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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Vorrichtung.
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Das „Internet der Dinge“ (Internet of Things, loT) wird als eine der wichtigsten zukünftigen Entwicklungen in der Informationstechnologie bezeichnet. Unter dem loT versteht man, dass nicht nur Menschen Zugang zum Internet haben und über dieses vernetzt sind, sondern dass auch Geräte über das Internet miteinander vernetzt sind. Ein Bereich des „Internet der Dinge“ zielt in Richtung Produktions- und Hausautomatisierung, z. B. im Bereich der Temperaturmessung. Hierfür sind geeignete Sensoren bereits verfügbar, z. B. gibt es Temperatursensoren an der Heizung unter Einsatz der Low-Energy-Funktechnologie. Jedoch liegen die Kosten mit ca. 100 Euro pro Sensor sehr hoch. Derzeit versuchen viele Unternehmen, die Erfahrungen aus dem Bereich Consumer Electronics, speziell in Bezug auf Sensoren für Smartphones (Gyros, Beschleunigungssensoren, Drucksensoren, Mikrofone), aufzugreifen und kostengünstige Sensoren für unter einen Euro herzustellen, die gleichzeitig die benötigte elektrische Energie mit sogenannten „Energy Harvestern“ aus der Umwelt gewinnen. Klassische Harvester sind zur Energiegewinnung aus Sonnenlicht eingesetzte PV-Zellen und thermoelektrische Generatoren (TEG), die für eine Energiegewinnung aus einer Temperaturdifferenz, z. B. an einer Heizung, eingesetzt werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine thermoelektrische Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die unter Verwendung eines thermoelektrischen Generators gewonnene Energie steht in direktem Zusammenhang mit dem an dem thermoelektrischen Generator anliegenden Temperaturgradienten. Um den Temperaturgradienten an den thermoelektrischen Generator zu führen, kann mithilfe der Aufbau- und Verbindungstechnik ein Wärmepfad innerhalb eines Gehäuses oder Trägers des thermoelektrischen Generators hergestellt werden. Dieser Wärmepfad sollte im Idealfall einen niedrigen thermischen Widerstand aufweisen.
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Mit einer Anordnung eines thermoelektrischen Bauelements bzw. Generators zwischen zwei Trägern bzw. Trägersubstraten einer thermoelektrischen Vorrichtung kann der thermoelektrische Generator unter Einsatz von Standard-Verpackungsprozessen mechanisch weitgehend entkoppelt und thermisch weitgehend verlustarm in eine Aufbau- und Verbindungstechnik eines autonomen Sensorsystems integriert werden.
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Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz kann auf einfache Weise eine gute mechanische Entkopplung eines thermoelektrischen Bauelements bzw. Generators realisiert werden. Als weiterer Vorteil gilt, dass eine separate Fertigung der beiden Trägerebenen möglich ist, also eine durch einen ersten Träger gebildete Unterseite und eine durch einen zweiten Träger gebildete Oberseite der thermoelektrischen Vorrichtung komplett unabhängig voneinander mit Standard-Leiterplattenprozessen hergestellt werden können. So kann beispielsweise die Aufbau- und Verbindungstechnik des unteren Trägers angepasst auf das thermoelektrische Bauelement durchgeführt werden, indem thermische und mechanische Belastungen möglichst gering gehalten werden. Davon unabhängig kann beim oberen Träger, wo höhere Belastungen möglich sind, die kostengünstige Standard-Aufbau- und Verbindungstechnik zum Einsatz kommen. In einer Weiterführung des hier vorgestellten Konzepts besteht die Möglichkeit der Hochintegration, indem das thermoelektrische Bauelement durch Funktionsträger, z. B. einen Schaltkreis mit weiteren Bauteilen, eingehaust werden kann, sodass auf einen Einsatz eines Metalldeckels verzichtet werden kann.
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Gemäß einer Weiterführung des hier vorgestellten Konzepts kann durch die Anbindung des thermoelektrischen Bauelements mittels eines elastischen Materials zudem die Problematik des mechanischen Stresses durch z. B. unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten verwendeter Verbindungsmaterialien oder des chemischen Schrumpfs direkt an thermoelektrischen Generatoren vermieden oder zumindest verringert werden.
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Eine thermoelektrische Vorrichtung weist die folgenden Merkmale auf:
einen ersten Träger;
einen zweiten Träger;
ein Trägerverbindungselement, das zwischen dem ersten Träger und dem zweiten Träger angeordnet ist, um unter Bildung eines vordefinierten Zwischenraums zwischen dem ersten Träger und dem zweiten Träger den ersten Träger mit dem zweiten Träger zu verbinden; und
ein thermoelektrisches Bauelement, das sich aus einer ersten Platte, einer zweiten Platte und einem Zwischenbereich mit einer Mehrzahl von sich zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte erstreckenden thermoelektrischen Elementen zusammensetzt, wobei das thermoelektrische Bauelement in dem vordefinierten Zwischenraum angeordnet und mit dem ersten Träger und dem zweiten Träger verbunden ist.
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Die thermoelektrische Vorrichtung kann beispielsweise zur Erzeugung einer elektrischen Spannung unter Ausnutzung einer Temperaturdifferenz eingesetzt werden. Ein möglicher Einsatzort der thermoelektrischen Vorrichtung ist somit beispielsweise ein Heizkörper. Der erste Träger, das Trägerverbindungselement und der zweite Träger können in dieser Reihenfolge einen Stapel bildend aufeinander angeordnet sein. Bei dem ersten und dem zweiten Träger kann es sich jeweils um rechteckige Platten handeln, die unterschiedliche Dicken aufweisen können. Beispielsweise kann es sich bei den Trägern um Leiterplatten handeln. Das Trägerverbindungselement kann als eine Struktur ausgeformt sein, die den ersten und den zweiten Träger nur punktuell verbindet, sodass der vordefinierte Zwischenraum als ein zur Unterbringung des thermoelektrischen Bauelements ausreichend großer Luftraum verstanden werden kann. Das Trägerverbindungselement kann aus einem Kunststoffmaterial bestehen. Bei dem thermoelektrischen Bauelement kann es sich um einen thermoelektrischen Generator zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Platte handeln. Das thermoelektrische Bauelement kann in Form eines Peltier-Elements aufgebaut sein, wobei die erste Platte eine Warmseite und die zweite Platte eine Kaltseite des Peltier-Elements bilden kann. Die Platten können beispielsweise aus Keramik sein und Metallbrücken zum Verbinden benachbarter thermoelektrischer Elemente aufweisen. Die den Zwischenbereich bildenden thermoelektrischen Elemente können ein Halbleitermaterial aufweisen. Die thermoelektrischen Elemente können in Form von die erste von der zweiten Platte beabstandenden sogenannten „Beinchen“ ausgebildet und an ihren jeweiligen beiden Enden fest mit der ersten und der zweiten Platte verbunden sein. Die mechanische Ankoppelung des thermoelektrischen Bauelements an die thermoelektrische Vorrichtung kann über eine Verbindung der ersten Platte mit dem ersten Träger und eine Verbindung der zweiten Platte mit dem zweiten Träger bestehen. Diese Verbindungen können stressentkoppelnd gestaltet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der thermoelektrischen Vorrichtung kann das Trägerverbindungselement rahmenförmig ausgebildet sein und das thermoelektrische Bauelement in einer Lichte des Trägerverbindungselements angeordnet sein. Die Rahmenform kann rund oder eckig sein. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass das thermoelektrische Bauelement ohne Weiteres seitlich vor schädlichen Einwirkungen geschützt werden kann.
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Beispielsweise kann das rahmenförmig ausgebildete Trägerverbindungselement eine Durchgriffsöffnung zwischen einer Außenwand des Trägerverbindungselements und einer der Lichte zugewandten Innenwand des Trägerverbindungselements aufweisen. So kann auf einfache Weise z. B. ein Medienzugang für Mediensensoren, die in der Lichte des Trägerverbindungselementes sitzen, geschaffen werden. Alternativ kann der Medienzugang auch durch eine Unterbrechung bzw. Strukturierung, eine mehrteilige Bauweise des Trägerverbindungselements definiert werden. Es können auf diese Weise auch mehrere Medienzugänge geschaffen werden.
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Ferner kann das Trägerverbindungselement zumindest eine Durchkontaktierung zur elektrischen Kontaktierung des ersten Trägers mit dem zweiten Träger aufweisen. So können vorteilhafterweise beide Träger beliebig mit Bauteilen bestückt und der benötigten elektrischen Energie versorgt werden sowie zueinander, zu den Trägerbereichen oder nach außen (Lötlands) kontaktiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das thermoelektrische Bauelement mittels eines ersten elastischen Materials, das zwischen dem ersten Träger und der ersten Platte des thermoelektrischen Bauelements angeordnet ist, mit dem ersten Träger verbunden sein. Ein Bereich des ersten Trägers, auf dem das thermoelektrische Element aufgebracht ist, kann aus einem starren Material oder einem elastischen Trägermaterial wie z.B. Polyimid bzw. einem balken- oder membranähnlich strukturierten starren Trägermaterial bestehen, um das thermische Element stressentkoppelnd zu lagern. Zusätzlich oder alternativ kann das thermoelektrische Bauelement mittels eines zweiten elastischen Materials, das zwischen dem zweiten Träger und der zweiten Platte des thermoelektrischen Bauelements angeordnet ist, mit dem zweiten Träger verbunden sein. Zusätzlich kann das elastische Material strukturiert oder z.B. ringförmig ausgeführt sein. Freiräume in der Strukturierung des elastischen Materials können während des Aufbauprozesses mit einem starren Material, z. B. einem Opferpolymer, ausgefüllt sein, um das thermoelektrische Element an dem ersten Träger zu arretieren. Dies kann vorteilig für bestimmte AVT-Prozesse wie das Drahtbonden sein. Das Opfermaterial kann als ein abschließender Prozessschritt thermisch oder nass- bzw. trockenchemisch entnommen werden. Bei dem ersten und zweiten elastischen Material kann es sich jeweils um ein Kunststoffmaterial handeln. Die Materialien können identisch sein und als eine Schicht zwischen dem thermoelektrischen Bauelement und dem ersten bzw. zweiten Träger angeordnet sein. Spezifikationsabhängig können die Schichten gleich oder unterschiedlich dick sein. Alternativ können sich das erste und das zweite elastische Material auch unterscheiden, z. B. in Bezug auf die spezifische thermische Leitfähigkeit oder die Elastizität. Über die elastischen Materialien kann das thermoelektrische Bauelement vorteilhafterweise stressentkoppelnd an die Träger angebunden werden.
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Beispielsweise kann das erste und/oder das zweite elastische Material einen Füllstoff zur Erhöhung einer thermischen Leitfähigkeit zwischen dem ersten Träger und der ersten Platte bzw. der zweiten Platte des thermoelektrischen Bauelements aufweisen. Bei dem Füllstoff kann es sich um den ersten Träger mit der ersten Platte und/oder den zweiten Träger mit der zweiten Platte des thermoelektrischen Bauelements verbindende Strukturen – z. B. metallische Spacer (Kugeln) – handeln, die geeignet sind, eine Mehrzahl von Wärmekorridoren zwischen dem Träger und der Warmseite bzw. Kaltseite des thermoelektrischen Bauelements bereitzustellen. So kann der Wärmegradient besonders kontrolliert und gerichtet an die Warmseite bzw. Kaltseite geleitet werden. Verluste durch Streuwärme können minimiert oder ganz ausgeschaltet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der thermoelektrischen Vorrichtung kann das erste und/oder das zweite elastische Material an einer der ersten und/oder der zweiten Platte des thermoelektrischen Bauelements zugewandten Seite eine Metallschicht aufweisen. Die Metallschicht kann das erste und/oder zweite elastische Material ganz oder teilweise bedecken und beispielsweise aus Kupfer gebildet sein. Mit dieser Ausführungsform kann die thermische Leitfähigkeit bzw. können thermische Übergangswiderstände der Kaltseite und/oder der Heißseite des thermoelektrischen Bauelements auf einfache Weise verbessert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der erste Träger eine das thermoelektrische Bauelement zumindest teilweise aufnehmende Vertiefung aufweisen. Die Vertiefung kann durch das erste elastische Material zumindest teilweise bedeckt sein. Die Vertiefung kann wannenförmig sein und zur Unterbringung des ersten elastischen Materials in der Vertiefung größere Abmessungen als das thermoelektrische Bauelement aufweisen. Ein Bodenbereich der Vertiefung kann aus einem starren Material oder aus einem elastischen Trägermaterial wie z.B. Polyimid bzw. einem balken- oder membranähnlich strukturierten starren Trägermaterial bestehen, um das thermische Element stressentkoppelnd zu lagern. Diese Ausführung bietet den Vorteil, das thermoelektrische Bauelement sicherer und geschützter in der thermoelektrischen Vorrichtung anzuordnen. Dies gilt insbesondere, wenn das erste elastische Material sich über den empfindlichen Zwischenbereich des thermoelektrischen Bauelements hinaus erstreckt. Darüber hinaus kann hier das Trägerverbindungselement in geringerer Höhe realisiert werden, woraus sich Bauraumvorteile ergeben.
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Die thermoelektrische Vorrichtung kann ferner so ausgeführt sein, dass ein der ersten Platte des thermoelektrischen Bauelements gegenüberliegender Abschnitt des ersten Trägers als ein metallischer Einsatz in den ersten Träger ausgebildet ist und/oder ein der zweiten Platte des thermoelektrischen Bauelements gegenüberliegender Abschnitt des zweiten Trägers als ein metallischer Einsatz in den zweiten Träger ausgebildet ist. Hierzu kann der erste bzw. zweite Träger eine Öffnung oder Durchgangsöffnung aufweisen, in die im Herstellungsprozess der thermoelektrischen Vorrichtung der metallische Einsatz eingesetzt werden kann. Alternativ kann der metallische Einsatz im Herstellungsprozess des Trägers eingeklebt, eingelötet oder eingepresst werden. Es kann sich bei dem für den Einsatz verwendeten Metall um ein Metall mit besonders guter thermischer Leitfähigkeit wie z. B. Kupfer handeln. Der Einsatz derartiger Inserts ermöglicht es, dass ein Wirkungsgrad der durch die erste Platte gebildeten Warmseite bzw. der durch die zweite Platte gebildeten Kaltseite des thermoelektrischen Bauelements auf einfache Weise erhöht werden kann. Alternativ können die beschriebenen Abschnitte einstückig mit den Trägern gebildet sein und jeweils zumindest eine metallische Durchkontaktierung aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine von dem thermoelektrischen Bauelement abgewandte Seite des ersten Trägers eine weitere Metallschicht aufweisen. Die weitere Metallschicht kann eine Oberfläche der Trägerseite ganz oder teilweise bedecken und wie die Metallschicht an dem zweiten elastischen Material aus Kupfer gebildet sein. Mit dieser Ausführungsform kann ein an dem thermoelektrischen Bauelement anliegender Temperaturgradient besonders effizient an die Warmseite des thermoelektrischen Bauelements herangeführt werden.
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Beispielsweise kann eine von dem thermoelektrischen Bauelement abgewandte Seite des zweiten Trägers einen Deckel aufweisen. Dabei kann ein Bereich des Deckels mittels eines Haftmittels an der von dem thermoelektrischen Bauelement abgewandten Seite des zweiten Trägers befestigt sein. Mit dem Einsatz des Deckels kann das thermoelektrische Bauelement bzw. ein in den zweiten Träger eingesetztes Metall-Insert sowie weitere Bauelemente wie Sensoren oder Elektroniken effektiv vor Beschädigungen geschützt werden. Über einen Abschnitt des Deckels, der z. B. auf dem metallischen Einsatz aufliegt, kann der Deckel vorteilhafterweise gleichzeitig als Kühlkörper für das thermoelektrische Bauelement fungieren. Über das Haftmittel kann eine elastische Verbindung des Deckels mit dem zweiten Träger realisiert werden. Anstelle des Deckels kann auch ein Kühlkörper oberhalb des thermoelektrischen Bauelements an dem zweiten Träger angeordnet sein.
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Des Weiteren können weitere Bauelemente wie Sensoren oder Elektroniken in einer Moldmasse bzw. Pressmasse eingehüllt sein, die an einer von dem thermoelektrischen Bauelement abgewandten Seite des zweiten Trägers angeordnet sein kann. Ein Bereich oberhalb der zweiten Platte des thermoelektrischen Bauelements kann von der Moldmasse freigestellt sein, um diesen z. B. mit einem Kühlkörper zu kontaktieren oder ein Fluid entlang zu führen.
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Insbesondere kann zumindest ein Abschnitt des Deckels in einer dem thermoelektrischen Bauelement gegenüberliegenden Durchgangsöffnung des zweiten Trägers angeordnet sein. Dies bringt Bauraumvorteile und kann den Wirkungsgrad des thermoelektrischen Bauelements verbessern, wenn der Deckel als Kühlkörper fungiert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der erste Träger und/oder der zweite Träger ein duroplastisches Material aufweisen. Neben einer dadurch vorteilhaft erhöhten thermomechanischen Festigkeit des Trägermaterials ergibt sich als weiterer Vorteil ein verringertes spezifisches Gewicht.
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Ein Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Vorrichtung mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines ersten Trägers;
Bereitstellen eines zweiten Trägers mit einem thermoelektrischen Bauelement, das sich aus einer ersten Platte, einer zweiten Platte und einem Zwischenbereich mit einer Mehrzahl von sich zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte erstreckenden thermoelektrischen Elementen zusammensetzt,
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Anordnen eines Trägerverbindungselements zwischen dem ersten Träger und dem zweiten Träger, um unter Bildung eines vordefinierten Zwischenraums zwischen dem ersten Träger und dem zweiten Träger den ersten Träger mit dem zweiten Träger zu verbinden, sodass das thermoelektrische Bauelement in dem vordefinierten Zwischenraum angeordnet wird.
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Ein Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Vorrichtung weist die folgenden Schritte auf:
Bereitstellen eines ersten Trägers mit einem thermoelektrischen Bauelement, das sich aus einer ersten Platte, einer zweiten Platte und einem Zwischenbereich mit einer Mehrzahl von sich zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte erstreckenden thermoelektrischen Elementen zusammensetzt;
Bereitstellen eines zweiten Trägers; und
Anordnen eines Trägerverbindungselements zwischen dem ersten Träger und dem zweiten Träger, um unter Bildung eines vordefinierten Zwischenraums zwischen dem ersten Träger und dem zweiten Träger den ersten Träger mit dem zweiten Träger zu verbinden, sodass das thermoelektrische Bauelement in dem vordefinierten Zwischenraum angeordnet wird.
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Das Verfahren kann von Einrichtungen einer prozessgesteuerten Fertigungsstrecke ausgeführt werden, sodass eine Vielzahl thermoelektrischer Vorrichtungen in kurzer Zeit produziert werden kann. In dem Schritt des Bereitstellens des ersten Trägers oder vor diesem Schritt kann das thermoelektrische Bauelement auf einer dem zweiten Träger zuzuwendenden Seite des ersten Trägers angeordnet und mittels eines ersten elastischen Materials an den ersten Träger angebunden werden. Es kann in dem Schritt des Anordnens eine stoffschlüssige Verbindung des Trägerverbindungselements mit dem ersten Träger und dem zweiten Träger hergestellt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Schnittdarstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung mit einer Vertiefung im ersten Träger, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Schnittdarstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung mit einem Kühlkörper, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Schnittdarstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung mit Füllstoff und Metallisierung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Schnittdarstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung mit Metallisierung und Deckel, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine Schnittdarstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung mit Metallisierung und Deckel, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer thermoelektrischen Vorrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt anhand einer Schnittdarstellung eine thermoelektrische Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein erster Träger 102 und ein zweiter Träger 104, die durch ein zwischen diesen angeordnetes Trägerverbindungselement 106 miteinander verbunden sind. In einem durch das Trägerverbindungselement 106 gebildeten Zwischenraum 108 zwischen dem ersten Träger 102 und dem zweiten Träger 104 ist ein einem thermoelektrisches Bauelement 110 angeordnet.
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Bei dem ersten Träger 102 und dem zweiten Träger 104 handelt es sich hier jeweils um eine Leiterplatte. Die Leiterplatten 102, 104 sind mit dem dazwischen positionierten Trägerverbindungselement 106 stapelartig übereinander angeordnet. Der zweite Träger 104 weist eine geringere Dicke als der erste Träger 102 auf und ist mit zusätzlichen Bauelementen in Form eines Bauteils 112 und eines Sensors 114 bestückt, die von einer Moldmasse 116 abgedeckt sind. Das Trägerverbindungselement 106 ist hier ringförmig ausgeführt und weist eine elektrische Durchkontaktierung 118 zur elektrischen Verbindung von Leiterbahnen des ersten Trägers 102 mit Leiterbahnen des zweiten Trägers 104 auf. Das Trägerverbindungselement 106 ist aus einem Polymer gebildet. Gemäß alternativen Ausführungsformen kann das Trägerverbindungselement 106 aus einem Metall bestehen oder in Form eines Klebers oder eines Lots realisiert sein. Das Trägerverbindungselement 106 kann auch als eine weitere Leiterplatte, z. B. ein Prepreg, ausgeführt und mittels Kleben, Löten oder Schweißen zu dem ersten Träger 102 und dem zweiten Träger 104 kontaktiert sein. Der Zwischenraum 108 wird durch eine Lichte des ringförmigen Trägerverbindungselements 106 gebildet und ist ausreichend groß zur Aufnahme des thermoelektrischen Bauelements 110 dimensioniert. Wie die Darstellung in 1 zeigt, verbleibt bei der fertiggestellten thermoelektrischen Vorrichtung 100 ein freier Luftraum zwischen dem thermoelektrischen Bauelement 110 und einer Innenwand des Trägerverbindungselements 106. Gemäß Ausführungsbeispielen kann das Trägerverbindungselement 106 eine beliebige Rahmenform aufweisen und beispielsweise rechteckig sein. Das Trägerverbindungselement 106 kann auch mehrteilig in Form beliebig ausgebildeter Abstandshalter zwischen dem ersten Träger 102 und dem zweiten Träger 104 realisiert sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Trägerverbindungselement 106 zumindest in einem Bereich eine Durchgriffsöffnung zu dem Zwischenraum 108 zwischen dem ersten Träger 102 und dem zweiten Träger 104 auf, welche als Medienzugang für in dem Zwischenraum 108 auf dem Träger 102 aufgebrachte Mediensensoren dient.
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Eine elektrische Anbindung des thermoelektrischen Bauelements 110 an den ersten Träger 102 ist über Drahtverbindungen bzw. Drahtbonds 120 realisiert. Das thermoelektrische Bauelement 110 ist bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der thermoelektrischen Vorrichtung 100 als ein thermoelektrischer Generator bzw. TEG ausgeführt und setzt sich aus einer Unterseite bzw. ersten Platte 122, einer Oberseite bzw. zweiten Platte 124 und einem zwischen der ersten Platte 122 und der zweiten Platte 124 angeordneten – in der Darstellung in 1 nicht explizit dargestellten – Zwischenbereich 126 zusammen. Die erste Platte 122 bildet hier die dem ersten Träger 102 zugewandte Warmseite des thermoelektrischen Generators 110 und die zweite Platte 124 die dem zweiten Träger 104 zugewandte Kaltseite des thermoelektrischen Generators 110. Der Zwischenbereich 126 wird durch eine Mehrzahl hier nicht dargestellter thermoelektrischer Elemente gebildet, die in Form von „Beinchen“ die hier durch die erste Platte 122 gebildete Warmseite und die hier durch die zweite Platte 124 gebildete Kaltseite des thermoelektrischen Generators 110 verbinden.
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Wie die Darstellung in 1 zeigt, ist das thermoelektrische Bauelement 110 mittels eines ersten elastischen Materials 128, das schichtartig zwischen dem ersten Träger 102 und der ersten Platte 122 des thermoelektrischen Bauelements 110 angeordnet ist, mit dem ersten Träger 102 verbunden. Mittels eines zweiten elastischen Materials 130, das schichtartig zwischen dem zweiten Träger 104 und der zweiten Platte 124 des thermoelektrischen Bauelements 110 angeordnet ist, ist das thermoelektrische Bauelement 110 mit dem zweiten Träger 104 verbunden. Das erste elastische Material 128 und das zweite elastische Material 130 sind hier identisch, wobei die Schicht des ersten elastischen Materials 128 dicker als die Schicht des zweiten elastischen Materials 130 ist. Die elastischen Materialschichten 128, 130 ermöglichen eine stressentkoppelnde Anbindung des thermoelektrischen Bauelements 110 an die Träger 102, 104. Zur besseren Wärmeleitung ist ein unterhalb des thermoelektrischen Elements 110 liegender Abschnitt des ersten Trägers 102 als ein metallischer Einsatz 132 in den ersten Träger 102 ausgebildet. Ebenso ist ein oberhalb des thermoelektrischen Elements 110 liegender Abschnitt des zweiten Trägers 104 als ein weiterer metallischer Einsatz 134 in den zweiten Träger 104 ausgebildet. Eine Dicke der metallischen Einsätze bzw. Inserts 132, 134 ist an die jeweilige Dicke der zugeordneten Leiterplatten 102, 104 angepasst, sodass das Insert 132 dicker als das Insert 134 ist. Bei dem für die Einsätze 132, 134 verwendeten Metall handelt es sich hier um Kupfer. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann auch ein anderes Metall mit guten Wärmeleitungseigenschaften verwendet werden.
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Die in 1 gezeigte thermoelektrische Vorrichtung 100 kann als ein Sensormodul bzw. Sensorsystem eingesetzt werden, das neben dem thermoelektrischen Generator 110 wie bereits erläutert den ersten Träger 102, den darüber gestapelten zweiten Träger 104 und eventuell weitere Träger und zudem das den mechanischen Verbindungsbereich zwischen den Trägern 102, 104 bildende Trägerverbindungselement 106 aufweist. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Sensorsystem 100 dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator 110 in den durch das Trägerverbindungselement 106 gebildeten vertikalen Abstand bzw. Stand-off zwischen den Trägersubstraten 102, 104 in der Art eingebracht ist, dass über die elastischen Materialschichten 128, 130 eine mechanische Verbindung von einer Oberseite des ersten bzw. unteren Trägers 102 zu einer Unterseite des zweiten bzw. oberen Trägers 104 besteht.
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Der in 1 gezeigte Sensorknoten 100 umfasst ein typisches Sensorsystem im den zweiten Träger 104 beinhaltenden oberen Bereich der gezeigten Anordnung und einen zusätzlichen Energieversorgungsteil, der durch den den ersten Träger 102 beinhaltenden unteren Bereich der Anordnung dargestellt wird. Die beiden Bereiche werden mithilfe des Leiterplattenrings 106, der die elektrischen Durchkontakte 118 enthält, verbunden. Als mögliche Variation kann anstelle des Leiterplattenrings 106 z. B. ein PrePreg, Klebstoff, Lot oder eine Dichtung zusammen mit einer Schraub- oder Klemmverbindung eingesetzt werden.
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Die beiden Leiterplatten 102, 104 zeigen in definierten Bereichen die elastischen Materialien 128, 130, um den thermoelektrischen Generator 110 anzukoppeln. Das für beide Bereiche verwendete elastische Material 128, 130 zeichnet sich dadurch aus, dass es einen mechanischen Dämpfer bildet und eine direkte Kraftübertragung auf den thermoelektrischen Generator 110 verhindert. Die definierten Bereiche 128, 130 zeichnen sich ebenfalls dadurch ab, dass die thermische Ankopplung gegenüber dem normalen Leiterplattenmaterial durch die Verwendung der Cu-Inserts 132, 134 optimiert ist. Die obere Leiterplatte 104 beinhaltet bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel das Bauteil 112 und den Sensor 114, die mit der Moldmasse 116 überdeckt sind. Das dargestellte Kupferinsert 134 an der Oberseite wurde durch ein spezielles Werkzeug beim Moldprozess freigestellt, um eine spätere Kontaktierung von oben zu ermöglichen, z. B. die Kontaktierung eines Kühlers, eines Kühlkörpers, einer Kühlung der eines Fluids.
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Die im Bereich zwischen dem ersten Substrat 102 und dem thermoelektrischen Generator 110 bzw. im Bereich zwischen dem zweiten Substrat 104 und dem thermoelektrischen Generator 110 zumindest teilweise ausgeprägten elastischen Materialien 128, 130 erhöhen gemäß Ausführungsbeispielen den Wärmetransport gegenüber den Trägermaterialien 102, 104. Ferner können die elastischen Materialien 128, 130 Strukturen oder Füllstoffe zur Erhöhung des Wärmetransports enthalten. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen sind im ersten Träger 102 und/oder im zweiten Träger 104 im Bereich des thermoelektrischen Generators 110 Strukturen eingelassen, die zur Erhöhung des Wärmetransportes dienen. Bei den Strukturen kann es sich um mindestens einen metallischen Einsatz oder einen metallischen Durchkontakt handeln.
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Wie der zweite Träger 104 kann auch der erste Träger 102 weitere elektronische Bauteile z. B. in der Lichte des Trägerverbindungselementes 106 tragen, die auf den Trägern 102, 104 in die Vergussmasse bzw. Pressmasse 116 eingelassen sind. Gemäß Ausführungsbeispielen ist der zweite Träger 104 im Bereich der thermisch leitfähigen Struktur 134 bzw. des thermoelektrischen Generators 110 von der Pressmasse 116 freigestellt. Beispielsweise ist in dem freigestellten Bereich thermisch leitfähig ein Kühler appliziert. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen sind die Bauteile 112, 114 auf dem zweiten Träger 104 zumindest teilweise von einem Deckel überspannt, der eine thermisch leitfähige Verbindung zu der Struktur 134 erhöhter thermischer Leitfähigkeit im zweiten Träger 104 im Bereich des thermoelektrischen Generators 110 besitzt oder zumindest ein Teil dieser Struktur 134 darstellt. Beispielsweise kann der Deckel als Kühler fungieren.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der thermoelektrischen Vorrichtung 100. Auch hier ist die thermoelektrische Vorrichtung 100 als ein Sensorknoten mit thermoelektrischem Generator 110 sowie weiteren Bauteilen bzw. Sensoren 112, 114 ausgeführt. Die Träger bzw. Leiterplatten 102, 104 sind übereinandergestapelt und über das auch hier als Leiterplattenring ausgebildete Trägerverbindungselement 106 mit elektrischen Durchkontakten 118 miteinander verbunden. Der thermoelektrische Generator 110 ist zwischen den beiden Leiterplatten 102, 104 eingepasst und thermisch über die Kupfer-Inserts 132, 134 kontaktiert. Durch den Einsatz des elastischen Materials 128, 130 wird der Stress auf den thermoelektrischen Generator 110 minimiert.
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Die Besonderheit an dieser in 2 dargestellten Ausführungsform der thermoelektrischen Vorrichtung 100 besteht darin, dass hier der thermoelektrische Generator 110 vertieft in den unteren bzw. ersten Träger 102 eingelassen und somit teilweise von diesem umgeben ist. Genauer gesagt ist der thermoelektrische Generator 110 in einer Vertiefung 200 angeordnet, die aus einer Oberfläche 202 des Trägers 102 herausgearbeitet ist. So ist das thermoelektrische Element 110 sicherer an dem ersten Träger 102 befestigt. Zudem kann eine Dicke bzw. Höhe des Trägerverbindungselements 106 bauraumsparend reduziert werden, wie es bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umgesetzt ist. Bei dem in der Darstellung gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Vertiefung 200 mit dem elastischen Material 128 vollständig ausgekleidet, sodass das thermoelektrische Bauelement 110 bis hin zu dem Zwischenbereich 126 von dem elastischen Material 128 eingefasst und über dieses mit dem Träger bzw. Trägersubstrat 102 stressentkoppelnd verbunden ist. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann die Vertiefung 200 nur teilweise bzw. bis zu einer gewissen Höhe mit dem elastischen Material 128 gefüllt sein.
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3 zeigt anhand einer weiteren Schnittdarstellung den Sensorknoten 100 aus 2 mit einem zusätzlichen Element eines Kühlkörpers 300, der zur Verbesserung der thermischen Performance der thermoelektrischen Vorrichtung 100 an der zweiten Leiterplatte 104 in geeigneter Form angebracht ist. Die Kontaktierung des Kühlers 300 kann durch unterschiedliche Methoden wie z. B. Kleben, Löten, Schweißen, etc. erfolgen. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kühlkörper 300 über ein Verbindungselement 302 an dem Kupfer-Insert 134 der oberen bzw. zweiten Leiterplatte 104 angebracht.
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4 zeigt wiederum in einer Schnittdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der thermoelektrischen Vorrichtung 100. Zur besseren Erkennbarkeit von Details ist der Sensorknoten 100 hier und in den nachfolgenden 5 und 6 auseinandergezogen dargestellt. Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels gleicht dem in 2 gezeigten, mit dem Unterschied, dass hier Strukturen zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit bzw. zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen sind. So weist das erste elastische Material 128 einen Füllstoff 400 zur Erhöhung einer thermischen Leitfähigkeit zwischen dem ersten Träger 102 und der ersten Platte 122 des thermoelektrischen Bauelements 110 auf. Das zweite elastische Material 130 weist an einer der zweiten Platte 124 des thermoelektrischen Bauelements 110 zugewandten Seite eine Metallschicht 402 auf. Der Füllstoff 400 ist hier unterhalb des thermoelektrischen Generators 110 in Form einer Mehrzahl Abstandshaltern eingefügt, die hier als Kupfer-Spacer ausgeführt sind. Durch diese als Abstandshalter ausgeführte Metallfüllstoffe 400 wird eine z-Dämpfung der auf den thermoelektrischen Generator 110 wirkenden Kräfte verringert, während eine Dämpfungswirkung in der x-y-Richtung erhalten wird. Zusätzlich wird durch diese Abstandshalter aus Kupfer oder einem Material mit ähnlicher guter Wärmeleitfähigkeit die thermische Performance der thermoelektrischen Vorrichtung 100 verbessert. Mit der Erweiterung des oberen elastischen Kontaktes 130 um die Metallisierung 402, die sich als dünne Metallschicht nahezu komplett über die Unterseite des elastischen Materials 130 erstreckt, kann eine bessere Kontaktierung an der Oberfläche des thermoelektrischen Generators 110 erzielt werden.
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5 zeigt in einer Schnittdarstellung eine weitere beispielhafte Variation der thermoelektrischen Vorrichtung 100 aus 4. Neben der Metallisierung 402 weist dieses Ausführungsbeispiel des Sensorknotens 100 eine weitere Metallisierung bzw. Metallschicht 500 sowie einen Deckel 502 auf. Die weitere Metallschicht 500 ist hier vollflächig auf eine von dem thermoelektrischen Bauelement 110 abgewandte weitere Oberfläche 504 des ersten Trägers 102 aufgebracht. Alternativ kann die weitere Metallschicht 500 die weitere Oberfläche 504 der Leiterplatte 102 nur teilweise bedecken. Die weitere Metallisierung 500 ist ausgebildet, um eine Vergrößerung des thermischen Kontaktbereichs und eine Verbesserung des thermischen Pfades für den thermoelektrischen Generator 110 zu erreichen.
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Der Deckel 502 ist hier aus Metall gebildet und auf einer von dem thermoelektrischen Bauelement 110 abgewandten Seite 506 der zweiten Leiterplatte 104 der thermoelektrischen Vorrichtung 100 angeordnet. Wie die Darstellung in 5 zeigt, überspannt der Deckel 502 neben dem oberhalb des thermoelektrischen Generators 110 angeordneten Kupfer-Insert 134 auch das Bauteil 112 sowie den Sensor 114. Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der metallische Deckel 502 als Kühlkörper mit nicht dargestellten) Kühlrippen eingesetzt. Dieser Kühlkörper 502 ist einerseits an den oberen thermischen Pfad des thermoelektrischen Generators 110 angekoppelt und ermöglicht zusätzlich die Entwärmung des Bauteils 112. Die Kontaktierung des Deckels 502 an den Seiten bzw. an einem Randbereich 508 erfolgt hier durch ein Haftmittel bzw. einen Klebstoff 510. Alternativ ist auch eine Lötung an der Leiterplatte 104 denkbar. Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist auch zwischen dem metallischen Einsatz 134 und einer Innenseite des Deckels 502 eine Schicht des Haftmaterials 510 angeordnet.
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6 zeigt wiederum in einer Schnittdarstellung eine Variante der thermoelektrischen Vorrichtung mit Deckel aus 5. Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel des Sensorknotens 100 wurde in der oberen bzw. zweiten Leiterplatte 104 eine Durchgangsöffnung 600 oberhalb des thermoelektrischen Generators 110 eingebracht. Der Deckel 502 ist durch einen mittig abgesenkten Abschnitt 602 geeignet geformt, um durch die Öffnung 600 den thermoelektrischen Generator 110 direkt zu kontaktieren. Durch ein geeignetes Design des Deckels 502 wird der thermoelektrische Generator 110 zusätzlich zum elastischen Material 130 bei guter thermischer Verbindung mechanisch entkoppelt. Der eingesetzte Deckel 502 fungiert in dieser Ausführungsvariante ebenfalls als Kühlkörper.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 700 zum Herstellen einer thermoelektrischen Vorrichtung. Mithilfe des Verfahrens 700 kann ein Sensormodul mit gestapelten Substratebenen und integriertem thermoelektrischem Generator, wie es in den 1 bis 6 anhand von Ausführungsbeispielen veranschaulicht wurde, in großer Stückzahl beispielsweise in einer prozessgesteuerten Fertigungsstraße hergestellt werden. In einem Schritt 702 wird ein erster Träger der thermoelektrischen Vorrichtung bereitgestellt. Der erste Träger kann mit einem bereits darauf angeordneten thermoelektrischen Bauelement oder ohne dieses bereitgestellt werden. In einem Schritt 704 wird ein zweiter Träger der thermoelektrischen Vorrichtung bereitgestellt. Die Schritte 702 und 704 können in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig durchgeführt werden. In einem Schritt 706 wird ein Trägerverbindungselement so zwischen dem ersten Träger und dem zweiten Träger angeordnet, dass zwischen dem ersten Träger und dem zweiten Träger ein Zwischenraum zur Unterbringung des thermoelektrischen Bauelements gebildet wird. Wurde der erste Träger in dem Schritt 702 ohne das thermoelektrische Bauelement bereitgestellt, kann das thermoelektrische Bauelement vor der Verbindung des ersten und zweiten Trägers mit dem Trägerverbindungselement auf dem ersten Träger geeignet positioniert werden.
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Die hierin vorgestellte Erfindung kann am Erzeugnis bereits durch optische Inspektion sehr einfach nachgewiesen werden.
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Das hier vorgestellte Konzept eines Sensormoduls mit gestapelten Substratebenen und integriertem thermoelektrischem Bauelement wird in naher Zukunft notwendig für (teil-)autonome Sensoren aus dem Bereich „Internet der Dinge“ mit Fokus auf Kostensenkung bzw. die Produktion großer Stückzahlen.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011075661 A1 [0003]
