DD256628A3 - Anordnung zur betrags- und richtungsmäßigen Messung von Magnetfeldern - Google Patents
Anordnung zur betrags- und richtungsmäßigen Messung von MagnetfeldernInfo
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Abstract
Die Anordnung zur betrags- und richtungsmaessigen Messung von Magnetfeldern ist geeignet sowohl fuer raeumlich ausgedehnte als auch fuer eng lokalisierte Gleich- und Wechselfelder. Das Ziel der Erfindung ist eine von thermischen, induktiven und kapazitiven Stoerungen weitgehend freie Messanordnung. Die Aufgabe der Erfindung, eine bis zu sehr hohen Frequenzen verwendbare integrationsfaehige Messanordnung zu schaffen, wird dadurch geloest, dass zur thermischen, induktiven und kapazitiven Entkopplung die die Brueckenzweige darstellenden Streifenleiter gleicher Abmessung sich auf einem ebenen, elektrisch isolierenden, gut waermeleitenden Substrat parallel zueinander mit entgegengesetzter Hauptstromflussrichtung in jeweils gleichem moeglichst geringem Abstand befinden, die Brueckenzweige in symmetrischer Weise verbunden sind, Mittel zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes vorgesehen und die Polaritaet der Widerstandsaenderung jeweils benachbarter Brueckenelemente im zu messenden Feld entgegengesetzt ist. Figur
Description
Bekannt ist ein Meßfühler zum Messen eines äußeren Magnetfeldes auf der Grundlage des magnetoresistiven Effektes in dünnen ferromagnetischen Schichten (DE-OS 2911733). Vorzugsweise zwei aus magnetoresistiven Streifenleitern zusammengesetzte Magnetwiderstände bilden einen Teil einer Wheatstone-Brückenschaltung. Diese Anordnung besitzt folgende Nachteile:
Da die Hauptstromleitpfade benachbarter Brückenelemente vorzugsweise im Winkel 90° angeordnet sind, ist eine optimale Entkopplung thermischer, induktiver und kapazitiver Störeinflüsse nicht möglich.
Zur Erzielung der entgegengesetzten Widerstandsänderung benachbarter Brückenelemente sind unterschiedliche Vormagnetisierungsfelder nötig. Der Meßfühler benötigt Magnete zur Erzeugung des Vormagnetisierungsfeldes, beansprucht ein großes Volumen und ist daher nicht als komplette, miniaturisierte Dünnschichtanordnung rationell fertigbar.
Bekannt ist weiterhin ein Magnetometer aus einer uniaxialen magnetoresistiven Schicht, welches kein Vormagnetisierungsfeld benötigt (DD 0138107). Bei diesem können vier magnetoresistive Streifenleiter zu einer Wheatstone-Brücke zusammengesetzt werden. Diese Anordnung besitzt folgende Nachteile:
Da die Hauptstrompfade im Winkel 90° angeordnet sind, ist ebenso eine optimale Entkopplung thermischer, induktiver und kapazitiver Störeinflüsse nicht möglich.
Da zur Erzielung der entgegengesetzten Widerstandsänderung benachbarter Elemente die Vorzugsmagnetisierungsrichtung schräg zur Längsachse der magnetoresistiven Streifen liegt, ist die Anordnung magnetisch instabil, wenn das zu messende Feld einen gewissen Pegel überschreitet.
Die Anordnung kann nicht miniaturisiert werden, da eine Verringerung der Streifenbreite eine Erhöhung der entmagnetisierenden Felder quer zu den Streifenleitern zur Folge hat. Eine zur Stromrichtung nahezu parallele Anfangslage des Magnetisierungsvektors ist die Folge und die Magnetfeldempfindlichkeit der Anordnung ist stark reduziert.
Ziel der Erfindung
Mit der Erfindung wird das Ziel verfolgt, eine Anordnung zur Messung magnetischer Gleich- und Wechselfelder nach Betrag und Richtung auf der Grundlage des magnetoresistiven Effektes zu schaffen, bei der das Meßsignal nicht von thermischen, induktiven und kapazitiven Störungen beaufschlagt wird und die eingesetzt werden kann, ohne daß Mittel zur Erzeugung vormagnetisierender Felder benötigt werden. Die Schaltungsanordnung soll miniaturisierbar sein, so daß sie in Dünnschichttechnik rationell gefertigt werden kann und integrationsfähig ist.
Außerdem soll die Anordnung eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit, eine lineare Charakteristik und eine Richtungsempfindlichkeit bezüglich des zu messenden magnetischen Feldes besitzen, magnetisch stabil arbeiten und störunanfällig gegenüber der Wirkung von Umwelteinflüssen sein.
Die Ursache der Abhängigkeit des Ergebnissignals von thermischen, induktiven und kapazitiven Störungen sind Unsymmetrien bezüglich der Brückenelemente und Zuleitungen, nicht antiparallele Hauptstrompfade benachbarter Brückenelemente bzw. deren großen räumlichen Abstand. Zur Erzeugung der entgegengesetzten Polarität der Widerstandsänderung werden i.a. zusätzliche Mittei zur Erzeugung vormagnetisierter Felder benötigt, was den Aufbau von miniaturisierten Meßfühlern erschwert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine bis zu sehr hohen Frequenzen zur Messung magnetischer Gleich- und Wechselfelder nach Betrag und Richtung verwendbare, integrationsfähige Anordnung magnetoresistiver Streifenleiter zu schaffen, die infolge völliger Symmetrie thermische, induktive und kapazitive Störeinflüsse kompensiert, keine Mittel zur Erzeugung vormagnetisierender Felder benötigt, eine hohe magnetische Stabilität aufweist und miniaturisierbar ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur thermischen, induktiven und kapazitiven Entkopplung die die Brückenzweige darstellenden Streifenleiter gleicher Abmessung sich auf einem ebenen, elektrisch isolierenden, gut wärmeleitfähigen Substrat parallel zueinander mit entgegengesetzter Hauptstromflußrichtung in jeweils gleichem, möglichst geringem Abstand befinden, die Brückenzweige in symmetrischer Weise verbunden sind, Mittel zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes vorgesehen und die Polarität der Widerstandsänderung jeweils benachbarter Brückenelemente im zu messenden Feld entgegengesetzt ist.
Es ist vorteilhaft, wenn die Anordnung eine miniaturisierte Dünnschichtanordnung darstellt, wobei zur Ermöglichung eines Null-Abgleichs die Brückenzweige nur einseitig verbunden sind.
Für die Erzielung einer honen Magnetfeldempfindlichkeit ist es vorteilhaft, wenn die Streifenleiter.vorzugsweise aus einer oder mehreren dünnen uniaxialen oder unidirektionalen ferromagnetischen Schichten bestehen, wobei die Vorzugsmagnetisierungsachsen bzw. -richtungen um einen zwischen 0° und 90° liegenden Winkel, insbesondere 45° gegen die Richtung des Stromflusses in der ferromagnetischen Schicht geneigt sind.
Um den magnetoresistiven Effekt in der Anordnung zu linearisieren, wird dafür gesorgt, daß die Vorzugsmagnetisierungsachsen bzw. -richtungen parallel zur Längsachse der Streifenleiter liegen und die Streifenleiter zur Realisierung des Neigungswinkels zwischen Stromfiußrichtung und Vorzugsmagnetisierungsachse bzw. -richtung mit einer Mehrzahl paralleler, zur Längsachse der Streifenieiter unter einen zwischen 30° und 60°, insbesondere 45° liegenden Winkel verlaufenden Äquipotentialflächen elektrisch gut leitfähigen Materials versehen sind. Für schwache Felder gelingt eine völlige Linearisierung der Brückencharakteristik dadurch, daß zur Erzielung einer entgegengesetzten Polarität der Widerstandsänderung die Äquipotentialflächen benachbarter Brückenelemente derartig orientiert sind, daß die Summe der zugehörigen Phasenwinkel gegen die Längsachse der Streifenleiter 180° beträgt.
Durch das Eigenfeld der Äquipotentialflächen wird die magnetische Stabilität erhöht, wenn es parallel zur Magnetisierung wirkt. Die Anbringung einer oder mehrerer Schichten aus antiferromagnetischem Material ober-oder unterhalb des Meßstreifens und Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Hilfsfeldes parallel zur Längsachse der Streifenleiter gewährleisten ebenfalls eine höhere Stabilität und eine Erweiterung des Meßbereiches. Die Wahl des Materials der ferromagnetischen Schichten garantiert ein hohes Signal und eine hohe Empfindlichkeit, selbst in schwachen Feldern. Eine höhere Zuverlässigkeit wird erreicht, wenn die Oxydation magnetischer Schichten verhindert wird. Vorteilhaft ist auch die Verringerung des Temperaturkoeffizienten der Anordnung durch die Verringerung des Temperaturkoeffizienten der Einzelelemente.
Wird der Anordnung ein bandförmiger Steuerleiter zugeordnet, welcher die Brückenelemente symmetrisch überdeckt, kann die Messung des in diesem fließenden Stromes erfolgen. Vorteilhaft ist insbesondere die Variante, bei der Magnetwiderstände und Steuerleiter in einer Festkörperschaltung integriert sind und die Anordnung als Strom-Spannungs-Wandler arbeitet. Zusammenfassend ist festzustellen, daß die erfindungsgemäße Anordnung durch folgende Vorteile ausgezeichnet ist. Sie besitzt eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit und eine hohe magnetische Stabilität. Die Äquipotentialflächen definieren eindeutig den Neigungswinkel ohne zusätzliche Mittel zur Vormagnetisierung notwendig zu machen. Das gilt auch für die entgegengesetzte Polarität benachbarter Brückenzweige, die eine völlige Linearisierung der Brückencharakteristik gewährleistet. Das Eigenfeld der Äquipotentialflächen erhöht die magnetische Stabilität, wenn es parallel zur Magnetisierungsrichtung liegt. Durch die erreichbare Hysteresisfreiheit werden Übersteuerungseffekte in magnetischen Feldern vermieden. Selbst in schwachen Feldern ist ein hohes Signal garantiert. Die Einzelelemente weisen einen geringen Temperaturkoeffizienten auf.
Die Erfindungsoll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1: eine'Anordnung zur Messung von Magnetfeldern mit vier streifenförmigen Magnetwiderständen, auf die eine Mehrzahl von Äquipotentialflächen mit entsprechender Orientierung aufgebracht und zu einer offenen Wheatstone-Brücke verbunden sind.
Fig.2: den Stromlaufplan der Anordnung nach Fig. 1,
Fig. 3: einen Ausschnitt aus einem der Brückenelemente und
Fig. 4: einen Querschnitt der Anordnung mit zugeordnetem integrierten Steuerleiter.
In Fig. 1 ist eine gemäß der Erfindung gestaltete Anordnung zur Messung magnetischer Gleich- und Wechselfelder nach Betrag und Richtung dargestellt. Auf einem Substrat 1 hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. aus oxydiertem oder undotiertem Silizium-Einkristall, Saphir-Einkristall oder Beryllium-Keramik) befinden sich vier streifenförmige Magnetwiderstände 2-5. Die Magnetwiderstände bestehen aus einer 30nm dicken NiFeCo-Permalloyschicht. Die Vorzugsmagnetisierungsachse V. A. der NiFeCo-SchichtJiegt parallel zur Längsrichtung der Magnetwiderstände und bildet mit der Stromrichtung I in der ferromagnetischen Schicht einen Winkel von 45°. Der Neigungswinkel der Stromrichtung wird durch schräge, elektrisch gut leitende schmale Metallstreifen 6 aus Gold, die in Verbindung mit der NiFeCo-Schicht stehen, bewirkt. Die vier streifenförmigen
Magnetwiderstände sind zu einer einseitig offenen Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet, die mit dem Strom 21 betrieben wird. Ein äußeres Magnetfeld Hext in der Ebene der Streifenleiter bewirkt ein Drehmoment auf die zunächst parallel zur Vorzugsachse V. A. befindliche Magnetisierung der Magnetwiderstände. Dieses Drehmoment ist maximal, wenn Hext senkrecht zu den Meßstreifen liegt, und es ergibt sich eine Richtungsempfindlichkeit bezüglich des äußeren Feldes. Infolge der wechselseitigen Orientierung der Äquipotentialflächen benachbarter Brückenelemente ergeben sich infolge des magnetoresistiven Effektes wechselseitig positive und negative Widerstandsänderungen benachbarter Magnetwiderstände und damit eine Verstimmung der im Zustand Hext = 0 abgeglichenen Brücke. Das Differenzsignal U infolge der Brückenverstimmung stellt das Ausgangssignal der Anordnung dar und ist proportional zum äußeren Feld Hext und zum Strom I, der durch die Brücke fließt. Entsprechende elektrische Kontaktflächen sind zum Abgriff der Ausgangsspannung U7,8 und zur Zuführung des Betriebsstromes I der Brücke 9-11 vorgesehen.
In Fig. 2 ist der äquivalente Stromlaufplan der erfindungsgemäßen Anordnung entsprechend Fig. 1 dargestellt. Der Nullabgleich der miniaturisierten Dünnschichtanordnung erfolgt mit einem externen Potentiometer 12.
In Fig. 3 ist ein Abschnitt eines Brückenelementes mit entsprechenden Äquipotentialflächen 6 dargestellt. Die unter einem Winkel a =45° aufgebrachten Äquipotentialflächen erfüllen zwei Funktionen:
Erstens wird der Stromfluß!' in den magnetoresistiv wirkenden Abschnitten des Streifenleiters um einen Winkel β = 45° gegen die Hauptstromflußrichtung I parallel zur Längsachse des Streifens geneigt. Dies führt zu einer linearen Abhängigkeit der Widerstandsänderung des Streifens vom äußeren FeIdH8x,, das senkrecht zum Streifen angelegt ist. Zweitens erzeugt der Strom I" durch die Äquipotentialflächen ein zusätzliches magnetisches Feld in der Ebene derferromagnetischen Schicht. Infolge der Wirkung der Parallelkomponente H" dieses Feldes wird eine Richtung der Magnetisierung parallel zur Vorzugsweise energetisch begünstigt. In Abhängigkeit von der Stärke des Betriebsstromes I ergibt sich ein besonders stabiler Zustand, wenn die Ausgangslage der Magnetisierung parallel zu dieser im Sinne einer unidirektionalen Anisotropie resultierenden Vorzugsrichtung V.R. liegt. Dieser Zustand stellt sich automatisch ein, wenn der Betriebsstrom I einen gewissen Pegel überschreitet. Die erhöhte magnetische Stabilität zeigt sich in einer wesentlich verringerten Neigung zu einer Hysteresis im Ausgangssignal U. Zusätzliche, nicht vom Betriebsstrom I eisder Brücke abhängige magnetisch stabilisierende Mittel können vorgesehen werden. So befindet sich in Fig.3 unterhalb derferromagnetischen Schicht ein Antiferromagnetikum 13, bestehend aus einer FeMn-Legierung. Infolge der Wirkung von Austauschkräften zur ferromagnetischen Schicht resultiert eine unidirektionale Anisotropie, welche ebenso zu einer energetischen Bevorzugung einer Magnetisierungsrichtung führt, zweckmäßig parallel zur Längsachse der Streifenleiter. Eine solche unidirektionale Anisotropie, deren Stärke entsprechend der Wahl des antiferromagnetischen Materials erheblich sein kann, führt zu einer Erweiterung des linearen dynamischen Meßbereiches der Anordnung zu höheren Feldern. In Fig. 4 ist der Querschnitt der Anordnung mit einem integrierten Steuerleiter 14dargestelIt. Der Steuerleiter befindet sich durch eine Isolationsschicht 15 getrennt symmetrisch über den Brückenelementen und erzeugt ein Steuerfeld Hs in der Ebene der Magnetwiderstände senkrecht zu deren Längsachse. Da dieses Steuerfeld proportional zu dem im Steuerleiter fließenden Strom ls ist, kann dieser mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung gemessen werden. Da der Steuerleiter isoliert von den Magnetwiderständen angeordnet ist, erfolgt eine lineare Strom-Spannungs-Wandlung mit galvanischer Trennung von Steuer- und Meßstromkreis. Das Ergebnissignal U der Meßbrücke ist dabei proportional zum Produkt aus dem Betriebsstrom I der Brücke und dem Steuerstrom lst, so daß eine multiplikative Wirkung der integrierten Festkörperschaltung zustande kommt.
Claims (14)
- Erfindungsanspruch:1. Anordnung zur Messung von Magnetfeldern nach Betrag und Richtung unter Verwendung von vier zu einer Wheatstone-Brücke verbundenen magnetoresistiven Streifenleitern, dadurch gekennzeichnet, daß zurthermischen, induktiven und kapazitiven Entkopplung der Brückenzweige darstellenden Streifenleiter gleicher Abmessung sich auf einem ebenen, elektrisch isolierenden, gut wärrneleitfähigeri Substrat parallel zueinander mit entgegengesetzter Haupistromflußrichtung in jeweils gleichem, möglichst geringem Abstand befinden, die Brückenzweige in symmetrischer Weise verbunden sind. Mittel zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes vorgesehen und die Polarität der Widerstandsänderung jeweils benachbarter Brückenelemente im zu messenden Feld entgegengesetzt ist.
- 2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine miniaturisierte Dünnschichtanordnung darstellt, wobei zur Ermöglichung eines Null-Abgleichs die Brückenzweige nur einseitig verbunden sind.
- 3. Anordnung nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer hohen Magnetfeldempfindlichkeit die Streifenleiter vorzugsweise aus einer oder mehreren dünnen uniaxiaien oder unidirektionalen ferromagnetischen Schichten bestehen, wobei die Vorzugsmagnetisierungsachsen bzw. -richtungen um einen zwischen 0° und 90° liegenden Winkel, insbesondere 45° gegen die Richtung des Stromflusses in der ferromagnetischen Schicht geneigt sind.
- 4. Anordnung nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes die Vorzugsmagnetisierungsachsen bzw. -richtungen parallel zur Längsachse der Streifen leiter liegen und die Streifen leiter zur Realisierung des Neigungswinkels zwischen Stromflußrichtung und Vorzugsmagnetisierungsachse bzw. -richtung mit einer Mehrzahl paralleler, zur Längsachse der Streifenleiter unter einen zwischen 30° und 60°, insbesondere 45° liegenden Winkel verlaufenden Äquipotentialflächen elektrisch gut leitfähigen Materials versehen sind.
- 5. Anordnung nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer entgegengesetzten Polarität der Widerstandsänderung die Äquipotentialflächen benachbarter Brückenelemente derartig orientiert sind, daß die Summe der zugehörigen Phasenwinkel gegen die Längsachse der Streifen leiter 180° beträgt.
- 6. Anordnung nach Punkt 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der magnetischen Stabilität im Sinne einer unidirektionalen Anisotropie die Polarität der Ausgangsmagnetisierungsrichtung identisch mit der längs zum Streifenleiter wirkenden Komponente des Eigenfeldes der Äquipotentialflächen in der Schichtebene ist.
- 7. Anordnung nach Punkt 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der magnetischen Stabilität und Erweiterung des linearen dynamischen Meßbereiches eine oder mehrere Schichten aus antiferromagnetischem Material unterhalb oder oberhalb der Meßstreifen aufgebracht sind.
- 8. Anordnung nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der magnetischen Stabilität und Erweiterung des linearen dynamischen Meßbereiches Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Hilfsfeldes parallel zur Längsachse der Streifenleiter vorgesehen sind.
- 9. Anordnung nach Punkt 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung eines Hilfsfeldes in der Schichtebene senkrecht zur Längsachse der Meßstreifen zur Kompensation der auf die Meßstreifen wirkenden Felder vorgesehen sind.
- 10. Anordnung nach Punkt 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Schichten vorzugsweise aus Materialien mit hoher Widerstandsanisotropie, insbesondere polykristallinen NiFe, NiCo und NiFeCo-Legierungen mit niedrigen Kristall- und Magnetostriktionsenergien bestehen.
- 11. Anordnung nach Punkt 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Schichten mit einer Oxydationsschutzschicht belegt sind.
- 12. Anordnung nach Punkt 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Temperaturempfindlichkeit die magnetoresistiven Schichten eine elektrisch leitende Nebenschlußschicht mit negativem Temperaturkoeffizienten enthalten.
- 13. Anordnung nach Punkt 12, dadurch gekennzeichnet, daß isoliert von den Magnetwiderständen parallel zu deren Längsachse ein bandförmiger Steuerleiter, der die Brückenelemente symmetrisch überdeckt und ein magnetisches Feid in der Schichtebene senkrecht zur Längsachse der Magnetwiderstände erzeugt, vorgesehen ist.
- 14. Anordnung nach Punkt 13, dadurch gekennzeichnet, daß Magnetwiderstände und Steuerleiter in einer Festkörperschaltung integriert sind.Hierzu 1 Seite ZeichnungenAnwendungsgebiet der ErfindungDie Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Magnetfeldern nach Betrag und Richtung unter Verwendung von vier zu einer Wheatstone-Brücke verbundenen magnetoresistiven Streifen leitern. Ihr besonderer Vorteil ist die nahezu vollständige Entkopplung des Meßsignals von thermischen, induktiven und kapazitiven Störeinflüssen, wobei eine für viele Anwendungszwecke gewünschte Miniaturisierungsfähigkeit gewährleistet ist. Die Anordnung kann daher zur Messung sowohl räumlich ausgedehnter, als auch eng lokalisierter Gleich- und Wechselfelder eingesetzt werden. Unter Verwendung von ferromagnetischen dünnen Schichten mit hoher Widerstandsansotropie als aktives Streifenleitermaterial ist die Anordnung in einem Temperaturbereich von OK bis etwa 400K und in einem Frequenzbereich von OHz bis etwa 100MHz einsatzfähig. Die erforderliche Betriebsspannung liegt im Bereich von 0 bis etwa 10V, es kann auch mit einer nieder- oder hochfrequenten Wechselspannungsversorgung vergleichbaren Pegels gearbeitet werden. Dabei liefert die Schaltungsanordnung je nach Dimensionierung und Aussteuerung Signalamplituden bis etwa ±100mV.Der dynamische Meßbereich kann entsprechend der Meßaufgabe durch Dimensionierung und äußere Beschallung gewählt werden, wobei magnetische Gleich-und Wechselfelder im Bereich um etwa 10"11T bis etwa 1T gemessen werden können. Die Schaltungsanordnung ist unter Einbehaltung der genannten Grenzwerte miniaturisierbar und integrationsfähig und kann z. B. auf einem Chip der Größe 1 mm2 plaziert werden. Es ergeben sich daher vielfältige Einsatzmöglichkeiten, von denen nur einige Beispiele angegeben werden:Mit geringem Aufwand können ausgedehnte und eng lokalisierte schwache magnetische Felder, wie z. B. Streufelder in Abschirmungen und in der Nähe ferromagnetischer Körper mit einer sondenförmigen Anordnung gemessen oder eine Positionskontrolle magnetfeldbehafteter Körper vorgenommen werden. Auch ist der Einsatz zu Sonderanwendungen, wie z. B. der Messung von Magnetfeldern stromführender Leiter denkbar, wobei die Schaltungsanordnung als über das Magnetfeld gekoppelter Strom-Spannungs-Wandler wirkt. Eine Verstärkung und Konzentration zu messender Magnetfelder ist für viele Anwendungszwecke durch Ankopplung ferromagnetischer Flußleiter möglich.
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