CN114866058A - 一种基于Sc掺杂浓度变化的体声波滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于Sc掺杂浓度变化的体声波滤波器。所述体声波滤波器包括基板、底电极、空腔、多层体压电层、顶电极和钝化层；所述底电极、多层体压电层、顶电极和钝化层依次按层级布设于所述基板上；其中，所述多层体压电层包括多个掺钪浓度不同的掺钪压电子层。本发明能够在增加整体压电层掺钪浓度，减小滤波器尺寸的前提下，进一步有效防止体声波滤波器机电耦合系数的降低，有效提高尺寸降低的滤波器的性能质量和运行稳定性。

Description

一种基于Sc掺杂浓度变化的体声波滤波器
技术领域
本发明提出了一种基于Sc掺杂浓度变化的体声波滤波器，属于薄膜滤波器技术领域。
背景技术
近年来，随着电子技术的不断发展，薄膜式滤波器得到了越来越广泛的应用。然而，当前薄膜式滤波器的应用的过程中往往要求其尺寸做到足够小，才能够应用于许多精密的无线通信终端中。当前，常采用在压电材料中掺杂稀土元素的方式解决滤波器尺寸缩小的问题，但是，由于随着对于压电层的稀土元素的掺杂浓度提高，会导致机电耦合系数的骤降，因此，如何控制稀土元素的掺杂浓度保证滤波器尺寸缩小和稳定机电耦合系数之间的平衡，是现阶段需要解决的一个难题。
发明内容
本发明提供了一种基于Sc掺杂浓度变化的体声波滤波器，用以解决现有技术中体声波滤波器尺寸难以降低的问题，所采取的技术方案如下：
一种基于Sc掺杂浓度变化的体声波滤波器，所述体声波滤波器包括基板、底电极、空腔、多层体掺钪压电层、顶电极和钝化层；所述底电极、多层体掺钪压电层、顶电极和钝化层依次按层级布设于所述基板上；所述空腔为带凹槽的基板和底电极之间形成的腔体。
进一步地，所述多层体掺钪压电层包括多个掺钪浓度不同的掺钪压电子层，或，每相邻两个掺钪压电子层的掺钪浓度不同的多个掺钪压电子层。
进一步地，所述多层体掺钪压电层包括第一掺钪压电层、第二掺钪压电层和第三掺钪压电层；所述第一掺钪压电层、第二掺钪压电层和第三掺钪压电层的掺钪浓度各不同。
进一步地，所述第一掺钪压电层紧贴于所述顶电极的一侧；所述第二掺钪压电层设置于所述第一掺钪压电层远离顶电极的一侧；所述第三掺钪压电层设置于所述第二掺钪压电层的远离所述第一掺钪压电层的一侧，并且，所述第三掺钪压电层紧贴于所述底电极。
进一步地，所述第一掺钪压电层沿所述基板宽度方向上延展的长度大于顶电极延所述基板宽度方向上延展的长度，且小于基板的宽度；所述第二掺钪压电层和第三掺钪压电层沿所述基板宽度方向上延展的长度与所述基板宽度相同。
进一步地，所述第一掺钪压电层的掺钪浓度范围为0.015-0.023；所述第二掺钪压电层的掺钪浓度范围为0.010-0.018；所述第三掺钪压电层的掺钪浓度范围为0.012-0.025。
进一步地，所述多层体掺钪压电层包括第一掺钪压电层、第二掺钪压电层、第三掺钪压电层和第四掺钪压电层；所述第一掺钪压电层、第二掺钪压电层、第三掺钪压电层和第四掺钪压电层中每相邻的两个压电层的掺钪浓度不同。
进一步地，所述第四掺钪压电层紧贴于所述底电极的顶端，并沿所述基板宽度方向上延展至覆盖基板，且，所述第四掺钪压电层的厚度与所述底电极厚度相同；所述第三掺钪压电层、第二掺钪压电层和第一掺钪压电层沿所述底电极向顶电极的方向依次逐层布设。
进一步地，所述第二掺钪压电层的厚度大于第一掺钪压电层的厚度；所述第三掺钪压电层的厚度不得低于所述第二掺钪压电层厚度的63%。
进一步地，所述第一掺钪压电层的掺钪浓度范围为0.015-0.027；所述第二掺钪压电层的掺钪浓度范围为0.013-0.025；所述第三掺钪压电层的掺钪浓度范围为0.012-0.020；所述第四掺钪压电层的掺钪浓度范围为0.008-0.015。
本发明有益效果：
本发明提出的一种基于Sc掺杂浓度变化的体声波滤波器通过将单一压电层分为多个掺钪浓度不同的压电子层的方法，在不整体增加压电层厚度的前提下，通过每个压电子层的不同掺钪浓度，改变压电子层的掺钪综合浓度，也即，通过掺钪浓度不同的多级层压电子层综合调整压电层整体的掺钪浓度，通过这种方式，在不增加压电层整体厚度标准的情况下，反而通过掺钪方式降低压电层整体厚度和滤波器的面积尺寸，并且，由于多个压电子层的掺钪浓度设置不同能够综合调整整体压电层的机电耦合系数。保证在提高整体压电层的掺钪浓度的情况下，增大机电耦合系数的可调性范围，进而保证机电耦合系数维持在滤波器所需的数值指标范围。因此，通过本发明提出的基于Sc掺杂浓度变化的体声波滤波器，能够在增加整体压电层掺钪浓度，减小滤波器尺寸的前提下，进一步有效防止体声波滤波器机电耦合系数的降低，有效提高尺寸降低的滤波器的性能质量和运行稳定性。
附图说明
图1为本发明所述体声波滤波器的结构示意图；
图2为本发明所述体声波滤波器的三层压电层结构示意图；
图3为本发明所述体声波滤波器的四层压电层结构示意图；
（1，基板；2，底电极；3，空腔；4，多层体掺钪压电层；5，顶电极；6，钝化层；41，第一掺钪压电层；42，第二掺钪压电层；43，第三掺钪压电层；44，第四掺钪压电层）。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出了一种基于Sc掺杂浓度变化的体声波滤波器，如图1所示，所述体声波滤波器包括基板1、底电极2、空腔3、多层体掺钪压电层4、顶电极5和钝化层6；所述底电极2、多层体掺钪压电层4、顶电极5和钝化层6依次按层级布设于所述基板1上。所述空腔3为带凹槽的基板1和底电极2之间形成的腔体。
其中，所述多层体掺钪压电层4包括多个掺钪浓度不同的掺钪压电子层，或，每相邻两个掺钪压电子层的掺钪浓度不同的多个掺钪压电子层。
上述技术方案的工作原理为：体声波滤波器在运行过程中，通过谐振器通电后产生的电磁波进行高频谐振。压电层在运行过程中通过机械振动将机械能转化为电能，而机械振动在压电层中的传播是延压电层横向和纵向进行不断扩展的。因此，实际上即使压电层厚度再小，从压电层本身来看，其厚度的存在的情况下，每个层级受机械波振动的程度不同，其电能转化程度是不同的。因此，针对整体压电层进行多级层的差分，形成多个压电子层，并且针对每个压电子层进行不同浓度的钪元素掺杂，不仅能够通过多层级不同浓度的掺钪情况综合调整整体压电层的掺钪浓度，同时，通过掺钪浓度的调整实现压电层的整体厚度的缩减。
上述技术方案的效果为：本实施例提出的一种基于Sc掺杂浓度变化的体声波滤波器通过将单一压电层分为多个掺钪浓度不同的压电子层的方法，在不整体增加压电层厚度的前提下，通过每个压电子层的不同掺钪浓度，改变压电子层的掺钪综合浓度，也即，通过掺钪浓度不同的多级层压电子层综合调整压电层整体的掺钪浓度，通过这种方式，在不增加压电层整体厚度标准的情况下，反而通过掺钪方式降低压电层整体厚度和滤波器的面积尺寸，并且，由于多个压电子层的掺钪浓度设置不同能够综合调整整体压电层的机电耦合系数。保证在提高整体压电层的掺钪浓度的情况下，增大机电耦合系数的可调性范围，进而保证机电耦合系数维持在滤波器所需的数值指标范围。因此，通过本实施例提出的基于Sc掺杂浓度变化的体声波滤波器，能够在增加整体压电层掺钪浓度，减小滤波器尺寸的前提下，进一步有效防止体声波滤波器机电耦合系数的降低，有效提高尺寸降低的滤波器的性能质量和运行稳定性。
本发明的一个实施例，所述多层体掺钪压电层4包括第一掺钪压电层41、第二掺钪压电层42和第三掺钪压电层43；所述第一掺钪压电层41、第二掺钪压电层42和第三掺钪压电层43的掺钪浓度各不同。
其中，所述第一掺钪压电层41紧贴于所述顶电极5的一侧；所述第二掺钪压电层42设置于所述第一掺钪压电层41远离顶电极5的一侧；所述第三掺钪压电层43设置于所述第二掺钪压电层42的远离所述第一掺钪压电层41的一侧，并且，所述第三掺钪压电层43紧贴于所述底电极2。所述第一掺钪压电层41沿所述基板1宽度方向上延展的长度大于顶电极5延所述基板1宽度方向上延展的长度，且小于基板1的宽度；所述第二掺钪压电层42和第三掺钪压电层43沿所述基板1宽度方向上延展的长度与所述基板1宽度相同。
所述第一掺钪压电层41的掺钪浓度范围为0.015-0.023；所述第二掺钪压电层42的掺钪浓度范围为0.010-0.018；所述第三掺钪压电层43的掺钪浓度范围为0.012-0.025。
上述技术方案的工作原理为：由于谐振器在运行过程中通过位于压电层上下位置的顶电极和底电极的通电电磁波产生振动进而将机械能转化为电能，因此，压电层与顶电极和底电极之间的位置关系，直接影响该压电子层收到的机械振动情况。在底电极完全被压电层包裹的情况下，通过本实施例提供的层级结构对压电层进行结构分层，能够结合底电极的形状特点，提高压电层分层的合理性。这种分层结构能够通过单独压电子层对底电极进行整体包裹的情况下，最大限度提高该压电子层对于底电极振动的接受的完整性，可以在机械振动发生变化和不稳定的阶段，保证机械振动的不稳定性全部由一个完整的压电子层进行消化，降低机械振动发生变化和不稳定的阶段对其他压电子层的影响，进而提高体声波滤波器的性能质量。同时，由于钪元素的掺杂浓度越高，越能够增大压电层的尺寸缩减幅度，但是也导致钪元素的使用量增加和消耗，因此，在这种情况下，本实施例提出的掺钪浓度能够在整体缩减压电层厚度的前提下，最大限度降低钪元素的使用量，并且，再保证掺钪浓度足够小的同时保证最大程度缩减压电层厚度。
上述技术方案的效果为：根据与顶电极和底电极的位置关系进行不同层级的压电子层的钪元素掺杂浓度的调整，并结合上述本实施例提出的各个压电掺杂子层的钪元素掺杂浓度的范围设置，能够在压电层被分为不同层级数量的情况下，最大限度缩减压电层的整体厚度，并且，能够在最大限度所辖压电层整体厚度的同时，有效保证谐振器的机电耦合系数的稳定，完全避免机电耦合系数的降低，在缩小体声波滤波器整体面积尺寸的情况下，有效提高体声波滤波器的性能质量。
本发明的一个实施例，所述多层体掺钪压电层4包括第一掺钪压电层41、第二掺钪压电层42、第三掺钪压电层43和第四掺钪压电层44；所述第一掺钪压电层41、第二掺钪压电层42、第三掺钪压电层43和第四掺钪压电层44中每相邻的两个压电层的掺钪浓度不同。
其中，所述第四掺钪压电层44紧贴于所述底电极2的顶端，并沿所述基板1宽度方向上延展至覆盖基板1，且，所述第四掺钪压电层44的厚度与所述底电极2厚度相同；所述第三掺钪压电层43、第二掺钪压电层42和第一掺钪压电层41沿所述底电极2向顶电极5的方向依次逐层布设。所述第二掺钪压电层42的厚度大于第一掺钪压电层41的厚度；所述第三掺钪压电层43的厚度不得低于所述第二掺钪压电层42厚度的63%。
所述第一掺钪压电层41的掺钪浓度范围为0.015-0.027；所述第二掺钪压电层42的掺钪浓度范围为0.013-0.025；所述第三掺钪压电层43的掺钪浓度范围为0.012-0.020；所述第四掺钪压电层44的掺钪浓度范围为0.008-0.015。由于钪元素的掺杂浓度越高，越能够增大压电层的尺寸缩减幅度，但是也导致钪元素的使用量增加和消耗，因此，在这种情况下，本实施例提出的掺钪方法能够在整体缩减压电层厚度的前提下，最大限度降低钪元素的使用量，并且，再保证掺钪浓度足够小的同时保证最大程度缩减压电层厚度。
上述技术方案的工作原理为：由于谐振器在运行过程中通过位于压电层上下位置的顶电极和底电极的通电电磁波产生振动进而将机械能转化为电能，因此，压电层与顶电极和底电极之间的位置关系，直接影响该压电子层收到的机械振动情况。由于每个压电子层由于掺杂了钪元素，因此，其厚度是否均匀一致，也会影响压电子层自身的机电耦合系数。基于此，
通过本实施例提供的层级结构对压电层进行四层结构分层，保证每个亚电子层均具有一致性的厚度，并通过钪元素掺杂浓度范围的不同设置调整整体压电层的厚度和机电耦合系数。进而在机械振动发生变化和不稳定的阶段需要两个压电子层进行机械振动的消化的情况下，保证机电耦合系数的稳定。
上述技术方案的效果为：根据与顶电极和底电极的位置关系进行不同层级的压电子层的钪元素掺杂浓度的调整，并结合上述本实施例提出的各个压电掺杂子层的钪元素掺杂浓度的范围设置，能够在压电层被分为不同层级数量的情况下，最大限度缩减压电层的整体厚度，并且，能够在最大限度所辖压电层整体厚度的同时，有效保证谐振器的机电耦合系数的稳定，完全避免机电耦合系数的降低，在缩小体声波滤波器整体面积尺寸的情况下，有效提高体声波滤波器的性能质量。同时，由于钪元素的掺杂浓度越高，越能够增大压电层的尺寸缩减幅度，但是也导致钪元素的使用量增加和消耗，因此，在这种情况下，本实施例提出的掺钪后压电层的结构以及不同压电子层的掺钪浓度的比例能够在整体缩减压电层厚度的前提下，最大限度降低钪元素的使用量，并且，再保证掺钪浓度足够小的同时保证最大程度缩减压电层厚度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于Sc掺杂浓度变化的体声波滤波器，其特征在于，所述体声波滤波器包括基板（1）、底电极（2）、空腔（3）、多层体掺钪压电层（4）、顶电极（5）和钝化层（6）；所述底电极（2）、多层体掺钪压电层（4）、顶电极（5）和钝化层（6）依次按层级布设于所述基板（1）上；所述空腔（3）为带凹槽的基板（1）和底电极（2）之间形成的腔体。
2.根据权利要求1所述体声波滤波器，其特征在于，所述多层体掺钪压电层（4）包括多个掺钪浓度不同的掺钪压电子层，或，每相邻两个掺钪压电子层的掺钪浓度不同的多个掺钪压电子层。
3.根据权利要求1所述体声波滤波器，其特征在于，所述多层体掺钪压电层（4）包括第一掺钪压电层（41）、第二掺钪压电层（42）和第三掺钪压电层（43）；所述第一掺钪压电层（41）、第二掺钪压电层（42）和第三掺钪压电层（43）的掺钪浓度各不同。
4.根据权利要求3所述体声波滤波器，其特征在于，所述第一掺钪压电层（41）紧贴于所述顶电极（5）的一侧；所述第二掺钪压电层（42）设置于所述第一掺钪压电层（41）远离顶电极（5）的一侧；所述第三掺钪压电层（43）设置于所述第二掺钪压电层（42）的远离所述第一掺钪压电层（41）的一侧，并且，所述第三掺钪压电层（43）紧贴于所述底电极（2）。
5.根据权利要求3或4所述体声波滤波器，其特征在于，所述第一掺钪压电层（41）沿所述基板（1）宽度方向上延展的长度大于顶电极（5）延所述基板（1）宽度方向上延展的长度，且小于基板（1）的宽度；所述第二掺钪压电层（42）和第三掺钪压电层（43）沿所述基板（1）宽度方向上延展的长度与所述基板（1）宽度相同。
6.根据权利要求3所述体声波滤波器，其特征在于，所述第一掺钪压电层（41）的掺钪浓度范围为0.015-0.023；所述第二掺钪压电层（42）的掺钪浓度范围为0.010-0.018；所述第三掺钪压电层（43）的掺钪浓度范围为0.012-0.025。
7.根据权利要求1所述体声波滤波器，其特征在于，所述多层体掺钪压电层（4）包括第一掺钪压电层（41）、第二掺钪压电层（42）、第三掺钪压电层（43）和第四掺钪压电层（44）；所述第一掺钪压电层（41）、第二掺钪压电层（42）、第三掺钪压电层（43）和第四掺钪压电层（44）中每相邻的两个压电层的掺钪浓度不同。
8.根据权利要求7所述体声波滤波器，其特征在于，所述第四掺钪压电层（44）紧贴于所述底电极（2）的顶端，并沿所述基板（1）宽度方向上延展至覆盖基板（1），且，所述第四掺钪压电层（44）的厚度与所述底电极（2）厚度相同；所述第三掺钪压电层（43）、第二掺钪压电层（42）和第一掺钪压电层（41）沿所述底电极（2）向顶电极（5）的方向依次逐层布设。
9.根据权利要求7所述体声波滤波器，其特征在于，所述第二掺钪压电层（42）的厚度大于第一掺钪压电层（41）的厚度；所述第三掺钪压电层（43）的厚度不得低于所述第二掺钪压电层（42）厚度的63%。
10.根据权利要求7所述体声波滤波器，其特征在于，所述第一掺钪压电层（41）的掺钪浓度范围为0.015-0.027；所述第二掺钪压电层（42）的掺钪浓度范围为0.013-0.025；所述第三掺钪压电层（43）的掺钪浓度范围为0.012-0.020；所述第四掺钪压电层（44）的掺钪浓度范围为0.008-0.015。
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