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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Mikrospiegel. In der deutschen Patentanmeldung
DE 102013217094 A1 ist ein System zur Augensicherheit einer Laservorrichtung beschrieben, das aus einem Mikrospiegel, einem Laser, dessen Licht von dem Mikrospiegel reflektiert wird, einer externen Detektionsschaltung und einem Widerstand besteht, der über alle mechanisch belasteten Elemente des Mikrospiegels führt. Im Fall eines Bruchs wird der Widerstand unterbrochen. Die Unterbrechung wird durch die externe Schaltung detektiert. Der Laser wird daraufhin sofort abgeschaltet. So kann verhindert werden, dass der Laser längere Zeit auf einen festen Punkt projiziert wird, was zu einer Schädigung des menschlichen Auges führen kann. Die beschriebene Sicherheitseinrichtung erfordert eine aktive Reaktion einer Abschaltvorrichtung. Die Abschaltvorrichtung detektiert durch den Bruch des Widerstands eine Spannungs- bzw. Stromänderung. Diese Änderung wird mit einem Schwellwert verglichen, im gegebenen Fall wird die Spannungsversorgung des Lasers abgeschaltet. Alle diese Vorgänge erfordern Zeit und beinhalten Fehlermöglichkeiten
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Mikrospiegel mit einer passiven Sicherheitseinrichtung zu schaffen, so dass im Fehlerfall der Spiegel mit seinem Defekt, also passiv, in einen sicheren Zustand übergeht.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Mikrospiegel mit einem Schichtsystem mit wenigstens zwei Schichten unterschiedlicher mechanischer Spannung, wobei das Schichtsystem in einem ersten Betriebszustand gekrümmt ist, wobei das Schichtsystem eine piezoelektrische Schicht aufweist, welche dazu ausgestaltet ist, dass sie bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine derartige mechanische Spannung aufweist, dass das Schichtsystem in einem zweiten Betriebszustand eben ist. Vorteilhaft ist hierdurch ein Mikrospiegel mit einer passiven Sicherheitseinrichtung geschaffen, die bei Fehlen von elektrischer Spannung durch Übergang in den ersten Betriebszustand wirksam wird, ohne dass zusätzliche Auswertemittel und Aktoren in Gang gesetzt werden müssen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Schichtsystem eine Siliziumschicht, eine Oxidschicht und eine Nitritschicht aufweist. Vor allem das Schichtsystem Silizium/Oxid/Nitrid zeichnet sich dadurch aus, dass die Schichten in ihren Eigenschaften sehr reproduzierbar sind und ihre Dicke fertigungstechnisch sehr gut kontrollierbar ist. Es eignet sich deswegen sehr gut, um die Spannungen genau einzustellen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an einer Unterseite der piezoelektrischen Schicht eine untere Elektrode und an einer Oberseite der piezoelektrischen Schicht eine obere Elektrode angeordnet ist. Vorteilhaft können diese Elektroden ebenfalls als Schicht abgeschieden sein und die piezoelektrische Schicht mit elektrischer Spannung versorgen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in dem Schichtsystem eine Spiegelplatte mit einer Spiegelschicht an einer ersten Oberfläche ausgebildet ist, welche im ersten Betriebszustand konkav oder konvex gewölbt ist. Vorteilhaft ist hierdurch ein Mikrospiegel geschaffen, welcher im ersten Betriebszustand defokussiert ist. In diesem Betriebszustand wird ein auftreffender Laserstrahl aufgeweitet oder zerstreut, sodass Augensicherheit gewährleistet ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Spiegelplatte an einem Rand einen umlaufenden Rahmen, insbesondere aus Silizium aufweist. Vorteilhaft ist so eine Spiegelplatte geschaffen, deren dünne Membran sich durch innere Spannung leicht wölben lässt, wobei gleichzeitig der umlaufende Rahmen für genügend mechanische Stabilität des Spiegels sorgt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in dem Schichtsystem wenigstens eine Aufhängefeder ausgebildet ist, welche mit einer Spiegelplatte verbunden ist und welche im ersten Betriebszustand derart gekrümmt ist, dass die Spiegelplatte gegenüber einer Hauptebene des Mikrospiegels verkippt ist. Vorteilhaft ist hierdurch ein Mikrospiegel geschaffen, welcher im ersten Betriebszustand einen auftreffenden Laserstrahl aus dem Strahlengang im zweiten Betriebszustand herauslenken kann, insbesondere in eine sichere Richtung oder eine Strahlungsfalle. Hierdurch wird im Fehlerfall Augensicherheit gewährleistet.
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Ein Augen gefährdender Laserstrahl entsteht nur dann, wenn an das Mikrospiegelsystem aktiv Spannung anliegt. Auch, wenn der Laser angeschaltet ist, kann kein augengefährdender Laserstrahl austreten, da dieser weggeblendet, oder defokussiert wird. Es muss aktiv Spannung angelegt werden, um diese Sperre aufzuheben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch einen Mikrospiegel im Stand der Technik.
- 2 zeigt im Querschnitt ein Schichtsystem eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels in einem ersten Ausführungsbeispiel.
- 3 zeigt im Querschnitt ein Schichtsystem eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
- 4 zeigt eine Krümmung des Schichtsystems eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels mit einer gewölbten Spiegelpatte in einem ersten Betriebszustand.
- 5 zeigt im Querschnitt ein Schichtsystem eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels in einem dritten Ausführungsbeispiel.
- 6 zeigt im Querschnitt ein Schichtsystem eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels in einem vierten Ausführungsbeispiel.
- 7 zeigt im Querschnitt ein Schichtsystem eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels in einem fünften Ausführungsbeispiel.
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Die 8 a und b zeigen im Querschnitt ein Schichtsystem eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels in einem sechsten Ausführungsbeispiel in zwei Herstellungsstufen.
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9 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Mikrospiegel in einem Laserprojektor mit zusätzlichen Detektions- und Abschaltvorrichtungen.
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Ausführungsbeispiele
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1 zeigt schematisch einen Mikrospiegel im Stand der Technik wie er in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102013217094 A1 offenbart ist. Dargestellt ist eine mikromechanische Spiegelplatte
1, welcher über Aufhängefedern
2a,
2b mit einem feststehenden Bereich
100, beispielsweise einem Substratbereich, verbunden ist. Spiegelplatte, Aufhängefedern und feststehender Bereich erstrecken sich Parallel zu einer Hauptebene (x, y). Zwischen Knoten
K1 und
K2, eindiffundiert in das Material der Bereiche
1,
100 und der Federn
2a,
2b, beispielsweise Silizium, ist ein piezoresistiver Widerstand
R in Form eines schmalen Streifens. Die Knoten
K1,
K2 sind durch elektrische Leiterbahnen
I1,
I2 mit einer elektrischen Erfassungseinrichtung
5 verbunden. Die Erfassungseinrichtung
5 beinhaltet beispielsweise eine Spannungsquelle und einen Strommesser, welche in Reihe geschaltet mit den Leiterbahnen
I1,
I2 verbunden sind. Im Fall eines Bruchs oder eines teilweisen Bruchs der Aufhängefedern
2a,
2b ändert sich die Stromstärke, welche von dem Strommesser erfasst wird, erheblich, woraufhin sich ein entsprechendes Erfassungssignal
S erzeugen lässt. Das Erfassungssignal
S kann beispielsweise eine Notausschaltung oder eine Ausschaltung einer (nicht dargestellten) Laserquelle bedingen, deren Lichtstrahl auf die Spiegelplatte
1 gerichtet ist.
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Im Unterschied dazu betrifft die Erfindung einen Mikrospiegel mit einem Schichtsystem mit wenigstens zwei Schichten unterschiedlicher mechanischer Spannung, wobei das Schichtsystem in einem ersten Betriebszustand gekrümmt ist, wobei das Schichtsystem eine piezoelektrische Schicht aufweist, welche dazu ausgestaltet ist, dass sie bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine derartige mechanische Spannung aufweist, dass das Schichtsystem in einem zweiten Betriebszustand eben ist. Die piezoelektrische Schicht tritt dabei anstelle des Widerstands R, kann dabei jedoch in unterschiedlichen Bereichen des Mikrospiegels angeordnet sein. Die piezoelektrische Schicht ist von wenigstens zwei Elektroden kontaktiert, welche mittels elektrischer Leiterbahnen I1, I2 mit einer Spannungsquelle verbindbar sind. Im ersten Betriebszustand ist die piezoelektrische Schicht spannungslos. Im zweiten Betriebszustand ist die piezoelektrische Schicht mit der Spannungsquelle verbunden. Im Fall eines Bruchs oder eines teilweisen Bruchs der Aufhängefedern 2a, 2b ist wenigstens eine der Leiterbahnen unterbrochen, die piezoelektrische Schicht ist spannungslos, und der Mikrospiegel befindet sich somit im ersten Betriebszustand.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrospiegels beinhaltet, dass die Spiegelplatte aus dem Schichtsystem aufgebaut ist. Die Spiegelplatte besteht also aus mindestens zwei Schichten unterschiedlicher innerer Spannung. Sie weist dadurch eine gleichmäßige konvexe oder konkave Krümmung mit einem definierten Radius auf. Indem das Schichtsystem im Bereich der Spiegelplatte angeordnet ist, wird ein Defokussiersystem geschaffen. Ein auf die Spiegelplatte auftreffender Laserstrahl wird aufgeweitet oder zerstreut, sodass Augensicherheit gewährleistet ist.
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4 zeigt eine Krümmung des Schichtsystems eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels mit einer gewölbten Spiegelpatte in einem ersten Betriebszustand. Eine runde Platte bestehend aus mindestens zwei Schichten unterschiedlicher innerer Spannung weist eine gleichmäßige konvexe bzw. konkave Krümmung mit einem definierten Radius auf. Die Spiegelplatte kann auch aus einem Schichtsystem nach einem der nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele aufgebaut sein.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrospiegels beinhaltet, dass wenigstens eine Aufhängefeder aus dem Schichtsystem aufgebaut ist. Diese Möglichkeit ein PZT-basiertes Augensicherheitskonzept zu realisieren, besteht darin, die Verstelleinheit des Mikrospiegels so auszulegen, dass im passiven Zustand der Laserstrahl weggeblendet wird. Der Spiegel selbst, also die Spiegelplatte, ist dabei sowohl mit als auch ohne elektrische Spannung plan, die Aufhängung ist aber gekrümmt, so dass der Strahl weggeblendet wird. Die deutsche Offenlegungsschrift
DE102008001663 A1 zeigt einen Mikrospiegel, der mit Aufhängefedern mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem aufgebaut werden kann.
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Elektrische Leitungen zur Spannungsversorgung der piezoelektrischen Schicht sind über bruchanfällige mechanische Komponenten, insbesondere die Spiegelplatte und Aufhängefedern geführt. Im Fall eines Bruchs ist die Fokussierungseinrichtung unmittelbar unterbrochen. Es ist keine Reaktion einer Auswerteschaltung erforderlich. Dies ist der wesentliche Vorteil einer solchen Anordnung beispielsweise gegenüber einem Bruchwiderstand.
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Ein piezoelektrisches Material wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) eignet sich sehr gut, um einer inneren eingefrorenen mechanischen Spannung entgegenzuwirken. So können solche (De-) Fokussierungssysteme vorteilhaft realisiert werden.
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2 zeigt im Querschnitt ein Schichtsystem eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels in einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Schichtsystem weist in dieser Reihenfolge eine Siliziumschicht 60, eine Oxidschicht 50, eine Nitridschicht 40, eine untere Elektrode 30, eine piezoelektrische Schicht 20 und eine obere Elektrode 10 auf. Die Elektroden 10, 20 sind jeweils als Schicht ausgeführt und bestehen insbesondere aus Platin (Pt). Die piezoelektrische Schicht 20 besteht insbesondere aus PZT. Die Oxidschicht 50 ist aus einem oxidierten Teil der Siliziumschicht 60 gebildet. Die Oxidschicht 50 weist Druckspannung auf. Die Nitridschicht 40 weist Zugspannung auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Unterseite der Siliziumschicht 60, welche der Seite mit der Oxidschicht 50 gegenüberliegt mit einer Spiegelschicht 70 versehen. Die Spiegelschicht 70 wird bevorzugt auf der Unterseite aufgebracht, da diese die geringste Rauigkeit aufweist.
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Wenn es gelingt, die Rauigkeit des Elektroden/pzt-Stapels zu kontrollieren, kann die spiegelnde Schicht auch auf der Oberseite abgeschieden werden. 3 zeigt dazu im Querschnitt ein Schichtsystem eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Spiegelschicht 70 ist hier auf einer Oberseite der oberen Elektrode 10 abgeschieden.
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Die inneren Spannungen des gesamten Schichtsystem sind absichtlich so gewählt, dass ohne Anlegen einer elektrischen Spannung die Spiegelplatte oder die Aufhängefeder eine deutliche Verformung aufweist. Die mechanischen Spannungen sollten aber auch in Summe nicht größer als 100 MPA sein, da dies die Größenordnung der mechanischen Spannungen ist, die durch PZT bei 10 V Betriebsspannung aufgebracht werden kann. Vor allem das Schichtsystem Silizium/Oxid/Nitrid zeichnet sich dadurch aus, dass die Schichten in ihren Eigenschaften sehr reproduzierbar sind und ihre Dicke fertigungstechnisch sehr gut kontrollierbar ist. Es eignet sich deswegen sehr gut, um die Spannungen genau einzustellen.
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In zwei weiteren Ausführungsbeispielen weist die Spiegelplatte einen Rahmen aus Silizium auf. Die übrige Spiegelplatte besteht aus dem Schichtsystem Oxid/Nitrid/Pt/PZT/Pt und einer spiegelnden Schicht auf Ober oder auch Unterseite.
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5 zeigt dazu im Querschnitt ein Schichtsystem eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels in einem dritten Ausführungsbeispiel. Die Siliziumschicht 60 ist bis auf einen Rahmen entfernt. Die Spiegelschicht 70 ist an der Unterseite der Spiegelplatte, auf der freigelegten Oxidschicht 50 angeordnet.
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6 zeigt im Querschnitt ein Schichtsystem eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels in einem vierten Ausführungsbeispiel. Abweichend zum Ausführungsbeispiel von 5 ist hier die Spiegelschicht 70 an der Oberseite der Spiegelplatte, auf der oberen Elektrode 10 angeordnet.
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7 zeigt im Querschnitt ein Schichtsystem eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels in einem fünften Ausführungsbeispiel. Die Figur zeigt eine Siliziumschicht 60, welche einen Rahmen und einen mittleren Bereich mit geringerer Schichtdicke aufweist. In diesem Beispiel bleibt also im Unterschied zur 5 auch im Membranbereich Silizium stehen. Das Silizium ist in diesem Bereich deutlich dünner als im Rahmenbereich. An der Unterseite des Membranbereichs ist die Spiegelschicht 70 angeordnet.
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Die 8 a und b zeigen im Querschnitt ein Schichtsystem eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels in einem sechsten Ausführungsbeispiel in zwei Herstellungsstufen.
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8 a zeigt das Schichtsystem in einem Zwischenschritt. Statt einkristallinem Silizium, wie in den vorher gezeigten Ausführungsbeispielen kann auch polykristallines Silizium verwendet werden. In diesem Fall wird auf ein oxidiertes einkristallines Siliziumsubstrat 90, also auf eine weitere Oxidschicht 80 Polysilizium oder Epi-Poly 60 abgeschieden. Um eine geringe Rauigkeit zu erzielen, wird das Polysilizium vor der zweiten Oxidation, also dem Herstellen der Oxidschicht 50, poliert. Darauf folgen die Nitridschicht 40, die untere Elektrode 30, die piezoelektrische Schicht 20 und die obere Elektrode 10.
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8 b zeigt das fertiggestellte Schichtsystem. Das einkristalline Siliziumsubstrat 90 wurde im Membranbereich entfernt, ebenso die weitere Oxidschicht 80. Ein Rahmen aus Resten des einkristallinen Siliziumsubstrats 90 bleibt stehen. Die polykristalline Siliziumschicht 60 ist in einem großen Teil des Membranbereichs ebenfalls entfernt. Die Spiegelschicht 70 ist in diesem Bereich direkt auf der Oxidschicht 50 angeordnet. Infolge des vorangegangenen Polierens der polykristallinen Siliziumschicht 60 (die nun entfernt ist) weist die Oxidschicht 50 eine geringe Rauigkeit auf. Die Spiegelschicht 70 besteht insbesondere aus Silber.
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Der erfindungsgemäße Mikrospiegel kann auch mit weiteren Sicherheitsschaltungen kombiniert werden. So kann z.B. durch Laserdioden oder durch eine Kamera in einem Bereich um den eigentlichen Laserscanbereich herum kontrolliert werden, ob sich ein Objekt in den Laserscanbereich hineinbewegt, um in einem solchen Fall den Laserspot zu defokussieren.
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9 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Mikrospiegel in einem Laserprojektor mit zusätzlichen Detektions- und Abschaltvorrichtungen. Um eine Projektionsfläche 210 ist schematisch ein rahmenförmiger Überwachungsbereich 220 definiert, welcher beispielsweise von einer Kamera erfasst werden kann. Sobald ein Objekt 230 in diesen Bereich 220 eindringt wird, wird ein Signal erzeugt, welches die Spannungsversorgung der piezoelektrischen Schicht des erfindungsgemäßen Mikrospiegels 200 unterbricht. In der Folge wird der Spiegel defokussiert sodass die Laserstrahlung zu einer harmlosen Stahlungsdichte aufgeweitet wird, oder der Spiegel wird derart im Strahlengang des Lasers verkippt, dass das Laserlicht abgeblendet wird und keine Bildprojektion mehr stattfindet.
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Weitere Kombinationen des erfindungsgemäßen Mikrospiegels mit Detektions- und Abschaltvorrichtungen sind ebenso möglich. So kann beispielsweise durch eine Diodenanordnung, die als Rahmen um das Bildfeld gelegt wird, detektiert werden, dass sich ein Objekt in das Feld des Laserscans bewegt.
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Der Vorteil eines Defokussiersystems besteht in dem besseren subjektiven Eindruck in dem Fall, dass ein Objekt in das Laserscanfeld gerät. Das Bild verschwindet nicht völlig, es wird nur unscharf, wenn der Laserspot defokussiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spiegelplatte
- 2 a
- Aufhängefeder
- 2 b
- Aufhängefeder
- 5
- elektrische Erfassungseinrichtung
- I1
- elektrische Leiterbahn
- I2
- elektrische Leiterbahn
- K1
- Schaltungsknoten
- K2
- Schaltungsknoten
- R
- elektrischer Widerstand
- S
- Erfassungssignal
- 10
- obere Elektrode
- 20
- piezoelektrische Schicht
- 30
- untere Elektrode
- 40
- Nitridschicht
- 50
- Oxidschicht
- 60
- Siliziumschicht
- 70
- Spiegelschicht
- 80
- weitere Oxidschicht
- 90
- weitere Siliziumschicht
- 100
- feststehender Bereich
- 110
- umlaufender Rahmen
- 200
- Mikrospiegel
- 210
- Projektionsfläche
- 220
- Überwachungsbereich
- 230
- Objekt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013217094 A1 [0001, 0011]
- DE 102008001663 A1 [0015]
