DE19537577A1 - Symmetrisches Prüfmassen-Beschleunigungsmeßgerät mit Eigendiagnosefähigkeit und sein Herstellungsverfahren - Google Patents
Symmetrisches Prüfmassen-Beschleunigungsmeßgerät mit Eigendiagnosefähigkeit und sein HerstellungsverfahrenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein symmetrisches
Prüfmassen-Beschleunigungsmeßgerät mit Eigendiagnosefähigkeit
und sein Herstellungsverfahren, insbesondere ein
Beschleunigungsmeßgerät, welches geschaffen wurde, um eine
symmetrische Massenverteilung in bezug auf die Ebene des
Kragbalkens mit einem Ausgleich zwischen dem oberen und dem
unteren Masseteil zu haben, so daß es nicht nur die
Empfindlichkeit in der Querachse reduziert, sondern auch den
Einbau des Eigendiagnose-Widerstands erleichtert. Die Erfindung
kann in Automobilelektroniksystemen angewandt werden, sowie in
der Verbraucherelektronik und in industriellen elektrischen
Meßsystemen, in welchen Messungen der Verlagerung, der
Geschwindigkeit, der Schwingung, der Beschleunigung, der
Winkelbeschleunigung und deren Veränderungen erforderlich sind.
Konventionelle Beschleunigungsmeßgeräte mit
Eigendiagnosefähigkeit und ihre Herstellungsverfahren können in
zwei Typen eingeteilt werden. Fig. 1(A) zeigt ein
asymmetrisches Prüfmassen-Beschleunigungsmeßgerät, in welchem
ein Eigendiagnose-Widerstand oder Leiter an der
hochbeanspruchten Fläche zur Erfassung des Bruchs des
Kragbalkens eingebaut ist.
Der andere Typ des angeschlossenen
Beschleunigungsmeßgerätes ist ein symmetrisches Prüfmassen-
Beschleunigungsmeßgerät, wie in Fig. 1(B) gezeigt. In diesem
Fall muß der Eigendiagnose-Widerstand oder Leiter aus der
Stellung der Masse und des Trägers ausgedehnt werden.
Diese konventionellen Beschleunigungsmeßgeräte und ihre
Herstellungsverfahren weisen wie folgt Probleme auf:
Das asymmetrische Beschleunigungsmeßgerät in Fig. 1(A),
weist das Problem der relativen Empfindlichkeit in der
Querachse im Vergleich zu der des symmetrischen
Beschleunigungsmeßgerätes auf, weil die Beschleunigung in
unbeabsichtigter Richtung einen Schaden an dem Kragbalken
verursachen könnte. Auf der anderen Seite weist das
symmetrische Beschleunigungsmeßgerät, in Fig. 1(B) gezeigt,
das Problem der Schwierigkeit im Einbau des Eigendiagnose-
Widerstands oder Leiters an den Enden (9a, 9b) des Kragbalkens
auf, welche den schwächsten Bereich des
Beschleunigungsmeßgerätes bilden, weil die Fläche, die durch
den Kragbalken, die Masse und die Träger gebildet wird, nicht
in derselben Ebene liegt.
Das gemeinsame Problem der Beschleunigungsmeßgeräte in
Fig. 1(A) und 1(B) ist, daß die plötzliche Änderung der
Dicke an jedem Ende des Kragbalkens eine Spannungskonzentration
erzeugt. Hierbei kann es zum Bruch während des
Herstellungsvorganges oder bei der Benutzung kommen.
Die konventionellen Verfahren zur Steuerung der Dicke des
Kragbalkens in Beschleunigungsmeßgeräten in Fig. 1(A) und
(B), so wie die zeitgesteuerte Ätzung, dem p-n Übergang und p+
Ätz-Ende, weisen Probleme infolge der Verfahrensinstabilität,
der Komplexität im Verfahren, der Schwierigkeit in der Dicke-
Steuerung und infolge der Begrenzung in der Materialauswahl
auf.
Durch das erfindungsgemäße Beschleunigungsmeßgerät werden
die Probleme bei den konventionellen Techniken, die oben
erläutert sind, vermieden. Das erfindungsgemäße
Beschleunigungsmeßgerät hat zwei Prüfmassenteile mit
identischer Masse mit unterschiedlichen relativen Lagen
oberhalb und unterhalb des Kragbalkens, so daß beides, die
Anpassung des Eigendiagnoseelements und die Reduzierung der
Empfindlichkeit in der Querachse, möglich sein kann. Außerdem
wurde der Profildicke-Steuervorgang durch das Verfahren, das
die Ätzdicke-Differenz benutzt, vereinfacht, und die
Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit können durch den
Übergangsrundungs-Bildungsvorgang erhöht werden. Der
Übergangsrundungs-Vorgang bildet eine Krümmung an jedem Ende
des Kragbalkens (der schwächste Bereich), um so dem Bruch
während oder nach der Herstellung vorzubeugen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsformen
beschrieben, die aus der Zeichnung wenigstens schematisch
ersichtlich sind.
Fig. 1(A) ist eine Querschnitts-Ansicht eines
konventionellen Beschleunigungsmeßgerätes mit
einer asymmetrischen Masse.
Fig. 1(B) ist eine Querschnitts-Ansicht eines
konventionellen Beschleunigungsmeßgerätes mit
einer symmetrischen Masse.
Fig. 1(C) ist eine Querschnitts-Ansicht eines
Beschleunigungsmeßgerätes mit einer schräg
symmetrischen Masse gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels des
schräg-symmetrischen Beschleunigungsmeßgerätes
in Fig. 1(C), das als ein piezoresistives
Kragbalken-Beschleunigungsmeßgerät ausgeführt
ist.
Fig. 3 ist eine Querschnitts-Ansicht entlang A-A des
Beschleunigungsmeßgerätes in Fig. 2, an welchem
obere und untere Platten angebracht sind.
Fig. 4 erläutert ein grundlegendes Herstellungsverfahren,
das auf das Beschleunigungsmeßgerät in Fig. 2
bezogen ist.
Fig. 5 ist ein weiteres Beispiel des schrägsymmetrischen
Beschleunigungsmeßgerätes, das als ein
Beschleunigungsmeßgerät mit doppelt abgestütztem
Kragbalken ausgeführt ist, wobei (A) die
Draufsicht zeigt und (B) die Längsschnitts-
Ansicht zeigt.
Ein Ziel der Erfindung ist es, eine symmetrische
Prüfmassenverteilung und ihr Herstellungsverfahren für ein
Beschleunigungsmeßgerät vorzusehen, so daß es leicht das
Eigendiagnoseelement auf der ebenen Fläche an jedem Ende des
Kragbalkens aufnehmen kann.
Das Beschleunigungsmeßgerät nach der Erfindung ist
insbesondere gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
das Beschleunigungsmeßgerät enthält einen Kragbalken (2),
Prüfmassen (1a, 1b), ein Eigendiagnoseelement (5), das den
Bruch des Kragbalkens (2) erfassen kann, und obere und untere
Abstützabschnitte (13), und ist aus einem einzigen Stück
ausgebildet. Ferner hat das Beschleunigungsmeßgerät
Klebenuten (12a, 12b) auf den oberen und unteren Verbindungsflächen (13a,
13b) des Trägers (11), an welchem die oberen und unteren
Tragplatten (10a, 10b) angebracht sind; Dämpfungsspalte (3a,
3b) zwischen den Prüfmassen (1a, 1b) und den Tragplatten (10a,
10b); Übergangsrundungen an jedem Ende (9a, 9b) des
Kragbalkens.
Das Beschleunigungsmeßgerät nach der Erfindung kann durch
die folgenden einheitlichen Verfahrensschritte hergestellt
werden, die aus dem gleichzeitigen Ätzvorgang der
Dämpfungsabschnitte (15a, 15b), der Klebenuten (12a, 12b) und
der Kragbalkendicke-Steuerstufen (14a, 14b) in Fig. 4 (B)
zusammengesetzt sind. Das Herstellungsverfahren umfaßt
gleichfalls den Ätztiefe-Steuervorgang zur Bildung der
Dämpfungssteuerspalte (3a, 3b) in Fig. 3; den Kragbalkendicke-
Steuervorgang durch Mehrstufen-Ätzen in Fig. 4(D) und (E)
nach dem ersten Ätzen der Nuten (16a, 16b) in Fig. 4(C); den
Übergangsrundungs-Bildungsvorgang, der die erste Ätzstufe in
Fig. 4(D) und die zweite Ätzstufe 4(E) benutzt; den
Bildungsvorgang der ebenen Flächen für den Raum zur Anbringung
des Eigendiagnoseelementes durch Ätzen der oberen (1a) und
unteren Prüfmasse (1b) in Fig. 4(E) mit einer horizontalen
Versetzung; den gleichzeitigen Anpassungsvorgang des
Piezowiderstandes und des Eigendiagnosewiderstandes in Fig. 4
(F); den Metallisierungsvorgang zur Verbindung des
Piezowiderstandes und des Eigendiagnosewiderstandes; die
Bildung von Elektroden (6, 7) und der leitfähigen Strecke (23)
in Fig. 4 (G); den Kragbalkenbruchschutz- und -beseitigungs-
Bildungsvorgang durch die Schritte in Fig. 4(E), (F) und (G)
zum Schutz vor dem Bruch des Kragbalkens während der
Herstellungsstufen; und schließlich den Verbindungsvorgang, der
die oberen und unteren Tragplatten (10a, 10b) mit dem Träger
(11) mit Kleber verbindet, der in die Klebnuten (12a, 12b)
eingebracht wird.
Zuerst werden in Fig. 1(C) die obere und die untere
Prüfmasse (1a, 1b) symmetrisch in bezug auf die Mittelebene des
Kragbalkens angeordnet, jedoch mit einem gegenseitigen Versatz
in ihrer horizontalen Lage, so daß zur Minimierung der
Empfindlichkeit in der Querachse sowie zur Schaffung von ebenen
Flächen an der schwächsten Stelle, den Enden (9a, 9b) des
Beschleunigungsmeßgerätes, an welchen der Eigendiagnoseleiter
oder Widerstand leicht aufgebracht werden kann, die Mitte der
gesamten Prüfmasse in der Mittelebene des Kragbalkens liegt.
Außerdem werden die Rundungen an den beiden Enden (9a, 9b) des
Kragbalkens gebildet, so daß sie einem Kragbalkenbruch
vorbeugen, der durch Spannungskonzentration verursacht wird.
Ein Beispiel eines Beschleunigungsmeßgerätes, das die oben
genannte schräg-symmetrische Gestaltung aufweist, ist in den
Fig. 2 und 3 gezeigt.
Die ausführliche Beschreibung des Wirkungsprinzips der
Erfindung ist wie folgt:
Wie in Fig. 3 gezeigt, kann für die absolute Verlagerung,
za, der äußeren Trägerteile (10a, 10b, 11, 13a, 13b) und die
absolute Verlagerung, zo, der Prüfmassen (1a, 1b) die relative
Verlagerung zwischen der Masse und dem Träger als z=zo-za
dargestellt werden.
Der Kragbalken (2) in Fig. 3 wirkt wie eine Feder, wo die
Massen (1a, 1b) und das Fluid in den Spalten (3a, 3b) zwischen
der Masse und den Tragplatten (10a, 10b) wie eine Prüfmasse
beziehungsweise Dämpfer wirken. Für die Federkonstante, K, des
Kragbalkens (2), die Gesamtmasse, M, der Prüfmassen und die
Dämpfungskonstante des Dämpfers, C, kann die Berechnungsformel
für die Bewegung des Beschleunigungsmeßgerätes wie folgt
geschrieben werden:
M+C(o+a)+K(zo-za)=0 (I)
Für eine sinusförmige Eingabe, za=Zaeiwt, kann die relative
Verlagerung z=zo-za=Zei(wt- Φ ) wie folgt erreicht werden, in dem
Fall von
wobei die Resonanzfrequenz
und das Dämpfungsverhältnis
sind.
Damit kann aus der Berechnungsformel (II) ersehen werden,
daß die Größe der Beschleunigung a aus der Größe der relativen
Verlagerung z, die der Ausschlag der Masse ist, gemessen werden
kann.
Fig. 2 und 3 zeigt ein Beispiel der Verwirklichung des
Beschleunigungsmeßgerätes, das auf obigem Grundsatz mit der
piezoresistiven Erfassung des Ausschlags z bei der
Beanspruchung an dem Ende des Kragbalkens beruht.
Auf der anderen Seite kann die Art der
Beschleunigungsmeßgeräte mit piezoelektrischer oder kapazitiver
Erfassung durch Ersetzen des piezoresistiven Materials durch
piezoelektrisches Material beziehungsweise durch Einbau von
Elektroden an jeder Seite des Dämpfungsspalts verwirklicht
werden.
Für diese Arten von Beschleunigungsmeßgeräten kann die
vorgegebene Resonanzfrequenz (ωn) und das Dämpfungsverhältnis
(ζ) durch Steuerung der Größe der Massen (1a, 1b), der
Kragbalkengröße, der Spalte (3a, 3b) oder der Viskosität und
des Drucks des Fluids in den Spalten erreicht werden.
Wie in Fig. 3 gezeigt, wird die Prüfmassenmitte in die
Kragbalkenebene B-B gelegt, was auf diese Weise die
Massenabweichung ausschließt und die Empfindlichkeit in der
Querachse verbessert. Der gegenseitige Versatz zwischen zwei
identischen Prüfmassen (1a, 1b) macht es leicht, die
Eigendiagnoseelemente oder den Piezowiderstand (5) in das
Beschleunigungsmeßgerät einzubauen.
Die Eigendiagnoseelemente oder die Piezowiderstände (5)
können ebenfalls benutzt werden, um die folgende Fähigkeit für
das Beschleunigungsmeßgerät vorzusehen: die Fähigkeit einer
Eigendiagnose zum Erfassen des Gefügebruchs; die Fähigkeit
eines Eigentests zum Erfassen der Frequenz oder Empfindlichkeit
des Beschleunigungsmeßgerätes; die Fähigkeit einer
Eigenkalibrierung zum Ausgleichen der Empfindlichkeit oder der
Null-Abweichung unter Benutzung der Gegenelektroden, die an den
Prüfmassen (1a, 1b) und den Platten (10a, 10b) angeordnet sind.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel der Herstellungsstufen zum
Herstellen des in den Fig. 2 und 3 gezeigten
Beschleunigungsmeßgerätes durch Benutzung von Silikon als ein
Substratmaterial. Die ausführlichen Beschreibungen sind wie
folgt:
- (A) Schutzfilme (22a, 22b) werden als Ätzmasken an beiden Seiten des Silikonsubstrats (21) gebildet.
- (B) Nach dem partiellen Entfernen der Schutzfilme (22a, 22b) werden an den betreffenden Stellen die Klebenuten (12a, 12b), die Kragbalkendicken-Steuernut und die Oberfläche der Elektroden (14a, 14b) und der Dämpfungssteuerspalte geätzt sein. Dann wird das unmaskierte Silikonsubstrat auf die vorgesehene Tiefe der Dämpfungsspalte (3a, 3b) in Fig. 3 geätzt. Die oberen und unteren Grenzflächen (13a, 13b) werden in dieser Stufe vorbereitet.
- (C) Nach der Bildung des Schutzfilms wie in (A) werden ausgewählte Flächen (16a, 16b) des Schutzfilms und Silikonsubstrats auf die Tiefe der Hälfte der Dicke des Kragbalkens (2) in Fig. 2 geätzt, um die Nuten (16a, 16b) zur Steuerung der Kragbalkendicke zu bilden.
- (D) Nach dem Entfernen ausgewählter Bereiche des Schutzfilms, der in (C) benutzt wurde, werden der Kragbalken (2) und das Bruchschutzprofil (17) ausgebildet. Typischerweise wird das Silikonsubstrat auf eine bestimmte Tiefe, etwa 50-80 µm, zur Bildung der Übergangsrundungen (9a, 9b) in Fig. 3 geätzt. Die Länge der Aussparung am Kragbalken (17) in Fig. 4(D) ist kürzer als die des fertigen Kragbalkens.
- (E) Nach dem Entfernen ausgewählter Bereiche des Schutzfilms, der in (D) benutzt wurde, wird das Silikonsubstrat bis zum Ätz-Durchgang (18) und (19) geätzt, die völlig ausgeätzt werden, um eine ebene Fläche für den Widerstand (4), den Leiter (23), die Elektroden (6, 7) in Fig. 2 und die Silikonmembranen (2a, 2b) mit einer dem Kragbalken (2) in Fig. 3 identischen Dicke auszubilden. Die Unterbrechungen des Schutzfilms für die obere und die untere Prüfmasse eine identische Form und eine Fläche mit einem gegenseitigen Versatz aufweisen. Die Länge der Aussparung (2a) ist länger als in (D), so daß sich die endgültige Kragbalkenlänge ergibt. In den Stufen (D) und (E) werden die Übergangsrundung in der gewünschten Form und der Radius der Rundung am Ende des fertigen Kragbalkens durch Steuerung der Ätzlänge und Tiefe der ersten und zweiten Ätzung gebildet.
- (F) Piezowiderstände (4) zur Erfassung der Auslenkung des Kragbalkens werden zur selben Zeit an dem in der Zeichnung linken Endabschnitt des Kragbalkens angeordnet. Die Eigendiagnosewiderstände werden zwischen der Übergangszone (8) und der Übergangsrundung (9b) in Fig. 4(E) ebenfalls angeordnet.
- (G) Die Elektroden (6a, 6b, 6c, 6d) für die Messung des Widerstandes, der Metalleiter für die Bildung der Piezowiderstandsbrücke (23) und der Elektroden und der Metalleiter für die Eigendiagnose werden gleichzeitig gebildet. Dann werden der Kragbalken (2) und das Bruchschutzprofil (2c) durch Ätzen der ausgewählten Flächen der Silikonmembranen (2a, 2b) in Fig. 4(E) gebildet. Nach dem Entfernen des Bruchschutzprofils (2c) werden die obere und untere Tragplatte mittels des Klebers verbunden, der in den Klebenuten (12a, 12b) enthalten ist. Das Herstellungsverfahren, das in Fig. 4 beschrieben wird, kann auch für die Herstellung von doppelt abgestützten oder mehrfach abgestützten Beschleunigungsmeßgeräten benutzt werden.
Die Vorteile der Erfindung aufgrund deren gestalterischen
Merkmale sind wie folgt:
- 1) Es ist möglich, die Empfindlichkeit in der Querachse zu reduzieren, sowie den Einbauvorgang des Leiters oder des Widerstands zum Zweck der Eigendiagnose durch Benutzung der identischen Massen (1a, 1b) an beiden Seiten des Kragbalkens (2), die in ihrer relativen Lage eingestellt sind, zu vereinfachen.
- 2) Auf der Fähigkeit der Eigendiagnose in 1) beruhend ist es möglich, die Eigenkalibrierungs- und Eigentest-Fähigkeit zu erfüllen.
- 3) Es ist möglich, den Bruch des Kragbalkens während der Herstellung oder bei Benutzung des Beschleunigungsmeßgerätes mittels der Übergangsrundungen, die an beiden Enden (9a, 9b) des Kragbalkens (2) ausgebildet sind, durch Vermeidung von Spannungskonzentrationen zu verhindern.
- 4) Die Dämpfung kann leicht durch Einstellen der Spalte (3a, 3b) zwischen den Massen (1a, 1b) und den Tragplatten (10a, 10b) gesteuert werden.
- 5) Die Klebenuten (12a, 12b) an beiden Seiten des Trägers machen es leicht, das Beschleunigungsmeßgerät an den Tragplatten (10a, 10b) auszurichten und anzubringen.
Die Vorteile der vorgeschlagenen Erfindung infolge ihres
einheitlichen Herstellungsverfahrens sind wie folgt:
- 1) Es ist möglich, die Größe der Dämpfungsspalte (15a, 15b) genau und leicht durch deren Festlegung in einer frühen Herstellungsstufe zu steuern.
- 2) Es ist möglich, die genaue Kragbalkendicke ohne Messung der Ätzzeit oder -tiefe vor und/oder während des Ätzvorgangs zu erreichen. Das Benutzen der Halbprofil- Ätzung in Fig. 4 (C), des Ätz-Durchgangs (18) und (19) in Fig. 4 (E) gibt die Zeit für den Ätz-Stop an, wodurch sich eine genaue Steuerung der Dicke des Kragbalkens ergibt.
- 3) Es ist möglich, ein Brechen des Kragbalkens während der Benutzung zu verhindern, indem die Rundungen an dem schwächsten Teil des Beschleunigungsmeßgerätes, das heißt an den Enden (9a, 9b) des Kragbalkens, durch zweistufigen Ätzvorgang ausgebildet werden.
- 4) Es ist möglich, ein Brechen des Kragbalkens während der Herstellung durch Versetzen des Bruchschutzsteges (2c) zu verhindern, der in der Mitte der Herstellung gebildet wird und nach Beendigung der Herstellung entfernt werden kann.
- 5) Die Verfahrensschritte werden durch gleichzeitige Bildung der Dämpfungsspalte (15a, 15b) und der Klebenuten (12a, 12b) reduziert.
Claims (5)
1. Symmetrisches Prüfmassen-Beschleunigungsmeßgerät, welches
gekennzeichnet ist durch
- (a) Bildung des Kragbalkens, der Prüfmassen, der Dämpfungssteuerspalte zwischen den Massen und den Tragplatten; und der Klebenuten als ein einziger Körper,
- (b) Steuerung seines Dämpfungsniveaus durch Einstellung der Tiefe der Dämpfungssteuerspalte,
- (c) Ausbildung vom einer oberen und einer unteren Masse mit der gleichen Fläche und derselben Masse an beiden Seiten des Kragbalkens,
- (d) Steuerung der relativen Lage zwischen dem Kragbalken und dem Träger und jener zwischen der oberen und der unteren Prüfmasse,
- (e) Bildung einer ebenen Fläche für die Anbringung von Eigendiagnoseelementen, und
- (f) Bildung von Übergangsrundungen an beiden Seiten des Kragbalkens.
2. Symmetrisches Prüfmassen-Beschleunigungsmeßgerät nach
Anspruch 1, wobei der Kragbalken mit einer
Eigenkalibrierungs- oder Eigentest-Fähigkeit durch die
Eigendiagnoseelemente ausgestattet ist.
3. Symmetrisches Prüfmassen-Beschleunigungsmeßgerät nach
einem der Ansprüche 1 und 2, wobei der Kragbalken, an
welchem piezoresistives oder piezoelektrisches Material
angebracht ist, die Beschleunigungsmessung basierend auf
dem piezoresistiven oder piezoelektrischen Prinzip
durchführt, oder wobei ein kapazitives
Beschleunigungsmeßgerät mit Gegenelektroden, die an beiden
Seiten der Dämpfungsspalte angebracht sind, ausgebildet
ist.
4. Herstellungsverfahren für ein symmetrisches Prüfmassen-
Beschleunigungsmeßgerät, gekennzeichnet durch folgende
Verfahrensschritte: gleichzeitiges Ätzen der
Dämpfungsspalte, der Klebenuten und der Kragbalkendicke-
Steuerbereiche; Ätztiefensteuerung zur Bildung der
Dämpfungssteuerspalte; Kragbalkendickensteuerung, unter
Verwendung einer Mehrstufen-Ätzung nach der ersten Ätzung
von Nuten; Ausbildung von Übergangsrundungen während der
ersten und der zweiten Ätzung; und Ausbildung der ebenen
Fläche für den Raum zur Anbringung von
Eigendiagnoseelementen durch Ätzen der oberen und der
unteren Prüfmasse mit einem horizontalen Versatz längs des
Kragbalkens; gleichzeitiges Herstellen von
piezoresistiven- und Eigendiagnose-Widerständen,
gleichzeitiges Herstellen von Metalleitern für eine
Brückenschaltung und Elektroden; gleichzeitiges Herstellen
von Balken zur Erfassung und von Stegen für den Schutz
gegen Bruch während des Herstellungsvorgangs; Entfernen
der Bruchschutzstege in der letzten Stufe des
Herstellungsverfahrens; und Verbinden von oberen und
unteren Platten mit dem Beschleunigungsmeßgerät durch
Benutzung des Klebers, der in die Klebenuten eingebracht
ist.
5. Herstellungsverfahren für ein symmetrisches Prüfmassen-
Beschleunigungsmeßgerät nach Anspruch 4, bei welchem
doppelt abgestützte Meßbalken an beiden Enden des
Beschleunigungsmeßgerätes oder mehrfach abgestützte
Meßbalken an dem Beschleunigungsmeßgerät ausgebildet
werden.
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