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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Funktionsschichtelements und ein Funktionsschichtelement selbst
und insbesondere ein Funktionsschichtelement, das in einem Fluidsensor,
einem Temperatursensor, einer Fluidpumpe, einem Lautsprecher, einem
Aktuator, einem Wandler oder dergleichen geeignet eingesetzt wird.
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In
den vergangenen Jahren war ein Funktionsschichtelement bekannt,
das eine Energieumwandlungsfunktion einer Funktionsschicht verwendete,
in der ein Hohlraum in einem Substrat gebildet und ein Funktionsschichtaktuator
auf der Außenfläche des
Hohlraums angebracht ist, der Veränderungen physikalischer Größen wie
Druck oder Temperatur, die im Hohlraum auftreten, abtastet und ein
elektrisches Signal gemäß der Veränderungen
der physikalischen Größen abgibt.
Ein Funktionsschichtelement, das solche Eigenschaften verwendet,
um die Veränderung
verschiedener physikalischer Größen in ein
elektrisches Signal umzuwandeln, wird im Allgemeinen Funktionsschichtsensor
oder Funktionsfilter genannt.
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Wird
ein elektrisches Signal (Spannung oder Strom) an solch ein Funktionsschichtelement
angelegt, so erzeugt der Funktionsschichtaktuator im Gegensatz zu
obigen Elementen gemäß der angelegten Spannung
oder dem angelegten Strom mechanische Beanspruchung wie Expansion
oder Kontraktion, Biegen oder Vibration im Hohlraum oder erzeugt
Hitze, sodass er als Heizelement oder dergleichen zum Heizen des
Inneren des Hohlraums agiert.
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4 zeigt
ein Strukturbeispiel eines herkömmlichen
Funktionsschichtelements 14 oder eines Sensors. Ein Funktionsschichtelement 14 wird
durch Bereitstellen von Durchgangslöchern 2 und 3,
um die zu messende äußere Umgebung
(Atmosphäre)
einzufangen, durch Bilden eines Hohlraums 1 in einem Keramiksubstrat 9,
der einen Messbereich darstellt, und durch einstückiges Ausbilden eines Funktionsschichtak tuators 13 auf
einer Abdeckplatte 6 für
die Außenwand,
die gegenüber
den Durchgangslöchern 2 und 3 im
Hohlraum 1 angebracht ist, aufgebaut. Hierbei wird das
Keramiksubstrat 9 einstückig
durch Laminieren der Abdeckplatte 6 und einer Durchgangslochplatte 8 gebildet,
die die Durchgangslöcher 2 und 3 aufweist,
die den Weg in den Hohlraum 1 freigeben, wobei jede der
Platten eine sehr dünne
Platte mit einer Fensterabstandshalterplatte 7 dazwischen ist.
Die Durchgangslöcher
sind nicht auf die Durchgangslöcher 2 und 3 beschränkt, sondern
ein Durchgangsloch 4 oder andere Durchgangslöcher sind
je nach Absicht, die Anzahl der Kontaktpunkte mit der äußeren Umgebung
zu erhöhen,
bereitgestellt.
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Die
Fensterabstandshalterplatte 7 ist so mit einem Fenster 5 ausgebildet,
dass drei Durchgangslöcher 2, 3 und 4,
bereitgestellt in der Durchgangslochplatte 8, in Längsausdehnung
vom Fenster 5 gebildet sind, sodass diese Löcher in
Richtung von Fenster 5 geöffnet sind. Darüber hinaus
ist eine sehr dünne
Abdeckplatte 6 auf der Oberfläche gegenüber der Seite, auf der die
Durchgangslochplatte 8 der Fensterabstandshalterplatte 7 auflaminiert
ist, auflaminiert, um das Fenster 5 abzudecken und zu schließen, wodurch
der Hohlraum 1 innerhalb des Keramiksubstrats 9 entsteht.
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Anschließend wird
das Keramiksubstrat 9 mit dem Funktionsschichtaktuator 13 auf
der Außenfläche der
Abdeckplatte 6 an einer Stelle versehen, die dem Hohlraum 1 entspricht.
Hierbei besteht der Funktionsschichtaktuator 13 aus einer
unteren Elektrode 12, einer Funktionsschicht 11 und
einer oberen Elektrode 10.
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Das
herkömmliche
Funktionselement 14 wird wie zuvor beschrieben angebracht,
wobei bei Betrachten des Hohlraums 1 und der Durchgangslöcher 2, 3 und 4 in
einer Draufsicht der Hohlraum 1 die Durchgangslöcher 2, 3 und 4,
wie in 5 gezeigt, überlappt.
Eine ähnliche
Struktur wird in der EP-A-572.230 gezeigt. Andererseits wurde in
einem jüngst
vorgelegten Vorschlag, wie es in der Draufsicht in 2 ersichtlich
ist, die eine Lagebeziehung zwischen einem Fenster 29 und
den Durchgangslöchern 22, 23 und 24 darstellt,
eine Form eingesetzt, in der die Durchgangslöcher, beispielsweise 22 und 23,
die von jenen im Keramiksubstrat gebildeten ausge wählt wurden,
in einen Hohlraum 21 der Länge nach verlängert sind
(Fenster 29), um die Genauigkeit der Detektion des Funktionsschichtelements
zu erhöhen.
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Bei
der tatsächlichen
Herstellung eines Funktionsschichtelements jedoch, worin die Durchgangslöcher 22 und 23 vom äußeren Ende
des Hohlraums 21 nach außen hin verlängert sind
(Fenster 29), verhindern die Durchgangslöcher 22 und 23,
die in einer Fensterabstandshalterplatte 26 und einer Durchgangslochplatte 27 bereitgestellt
sind, die Übertragung
von Druck durch jede einzelne Grünplatte
im Laminierabschnitt, wenn diese Grünkeramikplatten laminiert und
unter Druck vereint werden, wodurch das Anbringen von ausreichendem
Pressdruck erschwert wird und somit keine ausreichende Haftung erlangt
werden kann. Folglich tritt das Problem auf, dass eine Abdeckplatte 25 und
eine Fensterabstandshalterplatte 26 in einem Kontaktabschnitt zwischen
ihnen getrennt werden, was dazu führt, dass das Fenster 21 nach
dem Brennen, wie es in 3 ersichtlich ist, eine Lücke 41 hervorbringt.
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Das
Auftreten einer solchen Lücke 41 ist
von Nachteil, da, wenn das Funktionsschichtelement als Druckmesssensor
eingesetzt wird, beispielsweise Luft im Hohlraum zurückbleibt,
wenn das auf Druck zu messende Fluid in den Hohlraum gefüllt werden soll,
um für
einen Messfehler beim Druck zu sorgen. Darüber hinaus verursacht die Luft
auch eine Messverzögerung,
die exakt der Temperaturänderung
des Fluids entspricht, wenn das Element als Temperatursensor eingesetzt
wird, insbesondere zur Temperaturmessung von Fluiden wie Flüssigkeiten,
da die in der Lücke
verbleibende Luft häufig
Wärmekapazität aufweist,
die sich von jener der Flüssigkeit
unterscheidet. Weiters wird eine Abdeckplatte 25 aufgrund von
Vibration des Funktionsschichtelements mechanisch beansprucht, wenn
das Element als Lautsprecher eingesetzt wird, was zur Abtrennung
der Abdeckplatte 25 oder dergleichen und so zur Beschädigung des
Lautsprechers führt,
wobei die Bruchlinie an der Lücke 41 ansetzt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich der zuvor beschriebenen
Probleme entwickelt, und Ziel der vorliegenden Erfindung ist es,
ein Verfahren zur Herstellung eines Funktionsschichtelements bereitzustellen,
in dem Durchgangslöcher
voneinem Hohlraum nach außen
hin verlängert
sind, worin keine Lücke
zwischen einer Abdeckplatte und einer Fensterabstandshalterplatte
entsteht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Funktionsschichtelements,
wie in Anspruch 1 festgelegt, bereitgestellt.
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Die
Erfindung stellt ebenfalls Keramikfunktionsschichtelemente nach
Anspruch 4 bereit.
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Im
Verfahren zur Herstellung eines Funktionsschichtelements wird das
Durchgangsloch vorzugsweise mit einer Breite von 300 μm oder weniger in
seiner Nebenachsenrichtung in der Grünplatte für die Durchgangslochplatte
gebildet. Das Durchgangsloch weist vorzugsweise die Form eines länglichen Kreises
auf oder ist oval oder rechteckig.
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Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung eines Funktionsschichtelements gemäß der vorliegenden Erfindung
wird die Entstehung einer Lücke
an einer Grenzfläche
zwischen der Abdeckplatte und der Fensterabstandshalterplatte während der
Herstellung des Keramiksubstrats des Funktionsschichtelements verhindert,
wodurch ein Funktionsschichtelement bereitgestellt wird, das über ausgezeichnete Detektionsgenauigkeit
und mechanische Eigenschaften verfügt.
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Funktionsschicht
bezeichnet hierin spezifisch eine dielektrische Schicht, eine thermoelektrische
Elementschicht, eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht,
eine Varistorschicht oder eine Schicht, die nur aus Elektroden besteht.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Funktionsschichtelements.
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2 ist
eine Draufsicht, die die Lagebeziehung zwischen den kommunizierenden
Löchern
und einem Hohlraum eines erfindungsgemäßen Funktionsschichtelements
darstellt.
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3 ist
ein Querschnitt, der zeigt, wie eine Lücke entsteht, wobei solch eine
Lücke das
durch diese Erfindung zu lösende
Problem darstellt.
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4 ist
ein Querschnitt eines herkömmlichen
Funktionsschichtelements.
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5 ist
eine Draufsicht, die die Lagebeziehung zwischen den kommunizierenden
Löchern
und einem Hohlraum eines herkömmlichen
Funktionsschichtelements darstellt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird nun im Detail beschrieben.
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1 ist
ein Querschnitt, der eine Ausführungsform
eines Funktionsschichtelements 34 zeigt, das durch das
Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
Das Funktionsschichtelement 34 umfasst ein Keramiksubstrat 28 und
einen Funktionsschichtaktuator 33, der einstückig auf dem
Keramiksubstrat 28 gebildet wird. Das Keramiksubstrat 28 wird
durch einstückiges
Laminieren einer Abdeckplatte 25 und einer Durchgangslochplatte 27, die
mit Durchgangslöchern 22, 23 und 24 mit
einer Fensterabstandshalterplatte 26 zwischen ihnen gebildet
wird, aufgebaut, wobei jede dieser Platten eine sehr dünne Platte
ist.
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Die
Fensterabstandshalterplatte 26 wird mit zumindest einem
Fenster 29 ausgebildet. Die Fensterabstandshalterplatte 26 wird
auf die Durchgangslochplatte 27 so auflaminiert, dass die
Durchgangslöcher 22 und 23,
die in der Durchgangslochplatte 27 gebildet werden, diese
Fenster 29 in der Fensterabstandshalterplatte 26 teilweise überlappen
und sich in Richtung dieser Fenster öffnen und dass das Durchgangsloch 24 zur
Gänze mit
dem Fenster 29 kommuniziert. Daher kann die Lagebeziehung
zwischen dem Fenster 29 und den Durchgangslöchern 22, 23 und 24 in
einer mit 2 deckungsgleichen Draufsicht
gezeigt werden. Darüber
hinaus wird die Abdeckplatte 25 an der Oberfläche gegenüber der Seite
angeordnet, an der der Fensterabstandshalter 26 und die
Durchgangslochplatte 27 auflaminiert werden, um eine Öffnung des
Fensters 29 mit der Abdeckplatte 25 abzudecken
und zu verschließen,
wodurch der Hohlraum 21 innerhalb des Keramiksubstrats 28 gebildet
wird.
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Bei
der Herstellung solch eines Funktionsschichtelements 34 wird
das t/w-Verhältnis
der Dicke t einer Grünplatte
für die
Fensterabstandshalterplatte 26 zur Breite w der beiden
Durchgangslöcher 22 und 23,
die auf der Grünplatte
für die
Durchgangslochplatte 27 in Richtung ihrer Nebenachse gebildet
werden (wie in 2 gezeigt), vorzugsweise auf
eins oder mehr eingestellt, und eine Breite w für jedes der beiden Durchgangslöcher 22 und 23 wird
insbesondere auf 300 μm
oder weniger eingestellt. Werden die Grünplatten unter Druck auflaminiert
und vereinigt, so unterdrücken
diese Bedingungen das Verhindern der Druckübertragung in Laminierrichtung
der Grünplatte,
die durch die Fensterabstandshalterplatte 26 und die in
der Durchgangslochplatte 27 gebildeten Durchgangslöcher 22 und 23 entsteht,
wodurch keine Lücke 41 durch
Abblättern
im Kontaktabschnitt gegenüber
dem Hohlraum 21 zwischen der Abdeckplatte 25 und
der Fensterabstandshalterplatte 26 nach dem Brennen entsteht. Übersteigt
jedoch die Breite w der beiden Durchgangslöcher 22 und 23 in der
Nebenachsenrichtung 300 μm,
so kann die Vereinigung durch Laminieren der Grünplatten in gewissen Abschnitten
zwischen der Abdeckplatte 25 und der Fensterabstandshalterplatte 26 nur
schwer aufrechterhalten werden, sodass das System zur Bildung der
Lücken 41 neigt,
sogar, wenn der t/w-Wert innerhalb der Grenze von eins oder mehr
festgelegt ist.
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Daher
weisen in der vorliegenden Erfindung die Durchgangslöcher 22 und 23 vorzugsweise
einen länglichen
Kreis in der Draufsicht, wie in 2 gezeigt,
oder eine rechteckige oder ovale Form auf, da die Breite in Nebenachsenrichtung
begrenzt ist. Darüber
hinaus kann das Loch eine Form aufweisen, die an ihren Enden in
der Hauptachsenrichtung verändert
wird, um eine polygonale Form aufzuweisen, oder es kann auch die
Form eines in eine Richtung verlängerten
Polygons haben. Wenn auch die Bedingungen zum Bilden des Durchgangsloches 24 vorzugsweise
jenen der Durchgangslöcher 22 und 23 entsprechen,
muss das Durchgangsloch 24 nicht zur Gänze mit dem Hohlraum 21,
wie in 1 gezeigt, kommunizieren und kann auch in derselben
Weise wie die Durchgangslöcher 22 und 23 gebildet
werden. Weiters ist die Grundrissform des Hohlraums 21 nicht
auf die Form eines länglichen
Kreises, wie in 2 gezeigt, beschränkt, sondern
kann verschiedene Formen annehmen.
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In
der vorliegenden Erfindung wird das zuvor beschriebene Keramiksubstrat 28 als
ein einstückig gesinterter
Keramikgegenstand gebildet. Besonders wird eine Grünplatte
aus aus Keramikmaterial hergestelltem Keramikschlicker, Bindemittel
und Lösungsmittel
mittels einer herkömmlichen
Vorrichtung wie eines Streichmessers oder einer Kalanderrolle geformt.
Anschließend
wird die Grünplatte
durch Schneiden, Schleifen oder Stanzen, sofern erforderlich, verarbeitet,
um Vorläufer
für die
jeweiligen Platten herzustellen, die mit dem Fenster 29 und
den Durchgangslöchern 22, 23 und 24 gebildet
werden. Diese Vorläufer
werden auflaminiert, unter Druck (und gleichzeitigem Erhitzen, sofern
erforderlich) vereinigt und gesintert, sodass ein vereinigtes Keramiksubstrat 28 erzeugt
wird. Materialien, die zur Zusammensetzung des Keramiksubstrats 28 eingesetzt werden,
umfassen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und der Formbarkeit
vorzugsweise Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, sind jedoch nicht speziell
eingeschränkt.
Es wird ebenfalls bevorzugt, dass die hergestellten Grünplatten
im Wesentlichen ein gleiches Schrumpfungsverhältnis beim Brennen aufweisen.
Dies begründet
sich darauf, dass das Keramiksubstrat 28 eine Trennung
der Platten oder Verformung beim Brennen erfahren muss, wenn das Schrumpfungsverhältnis beim
Brennen von einer Grünplatte
zur anderen signifikante Unterschiede aufweist.
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Anschließend wird
das Keramiksubstrat 28 mit einer Funktionsschicht 31 eines
Funktionsschichtaktuators 33 an der Außenfläche der Abdeckplatte 25 ausgestattet,
um einen Teil der Grundrissform des Hohlraums 21 abzudecken.
Hierbei umfasst der Funktionsschichtaktuator 33 eine untere
Elektrode 32, die Funktionsschicht 31 und eine
obere Elektrode 30. Diese Teile können gewöhnlicherweise mittels unterschiedlicher,
herkömmlicher
Schichtbildungsverfahren wie Bildungsverfahren für dicke Schichten, umfassend
Siebdruck, Spritzen oder Schlämmbeschichten,
oder Bildungsverfahren für dünne Schichten,
umfassend Ionenstrahl-, Sputter- oder chemische Dampfphasenabscheidung (CVD-Beschichtungsverfahren)
gebildet werden.
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Jede
Schicht des so gebildeten Funktionsschichtaktuators 33 (untere
Elektrode 32, Funktionsschicht 31 und obere Elektrode 30)
wird anschließend
einer Wärmebehandlung
(Brennen) unterzogen. Solche eine Wärmebehandlung kann jedes Mal nach
Bildung einer Schicht oder nachdem alle Schichten gebildet wurden
durchgeführt
werden. Bei aufeinander folgendem Brennen jedoch wird bevorzugt,
dass die Wärmebehandlungstemperatur
bei späteren
Verfahrensschritten gleich hoch oder niedriger als jene bei früheren Verfahrensschritten
ist. Dies begründet
sich darauf, dass die in früheren
Verfahrensschritten gebrannte Schicht auch in späteren Verfahrensschritten gesintert
wird, wenn die Behandlungstemperatur bei diesen späteren Verfahrensschritten
höher als
jene in früheren
Verfahrensschritten ist, was zu möglichem Abblättern oder
Aggregation aufgrund von übermäßigem Sintern
führen
kann.
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Materialien
für die
untere und obere Elektrode 32 und 30, die den
Funktionsschichtaktuator 33 bilden, sind keineswegs auf
bestimmte Materialien beschränkt,
solange sie Leiter sind, die Temperatur und Atmosphäre bei der
Bildung der jeweiligen Schicht standhalten können. Im Allgemeinen werden Metalle,
Legierungen oder leitfähige
Keramiken eingesetzt. Besonders bevorzugte Materialien sind Edelmetalle
mit hohen Schmelzpunkten, umfassend Platin, Gold, Palladium und
Legierungen aus Silber und Palladium.
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Weiters
können
je nach Anwendungsbereich unterschiedliche funktionelle Keramiken,
funktionelle Polymere oder Metallmaterialien als Materialien für die den
Funktionsschichtaktuator 33 bildende Funktionsschicht 31 eingesetzt
werden. Vorzugsweise eingesetzte Materialien sind beispielsweise
intermetallische Verbindungen vom Eisen- (Fe-) Silicium- (Si-) Typ
oder dergleichen für
das thermoelektrische Element, Zinkoxid (ZnO) oder dergleichen für das Varistorelement
oder Bleizirkoniumsäuretitanat
(PZT) oder Bleimagnesiumniobat (PMN) oder Bleinickelniobat (PNN)
für jene
Materialien, die eine durch ein elektrisches Feld induzierte Verzerrung,
wie beispielsweise einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven
Effekt, aufweisen.
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Das
so hergestellte Funktionsschichtelement 34 kann mit nur
einer Elektrodenschicht an der Deckplatte 25 ausgestattet
werden. In solch einem Fall kann das die Abdeckplatte 25 umfassende
Keramiksubstrat 28 aus verschiedenen funktionellen Materialien,
die für
die Funktionsschicht 31 eingesetzt werden, hergestellt
werden.
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Darüber hinaus
beläuft
sich die Dicke des Funktionsfilmaktuators 33 typischerweise
auf 100 μm oder
weniger, die Dicke der unteren und oberen Elektrode 32 und 30 typischerweise
auf 20 μm
oder weniger, vorzugsweise auf 5 μm
oder weniger, und die Dicke der Funktionsschicht 31 auf
vorzugsweise 50 μm oder
weniger, noch bevorzugter auf 3 μm
oder mehr, jedoch auf 40 μm
oder weniger, um ein höheres
Potential bei geringer Arbeitsspannung zu erreichen.
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Wie
zuvor beschrieben ermöglicht
die vorliegende Erfindung die Herstellung eines Funktionschichtelements
mit einem Fluidkanal mit Durchgangslöchern, die von einem Hohlraum
aus verlängert
sind, ohne jedoch eine Lücke
zu erzeugen, wobei ein Funktionsschichtelement mit höherer Detektionsgenauigkeit
als nach dem Stand der Technik bekannt bereitgestellt werden kann.