CN111342808B - 基于元素掺杂缩小有效面积的谐振器、滤波器和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种减小谐振器的面积的方法，所述谐振器的阻抗值预定且所述谐振器具有由底电极、压电层和顶电极构成的三明治结构，所述方法包括步骤：在所述压电层中掺杂元素，以减小所述有效区域的面积。本发明还涉及一种具有预定阻抗值的谐振器，包括由底电极、压电层和顶电极构成的三明治结构，其中：在所述压电层中掺杂有元素；且所述谐振器的面积不大于参照谐振器的面积的80％，所述参照谐振器为与所述谐振器结构相同、具有所述预定阻抗值且压电层未掺杂元素的谐振器。本发明也涉及一种滤波器以及具有该滤波器的电子设备。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种谐振器，一种滤波器单元，一种缩小谐振器的面积的方法，一种具有该谐振器或者滤波器单元的滤波器以及一种具有该谐振器或者滤波器的电子设备。
背景技术
利用压电薄膜在厚度方向的纵向谐振所制成的薄膜体声波谐振器，在手机通讯和高速串行数据应用等方面已经成为声表面波器件和石英晶体谐振器的一个可行的替代。
具有薄膜体声波谐振器的射频前端体声波滤波器/双工器提供优越的滤波特性，例如低插入损耗，陡峭的过渡带，较大的功率容量，较强的抗静电放电 (ESD)能力。具有超低频率温度漂移的高频薄膜体声波谐振器，其相位噪声低，功耗低且带宽调制范围大。除此之外，这些微型薄膜谐振器在硅衬底上使用CMOS 兼容的加工工艺，这样可以降低单位成本，并有利于最终与CMOS电路集成。
体声波谐振器的传统结构如图1a和图1b所示，其中图1b由图1a按折线 AOA’剖开获得。
如图1a和图1b所示，体声波谐振器具有基底P100；声学镜结构P200嵌入基底或位于基底表面，声学镜P200的具体结构可包含空腔或布拉格反射层或其他可反射声波的等效构造；底电极P300覆盖声学镜结构和部分基底；压电薄膜层P400覆盖底电极和部分基底；顶电极P500位于压电层之上，并覆盖部分压电层。其中顶电极P500、压电层P400、底电极P300以及空腔P200的横向重合部分定义了体声波谐振器的有效声学区域(简称有效区域)AR。通常，底电极 P300和顶电极P500还分别具有如图1a所示的电极引脚P301和P501(图1b中未示出)。此外，图1a和图1b中还略去了通常覆盖在谐振器的功能层如P500 和P400表面的工艺调节层，该类工艺层的作用通常为保护谐振器不受外界水汽和氧气的侵蚀，或对谐振器的性能参数(如频率等)进行调节。
射频滤波器小型化的要求导致芯片面积越来越小。不过，在现有技术中，芯片上的器件功能区域的面积基本不变，也占据了芯片的大部分面积，这直接导致在滤波器日渐小型化的情况下，芯片上功能区域之外的面积变小，从而迫使缩小功能区域以外的垫片(Pad)及过孔尺寸。而垫片及过孔尺寸越小，其电学阻抗越大，会影响滤波器的插入损耗以及散热，从而导致滤波器的功率容量降低。通过减小功能区域之外的面积来减小芯片面积已经愈加困难。
现实中存在进一步有效减小芯片面积的需要。
发明内容
为缓解或解决使用现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种减小体声波谐振器的有效区域的面积的方法，所述谐振器的阻抗值预定且所述谐振器具有由底电极、压电层和顶电极构成的三明治结构，所述方法包括步骤：在所述有效区域对应的压电层中掺杂元素，以减小所述有效区域的面积。
根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种具有预定阻抗值的体声波谐振器，包括由底电极、压电层和顶电极构成的三明治结构，其中：在所述压电层中掺杂有元素；且所述谐振器的有效区域的面积小于参照谐振器的有效区域的面积，所述参照谐振器为与所述谐振器结构相同、具有所述预定阻抗值，以及具有与所述谐振器相同的频率和有效机电耦合系数，且压电层未掺杂元素的谐振器。进一步可选的的，所述谐振器的有效区域的面积不大于所述参照谐振器的有效区域的面积的80％，更进一步的，所述谐振器的有效区域的面积不小于所述参照谐振器的有效区域的面积的15％，进一步的，不小于25％。可选的，所述谐振器的Q值大于1000。
根据本发明的实施例的再一方面，提出了一种滤波器单元，包括：功能基底；封装基底，与功能基底对置；功能器件，设置于所述功能基底，所述功能器件包括多个体声波谐振器，每一个体声波谐振器具有由底电极、压电层和顶电极构成的三明治结构，其中：所有谐振器的有效区域的面积之和不大于所述功能基底的一个表面的面积的2/3，进一步的，1/2。
可选的，所述压电层掺杂有如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。
可选的，掺杂元素的原子分数范围为1％-40％。进一步可选的，掺杂元素的原子分数范围为3％-20％。
可选的，所述压电层为氮化铝压电层、氧化锌压电层、铌酸锂压电层或钛锆酸铅压电层。
本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括：上述的滤波器单元，或者上述的谐振器。
本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的谐振器或者上述的滤波器。
附图说明
以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
图1a为现有技术中的体声波谐振器的示意性俯视图；
图1b为沿图1a中的AOA’线截得的示意性剖视图；
图2为体声波谐振器的三明治结构示意图；
图3为体声波谐振器的机电耦合系数Nkt与比例r之间的关系曲线图；
图4a为示出体声波谐振器工作时的声波能量从有效区域向外散逸的示意性俯视图；
图4b为示出体声波谐振器工作时的声波能量从有效区域向外散逸的示意性截面图；
图5为示出体声波谐振器的有效区域面积缩减的示意性俯视图；以及
图6为根据本发明的一个示例性实施例的掺杂原子比(原子分数)与谐振器有效区域的面积以及周长面积比的关系图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
下面参照附图示例性描述本发明。
体声波谐振器工作过程中，电能和机械能相互转化过程主要发生在图1b所示的有效声学区域AR中，现截取出该区域中的由底电极、压电层和顶电极构成的声学堆叠(该堆叠也称为三明治结构)，并放大显示于图2中。
机电耦合系数(Nkt)是体声波谐振器的重要性能指标之一，该性能参数和如下因素有密切关系：(1)压电薄膜参入杂质元素的比例；以及(2)三明治结构中电极层和压电层的厚度比例。
图2所示的体声波谐振器的三明治结构包含厚度为t的顶电极TE、底电极 BE以及厚度为d的压电层PZ。此处定义比例
对于特定的未掺杂的谐振器，其归一化的机电耦合系数Nkt和比例r之间的关系可用图3所示的特性曲线C0描述。
如图3所示，当对该谐振器的压电层掺杂时，特性曲线C0向上移动形成曲线C1。若未掺杂之前，具有厚度比r0的谐振器的机电耦合系数为Nkt0,那么掺杂之后该系数升高至Nkt1。
通常机电耦合系数受到滤波器相对带宽及滚降特性的技术指标限制而需保持不变，因此在掺杂的情况下，需要通过调节比例r来将机电耦合系数恢复到未掺杂的水平。注意到曲线C1有一个最大值，因此对比例r的调节有两种方式，可使比例r从r0缩小到r2或增大至r1。但由于缩小r意味着电极层变薄阻抗增大，从而造成器件损耗上升，因此选择增大比例r至r1。
另一方面，谐振器的频率f受滤波器中心频率技术指标约束而需固定不变。频率f与三明治结构的总体厚度有如下简化关系：
其中D是将电极材料(Mo)等效为压电材料的等效总厚度，具体为D＝ 2tv1/v2+d，其中，v2是电极材料中纵波声速，v1是压电材料中纵波声速。将公式(1)带入公式(2)中，可以得到：
由于掺杂带来的声速v1降低，同时，r增大，那么若要求频率f不发生变化，那么压电层厚度d应减小。
此外，对谐振器的阻抗也有限制(50欧姆)的技术要求，而阻抗Z与压电层厚度d之间由下式相联系：
其中，ε是压电材料的介电常数，A是谐振器的有效面积，j是表示相位的虚数单位。
当要求阻抗Z不变时，若压电层厚度d变小，有效面积A也必须变小。
基于以上，可以通过向压电层添加杂质元素使得压电层厚度d变小，从而减小谐振器的有效面积A。
谐振器的有效面积的减小可以给谐振器相关的结构性能带来诸多好处，但是该面积的减小并不是无限度的。因为在谐振器工作时，声波能量会不可避免的通过图4a(俯视图)和图4b(剖视图)所示的有效区域AR的边界通过声波能流AEL向外逸散。
对于有效区域厚度为面积为A、有效区域周长为C、有效区域厚度为D的谐振器，若谐振器中的能量密度为α，则谐振器中包含的能量E为：
E＝αAD
若有效区域侧壁上的能量损耗密度为，则逸散掉的能量E’为 E’＝βCD
若将E’/E定义为能量损耗率η，则
其中周长面积比/>一般来说可认为λ和尺寸无关，那么能量损耗率η就只和周长面积比R直接成正比关系。
如图5所示，对于任意形状的谐振器有效区域的俯视图AR1(面积为A1，周长为C1)，当对其面积进行如图5所示的相似缩减(面积缩减系数为K)，变为AR2(面积为A2，周长为C2)时，AR1的面积A1与AR2的面积A2的关系如下：
A2＝K×A1
而AR1和AR2的周长面积比R1和R2分别为
AR1的周长与面积的比值R1与对应于AR2的该比值R2有如下关系：
其中，由于K介于0和1之间，因此可知周长与面积的比值随面积的减小而增大，从而可知当形状不变，面积越小的谐振器有效区域能量损耗率越高。过小的谐振器面积将导致其损失过高比例的能量，从而使性能严重下滑。
因此，通过元素掺杂可以减小谐振器的有效区域的面积，但同时也需要考虑能量损耗率。
基于以上，本发明提出了一种减小体声波谐振器的有效区域的面积的方法，所述谐振器的阻抗值预定且所述谐振器具有由底电极、压电层和顶电极构成的三明治结构，所述方法包括步骤：在所述有效区域对应的压电层中掺杂元素，以减小所述有效区域的面积。
基于上述的公式(4)可知，当要求阻抗Z不变时，若压电层厚度d变小，有效面积A也必须变小。换言之，通过降低压电层的厚度，在保持谐振器的阻抗不变的情况下，可以减小有效区域的面积。
可选的，所述谐振器的Q值大于1000。
本发明也提出了一种具有预定阻抗值的体声波谐振器，包括由底电极、压电层和顶电极构成的三明治结构，其中：在所述压电层中掺杂有元素；且所述谐振器的有效区域的面积小于参照谐振器的有效区域的面积，所述参照谐振器为与所述谐振器结构相同、具有所述预定阻抗值且压电层未掺杂元素的谐振器。
这里的参照谐振器与所述谐振器结构相同，表示除了基于元素掺杂原因导致的压电层厚度或者有效区域的面积减小之外，其他影响阻抗值的因素不存在不同，具体的，所述参照谐振器为与所述谐振器结构相同、具有所述预定阻抗值，以及具有与所述谐振器相同的频率和有效机电耦合系数，且压电层未掺杂元素的谐振器。
在可选的实施例中，所述谐振器的有效区域的面积不大于所述参照谐振器的有效区域的面积的80％。
更进一步的，考虑到谐振器有效区域能量损耗率，所述谐振器的有效区域的面积不小于所述参照谐振器的有效区域的面积的15％，进一步的，不小于25％。
鉴于体声波滤波器的功能区域主要设置多个体声波谐振器，在体声波谐振器采用了上述方法减小体声波谐振器的有效区域的面积之后，可以有效减小体声波谐振器的功能区域的面积。基于此，本发明还提出了一种滤波器单元，包括：功能基底(例如图1b中基底P100)；封装基底(未示出)，与功能基底对置；功能器件，设置于所述功能基底，所述功能器件包括多个体声波谐振器，每一个体声波谐振器具有由底电极、压电层和顶电极构成的三明治结构(例如参见图2)，其中：所有谐振器的有效区域的面积之和不大于所述功能基底的一个表面的面积的2/3，进一步的，1/2。需要指出的是，这里的功能基底的表面的面积为其一个表面的整个面积(包括了过孔以及功能器件所在的面积)。
在实施例中，所述压电层掺杂有如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。
参见图6，掺杂元素的原子分数(或者原子比)范围为1％-40％，在此范围内，随着原子分数增加，谐振器面积减小且周长面积比增加。参见图6，可以看出当掺杂比大于等于20％时，面积缩减趋势已经趋于平缓，但周长面积比曲线增长趋势依然明显，因此进一步的，将掺杂比的范围控制为3％-20％。具体的原子分数可以为％1、3％、6％、20％、30％、40％等。
所述压电层可为氮化铝压电层、氧化锌压电层、铌酸锂压电层或钛锆酸铅压电层。
在本发明中，顶电极和底电极的材料可选但不限于：钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等或以上金属的复合或其合金。
相应的，本发明也涉及一种滤波器，包括上述的滤波器单元。
本发明也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器单元或者滤波器或者功能基底。需要指出的是，这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (20)
1.一种减小体声波谐振器的有效区域的面积的方法，所述谐振器的阻抗值预定且所述谐振器具有由底电极、压电层和顶电极构成的三明治结构，所述方法包括步骤：
在所述有效区域对应的压电层中掺杂元素，以减小所述有效区域的面积；
所述掺杂元素包括如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
掺杂元素的原子分数范围为1％-40％。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：
掺杂元素的原子分数范围为3％-20％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中：
所述压电层为氮化铝压电层、氧化锌压电层、铌酸锂压电层或钛锆酸铅压电层。
5.一种具有预定阻抗值的体声波谐振器，包括由底电极、压电层和顶电极构成的三明治结构，其中：
在所述压电层中掺杂有元素；且
所述谐振器的有效区域的面积小于参照谐振器的有效区域的面积，所述参照谐振器为与所述谐振器结构相同、具有所述预定阻抗值，以及具有与所述谐振器相同的频率和有效机电耦合系数，且压电层未掺杂元素的谐振器；
所述掺杂元素包括如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。
6.根据权利要求5所述的谐振器，其中：
所述谐振器的有效区域的面积不大于所述参照谐振器的有效区域的面积的80％。
7.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
所述谐振器的有效区域的面积不小于所述参照谐振器的有效区域的面积的15％。
8.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
所述谐振器的有效区域的面积不小于所述参照谐振器的有效区域的面积的25％。
9.根据权利要求5所述的谐振器，其中：
掺杂元素的原子分数范围为1％-40％。
10.根据权利要求9所述的谐振器，其中：
掺杂元素的原子分数范围为3％-20％。
11.根据权利要求5所述的谐振器，其中：
所述谐振器的Q值大于1000。
12.根据权利要求5-11中任一项所述的谐振器，其中：
所述压电层为氮化铝压电层、氧化锌压电层、铌酸锂压电层或钛锆酸铅压电层。
13.一种滤波器单元，包括：
功能基底；
封装基底，与功能基底对置；
功能器件，设置于所述功能基底，所述功能器件包括多个体声波谐振器，每一个体声波谐振器具有由底电极、压电层和顶电极构成的三明治结构，
其中：
所有谐振器的有效区域的面积之和不大于所述功能基底的一个表面的面积的2/3；
所述压电层掺杂有如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。
14.根据权利要求13所述的滤波器单元，其中：
所有谐振器的有效区域的面积之和不大于所述功能基底的一个表面的面积的1/2。
15.一种滤波器单元，包括根据权利要求5-12中任一项所述的体声波谐振器。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的滤波器单元，其中：
掺杂元素的原子分数范围为1％-40％。
17.根据权利要求16所述的滤波器单元，其中：
掺杂元素的原子分数范围为3％-20％。
18.根据权利要求13-17中任一项所述的滤波器单元，其中：
所述压电层为氮化铝压电层、氧化锌压电层、铌酸锂压电层或钛锆酸铅压电层。
19.一种滤波器，包括：
根据权利要求13-18中任一项所述的滤波器单元，或者根据权利要求5-12中任一项所述的谐振器。
20.一种电子设备，包括根据权利要求5-12中任一项所述的谐振器或者根据权利要求19所述的滤波器。
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|---|---|---|---|---|
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| CN112332801B (zh) * | 2020-10-30 | 2021-09-21 | 诺思(天津)微系统有限责任公司 | 包含掺杂谐振器的滤波器和多工器、通信设备 |
| CN115133899A (zh) * | 2021-03-29 | 2022-09-30 | 诺思(天津)微系统有限责任公司 | 具有钨电极的体声波谐振器、滤波器及电子设备 |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102291095A (zh) * | 2011-04-27 | 2011-12-21 | 庞慰 | 复合体声波谐振器 |
| CN102916673A (zh) * | 2011-08-02 | 2013-02-06 | 太阳诱电株式会社 | 压电薄膜谐振器及其制造方法 |
| CN102957397A (zh) * | 2011-08-22 | 2013-03-06 | 太阳诱电株式会社 | 声波器件 |
| CN103472129A (zh) * | 2013-09-17 | 2013-12-25 | 天津大学 | 用于流体环境检测的谐振传感器 |
| CN103532516A (zh) * | 2013-08-05 | 2014-01-22 | 天津大学 | 体波谐振器及其制造方法 |
| CN103795366A (zh) * | 2012-10-27 | 2014-05-14 | 安华高科技通用Ip(新加坡)公司 | 体声波谐振器结构、薄膜体声波谐振器结构以及固体装配型谐振器结构 |
| CN104868871A (zh) * | 2014-02-26 | 2015-08-26 | 安华高科技通用Ip(新加坡)公司 | 具有掺杂压电材料和框架元件的体声波谐振器 |
| CN104883153A (zh) * | 2014-02-27 | 2015-09-02 | 安华高科技通用Ip(新加坡)公司 | 具有掺杂压电层的体声波谐振器 |
| CN107012422A (zh) * | 2015-10-09 | 2017-08-04 | Spts科技有限公司 | 沉积方法、含添加物的氮化铝膜及包括该膜的压电器件 |
| CN107453729A (zh) * | 2017-06-28 | 2017-12-08 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种基于复合结构的温度补偿薄膜体声波谐振器 |
| CN107689781A (zh) * | 2016-08-03 | 2018-02-13 | 三星电机株式会社 | 体声波谐振器、滤波器和体声波谐振器的制造方法 |
| CN108390661A (zh) * | 2017-02-03 | 2018-08-10 | 三星电机株式会社 | 滤波器及包括滤波器的前端模块 |
| CN108574468A (zh) * | 2017-03-08 | 2018-09-25 | 三星电机株式会社 | 薄膜体声波谐振器以及制造薄膜体声波谐振器的方法 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6424237B1 (en) * | 2000-12-21 | 2002-07-23 | Agilent Technologies, Inc. | Bulk acoustic resonator perimeter reflection system |
| JP3963824B2 (ja) * | 2002-11-22 | 2007-08-22 | 富士通メディアデバイス株式会社 | フィルタ素子、それを有するフィルタ装置、分波器及び高周波回路 |
| JP4719683B2 (ja) * | 2003-10-06 | 2011-07-06 | エヌエックスピー ビー ヴィ | ラダー型薄膜バルク音響波フィルタ |
| US9917567B2 (en) * | 2011-05-20 | 2018-03-13 | Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Bulk acoustic resonator comprising aluminum scandium nitride |
| US9214623B1 (en) * | 2012-01-18 | 2015-12-15 | Analog Devices, Inc. | Doped piezoelectric resonator |
| JP5904591B2 (ja) * | 2012-03-15 | 2016-04-13 | 太陽誘電株式会社 | 弾性波デバイス |
| US10727809B2 (en) * | 2016-12-15 | 2020-07-28 | Qorvo Us, Inc. | Bulk acoustic wave resonator with multilayer piezoelectric structure |
| KR102369436B1 (ko) * | 2017-04-19 | 2022-03-03 | 삼성전기주식회사 | 체적 음향 공진기 |
-
2018
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-
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- 2019-11-26 WO PCT/CN2019/121083 patent/WO2020125352A1/zh unknown
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102291095A (zh) * | 2011-04-27 | 2011-12-21 | 庞慰 | 复合体声波谐振器 |
| CN102916673A (zh) * | 2011-08-02 | 2013-02-06 | 太阳诱电株式会社 | 压电薄膜谐振器及其制造方法 |
| CN102957397A (zh) * | 2011-08-22 | 2013-03-06 | 太阳诱电株式会社 | 声波器件 |
| CN103795366A (zh) * | 2012-10-27 | 2014-05-14 | 安华高科技通用Ip(新加坡)公司 | 体声波谐振器结构、薄膜体声波谐振器结构以及固体装配型谐振器结构 |
| CN103532516A (zh) * | 2013-08-05 | 2014-01-22 | 天津大学 | 体波谐振器及其制造方法 |
| CN103472129A (zh) * | 2013-09-17 | 2013-12-25 | 天津大学 | 用于流体环境检测的谐振传感器 |
| CN104868871A (zh) * | 2014-02-26 | 2015-08-26 | 安华高科技通用Ip(新加坡)公司 | 具有掺杂压电材料和框架元件的体声波谐振器 |
| CN104883153A (zh) * | 2014-02-27 | 2015-09-02 | 安华高科技通用Ip(新加坡)公司 | 具有掺杂压电层的体声波谐振器 |
| CN107012422A (zh) * | 2015-10-09 | 2017-08-04 | Spts科技有限公司 | 沉积方法、含添加物的氮化铝膜及包括该膜的压电器件 |
| CN107689781A (zh) * | 2016-08-03 | 2018-02-13 | 三星电机株式会社 | 体声波谐振器、滤波器和体声波谐振器的制造方法 |
| CN108390661A (zh) * | 2017-02-03 | 2018-08-10 | 三星电机株式会社 | 滤波器及包括滤波器的前端模块 |
| CN108574468A (zh) * | 2017-03-08 | 2018-09-25 | 三星电机株式会社 | 薄膜体声波谐振器以及制造薄膜体声波谐振器的方法 |
| CN107453729A (zh) * | 2017-06-28 | 2017-12-08 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种基于复合结构的温度补偿薄膜体声波谐振器 |
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