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ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Ultraschallströmungsmesser-Einheit mit einer Mehrlagen-Leiterplatte mit einem damit verbundenen und daran befestigten Ultraschallwandler.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Ultraschallströmungsmesser kann eine Einheit umfassen, die einen oder mehrere zum Senden und Empfangen eines Ultraschallsignals verwendete Ultraschallwandler und einen elektronischen Schaltkreis zum Betrieb der Ultraschallwandler umfasst. Ein Beispiel einer derartigen Ultraschallströmungsmesser-Einheit ist in
WO 2010/112030 A1 beschrieben. Die Bereitstellung einer weiter verbesserten Einheit ist vorteilhaft.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung stellt eine Ultraschallströmungsmesser-Einheit nach Anspruch 1 bereit. Eine Verbesserung besteht darin, dass die erste leitende Bahn mindestens teilweise zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage angeordnet ist, da die erste leitende Bahn baulich durch die erste und die zweite Lage abgeschirmt und somit weniger anfällig gegenüber der Gegenwart elektromagnetischer Störungen (EMI) externer elektromagnetischer Felder ist. Dies kann zu einer verbesserten Datenqualität führen.
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Die erste leitende Bahn kann zum Leiten von elektrischem Strom zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage und in einer Richtung parallel zu einer Ebene der Leiterplatte angeordnet sein und kann über ein oder mehrere Durchgangslöcher, wie Mikrodurchgangslöcher, mit dem ersten elektrischen Anschluss und/oder dem elektronischen Schaltkreis verbunden sein.
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Unter „elektrisch leitendem Befestigungsmittel” kann in beispielhaften Ausführungsformen jedes der Folgenden verstanden werden: Lot, elektrisch leitender Klebstoff, eine elektrisch leitende Schelle. Zum Befestigen und Verbinden des ersten und zweiten elektrischen Anschlusses des ersten Ultraschallwandlers und möglicherweise eines entsprechenden zweiten Ultraschallwandlers können verschiedene Arten dieser Befestigungsmittel verwendet werden.
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Unter einer „Mehrlagen-Leiterplatte” kann im Allgemeinen eine Leiterplatte mit mehreren Lagen, wie einer ersten und einer zweiten Lage, verstanden werden. Die mehreren Lagen können parallel angeordnet sein. Eine oder mehrere der mehreren Lagen können elektrisch isolierend sein. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Mehrlagen-Leiterplatte ein Substrat, bestehend aus Lagen gedruckter Schaltungen getrennt durch Isolierlagen.
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Es ist generell offensichtlich, dass die Einheit weiterhin einen zweiten Ultraschallwandler umfassen kann, wobei der elektronische Schaltkreis weiterhin zum Betrieb sowohl des ersten als auch des zweiten Ultraschallwandlers angeordnet ist.
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In einer Ausführungsform ist eine Ultraschallströmungsmesser-Einheit bereitgestellt, wobei eine obere Fläche der ersten Lage eine Flächennormale aufweist, die von der zweiten Lage weg weist, und wobei eine untere Fläche der zweiten Lage eine Flächennormale aufweist, die von der ersten Lage weg weist, und wobei eine obere elektrisch leitende Lage, wie eine Metalllage, einen wesentlichen Teil der oberen Fläche der ersten Lage bedeckt und/oder wobei eine untere elektrisch leitende Lage, wie eine Metalllage, einen wesentlichen Teil der unteren Fläche der zweiten Lage bedeckt. In einer besonderen Ausführungsform sind die obere elektrisch leitende Lage und die untere elektrisch leitende Lage elektrisch verbunden, z. B. über den Rand oder über ein oder mehrere Durchgangslöcher durch die Lagen. Die obere und untere elektrisch leitende Lage schirmen die erste leitende Bahn mindestens teilweise von externen elektromagnetischen Feldern ab, die im gegenteiligen Fall durch die erste Lage und/oder die zweite Lage dringen und die erste leitende Bahn elektrisch beeinflussen können, was wiederum die Signale zwischen dem ersten Ultraschallwandler und dem elektronischen Schaltkreis beeinflussen und die Datenqualität verschlechtern kann. Es ist offensichtlich, dass die obere und/oder untere elektrisch leitende Lage eine massive Lage sein oder durch ein verbundenes Netzwerk elektrisch leitender Bahnen, wie ein Gitternetzwerk, realisiert werden kann. In einer bestimmten Ausführungsform können die obere und/oder untere elektrisch leitende Lage als Faradaykäfig dienen.
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In einer Ausführungsform wird eine Ultraschallströmungsmesser-Einheit bereitgestellt, wobei die zweite leitende Bahn durch die obere elektrisch leitende Lage und/oder die untere elektrisch leitende Lage bereitgestellt wird oder damit verbunden ist, sodass die obere elektrisch leitende Lage und/oder die untere elektrisch leitende Lage elektrisch mit dem zweiten elektrischen Anschluss des ersten Ultraschallwandlers verbunden sind. Auf diese Weise kann der zweite elektrische Anschluss mit einem verhältnismäßig stabilen elektrischen Potenzial verbunden werden, das effektiv als Referenzpunkt dienen kann, mit dem andere Spannungen gemessen werden, wie beispielsweise effektiv als Erdung dienen kann, selbst wenn weder die obere noch die untere elektrisch leitende Lage geerdet ist.
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In einer Ausführungsform wird eine Ultraschallströmungsmesser-Einheit bereitgestellt, wobei die obere elektrisch leitende Lage und/oder die untere elektrisch leitende Lage elektrisch mit einem elektrischen Erdanschluss des elektronischen Schaltkreises verbunden sind. Es sei darauf hingewiesen, dass die obere elektrisch leitende Lage und/oder die untere elektrisch leitende Lage über ein Gehäuse weiterhin mit einem externen Erdanschluss verbunden sein können.
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In einer Ausführungsform wird eine Ultraschallströmungsmesser-Einheit bereitgestellt, wobei der erste Ultraschallwandler eine umkontaktierte Elektrode ist. Unter „umkontaktierter Elektrode” kann eine Elektrode verstanden werden, die sich über den Rand der Seite des Wandlers oder die andere Seite des Wandlers erstreckt. Ein Vorteil hierbei kann darin bestehen, dass der erste und der zweite elektrische Anschluss elektrisch von derselben Seite des Ultraschallwandler aus zugänglich sind.
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In einer Ausführungsform wird eine Ultraschallströmungsmesser-Einheit bereitgestellt, wobei eine Durchgangsöffnung in der Leiterplatte im Wesentlichen den ersten Teil der Leiterplatte neben dem ersten Ultraschallwandler, wie mindestens 180 Grad, 225 Grad, 270 Grad, 315 Grad des ersten Teils der Leiterplatte, umschließt und wobei ein zweiter Teil der Leiterplatte als mechanische Verbindung des ersten Teils mit einem restlichen Teil der Leiterplatte dient, wobei eine Breite eines Querschnitts des zweiten Teils kleiner ist als ein Durchmesser des ersten Ultraschallwandlers. Ein Vorteil hierbei kann darin bestehen, dass die Möglichkeit besteht, die Leiterplatte an Wärmeausdehnungen und -schrumpfungen des piezoelektrischen Ultraschallwandlerelements anzupassen. In einigen Ausführungsformen kann ein elektrischer Strom über den zweiten Teil von dem ersten Teil zum restlichen Teil fließen. Unter „Breite eines Querschnitts des zweiten Teils” kann die Strecke eines Querschnitts des zweiten Teils in der Ebene der Leiterplatte verstanden werden, wobei der Querschnitt orthogonal zu einer Richtung eines Stroms ist, der von dem ersten Teil über den zweiten Teil zu dem restlichen Teil der Leiterplatte geführt wird. Unter „Durchmesser des ersten Ultraschallwandlers” ist eine Durchmesser in der Ebene der Leiterplatte oder bei Wandlern mit einer nicht kreisförmigen Form eine entsprechende charakteristische Länge zu verstehen.
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In einer Ausführungsform wird eine Ultraschallströmungsmesser-Einheit bereitgestellt, wobei eine Strecke entlang des zweiten Teils vom ersten Teil zum restlichen Teil der Leiterplatte größer, wie 1,5-, 2-, 3-, 4-, 5- oder 10-mal größer, ist als der Durchmesser des ersten Ultraschallwandlers. Ein Vorteil eines verhältnismäßig langen zweiten Teils kann darin bestehen, dass dadurch eine größere Bewegungsfreiheit des ersten Teils in Bezug zu dem restlichen Teil erleichtert wird. Der zweite Teil kann geradlinig oder krummlinig oder stückweise geradlinig sein. Ein Vorteil eines nicht geraden zweiten Teils kann darin bestehen, dass dadurch mehr Freiheitsgrade für die Bewegung des ersten Teils in Bezug auf den restlichen Teil bereitgestellt werden.
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In einer Ausführungsform wird eine Ultraschallströmungsmesser-Einheit bereitgestellt, umfassend
- – das elektrisch leitende Befestigungsmittel, das eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Anschluss und der ersten leitenden Bahn bereitstellt,
und - – das elektrisch leitende Befestigungsmittel, das eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten elektrischen Anschluss und der zweiten leitenden Bahn bereitstellt,
wobei die elektrisch leitenden Befestigungsmittel konzentrisch zueinander angeordnet sind. Der erste und der zweite elektrische Anschluss können beim ersten Ultraschallwandler konzentrisch zueinander angeordnet sein oder der erste und der zweite elektrische Anschluss können auf derselben Seite des ersten Ultraschallwandlers angeordnet sein. Dadurch wird eine vollständige elektrische Verbindung des Ultraschallwandlers mit der Leiterplatte mittels eines einfachen Montageverfahrens der Oberflächenmontagetechnologie (SMT) auf nur einer Seite des Wandlers über beide elektrischen Anschlüsse erreicht.
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In einer Ausführungsform wird ein Ultraschallströmungsmesser, angeordnet zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit eines durch ein Messrohr fließenden Fluids, wobei der Strömungsmesser die Ultraschallströmungsmesser-Einheit umfasst, bereitgestellt. In einer Ausführungsform umfasst ein Strömungsmesser – ein Gehäuse, in dem ein Messrohr angeordnet ist, und wobei die Ultraschallströmungsmesser-Einheit in Bezug auf das Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse aus Metall, Messing, Edelstahl oder Polymermaterial ausgebildet sein kann.
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Diese und andere Aspekte, Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung gehen aus den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen hervor und werden anhand dieser ausführlich erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Erfindungsgemäße Ausführungsformen werden ausschließlich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
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1 einen Ultraschallströmungsmesser,
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2 einen Querschnitt des in 1 dargestellten Ultraschallströmungsmessers,
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3–4 eine perspektivische Ansicht bzw. eine Draufsicht einer Ultraschallströmungsmesser-Einheit vor der Montage des ersten und zweiten Ultraschallwandlers,
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5–7 verschiedene Arten von Ultraschallwandlern, die auf einer in 3–4 dargestellten Ultraschallströmungsmesser-Einheit montiert sind.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ultraschallströmungsmessers 101 mit einem polymeren Strömungsmessergehäuse 120 mit einer für die Fluidströmung beschaffenen Durchgangsöffnung 114 und einem darin angeordneten Messrohr (siehe 203 in 2), und wobei ein mechanisch getrennter Teil eine Ultraschallströmungsmesser-Einheit 100 ist, umfassend eine Leiterplatte mit einem elektronischen Schaltkreis und piezoelektrischen Ultraschallwandlern.
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2 Zeigt einen Querschnitt des in 1 dargestellten Strömungsmessergehäuses, wobei zwei Ultraschallwandler 206 dargestellt sind, die auf einer Leiterplatte 202 montiert und zum Senden/Empfangen von Ultraschallsignalen an-/voneinander über Reflektoren des Messrohrs 203 angeordnet sind.
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3 ist eine perspektivische Ansicht einer Leiterplatte 302, wobei eine Durchgangsöffnung 340 in der Leiterplatte 302 im Wesentlichen einen ersten Teil 361 der Leiterplatte umschließt und wobei ein zweiter Teil 362 der Leiterplatte als mechanische Verbindung des ersten Teils 361 mit einem restlichen Teil der Leiterplatte dient. Die Breite eines Querschnitts des zweiten Teils 362 ist kleiner als ein Durchmesser des ersten Ultraschallwandlers 306. Ein Vorteil einer derartigen verhältnismäßig kleinen Breite des zweiten Teils kann darin bestehen, dass der zweite Teil so flexibel wird, dass er derart um seine Endpunkte gebogen werden kann, dass der erste Teil in Bezug zu dem restlichen Teil der Leiterplatte etwas bewegt werden kann. Der erste Teil 361 hat ein zentrales Durchgangsloch 330.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht einer Ultraschallströmungsmesser-Einheit vor der Montage des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers. Die Figur zeigt eine Leiterplatte 402, umfassend einen elektronischen Schaltkreis 404, eine erste leitende Bahn 464 für die elektrische Verbindung eines ersten elektrischen Anschlusses des ersten Ultraschallwandlers mit dem elektronischen Schaltkreis 404, einen ersten Teil 461, der eine erste Elektrode 471 für die elektrische Verbindung des ersten elektrischen Anschlusses und der ersten leitenden Bahn 464 und eine zweite Elektrode 472 für die elektrische Verbindung des zweiten elektrischen Anschlusses und der zweiten leitenden Bahn umfasst. Die erste Elektrode 471 und die zweite Elektrode 472 sind konzentrisch zueinander angeordnet. Die erste und die zweite Elektrode sind Lotbahnen, die als elektrisch leitende Befestigungsmittel für die mechanische Befestigung der Wandler an der Leiterplatte dienen. Die Figur zeigt darüber hinaus, dass der erste Teil 461 ein zentrales Durchgangsloch 430 und um seine Peripherie eine Durchgangsöffnung 440 aufweist. Die Durchgangsöffnung 440 ist derart angeordnet, dass der zweite Teil 462, der den ersten Teil 461 mit dem restlichen Teil der Leiterplatte verbindet, stückweise linear ist, was eine Veränderung der Position des ersten Teils 461 in mehrere Richtungen ermöglicht, da jedes stückweise lineare Segment um seine Endpunkte gebogen werden kann. Ein ähnlicher Vorteil kann mit einem krummlinigen zweiten Teil, wie einem spiralförmigen zweiten Teil, erreicht werden.
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5–7 zeigen eine Querschnittsansicht in der Ebene einer Leiterplatte, die der Leiterplatte in 4 ähnlich ist (entlang der in 4 dargestellten Linie A-A).
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5 zeigt den ersten Ultraschallwandler 506 mit dem ersten elektrischen Anschluss 509 und dem zweiten elektrischen Anschluss 507. Der Ultraschallwandler umfasst eine umkontaktierte Elektrode, sodass der zweite elektrische Anschluss 507 effektiv eine Elektrode ist, die um den Wandler gewickelt ist, um so elektrisch von derselben Seite des Wandler zugänglich zu sein wie der erste elektrische Anschluss 509. Die Figur zeigt weiterhin eine Leiterplatte 502, die eine erste Lage 581 und eine zweite Lage 582 umfasst, welche auf jeweils einer Seite der gestrichelte Linie 580 dargestellt sind. Eine erste leitende Bahn 564 ist elektrisch mit dem ersten elektrischen Anschluss 509 verbunden und zwischen der ersten Lage 581 und der zweiten Lage 582 angeordnet. Eine zweite elektrisch mit dem zweiten elektrischen Anschluss 507 verbundene leitende Bahn ist durch eine obere elektrisch leitende Lage 586 ausgebildet, die im Wesentlichen die obere Fläche der ersten Lage bedeckt. Weiterhin bedeckt eine untere elektrisch leitende Lage 588 im Wesentlichen die untere Fläche der zweiten Lage 582. Die Figur zeigt auch den ersten Teil 561, der eine erste Elektrode 571, eine zweite Elektrode 572, ein zentrales Durchgangsloch 530 und um seine Peripherie eine Durchgangsöffnung 540 umfasst. Weiterhin ist ein zweiter Teil 562 und Teil des restlichen Teils 563 dargestellt. In der vorliegenden Ausführungsform befestigt ein elektrisch leitendes Befestigungsmittel in Form von Lot den ersten elektrischen Anschluss 502 und die erste leitende Bahn 564 über die erste Elektrode 571 bzw. den zweiten elektrischen Anschluss 507 und die zweite leitende Bahn über die zweite Elektrode 572 und stellt jeweils die elektrische Verbindung dazwischen her.
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6 ähnelt 5 mit der Ausnahme, dass der Ultraschallwandler 606 eine Randelektrode umfasst, sodass der zweite elektrische Anschluss 607 effektiv eine Elektrode ist, die sich zu einer Seite des Wandlers erstreckt, um so von dieser Seite elektrisch zugänglich zu sein. Ein elektrisches Verbindungsglied 611 verwendet den zweiten elektrischen Anschluss 607 elektrisch mit der oberen elektrisch leitenden Lage 686.
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7 ähnelt 5–6 mit der Ausnahme, dass der zweite elektrische Anschluss an einer von der Leiterplatte abgewandten Seite des ersten Ultraschallwandlers angeordnet ist und wobei eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten elektrischen Anschluss 707 und der oberen elektrisch leitenden Lage 786 über eine Schelle 710 bereitgestellt wird, die zum mechanischen Befestigen des ersten Ultraschallwandlers 706 dienen kann.
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4 bis 7 zeigen Ausführungsformen, wobei die leitende Bahn, die das Signal von und zu dem elektronischen Schaltkreis überträgt, im Inneren einer Mehrlagen-Leiterplatte angeordnet und durch die elektrisch leitenden Erdungslagen, die die obere und untere Fläche bedecken, von externen elektromagnetischen Feldern abgeschirmt ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde zwar in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, damit ist jedoch keine Begrenzung auf die hier dargelegten spezifischen Formen beabsichtigt. Vielmehr ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ausschließlich in den beigefügten Ansprüchen festgelegt. In diesem Abschnitt sind bestimmte Einzelheiten der offenbarten Ausführungsformen zu Erklärungszwecken anstatt zur Begrenzung dargelegt, um so ein eindeutiges und umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Für den Fachmann ist es jedoch offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung in anderen Ausführungsformen ausgeübt werden kann, die nicht genau den hier dargelegten Einzelheiten entsprechen, ohne dadurch vom Geist und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Außerdem wurde in diesem Zusammenhang aus Gründen der Kürze und Klarheit auf ausführliche Beschreibungen bekannter Vorrichtungen, Schaltkreise und Methodologien verzichtet, um unnötige Einzelheiten und eine mögliche Verwirrung zu vermeiden. In den Ansprüchen schließt der Begriff „umfassend” das Vorhandensein anderer Elemente oder Schritte nicht aus. Außerdem können die verschiedenen Ansprüche zwar einzelne Merkmale enthalten sein, diese können sich jedoch möglicherweise vorteilhaft kombiniert lassen und die Aufnahme in unterschiedliche Ansprüche bedeutet nicht, dass eine Kombination von Merkmalen nicht möglich und/oder vorteilhaft ist. Weiterhin schließt eine Nennung im Singular nicht eine Mehrzahl aus. Demzufolge schließt eine Nennung von „ein”, „eine”, „erster”, „zweiter” usw. eine Mehrzahl nicht aus. In die Ansprüche wurden Bezugszeichen aufgenommen, der Einschluss von Bezugszeichen dient jedoch ausschließlich der Klarheit und darf nicht als Begrenzung des Umfangs der Ansprüche aufgefasst werden.
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Es wird eine Ultraschallströmungsmesser-Einheit, angeordnet zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, bereitgestellt, wobei die Einheit eine Leiterplatte 502 umfasst, die einen elektronischen Schaltkreis, einen ersten Ultraschallwandler 506 und eine erste elektrisch mit dem ersten Ultraschallwandler und dem elektronischen Schaltkreis verbundene leitende Bahn 564 umfasst, wobei die Leiterplatte eine Mehrlagen-Leiterplatte ist und die erste leitende Bahn 564 zumindest teilweise zwischen einer ersten Lage 581 und einer zweiten Lage 582 angeordnet ist. In einer weiteren Ausführungsform wird eine obere elektrisch leitende Lage 586 und/oder eine untere elektrisch leitende Lage 588 bereitgestellt, die im Wesentlichen die obere Fläche der ersten Lage 581 bzw. die untere Fläche der zweiten Lage 582 bedecken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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