DE2362801A1

DE2362801A1 - Kontaktierter flaechenwiderstand und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2362801A1
Application number: DE2362801A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Aigner; Herbert Dr Fitz; Manfred Reith
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1973-12-18
Filing date: 1973-12-18
Publication date: 1975-06-26
Also published as: NO744551L; JPS5092434A; ATA999574A; FR2254924A1; DE2362801B2; DE2362801C3; BE823520A; IT1027729B; AT328583B; FR2254924B1; GB1478919A

Description

FARBTORKE HOECHST AG νοι-msIs Meister Lucius & Brüning Werk Gendorf

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Gendorf-, den 17. Dez. 1973 Gd 1576

Hoe 73/i¹ 921

Aktenzeichen: 'Dr. Schm/HH

"Kontaktierter Flächenwiderstand und Verfahren zu: seiner Herstellung"

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von metallischen Kontaktstreifen auf drahtlose Flächenwiderstände, insbesondere auf solche, die aus mit Hilfe von Leitpigmenten elektrisch leitfähig gemachten Kunststoffen bestehen und in Form eines grobmaschigen, nichtgeschlossenen Gewebes ausgebildet sind, sowie die nach diesem Verfahren kontaktierten Flächenwiderstände.

Flächenwiderstände (Flächenheizelemente), die aus einem leitfähigen, nichtmetallischen bzw. leitfähig gemachten Material bestehen, müssen für die Zuführung und die gleichmäßige Verteilung des Stroms an zwei gegenüberliegenden Seiten mit einem guten elektrischen Leiter zwecks Verbindung mit dem Stromnetz kontaktiert werden. Wesentlich dabei ist, daß die Metallkontaktierung eng mit dem Flächenwiderstand verbunden ist, um die Übergangswiderstände so klein wie möglich zu halten, wobei jedoch bei Herstellung dieser Verbindung darauf geachtet werden muß, daß der Flächenwiderstand selbst nicht beschädigt bzw, in seiner Struktur verändert wird, da dadurch die Flexibilität erheblich leiden würde.

Für die Kontaktierung von Flächenwiderständen sind bereits eine Reihe von Verfahren bekannt geworden. So ist es bekannt, Kontakte durch Flammspritzen von Kupfer, Aluminium oder anderen elektrisch gut leitenden und flammspritzbaren Materialien aufzubringen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die aufgebrachten Kontaktierungen sehr spröde

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und knickempfindlich sind. Außerdem kann es nur bei solchen Materialien (Substrat und Leitpigment) angewendet werden, die durch den Vorgang des Flammspritzens nicht zerstört oder beschädigt werden.

Es ist ferner bekannt (DT-OS 1 540 843), Kontaktierung :m in Flächenwiderständen herzustellen, indem man Metallstreifen auf die Oberfläche aufnäht oder mittels Heftklammern, Nieben oder dgl. befestigt. Eine solche Kontaktierung führt ,jedoch nur bei sehr glatten Oberflächen zu einem einigermaßen befriedigenden Ergebnis. Bei rauheren Oberflächen kommt eine lediglich punktförmige Berührung an den "Gipfeln" der Oberfläche zustande, die Übergangswiderstände werden dadurch unbragb ir hoch, was im Extremfall zum Verschmoren des Heizleiters an der Kontaktierung führen kann.

Nach der DT-OS 1 615 494 können Kontakte für die Stromzuführung zu Fläclienheizleitern auch dadurch angebracht werden, daß man bei der Herstellung des Grundmaterials, z.B. eines Textil- oder Glasfasergewebes, Metalldrähte einwebt. Ein .solches Einweben von Metalldrähten bereitet jedoch wegen der sehr unterschiedlichen Flexibilität von Glas- bzw. Textilfaden und Metallfäden erhebliche Schwierigkeiten.

V/eiterhin ist versucht worden, bei kalt- oder warmhärtenden Kunststoffen die für die Kontaktierung notwendigen MeLiIlzuführungen während des Härtungsvorganges einzugießen bzw, bei thermoplastischen Kunststoffen einzuschweißen, in^i-esondere bei der Kalandrierung Metallfäden in den noch plastischen Kunststoff einlaufen zu lassen (DT-OS 1 565 75^)-

Da jedoch heutzutage Materialien für Flächenwicierständo vielfach kontinuierlich als "Meterware" hergestellt werden, haben solche Verfahren den Nachteil, daß die eingebrachten Kontakte nachträglich aus dem Substrat wieder freigelegt werden müssen. Ein Einbringen von Metallkontakten wählend der Kalandrierung kommt nur für relativ dicke Folien in Frage.

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Gau:', abgesehen davon eignen sich solche Verfahren nur für solche Materialien, die überhaupt vergießbar oder verschweißbar sind, und sie bringen keinerlei Vorteil bei Kunststoffen, die am Metall schlecht oder gar nicht haften, wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen, da sich hier eine völlig unzureichende Kontaktierung ergibt. Aber' auch bei vergießbaren oder verschweißbaren Kunststoffen wird die Fertigung erschwert, da ganz bestimmte. Temperaturen beim Einbringen bzw. während des Härtevorganges eingehalten werden müssen.

Nach den deutschen Offenlegungsschriften 1 808 022, 1 903 und 1 914 117 sollen Kontaktierungen von leitfähig gemachten Polyestervliesen dadurch erreicht werden, daß man Metallbänder darauf anbringt und diese von oben her durch eine selbstklebende Schicht (selbstklebend gemachtes Faservlies oder selbstklebende Folie) fixiert. Dieses Verfahren hat die gleichen Nachteile wie die oben genannte Befestigung durch Aufnähen, Aufklammern oder dgl., d.h. es werden auch hier nur punktförmige Kontakte erreicht, woraus ungünstige Übergangswiderstände resultieren.

Auch ist bereits bekannt, Flächenheizleiter durch Aufbringen einer sich über die ganze Fläche erstreckenden Metallschicht von beiden Seiten her mit Kontakten zu versehen (DT-OS 1 910 704). Hiermit wird zwar die für die Kontaktierung zur Verfügung stehende Fläche vergrößert und durch die vermehrte Zahl von "punktförmigen" Kontaktstellen der Übergangswiderstand herabgesetzt, jedoch ergibt sich dann im Flächenheizleiter ein wesentlich ungünstigerer Stromfluß in Vertikalrichtung, wodurch der Widerstand auf einen Bruchteil zusammenschrumpft.

Schließlich besteht die Möglichkeit (DT-AS 1 073 055), eine gut leitfähige Schicht auf den Heizleiter dadurch aufzubringen, daß man leitfähige, mit Metallen pigmentierte Lacke (sogenannte Leitlacke) auf den Flächenwiderstand aufstreicht. Da die Lackkomponente derartiger Leitlacke jedoch

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nur bis zu bestimmten Grenzen temperaturbeständig sind, können derart kontaktierte Flächenheizleiter größeren Temperaturbelastungen jedoch nicht aufgesetzt werden. Wenn der Flächenheizleiter größere Leistungen aufnehmen soll, ist es auch schwierig, die entsprechenden Leitungsquerschnitte mittels derartiger Leitlacke zu erzielen, da die Harzkomponente des Lackes automatisch einen "Verdünnungseffekt" auf die leitfähige Komponente ausübt und somit die elektrische Belastbarkeit vermindert wird.

Alle vorstehend genannten Verfahren haben insbesondere den Nachteil, daß sie für Flächenheizelemente in Form eines grobmaschigen Gewebes mit nichtgeschlossenen Maschen nicht anwendbar sind.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Kontaktierungen an Flächenheizelementen so anzubringen, daß die Berührungsfläche von Metallkontakt zum Flächenwiderstand so groß und so eng wie möglich ist, ohne daß die Struktur oder die Flexibilität des Flächenheizelementes darunter leidet.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufbringen von metallischen Kontakstreifen auf drahtlose Flächenwiderstände, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der metallische Kontaktstreifen mittels eines elastomeren Anpreßelementes, dessen Shore-Härte A (nach DIN 53 505) 25 bis 80 und dessen Stoßelastizität (nach DIN 53 512) 10 bis 70 % beträgt, und mittels eines unter dem Flächenwiderstand befindlichen Gegendruckelementes innig auf die Oberfläche des Flächenwiderstandes aufgepreßt wird.

Unter den genannten Anpreßbedingungen wird erreicht, daß sich der aufgelegte Metallstreifen optimal genau an das Oberflächenprofil des Widerstandselementes anpaßt, ohne daß das Element durch den Anpreßdruck beschädigt werden kann. Dies ist besonders dann wichtig, wenn das Flächenheizelement als ein grobmaschiges Gewebe mit offenen Maschen ausgebildet ist. In diesem Fäll wird der aufgelegte Metallstreifen bis zum Durchgriff durch die Maschen des Flächenwiderstandes hindurchgedrückt, ohne daß die Struktur des Maschengewebes beschädigt wird. Bringt man während des Anpreßvorganges zwischen Flächenheizelement und Gegendruckplatte ein auf der Seite des Flächen-

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Widerstandes mit einer selbstabbindenden Schicht versehenes flächiges Gebilde ein, so werden die durch die Maschen hindurchtretenden Teile des Kontaktstreifens in ihrer Lage fixiert. Ein solches selbstabbindendes flächiges Gebilde kann eine einseitig mit einer selbstklebenden Schicht versehene Kunststoff-Folie oder ein entsprechendes textiles Gewebe oder ein Vlies sein. Von besonderem Vorteil ist es aber, wenn dieses selbstabbindende flächige Gebilde zur Fixierung der eigentlichen Kontaktierung selbst ein guter elektrischer Leiter ist, da dann die Wirksamkeit der Kontaktierung erhöht wird.

Dies kann also eine Metallfolie sein, die auf einer Seite mit einer selbstklebenden Schicht versehen ist, wobei diese Selbstklebeschicht vorteilhafterweise noch mit fein verteiltem Metall pigmentiert, d.h. leitend gemacht wird. Es kann sich aber auch um eine Metallfolie handeln, die eine einseitig aufbrachte Leitschicht besitzt. In diesem Falle wird dio Fixierung dor oin/joproßton Kontaktstreifen von der Gegenseite dadurch erreicht, daß man während des Anpressens die Gegendruckplatte aufheizt bzw. einer Gegendruckwalze Wärme zuführt, wodurch dann die Lötverbindung erzielt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorteil aber auch angewendet werden für Flachenwiderstände mit geschlossener Oberfläche, insbesondere dann, wenn diese Oberfläche (z.B. durch die Maschen eines eingebrachten Gewebes) rauh oder strukturiert ist. In diesem Falle ist es erfoderlich, die gepreßte Kontaktierung von oben her zu fixieren, was nach bekannten Methoden erfolgen kann, beispielsweise durch Überlackieren, Überziehen mit einem thermoplastischen oder schweißbaren Kunststoff, Überziehen mit einer selbstklebenden Schicht usw.,

Die genannten Bedingungen hinsichtlich des elastomeren Anpreßelementes, das im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt wird, sind von wesentlicher Bedeutung. Werden diese Bedingungen ·

Shore-Härte A (nach DIN-Norm 53 505) von 25 bis 80, vorzugsweise 40 bis 70,

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Stoßelastizität (nach DIN-Norm 53 512) von 10 bis 70, vorzugsweise von 40 bis 70 % ·, "

nicht eingehalten, so resultiert entweder eine ungenügende Anpressung an die Oberflächenstruktur bzw. kein Durchgriff bei offenen Maschengeweben, so daß der erförderliche geringe Übergangswiderstand zwischen Kontakt und Flächenheizleiter nicht erzielt werden kann, oder aber die Oberfläche, das Profil, gegebenenfalls sogar das gesamte innere Gefüge des Flächenheizelementes wird deformiert, was zu unerwünschten Widerstandsänderungen, insbesondere zu einer Widerstandszunäime führt.

Das eingesetzte elastomere Anpreßelement kann von unterschiedlicher geometrischer Form sein, insbesondere ist es ein Stempel oder eine Walze. Die Mindeststärke der Elastomerenschicht soll ca. 0,5 cm betragen. Die genannten Eigenschaften hinsichtlich der Härte und Stoßelastizität

erbringen insbesondere folgende mit Füllstoffen versehene, vulkanisierbare Elastomere: Polybutadiene, Chloropren, chlorsulfoniertes Polyäthylen, Isobutylen-Isopren-Mischpolymerisate, vorzugsweise aber Naturkautschuk, Polyisopren und Butadien-Styrol-Mischpolymerisate. Diese Materialien werden durch Zugabe von Füllstoffen, insbesondere erdigen Füllstoffen, wie Silikaten, verschiedenartigen Rußen, Kreide oder SiOp, und gegebenenfalls nach den dem Fachmann geläufigen Vulkanisationsverfahren auf die obigen Eigenschaften eingestellt. Die Reißfestikeit des Elastomeren soll 20 bis 200, vorzugsweise '
Norm 53 504).

vorzugsweise 150 bis 200 kg/cm betragen (bestimmt nach DIN-

Der mit dem elastomeren Anpreßelement auszuübende Anpreßdruck ist abhängig von der Art des Materials, von der Dicke des aufgebrachten Kontaktstreifens, von der Oberflächenstruktur und/oder der Maschenweite des Gewebes. Somit kann dieser. Druck in relativ weiten Grenzen schwanken. Je nach den Gegebenheiten kann schon ein Anpreßdruck von ca. 0,5 kg/cm ausreichend sein, es können auch Drucke bis zu 100 kg/cm angewandt werden.

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Das erfindungsgemäße Verfahren kann eingesetzt werden für die Kontaktierung von Flächenwiderständen aus leitpigmentierten Kunststoffen, wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen, Polyester, Epoxidharze, Polyvinylacetat, Silikonharze oder auch nicht-leitende andere Materialien wie Kautschuk, wobei die bekannten Leitpigmente, wie Ruß, Graphit, Metallpulver (Kupfer, Bronze, Silber, Aluminium etc.) eingemischt sind. Derartige Flächenwiderstände können außerdem mit Stützeinlagen aus Glasfasern oder auch natürlichen oder synthetischen Textilfasern in Form von mehr oder minder grobmaschigen Geweben versehen sein.Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch geeignet für Flächenwiderstände aus an sich leitenden Materialien, wie gepreßte Kohlefaser und Graphit. Die aufzubringenden Kontakte sind Metallfolienstreifen, deren Breite und Dicke sich nach der Größe und insbesondere der elektrischen Leistungsaufnahme des jeweiligen Flächenwiderstandes richten. In der Länge werden diese Metallfolienstreifen mit Vorteil so dimensioniert, daß sie möglichst zwei gegenüberliegende Seiten des Flächenheizelementes voll überstreichen, wodurch ein gleichmäßiger Stromfluß innerhalb der Widerstandsmasse gewährleitet ist. Die Metallstreifen können dabei beide auf der gleichen. Seite des Flächenwiderstandes angebracht werden, jedoch auch so, daß einer die obere und einer die untere Fläche an zwei gegenüberliegenden Seiten kontaktiert. Für diese Metallfolien werden vorzugsweise gut leitende Metalle eingesetzt, wie insbesondere Kupfer, Silber, Gold, Platinmetalle oder aber auch Aluminium.,

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden eine ganze Reihe von Vorteilen erzielt, so insbesondere, daß durch die Art des Aufpressens eine optimal große Auflagefläche der. Metallfolie auf dem Oberflächenprofil des Flächenwiderstandes erreicht wird, wobei das Flächenheizelement nach dem Aufbringen der Kontaktierung völlig flexibel bleibt und keine schädlichen Veränderungen seines Gefüges erleidet. Ferner kann der Leiterquerschnitt beliebig gewählt und erhöht werden, so daß auch Flächenwiderstände hoher elektrischer Leistüngs-

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aufnahme problemlos kontaktiert werden können. Insbesondere ist es aber bei Flächenwiderständen, die in Form nichtgeschlossener, grobmaschiger Gewebe ausgebildet sind, erstmalig möglich, einen Durchgriff und eine sichere Fixierung des Kontaktstreifens zu erzielen, ohne daß die besonders gefährdete Maschenstruktur beschädigt wird.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein drahtloser Flächenwiderstand mit metallischen Kontaktstreifen, ausgebildet in der Form eines grobmaschigen, nichtgeschlossenen Gewebes, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Kontaktstreifen mäanderförmig bis zum Durchgriff von der Oberseite des Flächenwiderstandes in die Maschen hineinragen und durch selbstabbindende, flächige Gebilde von der Unterseite her fixiert sind.

Ein so kontaktierter Flächenwiderstand ist in Figur 1 bis 3 dargestellt. Figur 1 zeigt diesen Flächenwiderstand in der Draufsicht, Figur 2 einen Schnitt längs der Linie A-B und Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus diesem Schnitt (Vergrößerung 1 : 5) an der kontaktierten Stelle. Aus diesen Figuren ist ersichtlich ein Flächenwiderstand bestehend aus einem Glasfasergewebe, imprägniert mit einem Gemisch aus Ruß, Graphit und Polytetrafluoräthylen als Bindemittel 1, zwei als Kontaktierung dienende Kupferfolienstreifen 2, die bis zum Durchgriff auf das Gewebe aufgepreßt sind, die beiden elekttrischen Anschlußkabel 3 sowie zwei von unten her mittels einer leitfähigen Klebeschicht 5 fixierte Kupferfolienstreifen 4.

Die Erfindung wird durch folgende Beispiele erläutert:

Beispiel 1;

Ein Heizleitergewebe auf Basis Glasfasergewebe/Polytetrafluoräthylen/Graphit mit einer Maschenweite von 4 mm (nichtgeschlossene Maschen) und in Abmessungen 10 χ 10 cm wurde an den gegenüberliegenden Seiten mit einem Kupferband, 20 mm breit und 100 /U dick, über die gesamte Länge dieser Seiten

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belegt. Auf der gegenüberliegenden Fläche des Heizleitergewebes wurde an der entsprechenden Stelle je ein einseitig klebbarer Streifen Kupferfolie aufgeklebt und dieser Aufbau dann mit einem Silikongummistempel (Shore-Härte A = 50, Reißfestigkeit 160 kg/cm , Elastizität 50 %) bei einem Druck von 50 kg/cm von oben her gegen eine unter dem Heizleitergewebe befindliche nicht-elastomere Gegendruckplatte gedrückt.

Das Kupferband wurde dabei durch das Maschenprofil des Heizleiters gegen die darunter befindliche selbstklebende Kupferfolie gedrückt und dort fixiert, wobei deren Selbstklebeschicht mit feinstem Kupferpulver leitfähig gemacht war. Der Widerstand des so kontaktierten Flächenheizleiters betrug 32,7/2, gemessen mit der Wheatstone'sehen Brückenschaltung. Ein gleichartiges Gewebe gleicher Größe wurde in den Abmessungen obiger Kontaktierung mit einem silberhaltigen Leitlack bestrichen. Diese Methode wird in der Praxis angewandt, um den "Absolutwiderstand¹¹ von Flächenheizleitern zu bestimmen. Bei der Widerstandsmessung mit Wheatstone-Brücke ergab sich innerhalb der Fehlergrenze der gleiche Wert. Dagegen zeigte ein gleichartiges Gewebe gleicher Größe, auf dem die oben näher definierte Kontaktierung nur aufgeklammert worden war, eine deutliche Widerstandserhöhung auf 41,5/1.

Bei einer elektrischen Belastung mit 320 Watt (110 Volt) zeigte sich bei der erfindungsgemäß aufgepreßten Kontaktierung keinerlei Schädigung, während das Element mit der aufgeklammerten Kontaktierung bereits bei 250 Watt an den Berührungspunkten zwischen Kontakt und Flächenheizleiter-Oberflache unter Feuererscheinung durchbrannte. Ein silberhaltiger Leitlackstreifen gleicher Dicke (100/u) brannte bereits bei 150 Watt durch.

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Beispiel 2;

Ein Heizleitergewebe wie in Beispiel 1 beschrieben, jedoch mit einer Maschenweite von 5 mm (nichtgeschlossene Maschen) wurde auf zwei gegenüberliegenden Seiten der einen Fläche mit je einem Kupferfolienstreifen von 1 cm Breite und 100 /U Dicke, auf der anderen Fläche an den entsprechenden Stellen mit je einem mit Zinn beschichteten Kupferstreifen belegt und mit einem Silikongummistempel, wie in Beispiel 1 besohrieben, zusammengepreßt. Die Gegendruckplatte wurde dabei auf 230 ⁰C aufgeheizt. Nach dem Entspannen waren die beiden Kupferfolienstreifen durch die Maschen hindurchgedruckt und mit den Gegenstreifen fest verlötet. Auch hier ergab sich keine Widerstandsänderung, verglichen mit der "Absolutmessung" mit Hilfe von silberhaltigem Leitlack.

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Claims

P atentansprüche:

{ 1.λ Verfahren zum Aufbringen von metallischen Kontakt-V J* streifen auf drahtlose Flächenwiderstände, insbesondere auf solche, die aus mit Hilfe von Leitpigmenten elektrisch leitfähig gemachten Kunststoffen bestehen und in Form grobmaschiger, nichtgeschlossener Gewebe ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, das der metallische Kontaktstreifen mittels eines elastomeren Anpreßelements,

dessen Shore-Härte A (nach DIN 53 505) 25 bis 80

und dessen Stoßelastizität (nach DIN 53 512) 10 bis 70 %

beträgt, und mittels eines unter dem Flächenwiderstand befindlichen Gegendruckelementes innig auf die Oberfläche des Flächenwiderstandes aufgepreßt werden.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Flächenwiderstand und Gegendruckplatte ein selbstabbindendes, flächiges Gebilde eingelegt wird, das die unter dem Druck des Anpreßelementes durch die Gewebemaschen hindurchgedrückten Abschnitte des metallischen Kontaktstreifens an der Unterseite des Flächenwiderstandes fixiert.
3.) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, das das selbstabbindende, flächige Gebilde aus einer einseitig mit Selbstklebeschicht versehenen Metallfolie besteht, wobei die Selbstklebeschicht mittels feinverteiltem Metall leitfähig gemacht worden ist.
4.) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das selbstabbindende flächige Gebilde aus einer Metallfolie mit einseitig aufgebrachter Lötschicht besteht und daß von der Gegendruckplatte Wärme zur Erzielung der Lötverbindung zugeführt wird.

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₄ /Sl₁.
5.) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,, daß das selbstabbindende, flächige Gebilde aus einer einseitig mit Selbstklebeschicht versehenen Kunststoffolie besteht.
6.) Drahtloser Flächenwiderstand mit elastischen Kontaktstreifen, ausgebildet in der Form eines grobmaschigen, nichtgeschlossenen Gewebes, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Kontaktstreifen mäanderfömig bis zum Durchgriff von der Oberseite des Flächenwiderstandes in die Maschen hineinragen und durch selbstabbindende, flächige Gebilde von der Unterseite her fixiert sind. - , ■

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