Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật điện tử: 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

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm nêu được vai trò của bộ lọc áp dụng nguyên lý sóng âm bề mặt (SAW - Surface Acoustic Wave) là vô cùng quan trọng trong cuộc sống do được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau; để đáp ứng nhu cầu sử dụng và yêu cầu ngày càng cao về chất lượng, độ tin cậy, kích thước nhỏ gọn, độ bền cao, hoạt động ổn định lâu dài trong điều kiện môi trường khắc nghiệt và biến động lớn. Mời các bạn tham khảo nội dung đề tài!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật điện tử: 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 TOÁN, 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 TOÁN, 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: 1. TS NGUYỄN THẾ TRUYỆN 2. PGS.TS HOÀNG SĨ HỒNG HÀ NỘI - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dựa trên những hướng dẫn của TS Nguyễn Thế Truyện và PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng. Tất cả những tham khảo, kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng công bố trên bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Trần Mạnh Hà
LỜI CẢM ƠN Luận án này được nghiên cứu sinh thực hiện tại Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Thế Truyện và PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng. Nghiên cứu sinh (NCS) xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy đã hướng dẫn tận tình, hiệu quả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện Luận án. Nghiên cứu sinh (NCS) cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Viện ITIMS – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp về khoa học, chuyên môn rất sâu sắc đồng thời tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực nghiệm, đánh giá kết quả nghiên cứu của trong quá trình thực hiện Luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Lãnh đạo và cán bộ Vụ Khoa học và Công nghệ - Bộ Công Thương đã tạo những điều kiện tốt nhất cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện Luận án. Nhân dịp này, Nghiên cứu sinh (NCS) xin bày tỏ lòng biết ơn với các thành viên trong gia đình, anh em thân thiết, những người đã không quản ngại khó khăn, hết lòng giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian qua để nghiên cứu sinh có được cơ hội hoàn thành tốt Luận án của mình. Xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận án Trần Mạnh Hà
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................4 1.1. Đặt vấn đề .............................................................................................................4 1.2. Cơ sở lý thuyết chung ...........................................................................................8 1.2.1. Khái niệm về sóng âm bề mặt ........................................................................8 1.2.2. Vật liệu bất đẳng hướng ...............................................................................10 1.2.3. Vật liệu có tính áp điện ................................................................................15 1.3. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc SAW .............................................19 1.3.1. Cấu trúc ........................................................................................................19 1.3.2. Nguyên lý hoạt động ....................................................................................21 1.3.3. Cấu trúc cơ bản của bộ IDT .........................................................................24 1.3.4. Các tham số đánh giá ...................................................................................28 1.4. Các phương pháp mô phỏng ...............................................................................32 1.4.1. Phương pháp mô phỏng COM .....................................................................33 1.4.2. Mô 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 2. THIẾT KẾ MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO BỘ LỌC SAW ......................45 2.1. Bài toán thiết kế ..................................................................................................45 2.1.1. Cơ sở lựa chọn bài toán thiết kế ...................................................................45
2.1.2. Bài toán thiết kế ...........................................................................................46 2.1.3. Quy trình thiết kế, chế tạo bộ lọc SAW .......................................................47 2.2. Thiết kế, chế tạo bộ 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 các thông số ..................................................................................62 2.2.4. Ứng dụng chế tạo bộ điều khiển từ xa .........................................................68 CHƯƠNG 3. 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 của bộ lọc.......................................................................................77 3.2. Ảnh hưởng các tham số cấu trúc ........................................................................79 3.2.1. Mô phỏng sử dụng FEM ..............................................................................79 3.2.2. Mô phỏng sử dụng Mason ............................................................................84 3.3. Các giải pháp nâng cao chất lượng khác ............................................................87 3.3.1. Khoảng cách giữa hai bộ 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
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 mô phỏng, tính toán thiết kế công 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 và mô phỏng DART Distributed Acoustic Bộ chuyển đổi phản xạ sóng âm kiểu phân Reflectrion Transducer tán DWSF Different – Width Split Các điện cực có kích thước chiều rộng Finger khác nhau EWC Electrode-Width Controlled Các điện cực có kích thước chiều rộng được kiểm soát 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 interdigital Bộ IDT chuyển đổi liên tục Tranducer IL Insertion Loss Độ suy hao ITIMS International Training Viện Đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu Istitute for Materials Science – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội LPDs Low Power Devices Thiết bị công suất thấp
Chữ viết tắt Nội dung Diễn giải MEMS Micro Electro Machanical Hệ thống vi cơ điện tử System MSC Multi Strip Coupler Bộ ghép đa dải PDE Partial Differential Phương trình vi phân riêng phần Equations PTVPTP - Phương trình vi phân từng 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 Sóng âm bề mặt SEM Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét Microscope SSBW Shear Body Wave Sóng thân SPUDT Single-phase Undirectional Bộ chuyển đổi có cấu trúc bất đối xứng Interdigital Transducer TES Triple Electrode Sections Phần điện cực thứ ba
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Tính chất của một số vật liệu làm IDT [65] ......................................................26 Bảng 2 Giá trị K của một số vật liệu [88]......................................................................27 Bảng 3 Một số sản phẩm thực tế chíp SAW thụ động của các hãng sản xuất ..............45 Bảng 4 Tham số kích thước cho bộ lọc SAW đế áp điện màng mỏng..........................49 Bảng 5 Bảng kết quả so sánh đo tại PTN và Viện Đo lường ........................................64 Bảng 6 Bảng kết quả so sánh giữa các đại lượng đo thực tế và thiết kế .......................67 Bảng 7 Thông số cấu trúc hình học của SPUDT mô phỏng..........................................81 Bảng 8 Kết quả tính độ dốc của đáp ứng tần số bộ lọc SAW SPUDT..........................83 Bảng 9 Kết quả mô phỏng thay đổi khoảng cách giữa hai bộ IDT đối xứng ................89 Bảng 10 Đặc tính của bộ lọc SAW trong trường hợp các điện cực Al, Cu, Au ............91
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1 Sự lan truyền của sóng bề mặt và sóng thân khi có kích thích [52]. ...............9 Hình 1-2 Sự lan truyền của sóng Rayleigh trong không gian [52]..................................9 Hình 1-3 Sự đối xứng (a) và bất đối xứng trong tinh thể (b)[7]. ...................................11 Hình 1-4 Cấu trúc tinh thể khi chưa có ngoại lực tác dụng[69][70]. ............................11 Hình 1-5 Cấu trúc tinh thể khi có ngoại lực tác dụng[69][70]. .....................................12 Hình 1-6 Sự phân cực điện trong tinh thể[69][70] . ......................................................13 Hình 1-7 Sự phân cực chung trong vật liệu[65]. ...........................................................13 Hình 1-8 Hiệu ứng áp điện thuận và ngược[7]. .............................................................14 Hình 1-9 Cấu trúc tinh thể của Barium Titanate (BaTiO3)[68]. ....................................16 Hình 1-10 Cấu trúc cơ bản của bộ lọc SAW [79]. ........................................................19 Hình 1-11 Cấu trúc cài răng lược của IDT [32]. ...........................................................20 Hình 1-12 Cấu trúc delay line [65]. ...............................................................................20 Hình 1-13 Cấu trúc delay line với bộ hấp thụ âm [82]. .................................................21 Hình 1-14 Điện trường xoay chiều giữa các điện cực [65]. ..........................................22 Hình 1-15 Sự biến dạng bề mặt áp điện dưới tác dụng của điện trường [65]. ..............23 Hình 1-16 Kiểu thiết kế IDT hai điện cực xen kẽ [14] . ................................................24 Hình 1-17 Kiểu thiết kế kết hợp [14]. ...........................................................................25 Hình 1-18 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW[79]. ..........................................................29 Hình 1-19 So sánh đáp ứng tần số của bộ lọc SAW và bộ lọc dải thông LC . .............31 Hình 1-20 Khái quát các bước mô phỏng SAW theo phương pháp COM[54]. ............33 Hình 1-21 Mô hình mạch tương đương Masson cho cấu trúc delay line [86]. .............34 Hình 1-22 Quy trình tổng quát trong phương pháp X-Ray LIGA [84] .........................39 Hình 1-23 Quy trình tổng quát thực hiện quang khắc kết hợp với ăn mòn[84] ............40 Hình 1-24 Quy trình chế tạo theo kỹ thuật Liff-off .......................................................42 Hình 1-25 Quy trình thực hiện kỹ thuật ăn mòn ...........................................................43 Hình 2-1 Hình ảnh mặt cắt ngang và các tham số của bộ lọc SAW [101][86] .............49 Hình 2-2 Mô hình vật liệu cho đế áp điện và IDT. .......................................................51 Hình 2-3 Mô hình đế áp điện. ........................................................................................51
Hình 2-4 Mô hình IDT ..................................................................................................52 Hình 2-5 Khu vực chia lưới ...........................................................................................52 Hình 2-6 Đặt điện áp và đặt tải. .....................................................................................53 Hình 2-7 Kết quả chạy sau khi giải ...............................................................................53 Hình 2-8 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW đế màng mỏng AlN [86] ............................54 Hình 2-9 Cấu tạo của bộ lọc SAW [85] ........................................................................55 Hình 2-10 Quá trình chuẩn bị đế áp điện ......................................................................56 Hình 2-11 Quá trình phủ kim loại lên bề mặt Đế ..........................................................57 Hình 2-12 Hình ảnh bộ IDT được thiết kế ....................................................................58 Hình 2-13 Chuẩn bị mặt nạ ...........................................................................................59 Hình 2-14 Hình ảnh Đế sau khi phủ lớp cảm quang .....................................................59 Hình 2-15 Hình ảnh gắn mặt nạ lên đế ..........................................................................60 Hình 2-16 Hình ảnh đã loại bỏ lớp cảm quang .............................................................60 Hình 2-17 Hình ảnh sau khi ăn mòn ..............................................................................61 Hình 2-18 Hình ảnh sau khi loại bỏ lớp cảm quang ......................................................61 Hình 2-19 Hình ảnh sản phẩm thực tế ...........................................................................62 Hình 2-20 Hình ảnh bộ lọc SAW được đo thử nghiệm tại Viện Đo lường...................63 Hình 2-21 Hình ảnh bộ lọc SAW được đo tại Viện Điện .............................................64 Hình 2-22 Hình ảnh đo đáp ứng tần số ..........................................................................65 Hình 2-23 Đo trở kháng bằng đồ thị Smith ...................................................................66 Hình 2-24 So sánh đáp ứng tần số giữa mô phỏng và chế tạo SAW ............................68 Hình 2-25 Mạch thu hoàn chỉnh ....................................................................................68 Hình 2-26 Mạch phát chế tạo hoàn chỉnh ......................................................................69 Hình 2-27 Bộ điều khiển từ xa và bộ công tắc hoàn chỉnh ...........................................70 Hình 3-1 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW đối xứng và bất đối xứng [104] ................73 Hình 3-2 Cấu trúc hình học của SPUDT [114] .............................................................74 Hình 3-3 Nguyên lý phản xạ sóng trên bề mặt bộ lọc SAW [119] ...............................75 Hình 3-4 Cấu trúc hình học của SPUDT mô phỏng ......................................................80 Hình 3-5 Hình ảnh mô phỏng bằng phương pháp FEM ................................................81 Hình 3-6 Đáp ứng của các bộ lọc bất đối xứng (SPUDT).............................................82 Hình 3-7 Đáp ứng tần số kiểu Mason của bộ lọc với sóng dạng sin(2x) ......................85 Hình 3-8 Đáp ứng tần số kiểu Mason của bộ lọc với sóng dạng sin2(x) ......................86
Hình 3-9 Đáp ứng tần số của bộ lọc kiểu Mason với sóng dạng sin(x) và sin(2x) .......86 Hình 3-10 Đáp ứng tần số trong các trường hợp thay đổi khoảng cách ........................88 Hình 3-11 Đáp ứng tần số khi thay đổi số cặp điện cực tại λo = 19,5 μm ...................90 Hình 3-12 Quan hệ giữa Độ suy hao và Độ lọc lựa[114] ..............................................90 Hình 3-13 Đáp ứng tần số của bộ lọc SPUDT với IDT là Al, Cu và Au ......................91 Hình 3-14 Đáp ứng tần số của SPUDT trong các trường hợp h/λ0[114] ......................92
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 Trang 1 MỞ ĐẦU Mục đích nghiên cứu: Ngày nay vai trò của bộ lọc áp dụng nguyên lý sóng âm bề mặt (SAW - Surface Acoustic Wave) là vô cùng quan trọng trong cuộc sống do được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau. Để đáp ứng nhu cầu sử dụng và yêu cầu ngày càng cao về chất lượng, độ tin cậy, kích thước nhỏ gọn, độ bền cao, hoạt động ổn định lâu dài trong điều kiện môi trường khắc nghiệt và biến động lớn… thì việc nghiên cứu và chế tạo bộ lọc theo nguyên lý SAW là vô cùng cần thiết bởi những ưu điểm vượt trội của nó so với bộ lọc tương tự hiện nay. - Đối tượng nghiên cứu: Với việc nhu cầu sử dụng các sản phẩm, thiết bị ứng dụng nguyên lý sóng âm bề mặt ngày một gia tăng do những ưu điểm của nó. Hiện nay có nhiều nghiên cứu trên thế giới và trong nước nhằm nâng cao hiệu quả hướng tới đối tượng là các sản phẩm ứng dụng nguyên lý sóng âm bề mặt. Trong nội dung của đề tài này, NCS đã tiến hành nghiên cứu tính toán, thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả đối với các bộ lọc sử dụng nguyên lý sóng âm bề mặt (SAW) ứng dụng trong điện tử viễn thông. - Phương pháp nghiên cứu: + Phương pháp phân tích các số liệu để đánh giá các ưu, nhược điểm trong việc lựa chọn các tham số của bộ lọc nhằm đưa ra các tham số phù hợp; + Nhằm thực hiện việc chế tạo các bộ lọc SAW, đề tài đã sử dụng phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) kết hợp với phương pháp mô phỏng mô hình mạch tương đương (Mason) để đánh giá các tham số của bộ lọc trước khi chế tạo thử nghiệm. - Ý nghĩa thực tiễn: Thông qua quá trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả của bộ lọc SAW, một trong những kết quả của đề tài là đã chế tạo được bộ lọc SAW. Việc chế tạo bộ lọc SAW dựa trên các kết quả thiết kế, tính toán mô phỏng và xây dựng được các bước đầy đủ để chế tạo là nội dung mang ý nghĩa thực tiễn của đề tài. Bộ lọc SAW sau khi được thiết kế, chế tạo đã được ứng dụng đối với thiết bị điều khiển từ xa và hoạt động đáp ứng được yêu cầu. - Ý nghĩa khoa học:
Trang 2 NCS. Trần Mạnh Hà Trong nội dung của đề tài NCS đã lựa chọn phương pháp mô phỏng là sự kết hợp áp dụng phương pháp Mason và phương pháp FEM cho các đối tượng đối xứng và bất đối xứng. Ngoài ra, NCS đã xây dựng cơ sở lý thuyết nhằm thiết kế, chế tạo và nâng cao chất lượng bộ lọc SAW kiểu đối xứng và bất đối xứng. Luận án đã có một số nội dung đóng góp về mặt khoa học như: + Luận án đã đề xuất được một số giải pháp nhằm nâng cao chất lượng bộ lọc SAW bao gồm đề xuất sử dụng bộ lọc bất đối xứng và thay đổi các tham số cấu trúc (Khoảng cách, số lượng, kích thước) cho đối tượng bất đối xứng; + Luận án đã xây dựng được quy trình hoàn chỉnh từ tính toán, thiết kế đến chế tạo được bộ lọc SAW, đồng thời tiến hành đo, đánh giá các thông số của bộ lọc chế tạo ra cũng như sản phẩm chế thử (bộ điều khiển xa) sử dụng bộ lọc này. - Bộ cục luận án: Bố cục luận án gồm 5 phần với 3 chương trong đó có: Phần mở đầu, 3 chương nội dung, kết luận và kiến nghị. Chương 1 (Tổng quan), trình bày tổng quan về kỹ thuật sóng âm bề mặt, cơ sở vật lý và toán học của bộ lọc SAW, các phương pháp mô phỏng trên thực tế. Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp từ đó lựa chọn phương pháp phù hợp nhất cho mô phỏng bộ lọc SAW. Qua phân tích ưu, nhược điểm của ứng dụng hiệu ứng SAW trong thực tế, luận án đã lựa chọn cấu hình bộ lọc SAW và đưa ra các định hướng nội dung nghiên cứu phù hợp. Chương 2 (Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo bộ lọc SAW), từ các khảo sát thuật toán và các phương pháp mô phỏng đã được trình bày ở chương 1, nghiên cứu sinh đã lựa chọn phương pháp thiết kế và mô phỏng. Từ các thông số yêu cầu về bộ lọc tiến hành thiết kế các bộ lọc, thực hiện mô phỏng, chế tạo các bộ lọc SAW. Các đặc trưng của bộ lọc SAW sau khi chế tạo được khảo sát và so sánh với các kết quả mô phỏng để chứng minh được tính đúng đắn của phương pháp mô phỏng đã lựa chọn. Xây dựng bài toán thiết kế và đề xuất các bước phù hợp đối với việc mô phỏng bộ lọc SAW. Chương 3 (Nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ lọc SAW), Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng đến chất lượng của bộ lọc SAW như tần số, cấu trúc, đề xuất cấu trúc bất đối xứng bộ lọc SAW SPUDT.
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 Trang 3 Nghiên cứu và đưa ra chứng minh luận giải về việc thay đổi cấu trúc bộ lọc SAW SPUDT ảnh hưởng đến chất lượng của bộ lọc. Chương này đưa ra đề xuất các tham số của bộ lọc SAW ảnh hưởng đến chất lượng khi thiết kế như: vật liệu, độ dày điện cực, số lượng các điện cực, ... đề xuất các cấu trúc nhằm nâng cao chất lượng của bộ lọc SAW. Kết luận và kiến nghị: Tóm tắt những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án, kiến nghị cho các hướng phát triển của luận án.
Trang 4 NCS. Trần Mạnh Hà CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Trong cuộc sống hiện nay vai trò của bộ lọc trong các mạch điện tử là vô cùng quan trọng, người ta thường sử dụng bộ lọc thực hiện xử lý các tín hiệu trong các mạch điện tử. Tùy thuộc vào ứng dụng thực tế, các loại bộ lọc sẽ sử dụng tương ứng để thu được dải tín hiệu mong muốn. Hiện nay, với tốc độ phát triển của các sản phẩm điện tử ngày càng mạnh mẽ thì việc sử dụng bộ lọc cũng gia tăng gắn liền với các lĩnh vực của đời sống xã hội như: khoa học, quân sự, công nghiệp, ... Để đáp ứng nhu cầu sử dụng và yêu cầu ngày càng cao về chất lượng, độ tin cậy, kích thước nhỏ gọn, độ bền cao, hoạt động ổn định lâu dài trong điều kiện môi trường khắc nghiệt và biến động lớn, … thì việc nghiên cứu và chế tạo bộ lọc theo nguyên lý sóng âm bề mặt là vô cùng cấp thiết bởi những ưu điểm vượt trội so với các bộ lọc thụ động hiện nay[1][2]. Bộ lọc sử dụng nguyên lý sóng âm bề mặt được gọi là bộ lọc SAW (Surface Acoustic Wave). Bộ lọc SAW được chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quan trọng như điện tử viễn thông, truyền thông không dây, điều khiển từ xa, … [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]. Theo báo cáo của Indutrial ARC (www.industryarc.com/Report/18294/saw-baw-market.html) thì thị trường SAW toàn cầu ước tính đạt 40,494 tỷ USD vào năm 2023, tốc độ gia tăng hàng năm đạt 18,54% trong khoảng thời gian từ năm 2017 đến 2023. Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm bộ lọc SAW là rất quan trọng và cần thiết. Bộ lọc SAW là một bộ lọc kiểu cơ học trong đó sử dụng nguyên lý lan truyền sóng âm bề mặt và sự cộng hưởng sóng trên bề mặt vật liệu nhằm mục đích lọc tín hiệu [14], [15], [16]. Về cơ bản, bộ lọc SAW cũng như bộ lọc tương tự hay bộ lọc số thực hiện giải quyết bài toán chung về bộ lọc là truyền tín hiệu và lọc tần số để có được các tín hiệu mong muốn. Bộ lọc SAW khác các bộ lọc truyền thống ở cấu trúc và nguyên lý hoạt động. Công nghệ chế tạo bộ lọc SAW dựa trên hai kỹ thuật là liff-off và ăn mòn (etching) [3], [17], [18], [19], [20], [21]. Trên thế giới, nghiên cứu ứng dụng bộ lọc SAW trong lĩnh vực điện, điện tử, viễn thông đã bắt đầu từ khoảng các năm 1970 và phát triển mạnh mẽ những năm 1990. Vật
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 Trang 5 liệu áp điện sử dụng trong bộ lọc SAW chủ yếu là các loại: Quartz (Thạch anh), Lithium Niobate (LiNbO3), Lithium Tantalate và Lanthanum Gallium Silicate [22], [23]. Trên thế giới, các sản phẩm thương mại về bộ lọc SAW chủ yếu sử dụng đế áp điện khối như đế Thạch anh, đế LiNbO3 [6], [46], [47]. Các bộ lọc SAW được ứng dụng liên quan đến cảm biến hóa học, quang học, nhiệt, áp suất, gia tốc, sinh học, ... [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]. Xu hướng nghiên cứu bộ lọc SAW được thực hiện chủ yếu dựa trên mô phỏng và thực nghiệm, một số công trình nghiên cứu đã công bố dựa trên phương pháp mô phỏng như sau: - Mô phỏng bộ lọc SAW dựa trên Matlab và Simulink [33]: Năm 2006 nhóm tác giả Jiahe Dong và các nhà khoa học của Trường Khoa học và Công nghệ Điện tử Trung Quốc đã tiến hành nghiên cứu đáp ứng tần số bộ lọc SAW với cấu trúc IDT. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tích mô hình toán học của bộ lọc SAW để làm giảm độ suy hao của bộ lọc. Để mô tả nguyên lý hoạt động của bộ lọc SAW và tối ưu hóa các bước tính toán, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp giảm cấp một ma trận bậc [10x10] xuống bậc [2x2] nhằm đơn giản hóa quá trình. Tỷ lệ tối ưu hóa đạt được theo công bố của nhóm tác giả Jiahe Dong là 0,725. - Mô phỏng bộ lọc SAW sử dụng Concave[34]: Đây là bài báo đăng trên Tạp chí Công nghệ điện và Khoa học máy tính ở Indonesia năm 2015 của nhóm tác giả M. Elsherbini. Bài báo này trình bày kết quả sử dụng phương pháp cải thiện các tham số của bộ lọc, đồng thời giảm độ suy hao trong đáp ứng tần số sử dụng công cụ GNU Concave. Kết quả được đánh giá dựa trên các tham số như: độ bức xạ, độ nhạy vật liệu, trở kháng và đáp ứng tần số. Tất cả các tham số đều được tính toán dựa trên công thức toán học truyền thống của bộ lọc SAW. Kết quả mô phỏng bộ lọc được chế tạo có độ suy hao là 20,5 (dB) tại tần số trung tâm là 70 (MHz), kết quả này là tốt hơn so với bộ lọc thương mại cùng loại có độ suy hao là 22,5 (dB). - Mô phỏng bộ lọc SAW bằng phương pháp phần tử hữu hạn (sau đây gọi là Phương pháp FEM) [36], [37], [38], [39], [40]. Phương pháp FEM được sử dụng phổ biến trong mô phỏng bộ lọc SAW bởi ưu điểm về khả năng tính toán, dễ dàng mô hình hóa cấu trúc bộ lọc mà không phụ thuộc vào việc biết trước mô hình toán học. Các nghiên cứu đã thu được nhiều kết quả khả quan, góp phần cải thiện chất lượng bộ lọc dựa trên các kết quả mô phỏng. Tuy nhiên, các nghiên cứu mô phỏng bộ lọc SAW sử
Trang 6 NCS. Trần Mạnh Hà dụng Phương pháp FEM mới dừng lại ở việc mô phỏng cấu trúc đối xứng, các bộ lọc có cấu trúc bất đối xứng chưa được nghiên cứu rộng rãi. Trên thế giới, các nghiên cứu về bộ lọc có cấu trúc bất đối xứng (SPUDT – Single Phase Unidirectional Transducer) đã được thực hiện với nhiều bài báo được công bố gần đây như: - Nghiên cứu từ năm 2013 về việc thay đổi độ rộng điện cực của nhóm nghiên cứu do Clinton S.Hartmann ở Hoa Kỳ. Nghiên cứu của nhóm đã đưa ra một số phương pháp mới thiết kế bộ lọc SAW có cấu trúc bất đối xứng (EWC/SPUDT) [41], cụ thể bao gồm các kĩ thuật thay đổi độ rộng của điện cực. Các kĩ thuật đều xoay quanh việc điều chỉnh độ rộng và vị trí điện cực theo một cách nhất định. Sau khi thay đổi các tham số (độ rộng và vị trí điện cực), các đáp ứng tần số và thời gian của bộ lọc tại tần số trung tâm 387,5 (MHz) đều đảm bảo. Tuy nhiên nghiên cứu này chỉ đưa ra được sự thay đổi của cấu trúc, chưa có nghiên cứu đầy đủ về nguyên lý, mối quan hệ giữa các tham số độ rộng và điện cực. - Các nghiên cứu của TriQuint Semiconductor Inc do R.E. Chang và S. Malocha về các thiết kế bộ lọc băng thông rộng với đáp ứng pha và hệ số hình dạng được cải thiện [42]. Bài báo đã đưa ra được phương pháp làm giảm sai lệch giữa lý thuyết mô phỏng và thực nghiệm thông qua việc sử dụng phương pháp SEM (Kính hiển vi điện tử quét) kết hợp chỉnh sửa sai lệch của kích thước điện cực. Kết quả thực hiện điều chỉnh đối với bộ lọc băng thông rộng đạt 17% ở tần số 400 (MHz). Các kết quả nghiên cứu của nhóm R.E. Chang và S. Malocha giới hạn đánh giá dựa trên thực nghiệm. - Năm 2017, nhóm nghiên cứu do Xupeng Zhao của Đại học Giao thông Thượng Hải, Trung Quốc [43] đã phát triển thiết bị thám sát độ sâu lòng đất ứng dụng SPUDT SAW nhằm nâng cao khả năng đâm xuyên trong đất với mục đích thay thế các hệ thống Radar trong quản lí hệ thống ống ngầm của các thành phố thông minh. Thử nghiệm của nhóm công bố thiết bị ứng dụng SPUDT SAW có độ sâu thám sát tối đa là 1,3 (m), kết quả này tốt hơn so với loại Radar xuyên lòng đất thông thường đạt 1,0 (m). Công bố này chưa đưa ra được cơ sở lý thuyết của việc thay đổi các tham số cấu trúc (ở đây là các SPUDT SAW) ảnh hưởng đến chất lượng của bộ lọc như thế nào. Bên cạnh các nghiên cứu và ứng dụng nổi bật nêu trên, trên thế giới vẫn còn có các kết quả nghiên cứu khác về cấu trúc SPUDT của bộ lọc SAW. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu đang dừng ở mức độ ứng dụng hoặc chỉ dựa trên việc thay đổi trực tiếp