DE2233137A1 - Oberflaechenwellenfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Oberflächenwellenfilter mit

einem Körper aus piezoelektrischem Material, auf einer dessen Oberflächen ein Eingangs- und ein Ausgangswandler zum Aussenden bzw. Empfangen einer sich längs dieser Oberfläche fortpflanzenden akustischen Oberflächenwelle angebracht sind.

Die Anwendung akustischer Oberflächonwellen ermöglicht

es, Filter zu erhalten, die klein und gedrängt sind und die ausserdeni durch die auch für die Herstellung integrierter Schaltungen verwendeten Tech~ niken hergestellt werden können. Durch die Anwendung derartiger Oberflächen wellenfiltor werden Schwierigkeiten, wie der mit- dor Anwendung von Induktivitäten einhergehende"grosse Umfang und die hohen Hsrstellungskuston, vermieden. .

Ein Oberflächenwellenfilter 'besteht gewöhnlich aus einer

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dünnen Scheibe piezoelektrischen Materials, auf einer deren Oberfläohon ein Eingangswandler und ein Ausgangswandler angebracht sind, die eine sich über die Oberfläche fortpflanzende akustische Oberflächenwelle aussenden bzw. empfangen. Jeder Wandler besteht normalerweise aus einer kanuuartigen Konfiguration von Elektrodenpaaren, die durch parallele.Elektrodenzinken gebildet werden, wobei diese,Konfigurationen z.B. dadurch hergestellt werden ι dass eine Schicht aus einem geeigneten Metall', z.B. Gold, die au'f der Oberfläche der Scheibe angebracht ist, einer Photoätzbehandlung unterworfen wird.

Die Frequenzkennlinie eines derartigen Filters wird durch die Anzahl, den gegenseitigen Abatand und die Abmessungen der Elektrodenzinken bestimmt, au3 denen jeder Wandler besteht. Jedes Paar benachbarter Elektrodenzihken kann ale eine Quelle akustischer Oberflächenwelle?» betrachtet werden. Um die Durchführung von Berechnungen zu erleichtern, wird in allgemeinen voa einem mathematischen Modell.der Konfiguration ausgegangen, bei dem jede Elektrodenzinke als eine einzelne Quelle akustischer Oberflächenwellen betrachtet wird, und es hat oich herausgestellt, dasn mit

• i

diesem Modell in der Praxis Ergebnisse erzielt werden, die bei der iJeretel-t

lung von Entwürfen gut brauchbar sind. Dadurch, dass bei diesem mathematischen Modell gewisse Techniken der Fourier-Synthese und Computer-Optimalisierung verwendet werden, die mathematisch der Beugungstheorie analog sind, kann eine geeignete:.Verteilung dor Grosse und des gegenseitigen Abstände« derartiger Quellen in dem· Eingangswandler und in den Ausgangswandler bestimmt werden, mit der eine gute Annäherung der gewünschten Prequen*- gango erhalten werden kann. Das Anbringen der Eingangs- und Ausgangswandle in einem ( in* der Portpflanzungsrichtung der akustischen überflä geiresaenen) gegenseitigen Abstand führt eine Verzögerung in den Si/tjoalweg }

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ein, aber eine solche Verzögerung ist für viele Anwendungen nicht wesentlich oder kann berücksichtigt werden. Bei einem Zwischenfrequenzfilter für ' einen Fernsehempfänger weist z.B. diese Verzögerung, weil das ganae empfangene Signal derselben Verzögerung unterworfen wird, ohne weiteres denselben Effekt auf, als wenn die Erapfangsantenne etwas weiter von dem Sender . entfernt wäre. Es int aber auch möglich, diese Eigenschaft der Vorrichtung zum Erhalten einer gewünsch ton Verzögerung zu benutzen."

Bei einem optimalen Entwurf der Filter mit einer bestimmten Kennlinie, z.B. Fernßehzwischenfrequenzfiltern, ist es oft erforderlich, in einem oder den beiden Wandlerkonfigurationen eine oder mehrere Quellen *. anzubringen, deren ,Grosse im Vergleich -iu der-der grBesten Quelle gering let. Normalerweise wird die Stärke einer Quelle durch die Breite der entsprechenden Elektrodenzinken und durch das Hass (in einer zu der Fortpflan-·

aungerichtung senkrechten Richtung gerechnet) bestinmt, in dem sich neben- ί einander in der Fortpflanzungarichtung liegende Elektrodenzinken überlappen;

Auf diese Weise ist es zum Erhalten verhältnieinassig schwacher Quellen erforderlich, dass das Mass der Ueberlappung gering ist, was Schwierigkeiten infolge Beugungß- und Randeffekte bereitet, und/odey dass die Elektroden- i

zinken sehr schmal ausgeführt werden müssen, was Schwierigkeiten bei der ^: Herstellung ergibt.»

Die Erfindung bezweckt, Kittel zu schaffen, durch die diese Schwierigkeiten völlig oder teilweise teseitigt.werden.

Die Erfindung ist' dadurch gekennzeichnet, dass aindestene

einer dieser Wandler eine Anzahl Teilkonfigurationen kannartiger Elektroden enthalt, die derart nebeneinander angeordnet sind, dass jede Teilkonfiguration auf ein nahezu paralleles Bündel akustischer OberflUchenwellen an-

f. <

Bpricht, die sich in Richtung auf den anderen Wandler fortpflanzen, wobei

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2wei entsprechende Paare Elektrodenzinken in den respektiven Teilkonfigurationen derart angebracht sind, dass sie gleichzeitig auftretende 5ig~ ζ nale mit gleicher Polarität in sich teilweise kompensierende Signale entgegengesetzter Polarität umwandeln.

Jede Teilkonfiguration kann au6 mindestens zwei' Gruppen von Elektrodenzinken bestehen, wobei die Elektrodenzinken jeder Gruppe einen gemeinsamen elektrischen Anschluss besitzen, während der benachbarte gemeinsame elektrische Anschluss einer Gruppe von Elektrodenzinken in jeder von zwei benachbarten Teilkonfigurationen elektrisch gemeinsam sein kann.

Die Teilkonfigurationen eines Wandlers können parallel oder in Reihe an eine Quelle von Signalen angeschlossen sein. - '

Einige Auaführungsforraen der Erfindung -sind in der Zeiche nung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Pig. 1 eine Draufaioht auf ein mit akustischen Oberflächen?- ι wellen wirkendes Filter nach der Erfindung, ,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform der Erfindung, . ;

Fig» 3 eine Draufsicht auf eine Bevorzugte Aueführungsforn \ der Erfindung, bei der den Slektrodenzinken verschiedene Quellenstärken mittels Ereitenunteraohiede suerteilt sind, und

Fig. 4 ein Diagram, in dem die Grosse und die Polarität der einzelnen Ersatzquellen eines mathematischen Modells, das beim Entwerfen einer Ausführungsform des in Pig. 3 gezeigten E'ingangawandlers verwendet wird, durch entsprechende senkrechte Linien ange/roben sind.

Fig. 1 zeigt ein Filter für akustische Oberflüchenwelien,

das z.B. als Zwiochenfrequenziilter in einem Fernsehempfänger verwendet * ' worden kann u.nd das einen Körper 1 in Form einer Scheibe piezoelektrischen

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Materials, s.B. piezokeraifiischen Materials, enthält, auf dessen oberer Fläche ein Eingangswandler 2 und ein Ausgangswandler 3 angebracht sind.

• Die Wandler bestehen aus je einer Konfiguration von Paaren karanartiger Elektroden, die auf der Oberfläche des Körpers 1 z.B. dadurch erhalten sind, dass eine aufgedampfte Goldschicht einer Photoätzbehandlung unterworfen wird.

Der Eingangswand lor 2 besteht au3 zwei Konfigurationen' 4* und 5 von Pe.aren kanmartiger Elektroden, die nebeneinander derart angebracht sind, dass jede der beiden Konfigurationen 4 und 5 ein Bündel akustischer Oberflächenwellen auf· den Ausgangswandler 3 in einer zu der Fortpflanzungsrichtung 6 der akustischen Oberflächenwelle^ parallelen Richtung richten kann. Der Ausgangewandler 5 kann aus einer üblichen kanraartigen Wandlerkonfiguration bestehen, die die Bedingung erfüllt, dass sie sich seitlich genügend weit erstreckt, utn die von den beiden Konfigurationen und 5 ausgesandten akustischen Oberflächenwellen zu enpfangen.

Die beiden Konfigurationen 4 und 5 können auf übliche Weise ausgebildet Bein, während die von jedem Paar kammartiger Elektrodenzinken _r 7 gelieferte Ersatzquellen3tärke durch- die Einstellung der Breite oder des Hasses bestimmt werden, in dem jede Elektrodenzinke eine benachbarte Zinke entgegengesetzter Polarität überlappt. Jede Elektrodenzinke 7 einer der Konfigurationen 4 und 5 kann man eine entsprechende Elektrodenzinke in der anderen Konfiguration zudenken, die denselben Abstand von dem Ausgangswandler Yt in der PortpflanzungorichtUng geraesnen,besitzt, sogar wenn in dieser anderen Konfiguration an der betreffenden Stelle tatsächlich kein Slektrodenstreifen vorhanden iat. Auf diese Veise können in jeder der Konfi-

■ gurationen 4. und 5 entsprechende «ffaktive Quellen erhalten werden, deren Signal« beim Erreichen der AiiBgfinßskonfiguration 5 einander verstärken

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oder teilweise beseitigen können, je nach der gegenseitigen Polarität eier entsprechenden Quellen. Der Eingangswandler 2 ist derart ausgebildet, dass ■ über einen grousen Teil desselben entsprechende Quellen in den Konfigurationea 4 und 5 am Ausgang D der Ausgangskonfiguration 3 einander verstärken. An den Stellen, an denen auf Grund von Erwärmungen des Filterentvurfes der Eingangavtandler verhältniemässig schwache Quellen enthalten soll, und zwar normalerweise an den Enden der Konfigurationen 4 und 5i ißt d;.e Polari tat der Quelle in einer^Konfiguration der der entsprechenden Quelle in der anderen Konfiguration entgegengesetzt, während ihre effektiven Quellenstärken derart bemessen sind, dass der Unterschied zwischen ihren Quellenstärken der gewünschten verhältnismäßig geringen Quellenstarke gleich ist. Auf diese Weise kann eine schwache Quelle "in den Eingangswandler mittels : zweier Quellen verhSltnismäseig grosser Stärke, aber entgegengesetzter Polarität, erhalten werden, so dass die oben angegebenen Schwierigkeiten ι in bezug auf die Herstellung sehr schwacher Quellen vermieden werden können

Eine Signalquelle 10 ist mit den Eingangsklemmeη 11 und

des Eingangrwandlers 2 verbunden und treibt die karainartigen Elektioienkonf^gurationen 4 und 5 in Parallelschaltung an. Die Eingangsklemme 1I ist

mit einem in der Mitte liegenden leitenden Streifen 13 verbunden, der die Enden eines geeigneten Satzes leitender Elektrodenzinken 7 in den Konfigurationen 4 und 3 miteinander verbindet und den beiden Konfigurationen gemeinsam ist. Die Eingangsklemme 12 ist nit einem lei-tenden Streifen 14 verbunden, der die Enden der übrigen leitenden Elektrodenrinkan 7 in den Konfiguration 4 miteinander verbindet, wahrend diese Klemme ferner mit einem leitenden Streifen 15 verbunden ist, der die Enden der übrigen leitenden Elektrodenzinken 7 in der Konfiguration 5 miteinander verbindet.'In dea mittleren Teil des KingangswandlerG «ind die Elcktrodenzinken 7¹ der-

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art angebracht, dass die entsprechenden effektiven Quellen in jeder der beiden Konfigurationen 4 und 5 eine gleiche Phase aufweisen. In den beiden ί Endteilen der Konfigurationen*/} und 5 sind die Elektrodenzinken 7" derart angebracht, dass die entsprechenden effektiven Quellen in den respektiven Konfigurationen 4 und 5 entgegengesetzte Phasen aufweisen, wobei ihre GrSssonunterschiede den Grossen der gewünschten schwachen Quellen gleich sind.

Eine andere AusführungsTorn der Erfindung ist in Fig. 2

dargestellt. Bei dieser Ausführungsform oind karaißai'tige Elektrodenkonfigurationen 24 und 25 in Reihe an eine (nicht dargestellte) Sigmilquelle über Eingangsklemmen 31 und 32 angeschlossen. Leitende streifenförciige Verbindungsteile 34 und 351 die die Elektrodenzinken 27 in den Konflgura- » tiohön 24 "bzw. 25 miteinander verbinden, 3ind mit den Klemmen 31 bzw. 32 ^

■verbunden. Ein leitender Verbindungsstreifen 33 verbindet die übrigen Elek-! trödenzinken 27 der beiden Konfigurationen 24 und 25 miteinander und ist den beiden Konfigurationen gemeinsam. Die Konfigurationen 24 und 25 sind auf gleiche V/eise wie die Konfigurationen 4 und 5 der Fig. 1 angebracht, ,

' nur mit don Unterschied, dass der Signalantrieb für den Zufuhrleiter 34 eine Polarität aufweist, die der des Signalantrisba für den Zufuhrleiter *>\i entgegengesetzt, ist, während in Fig. 1 die beiden Leiter 14 und 15 in Phase angetrieben werden, so dass die entsprechenden Paare Elektrodenzinken 27 jm Vergleich zu der Ausführung der Konfigurationen 4 und 5 der Fig·. 1 umgekehrt in btzug auf die in der anderen Konfiguration angebracht werden ciÜL.;(?n. Ein Ausgangsvandler 23, der nit den-Ausgangsklemmen 28 verbunden ist, kann auf übliche Weise ausgebildet sein und dem nach fig.-1 entsprechen.

In Falle der Reihenschaltung der Konfigurationen 24 und 25·

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wie in Pig. 2 gezeigt ist, ist es erwünscht, dass die Signalirapedanz der beiden Konfigurationen 24 und 25 gleich ist, so dass jeder Konfiguration » ein gleicher Signalantrieb zugeleitet wird. Die Bildung schwacher effektiver Quellen durch teilweise gegenseitige Beseitigung nach der Erfindung kann jedoch zur Folge haben, dass das Irapedanzverhältnis der beiden Konfigurationen von 1 abweicht. Um dies zu vermeiden, kann die Tatsache benutzwerden, dass der Wandler normalerweise zu einer zu der Fortpflanzungsrichtung 26 senkrechten Mittellinie symmetrisch ist und dass eine Aenderung der Abmessung einer Elektrodenzinke 27 in der Konfiguration 24 an einem Ende des Eingangswandlers 22*'durch eine entsprechende Aenderung der Abmessung einer Elektrodenzinke 27 in der Konfiguration 25 am anderen Ende des Wandlers 22 ausgeglichen werden kann, wodurch das Impedanzverhältnia 1 ' beibehalten werden kann. . .

Eine bevorzugte Ausführung3form der Erfindung ist in Fig. 3' dargestellt. Bei dieeer Ausführungsform besteht der Eingangswandler /\2, der auf der oberen Fläche einer Scheibe 4Ί aus piezoelektriechem Material angebracht ist, au» zwei kammartigen Elektrodenkonfigurationen ,44 und 451 die, wie bei der Ausführungsfora naoh Fig. 2, in Reihe an Eingangsklenraen _t 51 und 52 angeschlossen sind. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform v/eisen die parallelen Elektrodenzinken 47 alle nahezu die gleiche Länge auf, während die Stärke der Ersatzquelle akxistischer Oberflächenwellen durch

eine entsprechende Wahl der Breite der Elektrodenzinken eingestellt wird. Die Phase der Ereatzquelle hängt, wie in der Ausführungaform nach Fig. 2, davon ab, mit welchen der Leiter 55» 54 und 55 die betreffende Elektrodenzinke 47 verbunden ist und in welcher der beiden in Reihe geschalteten Konfigurationen 44 und 45 sich diese Elektrodenainke 47 befindet. Auf diese* Weise senden,- wie oben an Hand der Figuren 1 und 2 beschrieben wurde, in

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dea hittieren Teil einer Konfiguration die entsprechenden Elektrodenzinken 47.' der benachbarten Konfigurationen eine Signalkomponente au3, die die ί gleiche Polarität aufweist, während die entsprechenden 'Elektrodenzinken 47" am Ende der Konfiguration derart geschaltet sind, dass 3ie.eine Signalkomponente entgegengesetzter Polarität aussenden, ao dass das Ausgangasignal eines Ausgangswandlers 43 den Unterschied zwischen den letzteren Signalkomponenten und der Summe der ersteren Signalkomponenten darstellt.

In Fig. 3 ist der Ausgangswandler 43 in Fora eines Paares

einander gleicher benachbarter kammartiger Konfigurationen dargestellt, die au3 parallelen Elektrodenzinken 57 bestehen, die alle die gleichen Abmessungen aufweisen. Diese Ausführungsform des Ausgarigswandlera unterscheidet sich von der nach Fig. 1 und von der nach Fig. 2 und enthält zwei Teil-i konfigurationen 58 und 59* die in Reihe mit den Ausgangsklemmen 48 ver- ; bund en sind auf gleiche Weise vie die Reihenschaltung der Ei η gangs van dl er- ; konfigurationen 24, 25 und. 44t45 der Figuren 2 bzw» 3·

Bei allen beschriebenen Ausführungsforinen beträgt die * Länge der Elektrodenzinken 7t27»47 des Eingangsyandlers und d$r Elektroden-, zinken^ z.B. 57, dos Auagangswandlers einige Wellenlängen, so dass da| Bündel akustischer Oberflächenwellen, das in den Richtungen 6, 26 bzw. 46 ausgesandt wird, ein nahezu paralleles Bündel ist, wahrend der Ausgange-, wandler entsprechend richtungsempfindlich ist. Die Elektrodenzinken des Ausgangswandlers sollen derartige Abmessungen aufweisen und sind derart angeordnet, dass das Bündel akustischer Oberflächenwellen, das von den Eingangswandler ausgesandt wird, innerhalb des Unwandlungsbereiches des zugehörigen Ausgang3wandlers fällt. ,-

In bezu£ auf die Ausführungsform nach Fig. .3 ist es einleuchtend, dass die Ein^ttngskonfigurationen 44 und 45 gesonderte Bündel

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akustischer Obarflächenwelien erzeugen, die unabhängig voneinander auf die Ausgangskonfigurationen 58 bzw. 59 auf treffen. Auf diese Weise kann dasselbe Ausgangssignal den Klemmen 48 entnommen werden, wenn die Phase einer der Eingangskonfigurationen 44 und 45 der der anderen entgegengesetzt gemacht

wird, vorausgesetzt, dass die Phase der entsprechenden Ausgangskonfiguration auch umgekehrt wird.

Die Verteilung der Stärken der Quellen, die in den mathematischen Ersat*".mode 11 benutzt werden, da3 für Berechnungszwecke beim Entwurf einer Ausführungsform eines Filters für akustische Überflächenwellen nach Fig. 3 verwendet wird, ist in Fig. 4 dargestellt. Die Konfigurationen 44 und 45 werden durch die waagerechten Linien 61 bzw. 62 dargestellt, während die Signalstärke jeder Quelle, von welchen Quellen der Einfachheit halber angenommen wird, dass sie je eine entsprechende Elektrodenzinke 47 darstellen, durch die Länge einer entsprechenden senkrechten Linie 60 an- _: gegeben wird. Die Polarität wird durch die Tatsache angegeben, ob oina Linie 60 oberhalb oder unterhalb der waagerechten Basislinie 61 oder 62 liegt, welche Linien die Konfigurationen 44 bzw. 45 repräsentieren- Die entsprechende gesamte effektive.Quellenstärke, die dadurch berechnet wird, dass die zwei zueinander gehörigen Quellengrb'ssen zueinander addiert werden ist für jede Quellehläge in den unteren Teil des Diagramms nach Fig. 4 angegeben. Dieses Beispiel bezieht sich auf einen Eingangswandler, bei den die Stärke der kleinsten effektiven Quelle nur 10 fo der Stärke der grössten effektiven Quelle beträgt, für welchen Teil jede Teilkoni.'i.5juration derart ausgebildet sein kann, .dass die kleinste dazu benötigte Quelle nicht kleiner als 4P "/■> der Stärke der gröbsten Quelle in der betreffenden Toilkonfiguration ist.

Daraus ist ersichtlich, das« durch Anv.'ondung dnr ^rfi

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Vandlerkonfiguratjonen erhalten werden können, bei deren Herstellung unter Verwendung· derselben Kindest- und Köchstabmessungen grösaere Unterschiede in Quellenstärken erreicht werden. Hinzu kommt noch, dass bei Anwendung de3 bevorzugten Verfahrens nach Fig. J, bei dem den Quellenctärken dadurch Gewichte zuerteilt werden, dass für die Elektrodenzinken 47 verschiedene Breiten gewählt werden, sich die Quellenstärke schneller mit der Breite ändert, je nachdem die Breite verringert wird. Auf diese Weise kann durch Anwendung der Erfindung eine kleinere effektive Quelle mit einer bestimmten Genauigkeit erhalten werden. Ferner wird infolge der bei der Herstellung verwendeten Technik ein Abmessungsfehler in einer Konfiguration wahrscheinlich einen entsprechenden Fehler in der benachbarten Konfiguration herbeiführen, und weil die resultierende Quelle dem Unterschied zwischen den Aiisgangssignalen entspricht, kann der· endgültige systematische Fehler für ! schwache Quellen herabgesetzt werden, bei denen normalerweise ein Fehler eine grÖssere Bedeutung haben würde. . .

Oben wurden Aueführuugsformen beschrieben, bei denen bestimnte Elektroden in einer von zwei benachbarten karamartigen. Konfiguration eine beseitigende Signalkoiaponente an den Ausgang eines Ausgahgswandlere liefern, dessen Elektroden einander gleich Bind, wobei jedoch die. Funktionen des Eingangswandlers und des Auagahgswaridlers untereinander , verwechselt werden können. So kann in Fig. 3 eine akustische Oberflächenwelle von dem Wandler 43 in einer der durch den Pfeil 46 angegebenen Richtung entgegengesetzten Richtung ausgesandt werden, wobei ein Ausgangssignal den Klemmen 5I und 52 entnommen werden kann, und wobei von entsprechenden Elektrodüiiviinken 47-^ und 47" herrührende Teil signale zueinander addiert b?v. voneinander subtrahiert werden." ♦·

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Claims (1)

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   PA g E K T A K Π P R U C H R :

   ( 1 J Oberflächenvellenfilter mit einem Körper aus piezoelektrischem Material, auf einer dessen Oberflächen ein Eingangs- und ein
   Ausgangswandler zum Aussenden bzw. Empfangen einer sich längs dieser Oberfläche fortpflanzenden akustischen Oberflächenwelle angebracht sind, dadurci gekennzeichnet, dass icindestöns einer dieser Wandler eine Anzahl Teilkonfigurationen kammartiger Elektroden enthält, die derart nebeneinander arf~
   gebracht sind, dass jede Tei!konfiguration für ein nahezu paralleles Bündel akustischer Oberflächenwelle!! empfindlich ist, das sich in Richtung auf den anderen V/andler fortpflanzt, wobei zwei entsprechende'Paare Elektrodenzinken in den betreffenden Teilkonfigurationen derart' angebracht sind, dass sie gleichzeitig auftretende Signale gleicher Polarität in einander teil- ₍ weise kompensierende*Signale entgegengeeetzter Polarität umwandeln. j

   ι 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass j

   jede Teilkor figuration kammartiger Elektroden mindestens zwei Grupi>en von ι Elektrodenzinken enthält,'welche Elektrodenzinken jeder Gruppe einen gemeinsamen elektrischen Anschluss aufweisen und wobei der benachbarte elektrische Anschluss einer Gruppe von zwei benachbarten derartigen Teükonfigurationen elektrisch geneinsaa ist.

   J. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,,

   dass die Teilkonfigurationen kararaartiger Elektroden parallel mit zvei
   Signalklemmen verbunden sind, denen ein Eingangssignal zugeführt oder
   denen ein Aus gange signal entnommen werden kann.

   4· · Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekermzeichnet, dass die Teilkonfigurationen karciiartiger Elektroden in Heine mit zwei
   Signalklemmen verbunder, sind . * .

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