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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensoranordnung, umfassend eine erste Fingerstruktur und eine zweite Fingerstruktur, wobei die beiden Fingerstrukturen relativ zueinander auslenkbar sind.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Sensoranordnung.
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Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein für beliebige mikromechanische Sensoranordnungen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf mikromechanische Inertialsensoren erläutert.
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Mikromechanische Inertialsensoren, beispielsweise in Form von Drehratensensoren oder Beschleunigungssensoren, umfassen üblicherweise Fingerstrukturen, die kämmend ineinander eingreifen, sodass sich bewegliche und feste Finger mit einem gewissen Überlapp in einer Ruheposition gegenüberstehen. Derartige Fingerstrukturen können beispielsweise wie Plattenkondensatoren verwendet werden und sowohl zur Detektion von Bewegungen als auch zur Krafteinspeisung über elektrostatische Kräfte eingesetzt werden. Die beweglichen Fingerstrukturen werden üblicherweise über Federstrukturen mit einem weiteren beweglichen Teil einer mikromechanischen Sensoranordnung verbunden, das heißt bei Auslenkung aus der Ruhelage wirken Rückstellkräfte, welche die Fingerstrukturen und damit die Finger wieder in ihren Ausgangszustand zurücktreiben. Die Fingerstrukturen weisen üblicherweise eine Form von eingespannten, balkenähnlichen Strukturen auf, deren Finger im Wesentlichen rechteckförmig im Querschnitt ausgebildet sind.
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Ein derartiger mikromechanischer Inertialsensor ist beispielsweise aus der
DE 10 2013 223 825 A1 bekannt geworden.
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Die
EP 2 749 841 B1 zeigt eine mikromechanische Sensoranordnung, umfassend eine erste Fingerstruktur und eine zweite Fingerstruktur. Die Fingerstrukturen sind relativ zueinander auslenkbar und sind in einem Ruhezustand teilweise ineinander kämmend angeordnet. Die Finger der Fingerstrukturen weisen an den der jeweils anderen Fingerstruktur zugewandten Enden eine konvexe Form auf, nämlich eine Dreiecks- oder Halbkreisform.
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In der
DE 103 33 559 A1 ist eine mikromechanische Sensoranordnung mit einer ersten Fingerstruktur und einer zweiten Fingerstruktur gezeigt. Die Fingerstrukturen sind relativ zueinander auslenkbar und sind in einem Ruhezustand teilweise ineinander kämmend angeordnet.
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Aus der
DE 101 06 840 A1 ist weiter ein Erfassungsgerät für eine physikalische Größe bekannt geworden, bei dem ein Distalendenteil eines Elektrodenfingers eine dreieckige Form in einer Draufsicht aufweist.
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Die
US 2011/ 0030473 A1 zeigt einen Mikroinertialsensor mit einer Metallbondschicht, auf der eine Antihaftschicht aufgebracht werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine mikromechanische Sensoranordnung bereit, umfassend eine erste Fingerstruktur und eine zweite Fingerstruktur, wobei die beiden Fingerstrukturen relativ zueinander auslenkbar sind und wobei die beiden Fingerstrukturen in einem Ruhezustand zumindest teilweise ineinander kämmend angeordnet sind, wobei zumindest ein Finger zumindest einer der beiden Fingerstrukturen an seinem der anderen Fingerstruktur zugewandten Ende eine konvexe Form aufweist, wobei die konvexe Form asymmetrisch ausgebildet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Sensoreinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-9 bereit, umfassend die Schritte:
- - Herstellen einer ersten Fingerstruktur,
- - Herstellen einer zweiten Fingerstruktur,
- - Anordnen der beiden Fingerstrukturen derart, dass diese zumindest teilweise ineinander eingreifend in einem Ruhezustand ausgebildet sind,
- - Anordnen beiden Fingerstrukturen derart, dass diese relativ zueinander auslenkbar sind, und
- - Herstellen einer konvexen Form an zumindest einem Finger zumindest einer der beiden Fingerstrukturen an seinem der anderen Fingerstruktur zugewandten Ende, wobei die konvexe Form asymmetrisch ausgebildet wird.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass ein Verhaken und/oder Verkleben der beiden Fingerstrukturen weitestgehend vermieden wird: Durch von außen wirkende mechanische Überlastkräfte, beispielsweise aufgrund einer Linearbeschleunigung oder einer Drehbeschleunigung, zum Beispiel bei einem Fallversuch oder ähnlichem, ist es möglich, dass die beiden Fingerstrukturen voneinander austauchen, das heißt, dass die Finger der Fingerstrukturen sich seitlich nicht mehr überlappen. Wirken zusätzlich noch Kräfte quer zur Erstreckungsrichtung der Finger, können sich diese verhaken. Ein Verhaken bedeutet insbesondere, dass durch einen seitlichen Versatz der Finger der Fingerstrukturen aufgrund möglicher Querkräfte die Fingerenden direkt stirnseitig aufeinandertreffen und so eine Rückstellbewegung aufgrund einer Rückstellkraft in den Ruhezustand blockiert wird. Durch die konvexe Form oder Ausbildung der Fingerenden wird erreicht, dass im Falle des Austauchens der Finger eine Wahrscheinlichkeit, dass zwei gegenüberstehende Fingerenden der beiden Fingerstrukturen so aufeinandertreffen, dass ein stabiler Verhakungszustand auftritt, erheblich reduziert wird. Selbst wenn eine kurzzeitige Berührung der konvex ausgebildeten Fingerspitzen aneinander erfolgt, wird, wenn Rückstellkräfte wirken, ein Vorbeigleiten der beiden Finger aneinander ermöglicht, sodass die Wahrscheinlichkeit für ein Verhaken erheblich reduziert wird.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass auch die Wahrscheinlichkeit für ein Verkleben von Fingern aneinander minimiert wird: Berühren sich beispielsweise Finger einer festen und einer beweglichen Fingerstruktur seitlich können diese aneinander haften bleiben. Dies ist unter dem Begriff „stiction“ bekannt. Durch die konvexe Form, beziehungsweise Ausbildung eines Endes zumindest eines Fingers, wird die mögliche Klebe- beziehungsweise Haftfläche erheblich reduziert. Da die Klebekraft beziehungsweise Klebewahrscheinlichkeit im Wesentlichen von der Größe der Klebefläche abhängt, nimmt die Wahrscheinlichkeit für ein Verkleben bei kleiner werdender möglicher Klebefläche ab. Darüber hinaus ist ein Vorteil, dass durch die konvexe Form insgesamt die Ausfallwahrscheinlichkeit der mikromechanischen Sensoranordnung reduziert wird.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar:
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die konvexe Form im Querschnitt die Form eines in Richtung auf die andere Fingerstruktur zulaufenden Dreiecks auf. Auf diese Weise wird insbesondere die Gefahr eines Verhakens der beiden Fingerstrukturen minimiert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die konvexe Form im Querschnitt die Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken oder die Form eines Kreissegments, insbesondere eines Halbkreisbogens, auf. Durch eine Abrundung werden Belastungsspitzen beim Abgleiten von Fingern aneinander reduziert, was insgesamt die Lebensdauer der Fingerstrukturen erhöht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Mehrheit der Finger, insbesondere alle Finger einer Fingerstruktur, gleich ausgebildet. Damit wird die Wahrscheinlichkeit für ein Verhaken beziehungsweise Verkleben der Finger noch weiter reduziert. Es ist dabei ebenso möglich, abwechselnd die Finger einer Fingerstruktur mit abwechselnden unterschiedlichen konvexen Formen zu versehen, wobei dann die Finger der jeweils anderen Fingerstruktur korrespondierend ausgebildet sind. Die jeweiligen konvexen Formen können dabei beispielsweise an die bevorzugte Austauchrichtung oder ähnlichem angepasst werden, insbesondere durch ihre asymmetrisch ausgebildete konvexe Form.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weisen benachbarte Finger verschiedener Fingerstrukturen die gleiche konvexe Form auf. Dies ermöglicht eine noch weitere Reduzierung der Wahrscheinlichkeit für ein Verhaken oder Verkleben, da beispielsweise im Falle einer dreiecksförmigen konvexen Form, benachbarten Fingern verschiedener Fingerstrukturen im Wesentlichen kein stabiler Verhakungszustand im Falle einer Überlast oder dergleichen mehr ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weisen unterschiedliche Fingerstrukturen unterschiedlich ausgebildete konvexe Formen auf. Auf diese Weise wird die Flexibilität erhöht bei gleichzeitig ausreichender Reduktion der Wahrscheinlichkeit für ein Verhaken und/oder Verkleben.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die erste Fingerstruktur fest angeordnet und die zweite Fingerstruktur gegenüber der ersten Fingerstruktur beweglich angeordnet. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung der mikromechanischen Sensoranordnung, da lediglich eine Fingerstruktur beweglich ausgebildet werden muss.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Finger im Querschnitt im Wesentlichen balkenförmig ausgebildet. Damit können diese auf einfache Weise hergestellt werden, wobei das jeweilige der anderen Fingerstruktur zugewandte Ende der Finger die konvexe Form aufweist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der zumindest eine Finger eine Anti-Haft-Beschichtung auf, insbesondere im Bereich der konvexen Form. Auf diese Weise kann die Wahrscheinlichkeit für ein Verhaken oder Verkleben noch weiter reduziert werden. Neben einer möglichst glatten Ausbildung der Oberfläche der Finger, insbesondere im Bereich der konvexen Form, ist ebenso möglich, ein Material auf die Finger, insbesondere auf die konvexe Form aufzubringen, welches haftreduzierend wirkt, insbesondere durch Verwendung hydrophober und/oder Oberflächenenergie reduzierender Beschichtungen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigt in schematischer Form und im Querschnitt
- 1a eine bekannte Anordnung zweier Fingerstrukturen einer mikromechanischen Sensoranordnung;
- 1b die bekannte mikromechanische Sensoranordnung gemäß 1a im Zustand „Verhaken“;
- 1c die bekannte mikromechanische Sensoranordnung gemäß 1a im Zustand „Verkleben“;
- 2a eine bekannte mikromechanische Sensoranordnung;
- 2b-c Teile einer bekannten mikromechanischen Sensoranordnung und einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3a-d verschiedene Auslenkungszustände der Fingerstrukturen der Sensoranordnung gemäß der Ausführungsform der 2a; und
- 4a eine bekannte mikromechanische Sensoranordnung gemäß 1a im Zustand „Verkleben“; und
- 4b die mikromechanische Sensoranordnung gemäß der Ausführungsform der 2a im Zustand „Verkleben“.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1a zeigt eine bekannte Anordnung zweier Fingerstrukturen einer mikromechanischen Sensoranordnung.
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In 1a ist eine bekannte mikromechanische Sensoranordnung 1 gezeigt. Hierbei sind zwei ineinander kämmende Fingerstrukturen 2, 3 angeordnet, wobei die erste Fingerstruktur 2 festgelegt ist und die zweite Fingerstruktur 3 gegenüber der ersten Fingerstruktur 2 beweglich angeordnet ist. Die Finger 4 der ersten Fingerstruktur 2 und die Finger 5 der zweiten Fingerstruktur 3 sind im Querschnitt sind Fälle in der Draufsicht rechteckförmig ausgebildet. Die Finger 4 der ersten Fingerstruktur 2 sind zumindest teilweise zwischen zwei Fingern 5 der zweiten Fingerstruktur 3 angeordnet und umgekehrt. 1a entspricht dem Ruhezustand der beiden Fingerstrukturen 2, 3. Dieser ist in den 1b, 1c sowie in den 3a-c jeweils mit dünneren Linien im Hintergrund der zweiten Fingerstruktur 3 angedeutet und mit dem Bezugszeichen R versehen.
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1b zeigt die bekannte mikromechanische Sensoranordnung gemäß 1a im Zustand „Verhaken“.
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In 1b sind die beiden Fingerstrukturen 2, 3 nun derart gegeneinander durch übermäßige Belastung versetzt, sodass die jeweiligen Enden 6 der Finger 4, 5 stirnseitig zumindest teilweise zur Anlage kommen. Hierdurch wird eine Rückbewegung, beispielsweise aufgrund einer Rückstellkraft, die auf die zweite Fingerstruktur 3 wirkt, blockiert und die mikromechanische Sensoranordnung 1 fällt aus.
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1c zeigt die bekannte mikromechanische Sensoranordnung gemäß 1a im Zustand „Kleben“.
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In 1c sind die beiden Fingerstrukturen 2, 3 derart gegenüber einander durch übermäßige Belastung versetzt, dass die Finger 4, 5 der beiden Fingerstrukturen 2, 3 seitlich zumindest teilweise zur Anlage kommen. Hierdurch können die Finger 4, 5 aneinander zumindest zeitweise aneinanderhaften, was zu einem temporären oder vollständigen Ausfall der mikromechanischen Sensoranordnung 1 führt.
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2a zeigt eine mikromechanische Sensoranordnung.
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In 2a ist im Wesentlichen die mikromechanische Sensoranordnung 1 gemäß 1a gezeigt. Im Unterschied zur mikromechanischen Sensoranordnung 1 gemäß 1a weist die mikromechanische Sensoranordnung 1 gemäß 2a Fingerstrukturen 2, 3 mit Fingern 4, 5 auf, deren Enden 6 jeweils in Richtung der anderen Fingerstruktur 2, 3 eine konvexe Form 10 aufweisen. Die konvexe Form 10 gemäß 2a ist hier im Querschnitt in Form eines gleichschenkligen Dreiecks ausgebildet, sowohl bei den Fingern 4 der ersten Fingerstruktur 2 als auch bei den Fingern 5 der zweiten Fingerstruktur 3. Damit wird die Wahrscheinlichkeit für ein Verhaken der Fingerenden 6 der Finger 4, 5 der beiden Fingerstrukturen 2, 3 im Überlastfall weitestgehend vermieden.
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2b, 2c zeigen Teile einer bekannten mikromechanischen Sensoranordnung und einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In den 2b und 2c ist im Wesentlichen die Fingerstruktur 2 gemäß 2a gezeigt. Im Unterschied zur Fingerstruktur 2 gemäß 2a weist die Fingerstruktur 2 gemäß 2b nun Finger 4 mit einer konvexen Form 10' auf, die parabelförmig abgerundete Enden 6 aufweist. Die 2c zeigt im Unterschied zur Fingerstruktur 2 gemäß 2a eine Fingerstruktur 2 mit Fingern 4, welche eine konvexe Form 10" mit einem von rechts nach links in 2c abgeschrägten Ende 6 aufweist, mithin also das jeweilige Ende 6 der Finger 4 der Fingerstruktur 2 im Querschnitt in Form eines ungleichschenkligen Dreiecks ausgebildet ist.
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Die 3a-3d zeigen verschiedene Auslenkungszustände der Fingerstrukturen der Sensoranordnung gemäß der Ausführungsform der 2.
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Im Detail zeigen die 3a-3d den zeitlichen Verlauf einer möglichen Verhakung von Fingern 4, 5 der beiden Fingerstrukturen 2, 3. In 3a ist ein seitlicher Versatz der beiden Fingerstrukturen 2, 3 gezeigt, derart, dass im Wesentlichen die Fingerenden 6 der Finger 4, 5 der unterschiedlichen Fingerstrukturen 2, 3 direkt stirnseitig aufeinandertreffen. Aufgrund eines mit hoher Wahrscheinlichkeit vorliegenden minimalen Versatzes zwischen den Spitzen der dreiecksförmig ausgebildeten Enden 6 setzt im weiteren zeitlichen Verlauf, wie in den 3b-3d gezeigt, ein Abgleiten der dreiecksförmig ausgebildeten Enden 6 der Finger 4, 5 der unterschiedlichen Fingerstrukturen 2, 3 aufeinander ein, was letztendlich ein Verhaken vermeidet und einen Ruhezustand wie in 3d, gezeigt wiederherstellt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass auf die zweite Fingerstruktur 3 eine Rückstellkraft in Richtung der Ruheposition R der beiden Fingerstrukturen 2, 3 wirkt.
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4a zeigt eine bekannte mikromechanische Sensoranordnung gemäß 1a im Zustand „Verkleben“; und 4b die mikromechanische Sensoranordnung gemäß der Ausführungsform der 2a im Zustand „Verkleben“.
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Im Detail ist in 4a im Wesentlichen der Zustand der mikromechanischen Sensoranordnung 1 gemäß 1c gezeigt und in 4b der Zustand der mikromechanischen Sensoranordnung 1 gemäß der Ausführungsform der 2a. Beide 4a, 4b zeigen jeweils gleiche Auslenkung der zweiten Fingerstruktur 3 gegenüber der ersten Fingerstruktur 2. In der bekannten mikromechanischen Sensoranordnung 1 gemäß 4a ist die mögliche Klebefläche 201 als Überlapp zwischen den aneinanderhaftenden Fingern 4, 5 der unterschiedlichen Fingerstrukturen 2, 3 gezeigt. Gleiches gilt entsprechend für die 4b. Durch die konvexe Form der Enden 6 der Finger 4, 5 der mikromechanischen Sensoranordnung 1, hier in Form eines im Querschnitt gleichschenkligen Dreiecks, ist bei gleicher Auslenkung der beiden Fingerstrukturen 2, 3 zueinander die mögliche Klebefläche 201 gemäß 4b erheblich kleiner, beispielsweise um einen Faktor zwischen 2 und 5, insbesondere zwischen 3 und 4. Selbst wenn also Finger 4, 5 aneinanderkleben, ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Finger 4, 5 wieder voneinander lösen und somit ein dauerhaftes Kleben vermieden wird, bei der Ausbildung der mikromechanischen Sensoranordnung 1 gemäß den Ausführungsformen der Erfindung wesentlich höher. Mit anderen Worten ist die Ausfallwahrscheinlichkeit der mikromechanischen Sensoranordnung 1 gemäß 4b wesentlich kleiner als die der 4a.
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Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- - Reduzierung der Wahrscheinlichkeit für ein Verhaken der Fingerstrukturen.
- - Reduzierung der Wahrscheinlichkeit für ein Verkleben der Finger der Fingerstrukturen aneinander.
- - Höhere Flexibilität hinsichtlich der Ausbildung der Fingerstrukturen.
- - Höhere Zuverlässigkeit beziehungsweise reduzierte Ausfallwahrscheinlichkeit.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
