CN115567026B - 基于压电材料的声表面滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电材料的声表面滤波器，包括：设于主基板和盖板键合连接形成的封装结构内的子基板、输入输出端口、金属层、IDT功能区域和复合压电层；其中，所述复合压电层包括至少三个子压电层，所述子压电层采用的靶材为掺杂元素和基础元素形成的拼接靶材，且每个子压电层中的掺杂元素含量不同。本发明中每个子压电层中的掺杂元素含量均不相同，降低滤波器的损耗；复合压电层中不同掺杂元素含量的子压电层的制作，仅按照需求选择一定数量掺杂元素和基础元素形成的单元块进行拼接即可，提升了不同掺杂元素含量的子压电层的制作效率，降低制作难度。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜滤波器技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于压电材料的声表面滤波器。
背景技术
声表面滤波器是在一块具有压电效应的材料基片上蒸发一层金属膜，然后经光刻，在两端各形成一对叉指形电极组成。当在发射换能器上加上信号电压后，就在输入叉指电极间形成一个电场使压电材料发生机械振动（即超声波）以超声波的形式向左右两边传播，向边缘一侧的能量由吸声材料所吸收。在接收端，由接收换能器将机械振动再转化为电信号，并由叉指形电极输出。
声表面波滤波器具有工作频率高、通频带宽、选频特性好、体积小和重量轻等特点，并且可采用与集成电路相同的生产工艺，制造简单，成本低，频率特性的一致性好，因此广泛应用于各种电子设备中。
近年来，随着电子技术的不断发展，当前薄膜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，滤波器的损耗增大，进而导致性能发生骤降，同时，在压电层制备过程中，掺杂不同浓度稀土元素的压电层制备难度大。因此，有必要提出一种基于压电材料的声表面滤波器，以至少部分地解决现有技术中存在的问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种基于压电材料的声表面滤波器，包括：设于主基板和盖板键合连接形成的封装结构内的子基板、输入输出端口、金属层、IDT功能区域和复合压电层；其中，所述复合压电层包括至少三个子压电层，所述子压电层采用的靶材为掺杂元素和基础元素形成的拼接靶材，且每个子压电层中的掺杂元素含量不同。
优选的是，所述拼接靶材中的掺杂元素为钪元素，基础元素为铝元素。
优选的是，所述拼接靶材为圆形或环形，由多个扇形的单元块拼接而成。
优选的是，多个单元块包括：钪元素形成的掺杂单元块，以及铝元素形成的基础单元块，所述掺杂单元块和基础单元块均匀分布。
优选的是，所述复合压电层包括：由下向上依次设置的第一子压电层、第二子压电层以及第三子压电层；每个子压电层中的钪元素含量不同。
优选的是，依据钪元素含量的不同，分别初步确定每个子压电层中的多个单元块的数量、以及掺杂单元块与基础单元块的比例；
通过检测每个子压电层中钪元素含量的均匀度，对单元块的数量、以及掺杂单元块与基础单元块的分布进行优化。
优选的是，对单元块的数量、以及掺杂单元块与基础单元块的分布进行优化的方法包括：
对子压电层的多个不同位置处的钪元素含量进行检测，获得多个位置的钪元素含量；
对多个位置处的钪元素含量进行计算，获得钪元素含量的检测均匀度；
其中，检测均匀度的计算公式如下：
其中，为均匀度，为检测的多个位置中钪元素含量的最大值，为检测的多个位置中钪元素含量的最小值；
判断检测均匀度是否满足声表面滤波器的制备要求，若不满足制备要求，则增加单元块的数量，并调整掺杂单元块与基础单元块的分布。
优选的是，所述复合压电层整体厚度的确定包括：
在几何模型搭建软件中建立包括复合压电层和IDT功能区域的测试模型，并进行网格划分；测试模型需输入复合压电层和IDT功能区域中的电极的厚度以及材料等相关数据；
对测试模型设置仿真条件，力学边界条件设置为，对复合压电层左右两边设置为固定；电学边界条件设置为，对IDT功能区域中的电极施加电压，施加的电压模拟滤波器工作中的电压；
对测试模型进行分析，获得以复合压电层的厚度和IDT功能区域中的电极的厚度比值为横坐标，有效机电耦合系数为纵坐标的关系曲线；
对测试模型进行分析是进行频率响应分析，运算完成后，可以得到谐振器的导纳值，对导纳值取对数后，最大值为谐振频率，最小值为反谐振频率，则有效机电耦合系数为：
为有效机电耦合系数。
由关系曲线中使有效机电耦合系数为最大值时的横坐标作为复合压电层整体厚度的确定标准。
优选的是，所述拼接靶材中的掺杂元素为钪元素、镁元素和钛元素中的一种或多种，基础元素为铝元素。
优选的是，所述子基板上依次设置有第一绝缘层和复合压电层；所述复合压电层上表面设置有输入输出端口；所述金属层设于子基板外侧壁和底部，并与输入输出端口相连；所述金属层外侧布设有第二绝缘层；
所述金属层包括第一金属层和第二金属层；所述第二金属层设置于第一金属层的外侧；所述第一金属层的一侧紧贴于子基板和复合压电层的外壁；所述第二金属层与导电连接件相连。
相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：
本发明所述的基于压电材料的声表面滤波器通过将原有的单层的压电层设置为至少三个子压电层组成的复合压电层，按照层次与IDT功能区域和金属层的位置关系，有针对性的对每个子压电层的掺杂元素的含量进行设置；如此使得每个子压电层中的掺杂元素含量均不相同，降低滤波器的损耗；
基于不同子压电层中掺杂元素的含量不同进行复合压电层的制备，采用掺杂元素和基础元素形成的拼接靶材溅射形成子压电层薄膜，不用制作两种元素的合金，而是以特定的形状和拼接方式，将两种元素制成的单元块进行拼接而形成靶材，大大降低了加工难度，并且制作出的子压电层薄膜中掺杂元素的含量具备较好的均匀度；复合压电层中不同掺杂元素含量的子压电层的制作，仅按照需求选择一定数量掺杂元素和基础元素形成的单元块进行拼接即可，提升了不同掺杂元素含量的子压电层的制作效率。
本发明所述的基于压电材料的声表面滤波器，本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明所述的基于压电材料的声表面滤波器的内部结构示意图；
图2为本发明所述的基于压电材料的声表面滤波器中由多个单元块形成的拼接靶材示意图；
图3为本发明所述的基于压电材料的声表面滤波器中金属层的部分结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-图3所示，本发明提供了一种基于压电材料的声表面滤波器，包括：设于主基板1和盖板10键合连接形成的封装结构内的子基板2、输入输出端口3、金属层4、IDT功能区域5和复合压电层6；其中，所述复合压电层6包括至少三个子压电层，所述子压电层采用的靶材为掺杂元素和基础元素形成的拼接靶材，且每个子压电层中的掺杂元素含量不同。
所述拼接靶材中的掺杂元素为钪元素，基础元素为铝元素。
上述技术方案的工作原理和有益效果：为了防止单层的压电层中掺杂元素的含量较大而使得声表面滤波器的损耗增大，进而导致滤波器的机电耦合系数降低，因此，将单层的压电层设置为至少三个子压电层组成的复合压电层6，按照层次与IDT功能区域5和金属层4的位置关系，有针对性的对每个子压电层的掺杂元素的含量进行设置；如此使得每个子压电层中的掺杂元素含量均不相同，降低滤波器的损耗；
基于不同子压电层中掺杂元素的含量不同进行复合压电层6的制备，这里以拼接靶材中的掺杂元素为钪元素，基础元素为铝元素为例，对于子压电层通常采用钪元素和铝元素制成的合金作为靶材溅射形成子压电层薄膜，但是此种合金靶材制作难度较大，尤其是在制作钪元素含量高于10%的子压电层时，钪元素和铝元素制成的合金易碎，给加工造成了难度；因此，在本实施例中，采用掺杂元素和基础元素形成的拼接靶材溅射形成子压电层薄膜，不用制作两种元素的合金，而是以特定的形状和拼接方式，将两种元素制成的单元块进行拼接而形成靶材，大大降低了加工难度，并且制作出的子压电层薄膜中掺杂元素的含量具备较好的均匀度；复合压电层6中不同掺杂元素含量的子压电层的制作，仅按照需求选择一定数量掺杂元素和基础元素形成的单元块进行拼接即可，提升了不同掺杂元素含量的子压电层的制作效率。
在一个实施例中，所述拼接靶材为圆形或环形，由多个扇形的单元块拼接而成。
多个单元块包括：钪元素形成的掺杂单元块7，以及铝元素形成的基础单元块8，所述掺杂单元块7和基础单元块8均匀分布。
上述技术方案的工作原理和有益效果：在本实施例中，提供一种拼接靶材的拼接形式，拼接靶材设置为圆形或者环形，依据拼接靶材的形状将其分隔成多个扇形的单元块，则其中掺杂单元块7为铝元素制成，基础单元块8为钪元素制成，且两种单元块的布置方式为均匀分布，以形成钪元素含量较为均匀的子压电层，降低制备难度和提升制备效率的同时，保证掺杂元素的均匀性与合金靶材溅射形成的子压电层的均匀性保持一致。
在一个实施例中，所述复合压电层6包括：由下向上依次设置的第一子压电层61、第二子压电层62以及第三子压电层63；每个子压电层中的钪元素含量不同。
依据钪元素含量的不同，分别初步确定每个子压电层中的多个单元块的数量、以及掺杂单元块7与基础单元块8的比例；
通过检测每个子压电层中钪元素含量的均匀度，对单元块的数量、以及掺杂单元块7与基础单元块8的分布进行优化。
上述技术方案的工作原理和有益效果：通过合理的设计单元块的数量，以及掺杂单元块7和基础单元块8的比例，可以方便的制备出各种钪含量的子压电层，并且可通过检测制作完成的每个子压电层中钪元素的含量的均匀度，可以对单元块的数量或者比例进行进一步的优化，进一步提升子压电层中钪元素含量的均匀度，提升子压电层的制备效率同时提升质量。
在一个实施例中，对单元块的数量、以及掺杂单元块7与基础单元块8的分布进行优化的方法包括：
对子压电层的多个不同位置处的钪元素含量进行检测，获得多个位置的钪元素含量；
对多个位置处的钪元素含量进行计算，获得钪元素含量的检测均匀度；
其中，检测均匀度的计算公式如下：
其中，为均匀度，为检测的多个位置中钪元素含量的最大值，为检测的多个位置中钪元素含量的最小值；
判断检测均匀度是否满足声表面滤波器的制备要求，若不满足制备要求，则增加单元块的数量，并调整掺杂单元块7与基础单元块8的分布。
上述技术方案的工作原理和有益效果：在本实施例中，对子压电层的多个不同位置处的钪元素含量进行检测，是采用X射线检测仪对子压电层的圆形面或者环形面的上部分区域、下部分区域、左部分区域、右部分区域以及中间区域进行成分检测，以获得五个部分的钪元素含量，然后通过上述公式对钪元素含量的均匀度进行计算，和即为五个部分中钪元素含量的最大值和最小值，计算获得的均匀度满足声表面滤波器的制备要求（这里的制备要求为均匀度的预设值，是子压电层的一个制作标准）即可，表示单元块的数量、以及掺杂单元块7与基础单元块8的分布满足设计要求；若是计算获得的均匀度不满足声表面滤波器的制备要求，则可将单元块的数量进行增加（此处所说的增加是对设计的固定尺寸的拼接靶材进行重新分割，以获得更小尺寸的单元块），以增加掺杂单元块7的数量，使得其更多数量的均匀分布于基础单元块8之间，或者适当调整两者的分布位置，优化拼接靶材的排布，使得子压电层的均匀度更好；
采用拼接靶材制作出的子压电层可以更加精确的控制其中钪元素的含量，便于复合压电层6的制作，并且制作出的子压电层的成分一致性较好，通过优化分布方式，可以满足声表面滤波器的制备要求，降低制备难度。
在一个实施例中，所述复合压电层6整体厚度的确定包括：
在几何模型搭建软件中建立包括复合压电层6和IDT功能区域5的测试模型，并进行网格划分；
其中，测试模型需输入复合压电层6和IDT功能区域5中的电极的厚度以及材料等相关数据；
对测试模型设置仿真条件，力学边界条件设置为，对复合压电层6左右两边设置为固定；电学边界条件设置为，对IDT功能区域5中的电极施加电压，施加的电压模拟滤波器工作中的电压；
对测试模型进行分析，获得以复合压电层6的厚度和IDT功能区域5中的电极的厚度比值为横坐标，有效机电耦合系数为纵坐标的关系曲线；
由关系曲线中使有效机电耦合系数为最大值时的横坐标作为复合压电层6整体厚度的确定标准。
其中，对测试模型进行分析为，进行频率响应分析，运算完成后，可以得到谐振器的导纳值，对导纳值取对数后，最大值为谐振频率，最小值为反谐振频率，则有效机电耦合系数为：
其中，为有效机电耦合系数。
上述技术方案的工作原理和有益效果：在本实施例中，复合压电层6整体厚度的确定一方面取决于三层子压电层掺杂钪元素的含量，含量越高则其厚度可制作的越薄，另一方面取决于复合压电层6的厚度和IDT功能区域5中的电极的厚度比与有效机电耦合系数的关系；
其中，IDT功能区域5中的电极指的是叉指电极，形成于复合压电层6的顶面，其厚度的设置与滤波器的频率响应相关，过薄会增加电极的电阻值，增大滤波器损耗，过厚则会增加电极质量，降低滤波器的频率响应，同时，复合压电层6的厚度和电极的厚度之比会对有效机电耦合系数产生影响，因此，在三层子压电层掺杂钪元素的含量确定好的基础上，采用上述方法进行仿真，确定复合压电层6整体厚度以及IDT功能区域5中的电极的厚度，以保证有效机电耦合系数为最优值；
对测试模型进行分析后获得的关系曲线，可以获知在相同的频率下，复合压电层6整体厚度与IDT功能区域5中的电极的厚度比值，会在一定范围内增大，有效机电耦合系数增加，但随着比值增大到一定值后，有效机电耦合系数开始呈下降趋势，因此，基于此关系曲线，使有效机电耦合系数为最大值时的横坐标作为复合压电层6整体厚度的确定标准，以保证有效机电耦合系数为最优值。
在一个实施例中，所述拼接靶材中的掺杂元素为钪元素、镁元素和钛元素中的一种或多种，基础元素为铝元素。
拼接靶材为圆形或环形，由多个扇形的单元块拼接而成；
所述复合压电层6包括：由下向上依次设置的第一子压电层61、第二子压电层62以及第三子压电层63；
第一子压电层61的拼接靶材包括：钪元素形成的钪单元块、镁元素形成的镁单元块和钛元素形成的钛单元块，以及铝元素形成的基础单元块8；
第二子压电层62的拼接靶材包括：钪元素形成的钪单元块、钛元素形成的钛单元块，以及铝元素形成的基础单元块8；
第三子压电层63的拼接靶材包括：钛元素形成的钛单元块，以及铝元素形成的基础单元块8。
上述技术方案的工作原理和有益效果：在三层子压电层为设置不同含量的钪元素来降低滤波器损耗的原理是按照层次与IDT功能区域和金属层的位置关系，有针对性的对每个子压电层的掺杂元素也就是钪元素的含量进行降低来实现；但是，由于钪元素的含量降低会导致无法将压电层整体厚度进行大幅度的缩减，因此，在压电层整体的制备过程中，在每个子压电层中添加适当含量的其他稀有金属元素，通过稀有金属元素的添加，进一步缩减每个子压电层的厚度，进而大幅度减小压电层整体的厚度尺寸。同时，根据三个子压电层与金属层、输入输出端口以及IDT功能区域的位置关系的不同，在压电材料发生振动时，其接受机械振动的幅度也会不同，进而导致其电能转换的情况也有所不同，基于几种不同，通过每个位置上的子压电层的不同金属元素的金属特性和金属浓度不同可以有效发挥每个位置上子压电层机械能到电能的转化程度。
在一个实施例中，所述子基板2上依次设置有第一绝缘层9和复合压电层6；所述复合压电层6上表面设置有输入输出端口3；所述金属层4设于子基板2外侧壁和底部，并与输入输出端口3相连；所述金属层4外侧布设有第二绝缘层11；
所述金属层4包括第一金属层41和第二金属层42；所述第二金属层42设置于第一金属层41的外侧；所述第一金属层41的一侧紧贴于子基板2和复合压电层6的外壁；所述第二金属层42与导电连接件12相连；
所述第一金属层41的外表面设有均匀间隔设置的第一梯形齿，相邻的两个第一梯形齿之间形成第一梯形槽，所述第二金属层42的内侧设有与第一梯形槽对应的第二梯形齿，相邻的两个第二梯形齿之间设有第二梯形槽；
所述第一梯形齿和第二梯形齿的斜面均为45度斜面。
上述技术方案的工作原理和有益效果：通过两层金属层的设置能够有效提高金属层导电能力；同时，通过金属层设置于子基板外侧壁和底部能过通过两个独立基板结构和外侧设置金属层方式以及多层金属层结构的设置，最大限度降低基板在滤波器产生振动过程中对金属层的影响，进而有效降低基板对金属层的挤压率，有效降低金属层4的损耗，进而进一步提高滤波器的使用寿命和运行性能；
并且设置的第一金属层41与第二金属层42之间的连接结构，使得两者为齿形连接，在滤波器产生振动过程中对金属层4形成挤压时，底部的第一金属层41在受到力后，会通过第一梯形齿的斜面将受力传递至第二金属层42的第二梯形槽的斜面，从而依据斜面将竖向的挤压力进行分解，使得第二金属层42的第二梯形齿受到来自水平方向的分力和竖直方向的分力，第二金属层42有效分散第一金属层41的受力，两者共同作用分担受到的挤压作用力，有效的降低了金属层4的损耗，同时提高滤波器的性能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节与这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种基于压电材料的声表面滤波器，其特征在于，包括：设于主基板（1）和盖板（10）键合连接形成的封装结构内的子基板（2）、输入输出端口（3）、金属层（4）、IDT功能区域（5）和复合压电层（6）；其中，所述复合压电层（6）包括至少三个子压电层，所述子压电层采用的靶材为掺杂元素和基础元素形成的拼接靶材，且每个子压电层中的掺杂元素含量不同；
所述复合压电层（6）整体厚度的确定包括：
在几何模型搭建软件中建立包括复合压电层（6）和IDT功能区域（5）的测试模型，并进行网格划分；
对测试模型设置仿真条件，力学边界条件设置为，对复合压电层（6）左右两边设置为固定；电学边界条件设置为，对IDT功能区域（5）中的电极施加电压；
对测试模型进行分析，获得以复合压电层（6）的厚度和IDT功能区域（5）中的电极的厚度比值为横坐标，有效机电耦合系数为纵坐标的关系曲线；
由关系曲线中使有效机电耦合系数为最大值时的横坐标作为复合压电层（6）整体厚度的确定标准；
其中，对测试模型进行分析为，进行频率响应分析，运算完成后，可以得到谐振器的导纳值，对导纳值取对数后，最大值为谐振频率，最小值为反谐振频率，则有效机电耦合系数为：
其中，为有效机电耦合系数。
2.根据权利要求1所述的基于压电材料的声表面滤波器，其特征在于，所述拼接靶材中的掺杂元素为钪元素，基础元素为铝元素。
3.根据权利要求2所述的基于压电材料的声表面滤波器，其特征在于，所述拼接靶材为圆形或环形，由多个扇形的单元块拼接而成。
4.根据权利要求3所述的基于压电材料的声表面滤波器，其特征在于，多个单元块包括：钪元素形成的掺杂单元块（7），以及铝元素形成的基础单元块（8），所述掺杂单元块（7）和基础单元块（8）均匀分布。
5.根据权利要求4所述的基于压电材料的声表面滤波器，其特征在于，所述复合压电层（6）包括：由下向上依次设置的第一子压电层（61）、第二子压电层（62）以及第三子压电层（63）；每个子压电层中的钪元素含量不同。
6.根据权利要求5所述的基于压电材料的声表面滤波器，其特征在于，依据钪元素含量的不同，分别初步确定每个子压电层中的多个单元块的数量、以及掺杂单元块（7）与基础单元块（8）的比例；
通过检测每个子压电层中钪元素含量的均匀度，对单元块的数量、以及掺杂单元块（7）与基础单元块（8）的分布进行优化。
7.根据权利要求6所述的基于压电材料的声表面滤波器，其特征在于，对单元块的数量、以及掺杂单元块（7）与基础单元块（8）的分布进行优化的方法包括：
对子压电层的多个不同位置处的钪元素含量进行检测，获得多个位置的钪元素含量；
对多个位置处的钪元素含量进行计算，获得钪元素含量的检测均匀度；
判断检测均匀度是否满足声表面滤波器的制备要求，若不满足制备要求，则增加单元块的数量，并调整掺杂单元块（7）与基础单元块（8）的分布。
8.根据权利要求2所述的基于压电材料的声表面滤波器，其特征在于，所述拼接靶材中的掺杂元素为钪元素、镁元素和钛元素中的一种或多种，基础元素为铝元素。
9.根据权利要求1所述的基于压电材料的声表面滤波器，其特征在于，所述子基板（2）上依次设置有第一绝缘层（9）和复合压电层（6）；所述复合压电层（6）上表面设置有输入输出端口（3）；所述金属层（4）设于子基板（2）外侧壁和底部，并与输入输出端口（3）相连；所述金属层（4）外侧布设有第二绝缘层（11）。
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