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Die
Erfindung betrifft einen Sensor, eine Vorrichtung mit einem Sensor,
ein Verfahren zum Detektieren einer defekten Vorrichtung und eine
Verwendung eines Sensors.
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Konventionelle
Sensoren zur Messung von Magnetfeldern finden ein breites Anwendungsfeld
in Industrie, insbesondere in der Automobilindustrie. Neben Anwendungen
in Leseköpfen
oder Positionserfassung in Fahrzeugen, häufig mit Einzelsensoren, werden
solche Sensoren auch für
die Qualitätssicherung
von Bauteilen verwendet. So können
z. B. Risse an ferromagnetischen Oberflächen durch austretende Streufelder
erkannt werden. Ähnliches
gilt auch für
Halbleiterbauelemente, bei denen bei einem eventuellen Defekt bei
Stromfluss durch ein so genanntes magnetisches Mapping, z. B. GMR-Kantiliver,
Defekte sichtbar werden.
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Konventionelle
Sensoren basieren beispielsweise auf Silizium- oder Keramikträgern.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen flexibleren und ggf. flächig ausgedehnten
Sensor zum Detektieren von magnetischen Feldern anzugeben.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird gelöst
durch einen Sensor zum Detektieren eines magnetischen Feldes, aufweisend
ein flexibles Substrat und eine auf dem flexiblen Substrat aufgetragene
Mehrzahl flächenhaft
aneinander angeordneter magnetisch resistiver Elemente auf Basis
organischer Halbleitermaterialien, die jeweils zwei übereinander
angeordnete Elektroden und eine zwischen den Elektroden angeordnete
organische magnetisch resistive Halbleiterschicht umfassen.
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Der
erfindungsgemäße Sensor
macht sich den so genannten bei organischen Halbleitermaterialien,
wie insbesondere Polymermaterialien, beobachtete OMR-Effekt (Organisch
Magneto Resistiver Effekt) zunutze, um magnetische Felder z. B.
eines Permanentmagneten oder eines Elektromagneten zu messen. Der
erfindungsgemäße Sensor
weist dementsprechend die magnetisch resistiven Elemente auf, die
jeweils zwei Elektroden und die dazwischen angeordnete organische
magnetisch resistive Halbleiterschicht insbesondere auf Basis von
Polymermaterialien aufweisen.
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Die
beiden Elektroden sind z. B. aus Metall, Aluminium oder ITO gefertigt
und die Halbleiterschicht umfasst z. B. Pedot.
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Unter
dem magnetisch resistiven Effekt versteht man, dass der elektrische
Widerstand des magnetisch resistiven Elements sich unter dem Einfluss eines
magnetischen Feldes ändert.
Die Änderung dieses
Einflusses kann insbesondere proportional zur Stärke des magnetischen Feldes
sein. Ein magnetisch resistives Element stellt somit im Wesentlichen
ein Bauelement mit einem aufgrund eines magnetischen Feldes veränderbaren
elektrischen Widerstands dar.
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Ein
Vorteil der organischen magnetisch resistiven Elemente ist es, dass
diese relativ dünn
und biegsam ausgeführt
werden können.
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Der
erfindungsgemäße Sensor
umfasst ferner das flexible Substrat, auf das die organischen magnetisch
resistiven Elemente aufgetragen sind. Das flexible Substrat ist
beispielsweise eine dünne Folie.
Da sowohl das Substrat für
die organischen magnetisch resistiven Elemente flexibel ist als
auch die organischen magnetisch resistiven Elemente flexibel ausgeführt werden
können,
ergibt sich demnach auch ein flexibler erfindungsgemäßer Sensor, der
demnach biegsam ist oder derart geformt werden kann, dass er eine
gekrümmte
Oberfläche
aufweist oder sich gekrümmten
Oberflächen
anpassen kann.
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Die
Verwendung von Polymermaterialien erlaubt eine relativ kostengünstige,
massenfertigungstaugliche Beschichtungstechniken, wie Rakeln, Drucken,
Inkjetdrucken, Prägeverfahren
oder Siebdruck. Auch die Herstellung selbsttragender Folien ist
denkbar. Der erfindungsgemäße Sensor
kann z. B. auch mittels Rolle-zu-Rolle Drucktechnologie hergestellt werden.
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Die
Flexibilität
des erfindungsgemäßen Sensors
wird insbesondere durch seinen Aufbau mittels organischer magnetisch
resistiver Elemente auf flexiblen Substraten insbesondere in Folien-
oder Kunststoffbeschichtungstechnik erreicht.
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Somit
ist es z. B. möglich,
den erfindungsgemäßen Sensor
hohlzylinderförmig
auszuführen,
wodurch der Sensor z. B. bei einer kontaktlosen Überwachung eines sich drehenden
Teils, z. B. einer sich drehenden Welle oder Achse geeignet ist.
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Die
flächenhaft
aneinander angeordneten magnetisch resistiven Elemente können insbesondere
streifenförmig
in einer Reihe oder matrixförmig
aneinandergeordnet sein.
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Nach
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensors
sind die magnetisch resistiven Elemente als ein flächenhaftes
Bauteil ausgeführt, das
eine strukturierte erste Elektrode, eine unstrukturierte zweite
Elektrode und eine zwischen den beiden Elektroden angeordnete unstrukturierte
magnetisch resistive organische Halbleiterschicht aufweist, und die
einzelnen magnetisch resistiven Elemente aufgrund der strukturierten
ersten Elektrode gebildet sind.
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Ein
Vorteil dieser Ausgestaltung ist es, dass die magnetisch resistiven
Elemente relativ einfach auch relativ großflächig hergestellt werden können. Durch
die unstrukturierte Ausführung
der zweiten Elektrode und der Halbleiterschicht ist diese Variante der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
relativ preisgünstig
herstellbar. Sollte ein aufgrund der unstrukturierten zweiten Elektrode
und der unstrukturierten Halbleiterschicht eventuell auftretendes Übersprechen
zu groß sein,
dann kann auch die zweite Elektrode und/oder die organische Halbleiterschicht
entsprechend der ersten Elektrode strukturiert ausgeführt werden.
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Geeignete
Materialien für
die Elektroden sind u. a. Metall, Aluminium und ITO und geeignete Materialien
für die
organische magnetisch resistive Halbleiterschicht ist z. B. Pedot.
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Der
erfindungsgemäße Sensor
kann z. B. auf eine ein magnetisches Feld erzeugende Einrichtung angeordnet
sein, wobei der Sensor auf einer Fläche der Einrichtung kontaktierend
oder fest angeordnet ist. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Sensor
auf die Fläche
der Einrichtung laminiert sein.
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Eine
solche Einrichtung ist beispielsweise ein Halbleiterwafer.
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Mittels
des erfindungsgemäßen Sensors kann
z. B. ein Defekt einer ein magnetisches Feld erzeugenden Vorrichtung
erkannt werden. Dies kann z. B. mittels folgender Schritte erfolgen:
- – Aufbringen
des erfindungsgemäßen Sensors auf
eine Oberfläche
einer ein magnetisches Feld erzeugenden Vorrichtung,
- – Erzeugen
von elektrischen Signalen mitteln des erfindungsgemäßen Sensors,
wobei die elektrischen Signale einer Verteilung eines von der Vorrichtung
erzeugten magnetischen Feldes zugeordnet sind, und
- – Auswerten
der elektrischen Signale.
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Die
eventuell defekte Vorrichtung weist z. B. eine ferromagnetische
Oberfläche
auf, auf die der erfindungsgemäße Sensor
aufgebracht wird. Aufgrund der Flexibilität des erfindungsgemäßen Sensors kann
diese Fläche
auch gekrümmt
sein. Weist diese Oberfläche
z. B. Risse auf, so entstehen magnetische Streufelder, die mittels
des erfindungsgemäßen Sensors
erkannt werden können.
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Die
zu untersuchende Vorrichtung kann auch ein Wafer mit einer Mehrzahl
von Halbleiterbauteilen sein. Werden die Halbleiterbauelemente mit
elektrischer Energie beaufschlagt, dann fließt durch die Halbleiterbauelemente
ein elektrischer Strom, der wiederum ein magnetisches Feld erzeugt.
Die elektrischen Signale des Sensors sind dann einer Verteilung
des von den Halbleiterbauteilen erzeugten magnetischen Feldes zugeordnet.
Feldüberhöhungen, die
an Defektstellen auftreten, können
z. B. simultan erkannt werden.
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Ist
wenigstens ein Halbleiterbauelement defekt, dann unterscheidet sich
die Verteilung des magnetischen Feldes von der Verteilung eines
magnetischen Feldes eines Wafers mit intakten Halbleiterbauelementen,
was wiederum mittels der Auswertung der elektrischen Signale des
erfindungsgemäßen Sensors
erkannt werden kann. Die Auswertung erfolgt z. B. durch einen Vergleich
von elektrischen Signalen, die einem intakten Wafer zugeordnet sind, mit
den elektrischen Signalen, die dem zu testenden Wafer zugeordnet
sind.
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Im
Betrieb des erfindungsgemäßen Sensors sind
z. B. die magnetisch resistiven Elemente mit einer elektrischen
Energiequelle, z. B. einer Spannungs- oder einer Stromquelle verbunden.
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Werden
die magnetisch resistiven Elemente z. B. mit einem insbesondere
konstanten elektrischen Strom einer Stromquelle beaufschlagt, dann ändert sich
die an den magnetisch resistiven Elementen anliegende Spannung aufgrund
des magnetischen Feldes, da dieses den Widerstand des relevanten
magnetisch resistiven Elementes verändert.
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Liegen
an den magnetisch resistiven Elementen insbesondere eine konstante
elektrische Spannung einer Spannungsquelle an, dann ändert sich
der durch die magnetisch resistiven Elemente fließende Strom
aufgrund des magnetischen Feldes.
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Somit
können
der elektrische Strom oder die elektrische Spannung der magnetisch
resistiven Elemente als die elektrischen Signale des erfindungsgemäßen Sensors
herangezogen werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den beigelegten schematischen Zeichnungen
exemplarisch dargestellt. Es zeigen:
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1 ein
auf einem flexiblen Substrat aufgebrachtes organisches magnetisch
resistives Element,
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2 eine
Grafik zur Veranschaulichung des magnetisch resistiven Effekts des
organischen magnetisch resistiven Elements,
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3 einen
flächenhaften
Sensor zum Detektieren eines magnetischen Feldes,
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4 einen
hohlzylinderförmig
ausgeführten Sensor,
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5 einen
Sensor mit einer gekrümmten Oberfläche,
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6 einen
Wafer mit einem Sensor und
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7 ein
Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Prüfung des Wafers.
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Die 1 zeigt
ein auf einem flexiblen Substrat 1 aufgetragenes organisches
magnetisch resistives Element 2. Das flexible Substrat 1 ist
beispielsweise eine Kunststofffolie.
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Das
organische magnetisch resistive Element 2 weist zwei Elektroden 3, 4 auf,
von denen eine der Elektroden 3, 4 auf dem Substrat 1 beispielsweise
mittels Rakeln, Drucken, Injektdrucken, einem Prägeverfahren oder einem Siebdruckverfahren
aufgebracht ist. Die beiden Elektroden 3, 4 sind
beispielsweise aus Aluminium, ITO, Ca/Ag oder einem organischen
Material gefertigt.
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Zwischen
den beiden Elektroden 3, 4 ist eine organische
magnetisch resistive Halbleiterschicht 5 auf Basis von
Polymermaterialien angeordnet. Die organische magnetisch resistive
Halbleiterschicht 5 umfasst beispielsweise PPV(Poly, -phenylen,
-vinylen)Polyfluoren oder Pedot.
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Das
magnetisch resistive Element 2, wenn über die beiden Elektroden 3, 4 angeschlossen,
stellt ein elektrisches Bauelement mit einem elektrischen Widerstand
dar, der sich aufgrund eines magnetischen Feldes, dem das magnetisch
resistive Element 2 ausgesetzt ist, ändert. Das magnetische Feld
wird beispielsweise von einem in den Figuren nicht näher dargestellten
Magneten erzeugt.
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Die 2 zeigte
eine graphische Darstellung, wie sich der elektrische Widerstand
des magnetisch resistiven Elementes 2 prinzipiell aufgrund
eines Magnetfeldes prozentual ändert.
Wie es der 2 zu entnehmen ist, verringert
sich der Widerstand des magnetisch resistiven Elements 2 mit
dem Betrag der magnetischen Feldstrecke H des magnetischen Feldes.
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Die 3 zeigt
einen flächenhaften
Sensor 30 zum Detektieren eines magnetischen Feldes. Der in
der 3 dargestellte Sensor 30 umfasst ein
flexibles Substrat 31, beispielsweise eine Kunststofffolie,
auf der eine strukturierte Elektrode 32, beispielsweise
aus Aluminium oder Ca/Ag z. B. mittels Rakein, Drucken, Injektdrucken,
einem Prägeverfahren oder
Siebdruck aufgetragen ist. Auf der strukturierten Elektrode 32 ist
eine organische Lochtransportschicht 33 aufgetragen, die
entsprechend der Elektrode 32 strukturiert ist. Auf der
Lochtransportschicht 33 ist wiederum eine organische magnetisch
resistive Halbleiterschicht 34 auf Basis von Polymermaterialien
aufgetragen. Die Halbleiterschicht 34 ist ebenfalls entsprechend
der Elektrode 32 strukturiert. Auf der organischen Halbleiterschicht 34 ist
wiederum eine entsprechend der Elektrode 32 strukturierte Elektrode 35 aufgetragen,
die beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist.
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Im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles
sind die Elektroden 32, 35, wie in der 3 gezeigt,
streifenförmig
strukturiert. Aufgrund der Strukturierung ergeben sich streifenförmig in
einer Reihe angeordnete Teilelektroden 36 und demnach streifenförmig in
einer Reihe angeordnete organische magnetisch resistive Elemente.
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Die
Elektroden 32, 35, die Lochtransportschicht 33 und
die Halbleiterschicht 34 sind flexibel ausgeführt, sodass
der Sensor 30 aufgrund des flexiblen Substrats 31 biegsam
ist.
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Die 4 zeigt
einen hohlzylinderförmig ausgeführten Sensor 40 zum
Detektieren eines in den Figuren nicht näher dargestellten magnetischen Feldes.
Der Sensor 40 umfasst ein flexibles Substrat 41,
welches hohlzylinderförmig
gebogen ist. Auf der nach außen
gerichteten Oberfläche
des hohlzylinderförmigen
Substrats 41 sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles
streifenförmig
organische magnetisch resistive Elemente 42 aufgetragen.
Die organischen magnetisch resistiven Elemente 42 können auch
matrixförmig
auf dem Substrat 41 aufgetragen sein.
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Der
Sensor 40 kann prinzipiell entsprechend dem Sensor 30 aufgebaut
sein oder es ist möglich, dass
die einzelnen magnetisch resistiven Elemente 42 als individuelle
Bauteile auf dem Substrat 41 aufgetragen sind.
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Im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles
ist der Sensor 40 vorgesehen, berührungslos die Drehzahl einer
Welle 43, beispielsweise eines Elektromotor, zu messen.
Dazu ist die Welle 43 magnetisch ausgeführt.
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Die 5 zeigt
einen weiteren Sensor 50 zum Detektieren eines magnetischen
Feldes. Der Sensor 50 umfasst ein flexibles Substrat 51,
auf dem im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles matrixförmig organische
magnetisch resistive Elemente 52 aufgetragen sind. Die
einzelnen magnetisch resisti ven Elemente 52 können dabei
als individuelle Elemente oder entsprechend dem Sensor 30 der 3 ausgeführt sein.
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Die 6 illustriert
die Verwendung eines organischen magnetisch resistiven Sensors 60 zum
Erkennen von Defekten eines Wafers 61 und die 7 illustriert
das Erkennen des ggf. defekten Wafers 61 anhand eines Flussdiagramms.
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Der
Wafer 61 umfasst mehrere Halbleiterbauelemente 62 auf
einer Waferoberfläche 63 des Wafers 61.
Werden die Halbleiterbauelemente 62 mit einer in der 6 nicht
näher dargestellten
elektrischen Energiequelle, beispielsweise einer elektrischen Spannungsquelle,
mit elektrischer Energie versorgt, dann fließen elektrische Ströme durch
die Halbleiterbauelemente 62. Aufgrund defekter Halbleiterbauelemente 62,
beispielsweise bedingt durch Risse in der Waferoberfläche 63,
ergibt sich eine Verteilung eines magnetischen Feldes, das sich
von der Verteilung eines magnetischen Feldes eines intakten Wafers
unterscheidet.
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Der
Sensor 60 zum Detektieren eines magnetischen Feldes umfasst ähnlich den
in den 3 bis 5 dargestellte Sensoren 30, 40, 50 ein
flexibles Substrat 64, beispielsweise eine Kunststofffolie, auf
der in der 6 nicht sichtbar matrixförmig eine Mehrzahl
von organischen magnetisch resistiven Elementen ähnlich wie beim Sensor 50 der 5 aufgetragen
sind. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles sind die magnetisch
resistiven Elemente des Sensors 60 auf einer dem Wafer 61 zugewandten
Oberfläche
des Substrats 64 aufgetragen.
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Für das Überprüfen des
Wafers 61 wird im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles
des Sensors 60 auf der Oberfläche 63 des Wafers 61 aufgebracht,
Schritt A des Flussdiagramms der 7.
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Anschließend wird
der Sensor 60 mittels einer elektrischen Leitung 65 an
eine eine konstante Spannung U erzeugende Span nungsquelle 66 angeschlossen.
Aufgrund der Spannungsquelle 66 liegen an den einzelnen
organisch resistiven Elementen des Sensors 60 die konstante
Spannung U an.
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Des
Weiteren ist der Sensor 60 mittels einer elektrischen Leitung 68 mit
einer Auswertevorrichtung 67 verbunden, die beispielsweise
einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller umfasst.
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Aufgrund
der magnetischen Feldverteilung der mit der elektrischen Spannung
beaufschlagten Halbleiterelemente 62 ändern sich die elektrischen Widerstände der
magnetisch resistiven Elemente des Sensors 60 entsprechend.
Wegen der an den magnetisch resistiven Elementen anliegenden konstanten
Spannung und den aufgrund des magnetischen Feldes abhängigen Widerstände der
magnetisch resistiven Elemente fließen durch diese der Feldverteilung
entsprechende elektrische Ströme, Schritt
B des Flussdiagramms.
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Diese
elektrischen Ströme
oder den elektrischen Strömen
proportionale elektrische Signale werden mittels einer elektrischen
Leitung 68 der Auswertevorrichtung 67 zugeführt, die
anschließend
diese elektrischen Signale auswertet, Schritt C des Flussdiagramms.
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Die
den elektrischen Strömen
proportionalen elektrischen Signale werden z. B. erzeugt, indem
den einzelnen magnetisch resistiven Elementen jeweils ein Shunt-Widerstand
in Serie geschaltet ist, an denen den Strömen proportionale Spannungen
abfallen und die elektrischen Signale bilden.
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Die
Auswertevorrichtung 67 wertet beispielsweise die elektrischen
Signale aus, indem sie diese mit einem intakten Wafer zugeordneten
elektrischen Signale vergleicht, die z. B. in einem Speicher der Auswertevorrichtung 67 gespeichert
sind. Unterscheiden sich die elektrischen Signale deutlich von den
gespeicherten Signalen, dann schließt die Auswertevorrichtung 67,
dass der Wafer 61 defekt ist. Andernfalls ergibt die Auswertung,
dass der Wafer 61 intakt ist.
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Das
Ergebnis der Auswertung wird anschließend auf einem mit der Auswertevorrichtung 67 über einer
elektrischen Leitung 70 verbundene Anzeigevorrichtung 69 angezeigt,
Schritt D des Flussdiagramms.
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- 1
- Substrat
- 2
- magnetisch
resistives Element
- 3,
4
- Elektroden
- 5
- Halbleiterschicht
- 30
- Sensor
- 31
- Substrat
- 32
- Elektrode
- 33
- Lochtransportschicht
- 34
- Halbleiterschicht
- 35
- Elektrode
- 36
- Teilelektroden
- 40
- Sensor
- 41
- Substrat
- 42
- magnetisch
resistive Elemente
- 43
- Welle
- 50
- Sensor
- 51
- Substrat
- 52
- magnetisch
resistive Elemente
- 60
- Sensor
- 61
- Wafer
- 62
- Halbleiterbauelemente
- 63
- Waferoberfläche
- 64
- Substrat
- 65
- elektrische
Leitung
- 66
- Spannungsquelle
- 67
- Auswertevorrichtung
- 68
- elektrische
Leitung
- 69
- Anzeigevorrichtung
- 70
- elektrische
Leitung
- A–D
- Schritte