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Die Erfindung betrifft einen Kontaktkopf zum Testen elektrischer/elektronischer Prüflinge, insbesondere Substrate wie Wafer oder Leiterplatten, insbesondere mit einem oder mehreren Funkeinrichtungen, wie beispielsweise Dipolantennen, mit zumindest einem Träger und mit zumindest einem an dem Träger angeordneten Sensor, der dazu ausgebildet ist, eine insbesondere elektrische oder elektromagnetische Eigenschaft des Prüflings, insbesondere der Funkeinrichtung, insbesondere der Dipolantenne des Prüflings, zu erfassen.
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Kontaktköpfe mit Sensoren der eingangsgenannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zur Durchführung von elektrischen Tests an Wafern, Leiterplatten oder auch Solarzellen, ist es bekannt, diese durch einen Kontaktkopf mit einer Vielzahl von Kontaktstiften als berührend arbeitende Sensoren gleichzeitig zu kontaktieren. Dabei sind die Kontaktstifte zur berührenden Kontaktierungen von Kontaktstellen des Substrats beziehungsweise des Prüflings ausgebildet. Hierbei sind unterschiedliche Arten von Kontaktstiften bekannt. So sind einteilige Kontaktstifte bekannt, die insbesondere als sogenannte Knickdrähte oder Biegedrähte ausgebildet sind, welche beim Auftreffen auf den Prüfling durch elastische Verformung und seitliches Ausbeulen gewährleisten, dass Toleranzen ausgeglichen und alle Kontaktstellen des Prüflings durch die vorhandenen Kontaktstifte berührungskontaktiert werden. Alternativ ist es bekannt, als Kontaktstifte sogenannte Federkontaktstifte zu verwenden, welche mehrteilig ausgebildet sind, und einen Kontaktstift aufweisen, der in einer Führungshülse axial federnd gelagert ist, sodass er bei der Kontaktierung des Prüflings entgegen der Kraft des Federelements zurückweichen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kontaktkopf zum Testen eines Versuchsdrahtes zu schaffen, der eine verschleißarme Erfassung zumindest einer insbesondere elektrischen Eigenschaft des Substrats ermöglicht.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Kontaktkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieser hat den Vorteil, dass durch eine berührungslose Erfassung der Eigenschaft ein Verschleiß beim Kontaktieren des Prüflings vermieden und dadurch die Lebensdauer des Kontaktkopfs sowie die des Prüflings selbst erhöht wird. Darüber hinaus wird durch die vorteilhafte Ausbildung des zumindest einen Sensors gewährleistet, dass auch elektromagnetische Felder und Signale, insbesondere Funksignale, von Funkeinrichtungen, insbesondere Dipolantennen, beispielsweise Mobilfunksignale des 5G-Mobilfunkstandards, erfasst werden können. Somit wird durch die vorliegende Erfindung der Anwendungsbereich eines Kontaktkopfs deutlich erweitert. Dieser bietet sich nun beispielsweise dazu an, Substrate für Mobilfunkanwendungen zu testen. Der erfindungsgemäße Kontaktkopf zeichnet sich dadurch aus, dass der Sensor zur berührungslosen Erfassung der Eigenschaft zumindest zwei stiftförmige Antennen aufweist, die elektrisch miteinander verbunden sind. Durch die Antennen ist das berührungslose Erfassen beispielsweise eines magnetischen oder elektromagnetischen Feldes und/oder Funksignale ermöglicht. Dadurch dass die beiden Antennen in elektrisch leitender Art miteinander verbunden sind, können gezielt Signale, insbesondere Funksignale, oder elektromagnetische Felder erfasst und ausgewertet werden. Insbesondere dann, wenn der Prüfling ein oder mehrere Dipolantennen aufweist, ist eine vorteilhafte Signalerfassung oder Felderfassung möglich. Insbesondere ist der Abstand der Antennen in Abhängigkeit von der Ausbildung der zu prüfenden Dipolantenne des Prüflings gewählt. Der Kontaktkopf wird dann vorzugsweise mit den Antennen in der elektrischen Symmetrieebene der Dipolantenne platziert, sodass die Dipolantenne nicht durch die metallischen Antennen, die in ihre reaktive Nachfeldregion eindringen, beeinflusst wird. Nur ein Bruchteil des starken Magnetfelds, das den Zentralteil einer solchen Dipolantenne umgibt, ist dann mit den Antennen des Sensors beziehungsweise des Kontaktkopfs gekoppelt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Antennen an einer gemeinsamen Leiterplatte gehalten. Dadurch sind einfache elektrische Kontaktierungen der Antennen miteinander durch die Leiterplatte selbst möglich. Darüber hinaus sind die Antennen des jeweiligen Sensors dadurch einfach und raumsparend in dem Kontaktkopf befestigt beziehungsweise befestigbar. Besonders bevorzugt ist der Sensor als austauschbarer Sensorstift ausgebildet. Dadurch können die Antennen an dem Kontaktkopf bei Bedarf einfach ausgetauscht werden, beispielsweise zu Wartungszwecken. Darüber hinaus ist der Kontaktkopf dadurch einfach an unterschiedliche Aufgaben anpassbar. Der Sensorstift weist bevorzugt eine Hülse auf, in welcher die Antennen zusammen gehalten und zueinander ausgerichtet sind. Weiterhin weist die Hülse bevorzugt mechanische Mittel zur Arretierung des Sensorstifts an dem Kontaktkopf, insbesondere an der Leiterplatte in dem Kontaktkopf auf, sodass eine einfache elektrische Kontaktierung der Antennen beim Zusammenfügen von Sensorstift und Träger beziehungsweise Kontaktkopf erfolgt. Insbesonder sind die Antennen in dem Sensorstift durch sensorstifteigene Führungsplatten gehalten und ausgerichtet, sodass beispielsweise der Sensorstift in Öffnungen von Führungsplatten des Kontaktkopfs beziehungsweise des Trägers des Kontaktkopfs selbst gehalten werden kann.
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Bevorzugt weist der Träger zwei insbesondere aus Siliciumnitrid oder Keramik gefertigte Führungsplatten auf, die beabstandet zueinander angeordnet sind und für jede der Antennen miteinander fluchtende Führungsöffnungen zum Halten und Ausrichten der Antennen aufweist. Die Antennen durchstoßen somit jeweils beide Führungsplatten, sodass sie durch die Führungsplatten vorteilhaft zueinander ausgerichtet und aneinander beziehungsweise an dem Träger gehalten sind. Dabei sind die Führungsöffnungen in den Führungsplatten insbesondere derart ausgebildet, dass die Antennen parallel zueinander ausgerichtet sind. Durch die vorteilhafte Ausbildung der Führungsplatten aus Siliziumnitrid oder Keramik wird eine vorteilhafte Signalleitung und Verarbeitung durch den Sensor gewährleistet.
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Vorzugsweise weist der Kontaktkopf eine Vielzahl von Sensoren auf, die wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind, wobei die Antennen mehrerer, insbesondere aller dieser Sensoren mit einer gemeinsamen Leiterplatte elektrisch verbunden oder verbindbar sind. Dadurch ist ein einfaches Erfassen und Auswerten der von den Antennen erfassten Signale und/oder Felder durch die Leiterplatte und das Weiterleiten der erfassten Signale und gegebenenfalls daraus ermittelten Werte an eine Testvorrichtung einfach und kostengünstig gewährleistet. Vorzugsweise sind die Antennen mehrerer, insbesondere aller Sensoren an der Leiterplatte angeordnet beziehungsweise befestigt.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die jeweilige Antenne einendig an der Leitplatte gehalten und/oder elektrisch kontaktiert ist. Dabei ragen die Antennen jeweils von der Leiterplatte weg, insbesondere in Richtung des zu testenden Prüflings beziehungsweise Substrats. Optional ist der jeweilige Sensor an dem Träger befestigt, beispielsweise verklemmt, verschraubt oder verspannt. Durch die bevorzugte gleichzeitige oder alternative elektrische Kontaktierung wird erreicht, dass die von den Antennen des jeweiligen Sensors erfassten Signale und/oder magnetische oder elektromagnetische Felder vorteilhaft durch weitere auf der Leiterplatte angeordnete Komponenten, die insbesondere durch Leiterbahnen mit den Antennen dann elektrisch verbunden sind, ausgewertet werden können.
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Vorzugsweise ist die jeweilige Antenne an der Leiterplatte verlötet, elektrisch leitend verklebt und/oder verschweißt. Hierdurch ist eine sichere elektrische Kontaktierung der Antenne an der Leiterplatte gewährleistet. Insbesondere ist dadurch eine dauerhafte Verbindung zwischen Antenne und Leiterplatte geboten, die eine Fehlfunktion vermeidet.
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Bevorzugt sind die Antennen des jeweiligen Sensors jeweils beabstandet zueinander angeordnet, so dass zwischen den Antennen eines Sensors eine Luftspalt besteht. Durch den Luftspalt wird erreicht, dass eine direkte Kontaktierung der Antennen miteinander dauerhaft vermieden wird. Der Luftspalt sorgt somit dafür, dass eine elektrische Isolierung zwischen den Antennen besteht, die allein durch die gewollte elektrische Verbindung, beispielsweise durch die Leiterplatte, überwunden wird.
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Bevorzugt sind die Antennen des zumindest einen oder des jeweiligen Sensors durch ein Metallteil, insbesondere Metallstreifen, miteinander elektrisch verbunden. Durch das Vorsehen des Metallteils ist eine gezielte elektrische Verbindung der Antennen miteinander einfach durchführbar. Vorzugsweise ist das Metallteil am Bereich der freien Enden der Antennen, also an dem von der Leitplatte abgewandten Ende des Sensors angeordnet, bevorzugt beabstandet zu dem freien Ende oder direkt an dem freien Ende, sodass eine vorteilhafte Erfassung eines magnetischen oder elektromagnetischen Feldes oder Signals gewährleistet ist.
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Alternativ oder zusätzlich sind die Antennen des zumindest einen oder des jeweiligen Sensors bevorzugt durch ein dielektrisches Element (dielectric bond) miteinander verbunden. Hierdurch wird erreicht, dass durch die dielektrische Trennung der Antennen, insbesondere in der Nähe ihrer freien Enden, also an dem von der Leiterplatte abgewandten Ende der Antennen, nur ein kleiner Anteil, insbesondere nur ein Bruchteil des elektromagnetischen Feldes des Prüflings erfasst und in Form einer geführten Welle in Richtung des Kontaktkopfs beziehungsweise in Richtung der Leiterplatte des Kontaktkopfs geführt wird, wodurch eine vorteilhafte Erfassung und Auswertung gewährleistet ist.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Antennen des zumindest einen Sensors jeweils als Drahtelemente ausgebildet sind. Dadurch ist eine kostengünstigere Sicherung des jeweiligen Sensors geboten. Die Drahtelemente weisen insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt auf und bieten somit vorteilhafte Empfangseigenschaften der Antenne.
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Alternativ sind die Antennen des zumindest einen Sensors bevorzugt jeweils als Koaxialkabel ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch schwache elektromagnetische Felder vorteilhaft durch die Antennen erfasst und in Richtung der Auswertelogik geführt werden können.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen den Führungsplatten des Trägers ein Absorber angeordnet ist. Insbesondere erstreckt sich der Absorber über die jeweilige Führungsplatte hinweg, sodass die Leiterplatte und die auf der Leiterplatte befindlichen elektrischen/elektronischen Einrichtungen vor dem magnetischen oder elektromagnetischen Feld des Prüflings vorteilhaft geschützt sind.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 einen Kontaktkopf zum Testen elektrischer/elektronischer Substrate in einer vereinfachten Seitenansicht,
- 2 einen vorteilhaften Sensor des Kontaktkopfs in einer vereinfachten Schnittdarstellung und
- 3A-F unterschiedliche Ausführungsbeispiele des Sensors und vereinfachten Darstellungen.
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1 zeigt in einer vereinfachten Seitenansicht einen vorteilhaften Kontaktkopf 1 zum Prüfen elektrischer/elektronischer Prüflinge, insbesondere Substrate wie Leiterplatten oder Wafern, oder dergleichen, die insbesondere eine Funkeinrichtung mit einer Dipolantenne aufweisen. Der Kontaktkopf 1 weist einen Träger 2 auf, der eine in 1 nicht erkennbare Leiterplatte 17 trägt, an welcher eine Vielzahl von Sensoren 3 elektrisch angeschlossen sind. Die Sensoren 3 sind parallel zueinander ausgerichtet und beabstandet zueinander angeordnet und beispielsweise matrixförmig über die Leiterplatte verteilt angeordnet. Die Sensoren 3 können unterschiedlich oder gleich ausgebildet sein. So können manche der Sensoren 3 dazu dienen, den Prüfling durch Berührungskontaktierung elektrisch zu kontaktieren, beispielsweise in Form eines Federkontaktstifts. Zumindest einer, vorzugsweise mehrere oder alle der Sensoren 3 sind jedoch dazu ausgebildet, eine Eigenschaft des Prüflings berührungslos zu erfassen. Dazu weisen die Sensoren 3, wie in 1 gezeigt, jeweils zwei Antennen 4 auf, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Antennen 4 sind dazu, wie in 2 gezeigt, durch zwei an dem Träger angeordnete Führungsplatten 5,6 geführt gehalten, sodass die Antennen 4 mit ihren freien Enden von der Leiterplatte 17 vorstehen, parallel zueinander ausgerichtet und insbesondere dem Prüfling zugewandt sind. Der Träger ist optional, wie in 1 gezeigt, gehäuseförmig ausgebildet, so dass die Führungsplatten 5, 6 und insbesondere auch die Leiterplatte 17 im Inneren des Trägers liegen.
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Die Antennen 4 sind bevorzugt durch die Leiterplatte 17 jeweils elektrisch miteinander verschaltet, insbesondere sind jeweils die Antennen eines Sensors 3 miteinander verschaltet, insbesondere miteinander elektrisch verbunden, um eine vorteilhafte Felderfassung oder Signalerfassung durch die Antennen 4 zu ermöglichen. So sind die Antennen 4 insbesondere dazu ausgebildet, das Funksignal oder ein magnetisches oder elektromagnetisches Feld einer als 5G-Mobilfunkmodul ausgebildeten Funkeinrichtung zu erfassen oder zu überwachen, die insbesondere eine Dipolantenne aufweist. Die durch die Sensoren 3 erfassten Signale oder Werte werden durch die Leiterplatte 17 und daran gegebenenfalls angeordneten elektrischen/elektronischen Bauteilen verarbeitet, insbesondere vor-verarbeitet, und bevorzugt an eine Testvorrichtung weitergeleitet, welche die Signale/Werte auswertet.
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2 zeigt nur einen Abschnitt des Kontaktkopfs 1, in welchem einer der Sensoren 3 angeordnet ist, in einer vereinfachten Schnittdarstellung. Die Antennen 4 des Sensors 3 sind parallel und beabstandet zueinander angeordnet. Die Führungsplatten 5, 6 dienen zur Führung und Ausrichtung der Antennen 4 des gezeigten Sensors 3 sowie der weiteren Sensoren 3 zueinander, sodass die Enden der Antennen 4 nicht in direkten Berührungskontakt miteinander gelangen können.
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Dazu weisen die Führungsplatten 5, 6 beispielsweise Führungsöffnungen 12 auf, durch welche die Antennen 4 jeweils geführt sind, um eine eindeutige Ausrichtung der Antennen 4 dauerhaft zu gewährleisten. Vorzugsweise ragen die Antennen 4 über beide Führungsplatten 5, 6 hinaus, wobei auf der einen Seite die Enden der Antennen 4 in Aufnahmeöffnungen 7 der oben genannten Leiterplatte 17 einsteckbar beziehungsweise eingesteckt sind, um eine Ausrichtung und Anordnung sowie elektrische Kontaktierung des jeweiligen Sensors 3 an der Leiterplatte 17 zu vereinfachen.
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An dem von der Leiterplatte 17 abgewandten Ende sind die Antennen 4 des Sensors 3 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von 2 durch ein Verbindungselement 8 miteinander gekoppelt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei Verbindungselement 8 um ein dielektrisches Kontaktelement, das mit beiden Antennen 4 fest verbunden ist, um die Antennen 4 an ihren freien Enden dauerhaft zueinander auszurichten. Das Verbindungselement 8 ist dabei beabstandet zu den freien Enden der Antennen 4 an den Antennen 4 angeordnet, wodurch eine vorteilhafte Erfassung elektromagnetischer Felder oder Wellen gewährleistet ist.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass an dem der Leiterplatte 17 zugewandten Ende des Sensors 3 die aus Siliziumnitrid gefertigte Führungsplatte 5 beabstandet zu der Leiterplatte 17 angeordnet ist, sodass ein Luftspalt 9 verbleibt. Zwischen der Führungsplatte 5 und der Führungsplatte 6 ist des Weiteren ein Absorber 10 angeordnet, der eine Durchgangsöffnung für die Antennen 4 aufweist. Der Absorber ist aus einem Absorbermaterial gefertigt, welches insbesondere dazu dient, elektrische oder elektromagnetische Wellen zu dämpfen und am Erreichen der Leiterplatte 17 zu hindern. Durch das Absorbermaterial wird erreicht, dass die größte Anteil der von dem Prüfling ausgestrahlten Energie in den Absorber 10 beziehungsweise das Absorbermaterial eindringt, sodass dieser die auf der von dem Prüfling abgewandten Seite des Absorbers liegenden Komponenten, wie beispielsweise Baluns oder Treiber von den Energiewellen beziehungsweise der Energie des Prüflings geschützt sind. Dadurch wird eine verbesserte Erfassung und Auswertung der Signale gewährleistet.
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Zwischen dem Absorber 10 und der Führungsplatte 6 ist bevorzugt ein sich in axialer Richtung erstreckender Luftspalt 11 ausgebildet, der als isolierendes Dielektrikum wirkt. Die Führungsplatten 5, 6 weisen jeweils Führungsöffnungen 12 auf, durch welche die Antennen 4 geführt sind. Die Führungsöffnungen 12 der Führungsplatten 5, 6 sind fluchtend zueinander ausgerichtet, sodass die jeweilige Antenne 4 durch zwei miteinander fluchtende Führungsöffnungen 12 der Führungsplatten 5, 6 geführt und ausgerichtet ist. Dadurch ergibt sich auf einfache Art und Weise eine dauerhafte parallele Ausrichtung der Antennen 4 zueinander in dem Kontaktkopf 1. Insbesondere sind die Führungsplatten 5, 6 aus einem keramischen Werkstoff oder aus Siliziumnitrid gefertigt.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von 2 sind die Antennen 4 aus einem Drahtmaterial gefertigt, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
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In 2 ist außerdem unterhalb des Kontaktkopfs vereinfacht ein Prüfling 20 dargestellt, der ein elektrisch nicht-leitfähiges Substrat 19 aufweist, auf welchem zumindest eine Funkeinrichtung in Form einer Dipolantenne 18 ausgebildet oder angeordnet ist. Optional wird der Abstand der Antennen 4 zueinander in Abhängigkeit zu der Ausbildung der Dipolantenne 18 gewählt, sodass dann, wenn der Kontaktkopf 3 mit den Antennen 4 in die elektrische Symmetrieebene der Dipolantenne 18 angeordnet wird, wie in 2 beispielhaft gezeigt, die Funktion der Dipolantenne 18 nicht durch die metallischen Antennen 4, die in ihr reaktives Nahfeld eindringen, beeinträchtigt oder beeinflusst wird. Ein Bruchteil des starken magnetischen oder elektromagnetischen Feldes, das den Zentralbereich der Dipolantenne 18 umgibt, ist dann durch die Antennen 4, die eine Zweidraht-Übertragungsleitung bilden, gekoppelt und in Richtung der Auswerteelektronik entlang der Antennen 4, beispielsweise in Form einer magnetischen oder elektromagnetischen Welle in Richtung der Leiterplatte 17 und zu dort befindlichen Auswerteeinrichtungen, wie beispielsweise Sensoren, geleitet, oder mithilfe der Antennen 4 direkt ausgewertet.
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3 A bis F zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Sensoren 3, die sich in der Art der Antennen 4 sowie in der Art des Verbindungselements 8 voneinander unterscheiden. Dazu sind in einer Zeile die 3A bis C und in einer zweiten Zeile die 3D bis F gezeigt, wobei sich die Ausführungsbeispiele der 3A bis C von den Ausführungsbeispielen in den 3 D bis F dadurch unterscheiden, dass in den 3A bis C die Antennen 4 durch ein dielektrisches Verbindungselement 13 zueinander auf Abstand gehalten werden, und in den Ausführungsbeispielen der 3D bis F durch ein Metallteil 14, insbesondere Metallstreifen elektrisch miteinander verbunden sind. Durch das dielektrische Element 13 werden die Antennen 4 in einem festen Abstand zueinander derart aneinander gehalten, sodass insbesondere die parallele Ausrichtung der Antennen zueinander dauerhaft gewährleistet ist, wie zuvor bereits erwähnt.
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Die Metallteile 14 sind dabei bevorzugt an den von der Leiterplatte 17 abgewandten Enden der Antennen 4 angeordnet. Die dielektrischen Verbindungselemente 13 sind bevorzugt ebenfalls, wie in 2 bereits gezeigt, an dem von der Leiterplatte 17 abgewandten Ende der Antennen 4 angeordnet insbesondere etwas beabstandet zu dem Ende. Optional kann ein Sensor sowohl ein Metallteil 14 als auch eine dielektrisches Verbindungselement 13 an den Antennen 4 aufweisen.
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Die Ausführungsbeispiele der 3B und 3E unterscheiden sich von den Ausführungsbeispielen der 3A und 3D dadurch, dass anstelle von einfachen Drahtelementen Koaxialdrähte 15 für die Antennen 4 verwendet werden.
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Die Ausführungsbeispiele der 3C und 3F unterscheiden sich von den Ausführungsbeispielen der 3A und 3B beziehungsweise 3D und 3E dadurch, dass die Antennen 4 durch plattenförmige Kontaktelemente 16 gebildet sind. Die plattenförmige Kontaktelemente 16 weisen einen rechteckförmigen Querschnitt auf und sind dabei derart zueinander ausgerichtet, dass ihre flachen (großen) Seitenflächen einander zugewandt sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine kosteneffiziente und massenproduktionstaugliche Ausführung zur Verfügung gestellt wird.
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Optional sind die beschriebenen Sensoren 3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel als austauschbare Sensorstifte ausgebildet, die insbesondere jeweils eine Hülse zur Aufnahme und Halterung der Antennen 4 aufweisen, sowie vorzugsweise Mittel zur lösbaren Arretierung an dem Träger 2 und/oder an der Leiterplatte 17.
