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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen akustischen Wellenresonator, insbesondere einen akustischen Wellenresonator für ein volumenakustisches Bauelement.
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Stand der Technik
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In der Hochfrequenztechnik finden gegenwärtig vermehrt volumenakustische Wellenbauelemente (englisch Bulk Acoustic Wave, BAW) Anwendung. Derartige Bauelemente können beispielsweise als Resonatoren in Filtern oder Oszillatoren eingesetzt werden. Solche volumenakustischen Wellenbauelemente können beispielsweise aus einer piezoelektrischen Schicht gebildet werden, welche zwischen zwei Elektroden für die Zuleitung und Ableitung angeordnet ist. Die Arbeitsfrequenz eines solchen volumenakustischen Bauelements wird in erster Linie durch die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht und die Schallgeschwindigkeit in dem piezoelektrischen Material bestimmt. Um höhere Arbeitsfrequenzen zu erreichen, muss dabei die Schichtdicke verringert werden. Konventionelle volumenakustische Bauelemente stoßen gegenwärtig bei einer maximalen Frequenz von ca. 10 GHz an ihre Grenzen.
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Die Druckschrift
EP 2 777 153 B2 beschreibt beispielsweise einen volumenakustischen Wellenfilter mit einer Vibrationsschicht zwischen zwei Elektroden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart einen akustischen Wellenresonator mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Ein akustischer Wellenresonator mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einem piezoelektrischen Element. Das piezoelektrische Element ist dabei zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet. Insbesondere umfasst das piezoelektrische Element mindestens zwei piezoelektrische Schichten. Dabei sind benachbarte piezoelektrische Schichten des piezoelektrischen Elements jeweils derart angeordnet, dass sie eine gegensinnige Polarität aufweisen. Ferner ist zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen Schichten ein Zwischenelement angeordnet.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei volumenakustischen Wellenbauelementen, wie sie beispielsweise als Resonatoren in Filtern oder Oszillatoren für Hochfrequenzanwendungen eingesetzt werden, die Arbeitsfrequenz derartiger Bauelemente in erster Linie durch die Schichtdicke einer piezoelektrischen Schicht sowie die Schallgeschwindigkeit in dem piezoelektrischen Material bestimmt wird. Um höhere Arbeitsfrequenzen zu erreichen, muss die Schichtdicke verringert werden. Mit abnehmender Schichtdicke erhöht sich jedoch auch die Kapazität des Bauelements. Um die elektrische Wellenimpedanz beizubehalten, muss daher gleichzeitig die Bauelementfläche verringert werden.
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Bei Resonatoren mit kleinerer Bauelementfläche erhöht sich das Verhältnis von Rand zu Fläche. Am Rand des Bauelements geht jedoch akustische Energie verloren. Daher wachsen bei einer Verkleinerung des Bauelements die Randverluste quadratisch mit der Arbeitsfrequenz an.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen akustischen Wellenresonator für ein volumenakustisches Bauelement zu schaffen, welcher effizient und mit geringen Verlusten selbst bei höhere Frequenzen eingesetzt werden kann. Hierzu ist es vorgesehen, das piezoelektrische Element konventioneller volumenakustischer Bauelemente in einen mehrschichtigen Aufbau zu unterteilen. Ein solcher mehrschichtiger Aufbau des piezoelektrischen Elements kann dabei als Serienschaltung mehrerer kondensatorähnlicher Bauelemente betrachtet werden.
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Somit ergibt sich für die Gesamtkapazität eines solchen Elements, dass der Kehrwert der Gesamtkapazität der Summe der Kehrwerte der Einzelkapazitäten entspricht. Daraus folgt, dass durch eine solche Anordnung einer Serienschaltung mehrerer kondensatorartiger Elemente die Gesamtkapazität verringert werden kann.
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Aufgrund der wesentlich geringeren Kapazitätswerte ist es somit möglich, auch für höhere Frequenzen volumenakustische Bauelemente mit größerer Bauelementfläche und einem somit günstigeren Verhältnis von Rand zu Fläche zu realisieren. Insbesondere ist es somit möglich, die Randverluste durch das bessere Verhältnis von Rand zu Fläche zu reduzieren. Folglich steigt einerseits die Effizienz eines solchen Bauelements, und andererseits ist es möglich, das Bauelement bis zu höheren Frequenzen auszulegen und zu betreiben.
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Der erfindungsgemäße akustische Wellenresonator kann bevorzugt für Filter oder Oszillatoren im Frequenzbereich zwischen 5 und 80GHz, insbesondere zwischen 10 und 40GHz, eingesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die einzelnen piezoelektrischen Schichten des piezoelektrischen Elements jeweils eine akustische Dicke eines ungeradzahligen Vielfachen der halben akustischen Wellenlänge des Wellenresonators auf. Als Dicke ist dabei die Ausdehnung der piezoelektrischen Schicht in die Richtung von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode zu sehen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Zwischenelement zwischen zwei piezoelektrischen Schichten eine akustische Dicke eines geradzahligen Vielfachen einer halben akustischen Wellenlänge des Wellenresonators auf. Auch hier ist die Dicke die Ausdehnung in die Richtung von der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode.
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Gemäß einer Ausführungsform sind alle piezoelektrischen Schichten des piezoelektrischen Elements aus dem im Wesentlichen gleichen piezoelektrischen (Grund-)Material hergestellt. Als Piezoelektrikum ist beispielsweise Aluminiumnitrid (AlN) oder Scandium-legiertes Aluminiumnitrid (ScAlN) möglich. Weitere mögliche Materialien für die piezoelektrische Schicht sind beispielsweise ZnO2, LiNbO3, LiTaO3.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Zwischenelement mehrere Einzelschichten umfassen. Insbesondere kann das Zwischenelement als Schichtstapel mit mehreren akustischen Reflektorschichten realisiert werden. Auf diese Weise kann beispielsweise ein akustischer Bragg-Reflektor realisiert werden. Dabei sind benachbarte Schichten dieses Schichtstapels für das Zwischenelement jeweils aus Materialien mit einer signifikant unterschiedlichen akustischen Schallimpedanz realisiert. Als signifikanter Unterschied in den Schallimpedanzen sind dabei beispielsweise Unterschiede von mindestens 10 MRayl, mehr als 20 MRayl, vorzugsweise wesentlich mehr als 35 MRayl oder sogar deutlich mehr als 50 MRayl möglich. Mögliche Materialien hierfür sind beispielsweise Titan, Aluminium, Siliciumdioxid für niedrige Schallimpedanzen sowie Wolfram, Ruthenium, Molybdän, Hafniumnitrid für hohe Schallimpedanzen. Darüber hinaus sind auch Kombinationen aus dielektrischen und halbleitenden oder metallischen Schichten möglich. Die einzelnen Reflektorschichten eines solchen Schichtstapels können hierbei im Wesentlichen jeweils eine akustische Dicke eines ungeradzahligen Vielfachen einer viertel akustischen Wellenlänge des Wellenresonators aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode des akustischen Wellenresonators als Bragg-Reflektor ausgeführt. Auch hierbei gelten für die möglichen Ausgestaltungsformen der Schichten eines Bragg-Reflektors als erste Elektrode bzw. zweite Elektrode die zuvor gemachten Erläuterungen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Dicke der ersten Elektrode und/oder die Dicke der zweiten Elektrode wesentlich kleiner als die akustische Wellenlänge des Wellenresonators. Insbesondere kann die Dicke der ersten bzw. zweiten Elektrode kleiner als ein Viertel oder gegebenenfalls auch kleiner als ein Zehntel der akustischen Wellenlänge des Wellenresonators sein.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der akustische Wellenresonator ein Trägersubstrat. Das Trägersubstrat kann beispielsweise aus Silicium realisiert sein. Dabei kann die erste Elektrode des Wellenresonators auf dem Trägersubstrat angeordnet sein. Oberhalb der ersten Elektrode, also in Richtung der von dem Trägersubstrat abgewandten Seite der ersten Elektrode kann das piezoelektrische Element angeordnet sein. Darüber, also oberhalb der dem Trägersubstrat abgewandten Seite des piezoelektrischen Elements kann die zweite Elektrode angeordnet sein. Die gesamte Anordnung aus erster Elektrode, piezoelektrischem Element und zweiter Elektrode kann von einem Dielektrikum, beispielsweise Siliciumdioxid umschlossen sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann in dem Trägersubstrat unterhalb der ersten Elektrode eine Kavität vorgesehen sein. Diese Kavität kann beispielsweise durch Unterätzung oder Ähnliches realisiert werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen akustischen Wellenresonator gemäß einer Ausführungsform;
- 2: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen akustischen Wellenresonator gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 3: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen akustischen Wellenresonator gemäß noch einer weiteren Ausführungsform;
- 4: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen akustischen Wellenresonator gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
- 5: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen akustischen Wellenresonator gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen akustischen Wellenresonator gemäß einer Ausführungsform. Derartige Wellenresonatoren können beispielsweise in volumenakustischen Wellenbauelementen eingesetzt werden, beispielsweise in Anwendungen als Resonatoren in Filtern und Oszillatoren. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Anwendungen, insbesondere Anwendungen im Bereich der Hochfrequenztechnik möglich.
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Der akustische Wellenresonator umfasst eine erste Elektrode 1, welche hier als untere Elektrode dargestellt ist, sowie eine zweite Elektrode 2, welcher hier als obere Elektrode dargestellt ist. Zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 ist ein piezoelektrisches Element 3 angeordnet.
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Die untere Elektrode 1 kann beispielsweise auf einem Trägersubstrat 9 angeordnet sein. Bei diesem Trägersubstrat 9 kann es sich beispielsweise um Silicium oder ein anderes als Trägersubstrat geeignetes Material handeln.
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Die Anordnung mit erster Elektrode 1, zweiter Elektrode 2 und piezoelektrischem Element 3 kann beispielsweise von einem Dielektrikum 8 umschlossen sein. Bei diesem Dielektrikum 8 kann es sich beispielsweise um Siliciumdioxid (SiO2) handeln. Zur Kontaktierung der Elektroden kann beispielsweise auf der Oberseite des Dielektrikums 8 ein erstes Kontaktelement 11 vorgesehen sein, welches über eine Durchkontaktierung 12 mit der ersten Elektrode 1 elektrisch verbunden ist. Analog kann ein zweites Kontaktelement 21 über eine weitere Durchkontaktierung 22 die zweite Elektrode 2 elektrisch kontaktieren.
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Das piezoelektrische Element 3 umfasst mindestens zwei piezoelektrische Schichten 31 und 32. Wie im nachfolgenden noch näher beschrieben wird, können neben den in 1 dargestellten zwei piezoelektrischen Schichten 31, 32 auch mehr als zwei piezoelektrische Schichten 31, 32 vorgesehen sein. Zwischen mindestens zwei der piezoelektrischen Schichten 31, 32 ist ein Zwischenelement 30 vorgesehen. Somit ergibt sich im Verlauf von der ersten Elektrode 1 zu der zweiten Elektrode 2 ein Aufbau mit einer ersten piezoelektrischen Schicht 31, einem Zwischenelement 30 und einer zweiten piezoelektrischen Schicht 32.
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In dem Aufbau des piezoelektrischen Elements 3 mit den mehreren piezoelektrischen Schichten 31, 32 sind die einzelnen piezoelektrischen Schichten 31, 32 dabei derart angeordnet, dass benachbarte piezoelektrische Schichten 31, 32 jeweils eine gegensinnige Polarität aufweisen. Dies ist in 1 durch die entsprechenden Pfeilrichtungen dargestellt. Zwischen den benachbarten piezoelektrische Schichten 31, 32 ist dabei in diesem Fall ein Zwischenelement 30 vorgesehen.
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Als Materialien für die piezoelektrischen Schichten 31, 32 ist beispielsweise AlN oder ScAlN möglich. Ferner sind auch Materialien wie beispielsweise ZnO2, LiNbO3 oder LiTaO3 möglich. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch andere geeignete piezoelektrische Materialien möglich.
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Die einzelnen piezoelektrischen Schichten 31, 32 können dabei jeweils eine Dicke aufweisen, welche im Wesentlichen einem ungeradzahligen Vielfachen einer halben akustischen Wellenlänge des Wellenresonators entspricht.
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Das Zwischenelement 30, das zwischen zwei piezoelektrischen Schichten 31, 32 angeordnet ist, kann beispielsweise aus einem Dielektrikum realisiert werden. Hierzu eignen sich beispielsweise Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid oder amorphe Kohlenstoffschichten (englisch Diamond-like Carbon, DLC). Weitere mögliche Konfigurationen für das Zwischenelement werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Die akustische Dicke des Zwischenelements ist so gewählt, dass sie einem geradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge des Wellenresonators entspricht.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel können die erste Elektrode 1 sowie die zweite Elektrode 2 aus einem geeigneten elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einer Metallschicht wie z. B. Molybdän realisiert werden. Dabei kann die untere Elektrode 1 gegebenenfalls vollflächig auf dem Trägersubstrat 9 aufgebracht sein. Eventuell kann zwischen der ersten Elektrode 1 und dem Trägersubstrat 9 noch eine elektrisch isolierende dielektrische Schicht (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
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Gegebenenfalls ist es auch möglich, unterhalb der ersten Elektrode 1, insbesondere im Bereich des darüber befindlichen piezoelektrischen Elements 3, eine Kavität 90 vorzusehen. Diese Kavität 90 kann beispielsweise durch Unterätzung oder Ähnliches realisiert werden.
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In einer möglichen Ausführungsform können die erste Elektrode 1 und/oder die zweite Elektrode 2 eine Dicke aufweisen, welche signifikant geringer ist als die akustische Wellenlänge des Wellenresonators. Insbesondere kann die Dicke der ersten Elektrode 1 und/oder der zweiten Elektrode 2 beispielsweise ein Viertel der jeweiligen Resonanzwellenlänge des Wellenresonators oder noch weniger betragen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen akustischen Wellenresonator gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich dabei von der zuvor dargestellten Ausführungsform insbesondere dadurch, dass einerseits zwischen mindestens zwei piezoelektrischen Schichten 31, 32 ein Zwischenelement 30 angeordnet ist, während ferner in diesem piezoelektrischen Element 3 auch benachbarte piezoelektrischen Schichten 32, 33 vorhanden sind, zwischen welchen kein Zwischenelement 30 vorhanden ist. Auch in diesem Fall weisen benachbarte piezoelektrischen Schichten 31, 32, 33 jeweils entgegengesetzte Polaritäten auf. Darüber hinaus gelten für die einzelnen Komponenten dieses Wellenresonators, insbesondere für die piezoelektrischen Schichten 31, 32, 33 sowie das Zwischenelement 30 die zuvor bereits in Zusammenhang mit 1 gemachten Ausführungen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen akustischen Wellenresonator gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Ausführungsform gemäß 3 unterscheidet sich dabei von der zuvor dargestellten Ausführungsform insbesondere dadurch, dass die erste Elektrode 1 sowie die zweite Elektrode 2 als akustische Bragg-Reflektorstapel realisiert sind. Auch wenn in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl die erste Elektrode 1 als auch die zweite Elektrode 2 als Bragg-Reflektorstapel realisiert sind, so ist es grundsätzlich auch möglich, nur eine der beiden Elektroden 1, 2 als Bragg-Reflektorstapel zu realisieren und die jeweils andere Elektrode 1, 2 als konventionelle, elektrisch leitfähige Elektrode zu implementieren.
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Die Reflektorstapel 1, 2 sind dabei als Stapel mehrerer Reflektorschichten 41, 42 realisiert. In einer möglichen Ausführungsform sind für einen solchen Reflektorstapel jeweils Reflektorschichten mit abwechselnd zwei unterschiedlichen Materialien möglich. Grundsätzlich sind jedoch auch Reflektorstapel mit mehr als zwei unterschiedlichen Materiallagen möglich. Dabei werden für die Materialien benachbarter bzw. aufeinanderfolgender Reflektorschichten 41, 42 jeweils Materialien mit signifikant unterschiedlichen Schallimpedanzen gewählt. Als signifikant unterschiedliche Schallimpedanzen sind dabei Unterschiede in den Schallausbreitungsgeschwindigkeiten von 10 MRayl und mehr, insbesondere mehr als 20 MRayl, gegebenenfalls deutlich mehr als 35 MRayl oder wesentlich mehr als 50 MRayl möglich.
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Als mögliche Materialien für die Reflektorschichten 41. 42 sind beispielsweise Titan, Aluminium, Siliciumdioxid für niedrige Schallimpedanzen möglich, sowie Aluminium, Nickel, Wolfram, Ruthenium, Molybdän, Hafniumnitrid für hohe Schallimpedanzen. Ferner ist es ebenso möglich, Kombinationen aus dielektrischen und halbleitenden bzw. metallischen Schichten zu nutzen.
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Die einzelnen Schichten eines solchen akustischen Bragg-Reflektorstapels weisen dabei vorzugsweise eine Dicke eines ungeradzahligen Vielfachen einer viertel akustischen Wellenlänge des Wellenresonators auf.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines akustischen Wellenresonators gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Ausführungsform gemäß 4 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform insbesondere dadurch, dass auch für das Zwischenelement 30 zwischen den zwei piezoelektrischen Schichten 31, 32 ein Schichtstapel in Form eines akustischen Bragg-Reflektors vorgesehen ist, dessen akustische Dicke wiederum einem geradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge des Wellenresonators entspricht. Hierbei gelten die zuvor bereits in Zusammenhang mit den Bragg-Reflektoren für die erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 2 gemachten Ausführungen. Insbesondere weisen benachbarte Reflektorschichten 30a, 30b auch hier einen signifikanten Unterschied in den Schallimpedanzen auf und können entsprechend aus den oben bereits beschriebenen Materialien realisiert werden. Auch für die Dicke der einzelnen Reflektorschichten 30a, 30b gelten die zuvor gemachten Ausführungen, nachdem die einzelnen Reflektorschichten 30a, 30b eine Dicke aufweisen, die einem ungeradzahligen Vielfachen einer viertel akustischen Wellenlänge des Wellenresonators entspricht.
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Es versteht sich, dass die Realisierung der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 als akustische Bragg-Reflektoren sowie die Verwendung eines Bragg-Reflektors als Zwischenelement 30 in beliebiger Weise miteinander kombinierbar sind. So ist es beispielsweise auch möglich, eine oder beide Elektroden 1, 2 als konventionelle elektrisch leitfähige Elektroden auszuführen und als Zwischenelement 30 einen akustischen Bragg-Reflektor zu verwenden.
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5 schließlich zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen akustischen Wellenresonator gemäß noch einer weiteren Ausführungsform. Der akustische Wellenresonator gemäß 5 unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen insbesondere dadurch, dass das piezoelektrische Element 3 mehr als zwei piezoelektrische Schichten 31 bis 34 umfasst. Dabei ist jeweils zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen Schichten 31 bis 34 ein Zwischenelement 30 vorgesehen. Bei den Zwischenelementen 30 dieses Aufbaus mit mehr als zwei piezoelektrischen Schichten 31 bis 34 können die einzelnen Zwischenelemente 30 ebenfalls entweder als Zwischenelemente eines Materials oder als akustische Reflektorelemente mit mehreren Schichten realisiert werden. Neben der in 5 dargestellten Ausführungsform mit 4 piezoelektrischen Schichten 31 bis 34 sind grundsätzlich auch weitere Ausführungsformen mit einer hiervon abweichenden Anzahl von piezoelektrischen Schichten 31 bis 34 möglich. Beispielsweise sind auch nur 3 piezoelektrischen Schichten 31 bis 33 oder mehr als vier piezoelektrische Schichten 31 bis 34 möglich. Gleiches gilt für die Anzahl an Zwischenelementen 30, welche zwischen eins und der Anzahl der piezoelektrischen Schichten 31 bis 34 liegen kann.
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Grundsätzlich versteht es sich, dass die zuvor beschriebenen Einzelaspekte der verschiedenen Ausführungsformen in beliebiger Weise, soweit sinnvoll, miteinander kombiniert werden können, auch wenn diese nicht explizit in einer solchen Kombination beschrieben worden sind.
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Die beschriebenen akustischen Wellenresonatoren können beispielsweise in volumenakustischen Resonator-Bauelementen wie Hochfrequenzresonatoren oder Oszillatoren, Filtern, gravimetrischen Sensoren oder Ähnlichem eingesetzt werden.
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Insbesondere ist beispielsweise die Verwendung derartiger Bauelemente in Hochfrequenzsystemen für Mobilfunkanwendungen oder im Radarbereich bei Frequenzen von 5GHz, insbesondere 10 GHz und mehr möglich.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen akustischen Wellenresonator mit einem piezoelektrischen Element zwischen zwei Elektroden. Das piezoelektrische Element wird dabei durch mehrere piezoelektrische Schichten realisiert, wobei wenigstens zwischen zwei piezoelektrischen Schichten ein Zwischenelement vorgesehen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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