(Luận án tiến sĩ) về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc thụ động tần số cao dạng saw ứng dụng trong điện tử viễn thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA TRẦN MẠNH HÀ VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN, THIẾT KẾ NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ LỌC THỤ ĐỘNG TẦN SỐ CAO DẠNG SAW ỨNG DỤNG TRONG ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI - 2021 luan an luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA TRẦN MẠNH HÀ VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN, THIẾT KẾ NÂNG CAO HIỆU QUẢ BỘ LỌC THỤ ĐỘNG TẦN SỐ CAO DẠNG SAW ỨNG DỤNG TRONG ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 9520203 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THẾ TRUYỆN PGS.TS HOÀNG SĨ HỒNG HÀ NỘI - 2021 luan an luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi, dựa hướng dẫn TS Nguyễn Thế Truyện PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng Tất tham khảo, kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Kết nghiên cứu trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Trần Mạnh Hà luan an LỜI CẢM ƠN Luận án nghiên cứu sinh thực Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Thế Truyện PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng Nghiên cứu sinh (NCS) xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn tận tình, hiệu suốt trình nghiên cứu thực Luận án Nghiên cứu sinh (NCS) xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Viện ITIMS – Đại học Bách Khoa Hà Nội có ý kiến đóng góp khoa học, chuyên môn sâu sắc đồng thời tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực nghiệm, đánh giá kết nghiên cứu q trình thực Luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Lãnh đạo cán Vụ Khoa học Công nghệ - Bộ Công Thương tạo điều kiện tốt cho nghiên cứu sinh trình thực Luận án Nhân dịp này, Nghiên cứu sinh (NCS) xin bày tỏ lòng biết ơn với thành viên gia đình, anh em thân thiết, người khơng quản ngại khó khăn, hết lịng giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi suốt thời gian qua để nghiên cứu sinh có hội hồn thành tốt Luận án Xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận án Trần Mạnh Hà luan an MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề .4 1.2 Cơ sở lý thuyết chung 1.2.1 Khái niệm sóng âm bề mặt 1.2.2 Vật liệu bất đẳng hướng .10 1.2.3 Vật liệu có tính áp điện 15 1.3 Cấu trúc nguyên lý hoạt động lọc SAW .19 1.3.1 Cấu trúc 19 1.3.2 Nguyên lý hoạt động 21 1.3.3 Cấu trúc IDT 24 1.3.4 Các tham số đánh giá 28 1.4 Các phương pháp mô .32 1.4.1 Phương pháp mô COM .33 1.4.2 Mơ hình mạch tương đương Mason .34 1.4.3 Phương pháp phần tử hữu hạn .36 1.5 Các kỹ thuật chế tạo 38 1.5.1 Phương pháp LIGA 39 1.5.2 Kỹ thuật quang khắc, liff-off, etching 40 CHƯƠNG THIẾT KẾ MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO BỘ LỌC SAW 45 2.1 Bài toán thiết kế 45 2.1.1 Cơ sở lựa chọn toán thiết kế 45 luan an 2.1.2 Bài toán thiết kế 46 2.1.3 Quy trình thiết kế, chế tạo lọc SAW .47 2.2 Thiết kế, chế tạo lọc SAW .47 2.2.1 Nội dung thiết kế [101] 47 2.2.2 Chế tạo thử nghiệm 54 2.2.3 Đánh giá thông số 62 2.2.4 Ứng dụng chế tạo điều khiển từ xa 68 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ LỌC SAW 71 3.1 Cấu trúc bất đối xứng SPUDT 71 3.1.1 Cơ sở lý thuyết .72 3.1.2 Đáp ứng lọc .77 3.2 Ảnh hưởng tham số cấu trúc 79 3.2.1 Mô sử dụng FEM 79 3.2.2 Mô sử dụng Mason 84 3.3 Các giải pháp nâng cao chất lượng khác 87 3.3.1 Khoảng cách hai IDT 88 3.3.2 Số lượng cặp điện cực IDT 89 3.3.3 Vật liệu điện cực 91 3.3.4 Độ dày điện cực 92 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 107 PHỤ LỤC 108 luan an DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nội dung Diễn giải AlN Aluminum Nitride Hợp chất nhôm nitrite ANSYS Analysis System Phần mềm dùng để mơ phỏng, tính tốn thiết kế cơng nghiệp Bi IDT Bi Inter Digital Tranducer Cấu trúc Bộ chuyển đổi đối xứng COM Coupling of Modes Phương pháp ghép cặp chế độ riêng COMSOL Comsol Multiphysics Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn, giải mô DART Distributed Acoustic Bộ chuyển đổi phản xạ sóng âm kiểu phân Reflectrion Transducer tán DWSF Different Finger EWC Electrode-Width Controlled Các điện cực có kích thước chiều rộng kiểm sốt FDM Finite Difference Method Phương pháp sai phân hữu hạn FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn IDT Inter Digital Tranducer Bộ chuyển đổi số IIDT Interdigitated Tranducer IL Insertion Loss ITIMS International Training Viện Đào tạo quốc tế khoa học vật liệu Istitute for Materials Science – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội LPDs Low Power Devices – Width Split Các điện cực có kích thước chiều rộng khác interdigital Bộ IDT chuyển đổi liên tục Độ suy hao Thiết bị công suất thấp luan an Chữ viết tắt Nội dung Diễn giải MEMS Micro Electro Machanical Hệ thống vi điện tử System MSC Multi Strip Coupler PDE Partial Equations PTVPTP - Phương trình vi phân phần PVDF PolyVinyliDene Hợp chất đa phân tử RF Radio Frequency Tần số radio RFID Radio Frequency Identifier Bộ nhận dạng số sử dụng tần số radio Digital SAW Surface Acoustic Wave SEM Scanning Microscope SSBW Shear Body Wave SPUDT Single-phase Undirectional Bộ chuyển đổi có cấu trúc bất đối xứng Interdigital Transducer TES Triple Electrode Sections Bộ ghép đa dải Differential Phương trình vi phân riêng phần Sóng âm bề mặt Electron Kính hiển vi điện tử quét Sóng thân Phần điện cực thứ ba luan an Về phương pháp tính tốn, thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao dạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 131 Đáp ứng tần số đồ thị cho trường hợp 50 IDT, 40 IDT, 30 IDT 20 IDT thể qua hình sau: PL- 11 Đáp ứng tần số trường hợp đồ thị luan an Trang 132 NCS Trần Mạnh Hà Thay đổi thông số hàm truyền a Trường hợp 1: Tăng hệ số X, hệ số X cao độ dốc lớn đồ thị tiệm cận nhiều Hàm ban đầu: Hn(f) = H x xH ; Hàm thử: Hn2(f) = H x xH PL- 12 Thay đổi tham số X lên gấp lần Trong Hình PL- 12 thấy rằng, tăng tham số x lên lần chất lượng lọc cải thiện, đáp ứng tần số có độ dốc tốt hơn, độ lọc lựa cao hơn, cải thiện độ suy hao, độ rộng băng thông hẹp Tiếp theo, để khảo sát thay đổi của việc tăng tham số chất lượng lọc tiếp tục thử hàm thứ có tham số x tăng thêm gấp lần Hàm thử có giá trị sau: Hn2(f) = H x luan an xH Về phương pháp tính tốn, thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao dạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 133 PL- 13 Thay đổi tham số X lên lần PL- 14 Thay đổi tham số X lên 10 lần Xem Hình PL- 13, tham số x tiếp tục tăng sổ chất lượng cải thiện, độ suy hao cải thiện đáng kể (-100 so với -150), độ lọc lựa luan an Trang 134 NCS Trần Mạnh Hà tốt hơn, độ rộng băng thông hẹp Chúng ta tiếp tục xem xét với trường hợp tham số x tăng lên gấp 10 lần Hàm thử sau: Hn2(f) = H x xH Từ Hình PL- 14 tham số x tăng lên 10 lần, thấy số chất lượng cải thiện đáng kể số độ suy hao từ -150 xuống đến -50, số độ lọc lựa, độ dốc, độ rộng băng thông cải thiện Kết luận: Khi tăng tham số x cải thiện chất lượng hàm Hn(f) = H x xH , dạng đồ thị hàm truyền lọc SAW b Trường hợp 2: Tăng bậc hàm, đồ thị dốc hơn, độ lớn trung bình tín hiệu suy hao giảm Chúng ta tiếp tục xem xét mối liên quan tăng số bậc hàm tham số chất lượng lọc Chúng ta so sánh hàm với số bậc sau: Hàm ban đầu: Hn(f) = H x xH ; Hàm thử: Hn2(f) = H x xH PL- 15 So sánh tăng bậc Hình PL- 15 thấy tăng số bậc hàm từ lên lần chất lượng lọc không cải thiện nhiều, thấy chút cải thiện độ dốc Tiếp luan an Về phương pháp tính tốn, thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao dạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 135 tục tăng số bậc lên có hàm sau: Hn2(f) = H x xH , sau dùng phần mềm Matlab có Hình PL- 16 Tương tự có hàm Hn2(f) = H x xH đồ thị Hình PL- 17 PL- 16 so sánh tăng bậc PL- 17 So sánh tăng bậc 10 luan an Trang 136 NCS Trần Mạnh Hà c Trường hợp : Chúng ta khảo sát đặc tính lọc bất đối xứng cách cộng thêm hàm để đánh giá tín hiệu - Hàm thử 1: Với hàm ban đầu Hn(f) = H x 01 hàm số có dạng sau: xH , cộng thêm Vậy hàm số Hn2(f) = H x PL- 18 So sánh sau cộng thêm hàm sin 2x - Hàm thử 2: Hn2(f) = H + + H PL- 19 Cộng thêm hàm Sin 3x luan an + xH Về phương pháp tính tốn, thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao dạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 137 - Hàm thử 3: Hn2(f) = H + + + PL- 20 Cộng thêm hàm sin 4x luan an H Trang 138 NCS Trần Mạnh Hà So sánh IDT SPUDT a So sánh bước sóng - Trường hợp : λ0 = 19,5 μm PL- 21 Đáp ứng lọc trường hợp λ0 = 19,5 μm so sánh SPUDT Bi-IDT luan an Về phương pháp tính tốn, thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao dạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 139 - Trường hợp 2: λ0 = 36,0 μm PL- 22 Đáp ứng lọc với λ0 = 36μm so sánh SPUDT Bi-IDT luan an Trang 140 NCS Trần Mạnh Hà b Ảnh hưởng vật liệu PL- 23 Đáp ứng tần số lọc SAW-SPUDT với IDT Al PL- 24 Đáp ứng tần số lọc SAW-SPUDT với IDT Cu luan an Về phương pháp tính tốn, thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao dạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 141 PL- 25 Đáp ứng tần số lọc SAW-SPUDT với IDT Au PL- 26 So sánh đáp ứng tần số lọc SAW-SPUDT với IDT Al, Cu Au luan an Trang 142 NCS Trần Mạnh Hà c Ảnh hưởng độ dày PL- 27 Đáp ứng tần số SAW trường hợp h/λ0=2,5% PL- 28 Đáp ứng tần số SAW trường hợp h/λ0=5% luan an Về phương pháp tính tốn, thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao dạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 143 PL- 29 Đáp ứng tần số SAW trường hợp h/λ0=7% PL- 30 Đáp ứng tần số SAW trường hợp h/λ0=10% luan an Trang 144 NCS Trần Mạnh Hà PL- 31 Đáp ứng tần số SAW trường hợp d Ảnh hưởng số lượng IDT PL- 32 Thay đổi số cặp điện cực IDT với λ0 = 19,5 μm luan an Về phương pháp tính tốn, thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao dạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 145 PL- 33 Thay đổi số cặp điện cực IDT với λ0 = 36,0 μm luan an ... Về phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao dạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 35 Từ công thức (1.22) thấy đáp ứng lọc SAW hàm cấu trúc có dạng bậc hàm Trong. .. thông số định tần số trung tâm lọc SAW Tần số trung tâm lọc SAW xác định theo công thức [65]: luan an Về phương pháp tính tốn, thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao dạng SAW ứng dụng điện. .. (1.18) Về phương pháp tính tốn, thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao dạng SAW ứng dụng điện tử viễn thơng Trang 29 Trong fo tần số trung tâm lọc, fT fC tần số tín hiệu bắt đầu kết thúc