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Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zum Messen einer momentanen Belastung eines Bauteils, mit einem mehrlagigen Aufbau, wobei der mehrlagige Aufbau eine Lage mit einem Sensorschichtabschnitt aufweist, der mittels eines Trägerwerkstoffs und darin eingebetteten, elektrisch leitfähigen Partikeln gebildet ist, und mit einer elektrischen Kontaktierung für den Sensorschichtabschnitt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil und/oder Fahrwerkbauteil mit einer solchen Sensoreinrichtung.
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Eine derartige Sensoreinrichtung ist aus der
DE 10 2018 205 552 bekannt. Hierbei ist der Sensorschichtabschnitt einer ersten Lage und die elektrische Kontaktierung einer hiervon separaten weiteren Lage zugeordnet. Entsprechend muss die elektrische Kontaktierung der weiteren Lage passend zu dem Sensorschichtabschnitt der ersten Lage angeordnet werden. Dies kann mit einem unerwünschten Aufwand verbunden sein. Sind noch weitere Lagen vorgesehen, ergibt sich insgesamt ein mehrlagiger Aufbau mit einer Vielzahl von Lagen. Im Hinblick auf eine effiziente Herstellung der Sensoreinrichtung und/oder einer niedrigen Aufbauhöhe kann jedoch eine Reduzierung der Anzahl der Lagen wünschenswert sein.
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Aus der
DE 101 53 208 A1 ist eine Sensoreinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der die elektrische Kontaktierung als mindestens ein Kontaktierungsschichtabschnitt in der Lage des Sensorschichtabschnittes ausgebildet ist und der mehrlagige Aufbau aus mindestens einer ersten Lage, einer zweiten Lage und einer dritten Lage gebildet ist, wobei die zweite Lage zwischen der ersten Lage und der dritten Lage angeordnet ist, und in der zweiten Lage der Sensorschichtabschnitt und der Kontaktierungsschichtabschnitt ist. Hierbei ist die erste Lage eine Isolationsschicht, die auf einer Oberfläche des Bauteils aufgebracht ist.
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Es ist die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe, eine Sensoreinrichtung, ein Bauteil und/oder ein Fahrwerkbauteil der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Realisierung einer elektrischen Kontaktierung für den Sensorschichtabschnitt vereinfacht ist. Insbesondere soll die Anzahl der Lagen reduzierbar sein. Vorzugsweise soll eine alternative Ausführungsform bereitgestellt werden.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird mit einer Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 und/oder mit einem Bauteil und/oder einem Fahrwerkbauteil nach Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zum Messen einer momentanen Belastung eines Bauteils. Insbesondere ist unter einem Messen einer momentanen Belastung des Bauteils ein Messen, Ermitteln und/oder Bestimmen einer auf das Bauteil und/oder in dem Bauteil wirkenden Kraft oder Kraftkomponente zu verstehen. Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung zum Messen einer momentan auf das Bauteil wirkenden Kraft oder Kraftkomponente ausgebildet. Bei der Belastung des Bauteils kann es sich um eine Verformung des Bauteils handeln. Insbesondere kann es sich bei der momentanen Belastung des Bauteils um eine elastische oder plastische Verformung des Bauteils handeln.
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Die Sensoreinrichtung weist einen mehrlagigen Aufbau auf. Hierbei hat der mehrlagige Aufbau eine Lage mit einem Sensorschichtabschnitt. Der Sensorschichtabschnitt ist mittels eines Trägerwerkstoffs und darin eingebetteten, elektrisch leitfähigen Partikeln gebildet. Insbesondere ermöglicht der Sensorschichtabschnitt mittels der elektrisch leitfähigen Partikel die Durchführung von elektrischen Widerstandsmessungen. Aus den elektrischen Widerstandsmessungen an der Sensoreinrichtung bzw. dem Sensorschichtabschnitt kann die momentane Belastung, insbesondere eine einwirkende Kraft oder Kraftkomponente, ermittelt werden. Des Weiteren weist die Sensoreinrichtung eine elektrische Kontaktierung für den Sensorschichtabschnitt auf. Mittels der elektrischen Kontaktierung kann der Sensorschichtabschnitt beispielsweise mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sein. Hierbei ist die elektrische Kontaktierung als mindestens ein Kontaktierungsschichtabschnitt in der Lage des Sensorschichtabschnittes ausgebildet.
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Hierbei ist von Vorteil, dass aufgrund der Ausbildung der elektrischen Kontaktierung als ein Kontaktierungsschichtabschnitt in der Lage des Sensorschichtabschnittes sowohl der Kontaktierungsschichtabschnitt als auch der Sensorschichtabschnitt in derselben und/oder einer gemeinsamen, insbesondere einer einzigen, Lage angeordnet sind. Hierdurch kann die Notwendigkeit einer Ausbildung von separaten Lagen, nämlich einmal für den Sensorschichtabschnitt und einmal für die elektrische Kontaktierung, vermieden werden. Insbesondere ist die Anzahl der Lagen des mehrlagigen Aufbaus reduzierbar. Insgesamt ist eine kompaktere Bauweise ermöglicht. Die Lage mit dem Sensorschichtabschnitt kann aus mehreren Schichtabschnitten zusammengestellt bzw. zusammengesetzt sein. Zusätzlich zu dem, insbesondere einzigen, Sensorschichtabschnitt kann die Lage mindestens einen Kontaktierungsschichtabschnitt aufweisen. Wesentlich ist hierbei, dass diese Schichtabschnitte in einer einzigen Lage des mehrlagigen Aufbaus der Sensoreinrichtung angeordnet sind.
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Der mehrlagige Aufbau ist aus mindestens einer ersten Lage, einer zweiten Lage und einer dritten Lage gebildet. Hierbei ist die zweite Lage zwischen der ersten Lage und der dritten Lage angeordnet. Des Weiteren ist in der zweiten Lage der Sensorschichtabschnitt und der Kontaktierungsschichtabschnitt angeordnet. Aufgrund der Anordnung des Sensorschichtabschnittes und des Kontaktierungsschichtabschnittes in der zweiten Lage bzw. zwischen der ersten Lage und der dritten Lage sind diese Schichtabschnitte auf einfache und effektive Weise gegenüber äußeren Einflüssen schützbar. Vorzugsweise ist der mehrlagige Aufbau bzw. sind die Lagen des mehrlagigen Aufbaus elastisch verformbar ausgebildet. Hierdurch kann eine, insbesondere von außen, einwirkende Belastung und/oder Kraft bis auf den Sensorschichtabschnitt übertragen werden. Vorzugsweise ist die erste Lage und/oder die dritte Lage elektrisch nicht leitend ausgebildet.
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Die erste Lage ist mittels des Bauteils bereitgestellt und/oder gebildet sein. Somit kann die Lage mit dem Sensorschichtabschnitt und dem mindestens einen Kontaktierungsschichtabschnitt unmittelbar auf einer Fläche oder Oberfläche des Bauteils angeordnet sein. Insbesondere ist das Bauteil als ein Fahrwerkbauteil für ein Fahrwerk eines Fahrzeugs, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, realisiert. Das Bauteil kann als ein Strukturteil, Lenker, Radträger, Gelenk, Gelenkgehäuse, eine Kugelschale, Spurstange oder eine Pendelstütze ausgebildet sein.
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Insbesondere weist das Bauteil eine Senke oder Mulde auf, in der der Sensorschichtabschnitt angeordnet ist. Hierbei ist auch der Kontaktierungsschichtabschnitt in der Senke oder Mulde angeordnet. Aufgrund der Anordnung in einer Senke oder Mulde des Bauteils ist die Lage mit dem Kontaktierungsschichtabschnitt und dem Sensorschichtabschnitt besonders einfach und effektiv vor äußeren Einflüssen schützbar. Die Senke oder Mulde kann bereits beim Herstellen des Bauteils erzeugt werden. Alternativ kann die Senke oder Mulde nach dem Herstellen des Bauteils mittels einer spanenden Bearbeitung ausgebildet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die dritte Lage als eine Abdeckung zum Schutz vor Umwelteinflüssen bzw. äußeren Einflüssen ausgebildet. Insbesondere ist die Lage mit dem Sensorschichtabschnitt und dem Kontaktierungsschichtabschnitt vollständig abgedeckt. Insbesondere ergibt sich mittels der dritten Lage bzw. der Abdeckung eine Art Kapselung der Lage mit dem Sensorschichtabschnitt und dem Kontaktierungsschichtabschnitt gegenüber der Umgebung.
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Die dritte Lage und/oder die Abdeckung kann als ein Deckel ausgebildet sein. Hierbei kann der Deckel als ein eigenständiges Element realisiert sein. Insbesondere ist der Deckel formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der ersten Lage verbunden. Beispielsweise kann der Deckel mittels einer Rast- und/oder Schnappverbindung mit dem Bauteil verbunden sein.
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Die erste Lage und die dritte Lage können elektrisch nicht leitend ausgebildet sein. Insbesondere kann die erste Lage und/oder die dritte Lage aus einem Kunststoff gebildet sein. Beispielsweise kann das Bauteil aus einem Kunststoff hergestellt sein. Vorzugsweise wird das Bauteil mittels eines Spritzgussverfahrens in einem Spritzgusswerkzeug hergestellt.
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Der Sensorschichtabschnitt wird mittels des Trägerwerkstoffs mit den eingebetteten, elektrisch leitfähigen Partikeln ausgebildet. Zum Ausbilden des Sensorschichtabschnittes kann hierbei der Trägerwerkstoff zunächst als ein flüssiger Trägerwerkstoff vorliegen. Insbesondere wird als flüssiger Trägerwerkstoff ein Lack verwendet. Derartige Trägerwerkstoffe mit eingebetteten, elektrisch leitfähigen Partikeln sind bereits bekannt und an sich bewährt. Vorzugsweise sind die elektrisch leitfähigen Partikel als Kohlenstoffnanoröhrchen bzw. sogenannte Carbon-Nano-Tubes (CNT) ausgebildet. Hierbei können die elektrisch leitfähigen Partikel innerhalb des Trägerwerkstoffs isotrop ausgerichtet und/oder verteilt sein. Vorzugsweise sind die elektrisch leitfähigen Partikel als kraftsensitive Elemente ausgebildet. Insbesondere handelt es sich bei den Kohlenstoffnanoröhrchen um mikroskopisch kleine röhrenförmige Gebilde aus Kohlenstoff. Kohlenstoffnanoröhrchen sind elektrisch leitend und haben ferner die Eigenschaft, dass diese bei mechanischer Beanspruchung, beispielsweise einer Dehnung oder Stauchung in Folge einer Krafteinwirkung, ihren elektrischen Widerstand ändern. Dieser Effekt kann genutzt werden, um Kohlenstoffnanoröhrchen als kraftsensitive Elemente zu nutzen. Alternativ können kraftsensitive Elemente als Graphene, Graphenoxid, Ruß oder Nanodrähte ausgebildet sein.
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Insbesondere härtet der flüssige Trägerwerkstoff mit den eingebetteten, elektrisch leitfähigen Partikeln nach einem Anordnen auf einer Fläche des Bauteils und/oder einer Lage des mehrlagigen Aufbaus aus. Alternativ oder zusätzlich kann der Trägerwerkstoff mittels geeigneter Maßnahmen aktiv ausgehärtet werden. Nach dem Aushärten des Trägerwerkstoffes ist der Sensorschichtabschnitt gebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die elektrische Kontaktierung in der Lage mit dem Sensorschichtabschnitt mittels eines ersten Kontaktierungsschichtabschnittes und eines zweiten Kontaktierungsschichtabschnittes gebildet. Insbesondere realisieren die beiden Kontaktierungsschichtabschnitte jeweils eine mit dem Sensorschichtabschnitt verbundene elektrische Leitung.
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Vorzugsweise ist der erste Kontaktierungsschichtabschnitt elektrisch leitend mit einem ersten Ende des Sensorschichtabschnittes verbunden. Insbesondere ist der zweite Kontaktierungsschichtabschnitt elektrisch leitend mit einem, vorzugsweise von dem ersten Ende abgewandten, zweiten Ende des Sensorschichtabschnittes verbunden. Der Sensorschichtabschnitt kann mittels der elektrischen Kontaktierung mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sein. Insbesondere ist einerseits der erste Kontaktierungsschichtabschnitt und andererseits der zweite Kontaktierungsschichtabschnitt mit der Auswerteeinrichtung verbunden. Die Auswerteeinrichtung kann aus elektrischen Widerstandsmessungen an dem Sensorschichtabschnitt die momentane Belastung des Bauteils bestimmen und/oder ermitteln. Insbesondere kann mindestens eine auf das Bauteil wirkende Kraft und/oder Kraftkomponente bestimmt und/oder ermittelt werden. Beispielsweise kann eine Schub-, Druck- oder Zugbelastung des Bauteils ermittelt werden. Insbesondere kann eine auf das Bauteil einwirkende Zugkraft aus einer gemessenen, bestimmten und/oder ermittelten Dehnung des Sensorschichtabschnittes ermittelt werden. Eine auf das Bauteil einwirkende Druckkraft kann aus einer gemessenen, bestimmten und/oder ermittelten Stauchung des Sensorschichtabschnittes ermittelt werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Lage mit dem Sensorschichtabschnitt mindestens einen Isolationsschichtabschnitt, insbesondere zwei Isolationsschichtabschnitte, auf. Somit kann die Lage mit dem Sensorschichtabschnitt aus mehreren Schichtabschnitten zusammengestellt bzw. zusammengesetzt sein. Zusätzlich zu dem, insbesondere einzigen, Sensorschichtabschnitt kann die Lage mindestens einen Kontaktierungsschichtabschnitt, vorzugsweise zwei Kontaktierungsschichtabschnitte, sowie mindestens einen Isolationsschichtabschnitt, insbesondere zwei Isolationsschichtabschnitte, aufweisen. Wesentlich ist hierbei, dass sämtliche Schichtabschnitte in einer einzigen Lage des mehrlagigen Aufbaus der Sensoreinrichtung angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist ein erster Isolationsschichtabschnitt im Bereich einer ersten Seite des Sensorschichtabschnittes angeordnet. Insbesondere ist ein zweiter Isolationsschichtabschnitt im Bereich einer, vorzugsweise von der ersten Seite abgewandten, zweiten Seite des Sensorschichtabschnittes angeordnet. Der Sensorschichtabschnitt und/oder die elektrische Kontaktierung, insbesondere der erste und zweite Kontaktierungsschichtabschnitt, kann bzw. können zwischen den beiden Isolationsschichtabschnitten angeordnet sein. Der mindestens eine Isolationsschichtabschnitt bzw. die beiden Isolationsschichtabschnitte sind elektrisch nicht leitend ausgebildet.
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Von besonderem Vorteil ist ein Bauteil und/oder Fahrwerkbauteil mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Insbesondere ist bei einem Bauteil und/oder Fahrwerkbauteil mit einer solchen Sensoreinrichtung der Sensorschichtabschnitt beispielsweise aufgrund einer Anordnung zwischen zwei weiteren Lagen gut gegen äußere Einflüsse, wie beispielsweise Verschmutzung und/oder Beschädigung, geschützt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Hierbei beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche, ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente. Es zeigen:
- 1 eine geschnittene schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,
- 2 eine weitere geschnittene schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung gemäß 1, und
- 3 eine geschnittene schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung gemäß 1.
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1 zeigt eine geschnittene schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 1. Die Sensoreinrichtung 1 ist zum Messen einer momentanen Belastung eines hier nicht näher dargestellten Bauteils ausgebildet, an dem die Sensoreinrichtung 1 angeordnet ist. Die Sensoreinrichtung 1 weist einen mehrlagigen Aufbau 2 auf. Der mehrlagige Aufbau 2 hat eine Lage 3, die einen Sensorschichtabschnitt 4 aufweist. Der Sensorschichtabschnitt 4 ist mittels eines Trägerwerkstoffs und darin eingebetteten, elektrisch leitfähigen Partikeln gebildet, die hier nicht näher dargestellt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die elektrisch leitfähigen Partikel als Kohlenstoffnanoröhrchen ausgebildet.
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Die Sensoreinrichtung 1 bzw. der mehrlagige Aufbau 2 weist bei diesem Ausführungsbeispiel eine erste Lage 5 auf. Die Lage 3 ist als eine zweite Lage ausgebildet. Des Weiteren ist eine dritte Lage 6 bei diesem Ausführungsbeispiel vorhanden. Die zweite Lage 3 mit dem Sensorschichtabschnitt 4 ist zwischen der ersten Lage 5 und der dritten Lage 6 angeordnet.
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In der Lage 3 mit dem Sensorschichtabschnitt 4 ist ein erster Kontaktierungsschichtabschnitt 7 und ein zweiter Kontaktierungsschichtabschnitt 8 angeordnet. Die beiden Kontaktierungsschichtabschnitte 7, 8 realisieren eine elektrische Kontaktierung mit dem Sensorschichtabschnitt 4. Hierzu ist der erste Kontaktierungsschichtabschnitt 7 elektrisch leitend mit einem ersten Ende 9 des Sensorschichtabschnittes 4 und der zweite Kontaktierungsschichtabschnitt 8 elektrisch leitend mit einem von dem ersten Ende 9 abgewandten zweiten Ende 10 des Sensorschichtabschnittes 4 verbunden. Die erste Lage 5 und die dritte Lage 6 sind im Gegensatz zu den Kontaktierungsschichtabschnitten 7, 8 und des Sensorschichtabschnittes 4 elektrisch nicht leitend ausgebildet. Die Höhe oder Dicke der beiden Kontaktierungsschichtabschnitte 7, 8 entspricht der Höhe oder Dicke des Sensorschichtabschnittes 4.
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Die beiden Kontaktierungsschichtabschnitte 7, 8 sind zudem mit einer Auswerteeinrichtung 11 verbunden. Aus elektrischen Widerstandmessungen an dem Sensorschichtabschnitt 4 kann mittels der Auswerteeinrichtung 11 eine momentane Belastung und/oder Krafteinwirkung auf ein Bauteil ermittelt werden. Bei einer Belastung oder Krafteinwirkung, die gemäß Pfeil 12 angedeutet quer oder rechtwinklig zur Längserstreckung der Sensoreinrichtung 1 ausgerichtet ist, kommt es zu einer Dehnung oder Streckung des Sensorschichtabschnittes 4. Hierdurch kommt es auch zu einer Dehnung oder Streckung der elektrisch leitfähigen Partikel, wodurch sich eine Veränderung des Widerstandes des Sensorschichtabschnittes 4 ergibt. Bei einer abnehmenden Belastung, die beispielsweise entgegen dem Pfeil 12 von der Sensoreinrichtung 1 bzw. quer oder rechtwinklig zur Längserstreckung der Sensoreinrichtung 1 von dieser weg gerichtet ist, zieht sich der Sensorschichtabschnitt 4 wieder zusammen. Hierdurch verkürzen sich die elektrisch leitfähigen Partikel in dem Sensorschichtabschnitt 4, welches wiederum eine Veränderung des elektrischen Widerstands des Sensorschichtabschnittes 4 bewirkt.
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2 zeigt eine weitere geschnittene Seitenansicht der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 1 gemäß 1. Insoweit wird auch auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auf der dritten Lage 6 und auf einer von der ersten Lage 5 abgewandten Seite der Sensoreinrichtung 1 ein rohrartiges Behältnis 13 angeordnet. In Längserstreckung der Sensoreinrichtung 1 ist das Behältnis 13 im Bereich des Sensorschichtabschnittes 4 angeordnet. Innerhalb des Behältnisses 13 befindet sich ein fluides Medium 14. Bei dem fluiden Medium 14 kann es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln. Aufgrund der rohrartigen Ausbildung des Behältnisses 13 kontaktiert das fluide Medium 14 unmittelbar die dritte Lage 6. Je nach Art und Menge des fluiden Mediums 14 wirken hierdurch unterschiedliche Druckkräfte auf den Sensorschichtabschnitt 4. Mittels einer geeigneten Auswertung durch die Auswerteeinrichtung 11 kann die einwirkende Druckkraft der sich in dem Behältnis 13 befindenden Säule des fluiden Mediums 14 ermittelt werden.
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3 zeigt eine geschnittene schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung gemäß 1. Insoweit wird auch auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen. In der hier dargestellten geschnittenen Draufsicht ist der Aufbau der zweiten Lage 3 erkennbar. In der Lage 3 sind der Sensorschichtabschnitt 4 und die beiden Kontaktierungsschichtabschnitte 7, 8 angeordnet.
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Darüber hinaus finden sich in der Lage 3 ein erster Isolationsschichtabschnitt 15 und ein zweiter Isolationsschichtabschnitt 16. Die beiden Isolationsschichtabschnitte 15, 16 sind aus elektrisch nicht leitfähigem Material gebildet. Hierbei ist der erste Isolationsschichtabschnitt 15 im Bereich einer ersten Seite 17 des Sensorschichtabschnittes 4 angeordnet. Der zweite Isolationsschichtabschnitt 16 ist im Bereich einer von der ersten Seite 17 abgewandten zweiten Seite 18 des Sensorschichtabschnittes 4 angeordnet. Die Breite der beiden Kontaktierungsschichtabschnitte 7, 8 entspricht der Breite des Sensorschichtabschnittes 4. Somit sind der Sensorschichtabschnitt 4 und die beiden Kontaktierungsschichtabschnitte 7, 8 zwischen den beiden Isolationsschichtabschnitten 15, 16 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensoreinrichtung
- 2
- mehrlagiger Aufbau
- 3
- zweite Lage
- 4
- Sensorschichtabschnitt
- 5
- erste Lage
- 6
- dritte Lage
- 7
- erster Kontaktierungsschichtabschnitt
- 8
- zweiter Kontaktierungsschichtabschnitt
- 9
- erstes Ende
- 10
- zweites Ende
- 11
- Auswerteeinrichtung
- 12
- Pfeil
- 13
- Behältnis
- 14
- fluides Medium
- 15
- erster Isolationsschichtabschnitt
- 16
- zweiter Isolationsschichtabschnitt
- 17
- erste Seite
- 18
- zweite Seite
