DE69620524T2 - Oberflächenwellenfilter - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf ein Oberflächenwellenfilter (SAW-Filter, SAW = surface acoustic wave), das eine Oberflächenwelle vom SH-Typ verwendet, und spezieller auf ein SAW-Filter eines Longitudinalkopplungstyps.
- Doppelmodus-SAW-Filter eines Longitudinalkopplungstyps sind hinreichend bekannt. Ein solches Filter ist in Fig. 1 gezeigt. Das SAW-Filter I weist einen ersten und einen zweiten Interdigitalwandler (im folgenden als "der bzw. die IDT(s)" bezeichnet) 3, 4, die auf einem rechtwinkligen piezoelektrischen Substrat 2 angeordnet sind, und Reflektoren 5, 6 auf, die auf den gegenüberliegenden Seiten desselben gebildet sind. Der IDT 3 weist ein Paar von kammförmigen Elektroden 3a, 3b auf, von denen jede eine Mehrzahl von Elektrodenfingern aufweist, die ineinandergreifen. Ähnlich weist der IDT 4 ein Paar von ineinandergreifenden kammförmigen Elektroden 4a, 4b auf.
- Der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenfingern beträgt λ/4, wobei λ wie die Wellenlänge der zu oszillierenden Oberflächenwelle ist, und die Breite jedes Elektrodeneinzelfingers beträgt λ/4. Der Abstand zwischen benachbarten Elektroden des IDT 3 und des IDT 4 beträgt ebenfalls λ/4.
- Bei dem SAW-Filter 1 stellen die kammförmigen Elektroden 3a auf einer Seite des IDT 3 ein Eingangsende, und die kammförmigen Elektroden 4a auf einer Seite des IDT 4 stellen ein Ausgangsende dar. Die kammförmigen Elektroden 3b, 4b sind mit Masse verbunden.
- Wenn an den IDT 3 eine Eingangsspannung angelegt wird, wird in dem IDT 3 eine Oberflächenwelle erzeugt. Die Oberflächenwelle breitet sich in einer Richtung aus, die senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung der Elektrodenfinger verläuft, um zwischen den Reflektoren 5, 6 reflektiert zu werden, was zu der Erzeugung einer stehenden Welle führt. Ein Ausgangssignal, das eine Funktion der stehenden Welle ist, wird aus dem IDT 4 herausgenommen.
- Das SAW-Filter 1 operiert als ein Doppelmodus-SAW-Filter eines Longitudinalkopplungstyps, das einen durch eine durchgezogene Linie in Fig. 2 gezeigten Grundmodus und einen Modus einer höheren Ordnung, oder einen antisymmetrischen Modus aufweist, der durch die unterbrochene Linie in Fig. 2 gezeigt ist.
- Da das in Fig. 1 gezeigte SAW-Filter 1 jedoch eine Struktur aufweist, bei der durch eine Reflexion einer Oberflächenwelle zwischen den Reflektoren 5, 6 eine stehende Welle erzeugt wird, muß die Gesamtgröße des Filters um einen Betrag erhöht werden, der gleich der kombinierten Größe der Reflektoren 5, 6 ist. Zudem ist der elektromechanische Kopplungskoeffizient für das piezoelektrische Substrat 2 nicht sehr hoch, weshalb das Filter auf eine verschmälerte Bandbreite begrenzt ist.
- In dem Dokument GB-A-2 000 409 ist ein Akustikwellenfilter offenbart, das eine endflächenreflektierende, oberflächenabtragende Substratwelle verwendet, wobei das Filter ein piezoelektrisches Substrat, das gegenüberliegende Endflächen aufweist, und einen ersten und einen zweiten Interdigitalwandler aufweist, die auf dem piezoelektrischen Substrat gebildet sind und Elektrodeneinzelfinger aufweisen, die sich parallel zu den Endflächen derart erstrecken, daß bewirkt wird, daß eine oberflächenabtragende Substratwelle, die erzeugt wird, wenn ein Eingangssignal an die Wandler angelegt wird, zwischen den gegenüberliegenden beiden Endflächen reflektiert wird.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Doppelmodus-SAW-Filter eines Longitudinalkopplungstyps zu schaffen, das eine relativ geringe Größe und eine relativ große Bandbreite aufweist.
- Diese Aufgabe wird durch ein Oberflächenwellenfilter gemäß Anspruch 1 gelöst.
- Das SAW-Filter der Erfindung ist ein Doppelmodus-SAW-Filter eines Longitudinalkopplungstyps. Bei dieser Spezifizierung bezieht sich eine Oberflächenwelle eines SH-Typs weitläufig auf Oberflächenwellen, die eine Verschiebung aufweisen, die senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung derselben verläuft, und als eine Hauptkomponente eine Richtungskomponente enthalten, die parallel zu der Oberfläche eines Substrats ist. Solche Wellen umfassen eine Oberflächenwelle vom SH-Typ, eine Leckwelle, eine Love-Welle, eine BGS-Welle usw., eines SH-Typs.
- Um ein Doppelmodus-SAW-Filter des Longitudinalkopplungstyps zu definieren, umfaßt die vorliegende Erfindung vorzugsweise einen ersten und einen zweiten IDT, die auf einem piezoelektrischen Substrat gebildet sind, das gegenüberliegende Endflächen aufweist. Da es als eine Oberflächenwellenvorrichtung eines Endflächenreflexionstyps gebildet ist, das eine Oberflächenwelle vom SH-Typ verwendet, wird eine Oberflächenwelle zwischen den gegenüberliegenden beiden Endflächen des piezoelektrischen Substrats reflektiert, was zu der Bildung einer stehenden Welle führt.
- Bei dem SAW-Filter der vorliegenden Erfindung ist es nicht nötig, Reflektoren an den Außenseiten der IDTs vorzusehen. Es ist somit möglich, die Größe des piezoelektrischen Substrats zu reduzieren. Auch Verluste, die andernfalls durch die Reflektoren verursacht würden, werden vermieden. Es ist somit möglich, ein SAW-Filter mit einem Bandcharakteristikum zu bilden, das breiter ist als bei den herkömmlichen SAW-Filtern, wenn ein piezoelektrisches Substrat mit dem gleichen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten eingesetzt wird.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das piezoelektrische Substrat, das sich gegenüber der Oberfläche befindet, auf dem der erste und der zweite IDT gebildet sind, vorzugsweise aufgerauht. Dies reduziert den Effekt einer Substratwelle, die durch die gegenüberliegende Oberfläche des piezoelektrischen Substrats zu der Oberfläche, die mit dem ersten und dem zweiten IDT gebildet ist, reflektiert wird. Folglich können unerwünschte störende Charakteristika reduziert werden.
- Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die äußersten Elektrodenfinger des ersten und des zweiten Interdigitalwandlers eine Breite in einem Bereich von λ/8 bis 2/16 auf, wobei λ die Wellenlänge der durch das SAW-Filter erzeugten Oberflächenwelle ist. Dies verringert die Welligkeit in dem Durchlaßbereich des Filters.
- Vorzugsweise sollte der Abstand L zwischen den beiden gegenüberliegenden Endflächen des Substrats in einem Bereich von:
- Gleichung (1) λ/2 · n ≤ L ≤ λ/2 · n + 7/8λ
- liegen, wobei n eine Ganzzahl ist.
- Dies verringert effektiv eine Welligkeit in dem Durchlaßbereich.
- Für den Zweck des Veranschaulichens der Erfindung ist in der Zeichnung eine Form gezeigt, die derzeit bevorzugt ist, wobei es sich jedoch versteht, daß die Erfindung nicht auf die bestimmte gezeigte Anordnung und die gezeigten Einrichtungen beschränkt ist. Es zeigen:
- Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines herkömmlichen Doppelmodus-SAW-Filters eines Longitudinalkopplungstyps;
- Fig. 2 ein schematisches Diagramm, das eine Oberflächenwelle veranschaulicht, die bei dem herkömmlichen Doppelmodus-SAW-Filter des Longitudinalkopplungstyps oszilliert wird;
- Fig. 3 eine Draufsicht eines SAW-Filters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C der Fig. 3;
- Fig. 5 eine Unteransicht des in Fig. 3 gezeigten SAW- Filters;
- Fig. 6 einen Graphen, der die Charakteristika eines ersten Beispiels eines SAW-Filters zeigt, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, bezüglich eines Einfügungsverlusts als Funktion der Frequenz;
- Fig. 7 einen Graphen, der die Charakteristika eines zweiten Beispiels eines SAW-Filters zeigt, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, bezüglich eines Einfügungsverlusts als Funktion der Frequenz;
- Fig. 8 einen Graphen, der die Charakteristika eines dritten Beispiels eines SAW-Filters zeigt, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, bezüglich eines Einfügungsverlusts als Funktion der Frequenz.
- Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente angeben, ist in Fig. 3 bis 5 ein SAW-Filter gezeigt, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut und allgemein als 11 bezeichnet ist. Das SAN-Filter 11 weist ein piezoelektrisches Substrat 12 auf, auf dem ein Paar von IDTs 13, 14 gebildet ist. Das Substrat 12 ist vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Einkristall, beispielsweise einem piezoelektrischen LiTaO&sub3;-Einkristall oder einem piezoelektrischen LiNbO&sub3;-Einkristall, oder aus einer piezoelektrischen Keramik auf einer PZT-Unterlage gebildet. Das piezoelektrische Substrat 12 ist vorzugsweise so strukturiert, daß die Polarisierungsachse in die Richtung des Pfeils P in der Fig. 3 ausgerichtet ist. Das piezoelektrische Substrat 12 weist ein Paar von Endflächen 12a, 12b auf.
- Der IDT 13 weist ein Paar von kammförmigen Elektroden 13a, 13b auf, die eine Mehrzahl von ineinandergreifenden Elektrodenfingern umfassen. Der äußerste Elektrodenfinger 13c (bezüglich einer Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle) weist vorzugsweise eine Breite auf, die zwischen λ/8 bis 7λ/16 liegt, wobei 2 die Wellenlänge der Oberflächenwelle ist. Die verbleibenden Elektrodenfinger weisen vorzugsweise eine Breite von λ/4 auf. Der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenfingern beträgt vorzugsweise λ/4.
- Ähnlich weist der IDT 14 ein Paar von interdigitalen kammförmigen Elektroden 14a, 14b auf, die in bezug auf ihre Struktur ähnlich den kammförmigen Elektroden 13a, 13b sind. Der äußerste Elektrodenfinger 14c weist vorzugsweise eine Breite in einem Bereich von λ/8 bis 7λ/16 auf. Die verbleibenden Elektrodenfinger weisen vorzugsweise eine Breite von λ/4 auf. Der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenfingern beträgt vorzugsweise λ/4. Der Abstand zwischen den IDTs 13, 14, d. h. der Abstand D zwischen dem innersten Elektrodenfinger des IDT 13 und dem innersten Elektrodenfinger des IDT 14, beträgt vorzugsweise λ/4.
- Wenn eine Eingangsspannung zwischen die kammförmigen Elektroden 13a, 13b des IDT 13 angelegt wird, wird eine BGS- Welle erzeugt. Die erzeugte BGS-Welle setzt sich hin zu den Endflächen 12a und 12b fort und wird durch die Endflächen 12a, 12b reflektiert, um miteinander kombiniert zu werden, um eine stehende Welle zu bilden, die eine Grundwelle und eine Welle eines Modus einer höheren Ordnung umfaßt. Ein auf der stehenden Welle basierendes Ausgangssignal wird zwischen den kammförmigen Elektroden 14a, 14b herausgenommen.
- Durch Verbinden der kammförmigen Elektroden 13b, 14b mit Masse, durch Verwenden der kammförmigen Elektrode 13a als Eingangsende und durch Verwenden der kammförmigen Elektrode 14a als Ausgangsende kann das SAW-Filter 11 als ein Doppelmodus-SAW-Filter des Longitudinalkopplungstyps betrieben werden, das eine BGS-Welle verwendet.
- Bei dem SAW-Filter 11 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es nicht notwendig, Reflektoren an den Außenseiten der IDTs 13, 14 vorzusehen. Folglich kann das piezoelektrische Substrat 12 kleiner sein als das, das bei dem SAW-Filter der Fig. 1 des Standes der Technik erforderlich ist, wodurch ein Oberflächenhorizontalwellenfilter einer verringerten Größe geschaffen wird. Da keine Reflektoren verwendet werden, werden die Einfügungsverluste, die durch diese Reflektoren erzeugt werden, ebenfalls vermieden, wodurch ein SAW-Filter geschaffen wird, das eine erhöhte Bandbreite aufweist. Durch ein Verwenden der Elektrodenfinger 13c, 14c, die Breiten aufweisen, die in den oben angegebenen Bereichen liegen, ist es ferner möglich, eine Welligkeit in dem Durchlaßbereich zu unterdrücken.
- Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die hintere Oberfläche des Substrats aufgerauht, um unerwünschte Störsignale zu unterdrücken, die sich aus einer Substratwelle, die bei einem Filtercharakteristikum auftritt, ergeben. Dies kann auf vielerlei Arten erfolgen. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von Rillen (Fig. 5) 15, 16 in der hinteren Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 12 gebildet sein. Alternativ dazu kann die hintere Oberfläche des piezoelektrischen Substrats durch Bilden von willkürlichen Aussparungen in der hinteren Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 12 oder durch Schleifen der hinteren Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 12 unter Verwendung eines Schleifmittels oder einer Schleifvorrichtung aufgerauht werden.
- Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet das SAW-Filter 11 des Oberflächenhorizontalwellentyps eine BGS- Welle. Statt einer BGS-Welle können jedoch auch andere Oberflächenwellen vom SH-Typ, beispielsweise eine Love- Welle oder eine Leckschallwelle, verwendet werden. Aufgrund eines Anstiegs Von Verlusten bezüglich einer Oberflächenwellenenergie war es bisher unmöglich, bei dem herkömmlichen SAW-Filter des Longitudinalkopplungstyps eine Leckschallwelle zu verwenden. Gemäß dem SAW-Filter der vorliegenden Erfindung kann das SAW-Filter 11 unter Verwendung einer Leckschallwelle gebildet werden, da die Reflexion zwischen den Endoberflächen 12a, 12b wirkt, um eine Reduzierung der Oberflächenwellenenergie zu verhindern.
- Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die unten angegebenen Beispiele erläutert.
- Es wurde ein piezoelektrisches Substrat 12 verwendet, das aus einer piezoelektrischen Keramik auf der Basis von Bleititanatzirconat gebildet ist und eine Größe von 1,3 · 0,8 · 0,5 mm Dicke aufereist. IDTs 13, 14, die jeweils sieben Paare von Elektrodenfingern umfaßten, wurden durch Aufbringen von Aluminium auf die gesamte obere Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 12 und Ätzen des Aluminiums unter Verwendung von Maskierungstechniken gebildet. Jeder Elektrodenfinger wies eine Breite von 30,3 um auf, mit Ausnahme der Elektrodenfinger 13c, 14c, die eine Breite von 22 um aufwiesen. Das Mitte-Zu-Mitte-Intervall zwischen den Elektrodenfingern betrug 60,6 um. Auf den hinteren Oberflächen des Substrats 12 waren Rillen 15, 16 gebildet.
- Die Charakteristika für das SAW-Filter des ersten Beispiels bezüglich des Einfügungsverlusts als Funktion der Frequenz sind in Fig. 6 gezeigt. Wie in derselben gezeigt ist, liefert das SAW-Filter des ersten Beispiels einen Durchlaßbereich über 20,9 bis 21,9 MHz. Durch Vergrößern des in Fig. 6 gezeigten Charakteristikums wurde ferner bestätigt, daß der Einfügungsverlust in dem Durchlaßbereich 1,3 dB betrug. Eine 3-dB-Bandbreite, d. h. die Bandbreite, für die der Einfügungsverlust bis zu 3 dB beträgt, liegt bei 4, 5%' bezüglich einer Mittenfrequenz für das Filter.
- Ein SAW-Filter eines zweiten Beispiels wurde unter ähnlichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Rillen 15, 16 nicht in der hinteren Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats gebildet waren. Die Charakteristika dieses Filters bezüglich des Einfügungsverlusts als Funktion der Frequenz sind in Fig. 7 gezeigt.
- Wie aus dem Vergleich der Fig. 6 und 7 klar hervorgeht, wies das SAW-Filter des zweiten Beispiels in einem Durchlaßbereich des SAW-Filters eine größere Welligkeit auf, wie durch den Pfeil X in Fig. 7 gezeigt ist. Jedoch betrug der Durchlaßbereich, d. h. die Bandbreite von 3 dB, ganze 4, 5%, und der Einfügungsverlust für den Durchlaßbereich betrug nur 1,3 dB.
- Ein SAW-Filter eines dritten Beispiels wurde unter ähnlichen Bedingungen wie bei dem SAW-Filter des Beispiels 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Breite der äußersten Elektrodenfinger 13c, 14c 7,6 um oder λ/16 betrug. Die Charakteristika des SAW-Filters bezüglich der Dämpfung als Funktion der Frequenz sind in Fig. 8 gezeigt.
- Wie aus Fig. 8 deutlich wird, erstreckt sich der Durchlaßbereich von 20,9 bis 21,9 MHz, und die Bandbreite von 3 dB als Index für den Durchlaßbereich beträgt ganze 4,5%, was ähnlich dem SAW-Filter des Beispiels 1 ist. Es versteht sich daher, daß ein SAW-Filter mit einem relativ breiten Durchlaßbereich durch dieses Beispiel realisiert werden kann. Ferner beträgt der Einfügungsverlust in dem Durchlaßbereich 1,5 dB. Als solches erreicht das vorliegende Beispiel ein Filtercharakteristikum, das zu dem des SAW- Filters von Beispiel 1 äquivalent ist. Bei dem SAW-Filter von Beispiel 3 ist es jedoch anerkannt, daß manche durch den Pfeil Y gezeigte Welligkeiten in dem Durchlaßbereich aufgetreten waren.
- Wie aus dem Ergebnis der Beispiele 1 bis 3 klar hervorgeht, schafft die vorliegende Erfindung ein SAW-Filter mit einem breiten Durchlaßbereich. Es ist ferner klar, daß unerwünschte Störcharakteristika durch Aufrauhen der hinteren Oberfläche des piezoelektrischen Substrats unterdrückt werden können, und daß Welligkeiten durch Bilden der Elektrodenfinger mit einer Breite von 22 um oder 3λ/16 effektiv unterdrückt werden können.
- Es wurden Experimente durchgeführt, um SAW-Filter zu testen, die äußere Elektrodenfinger 13c, 14c unterschiedlicher Breiten aufwiesen. Es wurde bestimmt, daß Welligkeiten in dem Durchlaßbereich ähnlich den in Fig. 6 gezeigten Charakteristika durch Einstellen der Breite zwischen λ/8 und 7λ/16 effektiv unterdrückt werden können.
- Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen sind die Breite der Elektrodenfinger und der Zwischenraum zwischen denselben gleich. Sie können jedoch nach Wunsch variiert werden. In solchen Fällen kann ein ähnlicher Effekt erhalten werden, indem die Breite zwischen den beiden Endflächen 12a, 12b des Substrats entsprechend der oben angegebenen Gleichung (1) gebildet wird.
- Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Doppelmodus-SAW- Filter eines Longitudinalkopplungstyps als ein Oberflächenwellenbauelement eines Endflächenreflexionstyps mit der Verwendung einer Oberflächenwelle vom SH-Typ gebildet, ohne die Bereitstellung von Reflektoren an den beiden Seiten von IDTs zu erfordern. Es ist somit möglich, die Größe des SAW- Filters um den Betrag einer nicht benötigten Beabstandung für ein Bereitstellen von Reflektoren zu verringern.
- Zudem ermöglicht das Nichtverwenden von Reflektoren eine Vermeidung eines Anstiegs eines Einfügungsverlustes durch Reflektoren, was es ermöglicht, ein SAW-Filter zu realisieren, das im Vergleich zu dem herkömmlichen Doppelmodus-SAW- Filter des Longitudinalkopplungstyps einen geringen Einfügungsverlust und somit eine große Bandbreite aufweist.
Claims (6)
1. Ein Oberflächenwellenfilter (SAW-Filter) (11) eines
Longitudinalkopplungstyps, das eine
Endflächenreflexionsoberflächenwelle vom SH-Typ verwendet, wobei das
Filter (11) folgende Merkmale aufweist:
ein piezoelektrisches Substrat (12), das
gegenüberliegende Endflächen (12a, 12b) aufweist;
einen ersten und einen zweiten Interdigitalwandler
(13, 14), die auf dem piezoelektrischen Substrat (12)
gebildet sind und Elektrodeneinzelfinger aufweisen,
die sich parallel zu den Endflächen (12a, 12b)
erstrecken, derart, daß eine Oberflächenwelle vom SH-
Typ, die erzeugt wird, wenn ein Eingangssignal an die
Wandler angelegt wird, zwischen den gegenüberliegenden
beiden Endflächen reflektiert wird, um eine stehende
Oberflächenwelle vom SH-Typ zu erzeugen, und daß das
Oberflächenwellenfilter als ein Doppelmodus-SAW-Filter
wirkt, das einen Grundmodus und einen Modus höherer
Ordnung aufweist.
2. Ein Oberflächenwellenfilter (11) gemäß Anspruch 1, bei
dem der zweite Interdigitalwandler (14) benachbart zu
dem ersten Interdigitalwandler (13) gebildet ist.
3. Ein Oberflächenwellenfilter (11) gemäß Anspruch 1 oder
2, bei dem das piezoelektrische Substrat (12)
bezüglich einer Oberfläche aufgerauht ist, die einer
Oberfläche gegenüberliegt, auf der der erste und der
zweite Interdigitalwandler (13, 14) gebildet sind.
4. Ein Oberflächenwellenfilter (11) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Elektrodeneinzelfinger
des ersten und des zweiten Interdigitalwandlers (13,
14) Elektrodeneinzelfinger umfassen, die an den
äußeren Enden bezüglich einer Ausbreitungsrichtung einer
Oberflächenwelle vorliegen und eine Breite derselben
aufweisen, die in einem Bereich von λ/8 bis λ/16
festgelegt ist, vorausgesetzt, daß eine Wellenlänge
der Oberflächenwelle λ ist.
5. Ein Oberflächenwellenfilter (11) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Länge L der Endflächen
(12a, 12b) des Substrats (12) in einem Bereich von
Gleichung (1) λ/2 · n ≤ L ≤ λ/2 · n + 7/8λ
liegt, wobei n eine Ganzzahl ist.
6. Ein Oberflächenwellenfilter gemäß einem der Ansprüche
1 bis 5, bei dem ein Zwischenraum (D) zwischen einem
innersten Elektrodenfinger des ersten
Interdigitalwandlers (13) und einem innersten Elektrodenfinger des
zweiten Interdigitalwandlers (14) gebildet ist, wobei
der Zwischenraum (D) eine Breite aufweist, die im
wesentlichen gleich einer Breite jedes der innersten
Elektrodenfinger ist.
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