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 TT

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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 952 02 03 Hà Nội – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thế Truyện PGS.TS Hoàng Sỹ Hồng Phản biện 1: PGS.TS Mai Anh Tuấn Phản biện 2: PGS.TS Bạch Nhật Hồng Phản biện 3: PGS.TS Trần Quốc Tiến Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá họp hội trường vào hồi 9h00 ngày 20 tháng 11 năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa MỞ ĐẦU Mục đích nghiên cứu: Ngày vai trị lọc áp dụng ngun lý sóng âm bề mặt (SAW - Surface Acoustic Wave) vô quan trọng sống ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Để đáp ứng nhu cầu sử dụng yêu cầu ngày cao chất lượng, độ tin cậy, kích thước nhỏ gọn, độ bền cao, hoạt động ổn định lâu dài điều kiện môi trường khắc nghiệt biến động lớn… việc nghiên cứu chế tạo lọc theo nguyên lý SAW vô cần thiết ưu điểm vượt trội so với lọc tương tự - Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu đề tài lọc sử dụng nguyên lý sóng âm bề mặt (SAW) - Phương pháp nghiên cứu: + Phương pháp phân tích: Trong trình nghiên cứu, NCS sử dụng phương pháp phân tích số liệu để đánh giá ưu, nhược điểm việc lựa chọn tham số lọc nhằm đưa tham số phù hợp; + Phương pháp mô phỏng: Nhằm thực việc chế tạo lọc SAW, đề tài sử dụng phương pháp mô phần tử hữu hạn (FEM) kết hợp với phương pháp mơ mơ hình mạch tương đương (Mason) để đánh giá tham số lọc trước chế tạo thử nghiệm - Ý nghĩa thực tiễn: Thơng qua q trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu lọc SAW, kết đề tài chế tạo lọc SAW Việc chế tạo lọc SAW dựa kết thiết kế, tính tốn mơ xây dựng bước đầy đủ để chế tạo nội dung mang ý nghĩa thực tiễn đề tài Bộ lọc SAW sau thiết kế, chế tạo ứng dụng thiết bị điều khiển từ xa hoạt động đáp ứng yêu cầu - Ý nghĩa khoa học: Trong nội dung đề tài NCS lựa chọn phương pháp mô kết hợp áp dụng phương pháp Mason phương pháp FEM cho đối tượng đối xứng bất đối xứng Ngoài ra, NCS xây dựng sở lý thuyết nhằm thiết kế, chế tạo nâng cao chất lượng lọc SAW kiểu đối xứng bất đối xứng Luận án có số nội dung đóng góp mặt khoa học như: + Luận án đề xuất số giải pháp nhằm nâng cao chất lượng lọc SAW bao gồm đề xuất sử dụng lọc bất đối xứng thay đổi tham số cấu trúc (Khoảng cách, số lượng, kích thước) cho đối tượng bất đối xứng; + Luận án xây dựng quy trình hồn chỉnh từ tính tốn, thiết chế tạo lọc SAW, đồng thời tiến hành đo, đánh giá thông số lọc chế tạo sản phẩm chế thử (bộ điều khiển xa) sử dụng lọc - Bố cục luận án: Luận án gồm phần: Phần mở đầu, chương nội dung, kết luận kiến nghị Chương (Tổng quan), trình bày tổng quan kỹ thuật sóng âm bề mặt, sở vật lý toán học lọc SAW, phương pháp mô thực tế Phân tích ưu nhược điểm phương pháp từ lựa chọn phương pháp phù hợp cho mơ lọc SAW Qua phân tích ưu, nhược điểm ứng dụng hiệu ứng SAW thực tế, luận án lựa chọn cấu hình lọc SAW đưa định hướng nội dung nghiên cứu phù hợp Chương (Nghiên cứu thiết kế, mô chế tạo lọc SAW), từ khảo sát thuật tốn phương pháp mơ trình bày chương 1, nghiên cứu sinh lựa chọn phương pháp thiết kế mô Từ thông số yêu cầu lọc tiến hành thiết kế lọc, thực mô phỏng, chế tạo lọc SAW Các đặc trưng lọc SAW sau chế tạo khảo sát so sánh với kết mô để chứng minh tính đắn phương pháp mơ lựa chọn Chương (Nghiên cứu nâng cao chất lượng lọc SAW), Nghiên cứu tham số ảnh hưởng đến chất lượng lọc SAW tần số, cấu trúc, đề xuất cấu trúc bất đối xứng lọc SAW SPUDT Nghiên cứu đưa chứng minh luận giải việc thay đổi cấu trúc lọc SAW SPUDT ảnh hưởng đến chất lượng lọc Chương đưa đề xuất tham số lọc SAW ảnh hưởng đến chất lượng thiết kế như: vật liệu, độ dày điện cực, số lượng điện cực, đề xuất cấu trúc nhằm nâng cao chất lượng lọc SAW Kết luận kiến nghị: Tóm tắt kết đạt đóng góp luận án, kiến nghị cho hướng phát triển luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN I Đặt vấn đề Bộ lọc SAW chế tạo hoàn thiện ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực quan trọng điện tử viễn thơng, truyền thơng khơng dây, điều khiển từ xa1,… Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm lọc SAW quan trọng cần thiết2 Bộ lọc SAW lọc học sử dụng nguyên lý lan truyền sóng âm bề mặt cộng hưởng sóng bề mặt vật liệu để phục vụ cho mục đích lọc tín hiệu Về bản, lọc SAW lọc tương tự hay lọc số thực giải tốn chung lọc truyền tín hiệu lọc tần số để có tín hiệu mong muốn Bộ lọc SAW khác lọc truyền thống cấu trúc nguyên lý hoạt động Công nghệ chế tạo lọc SAW dựa hai kỹ thuật lift-off ăn mòn (etching) Xu hướng nghiên cứu lọc SAW thực chủ yếu dựa mô thực nghiệm, số công trình nghiên cứu cơng bố dựa phương pháp mơ Một số cơng trình nghiên cứu cơng bố kết dựa phương pháp mô sau: (1) Mô lọc SAW dựa MATLAB Simulink; (2) Mô lọc SAW sử dụng Concave; (3) Mô lọc SAW phương pháp Theo báo cáo Indutrial ARC (www.industryarc.com) thị trường SAWBAW tồn cầu ước tính đạt 40,494 tỷ USD vào năm 2023, với tốc độ gia tăng hàng năm đạt 18,54% khoảng thời gian từ năm 2017 đến 2023 Hiện công ty tham gia vào thị trường thiết bị ứng dụng SAW bao gồm: Kyocera Corporation, Avago Technologies, ECS Inc.International, Qorvo Inc, TDK Corporation 16 công ty khác https://www.industryarc.com/Report/18294/sawbaw-market.html phần tử hữu hạn FEM Phương pháp FEM sử dụng phổ biến mô lọc SAW ưu điểm vượt trội khả tính tốn cao, dễ dàng mơ hình hóa cấu trúc lọc mà khơng phụ thuộc vào việc biết trước mơ hình tốn học Các nghiên cứu mô lọc SAW sử dụng FEM dừng lại việc mô cấu trúc đối xứng, cấu trúc bất đối xứng chưa nghiên cứu rộng rãi Trên giới, việc nghiên cứu cấu trúc bất đối xứng (SPUDT - Phase Unidirectional Transducer) thực với nhiều báo nghiên cứu công bố gần đây, nhiên phần lớn nghiên cứu dừng mức độ ứng dụng chưa đưa quy luật, sở lí thuyết hay kết luận cụ thể Một số nghiên cứu dựa việc thay đổi tham số dựa thực tế thực nghiệm, chưa có đưa nghiên cứu tổng thể để chứng minh tính đắn việc thực thay đổi tham số Ở Việt Nam có số nghiên cứu thiết bị ứng dụng nguyên lý SAW bao gồm: lọc, cộng hưởng, cảm biến SAW Tuy nhiên nghiên cứu dừng lại mơ phỏng, chưa có kết trình bày hồn chỉnh q trình thiết kế từ tính tốn lý thuyết, mơ phỏng, đến chế tạo thực nghiệm Một số nghiên cứu công bố như: (1) Mô 2D phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) cho lọc SAW delay line đế Quartz; (2) Nhóm nghiên cứu Dương Tấn Phước với mô hoạt động linh kiện SAW 120 MHz với cấu trúc chọn lọc từ phương pháp Taguchi; (3) Nhóm nghiên cứu GS.TS Chử Đức Trình – Đại học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội với nghiên cứu đầu phun mực thông minh dùng hệ thống cảm biến chất lỏng dựa cấu trúc SAW Về mặt mô chế tạo thực nghiệm, nội dung đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp Bộ Công Thương năm 2015 Nghiên cứu sinh (NCS) với vai trị thành viên thực nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lọc cộng hưởng SAW Nội dung đề tài tập trung thiết kế, mô chế tạo với lọc, cộng hưởng có kết cấu đối xứng, sử dụng phương pháp FEM để mơ Mặc dù có nhiều nghiên cứu giới lọc cộng hưởng SAW, phạm vi nước, công trình nghiên cứu trình bày trình nghiên cứu thiết kế đầy đủ cho lọc cộng hưởng SAW từ mô đến chế tạo thử nghiệm3 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) Cấu trúc lựa chọn ban đầu để thiết kế lọc SAW cấu trúc delay line với đế áp điện màng mỏng AlN/Si, sau thực nghiên cứu để tối ưu thiết kế cho lọc SAW Trong đó, mơ cải thiện lọc SAW có cấu trúc bất đối xứng phương pháp phần tửu hữu hạn kết hợp mơ hình mạch tương đương kết bật cơng trình nghiên cứu Kết luận án đề xuất cấu trúc bất đối xứng lọc SAW (SPUDT) với giải thích mặt lý thuyết sở việc thay đổi cấu trúc, nội dung đề tài Bộ lọc SAW chế tạo thực nghiệm phương Nội dung chế tạo báo cáo, đánh giá nghiệm thu đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Công Thương năm 2015 “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo chip thụ động cao tần ứng dụng điều khiển từ xa khơng dây” Đề tài có mã số ĐTKHCN.026/15 Bộ Công Thương nghiệm thu với kết đạt yêu cầu pháp ăn mòn phịng thí nghiệm ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà Nội Sau chế tạo, đáp ứng tần số lọc cộng hưởng SAW đo máy đo Network A333 đặt Phịng thí nghiệm Đo lường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Phòng thử nghiệm Viện Đo lường Việt Nam Kết thực nghiệm so sánh với kết mô để kiểm tra tin cậy cơng trình nghiên cứu II Cơ sở lý thuyết chung Khái niệm sóng âm bề mặt Sóng âm bề mặt (surface acoustic wave) hay sóng Rayleigh theo tên người phát Các phân tử bề mặt chuyển động dạng hình elip hướng lan truyền song song với phương truyền sóng vng góc với bề mặt Vật liệu khơng đẳng hướng Sóng bề mặt sinh có kích thích tác động dẫn đến biến dạng đàn hồi vật chất bề mặt Vật liệu khơng đẳng hướng loại vật liệu có tính chất phụ thuộc trực tiếp vào hướng lực tác động III Cấu trúc nguyên lý hoạt động lọc SAW Cấu trúc Cấu trúc lọc SAW gồm hai phần đế áp điện chuyển đổi IDT (Inter Digital Transducer) Nguyên lý hoạt động Các thiết bị SAW nói chung lọc SAW nói riêng có nguyên lý hoạt động dựa việc chuyển đổi lượng từ điện sang ngược lại Cấu trúc lọc SAW lựa chọn cho hướng nghiên cứu cấu trúc delay line kết hợp hấp thụ âm, cấu trúc delay line đầy đủ với hấp thụ âm thể hình Hình 1-1 Cấu trúc delay line với hấp thụ âm Các tham số đánh giá Hình 1-2 Đáp ứng tần số lọc SAW Bộ lọc SAW có tham số như: Độ suy hao (insertion loss); Độ rộng băng thông (bandwidth); Độ lọc lựa (stopband rejection); Hệ số phẩm chất Q Trong pham vi đề tài này, đánh giá chất lượng lọc thông qua tham số Hệ số phẩm chất (Q), Độ lọc lựa Độ chọn lọc (Fs) Lý việc lựa chọn tham số thơng số dễ dàng đánh giá q trình thiết kế, tính tốn hình 10 IV Các phương pháp mơ Phương pháp mô COM Phương pháp ghép cặp chế độ riêng COM (Coupling of Modes) hướng nghiên cứu phát triển từ lý thuyết truyền sóng ứng dụng truyền thơng xử lý tín hiệu Vấn đề sử dụng phương pháp COM tham số phương pháp hàm cấu trúc hướng vật liệu Để đạt đáp ứng tối ưu cho thiết bị dải cấu trúc chất cần mơ hình hố, phải dùng đến ma trận nhiều phương trình để giải tốn Mơ hình mạch tương đương Mason Mơ hình mạch tương đương Mason thực chất quy đổi cấu trúc lọc dạng tương đương RLC truyền thống Trên sở quy tốn mơ mơ cấu trúc điện cực dạng mạch điện tương đương cho phép dễ dàng thực mô Matlab Hạn chế phương pháp áp dụng cho cấu trúc đối xứng, đồng thời phải chọn trước tần số cộng hưởng trung tâm tham số cấu trúc gián tiếp điện cực để mô đáp ứng tần số lọc SAW nên dẫn đến thiếu xác, thiếu khách quan phù hợp cho toán kiểm chứng toán thiết kế Phương pháp phần tử hữu hạn Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn (FEMFinite Element Method) hoàn toàn dựa vào chất vật liệu áp điện Việc phân tích tham số vật liệu áp điện tham số truyền vào cho hệ phần tử hữu hạn thực mô Đặc điểm bật phương pháp FEM khả 11 xử lý dạng hình học phức tạp biên tương đối dễ dàng Với hỗ trợ từ phần mềm ANSYS4, phương pháp mô FEM trở thành công cụ hiệu việc mô toán, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tìm kết quả, mơ cấu trúc vật liệu thực tế V Các kỹ thuật chế tạo Kỹ thuật LIGA Phương pháp LIGA phương pháp chế tạo vi cấu trúc chiều bề mặt đế Si gồm kỹ thuật chính: kỹ thuật quang khắc (Lithography), kỹ thuật lắng đọng điện hóa (Electroplating), kỹ thuật tạo khn đúc (Molding) Có 02 cơng nghệ chế tạo LIGA X-Ray LIGA UV LIGA, phương pháp LIGA có đặc điểm bật sau: (1) Cho phép tạo cấu trúc có chiều cao khoảng hàng trăm μm đến mm chiều ngang khoảng μm nhỏ hơn; (2) Vật liệu đa dạng: Polymer (PMMA), kim loại, gốm áp điện, điện môi…; (3) Giá thành đắt đỏ Kỹ thuật quang khắc Quang khắc phương pháp chế tạo sản phẩm vi điện tử đế khối màng mỏng (thin film) Phương pháp sử dụng ánh sáng để tạo dạng hình học mong muốn khối đế (màng mỏng) từ mặt nạ (photomask) Chế tạo thực theo phương pháp quang khắc gồm bước sau: (1) Làm đế áp điện; (2) Phủ lớp nhạy sáng; (3) Chiếu sáng (thường dùng UV) sử dụng mặt nạ để tạo cấu trúc thiết kế; (4) Phủ màng kim loại IDT; (5) Loại bỏ lớp Phần mềm ANSYS demo thực Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 12 nhạy sáng Kỹ thuật quang khắc kết hợp với kỹ thuật lift-off ăn mòn trực tiếp kim loại (Etching) chế tạo lọc Kỹ thuật lift-off Lift-off (nghĩa tương ứng tiếng Việt nhấc ra, nâng lên Do khơng có từ kỹ thuật tương ứng nên để nguyên tài liệu kỹ thuật tiếng Việt), công đoạn công nghệ vi chế tạo, ứng dụng để tạo vi cấu trúc (họa tiết) vật liệu đích đế thể rắn (ví dụ đế Silic) sử dụng vật liệu hy sinh (ví dụ: chất cảm quang) Đây kỹ thuật bồi đắp (tiếp cận bottom-up) chế tạo linh kiện cấu trúc, không giống kỹ thuật ăn mòn (theo tiếp cận top-down) vi điện tử MEMS Phương pháp ăn mòn trực tiếp kim loại (Etching) Kỹ thuật ăn mòn kỹ thuật sử dụng dung dịch hóa học để loại bỏ chất cảm quang màng IDT thiết bị SAW Tùy thuộc vào vật liệu làm IDT, vật liệu làm chất cảm quang vật liệu đế mà sử dụng dung dịch ăn mòn khác Kỹ thuật ăn mịn phân loại theo dạng khác như: theo loại hình ăn mịn (ăn mịn dị hướng, ăn mòn đẳng hướng ăn mòn trực tiếp ) theo hình thức ăn mịn (ăn mịn vật lý, ăn mịn hóa học) CHƯƠNG THIẾT KẾ MƠ PHỎNG, CHẾ TẠO BỘ LỌC SAW 2.1 Thông số lọc Căn vào phân tích thơng số sản phẩm có sẵn thị trường, tơi lựa chọn cấu hình lọc SAW để thiết kế, mơ phỏng, chế tạo có thơng số cần đạt sau: 13 - Tần số trung tâm: 127 (MHz); - Dải thông: < (MHz); - Nhiệt độ làm việc < 80oC; - Độ suy hao < -30 (dB); - Độ trôi tần số theo nhiệt độ: < -50 (ppm/oC); - Trở kháng: < 200 (Ω); - Hệ số hiệu suất chuyển đổi điện K2 < 2.2 Nội dung thiết kế Bộ lọc SAW có đế áp điện loại màng mỏng AlN có vận tốc truyền sóng 5.150 (m/s), đế Si (Silic) Các tham số kích thước lọc Bảng Bảng Tham số kích thước cho IDT h1 (μm) 500 h2 L (mm) (nm) λ= 4d (μm) 500 10 40 (μm) M 2= M1=W M 1+ +2λ 4λ (μm) M3=M2 +8λ (μm) 2.320 2.400 2.560 2.880 W= 58λ D =7 Np in λ (μm) 70 280 (μm) 2.3 Thực mô 2.3.1 Công cụ mô Hiện tốn mơ sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn có hai phần mềm hỗ trợ ANSYS COMSOL ANSYS cho phép hỗ trợ người dùng nhiều sử dụng rộng rãi Trong đề tài nghiên cứu này, NCS sử dụng phần mềm ANSYS làm công cụ hỗ trợ mô 2.3.2 Kết mô Tần số cộng hưởng sau mô 126,9 (MHz), ), so sánh với giá trị thiết kế lọc 127 (MHz) giá trị sai lệch 0,8% Kết độ suy hao mô thực nghiệm 25,29 (dB) Từ kết tính VSAW = f.4d = 1269x106x4x10x106= 5.076 (m/s) Kết theo lý 14 thuyết 5.150 (m/s), kết mô sai lệch so với lý thuyết 1,4% Kết chứng minh tính tin cậy kết mơ 2.4 Chế tạo thử nghiệm Nhằm so sánh kết mô lọc SAW phương pháp phần tử hữu hạn, tiến hành thiết kế chế tạo lọc SAW để so sánh 2.4.1 Quy trình thiết kế Bộ lọc SAW có đế áp điện loại màng mỏng AlN đế Si (Silic), NCS sử dụng đế AlN/Si sản phẩm thương mại thị trường Hãng MTI tham số kích thước IDT thể qua Bảng 2.4.2 Chế tạo thử nghiệm Các lọc SAW tiến hành chế tạo mơi trường phịng với yêu cầu tuân theo tiêu chuẩn quốc tế Sau thiết kế, NCS tiến hành chế tạo lọc cộng hưởng SAW thực tế phòng Viện ITIMS – Trường Đại học bách khoa Hà Nội 2.4.3 Kết đo thông số Bộ lọc tiến hành đo thông số thiết bị phịng thí nghiệm Viện Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Đo lường Việt Nam Kết so sánh đáp ứng tần số lọc SAW mô chế tạo thể hình 2-24 với việc đo thực nghiệm máy Network A333 Tần số cộng hưởng sau mô đo thực nghiệm tương ứng 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 15 tương đồng thể tính xác mô chế tạo thực nghiệm 2.4.4 Sản phẩm thực tế Sản phẩm Bộ điều khiển từ xa RF không dây sử dụng chip SAW thụ động cơng tắc có lắp thu RF sau chế tạo tiến hành thử nghiệm khả làm việc chế độ Kết thử nghiệm cho thấy Bộ điều khiển tích hợp sử dụng chip SAW thiết kế, chế tạo có khả hoạt động ổn định, khoảng cách bật/ tắt có vật chắn 15 (m) CHƯƠNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ LỌC 3.1 Cơ sở lý thuyết Có thể thấy Hình 3-1, cấu trúc hình học SPUDT gồm chuỗi ô giống hệt có chiều rộng λ0 Trong gồm có điện cực có chiều rộng λ0/8 điện cực có chiều rộng λ0/4 Mỗi chứa phản xạ (reflector) chuyển đổi (transducers) bố trí tâm phản xạ (RCReflection center) tâm chuyển đổi (TC-Transduction center) Hai thành phần hoạt động độc lập với Tâm chuyển đổi (TC) điểm mà sóng truyền theo hai hướng phía trước phía sau có biên độ pha Tâm phản xạ (RC) điểm thỏa mãn sóng đến hai hướng phía trước phía sau có hệ số phản xạ Nhằm làm giảm ảnh hưởng sóng phản xạ khơng mong muốn q trình truyền sóng, cần phải xem xét q trình lượng truyền sóng thực IDT để từ đánh giá yếu tổ để điều chỉnh Hình 3-2 hình ảnh thể q trình sóng phản xạ 16 đến điện cực IDT Trong đó: β1 R1 trở kháng điện cực IDT kim loại phủ đế áp điện hệ số phản xạ kim loại; β2 R2 trở kháng đế áp điện hệ số phản xạ tương ứng Hình 3-1 Cấu trúc hình học SPUDT [114] Hình 3-2 Ngun lý phản xạ sóng bề mặt lọc SAW 17 Nguyên lý truyền sóng mơ tả sau: Khi cung cấp tín hiệu cần lọc cho lọc SAW điện cực IDTvào, lượng biến thành lượng sóng âm lan truyền bề mặt theo hai hướng hiệu ứng áp điện Hướng sóng hướng lượng sóng truyền từ IDTvào sang IDTra để thu tín hiệu có dải tần cần lọc ngồi Tại vị trí IDTvào, hướng cịn lại sóng phụ mơi trường ngồi Q trình truyền sóng xuất phản xạ gặp môi trường truyền sóng có trở kháng thay đổi Xét điện cực IDTvào, sau có tín hiệu vào ngồi thành phần sóng truyền thẳng đến IDTra cịn có thành phần sóng phụ theo hướng ngược với sóng Khi sóng phụ truyền bề mặt vật liệu áp điện lọc SAW gặp môi trường không khí hấp thụ mép ngồi lọc xuất phản xạ Chúng ta thấy Hình 3-2 thể thành phần sóng phản xạ (Ain) hướng ngược lại đến IDTvào, q trình di chuyển sóng phản xạ (Ain) thực mơi trường áp điện có trở kháng β2 Khi sóng phản xạ (Ain) gặp mép trái điện cực IDTvào (vật liệu điện cực kim loại/áp điện có trở kháng β1) xuất phản xạ sóng A- Sự xuất phản xạ sóng A- mép trái điện cực IDTvào có thay đổi trở kháng (β2→β1) từ môi trường áp điện môi trường vật liệu điện cực Năng lượng cịn lại tiếp tục truyền mơi trường kim loại/áp điện IDTvào (trở kháng β1) đến mép phải gặp mơi trường truyền sóng đế áp điện (trở kháng β2) Tại mép phải IDTvào gặp thay đổi trở kháng (β1→β2) nên lượng lại chia thành hai thành phần: 18 lượng phản xạ lại (A+) lượng tiếp tục truyền (At) Như lượng phản xạ vào trung tâm IDTvào thành phần truyền (At) Thành phần truyền (At) vào trung tâm IDT ảnh hưởng đến sóng gây nhiễu loạn đến biến độ pha dẫn đến suy hao giảm số tính chất lọc Với điều kiện bên ngồi khơng đổi (Mơi trường giảm chấn cố định) thành phần sóng phản xạ (Ain) không đổi Từ mô tả Hình 3-2 thấy thành phần sóng phản xạ (Ain) tổng thành phần A+, A- At theo công thức Ain = (A+ + A- + At) Thành phần sóng phản xạ (Ain) khơng đổi, tăng lượng phản xạ A+ A- thành phần lượng sóng gây nhiễu loạn vào trung tâm At giảm Từ ý tưởng đó, thiết kế điện cực IDT bất đối xứng cho hệ số phản xạ điện cực (R) tăng, dẫn đến việc tăng tổng thành phần (A++A-), với thành phần Ain cố định có nghĩa thành phần At giảm Thành phần At giảm, nghĩa thành phần nhiễu giảm đáp ứng lọc SAW cải thiện Nội dung phần giúp nghiên cứu q trình truyền sóng SPUDT để xem xét yếu tố ảnh hưởng sóng truyền qua IDT Phần cho thấy mối liên quan việc thay đổi cấu trúc điện cực (ở độ rộng điện cực) ảnh hưởng đến chất lượng sóng truyền thơng qua việc ảnh hưởng đến thành phần nhiễu loạn vào trung tâm IDT Từ lý luận giải thích mặt lý thuyết xu hướng thay đổi cấu trúc điện cực ảnh hưởng đến chất lượng lọc, 19 đóng góp đề tài nghiên cứu Nội dung tiếp theo, từ nghiên cứu mặt lý thuyết, NCS tiến hành nghiên cứu việc thay đổi cấu trúc lọc theo hướng giảm ảnh hưởng thành phần phản xạ không mong muốn để minh chứng cho phần lý thuyết 3.2 Ảnh hưởng tham số cấu trúc 3.2.1 Mô sử dụng FEM Trong mô này, số cặp điện cực lựa chọn 50 (cặp) độ dày vật liệu áp điện AlN 0,5 (µm) Cấu trúc SPUDT chọn có bước sóng λ= 40 (µm), tham số độ rộng điện cực (d2) thay đổi để tạo bất đối xứng (µm) 15 (µm) So sánh mơ lọc SAW sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) tương ứng hai lọc có cấu trúc bất đối xứng SPUDT với bước sóng λ = 40 (µm) cho cấu trúc áp điện AlN/Si điện cực IDT Nhơm (Al) có vận tốc sóng âm bề mặt V = λ*fo = 5.120 (m/s) Bộ lọc thiết kế có tần số trung tâm fo = 128 (MHz), độ rộng điện cực bất đối xứng (d2) thay đổi tương ứng (µm) 15 (µm) thể Hình 3-3 3.2.2 Phương pháp Mason Chúng ta thử nghiệm áp dụng tiến hành thay đổi dạng sóng có bậc nói vào thành phần sin(x) công thức theo phương pháp Mason để mô kiểm chứng Matlab Kết cho thấy việc có cải thiện chất lượng lọc thay đổi tham số cấu trúc 3.3 Các giải pháp nâng cao chất lượng khác 3.3.1 Khoảng cách hai IDT Sau thay đổi khoảng cách hai IDT 20 3λ; 5λ; 7λ; 10λ; 12λ, đáp ứng tần số trường hợp thể cho thấy khoảng cách hai IDT tăng Độ suy hao tăng, mát tín hiệu lớn Độ lọc lựa giảm Hệ số phẩm chất Q không thay đổi, Độ dốc đồ thị không thay đổi rõ rệt 3.3.2 Số lượng cặp điện cực IDT Số lượng IDT thiết bị SAW ảnh hưởng đến chất lượng của lọc Khi thay đổi số lượng thuộc tính lọc SAW thay đổi số lượng IDT thay đổi So sánh giá trị Độ suy hao Độ lọc lựa Bộ lọc tương ứng với số cặp điện cực từ đến 12, số lượng cặp điện cực tối ưu 3.3.3 Vật liệu điện cực Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng tham số khác đến chất lượng lọc như: Tham số chủng loại vật liệu, độ dày điện cực (nội dung phần trước không xét đến trình đánh giá) ảnh hưởng đến chất lượng lọc Phần nghiên cứu cơng bố báo Tạp chí Khoa học Công nghệ năm 2017 (ISSN 23541083) 3.3.4 Độ dày điện cực Tiến hành mô lọc SAW dùng điện cực Nhôm (Al), tỷ số h/λ0 thay đổi giá trị 2,5%, 5%, 7,5% 10% Kết mô cho thấy kết mô tỷ số độ dày điện cực Nhôm (Al) với bước sóng thay đổi từ 2,5% đến 10% phản ứng lọc trở Trường hợp tốt h/λo = 2,5%, giá trị Độ suy hao 26,85 (dB), Độ lọc lựa 15,73 (dB) Ngược lại, với h/λo = 10% giá trị Độ suy hao Độ lọc lựa giảm xuống 32,76 (dB) 12,01 (dB) 21 Qua việc khảo sát, đánh giá thấy việc thay đổi độ rộng điện cực thành phần như: khoảng cách IDT, số lượng cặp điện cực, vật liệu điện cực, độ dầy điện cực có ảnh hưởng đến chất lượng lọc Nội dung Chương giải toán giải pháp nâng cao chất lượng lọc SAW thông qua việc minh chứng lý thuyết mô đánh giá thực tế Các kết thu tiền đề quan trọng để hồn thiện quy trình thiết kế, chế tạo lọc SAW tương lai Kết luận kiến nghị Các đóng góp luận án xác định gồm ba nội dung chính: + Luận án xây dựng quy trình hồn chỉnh từ tính tốn, thiết chế tạo thành công lọc SAW Đây cơng trình nghiên cứu Việt Nam chế tạo thành công lọc SAW phương pháp Etching Đáp ứng tần số lọc SAW sau chế tạo đo, so sánh với kết mô chứng minh độ tin cậy cơng trình nghiên cứu + Luận án đề xuất số giải pháp nhằm nâng cao chất lượng lọc SAW bao gồm đề xuất sử dụng lọc bất đối xứng SPUDT thay đổi tham số cấu trúc (Khoảng cách, số lượng, cấu trúc) cho đối tượng bất đối xứng Nghiên cứu thành công việc mô lọc SAW, cấu trúc bất đối xứng SPUDT, kết hợp phương pháp Mason sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM phần mềm mô ANSYS + Xây dựng luận chứng lý thuyết nhằm liên hệ, giải thích cho cải thiện chất lượng lọc thông qua 22 thay đổi tham số cấu trúc (SPUDT) Hướng nghiên cứu Trong trình nghiên cứu, thiết kế, mô chế tạo lọc SAW cịn có số nội dung cần phải hồn thiện: - Độ suy hao lọc SAW thiết kế, chế tạo cịn có giá trị lớn nên hạn chế khả ứng dụng sản phẩm, cần có nghiên cứu sâu, hồn thiện trình thiết kế, chế tạo lọc thực tế - Măc dù đưa lý thuyết nhằm giải thích chế cải thiện độ chọn lọc lọc thơng giải SAW có cấu trúc bất đối xứng, quy luật vị trí, độ rộng, số lượng, vật liệu có ảnh hưởng đến chế truyền sóng điện cực bất đối xứng cần phải tiếp tục nghiên cứu sâu 23 DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Trần Mạnh Hà, Nguyễn Hằng Phương, Lê Khả Linh, Nguyễn Văn Đưa, Nguyễn Quốc Cường, Nguyễn Thị Huế, Hồng Sĩ Hồng, “Mơ 2D lọc cao tần kiểu SAW sử dụng đế áp điện Quartz”, tuyển tập hội nghị tự động hóa tồn quốc (VCCA2015), 04 tháng 11-2015 (Hội nghị nước) [2] Tran Manh Ha, Nguyen The Truyen, Nguyen Hang Phuong, Nguyen Ngoc Hoang, Hoang Si Hong, “Research on effect of humidity on the frequency response of SAW filter using the ZnO/AlN/Si structure”, Procceding of The 9th Regional Conference on Electrical and Electronics Engineering, pp 422-426, 11/2016 (hội nghị quốc tế) [3] Tran Manh Ha, Nguyen The Truyen, Nguyen Hang Phuong, Hoang Si Hong, “Chế tạo thử nghiệm lọc cộng hưởng cao tần kiểu sóng âm bề mặt sử dụng đế áp điện Quartz AlN”, REV-2016, Trang 4/36-4/41, 23-24 tháng 12/2016 (hội nghị nước) [4] Trần Mạnh Hà1, Nguyễn Thế Truyện1, Nguyễn Hằng Phương2, Nguyễn Văn Toán3, Hoàng Sĩ Hồng2, “Nghiên cứu thiết kế lọc cộng hưởng cao tần kiểu sóng âm bề mặt”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 – 2017 Trang 89-96 (tạp chí khoa học nước) [5] Tran Manh Ha, Nguyen Thi Hue, Do Quang Huy, Hoang Si Hong, “FEM Analysis of high-selectivity SAW filter using SPUDT structure”, Journal of Science & Technology (123), tháng 11 (2017) trang 14-18 (tạp chí khoa học nước) [6] Trần Mạnh Hà, Trịnh Văn Thái, Nguyễn Thế Truyện, Hoàng Sĩ Hồng, “Mô đánh giá độ chọn lọc lọc 24 SAW có cấu trúc bất đối xứng sử dụng phương pháp FEM mơ hình mạch tương đương,” Meas Control Autom., vol 2, no June, p 7, 2021 (tạp chí khoa học nước) 25 ... nhằm nâng cao hiệu lọc SAW, kết đề tài chế tạo lọc SAW Việc chế tạo lọc SAW dựa kết thiết kế, tính tốn mơ xây dựng bước đầy đủ để chế tạo nội dung mang ý nghĩa thực tiễn đề tài Bộ lọc SAW sau thiết. .. toán phương pháp mơ trình bày chương 1, nghiên cứu sinh lựa chọn phương pháp thiết kế mô Từ thông số yêu cầu lọc tiến hành thiết kế lọc, thực mô phỏng, chế tạo lọc SAW Các đặc trưng lọc SAW sau... thiết kế, chế tạo ứng dụng thiết bị điều khiển từ xa hoạt động đáp ứng yêu cầu - Ý nghĩa khoa học: Trong nội dung đề tài NCS lựa chọn phương pháp mô kết hợp áp dụng phương pháp Mason phương pháp