Nghiên cứu thiết kế bộ lọc và bộ cộng hưởng cao tần kiểu sóng âm bề mặt

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ LỌC VÀ BỘ CỘNG HƯỞNG<br /> CAO TẦN KIỂU SÓNG ÂM BỀ MẶT<br /> Trần Mạnh Hà1, Nguyễn Thế Truyện1, Nguyễn Hằng Phương2,<br /> Nguyễn Văn Toán3, Hoàng Sĩ Hồng2*<br /> Tóm tắt: Bài báo thể hiện quá trình nghiên cứu thiết kế bộ lọc và bộ cộng hưởng<br /> kiểu sóng âm bề mặt (Surface Acoustic Wave – SAW) từ các bước tính toán thiết kế,<br /> mô phỏng và chế tạo thực nghiệm. Cấu trúc lựa chọn của bộ lọc SAW là kiểu delay<br /> line màng mỏng áp điện AlN/Si (Aluminium Nitride/Silicon), bộ cộng hưởng SAW<br /> two-port đế khối áp điện Quartz. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự tương đồng giữa<br /> kết quả mô phỏng và thực nghiệm chế tạo. Tần số trung tâm của bộ lọc và bộ cộng<br /> hưởng trong mô phỏng lần lượt là 126,9 MHz và 100 MHz, sau chế tạo lần lượt là<br /> 126,04 MHz và 98,36 MHz.<br /> Từ khóa: Sóng âm bề mặt, Bộ lọc SAW (SAW filter), Bộ cộng hưởng SAW (SAW resonator), Etching.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Hiện nay, trên thế giới bộ lọc và bộ cộng hưởng SAW được chế tạo hoàn thiện và ứng<br /> dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quan trọng như điện tử viễn thông, truyền thông không<br /> dây, điều khiển từ xa,… [1, 2, 3]. Công nghệ chế tạo dựa trên hai phương pháp là etching<br /> và lift-off [1, 4, 5, 6]. Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế bộ lọc SAW và bộ cộng hưởng<br /> SAW là rất quan trọng.<br /> Ở Việt Nam hiện nay có một số nghiên cứu về thiết bị SAW như: bộ lọc, bộ cộng<br /> hưởng, cảm biến SAW nhưng mới chỉ dừng lại ở mô phỏng chưa có kết quả trình bày hoàn<br /> chỉnh quá trình thiết kế từ tính toán lý thuyết, mô phỏng đến chế tạo thực nghiệm. Một số<br /> nghiên cứu đã công bố như: các nghiên cứu trước đây của nhóm tác giả với mô phỏng 2D<br /> bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) cho bộ lọc SAW<br /> delay line đế quartz [7], mô phỏng bộ cộng hưởng sóng âm bề mặt có cấu trúc hai lớp sử<br /> dụng phương pháp FEM [8], mô phỏng đáp ứng tần số của bộ cộng hưởng cao tần SAW<br /> bằng phương pháp mô hình mạch tương đương [9]; nhóm nghiên cứu Dương Tấn Phước<br /> với mô phỏng hoạt động của linh kiện SAW 120 MHz với cấu trúc chọn lọc từ phương<br /> pháp Taguchi [10]; nhóm nghiên cứu Chử Đức Trình – ĐH Công nghệ ĐHQGHN với<br /> nghiên cứu đầu phun mực thông minh dùng hệ thống cảm biến chất lỏng dựa trên cấu trúc<br /> SAW [11]. Trên thế giới, các sản phẩm thương mại về bộ lọc và bộ cộng hưởng SAW chủ<br /> yếu sử dụng đế áp điện khối như đế Quartz, đế LiNbO3 [12, 13, 14].<br /> Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới về bộ lọc và bộ cộng SAW, nhưng ở phạm<br /> vi trong nước đây là bài báo đầu tiên trình bày quá trình nghiên cứu thiết kế đầy đủ cho bộ<br /> lọc và bộ cộng hưởng SAW. Trong đó, bên cạnh việc sử dụng đế áp điện khối dạng<br /> Quartz, thì nghiên cứu này đã mở rộng cho cả đế áp điện dạng màng mỏng (AlN/Si). Dựa<br /> trên việc tham khảo sản phẩm bộ lọc SAW và bộ cộng hưởng SAW thương mại như<br /> Vectron, GSRS, Golledge Electronics [12, 13, 14] cho ứng dụng truyền thông trong nhà,<br /> nhóm nghiên cứu lựa chọn tần số hoạt động cho bộ lọc SAW là 127 MHz, bộ cộng hưởng<br /> là 98 MHz để mô phỏng và chế tạo thử nghiệm. Cấu trúc được lựa chọn để thiết kế là: bộ<br /> lọc SAW cấu trúc delay line đế áp điện màng mỏng AlN/Si và bộ cộng hưởng SAW cấu<br /> trúc two-port đế áp điện khối Quartz. Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn và<br /> chế tạo bằng phương pháp etching tại phòng thí nghiệm ITIMS, ĐHBKHN. Sau khi chế<br /> tạo, đáp ứng tần số của bộ lọc và bộ cộng hưởng SAW được đo bằng máy đo Network<br /> A333 đặt tại Phòng thí nghiệm Đo lường, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Kết quả thực<br /> nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để kiểm tra sự tin cậy của bài báo.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 89<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ<br /> 2.1. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc và bộ cộng hưởng SAW<br /> Cấu trúc cơ bản của một bộ lọc SAW kiểu delay line và bộ cộng hưởng SAW kiểu two-<br /> port được thể hiện trong hình 1.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Cấu trúc điển hình: a) Bộ lọc SAW kiểu delay line,<br /> b) Bộ cộng hưởng SAW kiểu two-port [15].<br /> Hình 1a trình bày cấu trúc điển hình của một bộ lọc SAW kiểu delay line. Thành phần<br /> chính của bộ lọc gồm đế áp điện (piezoelectric substrate) và hai bộ chuyển đổi IDT<br /> (Interdigital Transducer) input và output. Khoảng cách giữa 2 bộ IDT được gọi là khoảng<br /> cách delay line. Cấu trúc bộ cộng hưởng SAW kiểu two-port được trình bày trên hình 1b,<br /> gồm ba thành phần chính: đế áp điện, hai bộ IDT và hai bộ phản xạ (reflector) được đặt<br /> sao cho hai bộ IDT nằm giữa hai bộ phản xạ. Tác dụng của hai bộ phản xạ là khi sóng âm<br /> bề mặt truyền đến bộ phản xạ, lập tức bị phản xạ ngược lại, lan truyền cùng vận tốc và<br /> ngược hướng với sóng tới [4, 16, 17]. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc SAW và bộ cộng<br /> hưởng SAW dựa trên hiệu ứng áp điện thuận – nghịch và hiện tượng cộng hưởng sóng [1,<br /> 15, 16, 17, 18]. Tần số cộng hưởng f được tính theo công thức 1.<br /> vsaw vsaw (1)<br /> f  <br />  4d<br /> Trong đó: f là tần số cộng hưởng (tần số trung tâm), vsaw là vận tốc truyền sóng âm bề<br /> mặt (phụ thuộc vào vật liệu làm áp điện); λ là bước sóng và d là độ rộng ngón tay IDT.<br /> 2.2. Tính toán thiết kế<br /> a) Lựa chọn cấu trúc và tham số hình học cho bộ lọc SAW<br /> - Lựa chọn đế áp điện: Đế áp điện cho bộ lọc SAW là màng mỏng AlN trên nền đế<br /> Silicon (Si). AlN được lựa chọn bởi ưu điểm: thể hiện tính chất áp điện tốt, vận tốc truyền<br /> sóng âm bề mặt cao (vAlN = 5150 m/s [19]), chịu được nhiệt độ cao, độ ổn định và cho đáp<br /> ứng tần số có băng thông rộng phù hợp với tiêu chí của bộ lọc [19, 20, 21].<br /> - Tính toán thiết kế cho bộ IDT: Hình 3a và 3b lần lượt thể hiện mặt cắt ngang của bộ<br /> lọc SAW và các tham số kích thước của bộ IDT. Trong đó, h1, h2 lần lượt là độ dày lớp<br /> nền Si và độ dày lớp áp điện AlN, L là chiều dài bộ lọc, Np là số ngón tay ở mỗi bộ IDT,<br /> W là độ chồng lấn ngón tay và Din là khoảng cách delay line.<br /> Với tần số trung tâm mong muốn là 127 MHz, độ rộng ngón tay IDT được tính toán<br /> theo công thức 2:<br /> v v 5150<br /> f  saw  d  saw   10,13 m (2)<br /> 4d 4f 4  127  106<br /> <br /> <br /> <br /> 90 T. M. Hà, …, H. S. Hồng, “Nghiên cứu thiết kế bộ lọc… cao tần kiểu sóng âm bề mặt.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) b)<br /> Hình 2. a) Mặt cắt ngang của bộ lọc SAW, b) Tham số kích thước cho bộ IDT của bộ lọc.<br /> Từ giá trị tính toán được theo công thức 2, chọn d = 10 μm. Các tham số kích thước của<br /> bộ lọc SAW được trình bày trong bảng 1. Trong đó, độ dày lớp AlN và độ dày lớp nền Si<br /> được chọn dựa trên vật liệu thực tế - là sản phẩm thương mại của tập đoàn MTI [22]. Số<br /> ngón tay của bộ IDT được tính toán dựa trên công thức 3 [23]:<br />  <br /> N opt  2<br />   66,99 (3)<br /> k 0.0007<br /> với k2 là hệ số cặp điện – cơ của vật liệu màng mỏng áp điện AlN (k2 = 0,07 % [24] đối<br /> với màng mỏng áp điện AlN), từ kết quả công thức 3 chọn số ngón tay IDT N = 70.<br /> Bảng 1. Chi tiết các tham số kích thước cho thiết kế bộ lọc SAW.<br /> h1 h2 L λ = 4d Np Din = W = M1 = M2 = M3 =<br /> (μm) (μm) (mm) (μm) 7λ 58λ W + 2λ M1 + 4λ M2 + 8λ<br /> (μm) (μm) (μm) (μm) (μm)<br /> 500 0,5 10 40 70 280 2320 2400 2560 2880<br /> <br /> b) Lựa chọn cấu trúc và tham số hình học cho bộ cộng hưởng SAW<br /> - Lựa chọn đế áp điện: Chọn tinh thể Quartz với góc cắt ST có độ trôi tần số theo nhiệt<br /> độ thấp nhất (bằng 0) và hệ số cặp điện cơ k2 = 0,0016