DE102006037173A1 - Schaltungsmodul - Google Patents

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    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltungsmodul (2), das mindestens aufweist: einen Schaltungsträger (2), der mindestens zwei Lagen (3, 3.1, 12) aufweist, wobei zumindest eine Lage (3.1, 12) als spannungserzeugende Lage (3.1, 12) ganz oder teilweise aus einem piezoelektrischen Material ausgebildet ist und mindestens zwei Elektroden (16) zum Abgriff einer bei einer mechanischen Verformung des Schaltungsträgers (2) in der spannungserzeugenden Lage (12, 3.1) erzeugten Piezospannung (Up) aufweist, und eine die Piezospannung (Up) aufnehmende Stromversorgungsschaltung (36, 37, 41), die als Spannungsquelle zur Stromversorgung des Schaltungsmoduls dient.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schaltungsmodul, das insbesondere für einen Reifensensor einsetzbar ist.
  • Stand der Technik
  • Als Schaltungsträger für Sensormodule sind unter anderem LTCC-Schaltungsträger bekannt. Die LTCC-Technologie (Low Temperature Co-fired Ceramic) ermöglicht es, keramische Verdrahtungsträger im Mehrlagenaufbau zu realisieren.
  • Die LTCC wird aus ungesinterten, flexiblen Folien (green tapes) zusammengesetzt und bearbeitet, bevor sie bei maximal 900°C gesintert wird. Als Basismaterial dieser Folien kommt ein Gemisch aus Glas, Keramik und organischen Lösungsmitteln zum Einsatz. Hierbei kann auf vielfältige Keramikmaterialien zurückgegriffen werden, die auch funktionale Eigenschaften besitzen können, wodurch die Integration von dielektrischen, piezoelektrischen, ferroelektrischen oder ferrromagnetischen Lagen möglich ist.
  • Reifensensoren dienen insbesondere zur Messung des Reifeninnendrucks, der Temperatur oder von Beschleunigungen bzw. Vibrationen, die am Reifen auftreten. Hierbei wird in der Regel ein Sensormodul mit einem Schaltungsträger, mindestens einem Sensorbauelement, einer Batterie als Energiequelle und einer Antenne gebildet, über die an eine Sende-Empfangs-Einrichtung am Fahrzeug Daten übermittelt werden.
  • Das Sensormodul wird in der Regel an der Reifenfelge montiert, da zum einen eine Einbringung in das Gummimaterial durch Einvulkanisieren eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit verlangt und zum anderen die als Batterien eingesetzten galvanischen Zellen getrennt vom Gummimaterial des Reifens zu entsorgen sind. Auch führt die Verwendung von Batterien bzw. galvanischer Zellen aufgrund deren Baugrößen zu Dimensionierungen, die zu groß sind für eine Reifenintegration.
  • Bei einer derartigen Anbringung an der Reifenfelge können jedoch z.B. die in der Lauffläche auftretenden Schwingungen und die Reifentemperatur nicht direkt gemessen werden. Weiterhin ist die Lebensdauer der Batterie begrenzt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, in dem Schaltungsmodul einen Energiewandler vorzusehen, der die durch mechanische Belastung, insbesondere durch Biegung und/oder Druck auftretenden Verformungsenergien aufgrund des piezoelektrischen Effektes in eine elektrische Spannung umwandelt, die zur Versorgung der Elektronik verwendet werden kann.
  • Insbesondere bei diskontinuierlichen mechanischen Belastungen bzw. diskontinuierlichem Betrieb der Elektronik kann die generierte Energie auch in einem Energiespeicher zwischengespeichert werden. Als Energiespeicher kann z.B. ein Kondensator oder auch ein Akkumulator verwendet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der Energiespeicher ganz oder teilweise in einer oder mehreren Lagen des Schaltungsträgers ausgebildet werden. Dies kann insbesondere durch Ausbildung eines integrierten Kondensators erfolgen, der durch großflächige Metallflächen auf den Ober- und Unterseiten von ein oder mehreren Lagen ausgebildet wird. Ein derartiger Kondensator dient hierbei auch zur Glättung der erzeugten Piezospannung. Erfindungsgemäß wird somit die Integration eines Energiespeichers ermöglicht, der die bei einem LTCC-Prozess auftretenden Temperaturen von bis 900°C erträgt.
  • Alternativ zur Ausbildung der des Energiespeichers in dem Schaltungsträger kann dieser auch als Bauelement, z.B. SMD-Bauelement, auf dem Schaltungsträger montiert werden. Neben Kondensatoren ist z.B. auch der Ensatz von Akkumulatoren, z.B. einem Ni-MH- oder Li-Ionen-Akku möglich. Weiterhin können auf dem Schaltungsträger z.B. ein Sensor-Bauelement und gegebenenfalls ein Steuerchip sowie für die Antennenversorgung vorgesehen Bauelemente wie Oszillator, RF-Chip usw. montiert werden.
  • Die Stromversorgungsschaltung weist auch weitere Komponenten auf, z.B. einen Gleichrichter zur Gleichrichtung der bei Biegeschwingungen auftretenden unterschiedlichen Polaritäten der Piezospannung. Auch diese Komponenten können durch Ausbildung von z.B. Dioden und Widerständen zwischen den Lagen bzw. auf Ober- und Unterseite der Lagen ausgebildet sein. Alternativ hierzu kann auch hierfür ein montiertes Bauelement vorgesehen sein, z.B. auch als kombiniertes Bauelement zur Spannungswandlung und Energiespeicherung.
  • Somit kann eine konventionelle Energieversorgung mittels Batterie entfallen. Durch das erfindungsgemäße Aufbau- und Verbindungskonzept kann ein stressbasierter Energiewandler elegant an ein Sensorsystem gekoppelt werden, so dass ein hochintegriertes Sensormodul mit deutlichen Kostenvorteilen realisierbar ist.
  • Der Schaltungsträger kann insbesondere als LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic)-Schaltungsträger mit mehreren keramischen Schaltungsebenen ausgebildet sein. Ein derartiger LTCC-Schaltungsträger bietet eine hohe Temperaturbeständigkeit, so dass ein Reifensensormodul zum direkten Einvulkanisieren in das Gummimaterial des Reifens, z.B. auch im Bereich der Lauffläche des Reifens, ausgebildet werden kann. Gerade ein derartiger Einsatz gewährleistet im Betrieb die Energieversorgung des Schaltungsmoduls mit mechanischen Verformungen.
  • Die spannungserzeugende Lage kann als eine Lage des aus green tapes gesinterten Lagenstapels vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann als spannungserzeugende Lage z.B. eine Kappe oder ein Deckel nach dem Sintern und Bestücken aufgesetzt und z.B. verlötet oder verklebt werden. Grundsätzlich können auch sämtliche Lagen des Schaltungsträgers aus piezoelektrischen Keramikmaterial hergestellt sein und zur Spannungszeugung dienen.
  • Als Material der spannungserzeugenden Lage kann z.B. Bleizirkonat-Titanat (PZT) dienen. Die Piezoelektrizität wird im Allgemeinen durch nachträgliches Aufprägen einer Prägespannung zur Ausrichtung der einzelnen ferroelektrischen Domänen bzw. Weißscheu Bezirke ausgebildet. Hierzu kann der gesamte Schaltungsträger nachträglich der Prägespannung ausgesetzt werden, oder bei Ausbildung einzelner piezoelektrischer Lagen nur die jeweilige Lage.
  • Das erfindungsgemäße Schaltungsmodul kann klein und kompakt gebaut werden, da keine zusätzliche Energiequelle erforderlich ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein erfindungsgemäßes Schaltungsmodul als LTCC-Modul mit eingezeichneten Spannungsversorgungsebenen im Querschnitt;
  • 2 ein weiteres erfindungsgemäßes Schaltungsmodul als LTCC-Modul mit nachträglich aufgelötetem oder -geklebten Ober- oder Unterseitendeckel aus piezoelektrischem Keramikmaterial.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Ein erfindungsgemäßes Schaltungsmodul 1 ist als LTCC-Modul 1 mit einem LTCC-Schaltungsträger 2 aus mehreren Lagen 3, 3.1 ausgebildet. Die einzelnen Lagen 3 sind jeweils aus einem keramischen Material hergestellt und weisen auf ihrer Oberseite 3a und/oder ihrer Unterseite 3b leitende Bereiche, insbesondere Metallisierungen auf, die strukturiert als Leiterbahnen 4 und z.B. Kondensatorelektroden 5 dienen. Weiterhin können in an sich bekannter Weise Widerstände 6 und andere Funktionseinrichtungen bzw. Bauelemente auf den Ober- und Unterseiten 3a, 3b der Lagen 3, 3.1 ausgebildet sein. Weiterhin verlaufen Durchkontaktierungen 7 in vertikaler Richtung durch die Lagen 3, 3.1 hindurch. Grundsätzlich können auch ein oder mehrere Lagen 3 aus einem nicht keramischen Material hergestellt sein; vorzugsweise ist der Schaltungsträger 2 jedoch vollständig als LTCC hergestellt, indem flexible Ausgangsfolien (green tapes) aufeinander gepresst und gesintert werden.
  • Der Schaltungsträger 2 ist mit Bauelementen 8, 9 bestückt. Hier können insbesondere integrierte Schaltkreise (IC) 8 und Sensorchips, z.B. MEMS (Mikro-Elektro-Mechanisches-System)-Bauelemente 9 montiert werden, wobei je nach Einsatz z.B. Druck- und/oder Temperatur- und/oder Beschleunigungssensor-Bauelemente 9 eingesetzt werden.
  • Die montierten Bauelemente 8, 9 können mittels Pins kontaktiert werden, wobei Pins bei den auftretenden mechanischen Beanspruchungen jedoch brechen können. Vorteilhafterweise erfolgt die Befestigung über eine Klebeschicht 13 und die Kontaktierung über Die -Pads 10 auf der Ober- oder Unterseite der Lagen 3, 3.1, oder die Befestigung und Kontaktierung über Die-Pads 10 mittels Lot oder Leitkleber. Gemäß 1 kann eine oberste Lage 12 als Kappe 12 nachträglich mittels einer Kleberschicht 15 oder Lotschicht 15 auf dem LTCC-Stapel 3, 3.1 angebracht sein, wobei auf der Kappe 12 die Bauelemente 8, 9 befestigt sind, so dass diese in einem Freiraum 14 innerhalb des Schaltungsträgers 2 aufgenommen sind, wobei die Kontaktierung der Bauelemente 8, 9 hierbei gemäß 1 auch mit den weiteren Lagen 3, 3.1 unterhalb des Freiraums 14 erfolgen kann. Alternativ hierzu können die Bauelemente 8, 9 auch gemäß 2 auf der obersten Lage 3, 3.1 unterhalb der Kappenlage 12 befestigt sein.
  • Erfindungsgemäß ist zumindest ein Teilbereich mindestens einer Lage 3.1, 12, d.h. einer Lage 3.1 des LTCC-Stapels und/oder einer nachträglich aufgesetzen Lage 12, aus einem piezoelektrischem Material hergestellt. Vorteilhafterweise ist eine ganze Lage 12 und/oder 3.1 aus piezoelektrischem Material hergestellt, um als Spannungsquelle des gesamten Schaltungsmoduls 1 zu wirken. In 1 sind beispielhaft eine der Kontaktierung der Bauelemente 8, 9 dienende obere Lage 3.1 sowie z.B. die beiden unteren Lagen 3.1 als spannungserzeugende Lagen 3.1 aus piezoelektrischem Material hergestellt. Gemäß 2 sind die Kappenlage 12 auf der Oberseite und gegebenenfalls Unterseite des Schaltungmoduls 1 als spannungserzeugende Lagen 12 ausgebildet.
  • Erfindungsgemäß kann die Anzahl und Position der spannungserzeugenden Lagen frei gewählt werden; somit ist es auch möglich, dass sämtliche gesinterten Lagen 3.1, gegebenenfalls auch die zusätzlichen Kappenlagen 12, als spannungserzeugende Lagen aus piezoelektrischem Material gefertigt sind.
  • Die piezoelektrischen Lagen 3.1 können entsprechend auch als Träger der elektronischen Bauelemente 8, 9 und Signalebenen dienen, d.h. auf ihrer Oberseite 3a und/oder Unterseite 3b sind Leiterbahnen 4 und gegebenenfalls großflächige leitfähige Bereiche 5 ausgebildet. Hierdurch kann ein einfacher Herstellungsprozess erreicht werden.
  • Die piezoelektrischen Lagen 3.1 bzw. 12 sind vorteilhafterweise möglichst weit von der neutralen Biegelinie B des Schaltungsmoduls 1 entfernt. Hierzu können als spannungserzeugende piezoelektrische Lagen insbesondere die äußeren Lagen 3.1 oder 12 des LTCC-Schaltungsträgers 2 vorgesehen sein, da diese der maximalen Dehnung bzw. Stauchung ausgesetzt sind.
  • Hierbei kann eine Piezospannung Up sowohl bei Dehnung als auch bei Stauchung induziert werden.
  • Die piezoelektrischen Lagen 3.1, 12 sind mit mindestens zwei Elektroden 16 auf der Oberseite 3a und der Unterseite 3b versehen, an denen die erzeugte Piezospannung Up abgegriffen wird; hierbei wird die Piezospannung Up vorteilhafterweise auch bei unterschiedlichen mechanischen Belastungen immer zwischen der Oberseite 3a und der Unterseite 3b abgegriffen. Um den Piezoeffekt weitgehend auszunutzen, sind die Kontakte 16 als vollflächige Metallisierungen ausgebildet; sie können aber auch strukturiert sein, wobei sie dann vorteilhafterweise als Kontaktflächen oder Kontaktstreifen an lateral äußeren Bereichen der Lagen 3.1, 12 ausgebildet sind.
  • Erfindungsgemäß kann eine erzeuge Piezospannung Up bei Verformungen gemäß dem 33-Effekt und/oder 31-Effekt, d.h. gemäß dem 31-Effekt bei Biegebeanspruchungen bzw. Verformung senkrecht zu den Elektroden oder dem 33-Effekt bei Druckbeanspruchungen bzw. bei Verformung in Richtung der Elektroden, und somit entlang sämtlicher drei Raumrichtungen X, Y, Z ausgenutzt werden.
  • Das Schaltungsmodul 1 kann insbesondere als Reifensensormodul zur Messung des Drucks (Reifeninnendrucks) und/oder Temperatur und/oder Beschleunigung bzw. Vibration verwendet werden. Hierbei kann eine Antenne 20 zur Aufnahme und Aussendung von Antennensignalen, zur Datenübermittlung mit einer entsprechenden Sende-Empfangseinheit am Fahrzeug vorgesehen sein, die wie beispielhaft in 1 gezeigt auf einer Außenseite des Sensormoduls, oder auch in einem zusätzlichen Gehäuse ausgebildet ist. Vorteilhafterweise wird kein weiteres Gehäuse verwendet, da dann die mechanischen Verformungen des Schaltungsmoduls 1 größer sind.
  • Das Schaltungsmodul 1 kann wie in 1, 2 gezeigt direkt oder auch in einem zusätzlichen Gehäuse aufgenommen im Gummimaterial des Fahrzeug reifens, z.B. auch im Bereich der Lauffläche, einvulkanisiert werden, so dass die bei der Fahrt auftretenden Walkkräfte ständig das Schaltungsmodul 1 durchwalken bzw. durchbiegen und somit ständig Energie erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Schaltungsmodul 1 wirkt somit als mechanisch-elektrischer Energiewandler.
  • Das Material der piezoelektrischen Lagen 3.1, 12 kann z.B. Bleizirkonat-Titanat (PZT) sein. Grundsätzlich kann die Piezokeramik bereits vor dem Sintern in dem green tage vorliegen oder erst beim Sintern ausgebildet werden. Die piezoelektrischen Lagen 3.1 und/oder 12 werden vorteilhafterweise aus anorganischen, ferroelektrischen und polykristallinen Keramikwerkstoffen gefertigt. Hierbei wird nach dem Sinterprozess ein Prägespannung angelegt und die elektrischen Dipole der einzelnen Domänen ausgerichtet. Bei Einbinden der piezoelektrischen Lagen zusammen mit weiteren Lagen in den Schaltungsträger 2 erfolgt das Anlegen der Prägespannung über den gesamten gesinterten LTCC-Schaltungsträger 2. Bei nachträglichem Aufbringen einer piezoelektrischen Lage 12 wird diese vorteilhafterweise bereits vorher geprägt.
  • In oder auf dem LTCC-Schaltungsträger 2 ist eine Stromversorgungsschaltung 36 ausgebildet, die die erzeugte Piezospannung Up aufnimmt und vorzugsweise einen Gleichrichter 41 aufweist. Weiterhin ist vorteilhafterweise ein Energiespeicher 37 vorgesehen, der z.B. als Kondensator 37 ausgebildet ist und die gleichgerichtete Piezospannung Up speichert. Der interne Kondensator 37 kann durch große Metallflächen 5, z.B. auf der Oberseite 3a und der Unterseite 3b einer Lage 3 ausgebildet sein. Hierbei können insbesondere auch mehrere derartige Metallflächen 5 – in an sich bekannter Weise – kammartig ineinander verschachtelt ausgebildet sein, um als Kondensator 37 zu dienen.
  • Weiterhin kann der als Kondensator oder Akkumulator ausgebildete Energiespeicher auch als zusätzliches Bauelement 38 ergänzend zu den Bauele menten 8, 9 montiert sein. Weiterhin kann auch die Stromversorgungsschaltung mitsamt dem Gleichrichter als Bauelement 39, z.B. SMD-Bauelement, auf oder in dem Schaltungsträger 2 montiert sein. In 2 sind somit – rein beispielhaft – die beiden zusätzlichen Bauelemente 38, 39 eingezeichnet. Die Ausführungsform der 2 kann auch entsprechend 1 mit interner Stromversorgungsschaltung 36 und Energiespeicher 37 realisiert werden.
  • Somit kann die durch unterschiedliche Belastungen eingehende mechanische Energie in elektrische Energie, d.h. eine Piezospannung Up umgewandelt, gleichgerichtet und abgespeichert werden und somit fortlaufend zum Betrieb der Bauelemente 8, 9 sowie der Antenne 20 dienen. Das Schaltungsmodul 1 kann somit vollständig autark ausgebildet sein.

Claims (18)

  1. Schaltungsmodul (2), das mindestens aufweist: einen Schaltungsträger (2), der mindestens eine Lage, insbesondere mindestens zwei Lagen (3, 3.1, 12), aufweist, wobei zumindest eine Lage (3.1, 12) als spannungserzeugende Lage (3.1, 12) ganz oder teilweise aus einem piezoelektrischen Material ausgebildet ist und mindestens zwei Elektroden (16) zum Abgriff einer bei einer mechanischen Verformung des Schaltungsträgers (2) in der spannungserzeugenden Lage (12, 3.1) erzeugten Piezospannung (Up) aufweist, und eine die Piezospannung (Up) aufnehmende Stromversorgungsschaltung (36, 37, 38, 39, 41), die als Spannungsquelle zur Stromversorgung des Schaltungsmoduls dient.
  2. Schaltungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungsschaltung (36, 37, 38, 39, 41) einen Energiespeicher (37, 38) zur Zwischenspeicherung der von der spannungserzeugenden Lage (3.1, 12) erzeugten Energie aufweist.
  3. Schaltungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungserzeugende Lage (3.1, 12) die einzige Energiequelle des Schaltungsmoduls (2) ist und es frei von sich verbrauchenden Energiequellen ist.
  4. Schaltungsmodul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (37) ganz oder teilweise in einer oder mehreren Lagen (3.1) des Schaltungsträgers (2) integriert ausgebildet ist.
  5. Schaltungsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (37) einen Kondensator (37) aufweist, dessen Kondensatorelektroden durch mindestens zwei auf der Oberseite (3a) und/oder Unterseite (3b) mindestens einer Lage (3) ausgebildete leitfähige Bereiche (5) gebildet sind und dessen Dielektrikum durch das Material mindestens einer Lage (3) gebildet ist.
  6. Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (38) ganz oder teilweise als auf oder in dem Schaltungsträger (2) montiertes Bauelement (38) ausgebildet ist.
  7. Schaltungsmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungsschaltung (36, 37, 38, 39, 41) einen in dem Schaltungsträger (2) ausgebildeten oder als Bauelement in oder auf dem Schaltungsträger (2) montierten Gleichrichter (41) zur Gleichrichtung der Piezospannung (Up) aufweist.
  8. Schaltungsmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (16) auf der Oberseite (3a) und der Unterseite (3b) der mindestens einen spannungserzeugenden Lage (3.1, 12) ausgebildet sind, wobei bei Verformungen sowohl in der vertikalen Stapelrichtung (v) als auch in der horizontalen Ebene (x) der spannungserzeugenden Lage (3.1, 12) Piezospannungen (Up) erzeugt werden, die an den Elektroden (16) abgreifbar sind.
  9. Schaltungsmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger aus ungesinterten, flexiblen Lagen gesintert (3, 3.1, 12) ist, wobei die gesinterten Lagen (3, 3.1, 12) jeweils mindestens ein keramisches Material aufweisen.
  10. Schaltungsmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine gesinterte Lage (3, 3.1) des Schaltungsträgers (2) als spannungserzeugende Lage (3.1) ausgebildet ist.
  11. Schaltungsmodul nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf den gesinterten Lagen (3, 3.1) nachträglich befestigte Lage (12) als spannungserzeugende Lage ausgebildet ist.
  12. Schaltungsmodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die nachträglich befestigte Lage (12) als Kappe oder Deckel (12) auf der Ober- oder Unterseite des Schaltungsmoduls (1) aufgeklebt oder aufgelötet ist.
  13. Schaltungsmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Schaltungsträger (2) montierten Bauelemente (8, 9, 38) in einem Freiraum (14) zwischen der zusätzlichen Lage (12) und den gesinterten Lagen (3, 3.1) aufgenommen sind.
  14. Schaltungsmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (2) mit einem Sensorbauelement (9) zur Messung von Druck und/oder Temperatur und/oder einer Beschleunigung bestückt ist.
  15. Schaltungsmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es frei von einem den Schaltungsträger (2) aufnehmenden Gehäuse ausgebildet ist.
  16. Schaltungsmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine auf einer Lage (3, 12) ausgebildete Antenne (20) zum Aufnehmen und Aussenden von Antennensignalen aufweist.
  17. Fahrzeugreifen, in dessen Gummimaterial ein Schaltungsmodul (1) nach einem der vorherigen Ansprüche einvulkanisiert ist.
  18. Fahrzeugreifen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungsmodul (1) im Bereich der Lauffläche des Fahrzeugreifens einvulkanisiert ist.
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