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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung von piezoelektrischen Bauelementen, insbesondere von piezoelektrischen Aktoren. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Herstellung von piezoelektrischen Aktoren, wie sie für Brennstoffeinspritzventile von Brennstoffeinspritzanlagen für luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschinen oder gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen.
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Bei der Herstellung von piezoelektrischen Bauelementen müssen Innenelektrodenschichten für den Aufbau der einzelnen Innenelektroden aufgebracht werden. Dies ist durch Aufbringen einer Metallpaste im Siebdruckverfahren auf eine präkeramische Grünfolie möglich. Anschließend werden die mit der Siebdruckpaste versehenen Grünfolien gestapelt und zu einem monolithischen Vielschichtgrünling laminiert. In einem thermischen Entbinderprozess wird der von organischen Bindern zusammengehaltene Grünling dann von seinen organischen Bestandteilen befreit. Darauf folgt ein Sinterprozess, um das Vielschicht-Keramikbauteil mit den Innenelektroden fertigzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Elektroden-Trägerfolie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 haben den Vorteil, dass die Herstellbarkeit von Bauelementen verbessert ist. Speziell kann eine verbesserte Qualitätsprüfung erfolgen und somit eine gleich bleibende Qualität der hergestellten Bauelemente erreicht werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Elektroden-Trägerfolie und des im Anspruch 9 angegebenen Verfahrens möglich.
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Durch den Einsatz der Elektroden-Trägerfolie bei der Herstellung von Bauelementen kann in vorteilhafter Weise ein Siebdruckverfahren zur Aufbringung von Elektroschichten auf keramische Schichten entfallen. Die Elektroden-Trägerfolie kann hierbei als Formmaterial für die Innenelektroden von keramischen, elektrischen Vielschicht-Bauelementen, insbesondere piezoelektrischen Bauelementen, dienen. Das organische Trägermaterial der Trägerschicht kann in vorteilhafter Weise mit dem anorganischen Elektrodenmaterial, insbesondere einem metallischen Elektrodenmaterial, mit einer vorgegebenen Ausgestaltung versehen werden. Die Trägerschicht, die auf dem organischen Trägermaterial basiert, kann hierbei als folienförmige Trägerschicht ausgestaltet sein. Das organische Trägermaterial dieser Trägerschicht ist hierbei in vorteilhafter Weise auf die präkeramische Grünfolie sowie die relevanten Herstellungsprozesse, insbesondere Laminieren, Entbindern und Sintern, abgestimmt. Durch eine geeignete Ausgestaltung der mit der Trägerschicht verbundenen Elektrodenstruktur können hierbei weitgehend beliebige Ausgestaltungen der Innenelektroden erzielt werden. Speziell werden Ausgestaltungen der Innenelektroden ermöglicht, wie sie auch durch Siebdruckverfahren erzielbar sind.
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Bei der Herstellung von Bauelementen kann die Elektroden-Trägerfolie dann unter Entfall des Siebdruckprozesses zwischen einzelne Grünfolienlagen gestapelt werden. Durch Laminieren kann beispielsweise ein monolithischer Grundkörper gebildet werden, der mittels thermischer Verfahren, beispielsweise thermisches Entbindern und Sintern, zum keramischen Vielschicht-Bauelement weiter prozessiert werden kann.
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Als Vorteil ergibt sich somit auch, dass der Siebdruckschritt bei der Herstellung des Bauelements entfällt. Damit ergibt sich auch eine Verringerung der Herstellungskosten sowie die Vermeidung von mit dem Siebdruckprozess verbundenen Problemen, die unter anderem mit der Metallpaste beziehungsweise Elektrodenpaste zusammenhängen. Als weiterer Vorteil ist eine Qualitätssteigerung möglich, die durch die gleichmäßigeren Eigenschaften der Elektroden-Trägerfolie gegenüber einer Siebdruck-Pastenschicht möglich ist. Zudem ist die Qualität der Elektroden-Trägerfolie, die als Formmaterial für die Herstellung der Bauelemente hergestellt und gelagert werden kann, lückenlos überprüfbar. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass die Elektroden-Trägerfolie unabhängig von der Herstellung der Bauelemente selbst hergestellt und vertrieben wird. Hierdurch ist eine Auslagerung der Herstellung der Elektroden-Trägerfolie von der Herstellung der Bauelemente möglich. Dies ermöglicht auch eine Spezialisierung auf die Herstellung von Elektroden-Trägerfolien.
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In vorteilhafter Weise ist die Elektrodenstruktur durch integrieren des anorganischen Elektrodenmaterials in das organische Trägermaterial innerhalb der Trägerschicht ausgestaltet. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass das anorganische Elektrodenmaterial als metallisches Elektrodenmaterial ausgestaltet ist. Das anorganische Elektrodenmaterial ist hierbei in vorteilhafter Weise durch in das organische Trägermaterial eingebrachte Metallpartikel und/oder durch ein in das organische Trägermaterial eingebrachtes Metallpulver in das organische Trägermaterial integriert. Auf diese Weise kann die Trägerschicht die Elektrodenstruktur aufnehmen, so dass die Elektrodenstruktur zuverlässig mit der Trägerschicht verbunden ist. Hierdurch kann eine lagerfähige Elektroden-Trägerfolie ausgestaltet werden, deren Qualität lückenlos überprüft werden kann. Im Unterschied zu einer Pastenschicht ist es somit möglich, eine gleich bleibende Qualität der Elektroden-Trägerfolie zu erzielen, was sich günstig auf die Qualität der unter Verwendung der Elektroden-Trägerfolie hergestellten Bauelemente auswirkt.
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Vorteilhaft ist es auch, dass die Elektrodenstruktur auf die Trägerschicht aufgebracht ist. Hierbei ist es vorteilhaft, dass die Elektrodenstruktur auf die Trägerschicht aufgedruckt ist. Dies kann auf einem Druckverfahren basieren, das metallische Toner einsetzt. Möglich sind auch Beschichtungsverfahren, insbesondere ein CVD-Verfahren, ein PVD-Verfahren oder ein Sputtern. Somit ist es möglich, die Elektrodenstruktur auch auf die Trägerschicht aufzubringen. Auf diese Weise kann ebenfalls eine lagerfähige Elektroden-Trägerfolie hergestellt werden. Eine lückenlose Qualitätsprüfung und eine Gewährleistung einer gleichbleibenden Qualität der für die Herstellung von Bauelementen eingesetzten Elektroden-Trägerfolie ist somit möglich.
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In vorteilhafter Weise ist das organische Trägermaterial ein ausbrennbares organisches Trägermaterial, das bei einem thermischen Entbinderprozess zumindest im Wesentlichen ausbrennt. Hierdurch kann das organische Trägermaterial beim thermischen Entbinderprozess rückstandslos entfernt werden, wodurch nur das anorganische Elektrodenmaterial zwischen den übrigen Schichten, insbesondere Keramikschichten, verbleibt.
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Vorteilhaft ist es auch, dass eine zusätzliche Ausbrennstruktur vorgesehen ist, dass die zusätzliche Ausbrennstruktur auf einem organischen Material basiert und dass die zusätzliche Ausbrennstruktur auf die Trägerschicht aufgebracht ist. Auf diese Weise können gezielt Sollbruchstellen in dem Bauelement ausgestaltet werden. Beispielsweise sind solche Sollbruchstellen für gezielte Polungsrisse von Vorteil. Hierdurch kann gezielt eine Schwächung des Bauteils an gewissen Stellen, das heißt den Sollbruchstellen, erzielt werden. Hierdurch kann insbesondere vermieden werden, dass unkontrollierte Risse durch die Elektrodenschichten führen und somit zu einem teilweisen Ausfall führen. Die zusätzliche Ausbrennstruktur kann hierbei in weitgehend beliebiger Ausgestaltung auf die Trägerschicht aufgebracht werden. Vorteilhaft ist es besonders, dass die zusätzliche Ausbrennstruktur neben dem anorganischen Elektrodenmaterial der Elektrodenstruktur auf der Trägerschicht ausgestaltet ist. Speziell kann neben dem Elektrodenmaterial für die Elektrodenschicht im Bereich der späteren Isolationszone des Bauteils das entsprechende organische Material der zusätzlichen Ausbrennstruktur aufgedruckt sein. Beim Blockaufbau kann in einer gewünschten Stapelhöhe statt einer Elektroden-Trägerfolie ohne zusätzliche Ausbrennstruktur dann eine Elektroden-Trägerfolie mit zusätzlicher Ausbrennstruktur zwischen die Keramikfolien oder dergleichen gestapelt werden. Hierdurch ergeben sich gezielt Sollbruchstellen an den gewünschten Stapelhöhen.
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Die Herstellung der Elektroden-Trägerfolie kann vorab und somit separat von dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Bauelements ausgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, dass zunächst größere Elektroden-Trägerfolien, die beispielsweise als Endlos-Trägerfolie oder Endlosrolle ausgestaltet sind, hergestellt werden, und dann aus einer größeren Charge mit Elektroden-Trägerfolien, die Trägerfolienteile in den benötigten Abmessungen zerteilt und/oder zugeschnitten werden.
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Hierbei kann die Trennung zu den Trägerfolienteilen bereits bei der Herstellung der Elektroden-Trägerfolie erfolgen. Die Trennung zu den Trägerfolienteilen kann auch unmittelbar vor dem Blockaufbau, beispielsweise durch Ablängen von einer Endlosrolle, erfolgen. Besonders vorteilhaft ist ein gemeinsames Stanzen und Stapeln einer keramischen Grünfolie mit der Elektroden-Trägerfolie. Solch ein zusammengefügter Verbund ermöglicht dann ein gemeinsames Abtrennen. Hierdurch kann die Herstellung der Bauelemente weiter vereinfacht werden. Durch die in Frage kommenden Herstellungsverfahren für die Elektroden-Trägerfolie und die Herstellung der Bauelemente mittels der Elektroden-Trägerfolie ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten zur Optimierung und Rationalisierung.
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Vorteilhaft ist es auch, dass auf der Trägerschicht mit Markierungen versehene Positionierungsstellen vorgesehen sind. Hierdurch ist eine exakte Ausrichtung der Elektroden-Trägerfolie beziehungsweise von Elektroden-Trägerfolien beim Zusammenfügen beziehungsweise Stapeln eines Grünkörpers für das Bauelement möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine zwischen Keramikfolien angeordnete Elektroden-Trägerfolie entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen, räumlichen Darstellung;
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2 die in 1 dargestellte Elektroden-Trägerfolie in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 den in 2 dargestellten Schnitt durch eine Elektroden-Trägerfolie entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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4 den in 2 dargestellten Schnitt durch eine Elektroden-Trägerfolie entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Elektroden-Trägerfolie 1, die zwischen Keramikfolien 2, 3 angeordnet ist. Die Elektroden-Trägerfolie 1 eignet sich besonders zur Herstellung von elektrischen Bauelementen, insbesondere keramischen Bauelementen. Speziell eignet sich die Elektroden-Trägerfolie zur Herstellung von piezoelektrischen Bauelementen, die insbesondere für Brennstoffeinspritzventile von Brennstoffeinspritzanlagen für Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen. Das beschriebene Verfahren zur Herstellung eines Bauelements mit solch einer Elektroden-Trägerfolie 1 eignet sich besonders zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements. Die Elektroden-Trägerfolie 1 der Erfindung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauelements eignen sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Die Elektroden-Trägerfolie 1 weist eine erste Seite 4 und eine von der ersten Seite 4 abgewandte zweite Seite 5 auf. Die erste Seite 4 kann hierbei als Oberseite 4 dienen, während die zweite Seite 5 als Unterseite 5 dient. Die Keramikfolie 2 wird an die Unterseite 5 der Elektroden-Trägerfolie 1 angefügt. Ferner wird die Keramikfolie 3 auf die Oberseite 4 der Elektroden-Trägerfolie 1 gefügt. Hierdurch ergibt sich ein zusammengefügter Verbund 1, 2, 3 aus der Elektroden-Trägerfolie 1 und den Keramikfolien 2, 3.
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Die Elektroden-Trägerfolie 1 weist eine Trägerschicht 6 auf, die auf einem organischen Trägermaterial basiert. Außerdem weist die Elektroden-Trägerfolie 1 eine Elektrodenstruktur 7 auf, die mehrere Felder 8, 9, 10 umfasst, von denen in der 1 die Felder 8 bis 10 gekennzeichnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Elektrodenstruktur 7 eine Anordnung mit 8 × 3 = 24 Feldern. Diese 24 Felder dienen zur Ausgestaltung von einer entsprechenden Anzahl von Innenelektroden. Die Anordnung der Felder 8 bis 10 und die Ausgestaltung der Felder 8 bis 10 ist hierbei weitgehend beliebig wählbar.
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Die Felder 8 bis 10 der Elektrodenstruktur 7 sind auf der Basis eines anorganischen Elektrodenmaterials, insbesondere eines metallischen Elektrodenmaterials, ausgestaltet.
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Auf der Trägerschicht 6 sind mit Markierungen 11, 12 versehene Positionierungsstellen 13, 14 vorgesehen. Die Positionierungsstellen 13, 14 dienen hierbei für eine exakte Ausrichtung der Elektroden-Trägerfolie 1 beim Stapeln des Grünkörpers für das Vielschicht-Bauelement. Hierbei können eine Vielzahl von solchen Elektroden-Trägerfolien 1 mit dazwischen liegenden Keramikfolien 2, 3 gestapelt werden. Anschließend können die Elektroden-Trägerfolien 1 mit den Keramikfolien 2, 3 im zusammengefügten Verbund 1, 2, 3 in Teile getrennt werden. Hierbei weist solch ein Teil beispielsweise das Trägerfolienteil 15 mit der Elektrodenschicht 9 auf, wobei das Trägerfolienteil 15 durch den mit der unterbrochen dargestellten Linie abgetrennten Teil der Elektroden-Trägerfolie 1 veranschaulicht ist.
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Der gestapelte und abgetrennte Teil mit dem Trägerfolienteil 15 wird dann thermisch entbindert und gesintert. Hierdurch ist das piezokeramische Bauteil hergestellt.
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Bei der Herstellung des Bauelements kann das Abtrennen von Trägerfolienteilen, beispielsweise des Trägerfolienteils 15, von der Elektroden-Trägerfolie 1 auch vor dem Stapeln der Trägerfolienteile 15 mit den Keramikfolien 2, 3 zu einem Stapel erfolgen.
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2 zeigt einen auszugsweisen Schnitt durch die in 1 dargestellte Elektroden-Trägerfolie 1 des ersten Ausführungsbeispiels. Die Elektrodenstruktur 7, insbesondere das Feld 9, ist durch Einbringen von anorganische Partikeln und/oder einem anorganischen Pulver in das organische Trägermaterial der Trägerschicht 6 in das organische Trägermaterial integriert. Hierdurch ist das Feld 9 der Elektrodenstruktur 7 mit der Trägerschicht 6 verbunden. Die übrigen Felder der Elektrodenstruktur 7 sind auf entsprechende Weise ausgestaltet. Somit ist durch lokal eingebrachten Füllstoff, der in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise aus Metallpartikeln und/oder einem Metallpulver besteht, in das Trägermaterial die Ausgestaltung der Elektrodenstruktur 7 der Elektroden-Trägerfolie 1 möglich.
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3 zeigt den in 2 dargestellten Ausschnitt einer Elektroden-Trägerfolie 1 entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Elektrodenstruktur 7 mit dem Feld 9 auf die Trägerschicht 6 aufgebracht. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Elektrodenstruktur 7 mit dem Feld 9 auf die Oberseite 4 der Trägerschicht 6 aufgebracht. Dieses Aufbringen kann beispielsweise durch ein Druckverfahren, durch ein CVD-Verfahren, ein PVD-Verfahren oder durch Sputtern erfolgen. Besonders vorteilhaft ist ein Toner-basiertes Druckverfahren, um das Elektrodenmaterial auf die Oberseite 4 der Trägerschicht 6 aufzubringen. Hierdurch können weitgehend beliebige Ausgestaltungen der Elektrodenstruktur 7 und der einzelnen Felder 8 bis 10 vorgegeben sein.
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4 zeigt den in 2 dargestellten Ausschnitt der Elektroden-Trägerfolie 1 entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist wie bei dem anhand der 2 beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel eine Elektrodenstruktur 7 mit unter anderen dem Feld 9 auf die Oberseite 4 der Trägerschicht 6 aufgebracht. Außerdem ist zusätzlich eine Ausbrennstruktur 16 auf die Oberseite 4 der Trägerschicht 6 aufgebracht. Hierbei ist in der 4 exemplarisch ein Teil der Ausbrennstruktur 16 veranschaulicht. Die Ausbrennstruktur 16 ist neben dem anorganischen Elektrodenmaterial der Elektrodenstruktur 7 auf der Trägerschicht 6 ausgestaltet.
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Das organische Trägermaterial der Trägerschicht 6 ist als ausbrennbares organisches Trägermaterial ausgeführt, das bei einem thermischen Entbinderprozess zumindest im Wesentlichen ausbrennbar ist. Hierdurch verbleibt nach dem thermischen Entbindern die Elektrodenstruktur 7 beziehungsweise das entsprechend abgetrennte Feld 9 des Trägerfolienteils 15 zwischen den umgebenden keramischen Teilen der Keramikfolien 2, 3. Außerdem ist auch die Ausbrennstruktur 16 aus einem organischen Trägermaterial gebildet, das bei dem thermischen Entbinderprozess zumindest im Wesentlichen ausbrennt. Hierdurch ergibt sich eine gezielte Materialschwächung, und somit Sollbruchstelle. Die Position der Sollbruchstelle ist hierbei durch das Trägerfolienteil 15 mit dem Feld 9 beliebig innerhalb des Schichtaufbaus vorgebbar. In vorteilhafter Weise sind hierbei mehrere Sollbruchstellen in bestimmten Abständen innerhalb des Vielschichtaufbaus vorgegeben. Dies wird durch Stapeln von Trägerfolienteilen 15 aus einer Elektroden-Trägerfolie 1 ohne Ausbrennstruktur 16 und Trägerfolienteilen 15 aus einer Elektroden-Trägerfolie 1 mit Ausbrennstruktur 16 ermöglicht.
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Die Ausbrennstruktur 16 ist vorzugsweise im Bereich der späteren Isolationszone des Bauteils angeordnet. Hierdurch wird die Sollbruchstelle in einen passiven Bereich des hergestellten Bauteils gelegt.
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Die Ausbrennstruktur 16 kann beispielsweise durch ein Druckverfahren auf die Trägerschicht 6 aufgedruckt sein.
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Die hergestellte Elektroden-Trägerfolie 1 kann insbesondere als Rolle, vorzugsweise als Endlosrolle, ausgestaltet sein. Hierdurch können die einzelnen Trägerfolienteile 16 vorteilhaft in das Verfahren zur Herstellung des elektrischen Bauteils Eingang finden. Hierbei kann beispielsweise ein Zuschneiden auf die benötigten Abmessungen erfolgen. Das Trennen zu Trägerfolienteilen 15 oder anderen Trägerfolienstücken kann im Herstellungsprozess der Elektroden-Trägerfolie 1, unmittelbar vor einem Blockaufbau, beispielsweise durch Ablängen von der Endlosrolle, durch gemeinsames Stanzen und Stapeln eines Verbundes 1, 2, 3 aus Keramikfolien 2, 3 und der Elektroden-Trägerfolie 1 oder auch auf andere Weise erfolgen.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
