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Die
Erfindung betrifft ein Geometrienormal, insbesondere ein Millimeterbereich-Längennormal, das eine erste
Platte, die eine Erstplatten-Ausnehmung aufweist, die von einem
Erstplatten-Rand begrenzt ist, und zumindest eine zweite Platte,
die mit der ersten Platte verbunden ist, umfasst.
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Bei
einem derartigen Endmaßstapel
wird eine Erstplatte, die als Grundkörper fungiert, mit mehreren,
voneinander beabstandeten Platten bzw. Blöcken verbunden. Die Abstände zwischen
den einzelnen Platten bzw. Blöcken
werden exakt vermessen. Zum Kalibrieren einer Koordinatenmessmaschine
werden dann die einzelnen Blöcke
angetastet, deren Abstände
voneinander vermessen und das Messergebnis mit dem Soll-Ergebnis
verglichen.
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Nachteilig
an bestehenden Millimeterbereich-Längennormalen ist, dass die
maximal erzielbare Messgenauigkeit durch deren Oberflächenrauigkeit
begrenzt ist. Bei der Herstellung der Endmaßstapel müssen die beispielsweise aus
Stahl bestehenden Bestandteile poliert werden, so dass eine möglichst
geringe Oberflächenrauigkeit
entsteht. Es verbleibt aber ein Bereich der Oberflächenrauigkeit, so
dass die exakte Begrenzung des Längennormals nur
bis in die Größenordnung
der Oberflächenrauigkeit
definiert ist.
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Aus
der
DE 10 2004
022 750 A1 ist ein Mikroprüfkörper zur Einmessung dimensionaler
Messgeräte
bekannt, der durch Abformung einer Anordnung von in einem Siliziumwafer
eingeätzten
Pyramiden entstanden ist. Ein derartiger Mikroprüfkörper eignet sich jedoch nachteiligerweise
nicht für
eine Prüfung im
Bereich mehrerer Größenordnungen
und ist auf den Mikrometerbereich beschränkt. Vor allen Dingen sind
die Pyramiden in einer Ebene angeordnet und so ausgebildet, dass
die Position der Pyramiden und nicht die Form der einzelnen Pyramiden
gemessen werden kann.
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Aus
der
DE 103 42 689
B3 ist ein Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern für die Überprüfung von
Messgeräten
bekannt, bei dem einzelne Segmente durch Stapeln zum gesamten Prüfkörper zusammengesetzt
werden. So wird ein hohes Aspektverhältnis für Mikrobohrungen erreicht.
Nachteilig hieran ist, wie oben beschrieben, die gering erreichbare
Oberflächenqualität.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Längennormal vorzuschlagen, das
eine erhöhte Messgenauigkeit
erlaubt.
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Die
Erfindung löst
das Problem durch ein gattungsgemäßes Längennormal, bei dem die erste Platte
und die zweite Platte Einkristalle sind, der Erstplatten-Rand entlang
einer Kristallebene der ersten Platte verläuft und die zumindest eine
zweite Platte umfasst, die eine Zweitplatten-Ausnehmung aufweist,
die von einem Zweitplatten-Rand
begrenzt wird, der entlang einer Kristallebene der zweiten Platte
verläuft,
so dass sich die Erstplatten-Ausnehmung und die Zweitplatten-Ausnehmung
zu einer gemeinsamen Ausnehmung ergänzen.
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Vorteilhaft
an dem erfindungsgemäßen Längennormal
ist, dass hochpräzise
Verfahren der Fotolithographie und anschließende Ätztechniken genutzt werden
können,
um den Erstplatten-Rand der Ausnehmungen auszubilden. Da Ätzverfahren
bis auf wenige Kristallgitterabstände genau sind, wird eine sehr
geringe Oberflächenrauig keit
erreicht, die im Bereich weniger Nanometer oder sogar im Subnanometerbereich
liegen können.
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Gleichzeitig
erlaubt es das Verwenden von Einkristallen, einzelne Wafer so miteinander
zu verbinden, dass sie sich wie ein einstückiges Objekt verhalten. So
wird ein Längennormal
im Millimeterbereich erhalten, das mit Koordinatenmessmaschinen sicher
angetastet werden kann.
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Im
Rahmen der folgenden Beschreibung wird unter einem Millimeterbereich-Längennormal insbesondere ein
Längennormal
verstanden, das zumindest eine Länge
verkörpert,
die größer ist
als 1 mm. Hierunter ist zu verstehen, dass das Millimeterbereich-Längennormal
mindestens eine Längenverkörperung
umfasst, die mit einem Koordinatenmessgerät prozesssicher antastbar ist.
Dazu genügt
es beispielsweise nicht, aus einem Siliziumwafer eine Ausnehmung
herauszuätzen.
Aufgrund der Dünne des
Siliziumwafers wäre
ein prozesssicheres Antasten der Längenverkörperung, beispielsweise in
Form der Erstplatten-Ausnehmung, nicht möglich. Der Kontaktpunkt, in
dem angetastet wird, wäre
nämlich nicht
mit hinreichender Sicherheit weit genug von einer Kante der Erstplatten-Ausnehmung
beabstandet. Insbesondere ist das Millimeterbereich-Längennormal
so ausgebildet, dass es prozesssicher mit einem Messkopf angetastet
werden kann, der einen Durchmesser von 500 μm oder weniger hat. Günstig ist
es daher, wenn das Längennormal
Antastflächen
besitzt, die mindestens 1 mm breit und hoch sind. Unter dem Rand
wird diejenige Fläche
verstanden, die die Ausnehmung begrenzt. Der Rand geht in einer
Kante in die jeweilige Oberfläche
der Platte über.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die zumindest eine zweite Platte eine Zweitplatten-Ausnehmung
auf, die von einem Zweitplatten-Rand begrenzt wird, der entlang
einer Kristallebene der zweiten Platte verläuft. Beispielsweise hat die
Zweitplatten-Ausnehmung die gleichen Abmessungen wie die Erstplatten-Ausnehmung,
da sie im gleichen lithographischen Prozess hergestellt worden ist.
Durch Übereinanderstapeln
von erster Platte, zweiter Platte und gegebenenfalls weiteren Platten wird
ein Plattenstapel montiert, der eine Plattenstapel-Ausnehmung besitzt,
deren Rand eine sehr geringe Oberflächenrauigkeit aufweist. Zwei
gegenüberliegende Wände der
Plattenstapel-Ausnehmung können
dann als Maßverkörperung
für eine
Länge verwendet
werden, die beispielsweise mehr als 1 mm beträgt.
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Bevorzugt
sind für
die erste Platte, die zweite Platte und, sofern vorhanden, weitere
Platten, Halbleiter-Einkristalle. Die Platten können in anderen Worten Halbleiter-Wafer sein, beispielsweise
Silizium-Einkristalle, wie Silizium-Wafer. Es ist möglich, Halbleiter-Einkristalle
(bspw. durch Ätz-
oder Poliertechniken) so zu bearbeiten, dass sehr glatte Oberflächen entstehen.
Es ist zudem möglich,
Ausnehmungen in die Halberleiter-Einkristalle zu ätzen, die mit
hoher Genauigkeit entlang vorbestimmbarer Kristallebenen verlaufen.
Bei diesem Ätzen
entstehen Oberflächen
mit sehr geringen Oberflächenrauigkeiten.
Beispielsweise liegen Mittenrauwerte nach DIN unterhalb von 5 nm.
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Besonders
präzise
Millimeterbereich-Längennormale
werden erhalten, wenn die Ausnehmungen durch Ätzen hergestellt sind. Als Ätzen kommt beispielsweise
anisotropes, nasschemisches Ätzen in
Betracht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform besitzt
das Millimeterbereich-Längennormal
eine Erstplatten-Ausnehmung mit einem geometrischen Schwerpunkt,
wobei einander bezüglich
des geometrischen Schwerpunkts gegenüberliegende Teile des Erstplatten-Rands
parallel verlaufen. Durch Übereinanderstapeln
von zwei oder mehreren solcher Platten wird ein Plattenstapel mit
einer Plattenstapel-Ausnehmung
erhalten, die sich in ihrem Querschnitt im Wesentlichen nicht ändert. Die
gegenüberliegenden
Ränder
der Plattenstapel-Ausnehmung eignen sich dann als Maßverkörperung
einer Länge. Das
Längennormal
ist zudem mechanisch so stabil, dass es sicher gehandhabt werden
kann.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform ergänzen sich
die Ausnehmungen zu einer inversen Pyramide, deren Seitenflächen in
unterschiedlichen Winkeln zu einer Oberfläche der Platten verlaufen. Es
ist zudem möglich,
dass sich die Ausnehmungen zu einer gemeinsamen Ausnehmung ergänzen, bei der
ein Randabschnitt oder zwei Randabschnitte senkrecht zur Oberfläche der
Platten verlaufen, wohingegen die verbleibenden Rand-Abschnitte
unter einem nicht-rechten Winkel zur Oberfläche ver laufen. Bevorzugt sind
mindestens zwei der Ausnehmungen gleich groß, so dass sich alle Ränder so
aneinander anschließen,
dass ein ebener gemeinsamer Rand entsteht.
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Es
ist zudem möglich,
dass die Platten mehr als eine Ausnehmung aufweisen. Wenn in den
Ansprüchen
und in der Beschreibung „ein” oder „eine” verwendet
wird, so ist hierunter der unbestimmte Artikel gemeint, nicht das
Zahlwort. Wenn die Platten mehr als eine Ausnehmung aufweisen, können die sich
zu jeweiligen gemeinsamen Ausnehmungen ergänzen, die eine vorgegebene
Anordnung bilden. Auf diese Weise kann das Längennormal auch als Winkelnormal
eingesetzt werden.
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Bevorzugt
besitzt die erste Platte eine Oberseite und der Erstplatten-Rand
verläuft
senkrecht zur Oberseite. Sind weitere Platten vorhanden, so verlaufen
die entsprechenden Ränder
bevorzugt zu den jeweiligen Oberseiten der Platten. Auf diese Weise wird
eine besonders leicht antastbare Längenverkörperung erhalten.
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Ein
leicht zu handhabendes Millimeterbereich-Längennormal wird erhalten, wenn
eine dritte Platte vorhanden ist, die eine Drittplatten-Ausnehmung
aufweist, die von einem Drittplatten-Rand begrenzt wird, die ein
Einkristall ist und deren Drittplatten-Rand entlang einer Kristallebene der
Drittplatte verläuft,
wobei die Erstplatten-Ausnehmung,
die Zweitplatten-Ausnehmung eine Pyramide oder Stufenpyramide bilden.
Es ist zudem möglich,
dass jeweils zwei, drei oder mehr Plattenausnehmungen gleiche Abmessungen
aufweisen und dass dann übereinander
gestapelte Sätze
von Platten mit gleichen Ausnehmungen ihrerseits übereinander
gestapelt werden, so dass die Stufen der Stufenpyramide aus mehreren
Platten bestehen und größere Absätze haben.
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Bevorzugt
weisen die erste Platte und die zweite Platte insbesondere alle
Platten Positionsmarker auf. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass
die einzelnen Platten in einem Mask-Aligner angeordnet und zueinander
ausgerichtet werden können,
wodurch sie mit hoher Präzision
aneinander befestigt bzw. miteinander verbondet werden können. Die
Positionsmarker sind bevorzugt so ausgebildet, dass sie op tisch,
elektronenoptisch, mechanisch und/oder rastersondenmikroskopisch
erfassbar, insbesondere antastbar sind.
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Es
ist möglich,
die Positionsmarker in Form von inversen Pyramiden auszubilden,
deren Begrenzungsflächen
durch ätzbegrenzende
Kristallebene gebildet sind. Die inversen Pyramiden können zum Beispiel
eine rechteckige oder quadratische Grundfläche haben. Bevorzugt werden
die Positionsmarker in denselben Prozessschritt wie die Ausnehmungen gefertigt.
Alternativ haben die Positionsmarker die Gestalt erhabener Pyramiden
oder von Kugeln oder Ringen mit erhabenem Zentrum. Es ist möglich, die Positionsmarker
zumindest teilweise als Dünnschichtmarke
auszubilden, beispielsweise als durch Lithographie hergestellte
Metalllinien. Das erleichtert eine optische Antasterfassung. Die
lithographische Herstellung dieser Marker ist nur möglich, weil
das Längennormal
aus einzelnen Platten aufgebaut ist. Herkömmliche Längennormale können aufgrund
ihrer Höhe
nicht nachträglich
durch Lithographie strukturiert oder mit Markern versehen werden.
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Besonders
bevorzugt sind die Platten miteinander verbondet. Unter einem Bonden
wird das Verbinden von zwei Platten ohne Klebstoff verstanden, bei
dem die miteinander in Verbindung gebrachten Flächen eine innige, feste Verbindung
miteinander eingehen.
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Möglich ist
das direkte Bonden (das so genannte Silizium-Direkt-Bonden (SDB)),
das eutektische Bonden, das anodische Bonden oder ein Waferbonden.
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Bei
einem Längennormal
handelt es sich um eine Verkörperung
einer Länge
durch einen lichten Abstand zwischen zwei Flächen. Davon zu unterscheiden
sind Dickennormale, bei denen der Abstand zwischen zwei Oberflächen eine
Massverkörperung
darstellt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand exemplarischer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 eine
Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Millimeterbereich-Längennormals aus
vier Platten,
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2 das
Längennormal
gemäß 1 in
einem verbundenen Zustand,
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3 eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Millimeterbereich-Längennormals,
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Millimeterbereich-Längennormals,
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5a zeigt
einen Positionsmarker eines erfindungsgemäßen Millimeterbereich-Längennormals,
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5b zeigt
ein Querschnitt durch das erfindungsgemäße Längennormal und
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5c ist
eine Draufsicht auf das Längennormal.
Die
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6a bis 6e zeigen
Querschnitte von Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Millimeterbereich-Längennormale.
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1 zeigt
ein Millimeterbereich-Längennormal 10,
das eine erste Platte 12 aus einem Silizium-Einkristall
umfasst. Die erste Platte 12 besitzt eine Oberseite 14 und
hat eine erste Platten-Ausnehmung 16. Die Erstplatten-Ausnehmung 16 ist
von einem Erstplatten-Rand 18 umgeben, der zwischen der
Oberseite 14 und einer Unterseite 20 der ersten Platte 12 verläuft.
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Der
Erstplatten-Rand 18 ist eine Fläche, die sich von der Oberseite 14 zur
Unterseite 20 erstreckt und aus vier Erstplatten-Randabschnitten 19.1 bis 19.4 besteht.
Zwischen je zwei Erstplatten-Randabschnitten 19.1 und 19.3 bzw. 19.2 und 19.4 beträgt ein lichter
Abstand beispielsweise über 1
mm.
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2 zeigt,
dass sich die Ausnehmungen 16, 26, 32 zu
einer gemeinsamen Ausnehmung 38 in Form einer inversen
Stufenpyramide ergänzen.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße weitere Ausführungsform
eines Längennormals,
bei der jede Platte mehr als eine Ausnehmung besitzt. So weist die
erste Platte 12 eine erste Erstplatten-Ausnehmung 16.1,
eine zweite Erstplatten-Ausnehmung 16.2, eine dritte Erstplatten-Ausnehmung 16.3 und eine
vierte Erstplatten-Ausnehmung 16.4 auf.
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Es
ist zudem möglich,
dass die Ränder
nicht unter einem rechten Winkel verlaufen, sondern beispielsweise
einwärts
geneigt sind. Die Ausnehmungen sind dann so geformt, dass die Ränder glatt,
das heißt,
im mathematischen Sinne stetig und stetig differenzierbar, ineinander übergehen
und sich beispielsweise eine Pyramide in dem Plattenstapel aus den
einzelnen Platten ausbildet. So kann auch ein Volumennormal erhalten
werden.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Längennormals 10,
bei dem die Ausnehmungen randständig
sind. Das heißt, dass
beispielsweise die Erstplatten-Ausnehmungen 16.1, 16.2, 16.3, 16.4 der
ersten Platte 12 nur aus zwei Erstplatten-Randabschnitten
bestehen. So besteht die Erstplatten-Ausnehmung 16.4 aus den beiden
Erstplatten-Randabschnitten 19.4.1 und 19.4.2..
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5a zeigt
eine Detailansicht eines Positionsmarkers 28, der aus einer
Ausnehmung 40, die durch Lithographie und Ätzen hergestellt
ist, und vier Metalllinien 42.1 bis 42.4 aufgebaut
ist.
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5b zeigt
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Millimeterbereich-Längennormal, bei dem die Querschnitte
von Positionsmarkern erkennbar sind. Es ist zudem zu erkennen, dass
die Erstplatten-Ausnehmung 16 mit ihrem Erstplatten-Rand 18 einen
Böschungswinkel α mit der
Oberseite 14 bildet. Der Böschungswinkel α beträgt vorzugsweise
90 Grad. Er kann jedoch u. a. auch Werte kleiner als 90 Grad annehmen.
In dem in 5b gezeigten Fall sind die Böschungswinkel
L des Erstplatten-Rands 18 und des Zweitplatten-Rands 25 gleich groß. Das ist
aber nicht notwendig, es ist auch möglich, dass sich die Böschungswinkel
L verschiedener Platten voneinander unterscheiden.
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5c zeigt
eine perspektivische Ansicht der gemeinsamen Ausnehmung 14 mit
einzelnen Positionsmarkern.
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6a zeigt
einen ersten Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Längennormal, bei dem die Böschungswinkel α für die erste
Platte 12 und die zweite Platte 24 gleich groß sind und
90 Grad betragen. Die Ausnehmungen hingegen sind unterschiedlich
groß.
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Im
Querschnitt gemäß 6b sind
die Böschungswinkel
L gleich groß,
aber von 90 Grad verschieden.
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Im
Querschnitt gemäß 6c ist
ein Böschungswinkel
90 Grad und der zweite Böschungswinkel
ist kleiner als 90 Grad.
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Im
Querschnitt gemäß 6d ist
der Böschungswinkel
der ersten Platte 12 kleiner als 90 Grad und der Böschungswinkel
der zweiten Platte 24 beträgt 90 Grad.
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6e zeigt,
dass der Böschungswinkel α auch größer als
90 Grad sein kann.
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Der
Erstplatten-Rand 18 schließt sowohl mit der Oberseite 14 als
auch mit der der Oberseite 14 gegenüberliegenden Unterseite 20 einen
rechten Winkel ein. Die erste Platte 12 hat eine Dicke
D von mindestens 1 mm und besitzt um die Erstplatten-Ausnehmung 16 herum
Positionsmarker, 22.1, 22.2, 22.3 ....
Bezugszeichen ohne Zählsuffix
bezeichnen im Folgenden das Objekt als solches. Die Positionsmarker 22 und
die Erstplatten-Ausnehmung 16 werden fotolithographisch
und mit mittels nass chemischem Ätzen
in die erste Platte 12 eingebracht. Dabei verläuft die <110>-Richtung senkrecht zur Oberseite 14 und
damit parallel zum Erstplatten-Rand 18.
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Das
Millimeterbereich-Längennormal 10 umfasst
zudem eine zweite Platte 24, die eine Zweitplatten-Ausnehmung 26 mit
Zweitplatten-Rand 25 besitzt. An den Stellen, die den Stellen
für die
Positionsmarker 22 der ersten Platte 12 entsprechen,
weist auch die zweite Platte 24 Positionsmarker 28.1, 28.2, 28.3,
... auf. Die Zweitplatten-Ausnehmung 26 hat, wenn
die Positionsmarker 22 und 28 zueinander ausgerichtet
sind, einen geometrischen Schwerpunkt S2, der
genau unterhalb des geometrischen Schwerpunkts S1 der
Erstplatten-Ausnehmung 16 angeordnet ist. Alternativ zu
der in 1 gezeigten Ausführungsform können die
Ausnehmungen 16, 26 gleich groß sein und die Ränder bündig aneinander
anschließen.
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Das
Millimeterbereich-Längennormal 10 besitzt
zudem eine dritte Platte 30, die wie die erste Platte 12 und
die zweite Platte 24 aufgebaut ist, mit dem Unterschied,
dass eine Drittplatten-Ausnehmung 32, die von einem Drittplatten-Rand 33 begrenzt
ist, kleiner ist als die Zweitplatten-Ausnehmung 26. Die
dritte Platte 30 besitzt zudem Positionsmarker 34.1, 34.2, 34.3,
....
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Eine
vierte Platte 36 besitzt keine Ausnehmung, hat aber die
gleichen Außenabmessungen
wie die übrigen
Platten 12, 24, 30 und nicht eingezeichnete
Positionsmarker. Zum Verbinden der vier Platten 12, 24, 30, 36 werden
diese durch Bonden miteinander verbunden. Dieser Zustand ist in 2 gezeigt.
Die Außenabmessungen
des so erhaltenen Millimeterbereich-Längennormals, der einen Plattenstapel
darstellt, können
beispielsweise 13 mm × 13 mm × 1,5 mm
betragen. Der Mittenrauwert liegt an den Rändern 18 unter 1 mm.
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- 10
- Millimeterbereich-Längennormal
- 12
- erste
Platte
- 14
- Oberseite
- 16
- Erstplatten-Ausnehmung
- 18
- Erstplatten-Rand
- 19
- Erstplatten-Randabschnitt
- 20
- Unterseite
- 22
- Positionsmarker
- 24
- zweite
Platte
- 25
- Zweitplatten-Rand
- 26
- Zweitplatten-Ausnehmung
- 28
- Positionsmarker
- 30
- dritte
Platte
- 32
- Drittplatten-Ausnehmung
- 34
- Positionsmarker
- 36
- vierte
Platte
- 38
- gemeinsame
Ausnehmung
- 40
- Ausnehmung
- 42
- Metalllinie
- D
- Dicke
- S
- geometrischer
Schwerpunkt
- L
- Böschungswinkel