Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông

Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW trong điện tử viễn thông.Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc nhận tần số cao dạng ứng dụng SAW 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 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 NCS Tr Trần Mạnh Hà LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu củaa riêng tôi, ddựa hướng dẫn TS Nguyễnn Th Thế Truyện PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng Tấtt ccả tham khảo, kế thừa đượcc trích ddẫn tham chiếu đầy đủ Kết nghiên ccứu trung thực chưa công bốố cơng trình khác trừ cơng trình có ssự tham gia Tác giả luận án Trần Mạnh nh Hà NCS Trần Tr Mạnh Hà LỜI CẢM ƠN Luận án nghiên ccứu sinh thực Viện Nghiên ứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa hư hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Thế Truyện Truy PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng Nghiên ứu sinh (NCS) xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắắc đến Thầy hướng dẫn tận tình, hiệuu qu suốtt trình nghiên cứu thực Luận án án Nghiên cứu sinh (NCS) xin gửi lời cảm ơn chân thành tớ ới Viện Điện Viện ITIMS – Đại họcc Bách Khoa Hà Nội N i có ý kiến đóng góp khoa học, h chuyên môn sâu sắc đồng thời tạo điều kiện để đ nghiên cứuu sinh thực nghiệm, nghiệm đánh giá kết nghiên cứu qu q trình thực Luận án Tơi xin gửi lờii ccảm ơn đến Lãnh đạo cán Vụ Khoa hoa hhọc Công nghệ - Bộ Công Thương hương tạo điều kiện tốt cho nghiên ccứu sinh trình thực hiệnn Luận án án Nhân dịp này, Nghiên cứu c sinh (NCS) xin bày tỏ lòng biết ơn vớii thành viên gia đình, ình, anh em thân thi thiết, người khơng quản ngại khó khăn, khăn hết lịng giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi suốt thời gian qua để nghiên cứu c sinh có hội hồn thành tốt Luận án Xin chân thành cảm m ơn! Tác giả luận án Trần Mạnh Hà NCS Tr Trần Mạnh Hà MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG NG vii DANH MỤC C CÁC HÌNH V VẼ, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG NG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Cơ sở lý thuyếtt chung 1.2.1 Khái niệm sóng âm bề b mặt 1.2.2 Vật liệu bất đẳng ng hướng hư 10 1.2.3 Vật liệuu có tính áp điện 15 1.3 Cấuu trúc nguyên lý ho hoạt động lọc SAW 19 1.3.1 Cấu trúc 19 1.3.2 Nguyên lý hoạtt đđộng 21 1.3.3 Cấu trúc ccủa IDT 24 1.3.4 Các tham số đánh giá 28 1.4 Các phương pháp mô ph 32 1.4.1 Phương pháp mô ph COM 33 1.4.2 Mơ hình mạch ch tương đương Mason 33 1.4.3 Phương pháp phầần tử hữu hạn 36 1.5 Kỹ thuật chế tạo 38 1.5.1 Phương pháp LIGA 38 1.5.2 Kỹ thuậtt quang kh khắc, liff-off, etching 39 CHƯƠNG THIẾT KẾ MÔ PH PHỎNG, CHẾ TẠO BỘ LỌC SAW 44 2.1 Bài toán thiết kế 44 2.1.1 Cơ sở lựa chọnn toán thi thiết kế 44 NCS Trần Tr Mạnh Hà 2.1.2 Bài toán thiết kế 45 2.1.3 Quy trình thiết kếế, chế tạo lọc SAW 46 2.2 Thiết kế, chế tạo llọc SAW 46 2.2.1 Nội dung thiết kếế 47 2.2.2 Chế tạo thử nghiệệm 53 2.2.3 Đánh giá thông ssố 61 2.2.4 Ứng dụng chế tạoo bbộ điều khiển từ xa 67 CHƯƠNG NGHIÊN CỨ ỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ LỌC C SAW 70 3.1 Cấu trúc bất đối xứng ng SPUDT 70 3.1.1 Ảnh hưởng củaa cấu c trúc SPUDT tới lan truyền n sóng bbộ lọc SAW 71 3.1.2 Đáp ứng llọc 76 3.2 Ảnh hưởng ng tham số s cấu trúc 78 3.2.1 Mô sử dụng ng FEM 78 3.2.2 Mô sử dụng ng Mason 83 3.3 Các giảii pháp nâng cao ch chất lượng khác 86 3.3.1 Khoảng cách giữ ữa hai IDT 87 3.3.2 Số lượng cặp điệện cực IDT 88 3.3.3 Vật liệu điện cựcc 90 3.3.4 Độ dày điện cực 91 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NG NGHIÊN CỨU C TIẾP THEO 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO O 95 DANH MỤC C CÁC CÔNG B BỐ CỦA LUẬN ÁN 103 PHỤ LỤC 104 NCS Tr Trần Mạnh Hà DANH MỤC ỤC CÁC CHỮ VIẾT T TẮT Chữ viết tắt Nộội dung Diễn giải AlN Aluminum Nitride Hợp chất nhôm nitrite ANSYS Analysis System Phần mềm dùng để mơ ph phỏng, tính tốn thiết kế cơng nghiệp Bi IDT Bi Inter Digital Tranducer Cấu trúc Bộ chuyển đổii đđối xứng COM Coupling of Modes Phương pháp ghép cặpp ch chế độ riêng COMSOL Comsol Multiphysics Phần mềm m phân tích phần ph tử hữu hạn, giải mô DART Distributed Acoustic Bộ chuyển đổi phản xạạ sóng âm kiểu Reflectrion ectrion Transducer phân tán DWSF Different Finger EWC Electrode-Width Width Controlled Các điện cựcc có kích thư thước chiều rộng kiểm soát FDM Finite Difference Method Phương pháp sai phân hữuu hhạn FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạnn FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữuu hhạn IDT Inter Digital Tranducer Bộ chuyển đổi số IIDT Interdigitated Tranducer IL Insertion Loss ITIMS International Training Viện Đào tạo quốc tế v khoa học vật Istitute for Materials Science liệu – Trường Đại họcc Bách khoa Hà N Nội LPDs Low Power Devices MEMS Micro Electro Machanical Hệ thống vi điện tử System – Width Split Các điện cựcc có kích thư thước chiều rộng khác interdigital Bộ IDT chuyển đổi liên tụục Độ suy hao Thiết bị công suất thấp NCS Trần Tr Mạnh Hà Chữ viết tắt Nộội dung Diễn giải MSC Multi Strip Coupler Bộ ghép đa dải PDE Partial Equations PTVPTP - Phương trình vi phân ng ph phần PVDF PolyVinyliDene Hợp chất đa phân tử RF Radio Frequency Tần số radio RFID Radio Frequency Identifier Bộ nhận dạng số sử dụng ng ttần số radio Digital SAW Surface Acoustic Wave SEM Scanning Microscope SSBW Shear Body Wave SPUDT Single-phase phase Undirectional Bộ chuyển đổi có cấuu trúc bất b đối xứng Interdigital Transducer T TES Triple Electrode Sections Differential Phương trình ình vi phân riêng phần ph Sóng âm bề mặt Electron Kính hiển vi điện tử quét Sóng thân Phần điện cực thứ ba NCS Tr Trần Mạnh Hà DANH MỤC ỤC CÁC BẢNG Bảng Tính chất sốố vật liệu làm IDT [8] 26 Bảng Giá trị k số vật liệu[58] 27 Bảng Một số sản phẩm thự ực tế chíp SAW thụ động hãng sảnn xu xuất 44 Bảng Tham số kích thướcc cho bbộ lọc SAW đế áp điện màng mỏng 49 Bảng Bảng kết so sánh đo t PTN Viện Đo lường 63 Bảng Bảng kết so sánh gi đại lượng đo thực tế thiết kế 66 Bảng Thông số cấuu trúc hình hhọc SPUDT mơ 80 Bảng Kết tính độ dốcc ccủa đáp ứng tần số lọc SAW SPUDT 82 Bảng Kết mô ng thay đđổi khoảng cách hai IDT đối xứ ứng 88 Bảng 10 Đặc tính lọcc SAW trường trư hợp điện cựcc Al, Cu, Au 90 NCS Trần Tr Mạnh Hà DANH MỤC ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1 Sự lan truyền củaa sóng bề b mặt sóng thân có kích thích [37] Hình 1-2 Sự lan truyền củaa sóng Rayleigh khơng gian [37] Hình 1-3 Sự đối xứng (a) a) bất b đối xứng tinh thể (b)[44] 11 Hình 1-4 Cấu trúc tinh thể chưa có ngoại ngo lực tác dụng[45] 11 Hình 1-5 Cấu trúc tinh thể có ngo ngoại lực tác dụng[45] 12 Hình 1-6 Sự phân cực điệnn tinh th thể[45] 13 Hình 1-7 Sự phân cựcc chung vvật liệu[8] 13 Hình 1-8 Hiệu ứng áp điệnn thuận thu ngược[44] 14 Hình 1-9 Cấu trúc tinh thể ccủa Barium Titanate (BaTiO3)[43] 16 Hình 1-10 Cấu trúc bảnn c lọc SAW [53] 19 Hình 1-11 Cấuu trúc cài lược lư IDT [32] 20 Hình 1-12 Cấuu trúc delay line [8] 20 Hình 1-13 Cấuu trúc delay line với v hấp thụ âm [55] 21 Hình 1-14 Điện trường ng xoay chi chiều điện cực [8] 22 Hình 1-15 Sự biến dạng bề mặt áp điện tác dụng điện trường ng [8] 23 Hình 1-16 Kiểu thiết kế IDT hai điện cực xen kẽ [51] 24 Hình 1-17 Kiểu thiết kế kếtt hhợp [51] 25 Hình 1-18 Đáp ứng tần số c lọc SAW[53] 30 Hình 1-19 So sánh Đáp ứng ng tần t số lọc SAW lọc dảii thông LC 31 Hình 1-20 Mơ hình mạch ch tương đương Masson cho ccấu trúc delay line [64] [64] 34 Hình 1-21 Quy trình tổng ng quát phương pháp X-Ray X LIGA [67] 38 Hình 1-22 Quy trình chế tạoo theo kỹ k thuật Liff-off 40 Hình 1-23 Quy trình thựcc hi kỹ thuật ăn mòn 42 Hình 2-1 Hình ảnh mặt cắtt ngang tham số s lọc SAW [68] 48 Hình 2-2 Mơ hình vật liệuu cho đđế áp điện IDT 50 Hình 2-3 Mơ hình đế áp điệện 51 Hình 2-4 Mơ hình IDT 51 Hình 2-5 Khu vực chia lướii 52 Trang 124 NCS Tr Trần Mạnh Hà Đáp ứng tần số m đồ thị cho trường hợpp 50 IDT, 40 IDT, 30 IDT 20 IDT thể hiệnn qua hình sau: PL- 11 Đáp ứng tần số trường hợp đồ thị Về mộtt phương pháp tính tốn, thi thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao ddạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 125 Thay đổi thông số s hàm truyền a Trường hợp 1:: Tăng hhệ số X, hệ số X cao độ dốc d lớn đồ thị tiệm cận nhiềuu hơn 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 th rằng, tăng tham số x lên lần chất lượng lọc cảii thiện, thi đáp ứng tần số có độ dốc tốt hơn, độ lọc l lựa cao hơn, cải thiện độ suy hao, độ rộng ng băng thông hẹp h Tiếp theo, để khảoo sát s thay đổi của việc tăng tham số đốii vvới chất lượng lọc tiếp tụcc th thử hàm thứ có tham số x đượcc tăng thêm ggấp lần Hàm thử có giá trị sau: Hn2(f) = H x xH Trang 126 NCS Tr Trần Mạnh Hà PL- 13 Thay đổi tham số X lên lần PL- 14 Thay đổi tham số X lên 10 lần Xem Hình PL- 13,, tham ssố x tiếp tục tăng sổổ chất lượng cải thiện, độ suy hao đư cải thiện đáng kể (-100 so với -150), 150), đđộ lọc lựa Về mộtt phương pháp tính tốn, thi thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao ddạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 127 tốt hơn, độ rộng ng băng thông ccũng hẹp Chúng ta tiếp tục xem em xét vvới trường hợp tham số x tăng lên gấpp 10 lần l Hàm thử sau: Hn2(f) = H x xH Từ Hình PL- 14 tham ssố x tăng lên 10 lần, thấấy số chất lượng cảii thiện thi đáng kể số độ suy hao từ -150 150 xuống xu đến -50, số độ lọc lựa, độ dốc, c, đđộ rộng băng thông cải thiện Kết luận: n: Khi tăng tham ssố x cải thiện chất lượng củủa hàm Hn(f) = H x xH , ũng dạng d đồ thị hàm truyền lọc SAW b Trường hợp 2:: Tăng bậc b hàm, đồ thị dốc hơn, độ lớn n trung bình c tín hiệu suy hao giảm Chúng ta tiếp tụcc xem xét mối m liên quan tăng số bậậc hàm tham số chấtt lư lượng lọc Chúng ta so sánh giữ ữa hàm với số bậc sau: Hàm ban đầu: Hn(f) = H x xH ; Hàm thử: Hn2(f) = H x PL- 15 So sánh tăng bậc xH Trang 128 Hình PL- 15 th thấy tăng số bậc hàm NCS Tr Trần Mạnh Hà từ lên lầnn ch chất lượng lọc khơng cảii thi thiện nhiều, thấy chút cải thiệện độ dốc Tiếp tục tăng số bậcc lên có hhàm sau: Hn2(f) = H x xH , sau dùng phần mềm m 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 Về mộtt phương pháp tính tốn, thi thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao ddạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 129 c Trường hợp : Chúng ta khảo kh sát đặc tính lọc bất đối xứng ng b cách cộng thêm hàm để đánh giá tín hi hiệu - Hàm thử 1: Với hàm àm ban đầu đ Hn(f) = H x 01 hàm số có dạng ng sau: xH , ssẽ cộng thêm Vậy hàm số Hn2(f) = H x PLPL 18 So sánh sau cộng thêm hàm sin 2x ()=H - Hàm thử 2: Hn2(f) + + H PL- 19 Cộng thêm hàm Sin 3x + xH Trang 130 - Hàm thử 3: Hn2(f) = H + NCS Tr Trần Mạnh Hà + + PL- 20 Cộng thêm hàm sin 4x H Về mộtt phương pháp tính tốn, thi thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao ddạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 131 So sánh giữaa IDT SPUDT a So sánh bướcc sóng - Trường hợp : λ0 = 19,5 μm PL- 21 Đáp ứng ng b lọc trường hợp λ0 = 19,5 μm so sánh giữaa SPUDT Bi-IDT Bi Trang 132 NCS Tr Trần Mạnh Hà - Trường hợp 2: λ0 = 36,0 μm PL- 22 Đáp ứng lọc với λ0 = 36μm so sánh SPUDT Bi-IDT IDT Về mộtt phương pháp tính tốn, thi thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao ddạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 133 b Ảnh hưởng vật liệệu PL- 23 Đáp ứng tần số lọc SAW-SPUDT với IDT Al PL- 24 Đáp ứng tần số lọc SAW-SPUDT với IDT Cu Trang 134 NCS Tr Trần Mạnh Hà PL- 25 Đáp ứng tần số lọc SAW-SPUDT với IDT Au PL- 26 So sánh đáp ứng tần số lọc SAW-SPUDT vớii IDT Al, Cu Au Au Về mộtt phương pháp tính tốn, thi thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao ddạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 135 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% Trang 136 NCS Tr Trần Mạnh Hà PL- 29 Đáp ứng tần số SAW trường hợp h/λ0=7% PL- 30 Đáp ứng tần số SAW trường hợp h/λ0=10% Về mộtt phương pháp tính toán, thi thiết kế nâng cao hiệu lọc thụ động tần số cao ddạng SAW ứng dụng điện tử viễn thông Trang 137 PL- 31 Đáp ứng tần số SAW trường hợp d Ảnh hưởng số lượ ợng IDT PL- 32 Thay đổi số cặp điện cực IDT với λ0 = 19,5 μm Trang 138 NCS Tr Trần Mạnh Hà PL- 33 Thay đổi số cặp điện cực IDT với λ0 = 36,0 μm