CN114866064B - 一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器及其制备方法。所述薄膜滤波器包括多个薄膜谐振器；所述多个薄膜谐振器均为掺钪谐振器；多个所述掺钪谐振器串联连接，并且，每相邻两个掺钪谐振器的钪掺杂浓度不同；其中，多个所述掺钪谐振器中，与所述薄膜滤波器的输入端和输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度高于与所述薄膜滤波器的输入端和输出端最远的掺钪谐振器的掺钪浓度。

Description

一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器及其制备方法
技术领域
本发明提出了一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器及其制备方法，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。然而，当滤波器尺寸做小的过程中往往伴随着机电耦合系数降低的问题进而影响滤波器的性能，因此，如何兼顾薄膜式滤波器尺寸缩小并保证要求的机电耦合系数是当前急需解决的一个问题。
发明内容
本发明提供了一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器及其制备方法，用以解决现有技术中保证机电耦合系数的同时，进一步缩小薄膜滤波器尺寸的问题，所采取的技术方案如下：
一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器，所述薄膜滤波器包括多个薄膜谐振器；所述多个薄膜谐振器均为掺钪谐振器；多个所述掺钪谐振器串联连接，并且，每相邻两个掺钪谐振器的钪掺杂浓度不同；其中，多个所述掺钪谐振器中，在靠近所述薄膜滤波器的输入端和输出端向远离所述薄膜滤波器的输入端和输出端的方向上的掺钪谐振器的掺杂浓度逐一递减。即，多个所述掺钪谐振器中，与所述薄膜滤波器的输入端和输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度高于远离所述薄膜滤波器的输入端和输出端的掺钪谐振器的掺钪浓度。
进一步地，所述掺钪谐振器采用掺钪氮化铝为压电材料。
进一步地，当多个所述掺钪谐振器的个数为偶数时，多个所述掺钪谐振器包括掺钪谐振器数量相同的两个谐振器组；其中，每个谐振器组中与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.28-0.42；所述谐振器组中，与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最远的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.014-0.046。
进一步地，所述两个谐振器组中，处于所述两个谐振器组之间相邻位置所对应的掺钪谐振器之间的掺钪浓度差值范围为0.005-0.017。
进一步地，当多个所述掺钪谐振器的个数为大于4的偶数时，所述谐振器组中，位于与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的相邻位置上的掺钪谐振器的掺钪浓度与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度之间的差值不超过0.018。
进一步地，当多个所述掺钪谐振器的个数为奇数时，多个所述掺钪谐振器包括数量中心位置掺钪谐振器和非数量中心位置掺钪谐振器；所述数量中心位置掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.025-0.048。
进一步地，所述非数量中心位置掺钪谐振器中与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.33-0.45。
进一步地，当多个所述掺钪谐振器的个数为大于5的奇数时，位于与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的相邻位置上的掺钪谐振器的掺钪浓度与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度之间的差值不超过0.022。
一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器制备方法，所述薄膜滤波器制备方法包括：
步骤1、根据薄膜滤波器的预设指标确定所述薄膜滤波器内部所需的掺钪谐振器的数量；
步骤2、根据所述掺钪谐振器的数量按照掺钪浓度原则按照靠近所述薄膜滤波器的输入端和输出端向远离所述输入端和输出端的谐振器分布顺序依次逐个确定各掺钪谐振器的掺杂浓度；
步骤3、根据所述各掺钪谐振器的掺杂浓度制备各掺钪谐振器，并将所述各掺钪谐振器串联连接并布设于基板上，形成薄膜滤波器。
进一步地，所述掺钪浓度原则如下：
每相邻两个掺钪谐振器的钪掺杂浓度不同；并且，在靠近所述薄膜滤波器的输入端和输出端向远离所述薄膜滤波器的输入端和输出端的方向上的掺钪谐振器的掺杂浓度逐一递减；
当多个所述掺钪谐振器的个数为偶数时，与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.28-0.42；与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最远的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.014-0.046；
当多个所述掺钪谐振器的个数为奇数时，位于数量中心位置掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.025-0.048；与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.33-0.45。
本发明有益效果：
本发明提出的一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器及其制备方法能够在多个谐振器串联的情况下，保证所有谐振器均可以集成于一颗晶圆上，通过这种方式能够有效降低滤波器的尺寸和体积。同时，通过在谐振器压电材料中掺杂钪元素的方式，在有效降低单个谐振器尺寸厚度的同时有效防止机电耦合系数降低，进而在最大限度降低单个谐振器厚度尺寸的同时提高滤波器运行的功能质量和运行稳定性。
附图说明
图1为本发明所述薄膜滤波器的结构示意图一。
图2为本发明所述薄膜滤波器的结构示意图二。
图3为本发明所述薄膜滤波器制造方法的流程图。
（1、数量中心位置掺钪谐振器；2，非数量中心位置掺钪谐振器）。
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。
本发明提出的一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器，如图1和图2所示，所述薄膜滤波器包括多个薄膜谐振器；所述多个薄膜谐振器均为掺钪谐振器；多个所述掺钪谐振器串联连接，并且，每相邻两个掺钪谐振器的钪掺杂浓度不同；其中，多个所述掺钪谐振器中，在靠近所述薄膜滤波器的输入端和输出端向远离所述薄膜滤波器的输入端和输出端的方向上的掺钪谐振器的掺杂浓度逐一递减。即，多个所述掺钪谐振器中，与所述薄膜滤波器的输入端和输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度高于远离所述薄膜滤波器的输入端和输出端的掺钪谐振器的掺钪浓度。其中，所述掺钪谐振器采用掺钪氮化铝为压电材料。
上述技术方案的工作原理为：在薄膜滤波器中通过压电材料中掺杂一定浓度钪元素能够在很大程度上降低薄膜滤波器的面积和厚度尺寸，但是，随着钪元素掺杂浓度的提高也会降低谐振器的机电耦合系数，影响谐振器的性能。因此，本实施例中通过对串联接连形式谐振器进行不同浓度的掺钪设置，在降低薄膜滤波器的面积和厚度尺寸的同时有效防止机电耦合系数的降低，保证机电耦合系数满足滤波器的性能要求。
结合串联谐振器的电路结构，当采用相同掺钪浓度的掺钪谐振器时，由于掺钪浓度的相同，容易在薄膜滤波器设置过程中，产生机电耦合系数的不可调整的下降，同时，也会导致滤波器整体尺寸的缩小程度的不可调性。但是，通过串联级联的掺钪谐振器的没相连两个谐振器之间的掺钪浓度的不同和浓度差异性的调整，能够极大程度上增加机电耦合系数的调整平衡范围，进而增大机电耦合系数协调空间和尺寸调整空间，通过机电耦合系数协调空间和尺寸调整空间的扩大极大程度上增加了机电耦合系数和谐振器尺寸的可调性。最大限度能够不保证降低谐振器尺寸的同时，在谐振器串联接连的情况下维持滤波器性能要求的机电耦合系数。
上述技术方案的效果为：本实施例提出的一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器能够在多个谐振器串联的情况下，保证所有谐振器均可以集成于一颗晶圆上，通过这种方式能够有效降低滤波器的尺寸和体积。同时，通过在谐振器压电材料中掺杂钪元素的方式，在有效降低单个谐振器尺寸厚度的同时有效防止机电耦合系数降低，进而在最大限度降低单个谐振器厚度尺寸的同时提高滤波器运行的功能质量和运行稳定性。
本发明的一个实施例，当多个所述掺钪谐振器的个数为偶数时，多个所述掺钪谐振器包括掺钪谐振器数量相同的两个谐振器组；其中，每个谐振器组中与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.28-0.42；所述谐振器组中，与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最远的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.014-0.046。其中，每相邻两个掺钪谐振器之间的浓度差异性不得超过0.370。
其中，所述两个谐振器组中，处于所述两个谐振器组之间相邻位置所对应的掺钪谐振器之间的掺钪浓度差值范围为0.005-0.017。
同时，当多个所述掺钪谐振器的个数为大于4的偶数时，所述谐振器组中，位于与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的相邻位置上的掺钪谐振器的掺钪浓度与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度之间的差值不超过0.018。
上述技术方案的工作原理为：由于各谐振器在高频振动过程中，其电磁波之间存在相互影响，并且，随着串联谐振器个数和分布位置的不同，电磁波的相互影响程度也有所不同。尤其在掺钪谐振器运行过程中，由于掺钪浓度的不同，谐振器在运行过程中的振动频率和损耗也所有不同，在串联过程中，随着串联谐振器个数和分布位置的不同，其电磁波相互影响的变化性和多样性会呈指数形式增加，这种情况，则会在调整变化谐振器的掺钪浓度的过程中，增加运行不稳定性。因此，需要对相邻两个掺钪谐振器的掺钪浓度进行严格限制，才能够在扩大机电耦合系数和谐振器尺寸的可调性的同时，降低谐振器之间因掺钪浓度的不同产生的相互电磁干扰的程度。
上述技术方案的效果为：通过上述掺钪浓度范围比例设置能够在最大限度降低滤波器尺寸的同时，有效降低对滤波器的整体机电耦合系数的影响。同时，通过上述掺钪浓度范围的限定能够在掺钪浓度多样性增大的情况下，有效降低因掺钪浓度的不同产生的相互电磁干扰的程度。进而有效提高薄膜滤波器整体的性能质量。
本发明的一个实施例，当多个所述掺钪谐振器的个数为奇数时，多个所述掺钪谐振器包括数量中心位置掺钪谐振器和非数量中心位置掺钪谐振器；所述数量中心位置掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.025-0.048。其中，每相邻两个掺钪谐振器之间的浓度差异性不得超过0.387。
其中，所述非数量中心位置掺钪谐振器中与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.33-0.45。并且，当多个所述掺钪谐振器的个数为大于5的奇数时，位于与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的相邻位置上的掺钪谐振器的掺钪浓度与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度之间的差值不超过0.022。
上述技术方案的工作原理为：由于各谐振器在高频振动过程中，其电磁波之间存在相互影响，并且，随着串联谐振器个数和分布位置的不同，电磁波的相互影响程度也有所不同。尤其在掺钪谐振器运行过程中，由于掺钪浓度的不同，谐振器在运行过程中的振动频率和损耗也所有不同，在串联过程中，随着串联谐振器奇偶个数的不同，会导致谐振器分布位置和相互影响产生不同，其电磁波相互影响的变化性和多样性在呈指数形式增加的同时，电磁波影响形式随着奇偶数和分布位置不同而发生变化，这种情况，则会在调整变化谐振器的掺钪浓度的过程中，增加运行不稳定性。因此，需要对相邻两个掺钪谐振器的掺钪浓度进行严格限制，才能够在扩大机电耦合系数和谐振器尺寸的可调性的同时，降低谐振器之间因掺钪浓度的不同产生的相互电磁干扰的程度。
上述技术方案的效果为：通过上述掺钪浓度范围比例设置能够在最大限度降低滤波器尺寸的同时，有效降低对滤波器的整体机电耦合系数的影响。同时，通过上述掺钪浓度范围的限定能够在掺钪浓度多样性增大的情况下，有效降低因掺钪浓度的不同产生的相互电磁干扰的程度。进而有效提高薄膜滤波器整体的性能质量。
本发明实施例提出了一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器制备方法，如图3所示，所述薄膜滤波器制备方法包括：
步骤1、根据薄膜滤波器的预设指标确定所述薄膜滤波器内部所需的掺钪谐振器的数量；
步骤2、根据所述掺钪谐振器的数量按照掺钪浓度原则按照靠近所述薄膜滤波器的输入端和输出端向远离所述输入端和输出端的谐振器分布顺序依次逐个确定各掺钪谐振器的掺杂浓度；
步骤3、根据所述各掺钪谐振器的掺杂浓度制备各掺钪谐振器，并将所述各掺钪谐振器串联连接并布设于基板上，形成薄膜滤波器。
其中，所述掺钪浓度原则如下：
每相邻两个掺钪谐振器的钪掺杂浓度不同；并且，在靠近所述薄膜滤波器的输入端和输出端向远离所述薄膜滤波器的输入端和输出端的方向上的掺钪谐振器的掺杂浓度逐一递减；
当多个所述掺钪谐振器的个数为偶数时，与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.28-0.42；与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最远的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.014-0.046；
当多个所述掺钪谐振器的个数为奇数时，位于数量中心位置掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.025-0.048；与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.33-0.45。
上述技术方案的工作原理为：首先，根据薄膜滤波器的预设指标确定所述薄膜滤波器内部所需的掺钪谐振器的数量；然后，根据所述掺钪谐振器的数量按照掺钪浓度原则按照靠近所述薄膜滤波器的输入端和输出端向远离所述输入端和输出端的谐振器分布顺序依次逐个确定各掺钪谐振器的掺杂浓度；最后，根据所述各掺钪谐振器的掺杂浓度制备各掺钪谐振器，并将所述各掺钪谐振器串联连接并布设于基板上，形成薄膜滤波器。
上述技术方案的效果为：本实施例提出的一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器的制作方法能够在多个谐振器串联的情况下，保证所有谐振器均可以集成于一颗晶圆上，通过这种方式能够有效降低滤波器的尺寸和体积。同时，通过在谐振器压电材料中掺杂钪元素的方式，在有效降低单个谐振器尺寸厚度的同时有效防止机电耦合系数降低，进而在最大限度降低单个谐振器厚度尺寸的同时提高滤波器运行的功能质量和运行稳定性。
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 (8)

1.一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器，其特征在于，所述薄膜滤波器包括多个薄膜谐振器；所述多个薄膜谐振器均为掺钪谐振器；多个所述掺钪谐振器串联连接，并且，每相邻两个掺钪谐振器的钪掺杂浓度不同；其中，多个所述掺钪谐振器中，在靠近所述薄膜滤波器的输入端和输出端向远离所述薄膜滤波器的输入端和输出端的方向上的掺钪谐振器的掺杂浓度逐一递减；
其中，当多个所述掺钪谐振器的个数为偶数时，多个所述掺钪谐振器包括掺钪谐振器数量相同的两个谐振器组；其中，每个谐振器组中与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.28-0.42；所述谐振器组中，与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最远的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.014-0.046。
2.根据权利要求1所述薄膜滤波器，其特征在于，所述掺钪谐振器采用掺钪氮化铝为压电材料。
3.根据权利要求1所述薄膜滤波器，其特征在于，所述两个谐振器组中，处于所述两个谐振器组之间相邻位置所对应的掺钪谐振器之间的掺钪浓度差值范围为0.005-0.017。
4.根据权利要求1所述薄膜滤波器，其特征在于，当多个所述掺钪谐振器的个数为大于4的偶数时，所述谐振器组中，位于与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的相邻位置上的掺钪谐振器的掺钪浓度与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度之间的差值不超过0.018。
5.根据权利要求1所述薄膜滤波器，其特征在于，当多个所述掺钪谐振器的个数为奇数时，多个所述掺钪谐振器包括数量中心位置掺钪谐振器和非数量中心位置掺钪谐振器；所述数量中心位置掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.025-0.048。
6.根据权利要求5所述薄膜滤波器，其特征在于，所述非数量中心位置掺钪谐振器中与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.33-0.45。
7.根据权利要求5所述薄膜滤波器，其特征在于，当多个所述掺钪谐振器的个数为大于5的奇数时，位于与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的相邻位置上的掺钪谐振器的掺钪浓度与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度之间的差值不超过0.022。
8.一种多层级Sc浓度不同的薄膜滤波器制备方法，其特征在于，所述薄膜滤波器制备方法包括：
步骤1、根据薄膜滤波器的预设指标确定所述薄膜滤波器内部所需的掺钪谐振器的数量；
步骤2、根据所述掺钪谐振器的数量按照掺钪浓度原则按照靠近所述薄膜滤波器的输入端和输出端向远离所述输入端和输出端的谐振器分布顺序依次逐个确定各掺钪谐振器的掺杂浓度；
步骤3、根据所述各掺钪谐振器的掺杂浓度制备各掺钪谐振器，并将所述各掺钪谐振器串联连接并布设于基板上，形成薄膜滤波器；
其中，所述掺钪浓度原则如下：
每相邻两个掺钪谐振器的钪掺杂浓度不同；并且，在靠近所述薄膜滤波器的输入端和输出端向远离所述薄膜滤波器的输入端和输出端的方向上的掺钪谐振器的掺杂浓度逐一递减；
当多个所述掺钪谐振器的个数为偶数时，与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.28-0.42；与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最远的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.014-0.046；
当多个所述掺钪谐振器的个数为奇数时，位于数量中心位置掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.025-0.048；与所述薄膜滤波器的输入端或输出端最近的掺钪谐振器的掺钪浓度范围为0.33-0.45。
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