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Elektrisch kompensierter Sensor
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das breite Gebiet der
Fühl- bzw. Sensoreinrichtungen und insbesondere eine derartige Einrichtung, die
eine Vielzahl von Schichten aus Elektretmaterial als Bühlelemente aufweist.
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Eine übliche Definition eines Elektrets besagt, daß es sich dabei
um ein dielektrisches Material handelt, daß durch Erwärmen des Stoffes und Einbringen
in ein starkes elektrisches Feld während des Abkühlens permanent polarisiert worden
ist. Elektrete werden üblicherweise auf Grundlage der pyroelektrischen oder piezoelektrischen
Eigenschaften klassifiziert, die beide ein elektrisches Signal infolge einer Änderung
des Dipolmoments bewirken. Obgleich man pyroelektrische und piezoelektrische Stoffe
oft für zwei voneinander unterschiedliche Stoffarten hält, handelt es sich bei den
piezoelektrischen Stoffen um eine Gattung, die die pyroelektrischen
Stoffe
als Spezies enthält. Folglich weisen sehr viele Stoffe sowohl pyroelektrische als
auch piezoelektrische Eigenschaften auf.
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Die Anwendung von Elektreten mit sowohl pyro- als auch piezoelek trischen
Eigenschaften erfolgt in unterschiedlichen arten von Fühleinrichtungen, wie bspwo
aus der US-PS 3.769.o96, die eine Einrichtung zur pyroelektrischen Erfassung einfallender
Strahlung lehrt, und der US-PS 3§768.o59 ersichtlich ist, die einen Spannungssensor
lehrt, der piezoelektrisch arbeitet. Die in diesen Patentschriften beschriebenen
Elektrete sind sowohl pyro- als auch piezoelektrisch. Folglich unterliegt der Sensor
der US-PS 3.769.o96 Funktionsfehlerin infolge von piezoelektrisch erzeugten elektrischen
Störsignalen, während der Sensor nacn der US-PS 3.768.o59 die gleiche Anfälligkeit
für Störungen infolge pyroelektrisch erzeugter Signale zeigt.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine präzise und genaue Fühleinrichtung
mit einem Paar Schichten aus Elektretmaterials als Fühlmedium. Die Elektretschichten
sind durch eine innere leitende Schicht voneinander getrennt, die elektrisch in
Berührung mit jeweils einer Oberfläche jeweils einer der Elektretschichten steht.
Die jeweils andere Oberfläche jeder Schicht ist mit einem äußeren leitenden Belag
beschichtet. Eine elektronische Fühlschaltung ist an mindestens zwei der leitenden
Schichten angeschlossen und erfaßt die dort anstehenden elektrischen Signale.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird die vorliegende
Erfindung als Wärmesensor -eingesetzt, dessen Funktion vom Erfassen pyroelektrisch
erzeugter elektrischer Signale abhängt und bei dem beim Biegen piezoelektrisch hervorgerufene
Störsignale aufgehoben werden. Folglich läßt sich eine präzise und genaue Sensorfunktion
erreichens Die beiden Elektretschichten dieser Ausführungsform sind entgegengesetzt
gepolt, und die Fühlschaltung ist über den inneren leitenden Belag und die äußeren
leitenden Beläge, die ihrerseits gemeinsam geerdet sind, gelegt. Infolge der Verwendung
von zwei Blektretscniuhten als Fühlmedien ist bei vorgegebener Temperaturänderung
das erfaßte Signal doppelt so groß wie das eines Sensors mit nur einer Elektretschicht,
und durch Erden der äußeren leitenden Beläge läßt der Sensor sich gegen elektrostatische
Störladungen abschirmen.
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In einer weiteren bevorzugsten Ausführungsform wird die vorliegende
Erfindung als Spannungssensor eingesetzt und erfaßt elektrische Signale, die piezoelektrisch
durch Biegen hervorgerufen werden, wobei Vorkehrungen getroffen sind, um betrieblich
sämtliche pyroelektrische hervorgerufene Signale gegenseitig aufzuheben. Folglich
gestattet auch diese Ausführungsform eine genaue und präzise Fühlfunktion. Vier
bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen unten unter Bezug
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beim Einsatz als Wärmesensor;
Fig. 2
stellt einen Sensor nach Figo 1 dar und zeigt die elektrostatischen Ladungen auf
demselben, die bei einer lemperaturänderung des Sensor entstehen; Fig 3 zeigt den
Sensor nach Fig. 1 mit elektrostatischen Ladungen auf demselben als Ergebnis eines
Biegevorganges; Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsi
form der vorliegenden Erfindung, die als Wärmesensor eingesetzt wird, wobei elektrostatische
Ladungen gezeigt sind, die auf diesem bei einer Temperaturänderung des Sensors entstehen;
Fig. 5 ist eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die als Spannungssensor
eingesetzt wird, wobei ebenfalls die elektrostatische Ladungen infolge einer gleichmäßigen
lemperatur- 1 änderung des Sensors gezeigt sind; Fig. 6 ist eine Ansicht des Sensors
der Fig. 5 mit einer Darstellung der durch Biege des Sensors erzeugten elektrostatischen
Ladungen; Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die als Spannungssensor eingesetzt wird, wobei die elektrostatischen
Ladungen angedeutet sind, die entstehen, weim der Sensor eine gleichmäßige lemperaturänderung
erfährt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmesensoreinrichtungen mit Fühlmedien
aus polymerem Elektretmaterial, das sowohl pyro- als auch piezoelektrische Eigenschaften
aufweist. Die erste Eigenschaft führt zur Erzeugung eines elektrischen Signals bei
Änderungen der Umgebungstemperatur des Fühlmediums, die zweite zu
einem
elektrischen Signal infolge von Änderungen der achsialen Spannung im Fühlmedium.
Die vorliegende Erfindung schafft unterschiedliche Formen von Sensoren, bei denen
man die infolge einer der oben genannten Eigenschaften in einem Fühlmedium entstehenden
elektrischen Signale erfaßt, wobei Vorkehrungen getroffen sind, um elektrische Signale
aufzuheben, die von der jeweils anderen Eigenschaft bewirkt werden, um eine genaue
und präzise Funktionsweise zu erreichen.
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Die Fig. 1 stellt nun eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in Form eines Wärmesensors 1 dar, der das Erfassen pyroelektrisch erzeugter
elektrischer Signale gestattet und so kompensiert ist, daß durch Biegen hervorgerufene
piezoelektrische Ladungen sich im wesentlichen gegenseitig aufheben.
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Der Sensor 1 weist vorzugsweise zwei einander ähnliche nichtleitende
Elektretschichten 2 und 3 auf, die aus Polyvinylidenfluorid, 'Polyvinylfluorid,
lanthanmodifiziertem Bleizirkonattitanat oder |anderem nichtkristallinem Material
hergestellt sein können, das sowohl pyro- als auch piezoelektrisch wirkt.
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Die Elektretschichten 2 und 3 dienen als Fühlmedium im Sensor 1 und
sind elektrisch durch eine leitende Schicht 4 miteinander verbunden, die mit den
Schichten 2 und 3 an deren Innenseite Fläche an Fläche mit diesen in Berührung steht.Die
äußeren Flächen der Schichten 2 und 3 stehen ebenfalls Fläche an Fläche in elektrischer
Berührung mit gleichgroßen leitenden Schichten 7 bzw. 8, die auf die äußeren Flächen
der Elektretschichten 2 und 3
aufgebracht sein können. Die Schichten
7 und 8 sind elektrisch durch einen Leiter 9 miteinander geerdet. Eine Fühlschaltung
1o wie bspw. ein Volt- oder Amperemeter oder eine andere geeignete Fühlschaltung
ist elektrisch zwischen die leitende Schicht 4 und Masse gelegt. Zum Zweck der klareren
Darstellung sind die Schichten 2, 3, 4, 7 und 8 übertrieben dick dargestellt. Es
sind Sensoren mit Schichten 2 und 3 von normalerweise jeweils etwa 5o/um und Schichten
4, 7 und 8 von normalerweise jeweils etwa 20 ru Dicke hergestellt worden. Jedoch
können die Schichten 2 und 3 jeweils auch nur 6/um und die Schichten 4, 7 und 8
jeweils nur l/um dick sein.
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Die Elektretschichten 2 und 3 sind vorzugsweise gleichstark, aber
entgegengesetzt gepolt, wie ez uie Pfeile 11 und 12 in den Schichten 2 bzw. 3 zeigen.
Das Polen der Elektretschichten 2 und 3 richtet die Dipole der Schichten 2 und 3
rechtwinklig zu deren ebenen Flächen aus, wenn man die Schichten über eine üblicherweise
als Polungstemperatur bezeichnete Temperatur hinaus erwärmt.
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Bei der Polungstemperatur nehmen die Dipole der Elektretschichten
2 und 3 die Richtung eines angelegten elektrischen Feldes an.
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Das Ausmaß der Dipolausrichtung ist abhängig von der Temperatur, auf
die die Schichten 2 und 3 erwärmt werden, der aufgebrachten Feldstärke und der Dauer,
für die man das Feld aufbringt. Bspw.
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setzt in Polyvinylidenfluorid eine wesentliche Polung ein, wenn man
es bei einer Feldstärke von mindestens 4 kV pro mm Dicke, die man etwa 15 min. aufrechterhält,
auf eine Temperatur von mehr als 900C erwärmt. Ein Erhöhen der Temperatur und/oder
der Stärke
des angelegten elektrischen Feldes erhöht auch zunehmend
das Ausmaß der Polung, die sich bis zu einem Sättigungsmaximum erzie-1len läßt.
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Nachdem die Elektretschichten 2 und 3 gepolt und dann unter ihre Polungstemperatur
abgekühlt sind, läßt sich das angelegte Feld abnehmen. Die Dipole der Schichten
2 und 3 behalten dann die vom Feld bewirkte Richtung bei. Es sollte sorgfältig darauf
geachtet werden, daß die Schichten 2 und 3 nicht für längere Dauer über ihre Polungstemperatur
hinaus erwärmt werden, damit die Dipole nicht wieder eine regellose Lage einnehmen
können. Nach beendeter Polung treten wegen ihrer pyroelektrischen Eigenschaften
auf den ebenen Flächen der Schichten 2 und 3 entgegengesetzte elektrostatische Ladungen
auf, wenn sie eine Änderung der Umgebungstemperatur erfahren. Zusätzlich erzeugt
auch infolge der piezoelektrischen Eigenschaften der Schichten 2 und 3 eine axial
Spannung der Schichten 2 und 3 elektrostatische Ladungen entgegengesetzter Polarität
auf den Oberflächen der Schichten 2 und 3.
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Vorzugsweise sind die leitenden Schichten 7 und 8 wie auch die Elektretschichten
2 und 3 gleichgroß und die Schichten 2 und 3 gleichstark gepolt, so daß beim Erwärmen
oder Spannen der Schicheinen 2 und 3 gleiche elektrostatische Ladungsstärken auf
den leitenden Schichten 7 und 8 erscheinen. Dieses Merkmal ist für die vorliegende
Erfindung nicht wesentlich, da die Schichten 2 und 3 bzw. 7 und 8 unterschiedlich
groß sein können; eine gleiche Ladungsmenge läßt sich auf den leitenden Schichten
7 und 8 dann
dennoch erreichen, wenn man die Schichten 2 und 3
unterschiedlich stark pols, Um die vorliegende Erfindung vollständiger zu beschreiben,
soll nun das Arbeiten des Sensors 1 erläutert werden. Bei einer gleichmäßigen Änderung
der Temperatur des Sensors 1 derart, daß die Elektretschichten 2 und 3 eine gleiche
Temperaturänderung erfahren, sammelt sich eine -eichmäßige Verteilung pyroelektrisch
erzeugter elektrostatischer Ladungen entgegengesetzter Polarität auf den Oberflächen
der Schichten 2 und 3 an, wie in Fig. 2 gezeigt, und zwar direkt proportional zur
Polungsstärke und der :Oberflächengröße der Schichten 2 und 3. Infolge der unterschiedlichen
Polungsrichtung uer Schichten 2 una 3 erscheinen nur elektrostatische Ladungen einer
Polarität auf der Außenfläche der Schichten 2 bzwe 3 und nur elektrostatische Ladungen
der entgegengesetzten Polarität auf den Innenflächen der Schichten 2, 3.Folglich
steht zwischen den Außen- und den Innenflächen der Schichten 2 und 3 ein erfaßbares
Spannungspotential. Da die Schichten 2 und 3 im wesentlichen nichtleitend sind,
dienen die elektrisch verbundenen äußeren leitenden Schichten 7 und 8 und die innere
leitende Schicht 4 als Mittel, um die Ladungen von den Oberflächen der Schichten
2 und 3 zur Fühlschaltung 1o zu leiten.
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Der Sensor 1 liefert also ein elektrisches Fühlsignal, wenn er eine
Temperaturänderung erfährt. Infolge dieser Eigenschaft läßt tder Sensor sich einer
Vielfalt von Anwendungen zuführen. Bei vielen aieser Anwendungen kann der Sensor
1 jedoch absichtlich
oder unabsichtlich gebogen werden. Ohne piezoelektrische
Kolupensation würde der Sensor 1 für einen Einsatz, in den er gebogen werden kahn,
nicht unbedingt wünschenswert sein, da infolge der piezoelektrischen Eigenschaften
der Schichten 2 und 3 elektrostatische Störladungen auftreten, wenn die Schichten
2 und 3 mit einem Biegemoment beaufschlagt werden. Diese Ladungen können Ungenauigkeiten
der Fühlfunktion ergeben, sofern die Störladungen nicht kompensiert werden. Der
Aufbau des Sensors 1 ist so ausgeführt, daß er die durch Biegen hervorgerufenen
Ladungen von sich aus piezoelektrisch kompensiert, um einen präzisen und genauen
Betrieb zu gewährleisten.
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Wenn man den Sensor 1 durch Biegen einer Spannung aussetzt, bilden
sich an den Oberflächen der Schichten 2 und elektrostatische Ladungen mit einer
Starke aus, die direkt proportional der Stärke der Zug- bzwO Druckspannung der Schichten
2 und 3 ist0 Die Polung der elektrostatischen Ladungen hängt von der Polungsrichtung
der Schichten 2 und 3 und davon ab, ob die Spannung eine Zug- oder Druckspannung
ist. Stellt man diese beiden Faktoren in Rechnung, ist der Sensor 1 so ausgestaltet,
daß ein Biegen des Sensors 1 elektrostatische Ladungen hervorruft, die einander
aufheben, wohingegen Temperaturänderungen der Schichten 2 und 3 eine wahrnehmbare
Fühlspannung hervorrufen, Diese iadungskompensation wird erreicht, indem man die
innere leitende Schicht 4 steifer ausführt als die Schichten 2 und 3 zusammen mit
deren leitenden Belägen 7 und 8o Wenn also der Sensor 1 gebogen wird, dient die
leitende Schicht 4 als Punkt ohne Zug- bzwo Druckbelastung,
während,
wie in der übertriebenen dargestellten Fig. 3 gezeigt, die Schicht 3 gestreckt und
die Schicht 2 zusammengedrückt wird.
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Ein Biegen des Sensors 1 in entgegengesetzter Richtung bewirkt natürlich
ein Zusammendrücken der Schicht 3 und ein Strecken der Schicht 2.
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Infolge der Streckung der Schicht 3 entstehen auf der äußeren und
der inneren Oberfläche derselben positive bzw. negative Ladungen,vwährend ein Zusammendrücken
der Schicht 2 zu negativen und positiven Ladungen auf der Außen- bzwe Innenfläche
führt. Da die leitende Schicht 4 die entgegengesetzt geladenen Innenflächen der
Schichten 2 und 3 und der Leiter 9 die leitenden Schichten 7 und 8 miteinander verbinden,
die elektrisch in Berührung mit den entgegengesetzt geladenen Oberflächen der Schichten
2 und 3 stehen, ergeben die piezoelektrisch erzeugten Ladungen des Sensors 1 über
der }Ehlschaltung 1o eine Gesamtladung von im wesentlichen Nullo Zusätzlich zum
Vorteil einer Kompensation piezoelektri erzeugter Ladungen bei vorgegebener Temperaturänderung
bietet der Sensor 1 den Vorteil einer erhöhten Empfindlichkeit, aa die pyroelektrisch
erzeugte Fühlladung der zweischichtigen Elektretkonfiguration doppelt so hoch ist
wie die Fühlladung eines Sensors mit nur einer einzigen Elektretschicht. Weiterhin
schirmen die geerdeten leitenden äußeren Schichten den Sensor 1 gegen elektrostatische
Störladungen ab, die ebenfalls eine Ungenauigkeit in die Funktion des Sensors 1
einführen würden.
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Die Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
in Form eines Wärmesensors 18D Entsprechend dem Sensor 1 weist der Sensor 18 zwei
Elektretschichten 19 und 20 auf, die an den inneren Flächen mit einer leitenden
Schicht 21 verbunden und an den Außenflächen mit leitenden Belägen 22, 23 versehen
sind. Der Sensor 18 unterscheidet sich vom Sensor 1 darin, daß beide Elektretschichten
19, 20 gleichgerichtet gepolt sind, wie mit den Pfeilen 24, 25 gezeigt, wobei eine
Bühlschaltung 26 elektrisch über die leitenden Schichten 22, 23 gelegt ist. In dieser
Anordnung der vorliegenden Erfindung erzeugt eine gleichmäßige Temperaturänderung
der Schichten 19 und 20 ein Fühlpotential auz elektrostatischen Ladungen entgegengesetzter
Polarität auf den Oberflächen der Elektretschichten 19 und 2c, wie in Figo 4 gezeigt.
Entsprechend' der obigen beschreibung der ~>unktion des Sensors 1 bewirkt jedoch
ein Biegen des Sensors 18 nur Laugen einer Polarität auf den Außenflächen aer Elektretschichten
19 und 20 sowie Ladungen der anderen Polarität auf den inneren Flächen derselben.
Die Fühlschaltung 26 erfaßt dann eine Gesamtladung von im wesentlichen Null.
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Wie also mit der oben beschriebenen Ausführungsform gezeigt, bietet
die vorliegende Erfindung ein einfaches Mittel, eine kompensation piezoelektrisch
hervorgerufener Spannungspotentiale zu erreichen, die beim Biegen eines Wärmesensors
entstehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Einsatz beschränkt0
Vielmehr läßt sie sich auch zurn Kompensieren pyroelektrisch erzeugter Spannungspotentiale
in Sensoren verwenden, bei denen
piezoelektrisch erzeugte Spannungspotentiale
ausgewertet werden.
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Die Fig. 5 zeigt einen Sensor 28, der.pyroelektrisch erzeugte Spannungspotentiale
kompensiert. Der Sensor 28 weist zwei Elektretschichten 29 und 30 auf, die an ihren
Innenflächen über eine leitende Schicht 31 miteinander verbunden sind, die im Verhältnis
zu den Elektretschichten 29, 30 verhältnismäßig steif ist.
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Die Außenflächen der Schichten 29, 30 sind jeweils mit den leitenden
Schichten 32, 33 versehen und über den Leiter 34 elektrisch geerdet. Über die leitende
Schicht 31 und den Leiter 34 ist eine Fühlschaltung 36 gelegt, die Spannungspotentialdifferenzen
zwischen der inneren leitenden Schicht 31 und den äußeren leitenden Schichten 32,
33 erfaßt.
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Die Anordnung der den Sensor 28 bildenden Bestandteile ist identisch
der des Sensors 1; die beiden Sensoren unterscheiden sich jedoch dahingehend, daß
die Elektretschichten 29 und 30 des Sensors 28 gleichgerichtet gepolt sind, wie
von den Pfeilen 37, 38 gezeigt, während die Elektretschichten des Sensors 1 entgegengesetzt
gepolt sind0 Da die Schichten 29 und 30 in der gleichen Richtung gepolt sind, erzeugt
eine gleichmäßige Temperaturänderung eine Verteilung elektrostatischer Ladungen
auf der Oberfläche der Schichten 29 und 30, wie in Fig. 5 gezeigt, die einander
aufheben und der iEhlschaltung 36 ein Gesamtpotential von Null darbieten.
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Im Gegensatz zur Aufhebung der elektrostatischen Ladungen, die sich
be i T bei Temperaturänderungen des Sensors 28 ergeben, bewirkt ein
Biegen
des Sensors 28 ein Fühlpotential über der Schaltung 36.
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Die verhältnismäßig steife leitende Schicht 31 bewirkt, daß der Sensor
28 auf eine Biegekraft reagiert, wie in Fig. 6 gezeigt, indem er sich um die Schicht
31 derart biegt, daß die Elektretschicht 29 komprimiert und die Schicht 3o gestreckt
werden. Folglich findet eine Ladungsansammlung auf den Oberflächen der Schichten
29, 3o statt, die ein Fühlpotential zur Folge hat, das dem Ausmaß des Biegens des
Sensors 28 proportional ist0 Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist in Fig. 7 als ein Sensor 39 mit den Elektretschichten 40, 41, der inneren leitenden
Schicht 42 und den äußeren leitenden Schichten 43, 44 dargestellt. Der Sensor 39
unterscheidet sich vom Sensor 28 der Fig. 5 darin, daß die Fühlschaltung 45 über
die äußeren leitenden Schichten 43 und 44 gelegt und die Elektretschichten, wie
von den Pfeilen 46, 47 gezeigt, entgegengesetzt gepolt sind.
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Entsprechend dem Sensor 28 hat eine gleichmäßige Temperaturvariation
des Sensors 39 keine Wirkung auf das Spannungspotential über der Schaltung 45, wie
in Fig. 7 gezeigt, aber durch Biegen des Sensors 39 entsteht ein Fühlpotential,
wie oben für den Sensor 28 beschrieben.
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L e e r s e i t e