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Die
Erfindung betrifft einen Sensor, welcher aus einem Substrat und
einer Widerstandsschicht besteht.
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Der
Einsatz von Sensoren für
das Ermitteln von physikalischen Meßwerten ist hinlänglich bekannt. Üblicherweise
besitzt der Sensor ein Substrat. Das Substrat wird in geeigneter
Weise gehalten oder in dem Sensor-Gehäuse eingebaut.
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Das
Substrat trägt
eine Widerstandsschicht. Die an dieser Widerstandsschicht abfallende
Spannung, aufgrund ihres elektrischen Widerstandes, ist in geeigneter
Weise auslesbar und ist bei entsprechender Anordnung ein Maß für den physikalischen Parameter,
der durch den Sensor gemessen werden soll. So ist es zum Beispiel
bekannt, entsprechende Dehnmeßstreifen
in Sensoren einzusetzen, um einen Sensor für die Kraft- oder Druckmessung
zu realisieren. Dabei wirkt die zu messende Kraft beziehungsweise
der zu messende Druck auf das Substrat, welches zum Beispiel als
Membran ausgebildet ist. Die Dehnung der Membran führt zu einer
Dehnung der Widerstandsschicht des Dehnmeßstreifen, wodurch sich der
elektrische Widerstand meßbar
verändert, insbesondere
erhöht.
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Nun
ist es wünschenswert,
Sensoren zur Verfügung
zu stellen, die in schwierigen Umgebungsbedingungen (zum Beispiel
Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Gaszusammensetzung und so weiter) einsetzbar
sind. Es gibt daher eine Vielzahl unterschiedlicher Vorschläge, aus
welchen Materialien die Widerstandsschichten bestehen, um entsprechende physikalische
Eigenschaften zu messen.
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So
wird zum Beispiel in der deutschen Patentschrift 35 22 427 die Verwendung
von Titanoxynitrit (TiOxNy)
als Widerstandsschicht eines Schichtwiderstandes für Dehnmeßstreifen
beschrieben. Das Verhältnis
von Sauerstoff und Stickstoff in dieser bekannten Verbindung erlaubt
es, einige Eigenschaften dieses Sensors, insbesondere wenn dieser
als Drucksensor eingesetzt wird, einzustellen.
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Wünschenswert
dabei ist es, daß zum
einen der Temperaturkoeffizient des Widerstandes möglichst
gering ist, also unabhängig
von der Temperatur des Substrates beziehungsweise der Widerstandsschicht
ist. So wird nämlich
erreicht, daß unabhängig von
der Einsatztemperatur des Drucksensors immer die tatsächlichen
Werte (zum Beispiel Drücke)
gemessen werden. Auf einen aufwendigen Korrekturalgorithmus aufgrund
des Temperaturdriftes kann dann verzichtet werden.
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Eine
andere wichtige Eigenschaft der als Dehnmeßstreifen verwendete Widerstandsschichten ist
der Dehnungsfaktor, der auch als K-Faktor beschrieben wird.
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Die
Widerstandsschichten von bekannten Sensoren werden zum Beispiel
in einem Sputterprozeß aufgetragen.
Dem Sputtergas, vorzugsweise Argon wird dabei Stickstoff mit geringen
Partialdruck (zum Beispiel ca. 4 × 10–2 Pa)
zugegeben. Das Targetmaterial ist vorteilhafterweise zum Beispiel
Titan. Um die bekannte Titan-Oxynitrit-Verbindung herzustellen,
wird bei dem Auftragprozeß,
dem Sputtern, neben dem Stickstoff auch eine gewisse Sauerstoffkonzentration
beigemengt. Nun ist das Bindungsverhalten von Sauerstoff gegenüber dem
von Stickstoff groß unterschiedlich
und man läuft
Gefahr, daß sich der
Sauerstoff bevorzugt in der abgeschiedenen Widerstandsschicht einlagert
wie der Stickstoff und daher verhältnismäßig inhomogene Schichten entstehen.
Hieraus resultieren schwierig zu kontrollierende Eigenschaften (z.B.
K-Faktor oder Temperaturabhängigkeit
des Widerstandes) des Sensors.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, die Sensoren, wie eingangs beschrieben,
zu verbessern.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe schlägt
die Erfindung einen Sensor, wie eingangs beschrieben, vor, wobei
die Widerstandsschicht aus Titan-Wolfram-Nitrit (TizW1–zN)
besteht.
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Der
Vorteil der Erfindung liegt darin, daß in dieser Ausgestaltung auf
Sauerstoff in der Widerstandsschicht verzichtet wird. Aufgrund des
Mischungsverhältnisses
von Titan und Wolfram (dem Anteil z) sind die Eigenschaften des
Sensors, insbesondere der K-Faktor, aber auch der Temperaturkoeffizient
des Widerstandes einstellbar. Die Erfindung schließt dabei
aber nicht aus, daß bei
einer solchen, erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Verbindung, bestehend aus Titan, Wolfram und Stickstoff (nachfolgend
auch als Nitrit bezeichnet) in einer Variante auch Sauerstoff zugesetzt
wird. Durch das Einbringen von Sauerstoff, insbesondere als (Teil-)Substituierelement
für Stickstoff,
werden weitere Einstellparameter für die Eigenschaften des Sensors
gewonnen, die den Drucksensor, wie erfindungsgemäß gefordert, verbessern, das
heißt,
auf die verschiedenen Anwendungsbereiche optimal anpaßbar machen.
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Die
Erfindung umfaßt
daher ausdrücklich auch
solche Verbindungen, bei welchen die Widerstandsschicht nur aus
den Bestandteilen Titan-Wolfram-Nitrit besteht oder aber dieser
Grundverbindung Titan-Wolfram-Nitrit, auch noch weitere Elemente
zugesetzt sind.
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Es
ist gefunden worden, daß die
elektrischen Eigenschaften dieser aus Titan-Wolfram-Nitrit bestehenden
Widerstandsschicht gerade in der Verwendung des Sensors gut beherrschbar
und ausnutzbar sind, um insbesondere Drucksensoren zu realisieren, die
auch bei hohen Temperaturen, mit denen die Substrate konfrontiert
werden (bis zu 350°C)
stabil sind.
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In
einer bevorzugten Variante der Erfindung ist daher vorgesehen, daß der Sensor
als Drucksensor oder auch als Kraftsensor ausgebildet ist. Bei einer
solchen Ausgestaltung steht das Substrat dann in Verbindung mit
dem Mittel, dessen Druck- beziehungsweise Kraftentfaltung zu messen
ist. So ist zum Beispiel das Substrat membranartig ausgebildet,
um einen Drucksensor zu realisieren. Dabei wird geschickterweise
die Widerstandsschicht an der dem Medium abgewandten Substratseite
angeordnet, um dieses zum Beispiel vor übermäßiger Hitzebeaufschlagung und
so weiter möglichst
optimal zu schützen.
Dadurch ist es auch möglich,
daß die
elektrischen Zu- und Ableitung von dem Druckraum abgeschirmt sind.
Dabei ist nämlich
zu beachten, daß der Druckraum,
zum Beispiel in einem Verbrennungsmotor, heiße, auch reaktive Gase beinhaltet,
die unter Umständen
die elek trischen Kontakte oder auch die Widerstandsschicht chemisch
angreifen können.
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Es
hat sich als günstig
erwiesen, daß die
Erfindung vorsieht, daß die
Widerstandsschicht als Dehnmeßstreifen
dient. Durch entsprechend geometrisch wahrnehmbare Formveränderungen
des Substrates wird die Widerstandsschicht entsprechend gedehnt
oder gestaucht, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften, insbesondere
der Widerstand ändert.
Bei einem konstanten Stromfluß durch
die Widerstandsschicht verändert
sich daher die an der Widerstandsschicht abfallende Spannung, die
dann ein Maß für die Dehnung
oder Stauchung des Substrates (zum Beispiel der Membran) und daher
ein Maß für den Druck
oder die Kraft ist.
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Solche
Meßaufbauten
sind hinlänglich
bekannt. Sie werden oftmals in Form einer wheatstoneschen Brücke realisiert.
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Bei
der Verwendung der Erfindung als Kraftsensor ist vorgesehen, daß das Substrat
in geeigneter Weise mit den Mitteln verbunden ist, deren Kraftentfaltung
zu messen ist. Auch hier wird das Einprägen der Kraft, ähnlich wie
bei einem Drucksensor, zu einer Verformung des Substrates führen, welche
in dem Dehnmeßstreifen
meßbar
ist.
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In
einer bevorzugten Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß der Anteil
von Wolfram in dem Elementepaar Titan-Wolfram der Widerstandsschicht > 50% ist, das heißt z < ½ ist.
Es ist gefunden worden, daß bei
einem Wolframgehalt in der angegebenen Verbindung über 50%
der Temperaturkoeffizient des Widerstandes über das Titan-Wolfram-Verhältnis und
dem Stickstoffanteil auf Null eingestellt werden kann. Eine solche
Variante entkoppelt den Drucksensor von einer Temperaturabhängigkeit
und erleichtert das Auswerten der Meßsignale erheblich. Ein weiterer
Vorteil dieser Variante liegt insbesondere darin, daß die entsprechend
aufgetragenen Schichten stabiler sind und einfache Prozesse eingesetzt
werden können,
da nicht mit dem sehr reaktiven Sauerstoff gearbeitet werden muß. Der vorbeschriebene
Vorteil ergibt sich nicht ausschließlich für nur aus Titan-Wolfram-Nitrit bestehende
Widerstandsschichten, sondern auch in den nachfolgend beschriebenen,
erfindungsgemäßen Varianten.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß in
der Widerstandsschicht ein Teil der Stickstoffatome durch ein Substituierelement
A ersetzt ist und die Verbindung TizW1–zAxNy entsteht. Es
ist gefunden worden, daß es möglich ist,
in die Titan-Wolfram-Nitrit-Verbindung durch einen teilweisen Austausch
der Stickstoffatome gegen Substituier-Elemente eine weitere Einstellmöglichkeit
zu gewinnen. Es ist gefunden worden, daß durch ein Variieren der Anteilsverhältnisse
des Substituierelementes und des Stickstoffes ebenfalls die Eigenschaften
des Sensors insbesondere dessen Temperaturkoeffizient aber auch
der K-Faktor beziehungsweise die Temperaturabhängigkeit des K-Faktors einstellbar
ist.
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Die
Erfindung läßt es sich
dabei offen, ob ein ein-, zwei-, drei- oder vierwertiges Substituierelement A
eingesetzt wird. Je nachdem, wie die Widerstandsschicht erzeugt
wird, ist es möglich,
das Substituierelement A in die Schicht mit einzubauen. Es ist zum Beispiel
möglich,
das Substituierelement A als zusätzliches
Target im Sputterprozeß zu
erzeugen und auf das Substrat abzuscheiden. Es ist aber auch möglich, das
Substituierelement A gasförmig,
zum Beispiel als Zusatz zu dem Sputtergas einzusetzen. Im Prinzip
bietet jedes Auftragverfahren, sei es Sputtern, reaktives Verdampfen
von Ionenplatierern, pyrolytisches Abscheiden (CVD) oder Lasersputtern
die Möglichkeit,
ein oder auch mehrere Substituierelemente in die Widerstandsschicht
einzubauen. Alle die vorgenannten Verfahren sind Verfahren der Dünnschichttechnologie
und geeignet, die Widerstandsschicht als dünne Schicht auf dem Substrat aufzutragen.
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Sehr
gute Erfolge wurden dabei mit Sauerstoff als Substituierelement
erreicht. Es ergibt sich dann eine Titan-Wolfram-Oxynitrit (TizW1–zOxNy)-Verbindung.
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Es
wird dabei betont, daß der
Austausch von Stickstoff- durch Sauerstoffatome nicht im Widerspruch
zur Erfindung steht, da die Erfindung nicht zum Gegenstand hat,
den reaktiveren Sauerstoff zu vermeiden, sondern die Eigenschaften
des Sensors zu verbessern. Bei dieser erfindungsgemäßen Weiterentwicklung
werden die positiven Eigenschaften von Titan-Wolfram-Nitritverbindungen,
wie oben beschrieben, damit kombiniert, daß der Temperaturkoeffizient
des K-Faktors möglichst
gering wird.
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Die
Erfindung beschränkt
sich dabei nicht nur auf den Effekt, den K-Faktor möglichst
gering zu wählen,
sondern den K-Faktor insbesondere so einzustellen, daß die temperaturabhängigen Effekte
des Substrates, insbesondere dessen Temperaturabhängigkeit
des Elastizitätsmoduls,
möglichst
kompensiert wird. Im Ergebnis wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
erreicht, daß die
Eigenschaften des gesamten Sensor möglichst temperaturunabhängig sind.
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Man
erreicht daher einen nahezu neutralen Temperaturkoeffizienten des
Widerstandes bzw. Sensors. Dieser Effekt stellt sich bereits bei
einem geringen Wolfram-Gehalt ein, er verbessert sich aber erheblich,
wenn der Wolfram-Gehalt über
50% ansteigt.
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Eine
solche erfindungsgemäß ausgestaltete Widerstandsschicht
bzw. Sensor zeichnet sich durch einen im Prinzip einstellbaren K-Faktor
aus, dessen Temperaturkoeffizient möglichst gering ist und bei dem
der Temperaturkoeffizien des Widerstandes ebenfalls sehr gering
oder Null ist.
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In
einer bevorzugten Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Titan-Wolfram-Substituierelement-Stickstoff-Verbindung
(TizW1–zAxNy) der Widerstandsschicht einen geringen
Wolfram-Gehalt, das
heißt
z > 0,8, insbesondere
bevorzugt z > 0,9 aufweist.
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Im
Zusammenhang mit der Verbindung Titan-Wolfram-Stickstoff-Sauerstoff (TizW1–zOxNy) wird die Variante mit z = 1 explizit ausgeschlossen,
da dies dem Stand der Technik entspricht. Allgemein gilt daher,
daß 0 < z < 1 ist.
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Bei
dem sehr geringen Wolfram-Gehalt ergibt es sich, daß sich die
Stabilität
dieser Gitterstruktur verbessert. Auch läßt sich der Betrag und der Temperaturkoeffizient
des K-Faktors hierdurch bereits beeinflussen. Da sowohl Titan-Nitrid
(TiN) als auch Wolfram-Nitrid (WN) ein fcc-Gitter besitzen, wird
bei entsprechendem Einbau von Wolfram in diese Kombination die Gitterstruktur
nicht zerstört.
Vielmehr erhält
man eine homogene Verteilung der Komponenten, die Bildung von Wolfram-Nitrid-Körnern in der
Titan-Nitrid-Matrix wird vermieden. Der Temperaturkoeffizient des
Widerstandes wird durch die gesteuerte und überwachte Zugabe von Sauerstoff
zum Sputtergas (Stickstoff) durch Substitution eingestellt.
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Es
hat sich als günstig
erwiesen, daß in
der Titan-Wolfram-Substituierelement-Stickstoff-Verbindung
das Elementepaar Substituierelement-Stickstoff (AxNy) in folgendem Zusammenhang vorliegt (1 <= x + y <= 2).
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In
einer bevorzugten Variante der Erfindung wird vorgeschlagen, daß als Substrat-Material
Metall, insbesondere Metalllegierungen Verwendung finden. Bevorzugt
werden zum Beispiel Stahl beziehungsweise Stahllegierungen eingesetzt.
Das Substrat wird zum Beispiel bei der Anwendung als Drucksensor
membranartig ausgebildet. Es ist dabei möglich, daß das Substrat ausreichend
dünn ausbildbar
ist, damit die von dem Druck herrührenden Materialveränderungen
auch tatsächlich
meßbar
werden.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
die Widerstandsschicht auf jeden Festkörper aufzutragen. Es ist zum
Beispiel vorgesehen, als Substratmaterial Titan, Lithium (Li) oder
auch Kunststoffe (zum Beispiel bei niedrigen Temperaturen) einzusetzen.
Natürlich ist
es auch möglich,
Keramiken, wie zum Beispiel Al2O3, als Substratmaterial wie auch andere Keramiken
zu verwenden.
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Auch
sind gute Ergebnisse mit Nickel-Chrom-Basis-Legierungen als Substratmaterial erreicht
worden.
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Die
Verwendung von Stahl, zum Beispiel 17-4 PH Stahl, ist dann günstig, wenn
entsprechend aggressive Einsatzbereiche für den Sensor geplant sind.
Dieser vorbenannte Stahl zeichnet sich insbesondere durch ein hohes
elastisches Verformungsvermögen
aus. Solche Stähle
haben eine ausreichende Korrosions- beziehungsweise Säurefestigkeit
und können
auch unter ungünstigen
Randbedingungen betrieben werden.
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Es
ist günstig,
wenn zwischen dem Substrat und der Widerstandsschicht eine Barriereschicht
vorgesehen ist. Eine solche Barriereschicht ist insbesondere als
elektrischer Isolator ausgebildet, um einen ansonsten drohenden
Kurzschluß zu
vermeiden. Neben der Aufgabe, eine elektrische Isolierung darzustellen,
kann die Barriereschicht aber auch alternativ eine andere/zusätzliche
Aufgabe haben. So ist zum Beispiel vorgesehen, daß die Barriereschicht
als Pufferschicht oder Haftschicht eine möglichst stabile Verbindung
zwischen der Gitterstruktur des Substrates und der Gitterstruktur
der Widerstandsschicht ergibt.
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Es
ist günstig,
daß die
Widerstandsschicht von einer gashemmenden oder gasundurchlässigen, insbesondere
sauerstoffhemmenden oder sauerstoffundurchlässigen Passivierungsschicht überzogen ist.
Es ist beobachtet worden, daß sich
die chemische Zusammensetzung der Widerstandsschicht, aufgrund der
erheblichen Temperaturbelastung der Widerstandsschichten, wenn diese
zum Beispiel als Drucksensoren in den Verbrennungsräumen von Verbrennungsmotoren
Verwendung finden, verändern.
Umgekehrt ist beobachtet worden, daß sich der Sauerstoffanteil
verändert,
insbesondere erhöht.
Damit besteht bei ungeschützten
Widerstandsschichten die Gefahr, daß sich die Eigenschaften des
Drucksensors, insbesondere die durch die Wahl des Sauerstoff- beziehungsweise
Stickstoffanteils eingestellte Temperaturabhängigkeit des Widerstandes oder des
K-Faktors nachteilig verändert.
Wird nun die Widerstandsschicht durch eine entsprechende Passivierungsschicht überzogen,
die zum Beispiel im gleichen oder ähnlichen Bearbeitungsschritt
auf die Widerstandsschicht aufgearbeitet werden kann, wie die Widerstandsschicht
selber hergestellt wird, so wird die Widerstandsschicht zuverlässig geschützt. Neben
einer elektrischen Isolationseigenschaft muß die Passivierungsschicht
nur ein ähnliches
Dehnverhalten aufweisen wie die zu schützende Widerstandsschicht.
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Als
Passivierungsschicht sind dabei zum Beispiel Si3N4, SiO2, AlN, Al2O3, TiO2 vorgeschlagen. Es
sind natürlich
auch andere bekannte Verbindungen einsetzbar, die eine entsprechende
Isolierung oder Passivierung bewirken.
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Des
weiteren wird günstigerweise
vorgeschlagen, daß die
Widestandsschicht mit Kontaktflächen
elektrisch leitend verbunden sind. Die Kontaktflächen bestehen dabei bevorzugt
aus Ni, TiAu, TiAg, CrAg, TiPtAu, CrAu, CrPdAg, NiAu, NiAg. Die
vorgenannten Materialien zeichnen sich zum einen dadurch aus, daß es möglich ist,
daß an
diese entsprechende Verbindungskabel angebondet werden können und
so ein guter elektrischer Kontakt besteht. Auf der anderen Seite
wird das Material der Kontaktfläche
so ausgewählt,
daß es
eine gute Anhaftung an die Widerstandsschicht ergibt. Es können natürlich auch
andere Materialkombi nationen oder Verbindungen für die Kontaktflächen Verwendung
finden.
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Die
Erfindung wird nicht nur durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensor gelöst, sondern
auch durch die Verwendung einer Titan-Wolfram-Nitrit-Verbindung
als Widerstandsschicht. Der Einsatz einer solchen Widerstandsschicht
zum Beispiel bei entsprechenden Sensoren, aber auch in anderen Anwendungsbereichen,
löst ebenfalls
die eingangs gestellte Aufgabe.
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In
diesem Zusammenhang wird insbesondere darauf hingewiesen, daß alle im
Bezug auf den Drucksensor beschriebenen Merkmale und Eigenschaften,
aber auch Verfahrensweisen sinngemäß auch auf die Formulierung
der erfindungsgemäßen Verwendung übertragbar
und im Sinne der Erfindung einsetzbar sind und als mitoffenbart
gelten.
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Gleiches
gilt natürlich
auch in umgekehrter Richtung. Das bedeutet, daß die im Bezug auf das Herstellverfahren
oder die Verwendung genannte bauliche oder gegenständliche
Merkmale auch im Rahmen der auf den Sensor gerichteten Ansprüche berücksichtigt
und beansprucht werden und auch diese zählen ebenfalls zur Erfindung
und zur Offenbarung.
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Die
jetzt mit der Anmeldung und später
eingereichten Ansprüche
sind Versuche zur Formulierung ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Schutzes.
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Sollte
sich hier bei näherer
Prüfung,
insbesondere auch des einschlägigen
Standes der Technik, ergeben, daß das eine oder andere Merkmal
für das
Ziel der Erfindung zwar günstig,
nicht aber entscheidend wichtig ist, so wird selbstverständlich schon
jetzt eine Formulierung angestrebt, die ein solches Merkmal, insbesondere
im Hauptanspruch, nicht mehr aufweist.
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Die
in den abhängigen
Ansprüchen
angeführten
Rückbeziehungen
weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches
durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Jedoch sind
diese nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen,
gegenständlichen
Schutzes für
die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
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Merkmale,
die bislang nur in der Beschreibung offenbart wurden, können im
Laufe des Verfahrens als von erfindungswesentlicher Bedeutung, zum Beispiel
zur Abgrenzung vom Stand der Technik beansprucht werden.
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Merkmale,
die nur in der Beschreibung offenbart wurden, oder auch Einzelmerkmale
aus Ansprüchen,
die eine Mehrzahl von Merkmalen umfassen, können jederzeit zur Abgrenzung
vom Stande der Technik in den ersten Anspruch übernommen werden, und zwar
auch dann, wenn solche Merkmale im Zusammenhang mit anderen Merkmalen
erwähnt wurden
beziehungsweise im Zusammenhang mit anderen Merkmalen besonders
günstige
Ergebnisse erreichen.