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Stand der Technik
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In verschiedenen Bereichen der Technik, wie beispielsweise den Naturwissenschaften oder der Medizintechnik, müssen eine oder mehrere Eigenschaften fluider Medien erfasst werden. Hierbei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften der fluiden Medien, also der Gase und/oder Flüssigkeiten, handeln, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Strömungseigenschaften oder Ähnliches. Ein wichtiges Beispiel, auf welches die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist die Erfassung eines Drucks des fluiden Mediums. Drucksensoren sind beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage, 2010, Seiten 134-136 bekannt.
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Aus dem Stand der Technik sind allgemein Drucksensoren bekannt, bei denen eine sogenannte Ölvorlage, also quasi ein Ölbad, genutzt wird, um den Druck von einem Medium an eine Druckmesseinrichtung zu transferieren. Dabei ist die Ölvorlage üblicherweise durch eine Membran begrenzt, d.h. der Druck eines Mediums wirkt auf eine Membran, die den Druck an ein Ölvolumen weitergibt, das dann wiederum den Druck an die Messeinrichtung, wie beispielsweise ein Si-Element, weitergibt. Der Vorteil von Drucksensoren mit Ölvorlage liegt darin, dass der Druck auch sehr aggressiver Medien, die bei direktem Kontakt mit der Messeinrichtung, wie beispielsweise dem Si-Element, diese zerstören würden, gemessen werden kann. Eine Ölvorlage hat aber auch Nachteile. Da das Öl einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die umgebenden Materialien hat, kommt es in Abhängigkeit von der Temperatur zu der Situation, dass das Öl sich stärker ausdehnt, somit sich das Volumen innerhalb der Ölvorlage vergrößert, was wiederum nur dadurch gelingen kann, dass die Membran ausgedehnt wird. Diese reagiert mit einer Rückstellkraft, so dass sich der Druck im Öl vergrößert, was als Fehler in die Druckmessung eingeht. Dieser Fehler ist umso größer, desto steifer die Membran gegenüber einer solchen Volumenänderung ist. Üblicherweise werden daher besonders dünne Metallmembranen eingesetzt.
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Die
DE 10 2017 212 422 A1 und die
DE 10 2017 213 129 A1 offenbaren jeweils den Einsatz einer Membran, die aus Kunststoff hergestellt ist, bei Drucksensoren. Derartige aus Kunststoff hergestellte Membranen sind durch ein geringeres Elastizitäts-Modul tendenziell weicher als Membranen, die aus Metall hergestellt sind.
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Trotz der durch diese Drucksensoren bewirkten Verbesserungen besteht nach wie vor ein Optimierungspotenzial bekannter Drucksensoren. So ist bei solchen Kunststoffmembranen nicht auszuschließen, dass diese gegenüber bestimmten Medien durchlässig sind. So könnte beispielsweise Kältemittel, Wasser oder andere Stoff durch die Membran ins Öl gelangen und hier wiederum zu Verfälschungen des Drucksignals führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird dementsprechend ein Drucksensormodul zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums und ein Drucksensor mit einem solchen Drucksensormodul vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Drucksensoren zumindest weitgehend vermeiden und die Membran für eine Vorlage eines inkompressiblen Fluids aufweisen, die zum einen besonders weich ist und somit geringe Druckfehler erzeugt, die durch die thermische Ausdehnung des Fluids hervorgerufen werden könnten, und zum anderen aber ähnlich gute Sperrwirkung für Medien wie eine Metallmembran hat.
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Ein erfindungsgemäßes Drucksensormodul zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums, weist ein Drucksensorelement, eine Fluidkammer, einen Schaltungsträger,
einen Rahmen, wobei der Rahmen auf dem Schaltungsträger angeordnet und fluiddicht mit dem Schaltungsträger verbunden ist, und eine Membran, die Membran aus Kunststoff hergestellt ist, auf. Die Membran ist mit dem Rahmen fluiddicht verbunden. Die Fluidkammer ist mit einem inkompressiblen Fluid gefüllt. Die Fluidkammer ist durch eine Teilfläche des Schaltungsträgers, den Rahmen und die Membran ausgebildet. Das Drucksensorelement ist in der Fluidkammer auf der Teilfläche angeordnet. Die Membran weist eine Beschichtung auf, die aus einem für das fluide Medium impermeablen Material hergestellt ist.
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Entsprechend wird eine vergleichsweise weiche, da aus Kunststoff hergestellte, Membran vorgesehen, die mit einer dichten Beschichtung versehen ist, die eine Permeation insbesondere des Zielmediums, dessen Druck zu messen ist, verhindert bzw. blockiert.
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Unter einem Drucksensormodul ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein vormontiertes Modul mit einem Sensorelement, welches die eigentlichen Messsignale bezüglich des Drucks und/oder der Messwerte liefert, die zur Erfassung des Drucks des fluiden Mediums genutzt werden, und weiteren Bauteilen zu verstehen. Beispielsweise kann das Sensorelement eine als Messbrücke ausgebildete Sensormembran mit einem oder mehreren piezoresistiven Elementen und/oder anderen Arten von sensitiven Elementen umfassen, wie dies bei Drucksensoren üblich ist. Für weitere mögliche Ausgestaltungen von derartigen Drucksensoren kann auf den oben beschriebenen Stand der Technik, insbesondere auf Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage, 2010, Seiten 134-136 verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Die weiteren Bauteile können beispielsweise Bauteile zur Signalverarbeitung, ein Gel als Schutz gegenüber dem fluiden Medium und Berührung, Bauteile der Aufbau- und Verbindungstechnik, insbesondere Bonddrähte, Kleber und dergleichen, ein Kunststoff-Moldkörper mit Stanzgitter und Kondensatoren sein. Bei den Bauteilen zur Signalverarbeitung kann es sich beispielsweise um eine anwendungsspezifisch integrierte Schaltung (application specific integrated circuit - ASIC) handeln, die auch als „Custom Chip“ bekannt ist. Eine derartige Schaltung ist eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schaltkreis realisiert wird. Das Sensorelement und die integrierte Schaltung (ASIC) können sich auf zwei getrennten Chips oder auf einem gemeinsamen Chip befinden. Beispielsweise kann das Drucksensormodul zur Erfassung eines Drucks einen Glassockel sowie einen auf diesem angeordneten Siliziumchip als Sensorelement aufweisen, auf dessen Oberfläche beispielsweise eine Messbrücke vorgesehen ist, die beispielsweise in Form einer Wheatstone-Brücke aus piezoresistiven Widerstandselementen aufgebaut sein kann. Die für die Druckerfassung notwendige Membran kann durch Ätzen der Siliziumchiprückseite hergestellt sein. Das Sensorelement kann mit dem Glassockel verbunden sein und beinhaltet mindestens die Messbrücke.
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Unter einem inkompressiblen Fluid ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fluid zu verstehen, das die Eigenschaft hat, unter Druckeinwirkung bei konstanter Temperatur sein Volumen nicht zu ändern, sich also nicht komprimieren zu lassen. Dabei ist zu beachten, dass völlige Inkompressibilität in der Realität nicht vorkommt, so dass alle realen Materialien kompressibel sind, wenn auch zum Teil in nur sehr geringem Maße. Dazu wird meist für Fluide die isotherme Kompressibilität als Größe angegeben. Inkompressibilität steht also für die Näherung einer unendlich geringen Kompressibilität bzw. eines unendlich hohen Kompressionsmoduls.
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Bei einer Weiterbildung ist die Beschichtung aus Metall hergestellt. Eine solche Beschichtung ist undurchlässig bzw. sehr viel weniger durchlässig als die Kunststoffmembran gegenüber dem zu messenden fluiden Medium.
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Bei einer Weiterbildung ist die Beschichtung mittels Metallbedampfung oder Atomlagenabscheidung auf die Membran aufgebracht. Beide Arten der Beschichtungstechnik sind gut beherrschbare Prozesse.
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Die Metallbedampfung ist beispielsweise von Chipstüten oder Helium-Luftballons bekannt. Die Metallbedampfung ist ein thermisches Beschichtungsverfahren, das zu den PVD-Verfahren gehört. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, bei der das gesamte metallische Ausgangsmaterial durch eine elektrische Heizung (resisitiv oder induktiv) auf Temperaturen in der Nähe des Siedepunkts erhitzt wird, sich ein Materialdampf zu einem Substrat bewegt und dort zu einer Schicht kondensiert. Es stellt damit eines der einfachsten Verdampfungsverfahren in der Beschichtungstechnik dar.
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Die Atomlagenabscheidung (englisch atomic layer deposition, ALD) ist ein Verfahren zur Abscheidung von extrem dünnen Schichten, bis hin zu atomaren Monolagen, auf einem Ausgangsmaterial. Es handelt sich um ein stark verändertes Chemisches Gasphasenabscheidungs- (CVD-) Verfahren mit zwei oder mehr zyklisch durchgeführten selbstbegrenzenden Oberflächenreaktionen. Das abzuscheidende Material ist in chemischer Form an ein oder mehrere Trägergase, den sogenannten Precursoren gebunden. Diese Precursoren werden alternierend in eine Reaktionskammer geleitet und dort zur Reaktion mit dem Substrat gebracht, woraufhin der im Gas gebundene Stoff sich auf dem Substratmaterial abscheidet. Die so entstehenden Schichten haben in der Regel eine polykristalline oder amorphe Struktur. Entsprechend lässt sich eine durch dieses Verfahren aufgebrachte Schicht gut feststellen bzw. bestimmen.
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Bei einer Weiterbildung ist die Beschichtung auf einer der Fluidkammer abgewandten Seite der Membran angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist die Beschichtung auf einer der Fluidkammer zugewandten Seite der Membran angeordnet. Somit kann die Beschichtung entweder auf der Medienseite oder aber auch auf der dem Fluid in der Kammer zugewandten Seite vorgesehen sein. Die Nutzung der Fluid in der Kammer zugewandten Seite vereinfacht das Fügen der Membran zum Rahmen.
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Bei einer Weiterbildung ist der Rahmen aus Kunststoff hergestellt. Beispielsweise sind der Rahmen und die Membran aus dem gleichen Kunststoff hergestellt. Wenn die Membran aus dem gleichen Kunststoffmaterial besteht, wie der Rahmen, können beide Teile im gleichen Arbeitsschritt hergestellt werden, wodurch die Herstellung des Drucksensormoduls kostengünstig ist. Beispielsweise können der Rahmen und die Membran zusammen in einem Spritzgusswerkzeug hergestellt werden. Ebenso kann auch die Membran aus einem anderen Kunststoffmaterial in das Spritzgusswerkzeug eingelegt werden und in einem Randbereich mit dem Kunststoffmaterial des Rahmens umspritzt werden. Die Membran kann auch mit dem Rahmen verschweißt oder verklebt werden.
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Bei einer Weiterbildung weist der Rahmen eine Beschichtung auf, die aus einem für das fluide Medium impermeablen Material hergestellt ist. Damit kann auch eine Permeation durch den Rahmen in das inkompressible Fluid hinein verhindert werden.
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Bei einer Weiterbildung ist die Beschichtung des Rahmens auf einer der Fluidkammer abgewandten Außenfläche des Rahmens angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist die Beschichtung des Rahmens auf einer der Fluidkammer zugewandten Innenfläche des Rahmens angeordnet. Somit kann beispielsweise auch die Kombination aus Rahmen und Membran, egal ob sie aus zwei oder mehr Teilen gefertigt wurde oder aus einem, insgesamt entweder auf der Außen- oder Innenseite mit einer Metallschicht oder einer sonstigen vergleichsweise dichten Schicht überzogen werden. Bei einer inneren Beschichtung könnte zusätzlich verhindert werden, dass der Rahmen und/oder die Membran Fluid aus der Fluidvorlage absorbieren und somit die verfügbare Fluidmenge reduzieren, was wiederum in einem geringeren Fluidvolumen und somit in einem Druckfehler resultieren könnte.
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Bei einer Weiterbildung ist das inkompressible Fluid ein Öl. Beispielsweise ist das inkompressible Fluid ein synthetisches Öl. Es ist auch die Verwendung anderer inkompressibler Fluide oder Medien, beispielsweise anderer geeigneter Öle, denkbar. Das Öl überträgt den Druck zu dem Drucksensorelement, hält jedoch Verschmutzungen von dem Drucksensorelement fern.
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Weiterhin wird ein Drucksensor vorgeschlagen. Der Drucksensor weist ein Sensorgehäuse und ein Drucksensormodul nach den vorstehend genannten Ausbildungen auf. Dabei ist das Drucksensormodul zumindest teilweise in dem Sensorgehäuse angeordnet.
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Figurenliste
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 eine Explosionsdarstellung eines Drucksensormoduls zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- 2 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Drucksensormoduls 10 zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Drucksensormodul 10 weist ein Drucksensorelement 12 auf. Das Drucksensorelement 12 ist beispielsweise ein MEMS Sensorelement. Das Drucksensormodul 10 weist weiterhin eine Fluidkammer 14 auf. Die Fluidkammer 14 ist mit einem inkompressiblen Fluid gefüllt. Das inkompressible Fluid kann ein Öl wie beispielsweise ein synthetisches Öl sein.
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Das Drucksensormodul 10 weist weiterhin einen Schaltungsträger 16 auf. Der Schaltungsträger 16 ist bevorzugt eine Leiterplatte, kann aber auch aus Premold oder Keramik sein. Der Schaltungsträger 16 kann elektrische Leiterbahnen zum elektrischen Kontaktieren des Drucksensorelements 12 aufweisen. Auf dem Schaltungsträger 16 und/oder in den Schaltungsträger 16 integriert können Schaltungsbauteile zum Auswerten von Signalen des Drucksensorelements 12 angeordnet sein.
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Das Drucksensormodul 10 weist weiterhin einen Rahmen 18 auf. Der Rahmen 18 ist im Wesentlichen zylindrisch oder rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Rahmen 18 kann ein flächiges Bauteil mit einer Aussparung für die Fluidkammer 14 sein. Der Rahmen 18 ist auf dem Schaltungsträger 16 angeordnet und fluiddicht mit dem Schaltungsträger 16 verbunden, wie beispielsweise mittels eines Klebeelements 19 verklebt.
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Das Drucksensormodul 10 weist weiterhin eine Membran 20 auf. Die Membran 20 ist aus Kunststoff hergestellt. Die Membran 20 ist mit dem Rahmen 18 fluiddicht verbunden. Die Membran 20 ist bei der gezeigten Ausführungsform eine dünne, kreisförmige Kunststofffolie. Die Fluidkammer 14 ist durch eine Teilfläche 22 des Schaltungsträgers 16, den Rahmen 18 und die Membran 20 ausgebildet. Die Membran 20 verschließt eine Öffnung für die Fluidkammer 14 im Rahmen 18 fluiddicht. Die Membran 20 ist im Wesentlichen parallel zu der Teilfläche 22 des Schaltungsträgers 16 ausgerichtet. Die Membran 20 ist an einem umlaufenden Rand durch den Rahmen 18 fixiert. Ein zentraler Bereich der Membran 20 ist zum Übertragen des Drucks des zu messenden fluiden Mediums auf die Fluidvorlage der Fluidkammer 14 im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene der Membran 20 beweglich. Das Drucksensorelement 12 ist in der Fluidkammer 14 auf der Teilfläche 22 angeordnet.
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Die Membran 20 weist eine Beschichtung 24 auf. Die Beschichtung 24 ist aus einem für das fluide Medium impermeablen Material hergestellt. Die Beschichtung 24 ist beispielsweise aus Metall hergestellt. Die Beschichtung 24 kann beispielsweise mittels Metallbedampfung oder Atomlagenabscheidung auf die Membran 20 aufgebracht sein. Mit derartigen Verfahren lassen sich sehr gut dünne Schichten auf Trägersubstrate, wie beispielsweise die Kunststoffmembran, aufbringen und sind beispielsweise mikroskopisch gut nachweisbar. Die Beschichtung 24 ist auf einer der Fluidkammer 14 abgewandten Seite 26 der Membran 20 angeordnet. Es wird jedoch explizit betont, dass die Beschichtung alternativ oder zusätzlich auf einer der Fluidkammer 14 zugewandten Seite 28 der Membran 20 angeordnet sein kann.
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Der Rahmen 18 ist aus Kunststoff hergestellt. Dabei können der Rahmen 18 und die Membran 20 aus dem gleichen Kunststoff hergestellt sein. Der Rahmen 18 kann ebenfalls eine Beschichtung 30 aufweisen. Die Beschichtung 30 kann ebenfalls aus einem für das fluide Medium impermeablen Material hergestellt sein. Die Beschichtung 30 des Rahmens 18 kann auf einer der Fluidkammer 14 abgewandten Außenfläche 32 des Rahmens 18 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Beschichtung 30 auf einer der Fluidkammer 14 zugewandten Innenfläche 34 des Rahmens 18 angeordnet sein.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Drucksensors 36 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Drucksensor 36 weist ein Sensorgehäuse 38 auf. Der Drucksensor 36 weist weiterhin das Drucksensormodul 10 gemäß der obigen Beschreibung der 1 auf. Das Drucksensormodul 10 ist zumindest teilweise in dem Sensorgehäuse 38 angeordnet. Der Drucksensor 36 weist weiterhin einen Druckstutzen 40 auf. Der Druckstutzen 40 kann in eine Aufnahmebohrung gesteckt und mit einem Befestigungsflansch befestigt werden. Alternativ kann der Druckstutzen 40 ein Außengewinde zum Einschrauben in die Aufnahmebohrung aufweisen. Weiterhin weist der Druckstutzen eine nicht näher gezeigte Dichtung zum fluiddichten Abdichten gegen eine Dichtfläche der Aufnahmebohrung auf. Die Dichtung kann beispielsweise ein in einer Nut um den Druckstutzen 40 angeordneter O-Ring sein. Das Drucksensormodul 10 ist derart in dem Sensorgehäuse 38 angeordnet, dass die Membran 20 die Fluidkammer 14 von einem Druckkanal 42 des Druckstutzens 40 trennt. Der Druckkanal 42 führt durch den Druckstutzen 40 bis zu dem zu messenden fluiden Medium.
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Das Drucksensormodul 10 bzw. der Drucksensor 36 können grundsätzlich wie folgt modifiziert sein. Die Membran 20 kann mit dem Rahmen 18 verklebt oder verschweißt sein. Alternativ kann die Membran 20 in den Rahmen 18 integriert sein. Bei der integrierten Membran 20 kann ein umlaufender Randbereich der Membran 20 durch ein (Kunststoff-)Material des Rahmens hinterspritzt sein. Bei der geklebten Membran 20 kann die Membran 20 durch eine Klebeschicht mit dem Rahmen 18 verbunden sein. Bei der geschweißten Membran 20 kann die Membran 20 mit dem Rahmen 18 in einem thermischen Prozess verschweißt sein. Beispielsweise kann die Membran 20 unter Verwendung von Laser oder Ultraschall mit dem Rahmen 18 zum Verschweißen erhitzt werden. Bei der integrierten Membran 20 kann die Membran 20 während eines Spritzgussprozesses in den Rahmen 18 integriert werden. Dabei umfließt das Kunststoffmaterial des Rahmen 18s einen Randbereich der Membran 20. Dadurch ist die Membran 20 fest mit dem Rahmen 18 verbunden.
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Die Membran 20 kann eine Wellenstruktur aufweisen oder eben sein. Die Membran 20 kann eckig oder rund sein. Da die Membran 20 aus flexiblem Material besteht, kann die Membran 20 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 Rahmen 18 kann auf einer dem Schaltungsträger 16 gegenüberliegenden Seite eine Klebefläche zum Befestigen an einem Druckstutzen eines Drucksensors aufweisen. Die Membran 20 kann in einer Aussparung der Klebefläche angeordnet sein. Der Schaltungsträger kann über den Rahmen 18 befestigt werden. Die Klebeverbindung kann Fertigungstoleranzen ausgleichen. Der Rahmen 18 kann an der Klebefläche mit dem Druckstutzen unter Verwendung eines Klebstoffs fluiddicht verklebt sein. Der Klebstoff kann einen Spalt zwischen dem Rahmen 18 und dem Druckstutzen vollständig auffüllen, sodass kein Medium aus dem Druckstutzen austreten kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212422 A1 [0003]
- DE 102017213129 A1 [0003]
