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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung von elektrisch leitfähigen,
gedruckten Strukturen, die im Rahmen eines Druckvorganges auf ein fortlaufend
bewegtes Bahnmaterial aufgedruckt werden, sowie eine Einrichtung,
insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens sowie eine
Druckmaschine mit einer derartigen Einrichtung gemäß Gattung
der Ansprüche 1, 17 und 31.
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Die
weitere Durchdringung des Marktes der Alltagsprodukte mit elektronischen
Schaltkreisen, sei es zur Kennzeichnung der Produktdaten und -spezifika
am Produkt von Lagerhaltungskriterien oder Preisen, z. B. in Verbindung
mit automatischen Kassier-systemen, ist untrennbar mit der Bereitstellung äußerst
kostengünstiger Schaltkreise und sonstiger, elektrisch
leitfähiger Strukturen in hinreichender Qualität
verbunden. Eine Möglichkeit der Herstellung solcher elektronischer
Bauelemente bietet die Entwicklung elektrisch leitfähiger
Polymere und halbleitender Polymermaterialien, die auch in Lösungsmitteln
löslich sind und somit als Flüssigkeiten bereitgestellt
werden können, und die sich wie Druckfarben verarbeiten
lassen und verhalten, mit der Möglichkeit, solche elektronischen
Strukturen mittels herkömmlicher Druckverfahren auf dünne
Bahnmaterialien zu drucken. Neben elektrisch leitfähigen
Polymeren können auch metallgefüllte Tinten, z.
B. Silbertinten, zur Herstellung solcher elektrisch leitfähigen Strukturen
eingesetzt werden.
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Der
Vorteil der Herstellung elektronischer Bauelemente bzw. elektrisch
leitfähiger Strukturen mittels Druckverfahren liegt vor
allem in der hohen Produktivität der Verfahren und den
damit verbundenen Kostenvorteilen gegenüber den kostenintensiveren
Prozessen der Siliziumtechnologie, die solche gedruckten elektronischen
Bauelemente und leitfähigen Strukturen für den
Einsatz in Massenmärkten geeignet machen. Insbesondere
kontinuierlich arbeitende Rollenrotationsdruckverfahren wie Offset-,
Flexo- oder Tiefdruck ermöglichen eine hochproduktive und kostengünstige
Herstellung strukturierter, elektrisch leitender Funktionsschichten.
Darüber hinaus bietet das flexible Trägersubstrat,
wie z. B. Folien oder Papier, weitere, weitreichende Einsatzmöglichkeiten
für derartige, gedruckte elektronische Schaltkreise, deren
Herstellung sich damit praktisch kaum von derjenigen üblicher
Druckerzeugnisse in der graphischen Industrie, die auf der Basis
kontinuierlicher Druckprinzipien hergestellt werden, unterscheidet.
Allerdings sind die Anforderungen hinsichtlich Auflösung, Passer,
Schichtdicken sowie Schicht- und Oberflächenqualitäten
erheblich höher als in der graphischen Industrie. Diese
Faktoren bestimmen daher maßgeblich die Leistungsfähigkeit
der Herstellung gedruckter elektronischer Bauteile. Zudem spielen Effekte
bei der Trocknung der Schichten, Wechselwirkungen der Lösungsmittel
nacheinander gedruckter Schichten und dergleichen eine wichtige
Rolle.
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Die
Qualitätsüberwachung und -kontrolle der gedruckten
elektrischen Strukturen ist angesichts der hohen Arbeitsgeschwindigkeiten
und Produktivitäten von herausragender Bedeutung. Fehler
führen zu teurer Makulatur.
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Bei
konventionellen Druckverfahren erfolgt die Qualitätskontrolle
vielfach mit Inline-Messystemen auf optischer Basis. Derartige Systeme
sind jedoch für die Bewertung und Qualitätskontrolle
gedruckter elektronischer Leiterzüge unzureichend und lassen
keine sichere Bewertung zur elektrischen Fehlerfreiheit der gedruckten
elektronischen Strukturen zu, die in Abhängigkeit vom verwendeten
Druckverfahren auch verhältnismäßig inhomogen
sind und vielfach hohe Oberflächenrauhigkeiten aufweisen. Haupt-Qualitätskriterien
für gedruckte elektronische Bauelemente sind daher Leitfähigkeit,
Auflösung, Genauigkeit der Reproduktion, Lagendicke und
Homogenität.
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Aus
der
DE 1 665 116 ist
eine Bogen-Rotationsoffsetdruckeinrichtung zum Herstellen von flachen
Schichtwiderständen bekannt, wobei auch eine Widerstandsprüfeinrichtung
zum Messen der Widerstandswerte im Anschluß an einen Ofenprozeß vorgesehen
ist. Dabei ist auch in Abhängigkeit von der im Rahmen einer
Brückenschaltung erfolgenden Widerstandsmessung eine Farbstoffzuführungswalze zur
Regulierung der Farbstoffzufuhr beeinflussbar. Eine solche Einrichtung
ist jedoch für kontinuierliche Prozesse ungeeignet.
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Au
der
DE 40 16 961 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln des elektrischen
Flächenwiderstandes von auf eine Folienbahn aufgedampften
Metallstreifen bekannt. Abgesehen davon, dass es sich hierbei nicht
um gedruckte elektrische Strukturen handelt, ist auch die Widerstands-Messeinrichtung
verhältnismäßig kom pliziert und setzt
in Längsrichtung des Baumateriales sich fortlaufend erstreckende
elektrische Strukturen voraus.
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Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Einrichtung zur Bewertung von elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen,
die im Rahmen eines Druckvorganges auf ein fortlaufend bewegtes
Bahnmaterial aufgedruckt werden, anzugeben, das bzw. die eine Qualitätskontrolle
der Strukturen hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften mit
hoher, durch den Druckvorgang selbst bestimmter Effizienz und Geschwindigkeit
ermöglicht. Auf diese Weise sollen auch die Voraussetzungen
geschaffen werden, in situ in den Druckprozeß in Abhängigkeit
von dem Bewertungsergebnis eingreifen zu können. Der Erfindung
liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Druckmaschine zu schaffen,
die das fehlerfreie oder fehlerarme Drucken von elektrisch leitfähigen
Strukturen ermöglicht.
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Die
vorgenannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch ein Einrichtung
mit den Merkmalen des Anspruches 16 und durch eine Druckmaschine
mit den Merkmalen des Anspruches 30 gelöst.
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Bevorzugte
Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen
dargelegt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren verwirklicht eine in
situ, d. h. innerhalb des Druckprozesses vom bewegten Bahnmaterial
aus erfolgende Erfassung eines elektrischen Parameters, vorzugsweise des
elektrischen Widerstandes der gesamten gedruckten Struktur oder
eines Teiles derselben, so dass verzögerungsfrei und innerhalb
des Druckprozesses selbst eine Qualitätskontrolle der elektronischen,
gedruckten Struktur erfolgt mit der Möglichkeit, auch in
einer Rückkopplungssteuerung in den Druckprozeß selbst
einzugreifen, sofern Fehler in der leitfähigen, gedruckten
Struktur, wie z. B. ein zu hoher Widerstandswert innerhalb einer
elektrisch leitfähigen Struktur oder ein zu geringer Widerstand
zwischen zwei voneinander elektrisch isolierten Teilen der leitfähigen,
gedruckten Struktur festgestellt werden.
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Vorzugsweise
erfolgt die Erfassung des zumindest einen elektrischen Parameters,
insbesondere des die elektrische Leitfähigkeit repräsentierenden elektrischen
Widerstandes vor dem Aufwickeln des Bahnmaterials.
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Im
Rahmen der Herstellung von elektronischen Bauelementen bildet das
Drucken der elektrisch leitfähigen Struktur vielfach den
ersten Schritt, dem eine Reihe von weiteren Schritten mit Beschichtungen,
Kontaktierungen etc. zur Komplettierung des elektronischen Bauelementes,
z. B. Feldeffekttransistors, folgen. Durch eine frühzeitige
Qualitätskontrolle bereits in der zugrundeliegenden Basisschicht, die
Träger der elektrisch leitfähigen, gedruckten Struktur
ist, ist es möglich, die Weiterverarbeitung fehlerhafter
Strukturen und damit unnötige Kosten zu vermeiden.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der
elektrische Parameter, vorzugsweise der elektrische Widerstand,
in einer Leitfähigkeitsmessung und/oder einer Kurzschlussfestigkeitsmessung
zwischen einer Abwickeleinrichtung des Bahnmaterials und einer Aufwickeleinrichtung desselben
durch wenigstens eine Messwalze erfaßt, wobei vorzugsweise
das Bahnmaterial zwischen zumindest einer Messwalze und einer Gegendruckwalze,
vorzugsweise einer Gummiwalze, hindurchgeführt wird.
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Nach
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
wird das mit der leitfähigen, gedruckten Struktur bedruckte
Bahnmaterial, wenn dieses beidseitig, d. h. auf Ober- und Unterseite
bzw. Vorder- und Rückseite mit leitfähigen Strukturen
bedruckt ist, durch opponierend angeordnete Messwalzen, (so dass
auch die Gegendruckwalze als Messwalze ausgebildet ist), erfasst,
oder sind in Kontakt mit der Ober- und Unterseite des Bahnmateriales
jeweils eine oder mehrere Messwalzen mit auf der gegenüberliegenden
Seite des Bahnmateriales opponierend aufgeordneter Gegendruckwalze
(insbesondere Gummiwalze) vorgesehen.
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Nach
noch einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Messwalze in Kontakt mit dem bedruckten Bahnmaterial
durch dieses rotierend angetrieben, also mittels eines Drehmomentes,
das durch die Reibungskraft zwischen Bahnmaterial und Zylinderoberfläche
der Messwalze um die Achse derselben wirksam ist. In Abhängigkeit
auch von den mechanischen Eigenschaften des Bahnmaterials, kann
in schonenderer Weise die Messwalze aber auch durch einen eigenen Antrieb
selbständig rotierend angetrieben werden, vorzugsweise
in Übereinstimmung mit der Bahngeschwindigkeit des Bahnmaterials.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn der Kontaktdruck bzw. die Kontaktkraft zwischen
Bahnmaterial und Mess- und/oder Gegendruckwalze (konstant) einstellbar
ist, vorzugsweise unter elastischer Vorspannung der Messwalze gegen das
Bahnmaterial.
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Vorzugsweise
kann auch die Gegendruckwalze durch eine einstellbare Lagerung mit
einer vorbestimmten Andruckkraft verstellbar gegen die Messwalze
und das zwischen ihnen hindurchgeführte, bedruckte Bahnmaterial
angepresst werden.
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Die
elektrische Widerstandsmessung an der gedruckten, elektrisch leitfähigen
Struktur erfolgt vorzugsweise über eine 2-Punkt- oder,
unter erhöhter Genauigkeit, über eine 4-Punkt-Messung
und vorzugsweise mit Hilfe von beabstandeten Ringelektroden quer
zur Laufrichtung des Bahnmaterials, wobei sich die Ringelektroden,
vorzugsweise aus Kupfer oder versehen mit einem Goldüberzug
zur Herabsetzung des Kontaktwiderstandes, in Achsrichtung isolierend
beabstandet, in der vorzugsweise zylindrischen, Oberfläche
der Messwalze, befinden.
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Nach
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt eine drahtlose Messwertübertragung von
der Messwertwalze, insbesondere einer Stirnseite derselben, zu einer
Empfänger-/Auswerte-Einrichtung, oder es werden die erfassten
elektrischen Parameter der Struktur als Eingangsparameter zur Beeinflussung
von Stellgliedern für den Druckvorgang verwendet (geschlossener
Regelkreis).
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Im
vorliegenden Fall wird also zur Erfassung elektrischer Kennwerte,
insbesondere des elektrischen Widerstandes (Leitfähigkeitsmessung
oder Prüfung der Kurzschlussfestigkeit (R→00)) ein Kontaktverfahren verwendet. Dies
heißt jedoch nicht, dass insbesondere mit weiterer Verbesserung
des Druckprozesses und der elektrisch leitfähigen Auftragsmaterialien
mit hinsichtlich Oberflächengüte und Homogenität
verbesserte Eigenschaften, nicht auch berühungslose, vorzugsweise
induktive oder kapazitive Verfahren zur Qualitätsbewertung
der gedruckten, elektrisch leitfähigen Struktur innerhalb
einer Druckmaschine zur Anwendung kommen könnten.
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Insbesondere
bei optischer Prädisposition des elektrisch leitfähigen
Auftragsmateriales, z. B. durch Ausstattung derselben mit hochreflektiven
Eigenschaften oder angeregter oder selbsttätiger Emission
von elektromagnetischen Wellen erscheint auch eine optische Qualitätsüberwachung
der gedruckten elektrisch leitfähigen Punkte mit indirektem Schluß auf
die elektrischen Eigenschaften, wie ihrer Leitfähigkeit,
möglich.
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Auch
die weitere Verbesserung des Trägersubstrates (Bahnmaterial)
hinsichtlich Oberflächengüte und Homogenität
kann hierzu beitragen.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird hinsichtlich der Einrichtung zur Bewertung
von elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen erfindungsgemäß durch die
Ausbildung derselben als Inline-Messeinrichtung gelöst,
vorgesehen in Verbindung mit einer Druckmaschine zum Aufdrucken
der elektrisch leitfähigen Strukturen auf das Bahnmaterial.
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Es
wird überdies das Prinzip einer zerstörungs- und
rückwirkungsfrei mit der zu bewertenden Struktur in elektrischen
Kontakt tretenden Einrichtung verwandt, ohne daß zusätzliche
Messfelder oder Kontrollstreifen erforderlich sind.
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Vorzugsweise
ist die Inline-Messeinrichtung in Kontakt mit dem Bahnmaterial stromauf
einer Aufwickeleinrichtung für das gedruckte Bahnmaterial
innerhalb einer Druckmaschine angeordnet.
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Nach
noch einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung weist die Inline-Messeinrichtung eine Messwalze zur Bildung
von zumindest zwei Messpunkten in Verbindung mit der leitfähigen, gedruckten
Struktur auf dem Bahnmaterial auf, gebildet durch zwei beabstandet
in der vorzugsweise zylindrischen Außenoberfläche
der Messwalze liegende Ringelektroden. Diese bestehen vorzugsweise aus
Kupfer, ggf. zum Vermeiden der Akkumulation von Abrieb auf der Elektrodenoberfläche
und zur Herabsetzung des Kontaktwiderstandes mit einem Edelmetall
beschichtet, z. B. mit einer Goldbeschichtung als Kontaktmaterial
(vorzugsweise mit einer Schichtdicke von wenigen μm aufgebracht).
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Vorzugsweise
erfolgt die Erfassung des elektrischen Parameters, insbesondere
des elektrischen Widerstandes quer zur Laufrichtung des Bahnmateriales,
und kann (gleichzeitig oder abfolgend mit einer oder mehreren Messwalzen)
sowohl eine Leitfähigkeitsmessung (Messung des elektrischen
Widerstandes) innerhalb eines Leiterzuges der elektrischen Struktur
und/oder eine Kurzschlussfestigkeitsmessung (Feststellung des Fehlens
einer elektrischen Verbindung zwischen elektrisch unverbundenen
Abschnitten der gedruckten Struktur erfolgen) beinhalten.
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Nach
noch einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
kann die Inline-Messeinrichtung mit einer Markierungseinrichtung
kombiniert sein, so dass z. B. eine Inline-Markierung von gedruckten
elektrisch leitfähigen Strukturen, die Kurzschlüsse
oder elektrische Widerstände aufweisen, die über
einem vorher festgelegten Grenzwert liegen, erfolgt, so dass die
entsprechend markierten Bereiche des Bahnmaterials oder die entsprechend
markierten gedruckten elektronischen Strukturen später leicht
aufgefunden und von der Weiterverarbeitung ausgeschlossen werden
können. Eine solche Markierung ist z. B. leicht mittels
Inkjet möglich.
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Zur
direkten Beeinflussung des Druckwerkes und der Zufuhr des elektrisch
leitfähigen Druckmaterials ist es vorteilhaft, wenn die
Inline-Messeinrichtung Teil eines Regelkreises ist, in dem die Messwerte
hinsichtlich des elektrischen Widerstandes bzw. der Kurzschlussfestigkeit
(elektrischer Widerstand gegen unendlich) als Eingangsgrößen
zur Beeinflussung von Stellgliedern einer Druckmaschine vorgesehen
sind.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird schließlich hinsichtlich einer
Druckmaschine für das Bedrucken eines fortlaufend bewegten
Bahnmaterials mit elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen,
mit zumindest einem Druckwerk zwischen einer Abwickeleinrichtung
für das unbedruckte Bahnmaterial und einer Aufwickeleinrichtung
für das bedruckte Bahnmaterial durch eine Inline-Messeinrichtung
innerhalb der Druckmaschine gelöst, zur Erfassung zumindest
eines elektrischen Parameters zumindest einer der elektrisch leitfähigen,
gedruckten Strukturen.
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Vorzugsweise
ist die Druckmaschine mit der Inline-Msseinrichtung stromab einer
Trocknereinheit und stromauf der Aufwickeleinrichtung versehen,
wobei die Messeinrichtung vorzugsweise eine Messwalze mit einem
Paar beabstandeter Ringelektroden oder zwei Paaren beabstandeter
Ringelektroden (Zwei- oder Vierpunktmessung) auf weist, und wobei eine
drahtlose Messwertübertragung von der Messwalze zu einer
Messwerterfassungs/-Auswerteeinheit (Telemetrie-Einheit) vorgesehen
ist.
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Vorzugsweise
ist die Druckmaschine mit einer Regeleinrichtung zur Regelung von
Stellgliedern, insbesondere zur Beeinflussung von Druckparametern,
versehen, wobei die Inline-Messwerteinrichtung und die telemetrische
Messwerterfassungs-/-Auswerteeinheit Teil dieses Regelungskreises
ist und in Abhängigkeit von den erfassten und bewerteten Messwerten-Eingangsgrößen
für die Einstellung von Druckparametern bzw. des Druckwerkes
der Druckmaschine bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise
ist die Messwalze mit ihrer Achse im Wesentlichen rechtwinklig zur
Laufrichtung des Bahnmateriales angeordnet und erfolgt die Erfassung
von elektrischen Parameter der gedruckten elektrisch leitfähigen
Struktur im Wesentlichen quer zur Laufrichtung des Bahnmaterials.
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Nach
noch einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die Druckmaschine mit zwei Druckwerken ausgestattet, so dass ein
beidseitiges Bedrucken des Bahnmaterials mit elektrisch leitfähigen,
gedruckten Strukturen erfolgen kann und in entsprechender Verdopplung
der Inline-Messeinrichtung bzw. ihrer Erfassungsglieder auch zwei
oder mehrerer Messwalzen in Kontakt mit der Ober- bzw. Unterseite
des Bahnmateriales sind.
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Nach
noch einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung kann das Inline-Messsystem für die Bewertung
elektrischer Parameter der gedruckten, elektrisch leitfähigen
Strukturen auch in Verbindung mit einem optischen Überwachungs-
und/oder Regelsystem, wie einem optischen Passer-Steuersystem, vorgesehen
sein zur messwertabhängigen Korrektur von Druckpositionen
der elektrisch leitfähigen, gedruckten Struktur insgesamt oder
von Teilen derselben relativ zueinander.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
In diesen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Rollenoffsetdruckmaschine mit einer
Inline-Messeinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung,
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2 eine
schematische Darstellung einer Anordnung von Messwalze und Gegendruckwalze
in der Inline-Messeinrichtung nach 1 für
eine elektrische Widerstandsmessung, (2-Punkt-Messung),
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3 eine
schematische Darstellung einer Anordnung von Messwalze und Gegendruckwalze
in der Inline-Messeinrichtung nach 1 für
eine elektrische Widerstandsmessung (4-Punkt-Messung) zur Kompensation
des Einflusses des Kontaktwiderstandes,
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4 eine
Modifikation des Ausführungsbeispiels nach 2 mit
Messwalze und Gegendruckwalze in 2 für
eine Kurzschlussprüfung einer Source/Drain-Struktur, insbesondere
für organische Feldeffekttransistoren,
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5 Layout
einer Source/Drain-Struktur für einen gedruckten Ringoszillator,
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6 eine
Messanordnung mit Messwalze und Gegendruckwalze in schematischer
Darstellung für ein Layout nach 5 entsprechend
dem Ausführungsbeispiel nach 2,
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7 einen
(mehrteiligen) Aufbau einer Messwalze in schematischer Darstellung,
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8 eine
Anordnung zur drahtlosen Messwertübertragung der Inline-Messeinrichtung
nach den 1 bis 5, wobei
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8a eine Ansicht in Laufrichtung des Bahnmaterials
zeigt, und
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8b eine Ansicht rechtwinklig zur Laufrichtung
des Bahnmaterials zeigt, und
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9 ein
Blockschaltbild einer Regeleinrichtung der Druckmaschine nach Anspruch
1 unter Einbeziehung der Inline-Messeinrichtung.
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1 zeigt
schematisch in Seitenansicht Hauptkomponenten einer Rollenoffsetdruckmaschine
nach einem Ausführungsbeispiel mit einer Abwickeleinrichtung 1 für
ein Bahnmaterial 2, das kontinuierlich mit elektrisch leitfähigen
elektronischen Strukturen 16 (s. 2) bzw.
Leiterbahnen bedruckt wird, wobei hierfür Folien (z. B.
PET oder Papier) als Bahnmaterial 2 eingesetzt werden.
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Zunächst
läuft dieses Bahnmaterial 2 durch eine Vorbehandlungseinrichtung 3 und
wird in einem nachfolgenden Druckwerk 4 mit dem elektrisch
leitfähigen Material, insbesondere leitfähigen
Polymeren oder halbleitenden Polymermaterialien vermittels eines
Druckzylinders 5 und eines diesen abstützenden Gummizylinders 6 mit
Hilfe eines Plattenzylinders 7 bedruckt, wobei letzterem
ein das elektrisch leitfähige Auftragmaterial bereitstellendes
Farbwerk 8 zugeordnet ist.
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Als
Material z. B. zur Herstellung von OFETs (organischen Feldeffekttransistoren)
dient z. B. PEDOT:PSS Strukturen (Poly(3,4-ethylendioedioxythiopehe)
dotiert mit Poly(4-styrenesulfonate), oder als Halbleiter kommt
ebenfalls ein polymeres Material z. B. PTAA (Polytriarlyamin) in
Betracht.
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An
das Druckwerk 4 schließt sich eine Nachbehandlungseinrichtung
(Trocknungseinrichtung 9) an, gefolgt von einer Inline-Messeinrichtung 10 mit
einer Messwalze 11 mit Ringelektroden 12 (s. 2) und
einer Gummiwalze 13 als Gegendruckzylinder, die nachfolgend
noch genauer erläutert werden, ehe das bedruckte Bahnmaterial 2 mittels
einer Aufwickeleinrichtung 17 aufgewickelt wird. Stirnseitig
ist an der Messwalze 11 ein Sensorsignal-Verstärker 14 vorgesehen
und es wird eine drahtlose Übertragung des Messsignales
zu einer telemetrischen Empfängereinheit 15 vorgesehen,
die mit einer weiteren, hier nicht dargestellten Auswerte/Anzeigeeinheit
verbunden ist.
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Als
Arbeitsgeschwindigkeit der Druckmaschine sind Druckgeschwindigkeiten
von ca. 2 m/sec bis zu 15 m/sec vorgesehen. Die Strukturgrößen
der elektrisch leitfähigen Strukturen 16 liegen
im Bereich von 10 μm bis 10 mm. Üblicherweise
sind die gedruckten, leitfähigen Strukturen 16 je
nach verwendetem Druckverfahren verhältnis mäßig
unhomogen und rau, so dass ein in situ Qualitätsprüfung
der Strukturen während des Druckvorganges sinnvoll ist. Die
Messungen zielen dabei vor allem darauf ab, Schwankungen während
des Drucks von Funktionsstrukturen zeitnah zu erkennen und ggf.
Druckparameter in Abhängigkeit von den Messergebnissen
anzupassen. Die Inline-Messeinrichtung 10 gewährleistet
außerdem die Messungen in Echtzeit und eine Anzeige für
den Bediener der Druckmaschine, wobei ebenfalls eine separate Protokollierung
vorgesehen ist. Durch Visualisierung in Echtzeit kann der Bediener
manuell systematische Druckfehler korrigieren, um die Qualität
der gedruckten Schichten durch Beeinflussung der entscheidenden
Druckparameter des Druckprozesses zu verbessern. Die Protokollierung erfasst
außerdem zufällige Fehler. Die Inline-Messeinrichtung
arbeitet außerdem rückwirkungs- und zerstörungsfrei,
d. h. die Überwachung und Messung der aufgedruckten elektronischen
bzw. elektrischen Strukturen beeinflusst die Strukturen selbst nicht.
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Die
Inline-Messeinrichtung 10 wird in ihrem grundsätzlichen
Aufbau und in ihrer Funktion nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Ausführungsbeispiele nach den 2 bis 4 und 6 erläutert, wobei
ein Beispiel der elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen 16 in 5 als
Layout einer Offset-gedruckten Source/Drain-Struktur für
eine integrale Schaltung dargestellt ist.
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Das
Layout nach 5 repräsentiert die
unterste Schicht eines Ringoszyllators, gedruckt auf ein Bahnmaterial
aus PET. Jeweils ein kleiner Lasttransistor A und ein großer
Treibertransistor B bilden eine Inverterstufe. Sieben Inverterstufen
bilden eine Ringoszyllator. Bei einem solchen Layout müssen
einerseits Kurzschlüsse, die durch einander berührende Finger
einerseits entstehen können und andererseits niedrige Leitfähigkeiten
der horizontalen und vertikalen Verbindungen vermieden werden, da
sie zu Ausfällen des Oszyllators führen können.
Zwischen den in 5 mit 22 und 23 angegebenen
Punkten muß daher Kurzschlussfestigkeit herrschen, während
zwischen den mit 20 und 21 bezeichneten Punkten
eine hohe Leitfähigkeit erforderlich ist. Diese elektrischen Phänomene
zu messen, und zwar im laufenden Druckbetrieb, ist die Inline-Messeinrichtung 10 vorgesehen.
Beide Messungen können entweder in einer oder in zwei gleichartig
entsprechend der Inline-Messeinrichtung 10 aufgebauten
und abfolgend angeordneten Messeinrichtungen erfolgen.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel der Inline-Messeinrichtung ist
prinzipiell und schematisch in 2 bezüglich
der Messwertaufnahme in Verbindung mit 6 betreffend
die Messwertübertragung gezeigt.
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Wie 2 schematisch
verdeutlicht, befinden sich auf dem Bahnmaterial 2 aufgedruckte
elektrische Strukturen 16, die hier schematisch als sich im
Wesentlichen quer zur Laufrichtung des Bahnmateriales 2 beabstandete
rechteckförmige Leiterbahnen 16 dargestellt sind
(vergleichbar der Source/Drain-Elektrode zwischen den Punkten 20 und 21 in 5).
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Die
Messwalze 11, die eine hohe Oberflächengüte
und Glattheit aufweist, besitzt ein Paar voneinander beabstandete
Ringelektroden 18, vorzugsweise aus Kupfer, die zur weiteren
Herabsetzung des Kontaktwiderstandes auch mit galvanischen Überzügen
wie Gold- oder Silberbeschichtungen versehen sein können.
Die Kontaktierung der Ringelektroden 18 ist innerhalb der
Messwalze in hier nicht dargestellter Weise zur Stirnseite geführt.
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Die
Messwalze 11 stützt sich gegen eine elastische
Gummiwalze 13 als Gegendruckwalze ab, wobei eine Kontaktkraft
zwischen der Messwalze 11 und dem Bahnmaterial 2 bzw.
den elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen 16 manuell
oder mittels federelastischer Lagerung der Mess- und/oder der Gummiwalze 13 zur
Vergleichmäßigung der Andruckkraft eingestellt
wird.
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Breite
und Abstand der Ringelektroden 18 richten sich nach der
Größe der zu erfassenden Struktur, z. B. der im
Offset-Druck hergestellten Source/Drain-Strukturen, wobei zur Anpassung
an unterschiedliche Messaufgaben die Messwalze 11 mehrteilig
und unter Einsatz von isolierenden Zwischenringen ausgebildet sein
und auch die Ringelektroden 18 selbst als Kupferringe handelsüblicher
Art eingesetzt sind.
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Der
bzw. die Grundkörper der Messwalze 11 bestehen
vorzugsweise aus Polyazetal-Kunststoff. Auf diese Weise können
mit verhältnismäßig geringem Aufwand
im Baukastenprinzip verschiedene Messwalzen unterschiedliche Strukturen
und Messaufgaben hergestellt werden und z. B. bei Verwendung von
vier Ringelektroden sowohl eine Widerstandsmessung als auch eine
Kurzschlussüberwachung einer Messwalze reali siert werden.
Vorzugsweise erfolgt die Verbindung der Ringelektroden 17 über
innerhalb der Messwalze 11 verlegte Kabel, wohingegen die
Verbindung einzelner Abschnitte des Walzenkörpers unter
Einfügung der Ringelektroden 17 als selbständige
Kupferringe durch Kleben erfolgt.
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Ein
solcher mehrteiliger Aufbau der Messwalze 11 ist schematisch
in 7 dargestellt. Mit 11a ist ein erster
Teil der Messwalze 11 bezeichnet, mit eingeklebter Cu-Ringelektrode 18. 19 bezeichnet
einen Zwischenring frei wählbarer Länge (in Abhängigkeit
von der Lage der zu erfassenden Struktur 16). Zwischen
dem Zwischenring 19 und einem zweiten Teil der Messwalze 11 befindet
sich (eingeklebt) die zweite Cu-Ringelektrode 18. Auf diese
Weise ist eine sehr variable Anpassung der Messwalze 11 an
die jeweilige Messaufgabe möglich.
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Wie
in Verbindung mit 6 deutlich ist, besteht die
Inline-Messeinrichtung 10 aus der Messwalze 11 mit
dem Paar Ringelektroden 18, der Gummiwalze 13 zur
Bildung des Walzenspaltes, durch den das Bahnmaterial 2 geführt
wird und zur elastischen Abstützung der Messwalze 11 als
Gegendruckwalze sowie aus dem Sensorsignal-Verstärker 14 und
der Empfängereinheit 15, mit einer nachgeschalteten Analyse/Anzeigeeinheit,
die hier nicht dargestellt ist. Der Sensorsignalverstärker 14 ist
zur Widerstandsmessung ausgelegt und überträgt
das erfaßte Signal per Antenne 25 (vgl. 8,
die auch an der Stirnseite der Messwalze 11 angeordnet
sein kann undjedenfalls sehr dicht zur Empfängereinheit 15 angeordnet ist)
drahtlos zu der Empfängereinheit 15. Die Empfängereinheit 15 realisiert
zugleich die induktive Spannungsversorgung für den Sensorsignal-Verstärker.
Für den Fall, dass die Messwalze 11 nicht nur
zur Widerstandsmessung, sondern per weiteres Ringelektrodenpaar
zugleich zur Kurzschlussüberwachung ausgerüstet
ist (vgl. 4), kommt ein Mehrkanal-Signalverstärker
anstelle des in 2 nur für die Widerstandsmessung
ausgelegten Messsignalverstärkers 14 zur Anwendung.
Gegebenfalls können beide Messaufgaben aber auch auf abfolgende,
d. h. verschiedene Messwalzen aufgeteilt werden.
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In
den 2 bis 4 bezeichnet der Pfeil stets
die Laufrichtung des Bahnmateriales 2.
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Bezugnehmend
auf die Ausführung nach 2 in Verbindung
mit 6 erfolgt mittels des Ringelektrodenpaares 18 eine
Messung der elektrischen Leitfähigkeit (Widerstandsmessung
der Struktur 16) quer zur Druckrichtung, d. h. zur Laufrichtung
des Bahnmateriales. Dies ist vorteilhaft, da bei gedruckten, elektrisch
leitfähigen Strukturen deren elektrischer Widerstand quer
zur Druckrichtung höher als in Druckrichtung (Laufrichtung
des Bahnmateriales 2) ist, so dass hinsichtlich der Bewertung
der Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstandes der
Struktur eine Messung quer zur Druckrichtung als 2-Punkt-Messung,
also zu einer vergleichsweise geringeren Leitfähigkeit
bzw. einem höheren Widerstandswert führt, so dass
die Messung hinsichtlich der Leitfähigkeitsbewertung der
untersuchten Struktur sich „auf der sicheren Seite" befindet
und der tatsächlich vorhandene Wert (in Laufrichtung des
Bahnmateriales 2) im Allgemeinen günstiger ist
als der tatsächlich gemessene Wert.
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Wie 6 verdeutlicht,
ist ein stirnseitiger Umfangsbereich der Messwalze 11 als
Antenne 25 ausgebildet zur drahtlosen Messwertübertragung des
an der Stirnseite der Messwalze über Messaufnehmer/Sensorsignal-Verstärker 14 bereitgestellten Messsignales
zur Empfängereinheit 15. Messaufnehmer/Sensorsignal-Verstärker 14 sind
also direkt an der Messwalze 11 befestigt und rotieren
mit dieser. Mit 26 sind die Leitungsverbindungen zu einer nicht
dargestellten Auswerte- und Analyseeinheit bezeichnet.
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In
der vorliegenden Anordnung wird die Rotation der Messwalze 11 und
des Gegendruckzylinders (Gummiwalze 13) durch Reibungsantrieb über das
fortlaufend bewegte Bahnmaterial 2 selbst erreicht.
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In
Abhängigkeit von der Dicke des Bahnmateriales 2 und
der realisierbaren Bahnspannung sind einem solchen Antrieb Grenzen
gesetzt, so dass es vorteilhaft sein kann, die Messwalze 11 oder
die Gummiwalze 13 mit einem eigenen Antrieb zu versehen,
der vorzugsweise mit dem Antrieb des Bahnmateriales 2 synchronisiert
ist, so dass der Einfluß der Messwalze 11 als
Bremse im Bahnlauf ausgeschaltet wird.
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3 zeigt
in einem weiteren Ausführungsbeispiel die einfache Modifikation
der Messwalze 12 derart, dass die diese mit vier Ringelektroden
zur Widerstandsmessung versehen ist, und zwar zum Übergang
von einer 2-Punkt-Messung (2-Ring elektroden 11, 2)
zu einer 4-Punkt-Messung nach der van-der-Pauw'schen Methode, die
es gestattet, in einer erweiterten Brückenschaltung den äußeren Kontakten
(außer Ringelektroden 18) mit dem zu messenden
Leiterzug 16 einen Strom aufzuprägen und an den
inneren Kontakten die abfallende Spannung zu messen. Auf diese Weise
ist es möglich, den Einfluß des Kontaktwiderstandes
zwischen der leitfähigen Struktur 16 und den Ringelektroden 18 auszuschalten
und die Messgenauigkeit deutlich zu verbessern.
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4 verdeutlicht
in einem weiteren Ausführungsbeispiel und in einer gegenüber 5 vereinfachten
Darstellung die gleichfalls mögliche Kurzschlussüberprüfung
einer schematisch dargestellten Source/Drain-Struktur für
gedruckte Schaltungen, wobei keiner der Transistoren kurzgeschlossen
sein darf. Die Finger der Elektroden dürfen sich daher nicht
berühren. In 4 kann dies durch Messung des
Widerstandes zwischen den Leiterzügen 16a und 16b festgestellt
werden. Diese Erfassung kann gemeinsam mit der Leitfähigkeitsmessung
nach 2 bei Verwendung von vier Elektroden und einem
Mehrkanal-Sensorsignal-Verstärker vorgesehen werden.
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Bei
beidseitigem Bedrucken des Bahnmateriales 2 mit leitfähigen
Strukturen kann jeweils eine Messwalze oberhalb und unterhalb der
Materialbahn angeordnet werden (zur Bildung eines Walzenspaltes
zwischen der die Materialbahn 2 hindurch läuft oder
mit jeweils separat zugeordneter oberer und unterer Gummiwalze als
Gegendruckwalze), so dass auch eine beidseitige Ermittlung der Leitfähigkeit und/oder Überprüfung
der Kurzschlussfestigkeit der gedruckten leitfähigen Struktur
möglich ist. Mehrfache Überprüfungen
haben gezeigt, dass die Messung selbstzerstörungs- und
rückwirkungsfrei bezüglich der aufgedruckten leitfähigen
Struktur ist, also nicht zu einer Veränderung der Struktur
führt. Obwohl im vorliegenden Fall ein Offset-Druckverfahren
dargestellt ist, kann das gleiche Messprinzip auch mit jedem anderen
Rollenrotationsdruckverfahren angewandt werden (z. B. Tiefdruck,
Flexodruck, Siebdruck).
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In 6 ist
vergleichbar zu 2 der Fall der Leitfähigkeitsmessung
der Source/Drain-Elektroden bei einem Layout der gedruckten Struktur 16 entsprechend 5 dargestellt.
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Überdies
kann, wie in 9 dargestellt, die Inline-Messeinrichtung 10 Teil
eines Regelkreises sein, wobei das Messergebnis der Leitfähigkeitsmessung
oder Kurzschlussüberprüfung als Steuergröße für
den Druckprozeß, d. h. für die Steuerung des Druckvorganges
und Auftrages der leitfähigen Struktur dient, um so Inhomogenitäten
zu vermeiden bzw. die Leitfähigkeit durch Veränderung
des Farbauftrages der leitfähigen Druckfarbe zu verbessern.
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Vorzugsweise
ist die Inline-Messeinrichtung mit einem optischen Überwachungssystem
für die Position der Leiterbahnen bzw. der gedruckten leitfähigen
Struktur 16 versehen, wodurch die Qualität des Druckauftrages
und die Ausfallsicherheit der hieraus hergestellten elektronischen
Schaltkreise und Bauelemente weiter erhöht werden kann.
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In
Verbindung mit der Inline-Messeinrichtung können zusätzlich
aufgedruckte Messfelder oder Kontrollstreifen auf dem Bahnmaterial
vermieden werden. Ebenso ist es möglich, die Messeinrichtung 10 mit
einem Markierungssystem zu verbinden, um so z. B. fehlerhafte Bereiche
des bedruckten Bahnmateriales, d. h. fehlerhafte Leiterstrukturen
zu markieren, um deren spätere Aussonderung zu erleichtern
und eine Weiterverarbeitung (weitere Beschichtung zur Komplettierung
von elektronischen Schaltkreisen und Bauelementen) zu verhindern
und damit Kosten zu sparen. Es kann auf diese Weise aber auch jeweils
der gemessene Widerstandswert nachweisbar in Zuordnung zu der betreffenden
Struktur 16 auf dem Bahnmaterial 2 notiert werden.
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Die
Qualitätskontrolle und -überwachung mit Hilfe
der vorliegenden Erfindung kann die Beurteilung des erreichten Druckergebnisses
mit gleicher Effizienz durchführen, die bei der Herstellung
der Strukturen selbst in Verbindung mit Rollenrotationsdruckverfahren
erreichbar ist. Zugleich vermeidet das kontinuierliche Messen jedwede
Rückwirkung oder Beeinträchtigung der aufgedruckten
leitfähigen Struktur selbst und kann so wesentlich zur
kostengünstigen Herstellung drucktechnisch hergestellter elektronischer
Strukturen beitragen.
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Zur
Vereinfachung des Einführens der Materialbahn zwischen
Messwalze und Gummizylinder kann die Gummiwalze 13 auf
einer Verstelleinheit unter Federvorspannung geführt und
gegen das Bahnmaterial und die Messwalze vorgespannt sein. Auf diese Weise
kann die Vorspannfeder Unrundheiten in der Mess- und Gummiwalze
ausgleichen und für einen im Wesentlichen konstanten Anpressdruck
sorgen. Überdies kann zum Einführen des Bahnmateriales
die Gummiwalze von der Messwalze entfernt und später wieder
unter Zwischenlage des Bahnmateriales an diese angestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die
Messwalze auch aus Metall sehr präzise hergestellt und
später mit einer isolierenden Beschichtung, z. B. aus PTFE zur
Isolation der Walzenteile untereinander und von den Ringelektroden
(Kupferringen) beschichtet werden.
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Die
Ringelektroden (Kupferringe) werden vorzugsweise galvanisch vergoldet,
was zu einer weiteren Reduktion des Kontaktwiderstandes und zum
Vermeiden des Aufbaus von Abrieb der Materialbahn auf den Ringelektroden
führt. In Verbindung mit einem Markierungssystems könnten
auch sämtliche untersuchten bzw. bewerteten Strukturen
mit einer Codierung hinsichtlich z. B. ihres Widerstandswertes markiert
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1665116 [0006]
- - DE 4016961 A1 [0007]