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STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement
mit einem Substrat, einem im Substrat vorgesehenen Hohlraum (bzw.
Ausnehmung) und einer an der Oberfläche des Substrats vorgesehenen
Membran, welche sich oberhalb des Hohlraums befindet. Die vorliegende
Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Extrem
dünne Membranen
werden in der Mikromechanik für
vorwiegend thermische Anwendungen benötigt. Bei der Herstellung und
Applikation von Membransensoren ist die Sicherstellung der mechanischen
Stabilität
der Membran gegenüber
statischer und dynamischer Belastung ein großes Problem. Im Regelfall werden
die Membranen durch volumen- oder oberflächenmikromechanische Ätzverfahren prozessiert,
die am Übergang
zwischen der Einfassung der Membran, beispielsweise an einem Siliziumsubstrat,
und der Membran steile Kanten erzeugen. Diese steilen Kanten bewirken,
dass die hochflexible Membran an einem unflexiblen steilen Rand der
Membraneinfassung verankert ist. Diese unelastische Membranaufhängung führt bei
mechanischer Belastung, beispielsweise durch Überdruck oder einen Beschuss
mit Partikeln, an der Einfassungskante zu einer Vorschädigung oder
im Extremfall zu einem Bruch der Membran. Analysen haben in der
Vergangenheit immer wieder gezeigt, dass insbesondere der Randbereich
von Membranen einen deutlichen Schwerpunkt bei den Ausfällen der
Membransensoren bildet.
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. das Herstellungsverfahren
nach Anspruch 6 weisen den Vorteil auf, dass die mechanische Robustheit
von gattungsgemäßen mikromechanischen Bauelementen
wesentlich gesteigert werden kann.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
die Membran durch eine Höhenmodulation über dem
Hohlraum federartig elastisch zu lagern und insbesondere im besonders bruchempfindlichen
Membrankantenbereich dadurch das Risiko einer Vorschädigung oder
eines Bruches zu verringern.
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Die
erfindungsgemäße Membranfederung
ist im beliebigen Layout als Rand- und Vollfederung ausführbar. Bisherige
serienmäßige Membranschichtsysteme
können
die Erfindung ohne sonstige Modifikation verwenden. Die Membranfederung
hat keinen Einfluss auf die thermischen Eigenschaften der Membransensoren,
da z.B. keine Zusatzschichten oder aufgedickte Membranschichten
zur Erhöhung der
Membranrobustheit erforderlich sind.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung weist die Höhenmodulation eine gerundete
Wellenform auf.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Höhenmodulation eine gerundete Stufenform
auf, welche vom Rand der Membran ausgehend zur Mitte der Membran
hin ansteigt oder abfällt
und parallel zum Rand der Membran verläuft.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Substrat ein Silizium-Halbleitersubstrat.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgen ein Bilden der Höhenmodulation
an der Oberseite des Substrats und ein anschliessendes Vorsehen
der Membran durch eine Schichtabscheidung auf der Oberseite des
Substrats, wobei die Höhenmodulation
auf die Membran übertragen
wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Höhenmodulation an der Oberseite des
Substrats durch folgende Schritte gebildet: Vorsehen einer Maske
auf der Oberseite des Substrats und Durchführen eines Ätzprozesses zum Absenken eines
nicht maskierten Teils der Oberseite des Substrats und Entfernen
der Maske.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird nach dem Entfernen der Maske
ein Prozess zur Erzeugung einer Verrundung von Kanten an der Oberseite
des Substrats durchgeführt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Prozess ein thermischer
Prozess oder ein Ätzprozess.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird nach dem Entfernen der Maske
und vor dem Vorsehen der Membran eine Zwischenschicht zur Erzeugung
einer Verrundung von Kanten an der Oberseite des Substrats abgeschieden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Höhenmodulation an der Oberseite des
Substrats durch folgende Schritte gebildet: Vorsehen einer Maske
auf der Oberseite des Substrats, Durchführen eines lokalen Oxidationsprozesses
zum Oxidieren einer nicht maskierten Teils der Oberseite des Substrats
und Entfernen der Maske und des oxidierten Teils der Oberseite des
Substrats.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung verlaufen auf der Membran Leiterbahnen über die
Höhenmodulation
hinweg ins Membranzentrum.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Bilden der Höhenmodulation
in mehreren nacheinander verlaufenden Schritten durchgeführt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung werden in den mehreren nacheinander
verlaufenden Schritten unterschiedliche Ätztiefen angewendet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung werden in den mehreren nacheinander
verlaufenden Schritten unterschieliche Oxiddicken angewendet.
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ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1a,b
schematische Ansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a in
Draufsicht von oben und 1b im Querschnitt
entlang einer Linie A-A' in 1a;
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2a,b
schematische Ansichten eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und zwar 2a in
Draufsicht von oben und 2b im Querschnitt
entlang einer Linie A-A' in 2a;
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3a–d schematische
Ansichten aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines ersten Beispiels
eines Herstellungsverfahrens eines mikromechanischen Bauelements
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Querschnitt entlang einer Linie A-A' in 1a;
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4a–d schematische
Ansichten aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines zweiten Beispiels
eines Herstellungsverfahrens eines mikromechanischen Bauelements
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Querschnitt entlang einer Linie A-A' in 1a;
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5a–d schematische
Ansichten aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines dritten Beispiels
eines Herstellungsverfahrens eines mikromechanischen Bauelements
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Querschnitt entlang einer Linie A-A' in 1a;
und
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6a–d schematische
Ansichten aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines vierten Beispiels
eines Herstellungsverfahrens eines mikromechanischen Bauelements
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Querschnitt entlang einer Linie A-A' in 1a.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten.
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1a,b
zeigen schematische Ansichten eines mikromechanischen Bauelements
gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und zwar 1a in
Draufsicht von oben und 1b im
Querschnitt entlang einer Linie A-A' in 1a.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen S ein Silizium-Halbleitersubstrat,
auf dessen Oberfläche
OS eine Membran M vorgesehen ist, welche sich oberhalb eines Hohlraums
bzw. einer Ausnehmung H befindet, der in dem Substrat S vorgesehen
ist. Da der Hohlraum bei diesem Beispiel durch einen üblichen Prozess
von der Rückseite
erzeugt worden ist, erstreckt er sich über die gesamte Dicke des Substrats S.
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Die
Membran M weist eine Höhenmodulation Δh über oder
unter dem Hohlraum H in Bezug auf die Oberseite OS des umgebenden
Substrats S auf. Die Höhenmodulation Δh weist eine
gerundete Stufen form auf, die vom Rand der Membran M ausgehend zur
Mitte der Membran M hin ansteigt und parallel zum Rand der Membran
M verläuft.
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Insbesondere
ist erkennbar, dass die Membran M drei Bereiche aufweist, einen
ersten Bereich 1 zentral über dem Hohlraum H, der im
Wesentlichen eben verläuft,
einen zweiten Bereich 2 sowie einen dritten Bereich 3,
der auf der Oberseite OS des umgebenden Substrats S verläuft. Der
zweite Bereich 2 bildet die Höhenmodulation Δh und liefert
eine topologische Randfederung in Form einer gerundeten Stufe bzw.
Halbwelle. Die Randfederung bewirkt, dass bei mechanischer Belastung
der besonders bruchempfindliche Membranrandbereich durch Einführung einer
die Membran umrahmenden elastischen Komponente abgefedert ist. Die
elastische Komponente bzw. Federwirkung wird durch die topologische
Verwölbung
der Membran erreicht. Bei mechanischer Belastung besitzt die Membran
M durch die Verwölbung
einen erhöhten
Spielraum nach unten nachzugeben, um dadurch das Auftreten kritischer
Kerbkräfte
an den Membrankanten zu reduzieren.
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Vorteilhaft
zur Reduzierung der Kerbkräfte
ist die Ausführung
in einer möglichst
kontinuierlich verlaufenden Membranverwölbung, z.B. wie hier in Form
einer gerundeten Stufe bzw. Halbwelle. In der speziellen Ausführung der
Randfederung wird deshalb zur optimalen Reduzierung der Kerbkräfte die kavernenbildende
Substratkante mit minimal möglicher
Steigungsdifferenz in die Flanke der kontinuierlich verlaufenden
Membranrandaufwölbung
positioniert. Mit anderen Worten haben die mit S1 und M1 bezeichneten
Schrägen
bei dieser bevorzugten Ausführungsform
in etwa die gleiche Steigung.
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Obwohl
in 1 der Bereich 2 den gesamten
Membranrand umgibt, kann man sich vorstellen, dass der Bereich 2 lediglich
einen Teil des Membranrands umgibt, beispielsweise nur die Längsseiten. Eine
freie Ausgestaltung ist möglich
ja nach Anwendung und konkreter Geometrie des Membranrandes.
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2a,b
zeigen schematische Ansichten eines mikromechanischen Bauelements
gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und zwar 2a in
Draufsicht von oben und 2b im
Querschnitt entlang einer Linie A-A' in 2a.
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Das
in 2 gezeigte Beispiel betrifft eine topologische
Vollfederung der Membran M'.
Mit anderen Worten hat die Höhenmodulation Δh der Membran
M' die Form einer
Vollwelle, wobei sich erster Bereich 1, zweiter Bereich 2,
dritter Bereich 3, vierter Bereich 4 und ein fünfter Bereich 5 unterscheiden lassen.
Dabei sind die zweiten Bereiche 2 und die vierten Bereiche 4 gerundete Übergangsbereiche, welche
wie beim ersten Ausführungsbeispiel
die Form einer Halbwelle haben.
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Ebenfalls
wie beim ersten Ausführungsbeispiel
wird die Vollfederung der Membran M' durch ein rechteckförmiges Layout der wellenförmigen Membranaufwölbungen,
die parallel zu den Membrankanten verlaufen, realisiert. Die topologische
Vollfederung besitzt das Potential, durch den elastischen Prozess
einer Glättung
der Membranwellen bei eintretender mechanischer Belastung die Membranrobustheit
zusätzlich
zu der bei der ersten Ausführungsform erzielten
Reduzierung der Kerbkräfte
durch die Randfederung zu steigern.
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3a–d zeigen
schematische Ansichten aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines
ersten Beispiels eines Herstellungsverfahrens eines mikromechanischen
Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Querschnitt entlang einer Linie A-A' in 1a.
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Gemäß 3a wird
auf ein Silizium-Halbleitersubstrat S eine Maske MA aus Siliziumnitrid
oder -oxid/-nitrid mit Hilfe eines Photo- und Ätzprozesses (Photostrukturierung)
aufgebracht, welche zwei Randbereiche der gezeigten Oberseite OS
freilässt.
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Weiter
mit Bezug auf 3b erfolgt dann ein lokales
Oxidieren der nicht von der Maske MA bedeckten Randbereiche zur
Bildung von lokalen Oxidbereichen LO, welche in einer typischen
Vogelschnabelform auslaufen.
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Nachfolgend
werden die lokalen Oxidbereiche LO durch einen zum Substrat 1 selektiven Ätzprozess,
z.B. nass- oder trockenchemisches Ätzen mit flusssäurehaltiger
Chemie, wieder entfernt. Als Resultat des beschriebenen LOCOS-Opferschichtverfahrens
entsteht einen topologische Substratoberfläche, welche die Basis für die Ausführung einer halbwellenartigen
Federung der Membran M darstellt.
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Im
Prozess wird gemäß 3c dann
eine Schichtabscheidung für
die Membran M durchgeführt,
wobei die Membran M vorzugsweise aus Siliziumnitridschicht(en) bzw.
einer Siliziumoxidnitritschicht(en) besteht.
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Schließlich wird
mit Bezug auf 3d der Hohlraum H z.B. von der
Rückseite
in das Substrat S geätzt.
Der Prozesszustand gemäß 3d entspricht
somit dem Prozesszustand gemäß 1b.
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Obwohl
bei diesem Ausführungsbeispiel
der Hohlraum H durch einen volumenmikromechanischen Prozess aus
dem Siliziumsubstrat 1 heraus gebildet wird, könnte er
prinzipiell auch durch einen oberflächenmikromechanischen Prozess
der Vorderseite gebildet werden.
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Die
beschriebene LOCOS-Oxidation beinhaltet einen Photomaskierungsschritt
zur Bildung einer Maske MA, der aufgrund der Designfreiheit der Photostrukturierung
ein beliebiges Layout des Membranfederungssystems ermöglicht.
Durch die charakteristische Vogelschnabelausbildung an den Enden der
lokalen Oxidationsbereiche LO ist der gewünschte kontinuierliche Übergang
der Membranaufwölbung einfach
erzielbar.
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4a–d zeigen
schematische Ansichten aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines
zweiten Beispiels eines Herstellungsverfahrens eines mikromechanischen
Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Querschnitt entlang einer Linie A-A' in 1a.
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In 4a bezeichnet
MA' eine Maske in Analogie
zur Maske von 3a.
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Durch
ein isotropes oder anisotropes Ätzverfahren
unter Verwendung der Maske MA' wird
zunächst
ein Teil des freiliegenden, nicht von der Maske MA' bedeckten Teils
des Halbleitersubstrats S entfernt und die gewünschte Höhe der Höhenmodulation Δh eingestellt.
Nach Entfernen der Ätzmaske
gemäß 4b sind
an der Oberseite OS des Substrats S Kanten K als Folge des Ätzprozesses
vorhanden. Zur Entfernung der Kanten K und zum Bilden einer Verrundung
KV erfolgt dann eine thermische Behandlung in inerter oder für die Umlagerung
förderlicher
Atmosphäre
bei einer Temperatur, bei der Umlagerungsprozesse an der Oberseite
OS des Substrats S ablaufen, und zwar typischerweise 500 °C bis 1.200 °C. Die Triebkraft
für die
Umlagerungsprozesse ist die Minimierung der Oberflächenenergie. Durch
diese thermische Behandlung verrunden daher die ursprünglichen
oberen und unteren rechtwinkligen Übergänge der Kanten K, wie in 4c dargestellt.
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Gemäß 4d wird
dann analog zu 3c über der Oberseite OS des Substrats
S die Schichtabscheidung für
die Membran M durchgeführt.
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Nicht
gezeigt erfolgt dann in Analogie zu 3d die
Bildung des Hohlraums H durch ein volumen- oder einen oberflächenmikromechanischen Prozess,
wie bereits erläutert.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel,
das analog zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4a–d verläuft, erfolgt
die Verrundung KV der Kanten K nicht mittels eines thermischen Prozesses, sondern
mittels eines Ätzprozesses
mit einem isotropen Ätzverfahren,
das präferenziell
die Kanten K angreift und dadurch verrundet. Ansonsten ist dieses Ausführungsbeispiel
analog zu dem mit Bezug auf 4 beschriebenen
Ausführungsbeispiel.
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5a–d zeigen
schematische Ansichten aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines
dritten Beispiels eines Herstellungsverfahrens eines mikromechanischen
Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Querschnitt entlang einer Linie A-A' in 1a.
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Bei
dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel
werden die Kanten K nach dem Ätzvorgang
und dem Entfernen der Ätzmaske
MA' belassen und
der Hohlraum H' durch
einen oberflächenmikromechanischen
Prozess gebildet.
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6a–d zeigen
schematische Ansichten aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines
vierten Beispiels eines Herstellungsverfahrens eines mikromechanischen
Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Querschnitt entlang einer Linie A-A' in 1a.
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Bei
dieser Ausführungsform
erfolgt nach dem Entfernen der Ätzmaske
MA' das Aufbringen
einer Zwischenschicht Z auf dem höhenmodulierten Substrat S gemäss 1b.
Zur Herstellung der Zwischenschicht Z setzt man dabei Verfahren
ein, welche eine starke Verrundung der Kantenbereiche produzieren,
beispielsweise Epitaxieschichten oder Spin-On-Glass-Schichten, z.B.
von phosphordotierten Gläsern.
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Nach
geeignetem Bilden des Hohlraumes H' durch einen oberflächenmikromechanischen Prozess
macht sich die Zwischenschicht Z nicht mehr am Membranrand bemerkbar,
sondern wirkt wie eine Höhenmodulation
im Substrat S, wie 6d entnehmbar.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise
modifizierbar.
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Insbesondere
sind die Membrangeometrie und die Materialien beliebig und nicht
auf die gezeigten Beispiele beschränkt.