CN114884484A - 一种基于复合浓度的薄膜声波滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于复合浓度的薄膜声波滤波器。所述薄膜声波滤波器包括基板、底电极、多元素复合浓度掺杂式多层级压电层、顶电极和钝化层；其中，所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层采用掺杂了钪元素、镁元素和钛元素的氮化铝的压电材料支撑。所述底电极设置与基板上；所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层布设于所述底电极和基板的上表面；所述顶电极布设于所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层上；所述钝化层布设于所述顶电极上方。
Description
技术领域
本发明提出了一种基于复合浓度的薄膜声波滤波器，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。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
本发明提供了一种基于复合浓度的薄膜声波滤波器，用以解决现有薄膜声波滤波器的尺寸无法大幅度缩减的问题，所采取的技术方案如下：
一种基于复合浓度的薄膜声波滤波器，所述薄膜声波滤波器包括基板1、底电极2、多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4、顶电极5和钝化层6；其中，所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4采用掺杂了钪元素、镁元素和钛元素的氮化铝的压电材料制成。
进一步地，所述底电极2设置与基板1上；所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4布设于所述底电极2和基板1的上表面；所述顶电极5布设于所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4上；所述钝化层6布设于所述顶电极5上方。
进一步地，所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4包括多层压电子层；其中，每层所述多层压电子层中至少掺杂钪元素、镁元素和钛元素中的两种元素。
进一步地，所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4包括第一压电子层41和第二压电子层42，其中，所述第一压电子层41和第二压电子层42中所包含的掺杂元素种类不同且掺杂浓度不同。
进一步地，所述第一压电子层41位于所述薄膜声波滤波器的底电极2的一侧，并完全覆盖于基板1与底电极2之间的基板裸露面；且，所述第一压电子层41的厚度与所述底电极2的厚度保持一致；所述第二压电子层42布设于所述第一压电子层41和底电极2的上表面，并与所述顶电极5贴合。
进一步地，所述第一压电子层41的掺杂元素包括钪元素、镁元素和钛元素；所述第二压电子层42的掺杂元素包括钪元素、镁元素。
进一步地，所述第一压电子层41的掺杂浓度为：钪元素的掺杂浓度范围为0.004-0.009，镁元素的掺杂浓度范围为0.005-0.013；钛元素的掺杂浓度范围为：0.002-0.005；
所述第二压电子层42的掺杂浓度为：钪元素的掺杂浓度范围为0.010-0.022，镁元素的掺杂浓度范围为0.003-0.008。
进一步地，所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4包括第一压电子层41、第二压电子层42和第三压电子层43，其中，所述第一压电子层41、第二压电子层42和第三压电子层43中所包含的掺杂元素种类不同且掺杂浓度不同。
进一步地，所述第一压电子层41位于所述薄膜声波滤波器的底电极2的一侧，并完全覆盖于基板1与底电极2之间的基板裸露面；且，所述第一压电子层41的厚度与所述底电极2的厚度保持一致；所述第二压电子层42布设于所述第一压电子层41和底电极2的上表面；所述第三压电子层43布设于所述第二压电子层42的一侧，并与所述顶电极5贴合。
进一步地，所述第一压电子层41的掺杂元素及浓度范围为：钪元素的掺杂浓度范围为0.006-0.014，镁元素的掺杂浓度范围为0.003-0.006；钛元素的掺杂浓度范围为：0.005-0.010；
所述第二压电子层42的掺杂元素及浓度范围为：镁元素的掺杂浓度范围为0.011-0.019；钛元素的掺杂浓度范围为：0.020-0.027；
所述第三压电子层43的掺杂元素及浓度范围为：钪元素的掺杂浓度范围为0.008-0.017，钛元素的掺杂浓度范围为：0.010-0.015。
本发明有益效果：
本发明提出的一种基于复合浓度的薄膜声波滤波器通过多元素复合浓度掺杂式多层级压电层设置将一整个压电层分为多个不同子层，通过每个不同子层的稀有金属元素的掺杂浓度的不同设置，有效打破稀有金属元素在整个压电层中的分布均匀性，并通过分布不均性的破坏结合每个压电子层与电极之间的位置关系和稀有金属不同种类复合和掺杂浓度的设置提高整体压电层的电能转化率，进而提高薄膜声波滤波器的运行性能质量。
附图说明
图1为本发明所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层的结构示意图一；
图2为本发明所述薄膜声波滤波器的结构示意图一；
图3为本发明所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层的结构示意图二；
图4为本发明所述薄膜声波滤波器的结构示意图二；
（1，基板；2，底电极；3，空腔；4，多元素复合浓度掺杂式多层级压电层；5，顶电极；6，钝化层；41，第一压电子层；42，第二压电子层；43，第三压电子层）。
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。
本发明实施例提出了一种基于复合浓度的薄膜声波滤波器，所述薄膜声波滤波器包括基板1、底电极2、多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4、顶电极5和钝化层6；其中，所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4采用掺杂了钪元素、镁元素和钛元素的氮化铝的压电材料制成。其中，所述底电极2设置与基板1上；所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4布设于所述底电极2和基板1的上表面；所述顶电极5布设于所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4上；所述钝化层6布设于所述顶电极5上方。所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4包括多层压电子层；其中，每层所述多层压电子层中至少掺杂钪元素、镁元素和钛元素中的两种元素。
上述技术方案的工作原理及效果为：本实施例提出的一种基于复合浓度的薄膜声波滤波器通过多元素复合浓度掺杂式多层级压电层设置将一整个压电层分为多个不同子层，通过每个不同子层的稀有金属元素的掺杂浓度的不同设置，有效打破稀有金属元素在整个压电层中的分布均匀性，并通过分布不均性的破坏结合每个压电子层与电极之间的位置关系和稀有金属不同种类复合和掺杂浓度的设置提高整体压电层的电能转化率，进而提高薄膜声波滤波器的运行性能质量。
本发明的一个实施例，所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4包括第一压电子层41和第二压电子层42，其中，所述第一压电子层41和第二压电子层42中所包含的掺杂元素种类不同且掺杂浓度不同。
其中，所述第一压电子层41位于所述薄膜声波滤波器的底电极2的一侧，并完全覆盖于基板1与底电极2之间的基板裸露面；且，所述第一压电子层41的厚度与所述底电极2的厚度保持一致；所述第二压电子层42布设于所述第一压电子层41和底电极2的上表面，并与所述顶电极5贴合。
所述第一压电子层41的掺杂元素包括钪元素、镁元素和钛元素；所述第二压电子层42的掺杂元素包括钪元素、镁元素。
所述第一压电子层41的掺杂浓度为：钪元素的掺杂浓度范围为0.004-0.009，镁元素的掺杂浓度范围为0.005-0.013；钛元素的掺杂浓度范围为：0.002-0.005；
所述第二压电子层42的掺杂浓度为：钪元素的掺杂浓度范围为0.010-0.022，镁元素的掺杂浓度范围为0.003-0.008。
上述技术方案的工作原理为：由于底电极的边界形状往往由于结构设置的不同而发生变化，同时，由于薄膜式滤波器的电极产生的电磁波和振动于压电层的接触结构的不同，每个位置的压电材料实际上均会产生不同变化。因此，在压电层厚度缩减的过程中，需要保证压电层的厚度一致性和电极结构的配合及平衡，因此，本实施例中设置了第一压电子层41，通过第一压电子层41将底电极与基板之间的裸露为部分进行填充，并且，保持第一压电子层41与底电极的厚度一致，然后，在底电极和第一压电子层41之上设置第二压电子层42。
由于第一压电子层41和第二压电子层42的厚度和形状结构的不同，因此，在每个压电子层进行金属稀有元素掺杂的过程中，其掺杂金属元素的种类和浓度产生不同和变化，通过第一压电子层41和第二压电子层42的金属元素的种类和浓度的变化改变压电子层的厚度和机电耦合系数，通过第一压电子层41和第二压电子层42金属元素的种类和浓度的变化的改变和配合保证滤波器整体尺寸缩小的情况下，有效维持性能指标要求的机电耦合系数。
上述技术方案的效果为：通过上述第一压电子层41和第二压电子层42的结构设置和每个压电子层的稀有金属元素的掺杂浓度设置，能够克服以往压电层掺杂均匀分布稀有金属元素的技术偏见，通过将压电层划分为多个压电子层，并且每个压电子层掺杂稀有金属元素的种类和掺杂浓度不同的方式，破坏压电层整体的稀有金属掺杂的均匀分布性，通过这种方式有效防止同一金属元素掺杂浓度过高导致机电耦合系数的降低，以及要达到预设压电层厚度时单一稀有金属掺杂浓度过多导致成本增加的问题发生。同时，通过上述结构和金属元素掺杂种类及浓度的设置能够有效降低各个稀有金属元素的使用量，在降低每个金属稀有元素使用量的情况下，最大限度提高压电层厚度降低的幅度，并且，有效保证滤波器运行的性能质量和性能稳定性。
另一方面，由于稀有金属元素之间由于金属特性不同，在各压电子层较薄的情况下，在压电层进行电能转化的过程中，同一层压电子层的不同种类金属元素之间和相贴合两层的不同种类金属元素之间均会产生相互影响，因此，通过上述稀有金属掺杂浓度设置的第一压电子层41和第二压电子层42能够在压电层电能转化过程中，有效防止同一层压电子层中不同种类稀有金属元素之间相互影响，同时，也能够避免不同压电子层中相互贴合的压电子层之间的不同种类稀有金属元素之间的相互影响，进而有效提高压电层的整体的电能转化性能，防止因压电层掺杂多种不同种类稀有金属元素而造成电能转化性能降低的问题发生。
本发明的一个实施例，所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层4包括第一压电子层41、第二压电子层42和第三压电子层43，其中，所述第一压电子层41、第二压电子层42和第三压电子层43中所包含的掺杂元素种类不同且掺杂浓度不同。
其中，所述第一压电子层41位于所述薄膜声波滤波器的底电极2的一侧，并完全覆盖于基板1与底电极2之间的基板裸露面；且，所述第一压电子层41的厚度与所述底电极2的厚度保持一致；所述第二压电子层42布设于所述第一压电子层41和底电极2的上表面；所述第三压电子层43布设于所述第二压电子层42的一侧，并与所述顶电极5贴合。
所述第一压电子层41的掺杂元素及浓度范围为：钪元素的掺杂浓度范围为0.006-0.014，镁元素的掺杂浓度范围为0.003-0.006；钛元素的掺杂浓度范围为：0.005-0.010；
所述第二压电子层42的掺杂元素及浓度范围为：镁元素的掺杂浓度范围为0.011-0.019；钛元素的掺杂浓度范围为：0.020-0.027；
所述第三压电子层43的掺杂元素及浓度范围为：钪元素的掺杂浓度范围为0.008-0.017，钛元素的掺杂浓度范围为：0.010-0.015。
上述技术方案的工作原理为：由于底电极的边界形状往往由于结构设置的不同而发生变化，同时，由于薄膜式滤波器的电极产生的电磁波和振动于压电层的接触结构的不同，每个位置的压电材料实际上均会产生不同变化。因此，在压电层厚度缩减的过程中，需要保证压电层的厚度一致性和电极结构的配合及平衡，因此，本实施例中设置了第一压电子层41，通过第一压电子层41将底电极与基板之间的裸露为部分进行填充，并且，保持第一压电子层41与底电极的厚度一致，然后，在底电极和第一压电子层41、第二压电子层42和第三压电子层43。
由于第一压电子层41、第二压电子层42和第三压电子层43的厚度和形状结构的不同，因此，在每个压电子层进行金属稀有元素掺杂的过程中，其掺杂金属元素的种类和浓度产生不同和变化，通过第一压电子层41、第二压电子层42和第三压电子层43的金属元素的种类和浓度的变化改变压电子层的厚度和机电耦合系数，通过第一压电子层41、第二压电子层42和第三压电子层43的种类和浓度的变化的改变和配合保证滤波器整体尺寸缩小的情况下，有效维持性能指标要求的机电耦合系数。
上述技术方案的效果为：通过压电子层的层数增加能够有效提高压电层整体内部稀有金属元素掺杂的多样性，通过多样性的增加和压电子层的层数及其对应的不同种类金属元素掺杂浓度的变化和配合，能够通过稀有金属元素掺杂的多样性增加而间接提高不同种类稀有金属元素掺杂浓度，进而根据实际需求进一步降低压电层整体厚度。
通过上述第一压电子层41、第二压电子层42和第三压电子层43的结构设置和每个压电子层的稀有金属元素的掺杂浓度设置，能够克服以往压电层掺杂均匀分布稀有金属元素的技术偏见，通过将压电层划分为多个压电子层，并且每个压电子层掺杂稀有金属元素的种类和掺杂浓度不同的方式，破坏压电层整体的稀有金属掺杂的均匀分布性，通过这种方式有效防止同一金属元素掺杂浓度过高导致机电耦合系数的降低，以及要达到预设压电层厚度时单一稀有金属掺杂浓度过多导致成本增加的问题发生。同时，通过上述结构和金属元素掺杂种类及浓度的设置能够有效降低各个稀有金属元素的使用量，在降低每个金属稀有元素使用量的情况下，最大限度提高压电层厚度降低的幅度，并且，有效保证滤波器运行的性能质量和性能稳定性。
另一方面，由于稀有金属元素之间由于金属特性不同，在各压电子层较薄的情况下，在压电层进行电能转化的过程中，同一层压电子层的不同种类金属元素之间和相贴合两层的不同种类金属元素之间均会产生相互影响，尤其在压电子层数量增加导致各种不同种类稀有金属元素多样性增加的情况下，这种相互影响也会随之成指数形式增加，极易增加压电层电能转化的不稳定性；因此，通过上述稀有金属掺杂浓度设置的第一压电子层41、第二压电子层42和第三压电子层43能够在压电层电能转化过程中，有效防止同一层压电子层中不同种类稀有金属元素之间相互影响，同时，也能够避免不同压电子层中相互贴合的压电子层之间的不同种类稀有金属元素之间的相互影响，进而有效提高压电层的整体的电能转化性能，并且同时提高压电层在运行过程中电能转化性能的稳定性，防止因压电层掺杂多种不同种类稀有金属元素而造成电能转化性能降低的问题发生。
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)
1.一种基于复合浓度的薄膜声波滤波器，其特征在于，所述薄膜声波滤波器包括基板（1）、底电极（2）、多元素复合浓度掺杂式多层级压电层（4）、顶电极（5）和钝化层（6）；其中，所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层（4）采用掺杂了钪元素、镁元素和钛元素的氮化铝的压电材料制成。
2.根据权利要求1所述薄膜声波滤波器，其特征在于，所述底电极（2）设置与基板（1）上；所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层（4）布设于所述底电极（2）和基板（1）的上表面；所述顶电极（5）布设于所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层（4）上；所述钝化层（6）布设于所述顶电极（5）上方。
3.根据权利要求1所述薄膜声波滤波器，其特征在于，所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层（4）包括多层压电子层；其中，每层所述多层压电子层中至少掺杂钪元素、镁元素和钛元素中的两种元素。
4.根据权利要求1或3所述薄膜声波滤波器，其特征在于，所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层（4）包括第一压电子层（41）和第二压电子层（42），其中，所述第一压电子层（41）和第二压电子层（42）中所包含的掺杂元素种类不同且掺杂浓度不同。
5.根据权利要求4所述薄膜声波滤波器，其特征在于，所述第一压电子层（41）位于所述薄膜声波滤波器的底电极（2）的一侧，并完全覆盖于基板（1）与底电极（2）之间的基板裸露面；且，所述第一压电子层（41）的厚度与所述底电极（2）的厚度保持一致；所述第二压电子层（42）布设于所述第一压电子层（41）和底电极（2）的上表面，并与所述顶电极（5）贴合。
6.根据权利要求4所述薄膜声波滤波器，其特征在于，所述第一压电子层（41）的掺杂元素包括钪元素、镁元素和钛元素；所述第二压电子层（42）的掺杂元素包括钪元素、镁元素。
7.根据权利要求6所述薄膜声波滤波器，其特征在于，所述第一压电子层（41）的掺杂浓度为：钪元素的掺杂浓度范围为0.004-0.009，镁元素的掺杂浓度范围为0.005-0.013；钛元素的掺杂浓度范围为：0.002-0.005；
所述第二压电子层（42）的掺杂浓度为：钪元素的掺杂浓度范围为0.010-0.022，镁元素的掺杂浓度范围为0.003-0.008。
8.根据权利要求1或3所述薄膜声波滤波器，其特征在于，所述多元素复合浓度掺杂式多层级压电层（4）包括第一压电子层（41）、第二压电子层（42）和第三压电子层（43），其中，所述第一压电子层（41）、第二压电子层（42）和第三压电子层（43）中所包含的掺杂元素种类不同且掺杂浓度不同。
9.根据权利要求8所述薄膜声波滤波器，其特征在于，所述第一压电子层（41）位于所述薄膜声波滤波器的底电极（2）的一侧，并完全覆盖于基板（1）与底电极（2）之间的基板裸露面；且，所述第一压电子层（41）的厚度与所述底电极（2）的厚度保持一致；所述第二压电子层（42）布设于所述第一压电子层（41）和底电极（2）的上表面；所述第三压电子层（43）布设于所述第二压电子层（42）的一侧，并与所述顶电极（5）贴合。
10.根据权利要求8所述薄膜声波滤波器，其特征在于，所述第一压电子层（41）的掺杂元素及浓度范围为：钪元素的掺杂浓度范围为0.006-0.014，镁元素的掺杂浓度范围为0.003-0.006；钛元素的掺杂浓度范围为：0.005-0.010；
所述第二压电子层（42）的掺杂元素及浓度范围为：镁元素的掺杂浓度范围为0.011-0.019；钛元素的掺杂浓度范围为：0.020-0.027；
所述第三压电子层（43）的掺杂元素及浓度范围为：钪元素的掺杂浓度范围为0.008-0.017，钛元素的掺杂浓度范围为：0.010-0.015。
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