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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft einen Siliziumhalbleiterdehnmessstreifen und
insbesondere einen Siliziumhalbleiterdehnmessstreifen, welcher eine
dünne Schicht
von hochleitfähigem
Silizium auf einer halbisolierenden Massensubstratschicht umfasst.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Silizium
wird allgemein als ein Halbleitersensormaterial verwendet, da es
viele große
physikalische Effekte bei verschiedenen angelegte Empfindlichkeiten
oder Signalen aufweist und die kostengünstige Serienherstellung von
Sensoren erlaubt. Ein sehr nützlicher
Effekt, welchen Silizium bietet, ist der Piezowiderstand. Dieser
Effekt wird durch Silizium als Reaktion auf eine angelegte mechanische
Belastung gezeigt. Dieser Effekt ist in Silizium beachtlich, da
seine durchschnittliche Mobilität
der Elektronen und Löcher
in großem
Umfang durch Belastung beeinflusst wird.
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Zahlreiche
Dehnmessstreifen auf Grundlage von Siliziumhalbleitermaterialien
wurden konstruiert und sind derzeit erhältlich. Viele dieser Dehnmessstreifen
werden aus Masseneinzelkristallsilizium hergestellt, wobei herkömmliche
Photolithographie- und Ätztechniken
zur Anwendung kommen.
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Ein
Hauptnachteil solcher Halbleiterdehnmessstreifen besteht darin,
dass ihr Dehnmessstreifenwiderstand direkt von ihrer Dicke abhängt. Wenn
sie in Großserien
hergestellt werden, kann der Dehnmessstreifenwiderstand von Messstreifen
zu Messstreifen um den Faktor 3 oder mehr schwanken, da derzeitige Ätzverfahren
nicht in der Lage sind, Gleichförmigkeit
in Bezug auf Dicke in der Größenordnung
von 12 Mikron (0,0005 Inch) zu erzielen. Dies hauptsächlich auf
Grund der Vorätzdicke
der Messstreifen, welche typischer weise ungefähr 152 Mikron (0,006 Inch)
beträgt
und erfordert, dass über
90% des Siliziums abgetragen werden muss. Das Überziehen bei der Messstreifendicke
um bloße
25 Mikron (0,001 Inch) führt
zu einer 20% Veränderung beim
Dehnmessstreifenwiderstand des Messstreifens.
US 4,459,159 beschreibt ein Verfahren
zur Herstellung von halbisolierendem Siliziumsubstrat für Halbleiterelemente
durch Erhitzen nach dem Verfahren des oxydierten und gedopten Siliziums.
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Dementsprechend
besteht ein Bedarf für
Siliziumdehnmessstreifen mit verbesserter Gleichförmigkeit des
Dehnmessstreifenwiderstands.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
wird ein Halbleiterdehnmessstreifen beschrieben, welcher eine elektrisch
widerstandsfähige
Substratschicht und eine Schicht elektrisch leitfähiges Silizium,
getragen durch die Substratschicht, umfasst. Die Siliziumschicht
kann eine epitaxiale Siliziumschicht sein, welche auf einer Oberfläche der Substratschicht
gewachsen ist, oder kann eine diffundierte oder Ionen implantierte
Schicht sein, welche auf der Oberfläche der Substratschicht ausgebildet
ist.
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Weiters
gemäß der Erfindung
wird eine Kraft messende und erfassende Vorrichtung beschrieben,
welche ein auf Kraft reagierendes Element und den oben beschriebenen
Halbleiterdehnmessstreifen umfasst, der auf dem Kraft reagierendem
Element angebracht ist, wobei der Dehnmessstreifen die Kräfte misst,
welche am auf Kraft reagierenden Element anliegen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden
einer Mehrzahl von Halbleiterdehnmessstreifen, welche einen im Wesentlichen
einheitlichen Widerstand aufweisen und welche allgemein unabhängig von der
Dicke einer elektrisch widerstandsfähigen Siliziumsubstratschicht
sind, bereit gestellt, umfassend:
Bereitstellen eines Wafers,
welcher aus einer kristallinen oder polykristallinen, halb isolierenden,
elektrisch widerstandsfähigen
Siliziumsubstratschicht ausgebildet ist, wobei der Wafer eine vordere
Oberfläche
und eine hintere Oberfläche
und eine Ausgangsdicke von ungefähr
380 Mikron aufweist;
Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Siliziumschicht
auf der vorderen Oberfläche
des Wafers aus elektrisch widerstandsfähigem Silizium, wobei die Schicht
eine gewachsene epitaxiale Schicht oder eine Ionen implantierte
Schicht oder eine diffundierte Schicht ist;
Steuern der Dicke
und der Leitfähigkeit
der elektrisch leitfähigen
Siliziumschicht durch wenigstens eines aus:
Regulieren der
Ablagerungsrate; und Einleiten einer geregelten Menge von Dotiermitteln
in einem Trägergasstrom;
Muster-Ausbilden
in der elektrisch leitfähigen
Siliziumschicht von einzelnen Dehnmessstreifen unter Verwendung
eines Ätzvorgangs,
wobei das Muster-Ausbilden sich ungefähr 12–14 Mikron in den Wafer hinein
erstreckt;
Läppen
der hinteren Oberfläche
des Wafers auf eine Dicke von ungefähr 100 Mikron;
Beschichten
des Wafers mit einem Leiterplattenschutzmaterial; und
Ätzen des
Rückens
des Wafers, bis die Muster der Dehnmessstreifen sichtbar sind, um
eine Gesamtmessstreifendicke im Bereich von 10–14 Mikron zu erzielen, wobei
der Widerstand des Dehnmessstreifens im Wesentlichen der Widerstand
der epitaxialen Schicht elektrisch leitfähigen Siliziums ist und unabhängig von
der Dicke der elektrisch widerstandsfähigen Substratschicht ist.
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In
einer Ausführungsform
umfasst der Schritt des Bereitstellens der kristallinen oder polykristallinen, halb
isolierenden Substratschicht das Bereitstellen einer Einzelkristall-Siliziumsubstratschicht.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst der Schritt des Ausbildens der epitaxialen Schicht aus elektrisch
leitfähigem
Silizium das Ausbilden einer epitaxialen Einzelkristallschicht aus
elektrisch leitfähigem Silizium.
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In
einer anderen Ausführungsform
wird der Schritt des Ausbildens der Schicht aus elektrisch leitfähigem Silizium
durch Ionenimplantierung oder Diffusion erzielt.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung des Weiteren das
Bemustern jedes Dehnmessstreifens in einer Schlangenform.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Vorteile, Natur und verschiedene zusätzliche Merkmale der Erfindung
werden umfassender bei Betrachtung der veranschaulichenden Ausführungsformen
hervor treten, welche nun detailliert in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Siliziumhalbleiterdehnmessstreifens
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
Aufrissansicht einer Kraft messenden und erfassenden Vorrichtung
ist, welche den Dehnmessstreifen der Erfindung einsetzt; und
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Siliziumhalbleiterdehnmessstreifens
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Es
versteht sich von selbst, dass diese Zeichnungen zum Zwecke der
Veranschaulichung der Konzepte der Erfindung dienen und nicht maßstabsgetreu
sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Siliziumhalbleiterdehnmessstreifens 10 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Dehnmessstreifen 10 der
Erfindung ist eine druckelektrische Vorrichtung, welche eine Kraft
ausnützt,
um eine Widerstandsveränderung
auf Grund mechanischer Belastung zu verursachen. Der Dehnmessstreifen 10 umfasst
eine Dünnschicht 14 von
elektrisch hoch leitfähigem
(höchst
leitfähigem)
Silizium eines angestrebten Leitfähigkeitstyps, welche durch
eine elektrisch relativ hoch widerstandsfähige (höchst widerstandsfähige) Trägersubstratschicht 12 getragen
wird. Die Trägersubstratschicht 12 ist
typischerweise aus kristallinem oder polykristallinem, halb isolierendem
Material aufgebaut wie intrinsisches Silizium oder leicht dotiertes
(p- oder n-Type)
Silizium.
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Der
Dehnmessstreifen 10 der Erfindung ist besonders nützlich zum
Messen von Kräften,
welche an Kraft empfänglichen
Metallelementen verschiedener Konfigurationen wie Träger, Membrane,
Platten, Stangen oder Ähnliches
angelegt werden. Solche Kraft empfängliche Elemente werden allgemein
in Druckmessanwendungen wie Dehnmessstreifendruckumwandler und in
anderen Mess- und ähnlichen
Anwendungen, welche Kraft empfängliche
Elemente verwenden, eingesetzt.
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2 zeigt
eine typische Kraft messende und erfassende Vorrichtung 20,
welche Dehnmessstreifen 10 der Erfindung einsetzt. Solch
eine Vorrichtung wird in der ebenfalls schwebenden US-Patentanmeldung
Nr. 09/146,890, zediert an Measurement Specialties Inc., der Zedent
hierin, beschrieben. Diese Patentanmeldung zeigt eine beispielhafte
Kraft messende und erfassende Vorrichtung, welche die Dehnmessstreifenvorrichtung der
Erfindung ausnützen
kann. Die Vorrichtung umfasst ein Kraft empfängliches Metallelement 22 mit
Dehnmessstreifen 10 gemäß der Erfindung,
welche darauf unter Einsatz von herkömmlicher Glasverklebung oder anderen
geeigneten Befestigungstechniken angebracht sind. Die Dehnmessstreifen
sind an dem Kraft empfänglichen
Element in einer Wheatstone-Brückenschaltung
angebracht. Obwohl diese Vorrichtung ein Kraft empfängliches
Element mit vier Dehnmessstreifen umfasst, wird eine Durchschnittsfachperson
auf diesem Gebiet der Technik erkennen, dass die Kraft empfänglichen
Elemente von anderen Vorrichtungen auch nur einen einzelnen Dehnmessstreifen
einsetzen können.
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Wie
unter erneuter Bezugnahme auf 1 ersichtlich
ist, kann der Dehnmessstreifen der Erfindung herkömmlich in
einer M-Form oder Schlangenform konfiguriert sein. Jedoch wurden
viele andere verfügbare Konfigurationen
bereits früher
beschrieben, welche für
die Richtung und Wahrnehmung der Belastungen oder Spannungen, die
in einem entsprechend zugeordneten Kraft empfänglichen Element erzeugt werden,
als Antwort auf eine Kraft ausgelegt sind und/oder für Widerstandsveränderungen,
die durch solche Belastungen in kristallinem Silizium für einen
gegebenen Leitfähigkeitstyp,
eine gegebene Kristallausrichtung und eine gegebene Richtung des
Stromflusses ausgelegt sind. Es wird ebenfalls mitgedacht, dass
der Dehnmessstreifen der Erfindung in praktisch jeder solcher Dehnmessstreifenkonfiguration
hergestellt werden kann, wenn dies gewünscht ist.
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In
einer typischen Ausführungsform
des Dehnmessstreifens der Erfindung (1) umfasst
die hoch leitfähige
Siliziumschicht eine 2–4
Mikron (0,00008–0,00017
Inch) dicke, 0,025–0,060
Ohm-cm epitaxiale Siliziumschicht (Epi-Silizium-Schicht) und die
Trägersubstratschicht
umfasst eine 8–10
Mikron (0,00033–0,00042 Inch)
dicke, 10 Ohm-cm oder größer Einzelkristallsiliziumschicht.
Diese Dehnmessstreifenausführungsform kann
in Serie durch Wachsenlassen einer Epi-Silizium-Schicht auf einer
geeignet polierten und gesäuberten Oberfläche eines
Einzelkristallsiliziumwafers unter Einsatz einer beliebigen herkömmlichen
Epitaxialablagerungstechnik hergestellt werden.
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Epitaxiale
Ablagerung setzt allgemein Dampfphasenablagerung in einem epitaxialen
Reaktor ein. In einem typischen Verfahren wird die polierte und
gesäuberte
Oberfläche
des Wafers erhitzt und die Epi-Silizium-Schicht wird darauf durch
Reagieren von Wasserstoff mit einer Siliziumverbindung wie Siliziumtetrachlorid in
einem Trägergas
abgelagert. Die Dicke und die Leitfähigkeit der Epi-Schicht Silizium
kann durch Regulieren der Ablagerungsraten und Einleiten gesteuerter
Mengen geeigneter Dotanden in den Trägergasstrom gesteuert werden.
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Nach
der epitaxialen Ablagerung wird die Epi-Schicht-Seite mit Mustern
in einzelne Dehnmessstreifen unter Verwendung herkömmlicher
Photolithographie- und Ätz-Techniken
versehen. Das Aufbringen von Mustern endet typischerweise ungefähr 12–14 Mikron
in den Wafer von seiner Epi-Schicht-Seite hinein. Die Substratschichtseite
des Wafers wird dann von einer Ausgangsdicke von ungefähr 380 Mikron
(0,015 Inch) aus auf eine Dicke von ungefähr 100 Mikron gelappt. Nach
dem Läppen
wird die Epi-Schicht-Seite des Wafers mit Photoresistmaterial beschichtet
und der Wafer wird chemisch zurück
geätzt
unter Verwendung herkömmlicher Techniken
bis das Muster der Messstreifen sichtbar ist, um eine Gesamtdehnmessstreifendicke
(unter Miteinbeziehung der Epi-Silizium-Schicht) von 10 bis 14 Mikron
bereit zu stellen. Das Resistmaterial wird dann herkömmlich entfernt
und metalli sierte elektrische Kontakte werden auf dem Epi-Silizium-Schichtabschnitt
der Messstreifen ausgebildet.
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3 zeigt
einen Dehnmessstreifen 30 gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung. In dieser Ausführungsform
wird eine dünne,
höchst
leitfähige
Schicht 36 in einer Oberfläche 34 einer Trägersubstratschicht
auf Siliziumbasis 32 ausgebildet. Diese höchst leitfähige Schicht
kann durch Diffusion oder Innenimplantation ausgebildet werden.
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Obwohl
nicht gezeigt, können
andere Ausführungsformen
des Dehnmessstreifens auch eine höchst leitfähige, epitaxiale Siliziumschicht,
die auf einer isolierenden Trägersubstratschicht,
die aus einem Einkristallaluminiumoxid oder einem beliebigen anderen
höchst
widerstandsfähigem
Material hergestellt ist, welches das epitaxiale Wachstum von Silizium
gestattet, gewachsen ist, umfassen.
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Der
Dehnmessstreifen der Erfindung stellt vorteilshafterweise einen
Dehnmessstreifenwiderstand bereit, welcher allgemein von der Gesamtdicke
des Messstreifens abhängig
ist. Ein Dehnmessstreifen der Erfindung, welcher aus einer 0,025
Ohm-cm, 6 Mikron (0,00025 Inch) dicken Epi-Siliziumschicht, die
auf einem Trägersubstrat
aus 25 Ohm-cm Silizium gewachsen ist, weist den folgenden Widerstand
als eine Funktion der Gesamtmessstreifendicke auf:
| Gesamtmessstreifendicke | Widerstand |
| 16,8
Mikron (0,0007 Inch) | 2994
Ohm |
| 14,4
Mikron (0,0006 Inch) | 2995
Ohm |
| 12,0
Mikron (0,0005 Inch) | 2997
Ohm |
| 9,6
Mikron (0,0004 Inch) | 2998
Ohm |
| 7,2
Mikron (0,0003 Inch) | 2999
Ohm |
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Ein
anderer Vorteil des Dehmmessstreifens der Erfindung besteht darin,
dass er in großer
Zahl mit höheren
Wider standswerten hergestellt werden kann, die gleichmäßiger von
Messstreifen zu Messstreifen sind als herkömmliche Dehnmessstreifen, wie
in Tabelle 1 und 2 unten dargestellt ist. Tabelle 1 zeigt die Widerstandswerte
der Dehnmessstreifen, welche von 5 unterschiedlichen Wafers von
Dehnmessstreifen der Erfindung ausgewählt sind, und Tabelle 2 zeigt
die Widerstandswerte der Dehnmessstreifen, welche von 5 unterschiedlichen
Wafers von herkömmlichen
Dehnmessstreifen ausgewählt
sind. Alle Dehnmessstreifen hatten die gleichen Abmessungen. Die
Widerstandsmessungen wurden durch Glasverkleben jedes ausgewählten Dehnmessstreifens
auf ein 1830 Mikron (0,072 Inch) dickes, trägerartiges, Kraft empfängliches
Element und Anlegen derselben Kraft an jedes Element erzielt. Tabelle 1
| #
des gemessenen Messstreifens | Widerstand
in Ohm | #
des gemessenen Messstreifens | Widerstand
in Ohm | #
des gemessenen Messstreifens | Widerstand
in Ohm | #
des gemessenen Messstreifens | Widerstand
in Ohm |
| 1 | 4200 | 24 | 4250 | 47 | 3810 | 69 | 3980 |
| 21 | 4260 | 25 | 4020 | 48 | 3860 | 70 | 4000 |
| 3 | 4330 | 26 | 3980 | 49 | 4200 | 71 | 4050 |
| 4 | 4420 | 27 | 4180 | 50 | 4250 | 72 | 4010 |
| 5 | 4480 | 28 | 4230 | 51 | 4160 | 73 | 3900 |
| 6 | 4340 | 29 | 4170 | 52 | 3940 | 74 | 4000 |
| 7 | 4320 | 30 | 4120 | 53 | 3880 | 75 | 3900 |
| 8 | 4180 | 31 | 4300 | 54 | 3900 | 76 | 4050 |
| 9 | 4270 | 32 | 4350 | 55 | 3910 | 77 | 4020 |
| 10 | 4320 | 33 | 4120 | 56 | 3890 | 78 | 4000 |
| 11 | 4280 | 34 | 4280 | 57 | 4000 | 79 | 3850 |
| 12 | 4230 | 35 | 4180 | 58 | 3780 | 80 | 3900 |
| 13 | 4200 | 36 | 4340 | 59 | 3890 | 81 | 4010 |
| 14 | 4250 | 37 | 3960 | 60 | 3890 | 82 | 4030 |
| 15 | 4400 | 38 | 3860 | 61 | 3910 | 83 | 4100 |
| 16 | 4300 | 39 | 3940 | 62 | 4000 | 84 | 4010 |
| 17 | 4180 | 40 | 3860 | 63 | 3890 | 85 | 3980 |
| 18 | 4200 | 41 | 3890 | 64 | 3980 | 86 | 3850 |
| 19 | 4120 | 42 | 4140 | 65 | 3920 | 87 | 3900 |
| 20 | 4100 | 43 | 3780 | 66 | 3990 | 88 | 4090 |
| 21 | 4150 | 44 | 3880 | 67 | 3990 | 89 | 3990 |
| 22 | 4200 | 45 | 4010 | 68 | 3980 | 90 | 3850 |
| 23 | 4005 | 46 | 4200 | | | | |
Tabelle 2
| #
des gemessenen Messstreifens | Widerstand
in Ohm | #
des gemessenen Messstreifens | Widerstand
in Ohm | #
des gemessenen Messstreifens | Widerstand
in Ohm | #
des gemessenen Messstreifens | Widerstand
in Ohm |
| 1 | 1240 | 26 | 1440 | 51 | 1390 | 76 | 1360 |
| 21 | 1280 | 27 | 1420 | 52 | 1390 | 77 | 1370 |
| 3 | 1290 | 28 | 1450 | 53 | 1380 | 78 | 1560 |
| 4 | 1300 | 29 | 1460 | 54 | 1450 | 79 | 1530 |
| 5 | 1360 | 30 | 1480 | 55 | 1390 | 80 | 1550 |
| 6 | 1350 | 31 | 1340 | 56 | 1530 | 81 | 1390 |
| 7 | 1440 | 32 | 1360 | 57 | 1480 | 82 | 1400 |
| 8 | 1450 | 33 | 1380 | 58 | 1450 | 83 | 1330 |
| 9 | 1370 | 34 | 1370 | 59 | 1410 | 84 | 1330 |
| 10 | 1330 | 35 | 1380 | 60 | 1480 | 85 | 1320 |
| 11 | 1440 | 36 | 1420 | 61 | 1460 | 86 | 1220 |
| 12 | 1540 | 37 | 1500 | 62 | 1300 | 87 | 1300 |
| 13 | 1450 | 38 | 1520 | 63 | 1310 | 88 | 1240 |
| 14 | 1530 | 39 | 1570 | 64 | 1470 | 89 | 1190 |
| 15 | 1590 | 40 | 1660 | 65 | 1400 | 90 | 1190 |
| 16 | 1660 | 41 | 1200 | 66 | 1530 | 91 | 1400 |
| 17 | 1530 | 42 | 1300 | 67 | 1520 | 92 | 1410 |
| 18 | 1660 | 43 | 1350 | 68 | 1600 | 93 | 1390 |
| 19 | 1600 | 44 | 1340 | 69 | 1530 | 94 | 1240 |
| 20 | 1650 | 45 | 1260 | 70 | 1520 | 95 | 1360 |
| 21 | 1320 | 46 | 1420 | 71 | 1370 | 96 | 1250 |
| 22 | 1300 | 47 | 1340 | 72 | 1330 | 97 | 1340 |
| 23 | 1370 | 48 | 1340 | 73 | 1400 | 98 | 1230 |
| 24 | 1250 | 49 | 1420 | 74 | 1410 | 99 | 1210 |
| 25 | 1310 | 50 | 1400 | 75 | 1400 | 100 | 1240 |
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Unter
Verwendung der Daten aus Tabelle 1 zeigten die Dehnmessstreifen
der Erfindung einen mittleren Widerstand von ungefähr 4070
Ohm, einen maximalen Widerstand von ungefähr 4460 Ohm und einen minimalen
Widerstand von ungefähr
3780 Ohm. Die Standardabweichung und die durchschnittliche Standardabweichung
für diese
Dehnmessstreifen betrug 168,2 Ohm beziehungsweise 97,1 Ohm und die
Prozent durchschnittliche Standardabweichung betrug 2,39.
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Im
Gegensatz dazu zeigten die herkömmlichen
Dehnmessstreifen der Tabelle 2 einen mittleren Widerstand von nur
ungefähr
1399,8 Ohm, eine maximale Widerstandsmessung von ungefähr 1660
Ohm und eine minimale Widerstandsmessung von ungefähr 1190
Ohm. Die Standardabweichung für
diese Dehnmessstreifen betrug 111,754 Ohm und die Prozent durchschnittliche
Standardabweichung betrug 7,984.