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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Premold-Gehäuse zur Aufnahme einer Chipstruktur,
insbesondere eines mikromechanischen Sensors, mit im Gehäuse integrierter
Schwingungsisolierung.
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Inertialsensoren
in mikromechanischer Ausführung
für die
Messung von Drehraten oder Beschleunigungen sind heute fester Bestandteil
aktiver und passiver Sicherheitssysteme in Kraftfahrzeugen. Airbag
und Fahrdynamik-Regelungen stehen stellvertretend für weitere
Systeme. Fehlfunktionen durch eine falsche Interpretation von Sensorsignalen
haben in diesen Systemen sicherheitsrelevante Auswirkungen.
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Insbesondere
mikromechanische Sensoren, die für
verschiedene Beschleunigungs- und Bewegungsmessungen eingesetzt
werden, müssen
selbst vor Störbeschleunigungen
geschützt
werden, um Beschädigungen
oder Fehlfunktionen zu vermeiden. Derartige Störbeschleunigungen können speziell durch
Schwingungseinkopplungen über
ungenügend gedämpfte Trägerstrukturen
auf den jeweiligen Sensor einwirken.
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Besonders
problematisch ist eine unerwünschte
Schwingungseinkopplung, wenn Teile eines verwendeten Sensors selbst
mit einer definierten Frequenz angeregt werden müssen, um vorgegebene Messungen
durchführen
zu können.
Das ist beispielsweise bei Drehratesensoren auf der Basis der Messung
der Coriolis-Beschleunigung,
die entsteht wenn eine oszillierende Masse gedreht wird, der Fall. Erfolgt
die Einkopplung der Störbeschleunigung
mit Frequenzen, die im Bereich der Anregungsfrequenz derartiger
Sensoren (je nach Sensortyp im Bereich zwi schen 1 und 30 kHz) liegen,
ist die Gefahr einer Fehlinterpretation des Sensorsignals besonders groß.
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Es
wird daher versucht, den Einfluss von Störbeschleunigungen durch konstruktive
Maßnahmen
gering zu halten.
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Zu
derartigen konstruktiven Maßnahmen zählen die
Auswahl eines Einbauortes, der nur in geringem Maße Störbeschleunigungen
ausgesetzt ist, eine schwingungsgedämpfte Montage der Baugruppe,
die ein gegenüber
Störbeschleunigungen
empfindliches Bauelement trägt
und gegebenenfalls die Kombination beider Maßnahmen. Der Aufwand für eine schwingungsgedämpfte Montage
ist gegenwärtig
relativ hoch, da meist ganze Leiterplatten oder Einbaugeräte schwingungstechnisch
vom Rest des Fahrzeuges entkoppelt werden müssen. Die Beschränkung auf
Einbauorte mit geringer Belastung durch Störbeschleunigen ist teilweise
mit einem ähnlich
großen
Aufwand verbunden, da es häufig
nicht möglich
oder erwünscht
ist, jeweils die komplette Baugruppe oder das gesamte Einbaugerät an dem für die Platzierung
des mikromechanischen Sensors in Frage kommenden Einbauort unterzubringen,
wodurch ein erheblicher Verbindungsaufwand zwischen dem eigentlichen
Sensor und nachgeschalteter Auswerteelektronik entstehen kann. Zudem
sind teilweise teure Fahrversuche erforderlich.
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Mikromechanische
Sensoren werden im Zuge einer standardisierten Konfektionierung
in Gehäuse,
vorzugsweise in sogenannte Premold-Gehäuse, mit vorbereiteten Kontaktmitteln
verpackt, die in der Regel fest mit größeren Schaltungsstrukturen, zumeist
Leiterplatten, oder anderen Trägern
verbunden werden. Über
diese Verbindung erfolgt die Einkopplung störender Vibrationen in das Chipgehäuse und
in den Chip selbst, der üblicherweise
mit einem zentralen Bereich eines Premold-Gehäuses durch Verkleben einer
Seite der Chipstruktur mit einer vorbereiteten Aufnahmefläche verbunden
wird. Daneben sind spezielle Gehäuse
für mikromechanische Messelemente,
beispielsweise verschweißte
Gehäuseformen
aus Metall (DRS MM1 Fa.Bosch) be kannt geworden. Die bekannten Gehäuseformen
sind jedoch nicht geeignet, die Einkopplung von Störbeschleunigungen
zu verhindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe einer Möglichkeit,
den Aufwand für
den Schutz von Sensorelementen vor Störbeschleunigungen zu reduzieren
und insbesondere bei automotiven Anwendungen zusätzliche Einbauorte für den Einsatz mikromechanischer
Sensoren zu erschließen.
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Technische Lösung
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Gelöst wird
die Aufgabe durch ein Premold-Gehäuse gemäß Anspruch 1. Die Ansprüche 2 bis
10 geben vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Gehäuses an.
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Die
Erfindung geht davon aus, die Funktionen herkömmlicher Bauteile zur Schwingungsentkopplung
und Schocksicherung in Bezug auf das mikromechanische Sensorelement
zumindest teilweise im Gehäuse
des Sensorelements zu realisieren. Dazu wird ein Premold-Gehäuse so ausgebildet, dass
sich der Platz, an dem das eigentliche Sensorelement, also die mikromechanische
Chipstruktur befestigt werden soll, über ein schwingungsentkoppelndes
Element, das gleichzeitig dämpfend
wirkt, mit dem Rest des Premold-Gehäuses, der mit einer Leiterplatte
oder einer vergleichbaren Stützstruktur
verbunden wird, in Verbindung steht. In dem erfindungsgemäßen Premold-Gehäuse zur
Aufnahme einer Chipstruktur wird der Teil des Gehäuses, der
mit der Chipstruktur verbunden ist, elastisch auslenkbar mit einem
weiteren Teil des Gehäuses,
der an der das gesamte Gehäuse
tragenden Stützstruktur
befestigt wird, so mit Hilfe eines elastisch deformierbaren Mediums
verbunden, dass sich beide Gehäuseteile nicht
berühren.
Unter einem elastisch deformier baren Medium in Sinne der Erfindung
ist dabei jedes Material zu verstehen, dessen Haftfähigkeit
geeignet ist, die Gehäuseteile
miteinander dauerhaft zu verbinden, und dessen elastische und dämpfende
Volumeneigenschaften geeignet sind, die erfindungsgemäße Auslenkbarkeit
bei ausreichender Dämpfung von
Relativbewegungen zwischen den Gehäuseteilen zu ermöglichen.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Vorteilhafterweise
umfasst der Teil des Gehäuses,
der mit der Chipstruktur verbunden ist, eine Bodenplatte, die über ein
elastisch deformierbares Medium mit einem die Bodenplatte rahmenförmig umgebenden
weiteren Teil des Gehäuses,
der an einer das gesamte Gehäuse
tragenden Stützstruktur befestigt
wird, verbunden ist. Auf der Bodenplatte wird die aufzunehmende
Chipstruktur befestigt. Bei geeigneter Wahl des Abstandes zwischen
dem Rand der Bodenplatte und dem die Bodenplatte rahmenförmig umgebenden
weiteren Teil des Gehäuses
kann sichergestellt werden, dass sich die beiden Gehäuseteile
auch während
der Relativbewegungen zwischen den beiden Gehäuseteilen, die während typischer
Störbeschleunigungen
auftreten können,
nicht berühren.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das elastisch deformierbare
Medium Silikon enthält oder
ganz aus Silikon besteht. Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn
das elastisch deformierbare Medium den Zwischenraum zwischen der
Bodenplatte und dem die Bodenplatte rahmenförmig umgebenden Teil des Gehäuses ausfüllt. Eine
besonders gute Schwingungsentkopplung lässt sich realisieren, wenn
sich das elastisch deformierbare Medium im Zwischenraum zwischen
der Bodenplatte und dem die Bodenplatte rahmenförmig umgebenden Teil des Gehäuses befindet,
wobei die Dicke des elastisch deformierbaren Mediums nicht größer ist,
als die Dicke der Bodenplatte. Zumindest sollte das elastisch deformierbare
Medium eine Verteilung aufweisen, die dafür sorgt, dass sich bei einer
Auslenkung der Bodenplatte senkrecht zu ihrer Erstreckungsebene
im Wesentlichen eine Scherbeanspruchung des elastisch deformierbaren
Mediums ergibt.
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Vorteilhafterweise
ist der Teil des Gehäuses, der
mit der Chipstruktur verbunden ist, zusätzlich mit Ballast versehen.
Auf diese Weise kann die Gesamtmasse der auszulenkenden Anordnung
beeinflusst werden, um das als mechanischer Tiefpass wirkende System
durch Festlegung seiner Eckfrequenz an zu erwartende Störbeschleunigungen
anzupassen.
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Diese
Anpassung kann vorteilhafterweise vorgenommen werden, wenn die Bodenplatte
mit einer Ballastplatte verbunden wird. Dadurch können im Wesentlichen
gleich geformte Bodenplatten für
unterschiedliche Chipanordnungen und Entkopplungen vorgehalten werden,
indem diese Bodenplatten mit unterschiedlichen Ballastplatten versehen
werden.
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Die
zu erwartenden Relativbewegungen zwischen den beiden Gehäuseteilen
werden vorteilhafterweise auf ein Maß beschränkt, dass ein mikromechanischer
Sensorchip, der auf der Bodenplatte befestigt ist, über Bondverbindungen
mit einem Lead-Frame, der sich am die Bodenplatte rahmenförmig umgebenden
Teil des Gehäuses
befindet, verbunden werden kann, ohne die Bondverbindung stark zu
beanspruchen.
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Zusätzlich kann
auf der Bodenplatte mindestens ein ASIC-Chip zur Auswertung der
Signale des mikromechanischen Sensorchips befestigt werden, der
ebenfalls über
Bondverbindungen mit dem Lead-Frame, der sich am die Bodenplatte
rahmenförmig
umgebenden Teil des Gehäuses
befindet, verbunden ist.
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Die
Verbindung zwischen diesem ASIC-Chip und dem mikromechanischen Sensorchip
kann ebenfalls über
Bondverbindungen erfolgen. Bei einer Auslegung des auslenkbaren
Gehäuseteiles
als Bodenplatte mit der Ballastplatte kann eine problemlose Anpassung
einer gewünschten
Gesamtmasse an unterschiedliche Chipstrukturen erfolgen, ohne das
befestigungstechnische Änderungen
im Gehäusedesign
vorgenommen werden müssen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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An
einem Ausführungsbeispiel
und zugehörigen
Zeichnungen wird die Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Amplitudenübertragungsfunktion eines
erfindungsgemäßen Systems
zur Schwingungsisolierung;
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2 eine
Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Premold-Gehäuses.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt
eine Amplitudenübertragungsfunktion
eines erfindungsgemäßen Systems
zur Schwingungsisolierung. Diese bildet das Verhältnis HM(fe) der Schwingungsamplituden der beiden Gehäuseteile
als Funktion der Frequenz fe der Störbeschleunigung
gemessen in Hz ab. Im Bereich niedriger Frequenzen liegt deren Wert
im Wesentlichen bei 1. Das bedeutet, dass eingekoppelte Schwingungen ungedämpft durch
das System übertragen
werden. Eine Schwingungsisolierung findet nicht statt, da die Störbeschleunigungen
durch die niedrigen Frequenzen zu gering sind, um das elastisch
deformierbare Medium in nennenswertem Umfang zu deformieren. Eine
Erhöhung
der Frequenz der eingekoppelten Schwingung bewirkt, dass die Amplitude,
mit der sich die auslenkbare Baugruppe, also die Bodenplatte mit der
Chipstruktur, die eigentlich vor Schwingungen geschützt werden
soll, bewegt, größer wird,
als die Amplitude der die Schwingung einkoppelnden Baugruppe, also
des äußeren Gehäuseteiles.
Die Amplitude der Bodenplatte erreicht bei der Resonanzfrequenz
ein Maximum, was den ungünstigsten
Fall in einem System zur Schwingungsisolierung darstellt. Die Resonanzfrequenz
hängt von
der ausgelenkten Masse und der Federkonstante des elastisch deformierbaren
Systems ab. Eine weitere Erhöhung
der Frequenz führt
zu einer stetigen Verringerung der übertragenen Amplitude, die
so deutlich unter die Amplitude der einkoppelnden Schwingungen gebracht
werden kann. Auf diese Weise wird die Schwingungsisolierung oberhalb
einer bestimmten Frequenz wirksam. Eine Einkopplung einer Störbeschleunigung
mit gegenüber
der Resonanzfrequenz weitgehend hochfrequenten Anteilen ist nicht
mehr möglich.
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Aus
dem vorliegenden Beispiel ist ersichtlich, dass eine erfindungsgemäße Anordnung,
die so dimensioniert ist, dass ihre Resonanzfrequenz bei etwa 1
kHz liegt, bei 10 kHz nur noch etwa 1% der Störamplitude auf die zu schützenden
Chipstruktur überträgt. Eine
derartige Ausführung
des Gehäuses wäre also
gut geeignet, beispielsweise Coriolis-Sensoren aufzunehmen, deren
Oszillatorfrequenz oberhalb von 10 kHz liegt, da so eine Überlagerung
mit einer störenden
Vibration einer ähnlichen
Frequenz praktisch zu vernachlässigen
ist.
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Der
erforderliche Grad der Dämpfung
von Schwingungen der jeweiligen Frequenzbereiche hängt von
den verwendeten Sensoren und deren Messaufgaben ab, lässt sich
aber mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Premold-Gehäuses mit
sehr geringem Aufwand einstellen.
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2 ist
eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Premold-Gehäuses. Das
Gehäuse besteht
aus zwei Gehäuseteilen,
von denen ein erster Teil in Form einer Bodenplatte 1 ausgebildet
ist und der Aufnahme der vor Störbeschleunigungen
zu schützenden
Chipstruktur 2 dient.
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Der
zweite Gehäuseteil 3 weist
einen entsprechende Lead-Frame auf, der seitlich aus dem Gehäuse ragende
Beinchen 4 umfasst, die eine Lötverbindung mit einer Leiterplatte
(nicht dargestellt) ermöglichen,
wodurch die Befestigung an einer das gesamte Gehäuse tragenden Stützstruktur
im Sinne der vorliegenden Erfindung beispielhaft realisiert wird.
Die genaue Geo metrie der Befestigungsmittel spielt jedoch für das Verständnis der
vorliegenden Erfindung keine Rolle. Wesentlich ist, dass die Verbindung
zwischen dem zweiten Gehäuseteil 3 und
in diesem Fall der Leiterplatte so starr erfolgen kann, dass sich
Vibrationen der Leiterplatte vollständig auf den zweiten Gehäuseteil 3 übertragen.
Der zweite Gehäuseteil 3 umgibt
die Bodenplatte 1 rahmenförmig, wobei zwischen den beiden
Gehäuseteilen
ein Abstand verbleibt, der sicherstellt, dass die Bodenplatte 1 auch
während
der Relativbewegungen zwischen den beiden Gehäuseteilen 1, 3,
die während typischer
Störbeschleunigungen
auftreten können, den
zweiten Gehäuseteil 3 nicht
berührt.
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Der
diesen Abstand bestimmende Zwischenraum zwischen dem äußeren Rand
der Bodenplatte 1 und dem die Bodenplatte 1 rahmenförmig umgebenden
Teil 3 des Gehäuses
ist mit einem Silikon (LSR Liquid Silicon Rubber) ausgefüllt, das
ein elastisch deformierbares Medium 5 bildet und gleichzeitig durch
seine guten Hafteigenschaften der Befestigung der Bodenplatte 1 am
zweiten Gehäuseteil 3 dient. Die
Dicke des Silikons 5 entspricht etwa der Dicke der Bodenplatte 1 im
Kontaktbereich zum Silikon 5. Somit weist das elastisch
deformierbare Medium 5 eine Verteilung auf, die dafür sorgt,
dass sich bei einer Auslenkung der Bodenplatte 1 senkrecht
zu ihrer Erstreckungsebene im Wesentlichen zunächst eine Scherbeanspruchung
des elastisch deformierbaren Mediums 5 ergibt.
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Die
Bodenplatte 1 ist an ihrer Interseite mit einer Ballastplatte 6 verbunden.
Auf ihrer Oberseite ist sie über
Klebeschichten 7 mit einem Sensorchip 2 und einem
ASIC-Chip 8, der einer ersten Auswertung der vom Sensorchip 2 gelieferten
Signale dient, verbunden. Beide Chips 2, 8 sind über Bondverbindungen 9 mit
dem Lead-Frame und miteinander verbunden.
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Die
Bodenplatte 1, die Ballastplatte 6 und die beiden
Chips 2, 8 bilden eine auslenkbare Masse, welche
die Eckfrequenz des als mechanischer Tiefpass wirkenden Systems
mit bestimmt.
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Diese
Eckfrequenz hängt
des Weiteren von der Federkonstante des elastisch deformierbaren Systems
ab, das vorliegend durch die Silikonfüllung 5 im Zwischenraum
zwischen den beiden Gehäuseteilen 1, 3 gebildet
wird. Eine Anpassung der Eckfrequenz des als mechanischer Tiefpass
wirkenden Systems an zu erwartende Störbeschleunigungen bestimmter
Frequenzen kann durch Variation der Masse der Ballastplatte 6,
durch die Querschnitsgeometrie der Silikonfüllung 5 sowie durch
eine Variation der Materialeigenschaften des Silikons 5,
im weiteren Sinne des elastisch deformierbaren Mediums, durch eine
entsprechende Materialwahl vorgenommen werden.
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Die
obere Seite des Gehäuses
ist mit einer Kappe 10 verschlossen, die sich in ausreichendem Abstand
zur auslenkbaren Baugruppe auf der Bodenplatte 1 befindet,
um jederzeit Berührungsfreiheit zu
garantieren.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Bodenplatte 1 mit Hilfe des Silikons 5 in
den rahmenförmigen
zweiten Gehäuseteil 3 eingespritzt,
wodurch eine luftdichte Verbindung zwischen beiden Gehäuseteilen 1, 3 entsteht.
Um Eigenbewegungen der Bodenplatte 1 durch Druckänderung,
beispielsweise bei Temperaturänderungen
zu vermeiden, weist das Gehäuse
eine kleine Bohrung 11 auf, um jederzeit einen Druckausgleich
zu ermöglichen.
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In
der dargestellten Ausführung
des Gehäuses
ist es leicht möglich,
die genaue Höhe,
in der die Bodenplatte 1 in den zweiten Gehäuseteil 3 eingesetzt
wird, geringfügig
zu variieren. Somit können
Anforderungen der Bondtechnologie bezüglich zu bevorzugender Bondwinkel
berücksichtigt
werden. Die zu erwartenden Relativbewegungen zwischen den beiden
Gehäuseteilen 1, 3 können so
auch bei einem relativ großen
Hub auf ein Maß beschränkt bleiben, das
die Bondverbindungen kaum belastet.
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Wie
bereits dargestellt, kommt es in automotiven Anwendungen häufig darauf
an, relativ niederfrequente Störbeschleunigun gen
von sensiblen Strukturen fernzuhalten. Dazu sind trotz der sehr
geringen Massen zahlreicher Chips niedrige Resonanzfrequenzen der
Anordnung erforderlich, was erfindungsgemäß durch Erhöhung der Masse der auslenkbaren
Baugruppe durch Einsatz einer Ballastplatte 6, aber auch
durch die Anordnung anderer, weniger störempfindlicher Chips 8 auf
einer gemeinsamen Bodenplatte 1 unterstützt wird. Um die trotz dieser
Maßnahmen
erforderlichen sehr kleinen Federkonstanten des elastisch deformierbaren
Systems zu ermöglichen,
ohne auf sehr filigrane und damit bruchgefährdete Federstrukturen zurückgreifen
zu müssen,
wird erfindungsgemäß erstens
ein Werkstoff mit niedrigem Elastizitätsmodul eingesetzt und zweitens eine
Querschnittsgestaltung gewählt,
die diesen Werkstoff weitgehend einer Scherbelastung aussetzt, Zug-
und Druckbeanspruchungen, denen er einen weit höheren Widerstand entgegensetzt,
jedoch vermeidet. Damit konnten auch mit einem voluminösen elastisch
deformierbaren System die erwünschten
niedrigen Resonanzfrequenzen bei Anregungen senkrecht zur Erstreckungsebene
der Bodenplatte 1 erzielt werden. Die Anpassung der Rückstellkräfte parallel
zur Bodenplatte erfolgt durch eine entsprechend geringere Bemessung
des Querschnitts des elastisch deformierbaren Mediums 5.