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Die
Erfindung betrifft elektronische Bildsensoren und insbesondere Sensoren
sehr geringer Abmessungen, die die Realisierung von Miniaturkameras
gestatten, wie die, die sich zum Einsatz in ein Mobiltelefon eignen.
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Abgesehen
von dem sehr geringen Platzbedarf ist erwünscht, dass der Bildsensor
bei geringem Licht eine gute Empfindlichkeit und gute Farbmessleistungen
aufweist.
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Andererseits
ist es notwendig, dass die gesamte Kamera durch möglichst ökonomische
Verfahren hergestellt wird, um nicht zu unangemessen hohen Kosten
des Apparats zu führen.
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Um
dies zu erzielen, wird einerseits versucht, den Bildsensor und die
zugeordneten elektronischen Schaltungen wenn möglich auf demselben Siliziumsubstrat
auszuführen
und andererseits wird versucht, möglichst viele Abscheidungen
verschiedener Schichten, Aufprägungen,
Wärmebehandlungen usw.
auf kollektive Weise auf einem Siliziumwafer (oder „Wafer"), der zahlreiche
identische Sensoren umfasst, auszuführen, bevor der Wafer in einzelne Sensoren
unterteilt wird. Die Patentschrift WO-A-9940624 beschreibt ein Herstellungsverfahren
eines Bildsensors, das die Bildung von metallisierten Öffnungen
auf der Vorderseite eines Siliziumwafers, der das Substrat des Sensors
bildet, umfasst.
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In
dieser Hinsicht bieten die bislang vorgeschlagenen Herstellungsverfahren
und Bildsensorstrukturen jedoch keine vollkommene Zufriedenstellung:
die Herstellungsverfahren sind industriell nicht effizient, sie
bleiben zu kostspielig und weisen eine zu schwache Ausbeute für Serienherstellungsanwendungen
auf oder die Leistungen des Bildsensors sind nicht ausreichend gut.
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Die
vorliegende Erfindung zielt auf den Vorschlag eines Herstellungsverfahrens
und eines entsprechenden Bildsensors, die bei gleichzeitiger Bereitstellung
guter Qualitäten
und insbesondere geringen Platzbedarfs, einer guten Empfindlichkeit
und guter Farbmessleistungen die Herstellungskosten verringern.
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Dazu
schlägt
die Erfindung ein Herstellungsverfahren eines Bildsensors vor, das
Folgendes umfasst:
- – Bildung einer Reihe aktiver
Zonen, die Bilderfassungsschaltungen aufweisen und jeweils einem jeweiligen
Bildsensor entsprechen, auf der Vorderfläche eines Halbleiterwafers,
vorzugsweise aus monokristallinem Silizium, wobei jede aktive Zone
von Eingangs-/Ausgangskontakten umgeben ist,
- – Ausrichtung
des Wafers mit seiner Vorderfläche auf
die Vorderfläche
eines Trägersubstrats,
- – Entfernung
eines Großteils
der Dicke des Siliziumwafers, so dass auf dem Substrat eine dünne Schicht
Silizium bleibt, die die Bilderfassungsschaltungen umfasst,
wobei
dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist: - – dass auf
dem dergestalt abgedünnten
Siliziumwafer danach einerseits Farbfilterschichten abgeschieden
und darauf aufgeprägt
werden,
- – vor
der Ausrichtung des Halbleiterwafers auf dem Substrat an der Vorderseite
des Wafers andererseits metallisierte Öffnungen ausgebildet werden,
die sich tiefer erstrecken, als die an der Oberfläche des
Halbleiterwafers gebildeten Elemente der Erfassungsschaltungen,
und der Schritt des Entfernens des Großteils der Dicke des Halbleiterwafers
die Freilegung der Metallisierung der metallisierten Öffnungen
von der Rückseite
des Substrats aus umfasst,
- – das
Substrat nach der Abscheidung und der Aufprägung von Farbfiltern schließlich in
einzelne Sensoren zerteilt wird.
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Vorzugsweise
umfassen die aktiven Zonen gleichzeitig eine Matrize aus lichtempfindlichen
Elementen, Steuerschaltungen der Matrize und zugeordnete Bildbehaldnungsschaltungen,
die von den lichtempfindlichen Elementen der aktiven Zone ausgegebene
Signale empfangen. Die der Matrize so zugeordneten Schaltungen sind
vorzugsweise durch eine Aluminiumschicht vor Licht geschützt, wobei
nur die lichtempfindliche Matrize dem Licht ausgesetzt ist.
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Die
Ausrichtung des Halbleiterwafers kann durch Aufkleben, herkömmliches
Löten,
anodisches Löten
(im Englischen anodic bonding genannt) oder durch einfaches molekulares
Anhaften (infolge des zwischen den beiden sehr ebenen Flächen erhöhten Kontakts)
erfolgen.
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Das
Abdünnen
des Wafers nach der Ausrichtung auf dem Substrat und von der Abscheidung
von Farbfiltern kann auf verschiedene Weisen erfolgen: Abdünnen durch
Abschleifen, chemisches Abdünnen oder
einer Kombination beider Arten (zuerst mechanisch, dann chemische
Endausführung
oder mechanische Bearbeitung in Gegenwart chemischer Produkte);
das Abdünnen
kann auch durch vorherige Versprödung
des Wafers auf die Ebene der erwünschten
Schicht erfolgen, insbesondere durch Einbringen von Wasserstoff
in der Tiefe der Ebene der erwünschten
Schicht. Im letzteren Fall erfolgt das Einbringen von Wasserstoff
in einer geringen Tiefe in dem Halbleiterwafer vor Ausrichtung des
Wafers auf dem Substrat. Das Abdünnen
erfolgt danach durch eine Wärmebehandlung,
die den Halbleiterwafer auf die Ebene der eingebrachten Schicht
abträgt,
wodurch eine dünne
Halbleiterschicht in Kontakt mit dem Substrat bleibt.
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Beträchtliches
Abdünnen
des Wafers verringert die Dicke des Wafers vor der Ausrichtung auf dem
Substrat um mehrere Hunderte Mikron auf 3 bis 20 Mikrometer nach
der Ausrichtung des Substrats. Das Abdünnen ist ein wichtiger Qualitätsfaktor
der Sensoren, da es die Farbmessleistungen und die Empfindlichkeit
erhöht.
Bei nicht abgedünnten
Sensoren, die durch die Schicht beleuchtet werden oder aus mehreren
isolierenden und leitenden Schichten gebildet sind, die zur Definition
der Bilderfassungsschaltungen dienen, wird das Licht, das einen
Farbfilter durchquert hat, auf die lichtempfindlichen Stellen, die
den verschiedenen Farben entsprechen, verteilt, wodurch die Farbmessleistung
verschlechtert wird. Außerdem
wird die Empfindlichkeit eines abgedünnten Sensors verbessert, da
die Photonen in einer größeren Siliziumzone
eintreffen als bei nicht abgedünnten
Sensoren, die nicht durch metallische, opake Schichten abgeschlossen
sind, welche einen großen
Teil der Oberfläche,
der jeweils jeder lichtempfindlichen Stelle entspricht, bedecken.
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Es
versteht sich jedoch, dass das Abdünnen die Herstellungsprobleme
kompliziert, da nach dem Abdünnen
des Halbleiters insbesondere das Silizium seine Festigkeit verliert
und recht brüchig
wird, was außerdem
ein Problem beim Verbinden der Bilderfassungschaltungen mit dem Äußeren darstellt.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht,
diesen Schwierigkeiten abzuhelfen und Bildsensoren bei guter Ausbeute
herzustellen.
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Die
Verbindungsanschlüsse
der so ausgeführten
Sensoren befinden sich auf der Vorderseite des Substrats neben der
Stelle, an der sich das abgedünnte
Silizium befindet, wobei das Licht zum Formen eines Bilds von derselben
Seite empfangen wird.
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Das
Substrat und die Siliziumschicht befinden sich in engem Kontakt
und die aktiven Schaltelemente des Wafers sind durch diese Seite
gut geschützt.
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Schließlich kann
auf die abgedünnte
Siliziumschicht, die mit Farbfiltern bedeckt ist, gegenüber jedes
Sensors ein Bogen transparenten Materials platziert werden, wie
beispielsweise eine Durchgangsschicht oder Mikrolinsen. Diese Vorgänge werden
auf dem Wafer vorzugsweise vor dem Unterteilen in einzelne Sensoren
ausgeführt.
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Die
Dicke des Substrats beträgt
bei einem Substrat mit einem Durchmesser von 15 bis 20 Zentimetern
beispielsweise 500 Mikrometer. Die Dicke des Siliziumwafers beträgt 500 bis
1000 Mikrometer vor dem Abdünnen
(Durchmesser 15 bis 30 Zentimeter) und 3 bis 20 Mikrometer nach
dem Abdünnen.
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Vor
dem Ausrichten auf dem Substrat können Planarisierungsschichten,
beispielsweise aus Polyimid, auf dem Siliziumwafer abgeschieden
werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der ausführlichen
folgenden Beschreibung ersichtlich, welche mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
erfolgt, in denen:
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1 die
Struktur eines auf einem Siliziumwafer ausgeführten Bildsensors vor der Positionierung
von Farbfiltern darstellt;
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2 das
Bilden von mit einer Metallschicht gefüllten Öffnungen auf diesem Wafer darstellt;
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3 den
Vorgang des Ausrichtens des Siliziumwafers mit seiner Vorderfläche auf
einem Trägersubstrat
darstellt;
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4 das
Trägersubstrat
mit dem Siliziumwafer nach dem Abdünnen des Wafers darstellt;
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5 das
eine abgedünnte
Silizumschicht tragende Substrat darstellt, auf dem ein Mosaik aus Farbfiltern
abgeschieden worden ist.
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1 stellt
die allgemeine Struktur eines Siliziumwafers dar, auf dem durch
herkömmliche
Techniken Bilderfassungsschaltungen einer Vielzahl von Bildsensoren
ausgeführt
worden sind.
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Der
Siliziumwafer 10 (oder „Wafer") weist zum Beispiel eine Dicke von
mehreren Hunderten Mikrometern bei einem Durchmesser von 150 bis
300 Millimetern auf.
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Die
Bilderfassungsschaltungen (Matrize der lichtempfindlichen Stellen,
Transistoren, Verbindungen) werden auf einer Fläche des Siliziumwafers hergestellt,
die Vorderfläche
genannt werden kann und die in 1 die obere
Fläche
ist. Die Herstellung impliziert einerseits verschiedene Diffusionen
und Implantierungen in dem Silizium von der Waferoberfläche aus,
um insbesondere die lichtempfindlichen Zonen 12 zu bilden,
und andererseits das nachfolgende Abscheiden und Aufprägen von
leitenden Schichten 14 und isolierenden Schichten 16,
die auf den lichtempfindlichen Zonen 12 eine Aufschichtung
bilden. Die isolierenden und leitenden Schichten bilden einen Teil
der Bilderfassungschaltungen und gestatten den Empfang elektrischer
Ladungen, die in den lichtempfindlichen Schichten durch ein auf
den Sensor projiziertes Bild erzeugt werden.
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Bei
Ausführung
des Sensors mit herkömmlicher
Technik wäre
auf der Waferoberfläche
dann ein Mosaik aus Farbfiltern abgeschieden worden. Gemäß der Erfindung
werden diese in dieser Stufe nicht abgeschieden und es werden Vorbereitungsschritte vorgenommen.
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Für jeden
einzelnen auf dem Siliziumwafer gebildeten Bildsensor umgeben Eingangs-/Ausgangsanschlüsse eine
aktive Oberfläche,
die zugleich eine Matrize der lichtempfindlichen Zonen und der zugeordneten
elektronischen Schaltungen umfasst.
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Diese
Eingangs-/Ausgangsanschlüsse
(22 in 2) sind mit den leitenden Schichten 14 verbunden
und in der vorliegenden Erfindung auf die folgende Weise ausgeführt: in
der Aufschichtung von isolierenden Schichten 16 werden Öffnungen 25 bis
zur Tiefe des Siliziumsubstrats ausgeführt. Die Tiefe der Öffnungen 25 ist
größer als
die Gesamttiefe der Bilderfassungsschaltungen (lichtempfindliche
Zonen, Verbindungen usw.), die auf dem Siliziumwafer gebildet sind.
Diese Tiefe entspricht ungefähr
der Dicke des Siliziums, das nach dem letzten Abdünnen des Silizium
verbleibt und die Bilderfassungsschaltungen enthält.
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Das
von der Rückseite
des Wafers erfolgende Abdünnen
des Siliziums erreicht im Prinzip genau den Boden der Öffnungen 25.
Es versteht sich jedoch, dass die Tiefe der Öffnungen 25 sich von
der für
das abgedünnte
Silizium erwünschte
Dicke etwas unterscheiden kann. In der Regel beträgt die Tiefe der Öffnungen 25 im
Bereich von 5 bis 20 Mikron im Inneren des Siliziums des Wafers,
das heißt
ungefähr 15
bis 30 Mikrometer oberhalb der Oberfläche der Aufschichtung von leitenden
und isolierenden Schichten 14, 16.
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In
den Öffnungen 25 wird
zuvor vorzugsweise eine isolierende Schicht 26 gebildet.
Danach wird eine metallische Schicht abgeschieden und aufgeprägt, die
die Verbindungsanschlüsse 22 bildet.
Diese Verbindungsanschlüsse
kontaktieren eine der leitenden Schichten 14. Wenn dafür Öffnungen
zum lokalen Freilegen einer Schicht 14 notwendig sind,
werden die isolierenden Schichten 16, die die Schicht 14 bedecken,
vor der Abscheidung der metallischen Schicht in der Öffnung 25 lokal
eingeschnitten.
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In
diesem Stadium werden noch keine Farbfilter abgeschieden, sondern
der Wafer wird mit seiner Vorderseite auf ein Substrat 20 (3)
ausgerichtet. Das Substrat ist ein Wafer des gleichen Durchmessers wie
der Wafer 10 und weist eine analoge Dicke auf, um die Festigkeit
der Struktur während
der Herstellung sicherzustellen. Sie kann außerdem aus einem anderen Siliziumwafer
bestehen. Die Ausrichtung kann nach der Abscheidung einer Planarisationsschicht
erfolgen, die zum Ausgleichen der auf der Vorderfläche des
Siliziumwafers durch die Arbeitsgänge des Abscheidens und Aufprägens der Aufschichtung
von leitenden und isolierenden Schichten erzeugten Reliefs dient.
Diese Planarisationsschicht muss nicht transparent sein.
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In 3 wird
die Struktur in einem kleineren Maßstab als in 1 gezeigt,
um die Gesamtheit eines einzelnen Sensors zu zeigen, der eine aktive Zone
ZA und Verbindungsanschlüsse 22 um
die aktive Zone ZA umfasst.
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Die
Ausrichtung des Siliziumwafers auf dem Trägerwafer 20 kann auf
verschiedene Weisen erfolgen, wobei die einfachste Weise einfach
ein Halten durch molekulares Anhaften ist, wobei die große Planarität der Oberflächen, die
in Kontakt sind, erhöhte Kontaktkräfte erzeugt.
Ankleben ist ebenfalls möglich.
Löten über die
Verbindungsanschlüsse 22 und die
zuvor in dem Substrat 20 geformten entsprechenden Anschlüssen ist
ebenfalls möglich.
In diesem Fall ist es außerdem
denkbar, dass das Substrat 20 Elemente der aktiven oder
passiven Hilfsschaltungen umfasst, die mit diesen Anschlüssen verbunden
sind und die somit direkt mit dem Bildsensor verbunden werden können.
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Nach
der Ausrichtung des Siliziumwafers mit seiner Vorderseite auf dem
Trägerwafer
wird der Großteil
der Dicke des Siliziumwafers 10 entfernt, wobei nur eine
Dicke von ungefähr
8 bis 30 Mikrometern einschließlich
der Dicke der Aufschichtung von Schichten 14, 16 verbleibt.
Der verbleibende Rest des Siliziumwafers ist nur eine Überlagerung
von einigen Mikrometern (beispielsweise ungefähr 12), für die Aufschichtung von Schichten 14, 16 und
ungefähr 3
bis 20 Mikrometern für
die Dicke des Restsiliziums, einschließlich der lichtempfindlichen
Schichten 12. Die Restdicke ist die Schicht 30 aus 4,
die die lichtempfindlichen Zonen 12 der 1 enthält.
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Das
Abdünnen
lässt die
Metallisation der Verbindungsanschlüsse 22 erscheinen,
damit auf diese von der Rückseite
des Siliziumwafers aus elektrisch zugegriffen werden kann (wobei
die Vorderseite die Oberseite in 1 ist, die
in den 4 und 5 nach oben gerichtet und von
dem Substrat 20 bedeckt wird).
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Wenn
das Abdünnen
etwas weiter als der tiefste Teil der Metallisierung erfolgt, muss
ein Teil dieser Matallisierung verbleiben, um einen Zugang zu ermöglichen.
Wenn das Abdünnen
etwas weniger (einige Mikrometer) als der tiefste Teil der Metallisierung
erfolgt, muss erwogen werden, die Rückseite des abgedünnten Siliziums
schließlich
zu öffnen,
damit die Zugangsöffnungen
die Metallisierungen 22 freilegen.
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Der
Abdünnvorgang
kann durch mechanische Bearbeitung (Abschleifen) mit chemischer
Endbearbeitung oder nur durch chemische Bearbeitung oder durch mechanische
Bearbeitung in Gegenwart chemischer Produkte erfolgen, oder auch
mittels eines besonderen Abtrennprozesses, der zuvor das Einbringen
einer versprödenden
Verunreinigung in die Ebene erfordert, die die abgedünnte Siliziumschicht
begrenzen wird.
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In
dem Fall dieser Trennung durch Einbringen von Verunreinigungen,
muss dieses Einbringung vor der Ausrichtung des Siliziumwafers auf
dem Trägerwafer
erfolgen. Das Einbringen erfolgt durch die Vorderseite des Siliziumwafers über seine
gesamte Oberfläche
und in einer Tiefe, die die Ebene der Schicht definieren wird. Bei
der vorherigen Einbringung handelt es sich vorzugsweise um die Einbringung
von Wasserstoff. Sie kann in verschiedenen Herstellungsstadien des
Wafers erfolgen, die Abtrennung der Dicke des Wafers entlang der
eingebrachten Schicht erfolgt jedoch erst nach der Ausrichtung des
Siliziumwafers auf dem Trägerwafer.
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Die
obere Oberfläche
der abgedünnten
Siliziumschicht 30 kann behandelt werden (Endabschleifen,
chemische Reinigung, mechanisch-chemisches Polieren usw.), um Fehler
in der Oberfläche
zu entfernen, was zu einem Wafer mit mehreren Sensoren führt, dessen
allgemeine Struktur die in 4 gezeigte
ist.
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Ein
Mosaik aus Farbfiltern 18 wird dann auf die Oberfläche der
Schicht 30 abgeschieden (5). Vor
den Farbfiltern können
jedoch auch Zusatzschichten und insbesondere Passivierungsschichten, Antireflexschichten,
Schichten zur elektrischen Aktivierung usw. abgeschieden werden.
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Nach
Abscheiden und Aufprägung
der Farbfilter können
auf der Rückseite
der Struktur (die beleuchtet werden wird) ein Glasfilm oder eine
einzelne Linse für
den Bildsensor oder eine Matrize aus Mikrolinsen mit derselben Beabstandung
wie die Farbfilter 18 abgeschieden werden.
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Die
Verbindungsanschlüsse,
die für
den Abdünnvorgang
freigelegt bleiben, können
für eine
Verbindung vom Typ des „Wire
bondings" (Auflöten von Leitungen 54 an
den Anschlüssen)
oder vom Typ des „Flip
chip" (Chip, der
mit den Verbindungsanschlüssen
zu den Verbindungsanschlüssen
einer Schaltkarte gedreht ist, auf die Zwischenleitbossen 56 aufgeprägt sind)
dienen. Im letzteren Fall erfolgt die Beleuchtung des Sensors von
unterhalb der aufgeprägten
Leitungskarte und die Karte muss gegenüber der lichtempfindlichen
Matrize eine Öffnung
umfassen.
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In
diesen verschiedenen Ausführungsformen kann
die auf dem Substrat 40 gebildete Struktur auf dem Wafer über die
Verbindungsanschlüsse
getestet werden. Der Test kann in Gegenwart von Licht, von Bildmotiven
usw. erfolgen.
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Die
Struktur wird bis zum Ende des Herstellungsprozesses nicht in einzelne
Sensoren in Hinsicht auf eine Einkapselung unterteilt.