一种铁电微波滤波器的制作方法

本发明属于无线通信
技术领域：
，尤其涉及一种铁电微波滤波器。
背景技术：
：近年来，随着无线通信系统的飞速发展，介电微波器件不断被要求小型、低成本、高能量以及多功能化，介电调谐性薄膜材料因其潜在的器件应用，受到越来越多的关注。其中，可调滤波器作为可重构系统中的关键部件，能够有效利用有限的频谱资源，缓解频谱资源日益紧缺的状况。因此，近年来受到国内外学者越来越广泛深入的研究。铁电薄膜可调滤波器具有体积小，易集成、调谐速度快、可靠性高等特点，成为国内外各机构研究可调滤波器的研究热点。铁电调谐滤波器是利用铁电薄膜电容与电感或微带线等构成谐振器，通过在薄膜电容的两端施加电压来改变电容值的大小，从而引起谐振频率的变化。滤波器主要通过同轴线、波导、介质谐振器和微带线等方式实现。作为介电微波可调谐器件，希望其调谐量尽可能大，损耗尽可能小，从而保证器件的高调谐范围、高品质因子及高信号传输效率。因此，提高介电常数与调谐量，降低损耗成为调谐器件研究的主要追求目标。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种铁电微波滤波器，本发明中的铁电微波滤波器介电常数高、调谐量大。本发明提供一种铁电微波滤波器，包括金属腔体、设置在金属腔体内的介质谐振器、复合在腔体内的bi2nimno6薄膜器件以及设置在腔壁上的调谐螺丝；所述bi2nimno6薄膜器件包括依次复合的硅衬底、底电极、bi2nimno6薄膜和顶电极。优选的，所述底电极包括srruo3、fto导电玻璃、ito导电玻璃、pt或lanio3；所述顶电极包括au、pt或al。优选的，所述bi2nimno6薄膜的厚度为100nm～120nm。所述衬底的厚度为0.5～1mm；所述底电极的厚度为80nm～90nm。优选的，所述bi2nimno6薄膜器件按照以下步骤制得：a)将lanio3前驱液涂覆在衬底表面，烘干得到镀有底电极的基底；所述lanio3前驱液由la(no3)3·5h2o、nic4h6o4·4h2o和乙二醇甲醚配制得到；b)将bi2nimno6前驱液涂覆底电极表面，烘干后得到镀有铁电前驱膜的衬底；所述bi2nimno6前驱液由bi(no3)3·5h2o、ni(ch3coo)2·4h2o、mn(ch3coo)2·4h2o和醋酸配制得到；c)将镀有铁电前驱膜的衬底进行退火，得到镀有铁电薄膜的衬底；d)在铁电薄膜的表面镀顶电极，得到bi2nimno6薄膜器件。优选的，所述退火在氮气和/或氧气气氛下进行；所述退火的温度为550～700℃。优选的，所述金属腔体为长方形腔体，所述金属腔体的长度为90～120mm；宽度为90～120mm；高度为80～120mm；优选的，所述金属腔体腔壁厚度为40～50mm。优选的，所述bi2nimno6薄膜器件复合在所述金属腔体内部，位于所述金属腔体的中心位置，两端处于开路状态。优选的，所述介质谐振器的数量为3～5个；所述介质谐振器为陶瓷介质谐振器。优选的，所述调谐螺丝与所述介质谐振器成互相垂直方向设置。本发明提供一种铁电微波滤波器，包括金属腔体、设置在金属腔体内的介质谐振器、复合在腔体内壁上的bi2nimno6薄膜器件以及设置在腔壁上的调谐螺丝；所述bi2nimno6薄膜器件包括依次复合的衬底、底电极、bi2nimno6薄膜和顶电极。本发明采用te01δ模介质谐振腔滤波器，以bi2nimno6薄膜为滤波器的介电材料，提高了滤波器的介电常数和调谐率，并且由于使用了高介电调谐bi2nimno6薄膜材料，节约了材料用量，使制造成本明显下降。实验结果表明，本申请中的滤波器介电常数为5～18，介电调谐率为70～93％。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本发明实施例1中得到的滤波器的结构示意图；图2为本发明实施例1～4中滤波器不同频率下的ε-e曲线；图3为本发明实施例5～8中bnmo薄膜的原子力显微镜图；图4为本发明实施例5～8中滤波器不同频率下的ε-e曲线。具体实施方式本发明提供一种铁电微波滤波器，包括金属腔体、设置在金属腔体内的介质谐振器、复合在腔体内壁上的bi2nimno6薄膜器件以及设置在腔壁上的调谐螺丝；所述bi2nimno6薄膜器件包括依次复合的硅衬底、底电极、bi2nimno6薄膜和顶电极。在本发明中，所述设置在金属腔体内的介质谐振器外形尺寸74mm×74mm×40mm。所述金属腔体优选为长方形腔体，所述金属腔体的尺寸优选为110mm×110mm×120mm；所述金属腔体的高度优选为80～120mm，更优选为120mm；所述金属腔体的壁厚优选为40～50mm。所述金属腔体的材质优选为不锈钢。在本发明中，所述介质谐振器设置在所述金属腔体内部，一端直接与腔壁接触，处于短路状态，另一端处于开路状态，与正对的腔壁形成电容加载。本发明对所述介质谐振器的形状没有特殊的限制，所述介质谐振器优选为陶瓷介质谐振器；在本发明中，所述介质谐振器的数量优选为3～5个，可成直线排列，也可在所述腔体的圆形底面均匀分布。在本发明中，所述bi2nimno6薄膜器件复合在所述金属腔体内部，位于所述金属腔体的中心位置，所述bi2nimno6薄膜器件下方使用低介电常数的材料如sio2垫着，所述bi2nimno6薄膜器件两端处于开路状态。所述bi2nimno6薄膜器件包括依次复合的衬底、底电极、bi2nimno6薄膜和顶电极。在本发明中，所述衬底优选为si，所述衬底的厚度优选为0.5～1mm；所述底电极优选为srruo3、fto导电玻璃、ito导电玻璃、pt或lanio3；所述底电极的厚度优选为80nm～90nm；所述bi2nimno6薄膜的厚度优选为100nm～120nm；所述顶电极优选为au、pt或al。在本发明中，所述bi2nimno6薄膜器件优选按照以下步骤制得：a)将lanio3前驱液涂覆在衬底表面，烘干得到镀有底电极的基底；所述lanio3前驱液由la(no3)3·6h2o、nic4h6o4·4h2o和乙二醇甲醚配制得到；b)将bi2nimno6前驱液涂覆底电极表面，烘干后得到镀有铁电前驱膜的衬底；所述bi2nimno6前驱液由、ni(ch3coo)2·4h2o、mn(ch3coo)2·4h2o和醋酸配制得到；c)将镀有铁电前驱膜的衬底进行退火，得到镀有铁电薄膜的衬底；d)在铁电薄膜的表面镀顶电极，得到bi2nimno6薄膜器件。本发明优选按照以下步骤制备lanio3前驱液和bi2nimno6前驱液：1)lanio3前驱液：以分析纯六水硝酸镧(la(no3)3·6h2o)(99％)、醋酸镍(nic4h6o4·4h2o)(99％)为原料，以乙二醇甲醚有机溶剂作为溶剂，以冰乙酸作为控制ph值的添加物，以乙酰丙酮作为控制水解速度的添加物。根据化学计量比将la(no3)3·6h2o(99％)溶于乙二醇甲醚中，先后加入一定量的冰乙酸和乙酰丙酮，在室温条件下搅拌至充分溶解，形成a液；将醋酸镍(nic4h6o4·4h2o)(99％)溶于乙二醇甲醚中，先后加入一定量的冰乙酸和乙酰丙酮，在50℃的温度下搅拌至充分溶解，冷却至室温后形成b液；然后将b液滴加进a液中，搅拌充分混合后形成lanio3溶液，静置陈化一段时间后得到0.3mol/l的lanio3前驱液。bi2nimno6前驱液：以分析纯五水硝酸铋(bi(no3)3·5h2o)(98％)、醋酸镍(nic4h6o4·4h2o)(99％)和醋酸锰(mn(ch3coo)2·4h2o)(99％)为原料，以冰醋酸、36％乙酸作为溶剂，以乙酰丙酮作为控制水解速度的添加物。根据化学计量比将五水硝酸铋容易冰乙酸中，在在室温条件下搅拌至充分溶解，形成a液；将醋酸镍(nic4h6o4·4h2o)溶于冰乙酸中，在50℃的温度下搅拌至充分溶解，冷却至室温后形成b液；将醋酸锰溶于36％乙酸中，室温下搅拌至充分溶解，形成c液，然后在室温下将b液一边滴加进a液中，一边搅拌至充分混合，形成d液，再在室温下将c液一边滴加进d液中，一边搅拌至充分混合后过滤，得到bi2nimno6溶液，静置陈化一段时间后得到0.3mol/l的bi2nimno6前驱液。2)采用旋涂仪在si基底上旋涂lanio3溶胶，并首先在空气条件下100℃的热平台上烘胶5min，之后再在300℃的热平台上烘烤1h，以充分除去有机物，为了达到理想的厚度，旋涂烘胶过程重复2-3次，得到未晶化退火的lanio3底电极；3)采用旋涂仪在未晶化退火的lanio3底电极上旋涂bi2nimno6溶胶，首先将所得的bi2nimno6溶胶逐滴滴加到未晶化退火的lanio3底电极上，低速1500r/min，旋转10s，随后3500r/min旋转30s，然后将湿膜放在加热平台上先150℃烘烤5min，随后300℃烘烤半小时以上以消除有机基团。4)最后在氧气和/或氮气下将烘烤后的薄膜用快速退火炉在不同温度下退火15min，即得bi2nimno6薄膜。在本发明中，所述退火的温度优选为550～750℃，具体的，可以是550℃、600℃、650℃、700℃或750℃；所述退火的时间优选为5～20min，更优选为10min；本发明优选在氧气和/或氮气气氛下进行所述退火。完成退火后，本发明在所述铁电薄膜的表面镀顶电极，得到bi2nimno6薄膜器件。本发明提供一种铁电微波滤波器，包括金属腔体、设置在金属腔体内的介质谐振器、复合在腔体里的bi2nimno6薄膜器件以及设置在腔壁上的调谐螺丝；所述bi2nimno6薄膜器件包括依次复合的衬底、底电极、bi2nimno6薄膜和顶电极。本发明采用te01δ模介质谐振腔滤波器，以bi2nimno6薄膜为滤波器的介电材料，提高了滤波器的介电常数和调谐率，并且由于使用了高介电调谐bi2nimno6薄膜材料，节约了材料用量，使制造成本明显下降。实验结果表明，本申请中的滤波器介电常数为5～18，介电调谐率为70～93％。为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种铁电微波滤波器进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。实施例1利用化学沉积法制备的bi2nimno6(bnmo)薄膜：以分析纯六水硝酸镧(la(no3)3·6h2o)(99％)、醋酸镍(nic4h6o4·4h2o)(99％)、五水硝酸铋(bi(no3)3·5h2o)(98％)和醋酸锰(mn(ch3coo)2·4h2o)(99％)为原料，按摩尔比配制0.30.3mol/l的lanio3(lno)和bi2nimno6(bnmo)前驱液，将lanio3(lno)前驱液旋转涂覆于硅片上，1500r/min旋转涂覆10s，随后3500r/min涂覆30s，每涂覆一层，将湿膜在加热台上150℃烘10min接着在300℃烘30min。用同样的方法在lno前驱膜上面镀得bnmo前驱膜，最后在600℃氧气氛围退火10min，镀上底电极，得到bnmo薄膜器件。其中，bnmo薄膜的厚度为100nmnm，si硅衬底的厚度为0.5mm，底电极的厚度为80nm。将介质谐振器、bnmo薄膜器件组装在不锈钢腔体内部，安装上调谐螺丝，得到铁电微波滤波器。不锈钢腔体尺寸为110mm×110mm×120mm，壁厚50mm。本实施例得到的滤波器结构如图1所示，图1为本发明实施例1中得到的滤波器的结构示意图。实施例2～4按照实施例1中的技术方案制备得到滤波器，不同的是，实施例2～4的退火温度分别为650℃、700℃和750℃。测试本发明实施例1～4得到的滤波器的介电常数-电场关系(ε-e)曲线，结果如图2所示，图2为本发明实施例1～4中滤波器不同频率下的ε-e曲线。从图中可以看出，bnmo薄膜在零电场下展现最高的介电常数，一般传统铁电薄膜的介电常数峰出现在其矫顽电场附近，这与传统铁电或反铁电体的ε-e均明显不相同，显示出可能存在的反铁电效应。并且最高介电常数随测试频率的增加，有逐渐下降的趋势，这可能源于频率增加导致薄膜中某些偶极子跟不上外加电场响应，从而使得介电常数在高频下出现下降。测试了实施例1～4得到的滤波器的调谐率，结果如表1所示，表1为本发明实施例1～4中滤波器的调谐率。表1本发明实施例1～4中滤波器的调谐率表中可看出，对于氧气中bnmo薄膜退火温度为600，650，700和750℃，其介电调谐率分别为94～95％，75～78％，82～88％和63～73％，改变旋涂速度，氧气气氛600～750℃温度范围退火所得bnmo薄膜，不同频率下介电常数电场关系测试发现氧气退火下bnmo薄膜具有与氮气退火样品相当的介电调谐率。实施例5利用化学沉积法制备的bi2nimno6(bnmo)薄膜：以分析纯六水硝酸镧(la(no3)3·6h2o)(99％)、醋酸镍(nic4h6o4·4h2o)(99％)、五水硝酸铋(bi(no3)3·5h2o)(98％)和醋酸锰(mn(ch3coo)2·4h2o)(99％)为原料，按摩尔比配制0.3mol/l的lanio3(lno)和bi2nimno6(bnmo)前驱液，将lanio3(lno)前驱液旋转涂覆于硅片上，1500r/min旋转涂覆10s，随后3500r/min涂覆30s，每涂覆一层，将湿膜在加热台上150℃烘10min接着在300℃烘30min。用同样的方法在lno前驱膜上面镀得bnmo前驱膜，最后在550℃氮气氛围退火10min，镀上底电极，得到bnmo薄膜器件。将介质谐振器、bnmo薄膜器件组装在不锈钢腔体内部，安装上调谐螺丝，得到铁电微波滤波器。不锈钢腔体尺寸为110mm×110mm×120mm，壁厚50mm。实施例6～8按照实施例5中的技术方案制备得到滤波器，不同的是，实施例6～8的退火温度分别为600℃、650℃和700℃。观测了实施例5～8中bnmo薄膜的微观形态，结果如图3所示，图3为本发明实施例5～8中bnmo薄膜的原子力显微镜图。图3中的(a)、(b)、(c)、(d)图分别表示实施例5、实施例6、实施例7和实施例8。扫描面积为1×1um2。从四幅afm图可以看出薄膜在550℃到700℃退火温度范围内，晶粒生长状况良好，呈球形状生长，薄膜表面致密，所得晶粒大小相近，晶粒尺寸约为60nm，表面粗糙度13.5nm。测试本发明实施例5～8得到的滤波器的介电常数-电场关系(ε-e)曲线，结果如图4所示，图4为本发明实施例5～8中滤波器不同频率下的ε-e曲线。从图4可以看出，所有样品的介电常数-电场关系(ε-e)回线均出现一个平台，即是在该电场范围内介电常数不随外加场强的变化。在零电场强度时，样品的介电常数出现极大值，一般传统铁电薄膜的介电常数峰出现在其矫顽电场附近，这与传统铁电或反铁电体的ε-e均明显不相同，显示出可能存在的反铁电效应。相比于实施例1～4中氧气气氛退火得到的bnmo薄膜滤波器，在氮气气氛下退火得到的bnmo薄膜的ε-e曲线具有更好的规律性。测试了实施例5～8得到的滤波器的调谐率，结果如表2所示，表2为本发明实施例5～8中滤波器的调谐率。表2本发明实施例5～8中滤波器的调谐率t(℃)5506006507001khz94％92％89％70％10khz93％91％88％70％100khz93％92％89％78％1mhz93％92％89％78％从表2中可看出，对于氮气中bnmo薄膜退火温度为550，600，650和700℃，其介电调谐率分别为93～94％，91～92％，88～89％和70～78％，传统铁电体的介电常数与铁电极化直接相关，当铁电体被极化时其介电常数必然下降。bnmo薄膜的高介电调谐效应可能源于其电子铁电体(electronicferroelectricity)性质，其二价ni离子与四价mn离子的电荷有序，产生电子极化区域，其拥有强的局部极化。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12