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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Magnetfeldsensors oder Magnetspeichers mit mindestens zwei
magnetoresistiven Brückenelementen
in einer Wheatstone-(Halb)-Brückenanordnung,
wobei jedes magnetoresistive Element eine freie und eine gepinnte
(magnetisch festgehaltene), ferromagnetische Schicht aufweist, wobei
die mindestens zwei Brückenelemente
gepinnte, ferromagnetische Schichten mit verschiedenen Magnetisierungsrichtungen
aufweisen.
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US 5 561 368 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetsensors mit einer Wheatstone-Vollbrückenanordnung,
bei welcher jedes benachbarte Widerstandselement eine gleiche, jedoch entgegengesetzte
Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld auf weist. Jedes Sensorelement
sieht eine gepinnte und eine freie, ferromagnetische Schicht vor, und
gepinnte, ferromagnetische Schichten aneinander grenzender Elemente
weisen entgegengesetzte, relative Magnetisierungsrichtungen auf.
Die Magnetrichtung der gepinnten, ferromagnetischen Schichten wird
mit Hilfe einer leitenden Befestigungsschicht, welche über den
Widerstandselementen elektrisch isoliert vorgesehen ist, verankert.
Ein Strom durch die leitende Befestigungsschicht erzeugt ein Magnetfeld,
welches die Magnetrichtung der gepinnten, ferromagnetischen Schichten
fixiert.
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Aus
EP 0 565 102 A ist
bekannt, während des
Aufbringens einer ferromagnetischen Schicht ein Magnetfeld anzulegen.
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Viele
Sensoranwendungen machen den Einsatz einer Wheatstone-Brückenkonfiguration
(z.B.
DE 4 427 495 )
erforderlich, um die unerwünschte
Widerstandsänderung
auf Grund von Temperaturschwankungen zu eliminieren. Während bei
Sensoren, die auf dem anisotropen Magnetowiderstands-(AMR)-Effekt
basieren, eine Wheatstone-Brücke
unter Verwendung von Barber-Pole-Strukturen elegant realisiert werden
kann, ist dieses bei Effekten wie dem Riesenmagnetowiderstand (GMR)
und dem Tunnelmagnetowiderstand (TMR) gar nicht einfach. Bisher
wurden die folgenden Möglichkeiten
vorgeschlagen:
- 1. Zwei (der vier) Brückenelemente
sind magnetisch abgeschirmt; die Abschirmungen können als Flusskonzentratoren
für die
beiden sensitiven Elemente verwendet werden. Jedoch werden dann lediglich
zwei der Brückenelemente
effektiv eingesetzt, wodurch das Ausgangssignal reduziert wird.
- 2. Ein isolierter Leiter ist unter oder über den Sensorelementen (bestehend
aus Exchange-Biased Spin-Valves (über magnetische Austauschwechselwirkung
festgehaltene Magnetisierung einer magnetischen Schicht)) integriert,
um ein Magnetfeld zu induzieren, welches die Exchange-Biasing-Richtung
der Elemente in entgegengesetzte Richtungen ,festlegt', während die
Elemente oberhalb der Blocktemperatur des Exchange-Biasing-Materials erhitzt
werden. Ein vergleichbares Verfahren mit einem integrierten Leiter
wurde für
Elemente, basierend auf einem künstlichen Antiferromagneten
(AAF), vorgeschlagen. Dieses Verfahren wird in US 5 561 368 angewandt.
- 3. Im Herstellerwerk werden die Magnetisierungen in entgegengesetzten
Rich tungen in verschiedenen Zweigen der Brücken festgelegt, indem der
Wafer mit Sensorstrukturen einem, durch eine Art ,Stempel' mit einer Struktur
von Strom führenden
Leitern induzierten, externen Magnetfeld ausgesetzt wird, welches
in die Nähe
des Wafers gebracht wird. Dieses Verfahren ist in gewisser Hinsicht
mit dem unter 2 beschriebenen Verfahren äquivalent.
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Alle
diese Möglichkeiten
sind ziemlich kompliziert und machen in der Praxis einige Bemühungen notwendig.
Darüber
hinaus erlaubt die unter 1 erwähnte
Möglichkeit
lediglich die Realisierung einer Halbbrücke und verliert daher die
Hälfte
des möglichen
Ausgangssignals. Die Magnetfelder, welche mit den Möglichkeiten
2 und 3 realisiert werden können, sind
in der Stärke
sehr begrenzt, da die Ströme
in den (notwendigerweise schmalen und dünnen) Leitern relativ klein
sein müssen.
Des Weiteren machen die Möglichkeiten
1 und 2 mehrere zusätzliche
Verfahrensschritte (sowohl zur Strukturierung als auch Isolation
der Leiter oder Abschirmungen) erforderlich, wodurch die Sensoren
teurer werden und die Herstellungsausbeute verringert wird. Bei
Verwendung von Möglichkeit
3 kann der Sensor zerstört
werden, wenn dieser einem Magnetfeld der gleichen Stärke (oder
größer) wie
das während
der Festlegung der Magnetisierungsrichtungen verwendete Feld ausgesetzt
wird. In diesem Fall (nach Gehäusung)
ist es nahezu unmöglich,
den Sensor ohne die spezifische Magnetisierungsvorrichtung zuverlässig zurückzustellen.
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Die
Robustheit der Sensorelemente wird im Besonderen bei Kraftfahrzeuganwendungen,
aber auch bei Leseköpfen,
immer wichtiger. Dieser Trend macht die Festle gung der Magnetisierungsrichtungen
nach Aufbringen der Elemente immer schwieriger. Zum Beispiel zeigt
GMR-Material, welches sich für
Kraftfahrzeugsensoranwendungen sehr eignet, keine Rotation der Exchange-Biasing-Richtung, wenn
dieses einem Magnetfeld von etwa 50 kA/m bei Temperaturen bis 450°C ausgesetzt
wird. Es ist mit Schwierigkeiten verbunden, durch die obigen Möglichkeiten
2 oder 3 Felder einer solchen Stärke
zu erzeugen. Eine beabsichtigte Reduzierung der Robustheit des Materials
würde jedoch
die Charakteristiken des Sensors beeinträchtigen, was insbesondere bei Kraftfahrzeuganwendungen
ein Problem aufwirft.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren,
wie eingangs beschrieben, vorzusehen, mit welchem einige oder alle
der oben erwähnten
Probleme zumindest zum Teil gelöst oder
vorzugsweise eliminiert werden.
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Zu
diesem Zweck ist das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
in Anspruch 1 offenbart und dadurch gekennzeichnet, dass in einem
ersten Beschichtungsschritt eine erste ferromagnetische Schicht
eines der beiden Elemente aufgebracht wird, während welchem ein Magnetfeld
angelegt wird, um die Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen
Schicht in einer ersten Richtung zu pinnen, danach in einem zweiten
Beschichtungsschritt eine zweite ferromagnetische Schicht des anderen
der beiden Elemente aufgebracht wird, während welchem ein Magnetfeld
angelegt wird, um die Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht
in einer, zu der Magnetisierungsrichtung der ersten ferromagnetischen
Schicht entgegengesetzten, zweiten Richtung zu pinnen.
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In
dem Verfahren der Erfindung werden die mindestens zwei gepinnten,
ferromagnetischen Schichten in mindestens zwei getrennten Beschichtungsschritten
vorgesehen, und es werden während der
Beschichtungsschritte Magnetfelder erzeugt, durch welche den gepinnten,
ferromagnetischen Schichten entgegengesetzte Magnetrichtungen zugeordnet
werden. Vorzugsweise wird dieses erreicht, indem während des
ersten und zweiten Beschichtungsschritts Magnetfelder entgegengesetzter
Richtungen verwendet werden. Dieses Verfahren ist einfacher als
Verfahren, bei welchen Magnetfelder mit der gleichen Richtung eingesetzt
werden, jedoch die Position der Anordnung verändert wird.
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Obgleich
das Verfahren für
Anordnungen, welches Elemente mit anisotropem Magnetowiderstand
aufweist, zweckmäßig ist,
eignet es sich im Besonderen für
Anordnungen, die auf dem Riesenmagnetowiderstands-(GMR)- oder Tunnelmagnetowiderstands-(TMR)-Effekt
basieren.
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Vorzugsweise
weist das während
der zweiten Beschichtung angelegte Magnetfeld eine andere, vorzugsweise
entgegengesetzte, Richtung als diese des während der ersten Beschichtung
angelegten Felds auf, während
die Position der Anordnung während
der Beschichtung die gleiche ist. Alternativ, jedoch weniger vorteilhaft,
ist das während
der Beschichtung angelegte Magnetfeld das gleiche, wobei jedoch
die Position der Anordnung zwischen den Beschichtungen verändert wird,
um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Obgleich das Verfahren auf
die Herstellung einer Anordnung mit einer Wheatstone-Halbbrückenanordnung
anwendbar ist, ist es bei einer Anordnung mit vier Brückenelementen
in einer Wheatstone-Brückenanordnung
von besonderer Bedeutung.
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Eine
Wheatstone-Brückenanordnung
weist mindestens vier Brückenelemente
in einer Brückenanordnung
auf.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei
Wheatstone-Brückenelemente
vorgesehen werden, wobei die Magnetrichtungen der entsprechenden
Elemente miteinander einen Winkel von vorzugsweise 90° einschließen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 – eine schematische
Draufsicht eines Teils einer, gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
vorgesehenen Anordnung;
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2 – eine Wheatstone-Brückenanordnung;
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3 – eine vereinfachte
Ansicht eines Teils eines magnetoresistiven Sensorelements;
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4 – eine vereinfachte
Ansicht von Teilen von zwei magnetoresistiven Elementen, welche übereinander
angeordnet sind; sowie
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5 – eine vereinfachte
Ansicht einer Anordnung mit zwei Wheatstone-Brückenanordnungen, bei
welcher die Magnetisierungsrichtungen in entsprechenden Elementen
unter einem Winkel von 90° ausgerichtet
sind.
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Die
Figuren sind schematisch, nicht jedoch maßstabsgetreu dargestellt, und
einander entsprechende Teilen wurden durch die gleichen Bezugsziffern
gekennzeichnet.
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1 zeigt
eine schematische Draufsicht eines Teils einer, gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Anordnung.
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Das
in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist vier Brückeelemente
A, B, C und D in einer Wheatstone-Brückenanordnung auf. Jedes dieser
Elemente weist eine freie, ferromagnetische Schicht und eine gepinnte,
ferromagnetische Schicht auf welche durch eine Abstands- oder Trennschicht voneinander
getrennt sind. Die Magnetrichtung in jeder der gepinnten Schichten
der jeweiligen Elemente ist in 1 durch
einen Pfeil gekennzeichnet. Aneinander grenzende Elemente (innerhalb
der Wheatstone-Brückenanordnung)
weisen bei den gepinnten Schichten entgegengesetzte Magnetrichtungen
auf.
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Zum
Beispiel könnte
eine Brückenstruktur, wie
in 1 dargestellt, wie folgt realisiert werden. Zuerst
wird eine GMR-Schicht auf einem Substrat aufgebracht und dabei ein
Magnetfeld in Abwärtsrichtung
angelegt (zumindest während
des Aufbringens der gepinnten Schicht; bei der freien Schicht kann
das Feld um 90° gedreht
werden, um Hysterese zu reduzieren). Die Elemente A und D werden
durch lithographische Techniken aus dieser Schicht definiert und
hergestellt. Danach wird zum zweiten Mal eine GMR-Schicht aufgebracht,
das Feld jedoch nun in Aufwärtsrichtung
angelegt. Die Schicht wird in die Elemente B und C strukturiert.
Schließlich
können
in einem dritten lithographischen Verfahrensschritt Kontaktzuleitungen
hinzugefügt
werden. Bei diesem Verfahren wird vorgezogen, dass die GMR-Schichten beider
Beschichtungen die gleichen magnetoresistiven Eigenschaften aufweisen. 2 zeigt
das äquivalente
Diagramm einer Wheatstone-Brücke
mit magnetoresistiven Sensorelementen A, B, C und D gemäß der vorliegenden
Erfindung sowie einer Stromquelle 1 für einen Strom Iin,
welche mit Anschlüssen 2 und 3 verbunden
ist. Die Ausgangsspannung V1–V2
liegt an den Anschlüssen 4 und 5 an.
Die Brücke
kann durch Spannungsregelung oder Stromregelung betrieben werden.
Im Vergleich zur Spannungsregelung bietet die Stromregelung hier
den Vorteil, dass ein Abfall der Ausgangsspannung V1–V2 im Falle
ansteigender Temperaturen auf Grund einer Reduzierung des relativen,
magnetoresistiven Effekts durch eine Zunahme des absoluten Wertes
der magnetoresistiven Elemente A, B, C und D in der Brücke auf
zufrieden stellende Weise ausgeglichen wird, was durch einen positiven
Temperaturkoeffizienten des resistiven Materials bewirkt wird. 3 zeigt
den Aufbau eines Teiles eines magnetoresistiven Sensorelements,
welches gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann. Pfeil MF in 3 kennzeichnet
die Richtung der anisotropen Achse der freien, ferromagnetischen
Schicht F und ein Pfeil MP die Richtung der Magnetisierung der gepinnten,
ferromagnetischen Schicht P. Die Schichten F und P sind durch eine
nicht-ferromagnetische Schicht L getrennt. Das Element ist auf einem
Substrat S vorgesehen. Ein Pfeil 6 kennzeichnet die Komponente
eines zu messenden Magnetfelds H, welches parallel zu der Magnetisierungs richtung
der zweiten NiFe-Schicht P gerichtet ist. Bei den magnetoresistiven
Elementen A, B, C und D erstreckt sich die leichte Magnetisierungsrichtung
des sensitiven, ferromagnetischen Materials der Schicht F im Wesentlichen
senkrecht zu der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht
P. Während
der Herstellung der Sensorelemente werden die Magnetisierungsrichtungen
der ferromagnetischen Schichten (32 und 34) so
festgelegt, dass zwei Elemente in zwei (in dem elektrischen Schaltbild)
aneinander grenzenden Zweigen der Brücke zu externen Magnetfeldern entgegengesetzte
Sensitivitäten
aufweisen. Die Schichten können
unter Anwendung verschiedener bekannter Verfahren, wie zum Beispiel
Aufsputtern, MBE (Molekularstrahlepitaxie) oder Ionenstrahlbeschichtung,
aufgebracht werden. Während
der Beschichtung wird ein Magnetfeld angelegt, welches die Magnetrichtung
der Schicht bestimmt. Darüber
hinaus wird die Magnetisierung einer ferromagnetischen Schicht F
in jedem magnetoresistiven Sensorelement im Wesentlichen senkrecht
zu der Magnetisierungsrichtung der anderen ferromagnetischen Schicht
P eingestellt. Mit diesen Schritten wird erreicht, dass zur Messung
kleiner Magnetfelder keine Zusatzfelder mehr erforderlich sind,
dass der Sensor im Wesentlichen hysteresefrei ist, und dass er eine verbesserte
Linearität
aufweist.
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Die
freie Schicht kann durch eine einzelne CoFe-Schicht oder mehrere
Unterschichten (z.B. CoFe + NiFe CoFe + NiFe + CoFe usw.) dargestellt sein.
An Stelle von CoFe kann Co oder CoNiFe verwendet werden, wobei jedoch
bei Verwendung von CoNiFe dieses vorzugsweise nicht an die Cu-Abstandsschicht
angrenzen sollte. Der AAF kann mehrere ferromagnetische und nicht
magnetische Schichten aufweisen. Jede ferromagnetische, gepinnte
Schicht kann, wie unter Bezugnahme auf die freie Schicht beschrieben,
zusammengesetzt sein. Der Sensor kann eine Kombination aus zwei
gepinnten, ferromagnetischen Schichten und einer freien, ferromagnetischen
Schicht aufweisen. Die Anordnung kann ebenfalls als Datenspeicherzelle
verwendet werden. Ein zwischen den Magnetisierungsrichtungen der
freien und der gepinnten Schicht eingestellter Winkel ist z.B. für eine „0" oder eine „1" beispielhaft. Der
Dateninhalt kann durch Messen des Widerstands der Speicherzelle
ausgelesen werden.
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Zusammenfassend
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung
einer Mehrschichtsensoranordnung mit einer freien und einer gepinnten,
ferromagnetischen Schicht, welche hohen Temperaturen und starken
Magnetfeldern, wie zum Beispiel bei Kraftfahrzeuganwendungen erforderlich,
widerstehen können.
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Tests
haben gezeigt, dass die Möglichkeit besteht,
GMR-Elemente mit entgegengesetzten Exchange-Biasing-Richtungen auf
dem gleichen Substrat durch dieses Verfahren zu realisieren.
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Es
ergeben sich die folgenden Vorteile:
- – Ebenso
anwendbar auf Materialien mit robustem Exchange-Biasing.
- – Wheatstone-Vollbrückenkonfiguration
möglich.
- – Es
sind keine integrierten Leiter zur Einstellung der Magnetisierungsrichtungen
(welche mehrere zusätzliche
Verfahrensschritte notwendig machen) erforderlich.
- – Dieses
Verfahren setzt den kleinsten Dimensionen der Sensorstruktur keine
Grenzen.
- – Elemente,
welche zu verschiedenen Brückenzweigen
gehören,
können
alternierend über der
Fläche
verteilt werden.
- – Die
Möglichkeit,
Elemente übereinander
anzuordnen (mit einer Isolierung dazwischen), wodurch die Gesamtfläche des
Sensors um einen Faktor 2 reduziert und die Leistung der Brücke (auf
Grund geringerer Temperatureinflüsse
oder Einflüsse
von Feldgradienten) verbessert wird.
- – Alternativ
können
Elemente auf beiden Seiten des Substrats positioniert sein.
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Die
erwähnte,
vorletzte Möglichkeit
ist in 4 schematisch dargestellt. Die Brückenelemente A
und B sind übereinander
angeordnet, und die Magnetisierungsrichtungen MP, MP' der gepinnten Schichten
P in den Elementen A und B verlaufen in entgegengesetzten Richtungen.
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5 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel,
in welchem zwei Wheatstone-Brücken 51 und 52 vorgesehen
sind. Die Magnetisierungsrichtungen der gepinnten Schichten A', B', C' und D' in Wheatstone-Brücke 52 sind
in einem Winkel von 90° zu
den entsprechenden Elementen in Wheatstone-Brücke 51 ausgerichtet.
Eine Anordnung dieser Art kann zum Beispiel vorteilhaft zur Messung
magnetischer Drehfelder eingesetzt werden. Die Signale V1–V2 und
V1'–V2' machen eine Messung
der Größe sowie
des Winkels (Ausrichtung) des zu messenden Magnetfelds möglich. Wenn
das zu messende Feld so stark ist, dass die Richtungen der Magnetisierung der
freien Schichten der Richtung des zu messenden Magnetfelds folgen,
stellen die Signale, unabhängig von
der Stärke
des Magnetfelds, ein Maß für die Ausrichtung
des Magnetfelds dar. Die Verwendung von zwei Wheatstone-Brücken, bei
welchen die Magnetisierungsrichtungen in entsprechenden Elementen
einen Winkel miteinander, vorzugsweise von 90°, jedoch nicht darauf beschränkt, einschließen, ermöglicht eine
Messung der Richtung des Magnetfelds über den gesamten Bereich von
360°. In
sämtlichen Beispielen
sind die Magnetisierungsrichtungen oder die Richtungen anisotroper
Achsen so dargestellt, dass diese in der Ebene der Schichten liegen
und im Wesentlichen zueinander entgegengesetzt (zumindest innerhalb
einer Wheatstone-Brückenanordnung)
vorgesehen sind. Obgleich Verfahren und Anordnungen dieser Art vorzuziehen
und von Vorteil sind, umfasst die Erfindung im weitesten Sinne ebenfalls
Verfahren, bei welchen die Magnetisierungsrichtungen verschieden
sind, wodurch andere Winkel als 180°, zum Beispiel 90°, eingeschlossen
sind. Auch die Richtungen müssen
nicht unbedingt in der Ebene der Schichten liegen, sondern können quer
zu den Schichten liegen oder eine Komponente quer zu den Schichten
aufweisen.
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Anwendungsgebiete:
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Die
vorliegende Erfindung kann in großem Umfang bei der Herstellung
von Brückensensoren, basierend
auf dem GMR- oder Tunnelmagnetowiderstandseffekt (und sogar anisotropen
Magnetowiderstandseffekt), angewandt werden. Im Besonderen ermöglicht sie
die Realisierung einer Wheatstone-Vollbrücke mit thermisch und magnetisch
robustem Material, wie bei Kraftfahrzeuganwendungen erwünscht. Sie
ist ebenfalls bei der Herstellung von Magnetspeichern (MRAMs) mit
mindestens zwei Brückenelementen,
wie oben beschrieben, zweckmäßig. Insbesondere
bei MRAMs sind die Vorteile der Robustheit und Miniaturisierung
(einschließlich übereinander
angeordneter Stapelelemente) von besonderer Bedeutung.