Dichtung ist hier ein in einer Nut um den Druckstutzen 110 angeordneter O-Ring.
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Das Drucksensormodul 102 weist ein Drucksensorelement 112 in einer Ölvorlage 114 auf. Die Ölvorlage 114 ist in einer Ölkammer 116 des Drucksensormoduls 102 eingeschlossen. Die Ölkammer 116 wird durch eine Teilfläche 118 eines Schaltungsträgers 120 des Drucksensormoduls 102, einen seitlich um die Ölkammer 116 herum angeordneten Ölrahmen 122 und eine Trennmembran 124 gebildet.
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Der Ölrahmen 122 ist mit dem Schaltungsträger 120 fluiddicht verklebt. Die Trennmembran 124 verschließt eine Öffnung für die Ölkammer 116 im Ölrahmen 122 fluiddicht. Die Trennmembran 124 trennt die Ölkammer 116 von einem Druckkanal 126 des Druckstutzens 110. Der Druckkanal 126 führt durch den Druckstutzen 110 bis zu einem zu messenden Medium.
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An einem von dem Sensorunterteil 108 abgewandten Ende des Druckstutzens 110 sind drei Finger 128 angeordnet. Die Finger sind um einen Umfang des Druckstutzens 110 herum verteilt und näherungsweise um 120° zueinander versetzt angeordnet. Zwischen den Fingern 128 ist in Verlängerung des Druckkanals 126 ein Temperaturfühler 130 angeordnet. Der Temperaturfühler 130 ist frei in dem Medium angeordnet. Der Temperaturfühler 130 ist über elektrische Anschlussleitungen 132 mit dem Schaltungsträger 120 des Drucksensormoduls 102 elektrisch leitend verbunden. Die Anschlussleitungen 132 verlaufen durch den Druckkanal 126 bis kurz vor die Trennmembran 124. Dort sind die Anschlussleitungen 132 seitlich aus dem Druckkanal 126 heraus geführt. Eine Durchführung durch das Gehäuseunterteil 108 ist durch eine Dichteinrichtung 134 fluiddicht abgedichtet.
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Mit anderen Worten zeigt 1 eine Kombination aus einem Druckmodul mit einem Sensor mit Ölvorlage 114 und einem Temperaturfühler 130. Zwei Messgrößen werden so mit einem Sensor erfasst.
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Die Kombination des medienrobusten Drucksensormoduls 102 mit dem schnellen Temperaturfühler 130 erfolgt in einem Sensorkonzept. Dabei werden eine kostengünstige und robuste Aufbau- und Verbindungstechnik sowie eine kostengünstige Kombination von Druck- und Temperaturmessung in einem Sensor umgesetzt. Es ergibt sich eine hohe Medienrobustheit durch Verwendung einer Ölvorlage 114 und die Abdichtung durch Klebungen. Die Temperaturmessung erfolgt schnell und genau durch den Verbau des Temperaturfühlers direkt im Messmedium.
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Das kostengünstige Drucksensormodul 102 weist ein günstiges MEMS Sensorelement auf einem Standard-Schaltungsträger 120 auf. Der Schaltungsträger 120 ist bevorzugt eine Leiterplatte, kann aber auch aus Premold oder Keramik sein. Es ergibt sich eine hohe Robustheit des Drucksensormoduls 102 durch den Medienschutz mit der Ölvorlage 114. Dabei erfolgt der Medienschutz durch die Trennmembran 124. Die Druckübertragung auf das Messelement erfolgt durch das geschlossene Ölvolumen.
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Das Drucksensormodul 102 weist eine hohe Genauigkeit durch die Verwendung der sehr flexiblen Trennmembran 124 mit geringem E-Modul und maximaler Fläche der Trennmembran 124 auf. Die Trennmembran 124 ist bevorzugt eine Kunststoffmembran, kann aber auch aus Stahl, Edelstahl oder Aluminium bestehen. Die Abdichtung des Medienraums gegenüber dem Drucksensormodul 102 ist durch die Klebung kostengünstig und technisch vorteilhaft.
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Der schnelle Temperaturfühler 130, beispielsweise ein Standard-NTC, ist direkt im Messmedium verbaut und mit zwei dünnen Drähten mit dem Schaltungsträger 120 elektrisch verbunden. Dadurch ist eine genaue und schnelle Temperaturmessung möglich. Die Abdichtung zwischen dem Messmedium und der elektrischen Kontaktierung des Temperaturfühlers 130 ist durch die Klebung kostengünstig und robust. Dabei kann die gleiche Klebung wie beim Druckmodul verwendet werden.
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Der hier vorgestellte Drucksensor 100 kann beispielsweise zum Erfassen eines Saugrohrdrucks, auch bei Abgasrückführung, eines Ladeluftdrucks, eines Kraftstoffdrucks, eines Öldrucks und/oder zum Erfassen eines Kühlwasserdrucks verwendet werden.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein in einem Drucksensor 100 verbautes Drucksensormodul 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Drucksensor entspricht im Wesentlichen dem Drucksensor in 1. Der Schaltungsträger 120 ist hier eine Leiterplatte. Der Schaltungsträger 120 weist auf einer dem Drucksensorelement 112 gegenüberliegenden Seite elektrische Bauteile 200 und Kontaktflächen für Kontaktpins 202 der Steckverbindungseinrichtung 106 auf. Das Drucksensorelement 112 ist ein mikroelektromechanisches Drucksensorelement. Das Drucksensorelement 112 ist über Leiterbahnen im Schaltungsträger 120 elektrisch mit den Bauteilen 200 verbunden.
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Der Ölrahmen 122 ist über eine Dichtklebung 204 mit dem Gehäuseunterteil 108 verbunden. Der Klebstoff der Dichtklebung 204 ist auf einer Klebefläche 206 ringförmig geschlossen um die Trennmembran 124 herum angeordnet und spart diese aus. Die Trennmembran 124 ist hier rund. Die Klebefläche 206 weist also eine Aussparung für die Trennmembran 124 auf. Die Dichteinrichtung 134 ist durch den gleichen Klebstoff ausgebildet, wie die Dichtklebung 204. In der Dichteinrichtung sind die Anschlussleitungen 132 vollständig von dem Klebstoff umschlossen.
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Der Druckkanal 126 weist vor der Trennmembran 124 einen erweiterten Querschnitt auf, in dem die Anschlussleitungen 132 aus einer Haupterstreckungsrichtung des Druckkanals 126 seitlich zu der Dichteinrichtung 134 abbiegen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Ölrahmen 122 aus einem Kunststoffmaterial. Auch die Trennmembran 124 kann aus einem Kunststoffmaterial bestehen. Die Kunststoffmaterialien des Ölrahmens 122 und der Trennmembran 124 sind ölresistent zumindest gegenüber des Öls der Ölvorlage 114. Die Kunststoffmaterialien des Ölrahmens 122 und der Trennmembran 124 können identisch sein. Dann können der Ölrahmen 122 und die Trennmembran 124 zusammen in einem Spritzgusswerkzeug hergestellt werden. Ebenso kann auch eine Trennmembran 124 aus einem anderen Kunststoffmaterial oder Metallmaterial in das Spritzgusswerkzeug eingelegt werden und in einem Randbereich mit dem Kunststoffmaterial des Ölrahmens 122 umspritzt werden. Die Trennmembran 124 kann auch mit dem Ölrahmen 122 verschweißt oder verklebt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Trennmembran 124 eckig. Die Ecken können abgerundet sein. Ebenso kann die Trennmembran glatt, also ohne eingearbeitete Wellenstruktur ausgeführt sein.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012210752 A1 [0003]
