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Die
Erfindung betrifft ein Sensormodul mit einem Sensorchip, der mit
einer Kunststoffabdeckung abgedeckt ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Sensormoduls.
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Ein
derartiges Sensormodul ist aus der
US 2007/0139044 A1 bekannt.
Bei dem bekannten Sensormodul ist der Sensorchip auf einem Leitergitter aufgebracht
und mit einer ersten Kunststoffhülle
aus einem Duroplast umgeben. Die innere Kunststoffhülle ist
weiterhin von einer äußeren Kunststoffhülle umgeben,
die sich bis zu einem Kontaktende der vom Leitergitter gebildeten
Leiterbahnen erstreckt. An den Kontaktenden der Leiterbahn ist die äußere Kunststoffhülle als
Steckerfassung ausbildet. Das bekannte Sensormodul dient insbesondere
der Erfassung der Drehgeschwindigkeit eines Turboladers.
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Ferner
ist aus der
US
2004/0118227 A1 ein Sensormodul bekannt, bei dem ein Sensorchip
auf einem Leitergitter fixiert ist. Der Sensorchip und das Leitergitter
sind von einer Kunststoffhülle
umgeben. Die Leiterbahnen des Leitergitters sind ferner mit Kontaktstiften
verbunden. Der Übergangsbereich zwischen
dem Leitergitter und den Kontaktstiften ist von einer weiteren Kunststoffhülle abgedeckt,
die sich bis zu Kontaktenden der Kontaktstifte erstreckt und dort
eine Steckerfassung bildet.
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Als
Sensorchip sind insbesondere temperaturempfindliche Sensorchips,
auf Magnetfelder empfindliche Sensorchips, Winkelgeschwindigkeitssensoren
oder Beschleunigungssensoren vorgesehen.
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Ein
Nachteil der bekannten Sensormodule ist, dass die Kunststoffhülle das
Messsignal verfälschen
kann. Beispielsweise kann die zusätzliche Masse der Kunststoffhülle die
Antwortzeit des Sensormoduls vergrößern. Ferner können Eichungen notwendig
sein, um den Einfluss der Kunststoffhülle zu korrigieren.
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Aus
der
WO 03/068671
A2 ist eine Sensor- und/oder Aktuatoranordnung bekannt,
bei der auf oder in einem Chip mindestens ein Sensor oder ein Aktuator
vorgesehen ist. Um einerseits sowohl den Chip als auch dessen elektrische
Kontakte sicher vor der Umwelt zu schützen, andererseits aber den
Sensor oder Aktuator für
Messungen von Parametern einer Flüssigkeit oder eines Gases einsetzen
zu können,
ist der Chip mit dem Sensor mit einer Schutzabdeckung bedeckt. Es
ist mindestens ein Kanal zu einem Sensor oder Aktuator vorgesehen,
der zumindest teilweise lateral zur Oberfläche des Chips geführt ist.
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Die
DE 103 04 775 B3 betrifft
ein Messgerät und
ein Messverfahren für
chipkartenförmige
Biosensoren und Verfahren zur Herstellung desselben. Dazu weist
der Biosensor einen Halbleiterchip mit einer bioaktiven Struktur
und Kontaktflächen
auf. Der Biosensor ist von einem Umverdrahtungssubstrat bedeckt.
Das Umverdrahtungssubstrat überragt
den Halbleiterchip, so dass außen
Kontaktflächen
des Umverdrahtungssubstrats frei zugänglich sind.
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Die
DE 10 2004 013 852
A1 offenbart ein Sensorelement zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft
eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente
in einem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im
Abgas von Brennkraftmaschinen. Zur Reduzierung des durch Konvektion
und Strahlung zur kalten Messgasströmung bedingten Abwärmeverlusts
des Sensorelementes ist die äußere Elektrode
in einem im Festkörperelektrolytkörper ausgebildeten
Hohlraum angeordnet.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein hinsichtlich der Messeigenschaften verbessertes Sensormodul
zu schaffen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Herstellung des Sensormoduls anzugeben.
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Diese
Aufgaben werden durch das Sensormodul und das Verfahren mit den
Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
In davon abhängigen Ansprüchen sind
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Das
Sensormodul verfügt über einen
Kanal, der von einer Sensorfläche
des Sensorchips zu einer Außenseite
des Sensormoduls führt.
Unter Kanal soll dabei eine Freisparung verstanden werden, deren Querschnittsabmessungen
klein im Vergleich zu der von der Sensorfläche des Sensorchips bis zur
Außenseite
gemessenen Länge
des Kanals ist. Durch einen derartigen Kanal steht die Sensorfläche des Sensorchips
mit der Umgebung des Sensormoduls in Kontakt. Insbesondere Druckänderungen
in dem umgebenden Medium können
mit dem Sensormodul unmittelbar erfasst werden, ohne dass der Einfluss
der Kunststoffhülle
auf das Messergebnis durch Eichungen bestimmt werden muss. Das Sensormodul
ist mit Leiterbahnen versehen und der Kanal ist entlang einer Leiterbahn
bis zu einer Kontaktstelle der Leiterbahn geführt. Dabei besteht die Möglichkeit,
den Kanal durch eine geeignete Querschnittsprofilierung der Leiterbahn
auszubilden.
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Insbesondere
ist es möglich,
den Kanal durch eine Prägung
einer Leiterbahn herzustellen, wenn die Leiterbahnen von einem Leitergitter
gebildet sind. In diesem Fall kann beispielsweise der Kanal durch
Ausbilden einer Nut in einer Leiterbahn des Leitergitters hergestellt
werden. Unter Leitergitter soll in diesem Zusammenhang eine selbsttragende
Einheit von Leiterbahnen verstanden werden, wobei die Leiterbahnen
nach Abschluss der Fertigung nicht notwendigerweise untereinander
verbunden sein müssen.
Bei dem Leitergitter kann es sich beispielsweise um ein so genanntes
Stanzgitter (= lead frame) handeln. Durch die Verwendung eines derartigen
Leitergitters kann die Festigkeit des Sensormoduls zusätzlich erhöht werden.
Außerdem
wird die Fertigung erleichtert, da ein stabiler Träger zur
Verfügung
steht.
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Die
in einer Leiterbahn des Leitergitters ausgebildete Nut ist vorzugsweise
mithilfe einer Folie abgedeckt, um zu verhindern, dass während der
Herstellung der Kunststoffabdeckung Kunststoff in den Kanalbereich
gelangt und den Kanalbereich blockiert.
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Ferner
kann der Kanal auch von einer Kanüle gebildet sein, die beispielsweise
in eine in einer Leiterbahn des Leitergitters ausgebildete Nut eingelegt
ist. Durch eine derartige Kanüle
kann ein durchgängiger
Kanal von der Sensorfläche
des Sensorchips bis zur Außenseite
des Sensormoduls ausgebildet werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Sensormodul mit einer weiteren Freisparung versehen, die
von der Außenseite
des Sensormoduls bis zu einer weiteren Sensorfläche des Sensorchips reicht.
Falls es sich bei dem Sensorchip um einen Differenzdrucksensor handelt,
kann in diesem Fall der Differenzdruck zwischen dem Druck des Mediums
an der weiteren Sensorfläche
und der am Kanal anliegenden Sensorfläche bestimmt werden.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnung erläutert
werden. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Außenansicht
eines Sensormoduls;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Leitergitters des Sensormoduls aus 1 mit
darauf aufgebrachten Bauelementen;
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3 eine
perspektivische Ansicht der Rückseite
des Leitergitters aus 2;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer Leiterplatte eines abgewandelten Sensormoduls
mit darauf aufgebrachtem Sensorchip;
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5 eine
vergrößerte Querschnittsansicht einer
abgewandten Leiterplatte;
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6 eine
vergrößerte Querschnittsansicht einer
weiteren Leiterplatte und
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7 eine
perspektivische Ansicht eines weiteren abgewandelten Sensormoduls.
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1 zeigt
eine perspektivische Außenansicht
eines Sensormoduls 1, bei dem ein Leitergitter 2 mit
einem Sensorchip 3 versehen ist. Das Leitergitter 2 und
der Sensorchip 3 sind von einer Kunststoffhülle 4 umgeben,
die sich bis zu Kontaktenden 5 des Leitergitters 2 erstreckt.
Ferner ist die Kunststoffhülle 4 mit
einer Freisparung 6 versehen, die von einer Außenseite 7 des
Sensormoduls 1 bis zu einer Sensorfläche 8 des Sensorchips 3 reicht.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Leitergitters 2, das eine
innere Leiterbahn 9 aufweist, die für die Belegung mit Masse vorgesehen
ist. Neben der Leiterbahn 9 sind weitere Leiterbahnen 10 und 11 vorgesehen, über die
Messsignale laufen oder die Versorgungsspannung zum Sensorchip 3 geführt wird.
Der Sensorchip 3 ist auf einen gabelförmigen Halteabschnitt 12 der
Leiterbahn 9 aufgebracht und mithilfe von Bonddrähten 13 mit
den Leiterbahnen 9 bis 11 verbunden. In 2 ist
auch die durch die Freisparung 6 in der Kunststoffhülle 4 freigelegte
Sensorfläche 8 erkennbar.
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Die
für die
Belegung mit Masse vorgesehene Leiterbahn 9 verfügt auch über seitliche
Ansätze 14, deren
Enden aus der Kunststoffhülle 4 herausgeführt sind.
Dadurch kann die Außenseite 7 des
Sensormoduls 1 wenigstens punktweise auf Masse gelegt werden
und eine elektrostatische Aufladung des umgebenden Mediums gegenüber dem
Sensorchip 3 unterbunden werden.
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Neben
dem Sensorchip 3 können
auch weitere Bauelemente auf das Leitergitter 2 aufgebracht und
von der Kunststoffhülle 4 eingehüllt werden.
In 2 sind beispielsweise Kondensatoren 15 und 16 dargestellt,
die eine Verbindung zwischen der inneren Leiterbahn 9 und
den äußeren Leiterbahnen 10 und 11 herstellen.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Rückseite des in 2 dargestellten
Leitergitters 2. Anhand 3 ist erkennbar,
dass auf der Rückseite der
inneren Leiterbahn 9 ein Kanal 17 ausgebildet
ist, der von dem Kontaktende 5 der Leiterbahn 9 zu
dem gabelförmigen
Halteabschnitt 12 der Leiterbahn 9 führt. Durch
den Kanal 17 kann ein das Sensormodul 1 umgebendes
Medium zu einer weiteren Sensorfläche 18 geführt werden,
die auf einer Auflagefläche 19 des
Sensorchips 3 ausgebildet ist. Dementsprechend handelt
es sich bei dem Sensorchip 3 vorzugsweise um einen Differenzdrucksensor,
der den Differenzdruck zwischen der Sensorfläche 8 und der weiteren
Sensorfläche 18 erfasst.
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Zur
Herstellung des Sensormoduls 1 wird auf der Rückseite
des Leitergitters 2 zunächst
eine Nut 20 ausgebildet, durch die der Kanal 17 verlaufen
soll. Die Nut 20 kann beispielsweise hergestellt werden, indem
die Nut 20 entlang der Leiterbahn 9 in das Leitergitter 2 eingeprägt wird.
Anschließend
wird auf die Vorderseite des Leitergitters 4 der Sensorchip 3 aufgebracht
und mithilfe der Bonddrähte 13 mit
dem Leitergitter 4 verbunden. Auch die übrigen Bauelemente, wie beispielsweise
die Kondensatoren 15 und 16, werden in diesem
Arbeitsschritt auf das Leitergitter 2 aufgebracht. Daraufhin
wird das Leitergitter 2 in ein Formwerkzeug eingebracht
und mit der Kunststoffhülle 4 umhüllt. Die
Freisparung 6 wird dabei von einem geeigneten Kern freigehalten.
Um den Kanal 17 auf der Rückseite des Leitergitters 2 auszubilden, wird
vor dem Einlegen des Leitergitters 2 in das Formwerkzeug
in die Nut 20 eine Kanüle 21 eingebracht,
die sich vom Kontaktende 5 bis zum Halteabschnitt 12 erstreckt.
Anschließend
wird die Nut 20 und der Halteabschnitt 12 mit
einer Klebefolie abgedeckt, so dass die Kanüle 21 in der Nut 20 gesichert ist
und die Sensorfläche 18 während des
Formgebungsprozesses freigehalten wird.
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Die
Kunststoffhülle 4 wird
vorzugsweise in einem Spritzpressvorgang ausgebildet, bei dem das für die Kunststoffhülle 4 verwendete
Material in einem Vorzylinder in einen fließfähigen Zustand gebracht und
anschließend
in das Formwerkzeug gepresst wird. Der Einlauf der Formmasse in
das Formwerkzeug erfolgt vorzugsweise mit einem Druck unterhalb
von 10 Bar. Nach dem Verfüllen
des Formwerkzeugs kann ein Nachpressvorgang durchgeführt werden,
bei dem die Formmasse unter einem Druck zwischen 50 und 100 Bar
gesetzt wird, um verbleibende Luft aus dem Formwerkzeug herauszudrücken.
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Für die Kunststoffhülle 4 sind
vorzugsweise Kunststoffe auf der Basis eines Epoxidharzes vorgesehen,
da die Parameter wie Glastemperatur TG, Elastizitätsmodul
und Wärmeausdehnungsko effizienten
durch die Zusammensetzung variiert oder über die Vergussparameter eingestellt
werden können.
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Das
Sensormodul 1 kann auf verschiedene Art und Weise abgewandelt
werden. Beispielsweise ist es möglich,
das Leitergitter 2 soweit an die Sensorfläche 18 heranzuführen, dass
keine separate Kanüle
zur Ausbildung des Kanals 17 erforderlich ist. In diesem
Fall kann die Abdeckung der Rückseite
des Leitergitters 2 ausreichen, um einen durchgehenden Kanal 17,
der sich von der Eintrittsöffnung 19 der
Leiterbahn 9 bis zur Sensorfläche 18 erstreckt,
bereitzustellen.
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Anstelle
des Leitergitters 2 können
auch andere Schaltungsträger
verwendet werden. In 4 ist beispielsweise eine Leiterplatte 22 dargestellt,
die ebenfalls für
das Sensormodul 1 verwendet werden kann. Beispielsweise
ist auf die Vorderseite der Leiterplatte 22 der Sensorchip 3 aufgebracht
und mithilfe von in 4 nicht dargestellten Bonddrähten mit ebenfalls
nicht dargestellten Leiterbahnen auf der Vorderseite der Leiterplatte 22 verbunden.
Unterhalb des Sensorchips 3 ist eine Aussparung 23 vorgesehen,
die sich über
die Sensorfläche 18 des
Sensorchips 3 erstreckt. Ferner ist auf der Rückseite
der Leiterplatte 22 eine Nut 24 ausgebildet, die
dazu verwendet werden kann, einen vom Kontaktende 5 der Leiterplatte 22 zu
der Aussparung 23 führenden
Kanal auszubilden. Dieser Kanal kann ausgebildet werden, indem die
Nut 24 während
des Formgebungsprozesses für
die Kunststoffhülle 4 mit
einer Folie abgedeckt wird oder indem gemäß 5 eine Kanüle 25 in
die Nut 24 eingelegt wird.
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Daneben
ist es aber auch möglich,
auf die Nut 24 zu verzichten und den Kanal gemäß 6 mit einer
auf der planen Rückseite
der Leiterplatte aufgebrachte Kanüle 26 zu bewerkstelligen.
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Ferner
ist es möglich,
auf die Freisparung 6 zu verzichten und die Sensorfläche 8 beispielsweise mithilfe
einer auf der Vorderseite des Leitergitters 4 auf dem Ansatz 14 nach
außen
geführte
Kanüle 27 mit
der Umgebung zu verbinden.
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Der
Kanal kann ferner auch ausgebildet werden, indem zwei Leitergitter
aufeinander gelegt werden, wobei der Kanal in einem der der beiden
Leitergitter oder in beiden Leitergittern ausgebildet ist. Schließlich kann
der Kanal auch hergestellt werden, indem im Formwerkzeug ein nadelförmiger Schieber vorgesehen
wird, der vor oder nach dem Einfüllen
der Kunststoffmasse in Kontakt mit einer Sensorfläche gebracht
wird und der vor dem endgültigen
Aushärten
der Kunststoffmasse zurückgezogen
wird, um ein Einkleben des Schiebers zu verhindern.
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In 7 ist
schließlich
eine Sensorfassung 28 dargestellt, in die das in 1 dargestellte
Sensormodul 1 eingebracht werden kann. Insbesondere weist
die Sensorfassung 28 eine Ausnehmung auf, in die das Sensormodul 1 im
Schiebesitz eingebracht werden kann. Die Sensorfassung 28 weist
vorzugsweise eine Außensechskant-Mutter 29 sowie
einen Gewindeabschnitt 30 auf, so dass die Sensorfassung 28 in
die Wand eines Behälters
oder einer Leitung eingeschraubt werden kann. Da der Kanal 17 bis
zum Kontaktende 5 des Leitergitters 2 geführt ist,
kann der Sensorchip 3 den Differenzdruck zwischen dem im Inneren
des Behälters
oder der Leitung herrschenden Innendruck und dem außerhalb
des Behälters oder
der Leitung herrschenden Außendruck
bestimmen.
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Daneben
ist es möglich,
einen Kanal auch so zu führen,
dass der Innendruck an verschiedenen Stellen gemessen wird, um beispielsweise
die Strömungsgeschwindigkeit
eines Gases zu bestimmen. Insofern bestehen hinsichtlich des Verlaufs
und des Querschnitts des Kanals keine Einschränkungen.
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Falls
erforderlich, kann das Ende des Kanals auch durch eine in die Kunststoffhülle eingebettete Membran
vor Verunreinigungen geschützt
werden. Die Membran kann beispielsweise eine aus Polytetrafluorethylen
bestehende wasserundurchlässige, aber
dampfdiffusionsoffene Membran sein, die zur Verbindung mit der Kunststoffhülle im Randbereich perforiert
ist. Beispielsweise kann die Membran in das Formwerkzeug eingelegt,
dort fixiert und anschließend
in die Kunststoffhülle
eingespritzt werden.
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Schließlich können anstelle
eines Differenzdrucksensors auch Gaskonzentrationssensoren verwendet
werden, die über
einen Kanal 17 mit dem Medium verbunden sind.
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Abschließend sei
darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang
mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel
beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel
kombiniert werden können,
außer wenn
dies aus Gründen
der Kompatibilität
ausgeschlossen ist.
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Schließlich wird
noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung
der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang
etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel
verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.
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- 1
- Sensormodul
- 2
- Leitergitter
- 3
- Sensorchip
- 4
- Kunststoffhülle
- 5
- Kontaktende
- 6
- Freisparung
- 7
- Außenseite
- 8
- Sensorfläche
- 9
- Leiterbahn
- 10
- Leiterbahn
- 11
- Leiterbahn
- 12
- Halteabschnitt
- 13
- Bonddraht
- 14
- Ansatz
- 15
- Kondensator
- 16
- Kondensator
- 17
- Kanal
- 18
- Sensorfläche
- 19
- Auflagefläche
- 20
- Nut
- 21
- Kanüle
- 22
- Leiterplatte
- 23
- Aussparung
- 24
- Nut
- 25
- Kanüle
- 26
- Kanüle
- 27
- Kanüle
- 28
- Sensorfassung
- 29
- Außensechskant-Mutter
- 30
- Gewindeabschnitt