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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensormodul. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Sensormodul zur Anbringung an einer Platine.
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Ein elektrisches Steuergerät umfasst eine Platine mit Leiterbahnen. Elektrische Bauelemente sind an der Platine angebracht und mit den Leiterbahnen elektrisch verbunden. Viele Bauelemente können kostengünstig in Oberflächenmontage an der Platine angebracht werden (surface mounted devices, SMD), andere erfordern eine Durchsteckmontage (through hole technology, THT). Größere Bauelemente, beispielsweise bestimmte Sensoren, können zunächst an einer Trägerstruktur angebracht werden, die dann an der Platine montiert wird. Elektrische Kontakte eines solchen Sensors können direkt oder mittels eines elektrischen Verbindungselements mit einer Leiterbahn verbunden werden.
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Der Sensor kann empfindlich gegenüber einer elektrostatischen Entladung (electro static discharge, ESD) sein, die bei der Montage oder im Betrieb auftreten kann. Die statische Elektrizität kann durch den Sensor fließen und diesen beschädigen oder zerstören. Insbesondere dann, wenn der Sensor für die Steuerung einer sicherheitsrelevanten Funktion erforderlich ist, sollte er gegen Schäden aus einer solchen Entladung gesichert werden. Weist der Sensor ein elektrisch leitfähiges Gehäuse auf, so kann dieses zur Ableitung einer Überspannung direkt oder über einen Widerstand mit einer elektrischen Masse, einer Gerätemasse oder einem Erde-Potential verbunden werden.
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Das Gehäuse kann keinen dedizierten Kontaktpunkt aufweisen, sodass seine elektrische Kontaktierung aufwändig sein kann. Es wurde vorgeschlagen, zu diesem Zweck einen teleskopischen, federbelasteten Kontakt einzusetzen, der als Pogo Pin bekannt ist. Ein solcher Kontakt wird üblicherweise an einem Ende mit der Platine verlötet, sodass die Positionierung des Sensors bezüglich der Platine von Abmessungen des Pogo Pins bestimmt ist. Außerdem kann die Lötstelle an der Platine unter mechanischen Belastungen durch den Sensor auf Dauer Schaden nehmen. Auch verursacht der Pogo Pin Kosten.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Angabe eines verbesserten Sensormoduls, das die Ableitung elektrischer Ladungen von einem Sensor unterstützt. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Sensormodul zur Anbringung an einer Platine eine Trägerstruktur zur mechanischen Befestigung an der Platine; einen Sensor zur Bereitstellung eines elektrischen Signals; und ein an der Trägerstruktur angebrachtes erstes Kontaktelement. Das erste Kontaktelement umfasst ein erstes Ende zur elektrischen Verbindung mit der Platine und ein zweites Ende zur Anlage an einem elektrisch leitfähigen Gehäuse des Sensors, wenn der Sensor an der Trägerstruktur angebracht ist.
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Vorteilhafterweise kann das erste Kontaktelement mit einer Schutzbeschaltung auf der Platine elektrisch kontaktiert sein.
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Bevorzugt kann der Sensor verbessert gegen eine elektrostatische Entladung geschützt sein. Eine Positionierung des Sensors bezüglich der Platine kann durch entsprechende Formgebung der Trägerstruktur flexibel sein. Das Kontaktelement kann einfach gestaltet und kostengünstig ausgeführt sein.
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Bevorzugt ist ein zweites Kontaktelement zur elektrischen Verbindung eines Anschlusses des Sensors mit der Platine vorgesehen. Der Anschluss kann insbesondere einen Signalanschluss, einen Steueranschluss oder einen Versorgungsanschluss umfassen. Der Sensor kann mehrere Anschlüsse aufweisen, die mittels zugeordneter zweiter Kontaktelemente mit der Platine verbunden sein können. Die Kontaktelemente können ähnlich an der Trägerstruktur ausgebildet sein, sodass ein Herstellungs- und Verarbeitungsaufwand insgesamt verringert sein kann.
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Ein zweites Kontaktelement ist bevorzugt stoffschlüssig mit dem Anschluss des Sensors verbunden. Insbesondere kann eine Verbindungstechnik eingesetzt werden, die eine dauerhaft kontaktsichere Verbindung erlaubt. Insbesondere kann das Kontaktelement an dem Anschluss angeschweißt sein. Die Schweißung kann mittels eines Lasers hergestellt sein.
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Eines oder mehrere der Kontaktelemente können von einem Stanzgitter umfasst sein. Das Stanzgitter kann eine kostengünstige Herstellung mehrerer Kontaktelemente erlauben. Die Kontaktelemente können präzise geführt sein und in ähnlicher Weise mit der Platine verbunden werden. Bevorzugt sind Enden der Kontaktelemente zur Verbindung mit der Platine im Wesentlichen so ausgebildet wie Kontaktstellen eines elektrischen Bauteils. Insbesondere können die Kontaktelemente an der Platine per Oberflächenmontage oder Durchsteckmontage angebracht und verlötet werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind zwei Sensoren vorgesehen, wobei das erste Kontaktelement zwei zweite Enden zur Kontaktierung jeweils eines der Sensoren aufweist. So können die Gehäuse der beiden Sensoren elektrisch miteinander verbunden sein und zusätzlich mit einem Potential, das an der Platine anliegt. Durch die Verwendung nur eines Kontaktelements für zwei Sensoren kann der verbesserte ESD-Schutz kostengünstig realisiert sein. Es können auch mehr als zwei Sensoren mittels nur eines ersten Kontaktelements kontaktiert sein. In einer anderen Ausführungsform sind mehrere erste Kontaktelemente für einen oder mehrere Sensoren vorgesehen.
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Alternativ können zwei Sensoren vorgesehen sein, wobei zwei erste Kontaktelemente vorhanden sind, um den Kontakt zwischen Gehäuse und Platine herzustellen.
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Die Trägerstruktur kann insbesondere im Spritzguss herstellbar sein. Dabei kann das Kontaktelement in die Trägerstruktur eingespritzt oder die Trägerstruktur an das Kontaktelement angespritzt sein. Auf einfache Weise können das Kontaktelement und die Trägerstruktur ein kombiniertes Bauteil zur mechanischen und elektrischen Verbindung des Sensors an der Platine bilden. Das Bauteil kann kostengünstig hergestellt werden und mechanischen und elektrischen Belastungen gut standhalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Trägerstruktur eine Aussparung, in welcher der Sensor mittels Klemmsitz gehalten ist. Insbesondere kann eine Presspassung oder Übermaßpassung zwischen dem Sensor und der Trägerstruktur vorgesehen sein. Der Sensor kann in die Aussparung eingepresst sein. In einer Ausführungsform umfasst der Sensor einen zylindrischen Abschnitt, der in eine korrespondierende Aussparung eingepresst werden kann, sodass sich der Klemmsitz ergibt.
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Es ist bevorzugt, dass das erste Kontaktelement im Bereich der Aussparung elastisch ausgebildet ist. Im Bereich seines zweiten Endes kann das erste Kontaktelement aus der Trägerstruktur hervorstehen, sodass es durch den Sensor gegenüber der Trägerstruktur ausgelenkt werden kann. Eine Elastizität des ersten Kontaktelements in diesem Bereich kann durch sein Material und seine Formgebung bestimmt sein.
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Durch die Elastizität kann sichergestellt sein, dass das erste Kontaktelement mit einer vorbestimmten Kraft am leitfähigen Gehäuse des Sensors anliegt und so für einen sicheren elektrischen Kontakt sorgt. Eine Form des ersten Kontaktelements an seinem zweiten Ende kann derart gewählt sein, dass ein Einfädeln oder Einführen des Sensors in die Aussparung nicht behindert ist. Dazu kann das zweite Ende beispielsweise eine schräge Anlaufkante zum Eingriff mit dem Gehäuse aufweisen.
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Weiter bevorzugt weist wenigstens eines der Kontaktelemente einen mäanderförmigen Abschnitt auf. Dieser Abschnitt kann insbesondere im Bereich des Sensors vorgesehen sein. Der mäanderförmige Abschnitt kann aus der Trägerstruktur hervorstehen, sodass das Kontaktelement in diesem Bereich begrenzt beweglich ist. Durch den mäanderförmigen Abschnitt können mechanische Kräfte von einer Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Sensor reduziert oder ferngehalten sein. Die Kontaktierung des Sensors mit der Platine kann so verbessert resistent beispielsweise gegen thermische Spannungen, Vibrationen oder Stöße sein.
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Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Steuergerät eine Platine, an der ein hierin beschriebenes Sensormodul angebracht ist. Das Steuergerät kann zur Steuerung einer Komponente an Bord eines Fahrzeugs eingerichtet sein. Insbesondere kann das Steuergerät zur Steuerung eines Getriebes, eines Antriebs oder eines Übertragungselements in einem Antriebsstrang des Fahrzeugs verwendet werden. Auch mehrere Elemente des Antriebsstrangs oder ein kombiniertes Element wie ein Hybridantrieb können durch das Steuergerät steuerbar sein. In einer Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, die Komponente elektrohydraulisch zu steuern. Dabei kann der Sensor dazu eingerichtet sein, einen hydraulischen Druck zu bestimmen. Beispielsweise kann die Einrichtung eine Kupplung, ein Getriebe oder einen elektrischen Hybridantrieb umfassen.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Fahrzeug ein hierin beschriebenes Steuergerät. Das Fahrzeug kann eine hierin genannte, mittels des Steuergeräts steuerbare Einrichtung umfassen.
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Nach wieder einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Sensormoduls Schritte des Anspritzens einer Trägerstruktur an ein erstes Kontaktelement; sodass die Trägerstruktur zur Anbringung an einer Platine ausgebildet ist; und die Trägerstruktur eine Aussparung zur Aufnahme eines Sensors aufweist; sodass ein erstes Ende des ersten Kontaktelements zur elektrischen Verbindung mit der Platine und ein zweites Ende zur Anlage an einem elektrisch leitfähigen Gehäuse des Sensors positioniert ist, wenn der Sensor in die Aussparung eingesetzt ist; und des Einsetzens des Sensors in die Aussparung.
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Das Verfahren kann zur kostengünstigen und sicheren Herstellung eines hierin beschriebenen Sensormoduls eingesetzt werden. Bevorzugt wird das erste Kontaktelement zusammen mit einem zweiten verarbeitet. Die Kontaktelemente können von einem Stanzgitter umfasst sein und nach dem Anbringen an der Trägerstruktur voneinander und von Haltestegen getrennt werden. Das zweite Kontaktelement kann stoffschlüssig mit einem Anschluss des Sensors verbunden werden. Das Verfahren kann eine kostengünstige und effiziente Herstellung eines hierin beschriebenen Sensormoduls erlauben.
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Zur Herstellung eines hierin beschriebenen Steuergeräts kann das Verfahren auch einen Schritt des Anbringens des Sensormoduls am Steuergerät umfassen.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein Sensormodul an einer Platine;
- 2 eine Rückseite einer Platine mit einem Sensormodul;
- 3 ein Sensormodul zur Anbringung an einer Platine;
- 4 Stanzgitter und Sensoren für ein Sensormodul;
- 5 Stanzgitter und Sensoren für ein Sensormodul in einer weiteren Ausführungsform;
- 6 Stanzgitter und Sensoren für ein Sensormodul in einer weiteren Ausführungsform; und
- 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Sensormoduls
darstellt.
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1 zeigt ein Sensormodul 100 an einer Platine 105. Die Platine 105 ist bevorzugt von einem Steuergerät umfasst, das dazu eingerichtet ist, eine Einrichtung in Abhängigkeit eines Messwerts eines Sensors des Sensormoduls 100 zu steuern. 2 zeigt die Platine 105 von 1 von einer dem Sensormodul 100 abgewandten Rückseite.
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Das Sensormodul 100 umfasst eine Trägerstruktur 110, die bevorzugt aus einem nicht leitenden Material besteht und weiter bevorzugt im Spritzgussverfahren herstellbar ist. Eine Seite der Trägerstruktur 110 ist dazu eingerichtet, an der ebenen Platine 105 anzuliegen. Eine mechanische Befestigung der Trägerstruktur 110 an der Platine 105 kann beispielsweise mittels Schrauben, Nieten oder Kleben erfolgen. In der dargestellten Ausführungsform ist an der Rückseite der Platine 105 ein Spanschutz 115 vorgesehen, der mehrere Rastelemente aufweist, die sich durch Aussparungen in der Platine 105 erstrecken und in die Trägerstruktur 110 mechanisch eingreifen. Der Spanschutz 115 ist bevorzugt dazu eingerichtet, auch kleine elektrisch leitfähige Partikel von einem Bereich der Platine 105 fernzuhalten, in dem das Sensormodul 100 elektrisch mit ihr kontaktiert ist.
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Das Sensormodul 100 umfasst ferner wenigstens einen Sensor 120 sowie wenigstens ein Kontaktelement (nicht dargestellt) zur elektrischen Kontaktierung eines Sensors 120 mit der Platine 105. Die Trägerstruktur 110 umfasst bevorzugt eine Aussparung 125, in die ein Abschnitt des Sensors 120 eingeführt werden kann. Die dargestellten Sensoren 120 sind exemplarisch hydraulische Drucksensoren, die dazu eingerichtet sind, jeweils einen hydraulischen Druck eines Fluids in einem hydraulische System zu bestimmen. Dazu können die Sensoren 120 jeweils ein Mikroelement (micro electromechanical system, MEMS) aufweisen. Diese können eine Halbleiterstruktur umfassen, die häufig in CMOS-Technik aufgebaut ist. Ein Sensor 120 kann ein elektrisch leitfähiges Gehäuse 130 aufweisen, welches elektrisch mit einem vorbestimmten Potential verbunden werden kann, um eine Beschädigung oder Zerstörung des Sensors 120 aufgrund von ESD zu verhindern. Das Sensormodul 100 mit den beiden Sensoren 120 kann beispielsweise zur Steuerung einer Doppelkupplung oder eines Getriebes mit Doppelkupplung eingesetzt werden. Dabei sind zwei Kupplungen vorgesehen, die hydraulisch betätigt werden können, wobei ein an der Kupplung anliegender hydraulischer Druck mittels eines Sensors 120 erfasst werden kann.
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3 zeigt ein Sensormodul 100 vor seiner Anbringung an einer Platine 105. Eine nach oben weisende Seite des Sensormoduls 100 ist zur Anlage an der Platine 105 eingerichtet. Ein erstes Kontaktelement 305 und mehrere zweite Kontaktelemente 310 sind jeweils dazu eingerichtet, einen Sensor 120 mit der Platine 105 elektrisch zu verbinden. Enden der Kontaktelemente 305, 310 sind zur Durchsteckmontage an der Platine 105 eingerichtet.
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Zur mechanischen Fixierung des Sensormoduls 100 an der Platine 105 können eines oder mehrere mit der Trägerstruktur 110 verbundene Elemente vorgesehen sein, die in entsprechende Aussparungen der Platine 105 eingreifen können. Vorliegend ist eine Buchse 315, die auch als separates Bauteil vorgesehen sein kann, und wenigstens ein Stift 320 vorgesehen, der bevorzugt einstückig mit der Trägerstruktur 110 ausgebildet ist.
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4 zeigt ein Stanzgitter 405 und zwei Sensoren 120 in einer Anordnung entsprechend derer von 3, jedoch ohne die Trägerstruktur 110. Das Stanzgitter 405 umfasst eines oder mehrere der Kontaktelemente 305 und 310. Vorliegend sind nur zweite Kontaktelemente 310 dargestellt, wobei jeweils drei zur Kontaktierung eines Sensors 120 verwendet werden.
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Ein zweites Kontaktelement 310 weist ein erstes, in der Darstellung nach oben ragendes Ende zur Kontaktierung mit der Platine 105 und ein zweites Ende zur elektrischen Verbindung mit einem Anschluss 410 des Sensors 120 auf. Diese Verbindung wird bevorzugt mittels Schweißen, insbesondere mittels Laserschweißen, hergestellt. Ein Abschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Ende ist bevorzugt mechanisch an der Trägerstruktur 110 fixiert. Ein Abschnitt des zweiten Kontaktelements 310 nahe dem Anschluss 410 ist jedoch bevorzugt zumindest in Grenzen beweglich ausgeführt. Dazu kann die Trägerstruktur 110 in diesem Bereich keinen Kontakt zum zweiten Kontaktelement 310 aufweisen und das Kontaktelement 310 kann einen mäanderförmigen Abschnitt 415 tragen. Optional ist das zweite Kontaktelement 310 mittels eines Fortsatzes 420 verlängert, der ebenfalls einen mäanderförmigen Abschnitt 415 tragen kann und dessen entferntes Ende mechanisch mit der Trägerstruktur 110 verbunden ist.
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Das Stanzgitter 405 kann aus einem Blech hergestellt werden. Dazu können mittels Stanzen die Kontaktelemente 305 und 310 ausgebildet werden, die zunächst noch über Stege miteinander verbunden sein können. Durch Biegen, Falzen oder Falten können die Kontaktelemente 305, 310 in ihre endgültigen Formen gebracht werden. Abschnitte zwischen den Kontaktelementen 305, 310 können entfernt werden, nachdem die Kontaktelemente 305, 310 mechanisch an der Trägerstruktur 110 befestigt sind.
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5 und 6 zeigen Stanzgitter 405 und Sensoren 120 in einer weiteren Ausführungsform und in unterschiedlichen Perspektiven. Während die zweiten Kontaktelemente 310 dazu eingerichtet sind, mit dedizierten elektrischen Anschlüssen 410 der Sensoren 120 verbunden zu werden, umfasst das erste Kontaktelement 305 ein erstes Ende 505 zur elektrischen Verbindung mit der Platine 105 und ein zweites Ende 510 zur Anlage am Gehäuse 130 eines Sensors 120. Vorliegend ist das erste Kontaktelement 305 im Wesentlichen T-förmig aufgebaut und umfasst zwei zweite Enden 510 zur Anlage an unterschiedlichen Sensoren 120.
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Ein zweites Ende 510 des ersten Kontaktelements 305 ist bevorzugt derart an der Trägerstruktur 110 angebracht und ausgebildet, dass es am Gehäuse 130 eines Sensors 120 anliegt, wenn dieser in eine korrespondierende Aussparung 125 der Trägerstruktur 110 eingeführt ist. Dazu kann der Sensor 120 in die Trägerstruktur 110 bevorzugt eingeschoben oder eingepresst werden. Bezüglich einer Bewegungsrichtung des Sensors 120 in die Aussparung 125 kann das zweite Ende 510 des ersten Kontaktelements 305 radial oder axial am Gehäuse 130 anliegen. In einer Ausführungsform ist das zweite Ende 510 unbeweglich an der Trägerstruktur 110 ausgebildet. Dabei kann es vorteilhaft sein, eine größere Kontaktfläche zur Anlage am Gehäuse 130 vorzusehen. In einer anderen Ausführungsform ist das zweite Ende 510 beweglich an der Trägerstruktur 110 und derart ausgebildet, dass es mit einer vorbestimmten Vorspannung gegen den Sensor 120 drückt, wenn dieser in die Aussparung 125 eingesetzt ist. In dieser Ausführungsform kann ein Kontaktbereich relativ klein sein und ein punktförmiger Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement 305 und dem Gehäuse 130 des Sensors 120 angestrebt werden.
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In beiden Fällen können das zweite Ende 510 und/oder das Gehäuse 130 des Sensors 120 im Kontaktbereich behandelt sein, um ein Oxidieren des Kontakts zu vermeiden, beispielsweise mittels Verzinnen, Vernickeln oder Vergolden.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zur Herstellung eines Sensormoduls 100. In einem Schritt 705 können Elemente, die mit der Trägerstruktur 110 verbunden werden sollen, in eine Spritzgussform eingelegt werden. Diese Elemente umfassen bevorzugt ein Stanzgitter 405 sowie optional eine Hülse 315. In einem Schritt 710 können Niederhalter, Schieber oder Füllelemente in die Form eingesetzt werden, um die eingelegten Elemente verbessert zu positionieren oder Bereiche zu definieren, die nicht durch die Trägerstruktur 110 ausgefüllt werden sollen.
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In einem Schritt 715 kann die Form geschlossen und ihr Inhalt mit einem Kunststoff oder einem anderen Material unter Druck gefüllt werden. Nach dem Abkühlen bzw. Aushärten des Materials kann die Form in einem Schritt 720 geöffnet werden und die Trägerstruktur 110 mit den eingelegten Elementen 405, 315 kann entnommen werden. Das Stanzgitter 405 kann aufgebrochen werden, um die einzelnen Kontaktelemente 305, 310 elektrisch voneinander zu trennen.
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In einem Schritt 725 kann ein Sensor 120 in eine Aussparung 125 an der Trägerstruktur 110 eingesetzt werden. Das Einsetzen kann einen vorbestimmten Kraftaufwand erfordern, sodass der Sensor 120 in der Aussparung 125 bevorzugt mittels Klemmsitz gehalten ist. Insbesondere kann der Sensor 120 in die Aussparung 125 eingepresst werden.
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In einem Schritt 730 kann der Sensor 120 elektrisch kontaktiert werden, indem die zweiten Kontaktelemente 310 mittels korrespondierenden Anschlüssen 410 des Sensors 120 verbunden werden. Die Verbindung kann insbesondere mittels Laserschweißen hergestellt werden. Ein Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement 305 und dem Gehäuse 130 des Sensors 120 ist bereits beim Einführen des Sensors 120 in die Aussparung 125 hergestellt worden und bedarf bevorzugt keiner weiteren Bearbeitung.
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Das fertiggestellte Sensormodul 100 kann in einem Folgeschritt 735 an einer Platine 105 angebracht werden. Die Platine 105 kann Teil eines Steuergeräts sein oder mit einer solchen verbunden werden. In einem nicht dargestellten weiteren Folgeschritt kann das Steuergerät an einer zu steuernden Einrichtung, insbesondere einem Getriebe, einem Hybridantrieb oder einer Kupplung angebracht werden. Die Einrichtung und das Steuergerät können in einem Fahrzeug verbaut werden. Das Steuergerät dazu eingerichtet sein, die Einrichtung im Fahrzeug zu steuern. Dabei kann die Einrichtung insbesondere Teil eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Sensormodul
- 105
- Platine
- 110
- Trägerstruktur
- 115
- Spanschutz
- 120
- Sensor
- 125
- Aussparung
- 130
- Gehäuse
- 305
- erstes Kontaktelement
- 310
- zweites Kontaktelement
- 315
- Buchse
- 320
- Stift
- 405
- Stanzgitter
- 410
- Anschluss
- 415
- mäanderförmiger Abschnitt
- 420
- Fortsatz
- 505
- erstes Ende
- 510
- zweites Ende
- 700
- Verfahren
- 705
- Kontaktelemente einlegen
- 710
- Niederhalter einlegen
- 715
- Umspritzen / Anspritzen
- 720
- Trägerstruktur entnehmen
- 725
- Sensor einsetzen
- 730
- Sensor kontaktieren
- 735
- Sensormodul an Platine anbringen
