Bài viết thể hiện quá trình nghiên cứu thiết kế bộ lọc và bộ cộng hưởng kiểu sóng âm bề mặt (Surface Acoustic Wave – SAW) từ các bước tính toán thiết kế, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm. Cấu trúc lựa chọn của bộ lọc SAW là kiểu delay line màng mỏng áp điện AlN/Si (Aluminium Nitride/Silicon), bộ cộng hưởng SAW two-port đế khối áp điện Quartz.
Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ LỌC VÀ BỘ CỘNG HƯỞNG CAO TẦN KIỂU SÓNG ÂM BỀ MẶT Trần Mạnh Hà1, Nguyễn Thế Truyện1, Nguyễn Hằng Phương2, Nguyễn Văn Tốn3, Hồng Sĩ Hồng2* Tóm tắt: Bài báo thể trình nghiên cứu thiết kế lọc cộng hưởng kiểu sóng âm bề mặt (Surface Acoustic Wave – SAW) từ bước tính tốn thiết kế, mơ chế tạo thực nghiệm Cấu trúc lựa chọn lọc SAW kiểu delay line màng mỏng áp điện AlN/Si (Aluminium Nitride/Silicon), cộng hưởng SAW two-port đế khối áp điện Quartz Kết nghiên cứu cho thấy tương đồng kết mô thực nghiệm chế tạo Tần số trung tâm lọc cộng hưởng mô 126,9 MHz 100 MHz, sau chế tạo 126,04 MHz 98,36 MHz Từ khóa: Sóng âm bề mặt, Bộ lọc SAW (SAW filter), Bộ cộng hưởng SAW (SAW resonator), Etching ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, giới lọc cộng hưởng SAW chế tạo hoàn thiện ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực quan trọng điện tử viễn thông, truyền thông không dây, điều khiển từ xa,… [1, 2, 3] Công nghệ chế tạo dựa hai phương pháp etching lift-off [1, 4, 5, 6] Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế lọc SAW cộng hưởng SAW quan trọng Ở Việt Nam có số nghiên cứu thiết bị SAW như: lọc, cộng hưởng, cảm biến SAW dừng lại mơ chưa có kết trình bày hồn chỉnh q trình thiết kế từ tính tốn lý thuyết, mô đến chế tạo thực nghiệm Một số nghiên cứu công bố như: nghiên cứu trước nhóm tác giả với mơ 2D phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) cho lọc SAW delay line đế quartz [7], mơ cộng hưởng sóng âm bề mặt có cấu trúc hai lớp sử dụng phương pháp FEM [8], mô đáp ứng tần số cộng hưởng cao tần SAW phương pháp mơ hình mạch tương đương [9]; nhóm nghiên cứu Dương Tấn Phước với mơ hoạt động linh kiện SAW 120 MHz với cấu trúc chọn lọc từ phương pháp Taguchi [10]; nhóm nghiên cứu Chử Đức Trình – ĐH Cơng nghệ ĐHQGHN với nghiên cứu đầu phun mực thông minh dùng hệ thống cảm biến chất lỏng dựa cấu trúc SAW [11] Trên giới, sản phẩm thương mại lọc cộng hưởng SAW chủ yếu sử dụng đế áp điện khối đế Quartz, đế LiNbO3 [12, 13, 14] Mặc dù có nhiều nghiên cứu giới lọc cộng SAW, phạm vi nước báo trình bày trình nghiên cứu thiết kế đầy đủ cho lọc cộng hưởng SAW Trong đó, bên cạnh việc sử dụng đế áp điện khối dạng Quartz, nghiên cứu mở rộng cho đế áp điện dạng màng mỏng (AlN/Si) Dựa việc tham khảo sản phẩm lọc SAW cộng hưởng SAW thương mại Vectron, GSRS, Golledge Electronics [12, 13, 14] cho ứng dụng truyền thông nhà, nhóm nghiên cứu lựa chọn tần số hoạt động cho lọc SAW 127 MHz, cộng hưởng 98 MHz để mô chế tạo thử nghiệm Cấu trúc lựa chọn để thiết kế là: lọc SAW cấu trúc delay line đế áp điện màng mỏng AlN/Si cộng hưởng SAW cấu trúc two-port đế áp điện khối Quartz Mô bộ lọc cộng hưởng SAW Hiện nay, để chế tạo lọc cộng hưởng SAW có phương pháp là: Etching Liftoff [1, 18] Trong đó, phương pháp etching có ưu điểm bật so với lift-off như: chi phí rẻ, tốc độ ăn mòn nhanh, độ bám dính cao phù hợp sử dụng với điện cực nhơm Al [16, 18] Do đó, lựa chọn phương pháp etching thích hợp 92 T M Hà, …, H S Hồng, “Nghiên cứu thiết kế lọc… cao tần kiểu sóng âm bề mặt.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Quá trình chế tạo lọc SAW cộng hưởng SAW tương tự nhau, bao gồm bước hình 5a Các bước chế tạo cụ thể bao gồm: phủ Al máy phún xạ, phủ lớp cảm quang PR, photolithography tia UV qua lớp mặt nạ mask, develop để tạo hình, ăn mòn ướt Al loại bỏ lớp PR Bộ IDT sau chế tạo hình 5b Hình a) Các bước chế tạo lọc SAW cộng hưởng SAW phương pháp etching, b) Bộ IDT sau chế tạo kính hiển vi 3.3 Mơ hình đo đạc Sau chế tạo xong, lọc cộng hưởng SAW đo máy Network Protek A333 VNA đặt Phòng thí nghiệm Đo lường, Đại học BKHN kiểm chuẩn Viện Đo lường quốc gia Mơ hình kết nối đo trực tiếp máy Network A333 lọc/bộ cộng hưởng SAW trình bày hình Tín hiệu trả máy đo S21 thể đáp ứng tần số lọc/bộ cộng hưởng SAW Kết đo thực nghiệm so sánh với mơ phần a) b) Hình a) Mơ hình kết nối máy Network cộng hưởng SAW, b) Đo thực tế phòng thí nghiệm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Bộ lọc cộng hưởng SAW sau chế tạo hoàn chỉnh thể hình a) b) Hình Kết chế tạo thực nghiệm: a) Bộ lọc SAW delay line đế AlN/Si, b) Bộ cộng hưởng SAW two-port đế Quartz Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 93 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử - Xét cộng hưởng SAW: So sánh đáp ứng tần số cộng hưởng SAW mô đo thực nghiệm máy Network A333 trình bày qua hình 8a 8b Tần số cộng hưởng độ suy hao mô 100 MHz 25 dB kết đo thực nghiệm 98,39 MHz 25,36 dB Độ suy hao tương đồng hai kết tần số cộng hưởng sau mô lệch 2% với giá trị tần số mong muốn Điều giải thích q trình mơ phỏng, hai phản xạ chưa xét hai vật liệu Al độc lập nên lượng sóng phản xạ sinh so với lý thuyết Vì vậy, tần số cộng hưởng sóng chưa đạt giá trị lý thuyết a) b) Hình Đáp ứng tần số cộng hưởng SAW trong: a) Mô phỏng, b) Chế tạo - Xét lọc SAW: Hình 9a 9b thể đáp ứng tần số lọc SAW mô đo thực nghiệm máy Network A333 Tần số cộng hưởng sau mô đo thực nghiệm 126,9 MHz 126,04 MHz, sai lệch so với thiết kế 0,8% Kết độ suy hao mô thực nghiệm 25,29 dB 23,5 dB Các kết tương đồng thể tính xác mơ chế tạo thực nghiệm a) b) Hình Đáp ứng tần số lọc SAW trong: a) Mô phỏng, b) Chế tạo KẾT LUẬN Bài báo giới thiệu cấu trúc, ngun lý hoạt động, tính tốn thiết kế bao gồm: sở lựa chọn tham số chính, mơ phỏng, chế tạo thực nghiệm đo đạc cho cộng hưởng lọc SAW đồng thời so sánh kết mô thực nghiệm Kết chế tạo thành công lọc SAW cấu trúc delay line đế AlN/Si cộng hưởng SAW 94 T M Hà, …, H S Hồng, “Nghiên cứu thiết kế lọc… cao tần kiểu sóng âm bề mặt.” Nghiên cứu khoa học công nghệ cấu trúc two-port đế Quartz với tần số cộng hưởng 126,04 MHz 98,39 MHz Tuy nhiên, kết chế tạo thực nghiệm bước đầu để chứng minh đắn thực nghiệm mô khẳng định thiết kế bước đầu thành cơng Để chế tạo với số lượng lớn đáp ứng tiêu chuẩn châu Âu cần phải phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tối ưu hóa tính tốn thiết kế, xây dựng mơ hình vật liệu thực cho mơ phỏng, cơng nghệ phòng Đồng thời, nghiên cứu để ứng dụng cho loại cảm biến SAW khác Những vấn đề thực nghiên cứu Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 103.02-2014.47 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Kirschner, “Surface Acoustic Wave Sensors (SAWS),” Micromechanical Syst., 2010 [2] B Liu et al., “Surface acoustic wave devices for sensor applications,” J Semicond., vol 37, no 2, p 021001, Feb 2016 [3] D R Morgan, “Surface acoustic wave devices and applications: Introductory review,” Ultrasonics, vol 11, no 3, pp 121–131, 1973 [4] W J Tanski, “Surface acoustic wave resonators on quartz,” IEEE Trans Sonics Ultrason., vol 26, no 2, pp 93–104, 1979 [5] R E Chapman, “Argon and reactive ion beam etching for SAW devices,” Vacuum, vol 34, no 3, pp 417–424, Mar 1984 [6] B Spangenberg, K Popova, V Orlinov, E Spasova, and G Danev, “Reactive ion etching of crystalline quartz for SAW devices,” Vacuum, vol 39, no 5, pp 453–461, Jan 1989 [7] T M Hà et al., “Mô 2D lọc cao tần kiểu SAW sử dụng đế áp điện Quartz,” PROCEEDING Publ House Sci Technol., vol 1, no 1, Jul 2016 [8] H.-S Hồng, “Mơ cộng hưởng sóng âm bề mặt có cấu trúc hai lớp sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn”, Chuyên san Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa,trang 31-36 (2015) [9] H.-S Hồng, “Ứng dụng phương pháp mơ hình mạch tương đương mơ đáp ứng tần số cộng hưởng cao tần SAW,” Tạp chí Nghiên cứu khoa học vàcơng nghệ quân sự, trang 82-88 (2015) [10] D.T.Phước, “Mô hoạt động linh kiện SAW 120 MHz với cấu trúc chọn lọctừ phương pháp Taguchi”, Tạp chí Khoa học cơng nghệ Việt Nam - Số 7/2014 Tr.45 - 51 [11] H.Cường, “Thiết kế, mô cấu trúc đầu phun mực thông minh”, Đề tài (Mã số11320/2015) Cục Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia [12] “SAW Filters | DigiKey.” [Online] Available: https://www.digikey.com/products/en/filters/saw-filters/836 [13] “TST is as the leading SAW (surface acoustic wave) device supplier in Taiwan.” [Online] Available: http://www.taisaw.com/en/product.php?pc=1 [14] “Surface Acoustic Wave Filters | High realibility | Low insertion loss | Low cost | IF and RF Filters | High Power SAWs | GNSS SAW Filters | ISM Band Filters.” [Online] Available: https://www.vectron.com/products/saw/saw.htm [15] A Afzal, N Iqbal, A Mujahid, and R Schirhagl, “Advanced vapor recognition materials for selective and fast responsive surface acoustic wave sensors: A review,” Anal Chim Acta, vol 787, pp 36–49, Jul 2013 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 95 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử [16] H Campanella, “Acoustic wave and electromechanical resonators: concept to key applications”, Norwood, MA: Artech House, 2010 [17] F Sleeckx, T Naten, A Van de Capelle, and J Vandewege, “SAW Technology for Resonator Structures,” Act Passive Electron Compon., vol 7, no 1–3, pp 83–85, 1980 [18] B Li, H Al, and J Kosel, “Surface Acoustic Wave Based Magnetic Sensors,” in Modeling and Measurement Methods for Acoustic Waves and for Acoustic Microdevices, M G Beghi, Ed InTech, 2013 [19] H.-S Hong, D.-T Phan, and G.-S Chung, “High-sensitivity humidity sensors with ZnO nanorods based two-port surface acoustic wave delay line,” Sens Actuators B Chem., vol 171–172, pp 1283–1287, Aug 2012 [20] H.-S Hong and G.-S Chung, “Surface acoustic wave humidity sensor based on polycrystalline AlN thin film coated with sol–gel derived nanocrystalline zinc oxide film,” Sens Actuators B Chem., vol 148, no 2, pp 352, Jul 2010 [21] U C Kaletta et al., “Monolithic integrated SAW filter based on AlN for highfrequency applications,” Semicond Sci Technol., vol 28, p 065013, 2013 [22] “AlN Template on 4" Silicon ( Si <111>, P type, B-doped ) 4"x 500 nm,” MTI Corp - Leading provider of lab equipments and advanced crystal substrates [Online] Available: http://www.mtixtl.com/aln-onsi-c101d-500nm.aspx [23] W C Wilson and G M Atkinson, “Rapid SAW sensor development tools,” in Conference on Fly-by-Wireless for Aerospace Vehicles Grapevine US, 2007 [24] G Bu, D Ciplys, M Shur, L J Schowalter, S Schujman, and R Gaska, “Electromechanical coupling coefficient for surface acoustic waves in single-crystal bulk aluminum nitride,” Appl Phys Lett., vol 84, no 23, pp 4611–4613, Jun 2004 [25] “Single Crystal Quartz Wafers.” [Onl.] http://www.singlecrystalquartz.com/ ABSTRACT STUDY ON DESIGNING HIGH FREQUENCY FILTER AND RESONATOR BASED ON SURFACE ACOUSTIC WAVE PRINCIPLE In this paper, the research process for designing of Surface Acoustic Wave (SAW) filter and resonator is shown This process contains designing, simulation and experimental fabricate The detail structure is SAW delay line filter based on AlN/Si, SAW two-port resonator based on Quartz The research results indicate that the simulation results are as similar as manufacturing results The center frequencies of the filter and resonator in simulation are 126.9 MHz and 100 MHz, respectively while in fabricating are 126.04 MHz and 98.36 MHz, respectively Keywords: Surface Acoustic Wave, SAW filter, SAW resonator, Piezoelectric material, Etchinng method Nhận ngày 10 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 06 tháng năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 12 năm 2017 Địa chỉ: Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa/Bộ Cơng Thương; Viện Điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội; Viện Đào tạo quốc tế Khoa học vật liệu, Đại học Bách Khoa Hà Nội * Email: hoangsihong@gmail.com 96 T M Hà, …, H S Hồng, “Nghiên cứu thiết kế lọc… cao tần kiểu sóng âm bề mặt.” ... cộng hưởng lọc SAW đồng thời so sánh kết mô thực nghiệm Kết chế tạo thành công lọc SAW cấu trúc delay line đế AlN/Si cộng hưởng SAW 94 T M Hà, …, H S Hồng, Nghiên cứu thiết kế lọc cao tần kiểu. .. tần số lọc /bộ cộng hưởng SAW Kết đo thực nghiệm so sánh với mô phần a) b) Hình a) Mơ hình kết nối máy Network cộng hưởng SAW, b) Đo thực tế phòng thí nghiệm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Bộ lọc cộng hưởng. .. Bách Khoa Hà Nội * Email: hoangsihong@gmail.com 96 T M Hà, …, H S Hồng, Nghiên cứu thiết kế lọc cao tần kiểu sóng âm bề mặt. ”