EP0107012B1 - Detektormatte - Google Patents

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EP0107012B1
EP0107012B1 EP83109082A EP83109082A EP0107012B1 EP 0107012 B1 EP0107012 B1 EP 0107012B1 EP 83109082 A EP83109082 A EP 83109082A EP 83109082 A EP83109082 A EP 83109082A EP 0107012 B1 EP0107012 B1 EP 0107012B1
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EP
European Patent Office
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electrodes
dielectric
detector mat
detector
spacers
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EP83109082A
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Inventor
Herbert Dr. Schewe
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B13/00—Burglar, theft or intruder alarms
    • G08B13/02—Mechanical actuation
    • G08B13/10—Mechanical actuation by pressure on floors, floor coverings, stair treads, counters, or tills
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/02—Operating parts, i.e. for operating driving mechanism by a mechanical force external to the switch
    • H01H3/14—Operating parts, i.e. for operating driving mechanism by a mechanical force external to the switch adapted for operation by a part of the human body other than the hand, e.g. by foot
    • H01H3/141—Cushion or mat switches

Definitions

  • the invention relates to a detector mat in which a flat, thin dielectric is provided as the base body, to which at least one electrode is assigned on both flat sides, which are at least partially movable relative to one another under pressure loading, the change in capacitance caused by a change in the distance between the electrodes the detector mat is used to generate an output signal.
  • a detector mat is known from FR-A-23 91 519.
  • the compression of a rubber intermediate layer as a dielectric causes the change in capacitance which is provided for signal formation.
  • the change in capacitance is converted into impulses with the aid of suitable circuits and fed to electronics.
  • Such detector mats have a long service life, but only a relatively small change in capacity is obtained.
  • a capacitive push button switch is also known, in which a film made of polyvinylidene fluoride PVDF, which is provided as a dielectric, is provided on one flat side with a thin, flexible electrode which is connected to a push button via an intermediate foam layer. On the opposite flat side of the dielectric, two electrical conductors are provided at a predetermined distance, which are arranged side by side on a printed circuit board and form a series connection of capacitors with the dielectric and the common electrode. By pressing the push button, a change in the total capacity is obtained, from which a switching signal is derived (DE-A 31 14518).
  • a detector mat with a flat base body is known, on the flat sides of which electrodes are arranged.
  • the base body is made of piezoelectric material and its flat sides are provided with the electrodes.
  • the invention has for its object to provide a detector mat that is sensitive to pressure, can be manufactured in a simple manner, is insensitive to interference and has a long life.
  • the capacitance value of the unloaded mat is automatically restored after each load.
  • the capacitance at the load points is determined by the thickness of the dielectric, its dielectric constant and the effective electrode area.
  • the thickness of which generally does not exceed 10 1 m and the relative dielectric constant is about 10 to 15, the change in capacitance is more than an order of magnitude and is therefore easy to evaluate electronically.
  • the elasticity and thickness of the spacers is selected so that in the unloaded state the capacitances between the electrodes arranged on both flat sides of the dielectric are sufficiently small and at the same time a high sensitivity of the detector mat is achieved.
  • the detector mat forms a sensitive and reliable and therefore versatile safety device that can also be used as an alarm device.
  • the electrode strips and the spacers can be arranged on a common base plate.
  • the mechanical stress on the dielectric is relatively low.
  • a thin, areal dielectric made of piezoceramic with a high relative dielectric constant can also be provided. This results in a change in capacity by several orders of magnitude.
  • a particularly simple signal detection with spatial resolution is obtained with an embodiment of the detector mat with row and column electrodes, the crossing points of which each form a transducer element. An AC voltage is applied to these electrodes one after the other in columns and the signals are read out line by line.
  • the spacers can expediently consist of electrically insulating elastomers, which can be strip-shaped or cylindrical or can also be designed as knobs. They can be attached to the base or printed circuit board as well as to a support serving as a cover plate.
  • the electrodes can at least partially consist of metal or also of electrically conductive elastomers.
  • FIG. 1 shows a particularly simple embodiment in an exploded sandwich representation.
  • FIG. 2 shows an embodiment with row and column electrodes.
  • FIG. 3 illustrates a top view of the arrangement according to FIG. 2.
  • Figure 4 shows a modification of the embodiment of Figure 3 and in Figure 5 is a detector mat with knob-shaped Spacers shown.
  • a flat, thin dielectric 2 preferably a film made of polyvinylidene fluoride PVDF with a thickness of about 5 to 100 J.Lm, preferably about 10 pm, in particular a film made of lead zirconate titanate PZT, the thickness of which 100 1 1m does not significantly exceed and whose relative dielectric constant can be up to approximately 4000, provided as the dielectric.
  • a large number of strip electrodes with a predetermined thickness, not shown in the figure, are arranged on their lower flat side, of which only two are shown in the figure and are designated 4 and 5 for simplicity.
  • strip electrodes 4 and 5 consist, at least in their surface area facing the dielectric 2, of electrically conductive material, for example an electrically conductive elastomer, or also of metal. These strip electrodes 4 and 5 are arranged between also strip-shaped spacers 6, 7 and 8 with greater thickness, which preferably consist of electrically insulating elastomers.
  • the strip electrodes 4 and 5 and the spacers 6 to 8 are arranged in parallel on a base plate 14, which can be made of plastic, for example.
  • a thin, flat electrode 10 made of electrically conductive material is provided, which can be attached, for example, to a rigid cover plate 12.
  • the assembly of the cover plate 12 with the electrode 10 can preferably consist of a commercially available copper-clad printed circuit board.
  • the adjacent soft spacers 6, 7 or 8 are pressed together, so that the distance between the strip electrodes 4 or 5 and the electrode 10 is reduced in the loaded surface area.
  • a switching signal is derived from the corresponding change in capacitance and supplied to electronics constructed in a known manner.
  • the electrode 10 is provided with an electrical connection conductor, not shown in the figure.
  • the strip electrodes 4 and 5 are also connected to a common electrical connecting conductor.
  • a foil made of lead zirconate titanate PZT is provided as dielectric 2, which can be soldered or glued to electrode 10 in a simple manner.
  • dielectric 2 a foil made of lead zirconate titanate PZT is provided as dielectric 2, which can be soldered or glued to electrode 10 in a simple manner.
  • a correspondingly increased output signal is obtained.
  • cylindrical strip electrodes 24 and 25 are provided, which are arranged below the dielectric 2 on the base plate 14. Also provided on the upper flat side of the dielectric 2 are cylindrical spacers 26 and 27 with a greater thickness D, which are made of an electrically insulating elastomer. Furthermore, strip-shaped electrodes are provided above the dielectric 2, of which only the first is visible in the figure and is designated by 28, and are fastened to the common cover 12.
  • these strip electrodes 24 and 25 are crossed to the likewise strip-shaped electrodes 28 to 30 arranged above the dielectric 2 in such a way that a pressure transducer element is formed at their crossing points.
  • the strip electrodes 24 and 25 form column conductors in the X direction and the electrodes 28 to 30 attached to the cover 12 form row conductors in the Y direction.
  • the adjacent soft spacers 26 and 27 are pressed together so that the distance A between the electrode 30 serving as a row conductor and the strip electrode 24 serving as a column conductor is reduced and the capacitance of the transducer element 16 formed at this crossing point is increased accordingly.
  • This signal can be read out on the strip electrode 24 or the electrode 30.
  • a spatially resolving detector mat is thus obtained.
  • strip-shaped electrodes 38 and 39 can also be arranged above the dielectric 2 in accordance with FIG. 4 in such a way that they run above the strip electrodes 24 and 25 and parallel to these and parallel to the spacers 26 and 27. In this arrangement, the capacity of the unloaded detector mat is very low and the switching behavior of the detector mat is improved accordingly.
  • the base plate 14 is provided with a planar electrode 34, which can consist, for example, of metal, preferably of copper. Knob-shaped spacers 36 to 38 are provided on this electrode 34, which spacers can be glued, for example, to their metallic base. Above the dielectric 2, strip electrodes 34 and 35 are arranged between the rows of the knob-shaped spacers 36 to 38 and attached to the cover plate 12. In this embodiment, both the base plate 14 with their electrode 34 and the spacers 36 to 38 and the cover plate 12 with their strip electrodes 34 and 35 are each prefabricated as a unit. The knob shape of the spacers 36 to 38 makes the detector mat softer and increases the sensitivity of the arrangement accordingly.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Detektormatte, bei der ein flächenhaftes, dünnes Dielektrikum als Grundkörper vorgesehen ist, dem auf beiden Flachseiten jeweils mindestens eine Elektrode zugeordnet ist, die unter Druckbelastung wenigstens teilweise relativ zueinander beweglich sind, wobei die durch eine Abstandsänderung der Elektroden bewirkte Kapazitätsänderung der Detektormatte zur Erzeugung eines Ausgangssignals dient. Eine derartige Detektormatte ist bekannt aus der FR-A-23 91 519. Das Zusammenpressen einer GummiZwischenlage als Dielektrikum bewirkt die Kapazitätsänderung, die zur Signalbildung vorgesehen ist. Die Kapazitätsänderung wird mit Hilfe geeigneter Schaltungen in Impulse umgesetzt und einer Elektronik zugeführt. Solche Detektormatten haben zwar eine hohe Lebensdauer, man erhält jedoch nur eine verhältnismäßig geringe Kapazitätsänderung.
  • Es ist ferner ein kapazitiver Druckknopfschalter bekannt, bei dem eine Folie aus polyvinylidenfluorid PVDF, die als Dielektrikum vorgesehen ist, an einer Flachseite mit einer dünnen biegsamen Elektrode versehen ist, die über eine Schaumstoffzwischenlage mit einem Druckknopf verbunden ist. Auf der gegenüberliegenden Flachseite des Dielektrikums sind in einem vorgegebenen Abstand zwei elektrische Leiter vorgesehen, die auf einer Leiterplatte nebeneinander angeordnet sind und mit dem Dielektrikum und der gemeinsamen Elektrode eine Reihenschaltung von Kapazitäten bilden. Mit der Betätigung des Druckknopfes erhält man eine Änderung der Gesamtkapazität, aus der ein Schaltsignal abgeleitet wird (DE-A 31 14518).
  • Es ist ferner eine Detektormatte mit einem flachen Grundkörper bekannt, an dessen Flachseiten Elektroden angeordnet sind. Der Grundkörper besteht aus piezoelektrischem Material und seine Flachseiten sind mit den Elektroden versehen. Bei dieser piezoelektrisch wirkenden Detektormatte können langsam sich ändernde Druckbelastungen oder statische Druckbelastungen nicht eindeutig erkannt werden, weil die geringen piezoelektrisch erzeugten Ladungen abfließen können (DE-B- 28 34 863).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Detektormatte anzugeben, die empfindlich ist gegen Druckeinwirkung, in einfacher Weise hergestellt werden kann, unempfindlich ist gegen Störungseinflüsse und eine lange Lebensdauer hat.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Mit dieser Ausfürungsform der Detektormatte stellt sich nach jeder Belastung der Kapazitätswert der unbelasteten Matte selbsttätig wieder ein. Beim Betreten der Detektormatte wird die Kapazität an den Belastungspunkten durch die Dicke des Dielektrikums, dessen Dielektrizitätskonstante und die wirksame Elektrodenfläche bestimmt. Bei Verwendung einer Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF oder eines Copolymers, deren Dicke 10 11m im allgemeinen nicht wesentlich überschreitet und deren relative Dielektrizitätskonstante etwa 10 bis 15 ist, beträgt die Kapazitätsänderung mehr als eine Größen-ordnung und ist somit leicht elektronisch auswertbar. Die Elastizität und Dicke der Abstandhalter wird so gewählt, daß im unbelasteten Zustand die Kapazitäten zwischen den an beiden Flachseiten des Dielektrikums angeordneten Elektroden ausreichend klein sind und zugleich eine große Empfindlichkeit der Detektormatte erreicht wird. Die Detektormatte bildet eine empfindliche und zuverlässige und somit vielseitig einsetzbare Sicherheitseinrichtung, die auch als Alarmeinrichtung verwendet werden kann.
  • In einer besonders einfachen Ausführungsform der Detektormatte können die Elektrodenstreifen und die Abstandhalter auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet sein. In dieser Ausführungsform mit einer ver-hältnismäßig steifen Abdeckplatte ist die mechanische Beanspruchung des Dielektrikums verhältnismäßig gering.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Detektormatte kann auch ein dünnes, flächenhaftes Dielektrikum aus Piezokeramik mit einer hohen relativen Dielektrizitätskonstanten vorgesehen sein. Damit erhält man eine Kapazitätsänderung um mehrere Größenordnungen.
  • Eine besonders einfache Signalerkennung mit Ortsauflösung erhält man mit einer Ausführungsform der Detektormatte mit Zeilenund Spaltenelektroden, deren Kreuzungspunkte jeweils ein Wandlerelement bilden. An diese Elektroden wird spaltenweise nacheinander jeweils eine Wechselspannung angelegt und die Signale werden zeilenweise ausgelesen.
  • Die Abstandhalter können zweckmäßig aus elektrisch isolierenden Elastomeren bestehen, die streifenförmig oder zylinderförmig gestaltet sein können oder auch als Noppen ausgeführt werden können. Sie können sowohl an der Grund- oder Leiterplatte als auch an einer als Abdeckplatte dienenden Auflage befestigt sein. Die Elektroden können wenigstens teilweise aus Metall oder auch aus elektrisch leitenden Elastomeren bestehen.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der Ausführungsbeispiele von Detektormatten nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind. Figur 1 zeigt eine besonders einfache Ausführungsform in auseinandergezogener Sandwich-Darstellung. In Figur 2 ist eine Ausführungsform mit Zeilen- und Spaltenelektroden dargestellt. In Figur 3 ist eine Draufsicht der Anordnung nach Figur 2 veranschaulicht. Figur 4 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform nach Figur 3 und in Figur 5 ist eine Detektormatte mit noppenförmigen Abstandhaltern dargestellt.
  • In der Ausführungsform nach Figur 1 ist ein flächenhaftes, dünnes Dielektrikum 2, vorzugsweise eine Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF mit einer Dicke von etwa 5 bis 100 J.Lm, vorzugsweise etwa 10 pm, insbesondere eine Folie aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT, deren Dicke 100 11m nicht wesentlich überschreitet und deren relative Dielektrizitätskonstante bis zu annähernd 4000 betragen kann, als Dielektrikum vorgesehen. An ihrer unteren Flachseite sind eine große Anzahl von Streifenelektroden mit einer vorbestimmten, in der Figur nicht näher bezeichneten Dicke angeordnet, von denen in der Figur zur Vereinfachung nur zwei dargestellt und mit 4 bzw. 5 bezeichnet sind. Diese Streifenelektroden 4 und 5 bestehen wenigstens in ihrem dem Dielektrikum 2 zugewandten Oberflächenbereich aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise einem elektrisch leitenden Elastomer, oder auch aus Metall. Diese Streifenelektroden 4 und 5 sind zwischen ebenfalls streifenförmigen Abstandhaltern 6, 7 und 8 mit größerer Dicke angeordnet, die vorzugsweise aus elektrisch isolierenden Elastomeren bestehen. Die Streifenelektroden 4 und 5 sowie die Abstandhalter 6 bis 8 sind auf einer Grundplatte 14, die beispielsweise aus Kunststoff bestehen kann, parallel nebeneinander angeordnet. Auf der oberen Flachseite des Dielektrikums 2 ist eine dünne, flächenhafte Elektrode 10 aus elektrisch leitendem Material vorgesehen, die beispielsweise an einer steifen Abdeckplatte 12 befestigt sein kann. Die Baueinheit aus der Abdeckplatte 12 mit der Elektrode 10 kann vorzugsweise aus einer handelsüblichen kupferkaschierten Leiterplatte bestehen.
  • Im Falle einer Druckbelastung werden die benachbarten weichen Abstandhalter 6, 7 oder 8 zusammengedrückt, so daß sich der Abstand zwischen den Streifenelektroden 4 oder 5 und der Elektrode 10 in dem belasteten Oberflächenbereich vermindert. Aus der entsprechenden Kapazitätsänderung wird ein Schaltsignal abgeleitet und einer in bekannter Weise aufgebauten Elektronik zugeführt. Zu diesem Zweck ist die Elektrode 10 mit einem in der Figur nicht dargestellten elektrischen Anschluß-leiter versehen. Auch die Streifenelektroden 4 und 5 sind mit einem gemeinsamen elektrischen Anschlußleiter verbunden. Ein besonderer Vorteil der Detektormatte besteht darin, daß sie am Ende jeder Druckbelastung unter der Wirkung ihrer Abstandhalter 6 bis 8 ihren ursprünglichen Kapazitätswert wenigstens annähernd wieder annimmt.
  • In einer besonderen Ausführungsform der Detektormatte ist als Dielektrikum 2 eine Folie aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT vorgesehen, die in einfacher Weise mit der Elektrode 10 verlötet oder verklebt sein kann. Mit dieser Ausführungsform der Detektormatte erhält man ein entsprechend erhöhtes Ausgangssignal. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die Anordnung derart um 180° zu verdrehen, daß die dargestellte Abdeckplatte 12 die Grundplatte bildet, auf der dann die flächenhafte Elektrode 10 und das Dielektrikum 2 gestapelt sind.
  • In der Ausführungsform der Detektormatte nach Figur 2 sind zylindrische Streifenelektroden 24 und 25 vorgesehen, die unterhalb des Dielektrikums 2 auf der Grundplatte 14 angeordnet sind. Auf der oberen Flachseite des Dielektrikums 2 sind ebenfalls zylindrische Abstandhalter 26 und 27 mit größerer Dicke D vorgesehen, die aus einem elektrisch isolierenden Elastomer bestehen. Ferner sind oberhalb des Dielektrikums 2 streifenförmige Elektroden vorgesehen, von denen in der Figur nur die erste sichtbar und mit 28 bezeichnet ist, und die an der gemeinsamen Abdeckung 12 befestigt sind.
  • Nach Figur 3 sind diese Streifenelektroden 24 und 25 zu den oberhalb des Dielektrikums 2 angeordneten, ebenfalls streifenförmigen Elektroden 28 bis 30 derart gekreuzt, daß in ihren Kreuzungspunkten jeweils ein Druckwandlerelement gebildet wird. In dieser Ausführungsform bilden die Streifenelektroden 24 und 25 in X-Richtung verlaufende Spaltenleiter und die an der Abdeckung 12 befestigten Elektroden 28 bis 30 in Y-Richtung verlaufende Zeilenleiter. Im Falle einer Druckbelastung P werden die benachbarten weichen Abstandhalter 26 und 27 zusammengedrückt, sö daß sich der Abstand A zwischen der als Zeilenleiter dienenden Elektrode 30 und der als Spaltenleiter dienenden Streifenelektrode 24 vermindert und die Kapazität des in diesem Kreuzungspunkt gebildeten Wandlerelements 16 entsprechend erhöht wird. Dieses Signal kann an der Streifenelektrode 24 oder der Elektrode 30 ausgelesen werden. Mit dieser Ausführungsform erhält man somit eine ortsauflösende Detektormatte.
  • Abweichend von der Ausführungsform nach den Figuren 2 und 3 können nach Figur 4 oberhalb des Dielektrikums 2 streifenförmige Elektroden 38 und 39 auch derart angeordnet sein, daß sie oberhalb der Streifenelektroden 24 und 25 und parallel zu diesen sowie parallel zu den Abstandhaltern 26 und 27 verlaufen. In dieser Anordnung ist die Kapazität der unbelasteten Detektormatte sehr gering und das Schaltverhalten der Detektormatte wird entsprechend verbessert.
  • In der Ausführungsform nach Figur 5 ist die Grundplatte 14 mit einer flächenhaften Elektrode 34 versehen, die beispielsweise aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer, bestehen kann. Auf dieser Elektrode 34 sind noppenförmige Abstandhalter 36 bis 38 vorgesehen, die beispielsweise auf ihre metallische Unterlage aufgeklebt sein können. Oberhalb des Dielektrikums 2 sind Streifenelektroden 34 und 35 zwischen den Reihen der noppenförmigen Abstandhalter 36 bis 38 angeordnet und an der Abdeckplatte 12 befestigt. In dieser Ausführungsform kann sowohl die Grundplatte 14 mit ihrer Elektrode 34 und den Abstandhaltern 36 bis 38 als auch die Abdeckplatte 12 mit ihren Streifenelektroden 34 und 35 jeweils als Baueinheit vorgefertigt werden. Durch die Noppenform der Abstandhalter 36 bis 38 wird die Detektormatte weicher und die Empfindlichkeit der Anordnung entsprechend erhöht.

Claims (8)

1. Detektormatte, bei der ein flächenhaftes, dünnes Dielektrikum (2) als Grundkörper vorgesehen ist, dem auf beiden Flachseiten jeweils mindestens eine Elektrode (4, 5; 10) zugeordnet ist, die unter Druckbelastung wenigstens teilweise relativ zueinander beweglich sind, wobei die durch eine Abstandsänderung der Elektroden bewirkte Kapazitätsänderung der Detektormatte zur Erzeugung eines Ausgangssignals dient, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einer der Flachseiten mehrere nebeneinander angeordnete Streifenelektroden (4, 5) vorgesehen sind, zwischen denen elastische Abstandhalter (6 bis 8) angeordnet sind (Figur 1).
2.Dektormatte nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß als Dielektrikum Homo- oder Copolymere von Polyvinylidenfluorid PVDF vorgesehen sind.
3 Detektormatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenelektroden (4, 5) und die Abstandhalter (6 bis 8) auf einer gemeinsamen Grundplatte (14) angeordnet sind.
4. Detektormatte nach Anspruch 3, dadurchgekennzeichnet, daß das Dielektrikum (2) aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT besteht.
5. Detektormatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenelektroden (24, 25) aus leitfähigen Elastomeren bestehen, die auf der Grundplatte (14) angeordnet sind, und daß die Abstandhalter . (26, 27) auf der gegenüberliegenden Flachseite des Dielektrikums (2) angeordnet sind (Figuren 2 und 3).
6. Detektormatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Flachseiten des Dielektrikums (2) streifenförmige Elektroden vorgesehen sind, die als Zeilenund Spaltenelektroden gestaltet sind und deren Kreuzungspunkte jeweils ein druckempfindliches Wandlerelement bilden (Figuren 2 und 3).
7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der von den Streifenelektroden (24, 25) abgewandten Flachseite des Dielektrikums (2) ebenfalls streifenförmige Elektroden (38, 39) vorgesehen sind, die oberhalb der Streifenelektroden (24, 25) und parallel zu diesen verlaufen (Figur 4).
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß noppenförmige Abstandhalter (36 bis 38) vorgesehen sind (Figur 5).
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DE19823236056 DE3236056A1 (de) 1982-09-29 1982-09-29 Detektormatte
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