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Aus
der Druckschrift
EP
0995265 B1 ist ein als Reaktanzfilter ausgebildetes Oberflächenwellenbauelement
bekannt.
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Aus
der Druckschrift
DE
102005027457 A1 ist ein in seiner Frequenz abstimmbares
Oberflächenwellenbauelement bekannt.
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Eine
zu lösende Aufgabe ist es, ein Oberflächenwellenbauelement
anzugeben, das derart ausgebildet ist, dass es elektrisch getrimmt
werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch ein Oberflächenwellenbauelement nach
Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Trimmen eines Oberflächenwellenbauelements nach
Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Oberflächenwellenbauelements
sowie des Verfahrens zum Trimmen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Es
wird ein Oberflächenwellenbauelement angegeben, das strukturierte
Metallisierungen aufweist. Die strukturierten Metallisierungen umfassen wenigstens
zwei Reflektoren und wenigstens einen in lateraler Richtung zwischen
den Reflektoren angeordneten Wandler sowie wenigstens eine Trimmelektrode.
Die Trimmelektrode ist vorzugsweise in einer akustischen Spur angeordnet,
wobei die akustische Spur wenigstens durch den einen Wandler und
angrenzende Bereiche der Reflektoren definiert ist. Die Trimmelektrode
ist mit wenigstens einem Trimmkondensator elektrisch leitend verbunden.
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Die
akustische Spur umfasst vorzugsweise den gesamten Reflektor. Die
akustische Welle klingt innerhalb der akustischen Spur in einem
begrenzten Frequenzbereich, dem so genannten Stopband ab. Außerhalb
des begrenzten Frequenzbereiches kann sich die Welle im Reflektor
jedoch weiter ausbreiten und diesen sogar durchdringen.
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Die
Trimmelektrode ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie einen
Einfluss auf den Stopbandbereich des Oberflächenwellenbauelements ausüben
kann.
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In
einer Ausführungsform kann die Trimmelektrode auch mehrere
als Fingerelektroden ausgebildete Einzelelektroden umfassen, die
eine Trimmstruktur bilden.
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In
einer Ausführungsform ist der Trimmkondensator außerhalb
der akustischen Spur des Oberflächenwellenbauelements und
insbesondere vertikal (transversal) gegen die akustische Spur versetzt
angeordnet.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann der Trimmkondensator
auch innerhalb der akustischen Spur des Oberflächenwellenbauelements
angeordnet sein. Ein Trimmkondensator, der innerhalb der akustischen
Spur angeordnet ist, hat insbesondere den Vorteil, dass das Oberflächenwellenbauelement gegenüber
einem vergleichbaren aber nicht trimmbaren Oberflächenwellenbauelement
relativ Platz sparend auf nur geringfügig erhöhter
Chipfläche hergestellt werden kann.
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In
einer Ausführungsform ist der Trimmkondensator nicht auf
dem Substrat des Oberflächenwellenbauelements angeordnet,
sondern beispielsweise auf einem Gehäuse oder einer Abdeckung über
den Metallisierungsstrukturen der akustischen Spur. Dies hat den
Vorteil, dass der Trimmkondensator besonders leicht zugänglich
ist und entsprechend einfach getrimmt werden kann.
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In
einer Ausführungsform weist der Trimmkondensator mehrere
Kondensatorelektroden auf, wobei die Kondensatorelektroden vorzugsweise
parallel zu der akustischen Spur des Oberflächenwellenbauelements
angeordnet sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform können die Kondensatorelektroden
des Trimmkondensators auch senkrecht zu der akustischen Spur des
Oberflächenwellenbauelements angeordnet sein.
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In
einer einem Wandler ähnlichen Elektrodenstruktur eines
Trimmkondensators könnten möglicherweise Hochfrequenz-Schwingungen
entstehen, die sich auf die akustische Spur des Oberflächenwellenbauelements
auswirken könnten.
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Der
Trimmkondensator ist daher vorzugsweise derart ausgebildet, dass
er keine akustische Anregung in dem relevanten Frequenzbereich des
Oberflächenwellenbauelements aufweist. Dazu weist er einen
Pitch (= Abstand der Elektrodenfinger) auf, der sich deutlich von
dem des Wandlers unterscheidet und mit dem auch sonst keine Anregung
bei störenden Frequenzen erfolgen kann. Dadurch wird verhindert,
dass durch den Trimmkondensator eine unerwünschte Anregung
erzeugt wird, die sich in der akustischen Spur des Oberflächenwellenbauelements
ausbreiten könnte und so zu Störungen in dem relevanten
Frequenzbereich des Oberflächenwellenbauelements führen.
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In
einer Ausführungsform ist der Trimmkondensator wenigstens
mit einem der Reflektoren des Oberflächenwellenbauelements
oder mit einer geeigneten Masse elektrisch leitend verbunden.
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In
einer weiteren Ausführungsanordnung ist der Trimmkondensator
innerhalb eines Reflektorbereichs des Oberflächenwellenbauelements
und vorzugsweise an dem Ende eines der Reflektoren angeordnet, das
zum Wandler hin weist. Hierbei können die Kondensatorelektroden
des Trimmkondensators von dem Metallisierungsstrukturen des Reflektorbereichs
elektrisch getrennt sein. In einer weiteren Ausführungsform
kann der Trimmkondensator jedoch auch mit der Metallisierungsstrukturen
des Reflektorbereichs elektrisch verbunden sein. Die Kondensatorelektroden
können im Bezug zu der Metallisierungsstruktur des Reflektorbereichs
floatend angeordnet sein, wobei aber eine Elektrode des Trimmkondensators
eine elektrisch leitende Verbindung zu der Trimmelektrode beziehungsweise
zur Trimmstruktur aufweist.
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Die
Trimmelektrode ist vorzugsweise im Bereich der maximalen Energiedichte
der akustischen Spur des Oberflächenwellenbauelements angeordnet.
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In
einer Ausführungsform kann die Trimmelektrode auch mehrere
elektrisch verbundene aber von einander beabstandete Elektrodenfinger
aufweisen.
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In
einer Ausführungsform kann neben einer ersten Trimmelektrode
auch eine weitere Trimmelektrode in der akustischen Spur des Oberflächenwellenbauelements
angeordnet sein, wobei die einzelnen Trimmelektroden vorzugsweise
in Bereichen der akustischen Spur angeordnet sind, die eine relativ hoher Energiedichte
aufweisen. Bevorzugt sind Bereiche mit einem relativen oder absoluten
Maximum der Energiedichte.
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In
einer Ausführungsform können die erste und die
zweite Trimmelektrode oder weitere zusätzliche Trimmelektroden
eine identische Struktur bezüglich ihrer Form und/oder
Länge aufweisen.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist es jedoch auch möglich,
dass die einzelnen Trimmelektroden eine unterschiedliche Struktur
aufweisen.
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Die
einzelnen Trimmelektroden können alle mit dem gleichen
Trimmkondensator oder auch mit unterschiedlichen Trimmkondensatoren
verbunden sein.
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Sind
mehrere Trimmkondensatoren vorhanden, so können diese elektrisch
parallel und vorzugsweise gegen Masse geschaltet sein.
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Das
Oberflächenwellenbauelement ist vorzugsweise auf einem
piezoelektrischen Substrat angeordnet.
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Als
Material für ein piezoelektrisches Substrat werden beispielsweise
LiTaO3-42YX, LiNbO3, Quarz oder andere geeignete Materialien verwendet.
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Zum
Trimmen eines wie zuvor beschriebenen Oberflächenwellenbauelements
können einzelne Kondensatorelektroden des Trimmkondensators – beispielsweise
mittels eines Lasers – in ihrer Struktur verändert
werden, wodurch sich die Kapazität des Trimmkondensators
und somit auch die elektrische Anbindung der Trimmelektrode beziehungsweise
der Trimmstruktur verändert.
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In
einer Ausführungsform können einzelnen Kondensatorelektroden
des Trimmkondensators teilweise beziehungsweise vollständig
durchtrennt werden.
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Durch
eine Änderung der Trimmkapazität des Trimmkondensators
wird die Trimmelektrode beziehungsweise die Trimmstruktur elektrisch
variabel angeschlossen. Dadurch lassen sich die Eigenschaften der
Trimmelektrode beziehungsweise der Trimmstruktur innerhalb der akustischen
Spur des Oberflächenwellenbauelements verändern.
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In
einer weiteren Ausführungsform umfasst das Oberflächenwellenbauelement
anstelle eines konstanten Trimmkondensators einen dynamisch regelbaren
Trimmkondensator. Durch einen regelbaren Trimmkondensator kann einer
Verschiebung der Flanken des Frequenzbereichs aufgrund von Temperaturänderungen
entgegengewirkt werden. Durch einen regelbaren Trimmkondensator
gelingt nicht nur das einmalige Trimmen des Wandlers bzw. des Oberflächenwellenbauelements
auf einen Normwert, sondern auch eine ständige dynamische
Anpassung. Somit eine Temperaturstabilisierung durch Trimmen und
(Nach-)regeln des Oberflächenwellenbauelements durch den
Trimmkondensator erreichbar.
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Die
maximale Änderung der elektrischen Eigenschaften des Oberflächenwellenbauelements
mit Hilfe einer Veränderung des Trimmkondensators entspricht
dem Unterschied zwischen einer voll angeschlossenen, also kurzgeschlossenen
Trimmelektrode beziehungsweise Trimmstruktur und einer überhaupt
nicht angeschlossenen, also floatenden Trimmelektrode beziehungsweise Trimmstruktur.
Dieser Maximalunterschied, aber auch alle Zwischenstufen, bewirkt
eine maximale Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit
und Reflexion der Welle durch die Trimmelektrode beziehungsweise
Trimmstruktur und damit im Ergebnis eine Veränderung der
Frequenz, die bei gegebener Metallisierungsstruktur von der Ausbreitungsgeschwindigkeit
der akustischen Welle abhängt.
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Bereits
durch einen Trimmkondensator mit einer geringen Kapazität
lassen sich somit Frequenzverschiebungen von über 1000
ppm realisieren. Der Trimmkondensator weist dabei vorzugsweise eine Kapazität
im Bereich von wenigen Pikofarad auf. In einer bevorzugten Ausführungsform
weist der Trimmkondensator eine Kapazität von ca. 1 Pikofarad
auf.
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Vorzugsweise
findet eine Veränderung der Struktur der Kondensatorelektroden
des Trimmkondensators nach dem Einhäusen des Oberflächenwellenbauelements
statt.
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Eine
Veränderung der Struktur der Kondensatorelektroden nach
dem Einhäusen hat besonders den Vorteil, dass auch noch
so genannte Aufbaushifts, also Frequenzshifts, die erst durch das Verbauen
des Bauteils wie zum Beispiel durch Kleben oder Löten und
so weiter zu Stande kommen, kompensiert werden können.
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Besonders
vorteilhaft ist dieses Verfahren bei GBAW-Bauteilen (guided bulk
acoustic wave), da bei diesen Bauteilen nach Aufbringen einer dicken Passivierungsschicht
beziehungsweise eines Deckelwafers die akustische Spur des Bauteils
nicht mehr durch mögliche Massenbe- oder -entlastung veränderbar
ist und daher ein Trimmen auf herkömmliche Weise nicht
mehr möglich ist.
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Durch
eine elektrische Anbindung einer Trimmelektrode beziehungsweise
Trimmstruktur ist somit ein Trimmverfahren realisierbar, bei dem
sich einzelne Bauelement individuell voneinander behandeln und bezüglich
der Arbeitsfrequenz korrigieren lassen.
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Das
zuvor beschriebene Verfahren sowie das zuvor beschriebene Oberflächenwellenbauelement
haben besonders den Vorteil, dass nach dem Verschließen
des Bauteils ein Trimmen des Bauelements weiterhin möglich
ist, wobei die entsprechenden elektrischen Anschlüsse vorzugsweise
frei zugänglich, also beispielsweise durch Herausführen aus
dem Gehäuse oder durch ein Freilegen der in diesen Bereichen
aufgebrachten Passivierungsschichten, sind.
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Die
oben beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden
Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Die
nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu
aufzufassen, vielmehr können die Darstellungen in einzelnen
Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch
verzerrt dargestellt sein. Elemente, die einander gleichen oder die
die gleiche Funktion übernehmen, sind mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
eine Ausführungsform des Oberflächenwellenbauelements
mit einer Trimmelektrode,
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform des Oberflächenwellenbauelements
mit zwei Trimmelektroden,
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3 zeigt
beispielhaft die Frequenzverschiebung in Abhängigkeit von
der Kapazität des Trimmkondensators,
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4 zeigt
eine Ausführungsform des Oberflächenwellenbauelements
als DMS-Filter mit zwei Trimmelektroden.
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In
der 1 ist eine Ausführungsform des Oberflächenwellenbauelements
mit einer Trimmelektrode 3 dargestellt. Das Oberflächenwellenbauelement
weist strukturierte Metallisierungen auf, die einen Wandler 1 umfassen.
Der Wandler 1 ist in lateraler Richtung zwischen zwei Reflektoren 2, 2' angeordnet.
Der Wandler 1 ist in der dargestellten Ausführungsform
des Oberflächenwellenbauelements als einfache Interdigitalstruktur
dargestellt. Das Oberflächenwellenbauelement kann dabei
weitere Wandler umfassen und z. B. als DMS Filter (Double Mode Surface),
Eintor-Resonator, Mehrtor-Resonator oder als ein solche Resonatoren
umfassendes Bauelement ausgeführt sein. In der dargestellten
Ausführungsform des Oberflächenwellenbauelements
ist zwischen dem Wandler 1 und einem ersten Reflektor 2 eine
zusätzliche Trimmelektrode 3 eingebracht. Die Trimmelektrode 3 ist
vorzugsweise in dem Bereich der akustischen Spur des Oberflächenwellenbauelements
mit der maximalen Energiedichte angeordnet.
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Die
Trimmelektrode 3 weist in der dargestellten Ausführungsform
einen einzigen Trimmfinger auf. Es ist jedoch auch möglich,
dass die Trimmelektrode 3 mehrere Trimmfinger umfasst.
Der Trimmkondensator 4 weist in der dargestellten Ausführungsform keinen
direkten elektrischen Kontakt zu dem Wandler 1 oder den
Reflektoren 2, 2' des Oberflächenwellen bauelements
auf. In einer weiteren Ausführungsform kann der Trimmkondensator 4 mit
einem der Reflektoren 2, 2' oder mit Masse elektrisch
leitend verbunden sein. Die Trimmelektrode 3 ist mit einem
Trimmkondensator 4 elektrisch leitend verbunden. Der Trimmkondensator 4 ist
in der dargestellten Ausführungsform außerhalb
der akustischen Spur des Oberflächenwellenbauelements angeordnet.
Es ist jedoch auch möglich, dass der Trimmkondensator 4 innerhalb
eines Reflektors 2, 2' angeordnet ist. Der Trimmkondensator 4 weist
vorzugsweise mehrere Kondensatorelektroden auf, die parallel oder
senkrecht zur akustischen Spur des Oberflächenwellenbauelements
angeordnet sein können. Der Trimmkondensator 4 weist
in dem relevanten Frequenzbereich des Oberflächenwellenbauelements
vorzugsweise keine Aktivität bzw. Anregung auf, die zu
Störungen im Frequenzbereich des Oberflächenwellenbauelements
führen können.
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Durch
teilweises oder vollständiges Durchtrennen einzelner Kondensatorelektroden
des Trimmkondensators 4, z. B. mittels eines Laserverfahrens,
lässt sich die Kapazität des Trimmkondensators 4 beeinflussen.
Durch eine Änderung der Kapazität des Trimmkondensators 4 ist
die Trimmelektrode 3 somit variabel an den Rest des Reflektors 2 angeschlossen.
Durch eine Änderung der Kapazität des Trimmkondensators 4 können
die Eigenschaften der Trimmelektrode 3 im akustischen Pfad
des Oberflächenwellenbauelements uns somit der Einfluss
auf die akustischen Eigenschaften des Oberflächenwellenbauelements
beeinflusst werden. Durch die Anpassung der Kapazität des
Trimmkondensators 4 können somit die Ausbreitungseigenschaften,
wie Geschwindigkeit und Reflexion der elektroakustischen Welle im
Bereich der Trimmelektrode 3 in der akustischen Spur des
Oberflächenwellenbauelements verändert werden.
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Die 2 zeigt
eine weitere Ausführungsform des Oberflächenwellenbauelements
mit zwei Trimmelektroden 3, 3'. Das Oberflächenwellenbauelement
weist strukturierte Metallisierungen auf, die einen Wandler 1 umfassen.
Der Wandler 1 ist in lateraler Richtung zwischen zwei Reflektoren 2, 2' angeordnet.
In der dargestellten Ausführungsform des Oberflächenwellenbauelements
ist zwischen dem Wandler 1 und einen ersten Reflektor 2 eine
erste Trimmelektrode 3 eingebracht. Zwischen dem Wandler 1 und
dem zweiten Reflektor 2' ist eine weitere Trimmelektrode 3' angeordnet.
Die beiden Trimmelektroden 3, 3' sind vorzugsweise
in dem Bereich der akustischen Spur des Oberflächenwellenbauelements
mit der maximalen Energiedichte angeordnet. Die Trimmelektroden 3, 3' sind
mit einem Trimmkondensator 4 elektrisch leitend verbunden.
Der Trimmkondensator 4 ist in der dargestellten Ausführungsform
außerhalb der akustischen Spur des Oberflächenwellenbauelements
angeordnet.
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In
der 3 ist beispielhaft die Frequenzverschiebung in
Abhängigkeit von der Kapazität des Trimmkondensators
dargestellt. Auf der X-Achse des Diagramms in 3 ist
die Kapazität eine Trimmkondensators in pF (Piko-Farad)
aufgetragen. Die Y-Achse zeigt die prozentuale Frequenzverschiebung
der linken Flanke des Passbandes bei etwa 2 GHz eines als Bandpassfilters
ausgebildeten Oberflächenwellenbauelements in ppm (parts
per million). Es zeigt sich an diesem Diagramm, dass das System
hier bereits mit einem Kapazitätswert von nur 0,5 pF nahe am
Kurzschluss ist. Auf einem Chip lässt sich eine Kapazität
dieser Größe gut als Interdigitalstruktur realisieren.
Es ist also keine höhere Kapazität erforderlich,
um nahezu das maximale Regelungsintervall ausnutzen.
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Die 4 zeigt
eine Ausführungsform des Oberflächenwellenbauelements
als DMS-Filter mit einer Trimmelektrode 3. Der DMS-Filter
(Double Mode Surface Acoustic Wave) weist mehrere Eingangs- und
Ausgangswandler 1 auf. Der DMS-Filter weist eine Mittenfrequenz
des Passbandes von etwa 2 GHz auf, dessen Abhängigkeit
von der Kapazität des Trimmkondensators 4 in 3 dargestellt
ist.
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Wie
in der 3 gezeigt ist, fällt die Frequenzverschiebung
mit steigender Kapazität des Trimmkondensators nahezu exponential
ab. Die Kurve weist bei einer Kapazität des Trimmkondensators von
0 pF ihr Maximum bei einer Frequenzverschiebung von etwa 1300 ppm
auf. Es lässt sich somit zeigen, dass sich hier durch die
Verwendung einer Trimmelektrode zusammen mit einer kleinen Kapazität von
z. B. nur 0,5 pF eine ausreichende Verschiebung der linken Flanke
des Passbandes eines Oberflächenwellenbauelements um über
1000 ppm erreichen lässt.
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Mit
der Erfindung lassen sich theoretisch alle Typen von Oberflächenwellenbauelementen
trimmen. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei mit Resonatoren
arbeitenden Bauelementen wie DMS Filtern oder Reaktanzfiltern aus
mit Oberflächenwellen arbeitenden Resonatoren. Bei so genannten
Laddertype oder Lattice-Type Filtern kann durch gezieltes Trimmen
entweder der parallelen Resonatoren oder seriellen Resonatoren selektiv
die linke bzw. rechte Flanke des Passbandes verschoben werden. Auf
diese Weise ist mit der Erfindung ein weiterer Trimmfreiheitsgrad
erreichbar.
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Obwohl
in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte
Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben
werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt.
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Es
ist prinzipiell möglich, dass auch mehrere Trimmelektroden
gemeinsam oder an unterschiedlichen Bereichen in der akustischen
Spur eines Oberflächenwellenbauelements angeordnet sind.
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Die
Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht
auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt;
vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen,
soweit technisch sinnvoll, beliebig miteinander kombiniert werden.
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- 1
- Wandler
- 2,
2'
- Reflektor
- 3,
3'
- Trimmelektrode
- 4
- Trimmkondensator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0995265
B1 [0001]
- - DE 102005027457 A1 [0002]