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

Acoustic DART Distributed Reflectrion Transducer Bộ chuyển đổi phản xạ sóng âm kiểu phân tán

DWSF

EWC Different – Width Split Các điện cực có kích thước chiều rộng Finger khác nhau 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

Inter Digital Tranducer Bộ chuyển đổi số IDT

interdigital Bộ IDT chuyển đổi liên tục IIDT Interdigitated Tranducer

Insertion Loss Độ suy hao IL

ITIMS International Training Istitute for Materials Science Viện Đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

LPDs Low Power Devices Thiết bị công suất thấp

Chữ viết tắt Nội dung Diễn giải

MEMS Hệ thống vi cơ điện tử Micro Electro Machanical System

MSC Multi Strip Coupler Bộ ghép đa dải

Differential PDE Phương trình vi phân riêng phần Partial Equations

PTVPTP - Phương trình vi phân từng phần

PVDF PolyVinyliDene Hợp chất đa phân tử

RF Radio Frequency Tần số radio

RFID Bộ nhận dạng số sử dụng tần số radio Radio Frequency Identifier Digital

SAW Surface Acoustic Wave Sóng âm bề mặt

Electron SEM Kính hiển vi điện tử quét Scanning Microscope

SSBW Shear Body Wave Sóng thân

SPUDT Bộ chuyển đổi có cấu trúc bất đối xứng Single-phase Undirectional Interdigital Transducer

Phần điện cực thứ ba TES Triple Electrode Sections

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

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 7

thực tế các tham số mà chưa đưa ra được các nghiên cứu lí luận cụ thể để chứng minh

được tính đúng đắn của việc thực hiện thay đổi [44], [45].

Ở Việt Nam hiện nay có một số nghiên cứu về thiết bị ứng dụng nguyên lý SAW

bao gồm: bộ lọc, bộ cộng hưởng, cảm biến SAW. Tuy nhiên các nghiên cứu mới chỉ

dừng lại trên các mô phỏng, chưa có kết quả trình bày hoàn chỉnh quá trình chế tạo từ

tính toán lý thuyết, mô phỏng, đến chế tạo thực nghiệm. Một số nghiên cứu nổi bật liên

quan đến các thiết bị ứng dụng SAW đã được công bố như:

- Các nghiên cứu [48], [49] của nhóm tác giả Hoàng Sĩ Hồng với: Mô phỏng 2D

bằng phương pháp FEM cho bộ lọc SAW loại delay-line đế Thạch anh; Mô phỏng bộ

cộng hưởng sóng âm bề mặt có cấu trúc hai lớp sử dụng phương pháp FEM hay Mô

phỏng đáp ứng tần số của bộ cộng hưởng cao tần SAW bằng phương pháp mô hình

mạch tương đương;

- Nhóm nghiên cứu Dương Tấn Phước với mô phỏng hoạt động của linh kiện SAW

120 (MHz) với cấu trúc chọn lọc từ phương pháp Taguchi [50];

- Nhóm nghiên cứu 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

trên cấu trúc SAW [51].

- Về mặt mô phỏng và chế tạo thực nghiệm, trong nội dung của đề tài nghiên cứu

khoa học và công nghệ cấp Bộ Công Thương năm 2015 trong đó Nghiên cứu sinh (NCS)

với vai trò là thành viên thực hiện đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ lọc và bộ cộng

hưởng SAW. Nội dung của đề tài này tập trung thiết kế, mô phỏng và chế tạo với các

bộ lọc, bộ cộng hưởng có kết cấu đối xứng, sử dụng phương pháp FEM để mô phỏng.

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới về bộ lọc và bộ cộng hưởng SAW,

nhưng ở phạm vi trong nước đây là công trình nghiên cứu đầu tiên về bộ lọc SAW một

cách có hệ thống từ tính toán thiết kế, mô phỏng đến chế tạo thử nghiệm. Trong đó, bên

cạnh việc sử dụng đế áp điện khối dạng Thạch anh, thì nghiên cứu này đã mở rộng cho

cả đế áp điện dạng màng mỏng (AlN/Si). Cấu trúc được lựa chọn ban đầu để thiết kế bộ

lọc SAW là cấu trúc delay-line với đế áp điện màng mỏng AlN/Si, sau đó thực hiện

nghiên cứu để thay đổi cấu trúc của bộ lọc SAW. Trong đó, mô phỏng bộ lọc SAW có

cấu trúc bất đối xứng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Phương pháp FEM) kết hợp

cùng mô hình mạch tương đương (Phương pháp Mason) là nội dung chính của công

trình nghiên cứu này. Kết quả của luận án này là đã đề xuất được cấu trúc bất đối xứng

Trang 8 NCS. Trần Mạnh Hà

trong bộ lọc SAW (SPUDT) với các giải thích về mặt lý thuyết cơ sở của việc thay đổi

cấu trúc, đây là một nội dung mới của đề tài.

Bộ lọc SAW được thiết kế, chế tạo thực nghiệm bằng phương pháp ăn mòn tại

phòng thí nghiệm của Viện ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Sau khi chế tạo, đáp

ứng tần số của bộ lọc SAW được kiểm tra các thông số tại Phòng thí nghiệm Đo lường,

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Phòng thử nghiệm của Viện Đo lường Việt Nam.

Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để kiểm tra sự tin cậy của công

trình nghiên cứu.

1.2. Cơ sở lý thuyết chung

1.2.1. Khái niệm về sóng âm bề mặt

Xét một vật thể có thể tích V và diện tích bề mặt S, vật thể này có môi trường vật

chất mang đặc tính đàn hồi[52]. Khi một ngoại lực với tần số ≥ 1 (Hz) tác động lên bề

mặt S trong một thời gian nhất định sẽ gây ra sự biến dạng đàn hồi của vật thể, làm cho

các phân tử vật chất ở bề mặt và bên trong vật thể dao động. Các dao động sẽ được lan

truyền từ nguồn kích thích qua các môi trường khác nhau, trong quá trình lan truyền các

dao động bị suy hao năng lượng. Các dao động lan truyền trong không gian và theo thời

gian được gọi là sóng[53]. Tần số và biên độ dao động là khác nhau giữa các phân tử bề

mặt và phân tử bên trong vật thể. Người ta phân loại sóng xuất hiện trong quá trình lan

truyền là sóng thân (body waves) và sóng bề mặt (surface waves). Hình 1-1 minh họa

việc lan truyền của sóng thân và sóng bề mặt khi có kích thích. Sóng thân lan truyền bên

trong (qua khối thể tích V) vật thể và sóng bề mặt lan truyền dọc theo bề mặt tự do của

vật thể (diện tích S)[54][55].

Các sóng thân lan truyền bên trong vật liệu và có nhiều dạng như: sóng Shear

(Shear-horizontal wave) song song với bề mặt, sóng Khối (Bulk wave) và các biến thể

gồm sóng dọc SSBW (longitudinal SSBW), sóng ngang SSBW (transverse

SSBW)[56]…

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 9

Nguồn địa chấn

Sóng bề mặt

Sóng thân

Hình 1-1 Sự lan truyền của sóng bề mặt và sóng thân khi có kích thích [52].

Sóng âm bề mặt (SAW- Surface Acoustic Wave) hay còn được biết đến với tên

khác là sóng Rayleigh, người đã tìm ra sự tồn tại của sóng âm bề mặt vào năm 1885

[57], [58], [59]. Sóng Rayleigh được biểu hiện dưới hình thức các phân tử trên bề mặt

chuyển động ở dạng các hình elip và hướng lan truyền song song với phương truyền

sóng và vuông góc với bề mặt [60], [61]. Sự lan truyền của sóng Rayleigh trong không

Hướng truyền

Hướng truyền

Chuyển động hạt

Chuyển động

Hình 1-2 Sự lan truyền của sóng Rayleigh trong không gian [52].

gian và theo thời gian được thể hiện qua Hình 1-2.

Mỗi dạng sóng có vận tốc truyền sóng và biên độ sóng khác nhau, vì vậy khi nghiên

cứu nguyên lý truyền sóng bề mặt, chúng ta cần phải xét đến các thông số như: dạng

sóng sinh ra, vận tốc, biên độ, năng lượng… Trong quá trình kích thích, các sóng được

Trang 10 NCS. Trần Mạnh Hà

lan truyền trong không gian và cộng hưởng tại các tần số nhất định với các giá trị và tại

các thời điểm khác nhau. Điều này tạo nên tính chất phức tạp cho các bài toán ứng dụng

sự lan truyền và cộng hưởng sóng cho một mục đích cụ thể [62], [63], [64].

1.2.2. Vật liệu bất đẳng hướng

Sóng bề mặt được sinh ra khi có kích thích tác động dẫn đến sự biến dạng đàn hồi

các bề mặt vật chất. Trong thực tế, người ta nghiên cứu và thực hiện ứng dụng sóng âm

bề mặt trên các loại vật liệu bất đẳng hướng (Anisotropic Materials) hay còn được gọi

là vật liệu dị hướng. Vật liệu bất đẳng hướng là loại vật liệu có tính chất phụ thuộc trực

tiếp vào hướng của lực tác động, ngược lại thì gọi là vật liệu đẳng hướng. Cụ thể, với

cùng một vật chất (cùng công thức hóa học) khi ta tác động (bằng cách cắt, gọt) theo

các phương (hướng) tạo thành góc chia khác nhau thì kết quả cho ta các khối vật chất

có các thuộc tính khác nhau (hằng số modul Young, vận tốc truyền sóng, hệ số biến đổi

năng lượng,…) [63]. Một số loại vật liệu bất đẳng hướng thường gặp như: Thạch anh

(Quartz) với các biến thể (AT-Quartz, AC-Quartz, ST-Quartz…), Lithium Tantalate và

các biến thể (YZ-Lithium Tantalate, 167oY-X-Lithium Tantalate,…)... [65], [66], [67].

a. Hiệu ứng áp điện

Năm 1880 – 1881, hai nhà khoa học là Pierre Curie và Paul-Jacques Curie ở

Trường Đại học Montpellier, Cộng hòa Pháp đã phát hiện rằng khi đặt một ngoại lực cơ

học tác dụng lên các đơn tinh thể của một số loại “vật liệu xác định” thì xảy ra hiện

tượng tích điện trên bề mặt của tinh thể. Điện tích sinh ra tỉ lệ thuận với ngoại lực đặt

lên vật liệu, đây được gọi là hiệu ứng áp điện thuận (Piezoelectric effect). Năm 1882,

hai nhà khoa học Curie cũng phát hiện ra rằng khi đặt một điện áp lên tinh thể cũng gây

ra biến dạng cơ học của mạng tinh thể, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện

ngược [65].

Các hiệu ứng áp điện (thuận, nghịch) xảy ra đối với các “vật liệu xác định” là vật

liệu tinh thể có tính chất bất đẳng hướng [68]. Để giải thích hiện tượng, chúng ta quan

sát các phân tử riêng lẻ tạo nên tinh thể bên trong vật liệu bất đẳng hướng. Mỗi phân tử

sẽ có sự phân cực điện áp, một đầu là điện tích dương và đầu kia là điện tích âm, sự

phân cực này tạo thành lưỡng cực của phân tử. Đường thẳng chạy qua tâm của các điện

tích trong phân tử được gọi là trục cực của phân tử, trong một đơn tinh thể thì trục cực

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 11

của các lưỡng cực nằm theo một hướng. Các tinh thể được xem là đối xứng nếu khi cắt

tinh thể tại bất kì điểm nào, kết quả là các trục cực của hai phần sẽ nằm theo hướng

giống như ban đầu. Trong một vật liệu đa tinh thể, những vùng khác nhau bên trong vật

liệu sẽ có các trục cực khác nhau, đây được gọi là các tinh thể bất đối xứng. Tính bất

đối xứng của tinh thể là khi cắt tinh thể thành hai phần thì không có điểm nào cho kết

quả trục cực đi qua giống nhau. Hình 1-3 dưới đây minh họa khái niệm về sự đối xứng

Tinh thể tổng hợp với đa phân (b)

Tinh thể đơn với phân cực đơn (a)

Hình 1-3 Sự đối xứng (a) và bất đối xứng trong tinh thể (b)[7].

và bất đối xứng trong tinh thể.

Nếu các tế bào đơn vị của tinh thể là đẳng hướng (đối xứng), sự phân bố điện tích

tự nhiên của mạng tinh thể (sự phân cực) sẽ bằng 0. Tuy nhiên, đối với các tế bào đơn

vị dị hướng thì sự phân bố điện tích tự nhiên thể hiện sự phân cực (khác 0). Trong vật

liệu đa tinh thể, sự định hướng ngẫu nhiên của các hạt nhân sẽ có xu hướng loại bỏ các

sự phân cực[7].

Hình 1-4 Cấu trúc tinh thể khi chưa có ngoại lực tác dụng[69][70].

Cấu trúc phân tử

Hiệu ứng áp điện thuận được giải thích dựa trên sự thay đổi lưỡng cực điện trong

phân tử. Trước khi có tác động của ngoại lực, tâm của các điện tích dương và âm của

Trang 12 NCS. Trần Mạnh Hà

mỗi phân tử trùng nhau, do vậy các điện tích được khử tương hỗ [71], [72]. Chúng ta có

một mô hình phân tử cân bằng về điện khi chưa có lực tác động như Hình 1-4.

Khi tác dụng ngoại lực lên vật liệu thì cấu trúc bên trong phân tử sẽ bị biến dạng.

Sự biến dạng trong cấu trúc sẽ gây ra sự phân ly tại tâm của phân tử thành hai phần

Hình 1-5 Cấu trúc tinh thể khi có ngoại lực tác dụng[69][70].

dương và âm, kết quả sinh ra các sự phân cực về điện như Hình 1-5.

Chúng ta biết rằng các cực ngược dấu của phần tử bên trong vật liệu sẽ hút lẫn

nhau. Trên bề mặt vật liệu xuất hiện sự sắp xếp của các điện tích liên kết, kết quả là vật

liệu sẽ bị phân cực về điện, sự phân cực này sinh ra một điện trường. Chúng ta có thể

thấy được sự biến đổi cơ năng (thông qua sự biến dạng của vật liệu) thành điện năng

(hình thành điện trường) đối với các vật liệu đa tinh thể dị hướng như Hình 1-6.

Hiệu ứng áp điện ngược xuất hiện khi vật liệu được đặt trong một điện trường đủ

mạnh, điện trường này sẽ gây ra sự gia tăng nhiệt độ trong vật liệu[71]. Khi nhiệt độ

tăng lên, các phân tử bên trong vật liệu sẽ chuyển động nhanh hơn, điều này cho phép

các phân tử tái định hướng theo chiều của điện trường đặt vào. Kết quả là vật liệu với

các phần tử dị hướng sẽ được sắp xếp lại theo cùng hướng, tạo ra sự phân cực toàn bộ

trong vật liệu như Hình 1-7. Cực tính của cả khối sẽ bằng tổng cực tính của các phân tử

riêng lẻ như thể hiện ở phần bên trái của Hình 1-7.

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 13

Hình 1-6 Sự phân cực điện trong tinh thể[69][70] .

Các vật liệu có xuất hiện hiệu ứng áp điện thì được gọi là vật liệu áp điện [73].

Trong vật liệu áp điện, các phần tử lưỡng cực bên trong vật liệu sẽ bị kéo dãn hoặc bị

nén lại để tạo ra sự sắp xếp điện tích cần thiết, tạo một lực nén (hoặc lực kéo tương ứng)

bên trong vật liệu như phần bên phải của Hình 1-7 [74].

Hình 1-7 Sự phân cực chung trong vật liệu[65].

Tinh thể tổng hợp áp điện

Ta có thể quan sát đầy đủ hiệu ứng áp điện trên tinh thể thông qua các hình ảnh

như Hình 1-8, trong đó hình (a) mô tả trường hợp vật liệu áp điện khi không bị tác động

của sức căng và điện áp. Hình (b) mô tả vật liệu được nén bằng 1 ngoại lực và một điện

áp phân cực cùng hướng với ngoại lực. Hình (c) vật liệu bị kéo bằng 1 ngoại lực và điện

áp phân cực ngược hướng với ngoại lực. Nếu đặt một điện áp ngược với hướng với ngoại

lực sẽ làm cho vật liệu giãn nở như hình (d) và ngược lại đặt điện áp cùng hướng với

Trang 14 NCS. Trần Mạnh Hà

ngoại lực sẽ làm vật liệu nén lại như hình (e). Nếu chúng ta đặt một tín hiệu xoay chiều

lên vật liệu kết hợp với lực đặt bên ngoài tương ứng thì vật liệu sẽ dao động với tần số

giống với tần số tín hiệu điện như hình (f).

Hình 1-8 Hiệu ứng áp điện thuận và ngược[7].

Trục chính

Tham số thể hiện quá trình chuyển đổi năng lượng điện – cơ của vật liệu áp điện

là hệ số cặp điện cơ k (hay còn gọi là hệ số cặp áp điện). Hệ số cặp điện cơ k mô tả hiệu

suất của việc chuyển đổi của vật liệu áp điện giữa cơ năng thành điện năng và ngược lại,

hệ số k được tính theo công thức sau [65]:

(1.1) k = (cid:3496) E(cid:2929) E(cid:2911)

Trong đó Es (Energy stored) là năng lượng dự trữ (cơ năng hoặc điện năng), Ea

(Energy applied) là năng lượng đặt lên vật liệu (điện năng hoặc cơ năng).

Trong thực tế giá trị hệ số cặp điện cơ thường thể hiện ở dạng k2 để tiện sử dụng.

Hệ số cặp điện cơ k là tỉ lệ phần trăm năng lượng được giữ lại sau quá trình chuyển đổi

điện cơ, người ta thường lựa chọn vật liệu có hệ số cặp điện cơ cao để đạt hiệu suất

chuyển đổi được tối đa [65], [75].

b. Mô hình toán học

Hiệu ứng áp điện được giải thích là sự kết hợp của trạng thái điện của vật liệu: D=

εE và định luật Hook: S=sT [70], [76].

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 15 Trong đó D là độ dịch chuyển điện; ε là hằng số điện môi; E là cường độ điện

trường; S là sức căng (N/m2); s là tính thuận cơ học; T là ứng suất;

Phương trình cặp sức căng – điện áp (hay gọi là phương trình cặp điện – cơ) được

xây dựng như sau:

Hiệu ứng áp điện ngược [70]:

(1.2) S = s(cid:2889)T + d(cid:2930)E

Hiệu ứng áp điện thuận [70]:

(1.3) D = ε(cid:2904)E + dT

Phương trình chi tiết được viết lại như sau [68], [70], [76], [77], [78]:

(cid:2889)T(cid:2920) + d(cid:2923)(cid:2919)E(cid:2923)

(1.4) S(cid:2919) = s(cid:2919)(cid:2920)

(cid:2978)E(cid:2921)

(1.5) D(cid:2923) = d(cid:2923)(cid:2919)T(cid:2919) + ε(cid:2919)(cid:2920)

Trong đó: d là ma trận hằng số sức căng áp điện; Chỉ số i, j = 1, 2,…6; Chỉ số m,

k = 1, 2, 3 là chỉ số hướng của hệ tọa độ bên trong vật liệu.

1.2.3. Vật liệu có tính áp điện

a. Các loại vật liệu áp điện

Các vật liệu có tính chất áp điện được gọi chung là vật liệu áp điện, các vật liệu áp

điện trong thực tế có các dạng sau [68]:

- Các đơn tinh thể như Thạch anh (Quartz), Lithium nibonate (LiNbO3) và Lithium

tantalite (LiTaO3) là một trong số các đơn tinh thể phổ biến nhất. Các đơn tinh thể này

thường có cấu trúc dị hướng và các tính chất phụ thuộc vào hình dạng khi thực hiện cắt

vật liệu.

- Gốm áp điện thường được sử dụng rộng rãi và có kiểu cấu trúc Perovskite. Cấu

trúc này bao gồm một tế bào cubic đơn giản chứa một cation lớn “A” tại các góc và một

cation bé “B” tại tâm và các nguyên tử Oxy tại các tâm của mặt. Cấu trúc này là một

mạng liên kết bát diện xung quanh cation B.

- Đối với trường hợp gốm Barium Titanate: cation A là Ba+2, cation nhỏ là Ti+4.

Barium Titanate (BaTiO3) và Lead Titanate (PbTiO3) là những ví dụ thường gặp nhất

của vật liệu áp điện cấu trúc Perovskite như tại Hình 1-9.

- Các polymer như: polypropylene, polystyrene, poly methyl methacrylate, vinyl

acetate và một số lớn các hợp chất của nylon được biết đến là loại vật chất có tính chất

Trang 16 NCS. Trần Mạnh Hà

áp điện. Tuy nhiên, hiệu ứng áp điện mạnh có thể quan sát được chỉ xảy ra ở

polyvinylidene fluoride (PVDF hoặc PVF2) và PVDF copolymers. Cấu trúc phân tử của

PVDF bao gồm các liên kết (-CF2-CH2)n. Sự phân lưỡng cực cố định của PVDF đạt

được thông qua quá trình công nghệ liên quan đến việc kéo và ép các màng polymer

mỏng. Các polymer áp điện thường được sử dụng cho các microphone và các ứng dụng

Hình 1-9 Cấu trúc tinh thể của Barium Titanate (BaTiO3)[68].

ống nghe siêu âm.

- Composite áp điện gồm các gốm áp điện và các polymer áp điện. Các vật liệu

này có nhiều ưu điểm do có hệ số ghép cao, trở kháng âm thấp, tính linh hoạt cơ học,

băng thông rộng.

- Thin film: bao gồm cả Oxit kẽm (ZnO) và Aluminum nitride (AlN) là những hợp

chất đơn giản có cấu trúc dạng Wurtzite và được sử dụng rộng rãi. Oxit kẽm có hệ số

ghép áp điện hợp lý và thường sử dụng rộng rãi trong các thiết bị sóng âm bề mặt và

sóng âm khối.

b. Sự thay đổi trong vật liệu áp điện

Chúng ta biết là tính biến dạng của vật liệu (hay tính đàn hồi của vật liệu) có liên

quan đến cấu tạo bên trong vật chất (hay nội lực) và sự thay đổi vật chất từ trạng thái

cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác. Vật chất được xét đến ở đây ngoài tính bất

đẳng hướng còn có tính chất đồng nhất. Nội lực được biểu diễn ở dạng ứng suất T

(stress), trong khi sự dịch chuyển thể hiện ở dạng sức căng S (strain) [14].

Nghiên cứu ảnh hưởng của đại lượng sức căng S, chúng ta đánh giá thông qua sự

chuyển động của các hạt phân tử. Giả sử rằng ở trạng thái cân bằng, một hạt phân tử 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 17

chất được đặt tại điểm x trong không gian với tọa độ x = (x1, x2, x3). Khi hạt phân tử

không ở trạng thái cân bằng và được di chuyển một khoảng u = (u1, u2, u3), trong đó các

thành phần u1, u2, u3 là hàm theo các tọa độ x1, x2, x3. Tọa độ của hạt phân tử ở vị trí cân

bằng mới là (x + u), trong đó khoảng dịch chuyển u không phụ thuộc vào thời gian t. Rõ

ràng khi không có nội lực tác dụng thì không có di chuyển từ vị trí x một khoảng cách

u. Để tránh sự phức tạp của bài toán, sức căng tại mỗi điểm được xác định theo công

(cid:2869)

thức [14], [54]:

(cid:2870)

(cid:2986)(cid:2931)(cid:3167) (cid:2986)(cid:2934)(cid:3167)

(cid:2986)(cid:2931)(cid:3168) (cid:2986)(cid:2934)(cid:3167)

+ (cid:4672) (cid:4673), i,j = 1, 2, 3 (1.6) S(cid:2919)(cid:2920)(x(cid:2869), x(cid:2870), x(cid:2871)) =

Theo công thức (1.6) thì có sự phụ thuộc sức căng S và sự di chuyển của các hạt

phân tử, trong đó sức căng S là một tensor bậc hai và có tính chất đối xứng, vì vậy:

(1.7) Sij = Sji

Khi vật liệu được tác dụng một sức căng (S), vật liệu nằm trên một mặt của mặt

phẳng tác dụng một lực, lực này có thể tác dụng theo bất kỳ hướng nào và có thể biến

(cid:4593) là một hằng số. Sức

đổi với tọa độ x2, x3 trên mặt phẳng. Nội lực của vật liệu được mô tả bằng một tensor

(cid:4593) bên trong vật liệu, trong đó x(cid:2869)

ứng suất Tij. Xét mặt phẳng x(cid:2869) = x(cid:2869)

(cid:4593) , lực

căng được xác định là độ lớn của lực trên một đơn vị diện tích có một thành phần xi

(cid:4593) , x(cid:2870), x(cid:2871)) với i = 1, 2, 3. Đây là lực tác dụng lên vật liệu tại x(cid:2869) = x(cid:2869)

(cid:4593) sẽ không được xét trong trường hợp này. Định nghĩa

không đổi T(cid:2919)(cid:2869)(x(cid:2869)

(cid:4593) , vì vậy chúng ta có thể viết ứng suất là

tác dụng lên vật liệu tại x(cid:2869) > x(cid:2869)

này áp dụng cho các giá trị bất kỳ của x(cid:2869)

T(cid:2919)(cid:2869)(x(cid:2869), x(cid:2870), x(cid:2871)). Tương tự, chúng ta có thể xem xét các lực trên mặt phẳng vuông góc với

trục x2, x3 và cũng xác định các ứng suất theo cách tương tự. Lực trên mỗi đơn vị diện

(cid:2920)

, trong đó n tích trên một mặt phẳng bên trong vật liệu có thành phần xi với f(cid:2919) = ∑ T(cid:2919)(cid:2920)n(cid:2920)

= (n1, n2, n3) là vecto đơn vị.

Khi tác dụng ngoại lực lên vật liệu có tính chất đàn hồi, vật liệu bị biến dạng và

trở về trạng thái ban đầu khi không còn lực tác dụng. Ngoài ra, sức căng thường tỷ lệ

thuận với ứng suất, do đó mối quan hệ này là tuyến tính. Theo định luật Hook, ứng suất

tỷ lệ thuận với sức căng theo một hướng nhất định, hệ số thể hiện mối quan hệ này là hệ

số độ cứng tensor cij kl được xác định như sau [14], [33]:

(cid:2921)

(1.8) T(cid:2919)(cid:2920) = (cid:3533) (cid:3533) c(cid:2919)(cid:2920) (cid:2921)(cid:2922)S(cid:2921)(cid:2922) (cid:2922)

với i, j, k, l = 1, 2, 3

Trang 18 NCS. Trần Mạnh Hà Biến dạng đàn hồi ở vật liệu áp điện sẽ được xem xét đầy đủ hơn thông qua mô

hình toán học thể hiện hiệu ứng áp điện. Trong vật liệu áp điện đồng nhất, thành phần

ứng suất Tij tại mỗi điểm phụ thuộc vào điện trường E và sức căng Sij. Giả sử rằng số

lượng thành phần đủ nhỏ để thể hiện mối quan hệ này như một quan hệ tuyến tính [14],

[78]:

(cid:2889) S(cid:2921)(cid:2922) − (cid:3533) e(cid:2921)(cid:2919)(cid:2920)E(cid:2921) (cid:2921)

(cid:2922)

(1.9) T(cid:2919)(cid:2920) = (cid:3533) (cid:3533) c(cid:2919)(cid:2920)(cid:2921)(cid:2922) (cid:2921)

Tương tự, độ dịch chuyển điện D cũng được xác định bởi điện trường E và tensor

(cid:2929) E(cid:2920) + (cid:3533) (cid:3533) e(cid:2919)(cid:2920)(cid:2921)S(cid:2920)(cid:2921)

điện môi εij theo công thức [14], [78]:

(cid:2920)

(cid:2921)

(cid:2920)

D(cid:2919) = (cid:3533) ε(cid:2919)(cid:2920) (1.10)

Trong công thức (1.10), thành phần eijk được gọi là tensor áp điện, từ công thức

(1.7) và tính đối xứng của Tij nên tensor áp điện cũng có tính đối xứng:

(1.11) eijk = eikj

Kết hợp công thức (1.9), (1.10) và (1.11) ta có công thức [14]:

(cid:2920)

(cid:2904)E(cid:2920) + (cid:3533) (cid:3533) d(cid:2919)(cid:2920)(cid:2921)T(cid:2920)(cid:2921) (cid:2921)

(cid:2920)

D(cid:2919) = (cid:3533) ε(cid:2919)(cid:2920) (1.12)

Như vậy có thể nhận xét công thức (1.12) và công thức (1.10) là một và có thể sử

dụng thay thế nhau tùy tính chất bài toán. Tuy nhiên để giảm đi tính phức tạp và khối

lượng tính toán, người ta thường sử dụng công thức (1.12) nhiều hơn. Từ các công thức

(1.9), (1.10), (1.12) có thể kết luận rằng sự biến dạng đàn hồi của vật liệu áp điện có liên

quan mật thiết với hiệu ứng áp điện hay chính hiệu ứng áp điện gây ra biến dạng đàn hồi

cho vật liệu áp điện.

Nhận xét chung: Tùy vào ứng dụng cụ thể cũng như xem xét giữa công nghệ và

kinh tế mà chúng ta có thể lựa chọn các loại vật liệu áp điện khác nhau. Nội dung của

phần này cho chúng ta thấy được các khái niệm chung về sóng âm bề mặt, vật liệu bất

đẳng hướng, các yếu tố liên quan ảnh hướng đến tính chất áp điện. Đây là các khái niệm

giúp chúng ta hiểu rõ hơn cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc SAW.

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 19

1.3. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc SAW

Nội dung của Mục 1.2 giới thiệu về lý thuyết về sóng âm bề mặt, hiệu ứng áp điện

thuận, hiệu ứng áp điện nghịch, đây là cơ sở để đề xuất cấu trúc bộ lọc SAW. Trong

phần này, NCS sẽ giới thiệu cấu trúc, nguyên lý hoạt động của bộ lọc SAW và các tham

số về chất lượng của một bộ lọc SAW. Các tham số về chất lượng được đưa ra nhằm

đánh giá chất lượng các bộ lọc SAW trong toàn bộ quá trình thực hiện đề tài.

1.3.1. Cấu trúc

Hình 1-10 thể hiện cấu trúc của một bộ lọc SAW bao gồm hai thành phần cơ bản

là đế áp điện và bộ chuyển đổi IDT (Inter Digital Transducer), bộ chuyển đổi IDT có

Nguồn

Hình 1-10 Cấu trúc cơ bản của bộ lọc SAW [79].

cấu trúc kiểu răng lược được White và Voltmer đề xuất vào năm 1965 [79].

Bộ lọc SAW về cơ bản là một dạng bộ lọc cơ học, trong đó tín hiệu đặt vào và tín

hiệu thu được đều là những tín hiệu điện. Cấu trúc của bộ lọc phải có thành phần tạo

dao động cơ khi có kích thích điện, do đó chúng ta cần phải tìm một loại vật liệu thoả

mãn tính chất trên. Như chúng ta đã xem xét ở mục 1.2, do đặc tính các vật liệu áp điện

tồn tại đồng thời ở hai dạng năng lượng là cơ và điện, vì vậy vật liệu áp điện chính là

lựa chọn phù hợp cho thành phần cấu trúc bộ lọc SAW.

Theo yêu cầu đặt ra là tín hiệu tại đầu thu và tín hiệu kích thích đều là ở dạng tín

hiệu điện, do đó cấu trúc của bộ lọc phải có thành phần chuyển đổi năng lượng từ dạng

năng lượng điện thành năng lượng cơ và ngược lại. Bộ chuyển đổi năng lượng IDT được

Trang 20 NCS. Trần Mạnh Hà

tạo thành từ các màng kim loại đặt xen kẽ nhau theo cấu trúc cài răng lược [79], như

Hình 1-11 Cấu trúc cài răng lược của IDT [32].

minh họa ở Hình 1-11.

Các IDT có cấu tạo làm từ các màng kim loại, cấu tạo này sẽ giúp làm giảm khối

lượng và đồng thời giảm sự ảnh hưởng của khối lượng lên quá trình nén – giãn của vật

liệu áp điện. Ngoài ra, kết cấu này cũng nhằm giảm thiểu sai số, đồng thời thích hợp cho

việc chế tạo vi cảm biến, vi thiết bị do kích thước và khối lượng nhỏ. Cấu trúc cài răng

lược có vai trò quan trọng trong quá trình tạo sóng âm bề mặt trên vật liệu áp điện. Mỗi

bộ IDT được gọi là một bộ điện cực (finger – ngón tay) có độ rộng bằng nhau và khoảng

cách giữa các điện cực bằng độ rộng của điện cực. Hai ngón tay xen kẽ như vậy được

gọi là cặp điện cực và mỗi bộ IDT gồm có nhiều bộ cặp điện cực Np (number of finger

Độ dài của IDT

Đế áp điện

Bộ xử lý

Độ dài vùng delay line

Bộ chuyển đổi năng lượng

Bộ hấp thụ âm

Khoảng cách ngón tay

Hình 1-12 Cấu trúc delay line [65].

pairs) [65].

Một số cấu trúc của thiết bị SAW phổ biến hiện nay bao gồm các các bộ lọc dạng:

một cửa, hai cửa, delay line. Trong đó bộ lọc có cấu trúc delay line được sử dụng trong

thực tế nhiều nhất. Cấu trúc delay line gồm hai bộ IDT đặt cách nhau một khoảng cách

nhất định, khoảng cách này gọi là khoảng không gian delay line. Khoảng không gian ở

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 21

giữa được phủ (hoặc không phủ) một lớp vật liệu khác hoàn toàn với vật liệu áp điện.

Việc phủ lớp vật liệu lên khoảng không gian delay line nhằm thay đổi tính chất về vận

tốc và biên độ của sóng âm bề mặt, làm cho sóng âm có thể truyền đi với vận tốc nhanh

hơn, biên độ lớn hơn, giảm suy hao. Tuy nhiên việc phủ lớp vật liệu này không làm thay

đổi tính chất của tín hiệu điện đầu ra (tần số), Hình 1-12 là một ví dụ minh họa cho cấu

trúc delay line.

Để tăng hiệu quả của quá trình truyền và giảm suy hao sóng, người ta đặt thêm hai

bộ hấp thụ âm (Acoustic absorber) ở hai bên bộ IDT. Nhiệm vụ của bộ hấp thụ âm và

nguyên lý hoạt động của bộ lọc SAW sẽ được trình bày ở phần tiếp theo [80], [81].

1.3.2. Nguyên lý hoạt động

Các thiết bị SAW nói chung và bộ lọc SAW nói riêng đều có nguyên lý hoạt động

dựa trên việc chuyển đổi năng lượng từ điện năng sang cơ năng và ngược lại. Theo phân

tích ở mục 1.3.1, cấu trúc bộ lọc SAW được lựa chọn cho hướng nghiên cứu là cấu trúc

Hình 1-13 Cấu trúc delay line với bộ hấp thụ âm [82].

delay line kết hợp bộ hấp thụ âm như tại Hình 1-13.

Để tạo ra sóng âm bề mặt lan truyền trên đế áp điện, người ta đặt lên bộ IDT đầu

vào (IDT input) một điện áp xoay chiều. Các bộ IDT có cấu tạo là kim loại, do đó các

thanh IDT đều dẫn điện và nhanh chóng phân cực, trở thành các điện cực tích điện (+)

và tích điện (-). Điện thế tại các điện cực dương và điện cực âm đều bằng nhau, các điện

cực âm và dương tạo ra vùng điện trường xoay chiều ở giữa như Hình 1-14. Dưới tác

dụng của điện trường, bộ IDT đầu vào xảy ra hiện tượng áp điện ngược. Chính điện

trường phân cực xảy ra xen kẽ giữa các IDT tạo nên hiện tượng nén hoặc kéo xen kẽ

Trang 22 NCS. Trần Mạnh Hà

tương ứng trên bề mặt đế áp điện, gây ra sự biến dạng đàn hồi của bề mặt đế áp điện.

Hiện tượng trên cho cho chúng ta thấy quá trình năng lượng điện đã biến đổi thành năng

Kéo

Điện trường

Nén

Hình 1-14 Điện trường xoay chiều giữa các điện cực [65].

lượng cơ biểu hiện dưới dạng các dao động cơ học.

Khi điện trường xoay chiều liên tục tác động lên bề mặt đế áp điện tạo nên các dao

động cơ học liên tục được sinh ra và lan truyền trên bề mặt đế áp điện theo một vận tốc

nhất định. Kết quả của việc này là sinh ra sóng cơ học hay sóng âm bề mặt (SAW) với

vận tốc lan truyền được gọi là vận tốc SAW. Sự biến dạng bề mặt áp điện tại không gian

đặt IDT đầu vào được mô tả rõ hơn thông qua Hình 1-15.

Kết quả là các dao động cơ được tạo ra từ bộ IDT đầu vào sẽ được lan truyền đến

bộ IDT đầu ra (IDT output) và tác động lên các bộ IDT này. Tại bộ IDT đầu ra sẽ có

dao động của các cặp điện cực theo chu kỳ. Do tính chất áp điện của vật liệu, tại đầu ra

của bộ IDT xuất hiện điện tích trên bề mặt áp điện (xuất hiện điện áp trên các cặp IDT).

Mặt khác, do tác dụng của năng lượng điện từ bộ IDT đầu ra, tiếp tục xảy ra hiện

tượng áp điện ngược tại bề mặt bộ IDT đầu ra, năng lượng điện biến đổi thành năng

lượng cơ dưới dạng sóng cơ và lan truyền theo hướng ngược lại và sẽ cộng hưởng với

sóng lan truyền thuận tại một tần số cộng hưởng xác định. Tần số cộng hưởng được xác

định theo công thức sau [65]:

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 23

(1.13) = f(cid:2925) = V(cid:2902) λ V(cid:2902) 4d

Trong đó VR là vận tốc sóng Rayleigh, giá trị vận tốc này phụ thuộc hoàn toàn vào

Hình 1-15 Sự biến dạng bề mặt áp điện dưới tác dụng của điện trường [65].

vật liệu đế áp điện, d là khoảng cách giữa các điện cực.

Quá trình chuyển đổi năng lượng điện-cơ, lan truyền sóng cơ và cộng hưởng sóng

xảy ra liên tục trên bề mặt đế áp điện. Đồng thời trong quá trình lan truyền, sóng tới hai

bờ áp điện thì xảy ra hiện tượng sóng phản xạ. Nguyên nhân là do quá trình lan truyền

sóng xảy ra ở môi trường vật chất khác nhau (bề mặt đế áp điện). Khi sóng lan truyền

tới hai bờ áp điện, sóng bị đổi hướng lan truyền và quay ngược lại bề mặt vật liệu áp

điện. Hai bờ áp điện là bề mặt tiếp xúc giữa môi trường vật liệu áp điện và không khí,

các sóng phản xạ lan truyền đồng thời với sóng âm được sinh ra từ bộ IDT. Các sóng

phản xạ có thể xảy ra giao thoa, do đó gây nhiễu sóng. Để giảm thiểu các sóng phản xạ

và giao thoa, người ta đặt thêm hai bộ hấp thụ âm ở hai phía đầu của bộ IDT [83].

Chúng ta đã biết được các bộ lọc SAW với cấu trúc đề xuất dạng răng lược được

vận hành theo nguyên lý chuyển đổi năng lượng điện thành cơ và ngược lại. Tuy nhiên

để hiểu rõ hơn về bộ lọc SAW, chúng ta cần nghiên cứu cấu trúc cơ bản của một IDT

về các nội dung như: vật liệu, các điện cực cũng như các yêu cầu thiết kế.

Trang 24 NCS. Trần Mạnh Hà

1.3.3. Cấu trúc cơ bản của bộ IDT

a. Hình dạng của các IDT

Hình 1-11 là hình ảnh của một bộ IDT nói chung cùng với các thông số chính như:

khoảng cách giữa các điện cực, độ rộng của điện cực và độ chồng lấn giữa các cặp cực.

Mặt cắt này thể hiện hai thông số quan trọng của bộ IDT là độ chồng lấn W và độ rộng

điện cực. Trong thực tế, chúng ta còn có tham số là độ dày bộ IDT, tuy nhiên do cấu

trúc kiểu màng kim loại nên độ dày bộ IDT là rất nhỏ và không ảnh hưởng nhiều đến

chế độ truyền sóng, vì vậy sẽ không đề cập đến tham số độ dày bộ IDT trong phần này.

Mỗi một điện cực (một thanh IDT) đều có độ rộng và độ dài bằng nhau, các điện cực

được sắp xếp đan xen với nhau theo các khoảng cách bằng nhau, chiều rộng tất cả các

Hình 1-16 Kiểu thiết kế IDT hai điện cực xen kẽ [14] .

điện cực và độ chồng lấn đều cố định.

Bộ IDT có thiết kế như trên Hình 1-11 là kiểu cơ bản nhất với các cặp điện cực có

độ rộng bằng nhau và cách nhau bằng một khoảng đúng bằng độ rộng của điện cực, đây

là kiểu thường được sử dụng trong thực tế. Hiện nay có một số kiểu thiết kế bộ IDT khác

với nhiều cấu trúc kết hợp như: thay đổi khoảng cách giữa các cặp cực, thay đổi độ rộng

của các cực, thay đổi số lượng giữa các cực..., tuy nhiên vẫn dựa trên cấu trúc cơ bản

này. Một số kiểu thiết kế IDT khác cũng thường được sử dụng như tại các Hình 1-16 và

Hình 1-17.

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 25 Ưu điểm của kiểu thiết kế kiểu như Hình 1-17 là đơn giản, dễ thiết kế và hiệu quả

trong quá trình lan truyền sóng âm bề mặt. Mặc dù các kiểu thiết kế có nhiều ưu điểm,

tuy nhiên trong nội dung của chương này, kiểu thiết kế được sử dụng để mô phỏng, đánh

Hình 1-17 Kiểu thiết kế kết hợp [14].

giá là kiểu thiết kế cơ bản nhằm giảm bớt tính phức tạp khi thực hiện.

Với các cấu trúc cơ bản của bộ lọc đã trình bày ở phần trên thì hai tham số được

quan tâm khi thiết kế bộ IDT đó là chiều rộng điện cực và độ chồng lấn. Để thiết kế bộ

IDT, ngoài các thông số độ rộng điện cực và độ chồng lấn thì các thông số như: số điện

cực, vật liệu sử dụng làm bộ IDT cũng rất quan trọng, chúng ta sẽ xem xét lần lượt các

tham số về vật liệu và số điện cực khi thiết kế bộ IDT.

b. Vật liệu làm IDT

Vật liệu làm IDT sẽ ảnh hướng đến vận tốc truyền sóng và tần số trung tâm của bộ

lọc SAW. Khi lựa chọn vật liệu để chế tạo bộ IDT, các tính chất của vật liệu cần được

quan tâm là: độ bám dính bề mặt, điểm sôi, điện trở và giá cả.

Để đạt được hiệu quả gắn chặt các điện cực của IDT lên trên bề mặt đế áp điện thì

chúng ta cần quan tâm đến tiêu chí “Độ bám dính bề mặt” của vật liệu chế tạo IDT.

Tiêu chí “Điểm sôi” của một vật liệu nhằm để xem xét việc sử dụng công nghệ khi

gắn một lớp vật liệu IDT trên đế áp điện. Điểm sôi của vật liệu thấp cho phép sử dụng

các công nghệ rẻ hơn, đơn giản hơn và xử lý nhanh hơn (ví dụ như bốc hơi nhiệt) khi

gắn IDT lên đế áp điện.

Trang 26 NCS. Trần Mạnh Hà Vật liệu có “Điện trở” vào cao dẫn đến điện áp cao, điện trường sinh ra và biến đổi

thành sóng âm sẽ lớn hơn đối với vật liệu có điện trở thấp [65], [84].

Bảng 1 mô tả các tính chất của một số vật liệu làm IDT với các tham số liên quan

đến: độ bám dính bề mặt, điểm sôi, điện trở và giá cả. So sánh các thông số theo Bảng

1, chúng ta thấy rằng vật liệu Đồng (Cu) là sự lựa chọn tổng thể tốt nhất để chế tạo IDT

khi đánh giá 4 thông số trên. Vật liệu Vàng (Au) là sự lựa chọn tốt cho các ứng dụng có

độ nhạy cao do có điện trở suất thấp là 2,2 (µΩ-cm). Tuy nhiên, vật liệu Vàng (Au) có

giá thành cao và độ bám dính kém nên thường chỉ sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi

tính chính xác cao. Đối với các bộ lọc có độ nhạy thấp hoặc chế tạo số lượng ít, thì vật

liệu Nhôm (Al) là một sự lựa chọn thích hợp do có sự cân bằng của các thông số như:

điện trở tương đối thấp là 2,65 (µΩ-cm), giá thành thấp và độ bám dính tốt. Điểm sôi

của vật liệu Nhôm thấp (2.792oK) sẽ tạo điều kiện cho việc sử dụng công nghệ lắng

đọng nhanh, giá thành rẻ hơn các vật liệu Vàng, Đồng và Titan. Vật liệu Tungsten

(Vonfram) có điểm sôi cao nhất (5.828oK) do vậy đòi hỏi phải sử dụng phương pháp

Bảng 1 Tính chất của một số vật liệu làm IDT [65]

phun lắng đọng hơi hóa chất có độ phức tạp cao hơn [65], [85].

TT Vật liệu Giá thành Độ bám dính (Mức độ) Điện trở suất (µΩ-cm) Điểm sôi (oK)

Đồng Tốt 3.200 Thấp 1,7 1

Nhôm Tốt 2.792 Thấp 2,65 2

Vàng Kém 3.129 Cao 2,2 3

Tungsten Trung bình 5.828 Trung bình 5,0 4

Titan Tốt 3.560 Trung bình 50 5

Dựa vào các thông số của vật liệu trong Bảng 1 và các phân tích ở trên chúng ta

thấy rằng lựa chọn Nhôm (Al) là vật liệu phù hợp nhất để chế tạo các bộ IDT dùng để

phục vụ nghiên cứu trong đề tài này.

c. Độ rộng và số điện cực

Như đã đề cập ở nội dung trên, độ rộng điện cực là một trong các thông số quyết

định tần số trung tâm của bộ lọc SAW. Tần số trung tâm của bộ lọc SAW được xác định

theo công thức [65]:

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 27 V(cid:2903)(cid:2885)(cid:2907) 4f

(1.14) f = = → d = V(cid:2903)(cid:2885)(cid:2907) λ V(cid:2903)(cid:2885)(cid:2907) 4d

Từ phương trình 1.14 chúng ta thấy được mối liên hệ giữa kích thước độ rộng của

điện cực cũng ảnh hưởng đến tần số trung tâm của bộ lọc SAW.

Bộ IDT hoạt động hiệu quả khi số điện cực IDT (number of IDT fingers) gần với

giá trị tối ưu (optimal number). Giá trị tối ưu này phụ thuộc vào hệ số cặp áp điện hay

còn gọi là hệ số cặp điện cơ (Piezoelectric coupling coefficient) của vật liệu đế áp điện.

Số điện cực IDT tối ưu được tính theo công thức sau [86]:

Bảng 2 Giá trị K của một số vật liệu [88]

(1.15) N(cid:2925)(cid:2926)(cid:2930) = (cid:3495) π k(cid:2870)

Loại vật liệu Hệ số cách điện r Vận tốc truyền sóng s (km/s) Hệ số cặp điện cơ 2 mk

Thạch anh 3,15 ÷ 3,2 0,0012 ÷ 0,0024 4,52 ÷ 4,55

3,5 ÷ 4,0 0,005 ÷ 0,058 25 ÷ 60 LiNbO3

1,62 ÷ 1,7 0,007 ÷ 0,0164 38 ÷ 45 Bi12GeO20

Bi12SiO20 1,7 0,018 -

3,2 ÷ 3,4 0,0069 ÷ 0,0093 43 ÷ 51 LiTaO3

Piezoceramics 2 ÷ 4 0,043 100 ÷ 300

0,0007 5,15 -

Màng mỏng (AlN) Khi thực hiện mô phỏng bộ lọc SAW, chúng tôi lựa chọn các bộ lọc có tần số trung

tâm khoảng 127 (MHz), việc lựa chọn này để thích hợp cho việc đánh giá sai lệch giữa

mô phỏng khi thiết kế, chế tạo với các sản phẩm hiện có trên thị trường. Hiện nay trên

thị trường các bộ lọc thương mại có các tần số tương đương như: Tai-Saw

(www.taisaw.com), Vectron (www.vectron.com) và Filtronetics (www.filtro.net).

Trong nội dung của đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Công Thương đã tiến hành thiết

kế, mô phỏng, chế tạo đối với các loại vật liệu Thạch anh (đối với bộ cộng hưởng) và

Trang 28 NCS. Trần Mạnh Hà

Màng mỏng (đối với bộ lọc), kết quả đã được công bố trên Tạp chí Nghiên cứu khoa

học và công nghệ quân sự năm 2017 [87].

1.3.4. Các tham số đánh giá

a. Tham số về chất lượng

Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW có dạng như bộ lọc dải thông với tần số trung tâm

của bộ lọc có giá trị bằng tần số cộng hưởng sóng âm theo công thức (1.13). Bộ lọc

SAW có các tham số như: Độ suy hao (Insertion Loss); Độ rộng băng thông

(Bandwidth/BW); Độ lọc lựa (Stopband Rejection); Hệ số phẩm chất Q, các tham số

này được định nghĩa như sau:

Dải thông (Passband) là dải tần số mà bộ lọc giữ lại từ tín hiệu đầu vào, đối với bộ

lọc lí tưởng thì dải thông là đường bằng phẳng.

Dải chắn (Stopband) là dải tần số mà bộ lọc loại bỏ từ tín hiệu đầu vào.

Độ suy hao (Insertion loss) là biên độ lớn nhất của đồ thị đáp ứng tần số, thể hiện

giá trị công suất lớn nhất của tín hiệu ra so với tín hiệu vào.

Độ lọc lựa (Stopband attenuation hay Rejection) là độ lệch biên độ giữa điểm tần

số thấp nhất trên dải thông và điểm tần số cao nhất của dải chắn, được thể hiện bằng đơn

vị dB. Ngoài ra để đơn giản người ta thường sử dụng giá trị Độ lọc lựa là độ lệch biên

độ giữa giá trị Độ suy hao (Insertion loss) và điểm tần số cao nhất của Dải chắn

(Stopband) như Hình 1-18.

Dải tần chuyển tiếp (Transition band): đối với các bộ lọc trong thực tế, đáp ứng

tần số luôn là hàm liên tục theo tần số, nên luôn luôn có một dải tần số mà trong khoảng

đó đồ thị biên độ - tần số tăng hoặc giảm từ Dải thông đến Dải chắn hoặc ngược lại. Dải

tần số đó được gọi là dải tần chuyển tiếp, dải tần này càng bé càng tốt.

Độ rộng băng thông (Bandwidth) là tham số xuất hiện trong bộ lọc, được tính theo

công thức Δf = fT – fC mà tại đó biên độ là -3 (dB). Dải thông tại -3 (dB) là vùng tần số

mà độ suy hao của tín hiệu ra khi tín hiệu vào không đổi nhỏ hơn 3 (dB) so với giá trị

cực đại.

Hệ số phẩm chất (Quality factor) Q là tỉ số giữa tần số trung tâm và Độ rộng băng

thông theo công thức [89]:

Q = = (1.18) f(cid:2925) Δf f(cid:2925) f(cid:2904) − f(cid:2887)

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 29 Trong đó fo là tần số trung tâm của bộ lọc, fT và fC là tần số của tín hiệu ra bắt đầu

và kết thúc để trong khoảng đó độ suy giảm ≤ 3 (dB) khi công suất của tín hiệu vào

không đổi.

Độ chọn lọc (Filter Selectivity) FS: là giá trị thể hiện khả năng chọn lọc tần số của

bộ lọc. Giá trị FS là được thể hiện bằng độ dốc của đồ thị biên độ - tần số tại tần số cắt

(ωc) [28]. Bộ lọc lý tưởng có Độ chọn lọc (FS) là ∞ hay nói cách khác đồ thị biên độ -

tần số của hàm truyền đạt càng dốc thì chất lượng bộ lọc càng tốt [90], [91], [92]. Độ

chọn lọc FS thường được tính bằng công thức sau:

(1.20) F(cid:2929) = − (cid:4708) ω = ω(cid:2913) d|H(jω)| dω

Hệ số hình dạng (Shaping Factor) là một giá trị thể hiện độ xấp xỉ của bộ lọc so

với lí tưởng. Hệ số hình dạng là tỉ số băng thông tại các mức suy hao đặc biệt [90], [91],

[92] và được tính theo công thức:

S



b a

(1.21)

B B

W b W a

Trong đó b là độ suy hao tại băng thông rộng hơn và a là độ suy hao tại băng thông

hẹp hơn, BWa là băng thông hẹp hơn và BWb là băng thông rộng hơn. Bộ lọc có hệ số

hình dạng càng bé thì hoạt động càng tốt hay đồ thị biên độ - tần số của hàm truyền đạt

Hình 1-18 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW[79].

có hình dáng càng vuông vắn thì chất lượng bộ lọc càng tốt.

Trang 30 NCS. Trần Mạnh Hà Độ gợn (ripple) là tỉ số giữa điểm cao nhất và điểm thấp nhất trên Dải thông

(Passband), được thể hiện bằng đơn vị dB. Đối với bộ lọc lý tưởng thì giá trị của Độ gợn

là 0 (dB).

Từ công thức (1.19), (1.20), (1.21) chúng ta thấy rằng để đánh giá được chất lượng

(cid:2912)), Độ lọc lựa (Stopband attenuation hay Rejection). Trong

của bộ lọc chúng ta cần quan tâm đến các thông số như: Hệ số phẩm chất (Q), Độ chọn

lọc (Fs), Hệ số hình dạng (S(cid:2911)

phạm vi của đề tài này, chúng ta sẽ đánh giá chất lượng bộ lọc thông qua các tham số là

Hệ số phẩm chất (Q), Độ lọc lựa (Stopband attenuation hay Rejection) và Độ chọn lọc

(Fs) làm căn cứ khi thiết kế các bộ lọc. Lý do của việc lựa chọn các tham số này bởi vì

các thông số trên có thể dễ dàng đánh giá trong quá trình thiết kế, tính toán cũng như

trên hình ảnh.

Hệ số phẩm chất (Q) có thể xem xét dựa trên hình dạng của tín hiệu khi tín hiệu

càng hẹp (gần với tần số trung tâm) thì sẽ càng tốt hơn.

Độ chọn lọc (Fs) có thể đánh giá dựa trên độ dốc của đặc tuyến biên độ tần số, nếu

độ dốc càng cao (tiến gần ∞) thì bộ lọc sẽ càng tốt hơn.

Một bộ lọc có đáp ứng độ dốc lớn, Hệ số phẩm chất (Q) cao và Độ suy hao

(Insertion loss) lớn có thể coi là một bộ lọc có Độ chọn lọc (Fs) cao.

b. Đánh giá về bộ lọc SAW

Ưu điểm nổi bật của bộ lọc SAW là phạm vi hoạt động ở dải tần số cao cỡ MHz

đến 3 (GHz). Từ công thức (1.14), chúng ta thấy rằng tần số trung tâm của bộ lọc phụ

thuộc vào vận tốc truyền sóng VR và khoảng cách giữa các điện cực. Nếu cùng một vật

liệu áp điện thì việc chế tạo bộ IDT với khoảng cách giữa các điện cực càng nhỏ thì tần

số trung tâm của bộ lọc càng lớn. Với công nghệ micro hiện nay cho phép chế tạo các

điện cực có độ rộng cỡ μm do đó tần số trung tâm của bộ lọc sẽ nằm trong khoảng MHz

đến 3 (GHz).

Hình 1-19 [93] thể hiện so sánh đáp ứng của tần số của bộ lọc SAW và bộ lọc LC

ở cùng một tần số trung tâm trên một đồ thị. So sánh giữa hai bộ lọc thì đáp ứng tần số

của bộ lọc LC có dạng ít dốc hơn về phía dải dải chắn, trong khi bộ lọc SAW có dạng

dựng đứng hơn. Tính chất của bộ lọc SAW rất thích hợp cho các ứng dụng điều khiển

từ xa, không dây, bộ chọn kênh TV, bộ thu phát sóng tần số cao bởi sẽ giảm thiểu hiện

tượng trùng phổ. Các ứng dụng trong các thiết bị điều khiển hiện nay, người ta chủ yếu

sử dụng bộ lọc SAW như:

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 31 - Ứng dụng điều khiển từ xa và điện tử tự động (Automotive Electronics and

Remote Control), các ứng dụng này dùng với các tần số trung tâm từ (100÷1.000) MHz,

dải thông từ (0,2 ÷ 2) MHz, độ suy hao < -30 (dB).

- Ứng dụng vệ tinh kỹ thuật số (Digital Satellite Broadcasting Receiver), tần

số trung tâm từ (400÷500) MHz, dải thông từ (6 ÷ 30) MHz, độ suy hao <-30 (dB).

- Ứng dụng định vị di động (GPS Mobile Communications), tần số trung tâm

từ (1,5÷2) GHz, dải thông từ (5÷40) MHz, độ suy hao < -30 (dB).

Hình 1-19 So sánh đáp ứng tần số của bộ lọc SAW và bộ lọc dải thông LC .

- Ứng dụng di động WLAN (WLAN Mobile Communications), tần số trung

tâm từ (200÷400) MHz, dải thông từ (20÷40) MHz, độ suy hao < -30 (dB).

- Ứng dụng điện thoại di động (Cellular Phone, Cordless Phone), tần số trung

tâm từ 400 (MHz) ÷ 2 (GHz), dải thông từ (2÷80) MHz, độ suy hao < -30 (dB).

- Cho ứng dụng truyền thông (Communication Equipment), tần số trung tâm từ

(30÷500) MHz, dải thông từ (3÷25) MHz, độ suy hao < -30 (dB).

Bộ lọc SAW thường có độ suy hao thấp khoảng dưới 30 (dB), độ lọc lựa cao

khoảng 75 (dB) giúp truyền tín hiệu với công suất tốt hơn. Bên cạnh đó bộ lọc SAW nổi

bật với việc hoạt động ổn định theo thời gian, không phải hiệu chỉnh lại, kích thước nhỏ

Trang 32 NCS. Trần Mạnh Hà

nhẹ (cỡ mm), dễ dàng sản xuất hàng loạt. Với kết cấu của các IDT có sự cân bằng theo

cấu tạo do vậy bộ lọc SAW thuận tiện cho việc cân bằng tín hiệu vào/ra và phối hợp trở

kháng.

Nhược điểm của bộ lọc SAW liên quan đến bản chất bộ lọc là vật liệu, công nghệ

chế tạo. Vật liệu áp điện dùng cho bộ lọc SAW là đế khối tinh thể có dạng: ST-Quartz,

LiNbO3, LiTaO3, do đặc trưng của vật liệu, vận tốc truyền sóng VR phụ thuộc vào việc

cắt gọt tinh thể. Do vậy việc chế tạo khối tinh thể đòi hỏi tính chính xác cao, quy trình

công nghệ chặt chẽ, máy móc hiện đại. Các vật liệu áp điện có giá thành khá cao là yếu

tố cần phải tính đến khi thiết kế bộ lọc SAW, ví dụ: bộ đế Thạch anh kích thước 100

(mm) x 350 (μm) có giá từ (52÷66) USD/tấm, X-Cut LiNbO3 với kích thước 3 (inch) x

0,5 (mm) có giá từ (92÷368) USD/tấm. Quy trình chế tạo bộ IDT cũng như toàn bộ cấu

trúc bộ lọc SAW đòi hỏi tính chính xác cao, quy định nghiêm ngặt về phòng sạch.

Trên thị trường hiện nay đế Thạch anh và đế 2 lớp loại màng mỏng (AlN/Si) so

với mặt bằng chung có giá thành rẻ hơn so với các đế loại khác, do đó trong khuôn khổ

của đề tài nghiên cứu này tôi đã lựa chọn các đế có vật liệu loại Thạch anh và đế 2 lớp

loại màng mỏng (AlN/Si) để thiết kế, mô phỏng và chế tạo.

1.4. Các phương pháp mô phỏng

Sau khi tìm hiểu bộ bộ lọc SAW về lý thuyết sóng âm bề mặt, phương thức truyền

sóng, cấu trúc của bộ lọc SAW và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của bộ lọc ở

phần trước. Mục tiêu tiếp theo ở phần này là mô hình hóa và mô phỏng bộ lọc SAW,

đây là bước tiếp theo cho việc đánh giá và chế tạo thiết bị thực tế.

Việc mô phỏng tái hiện được mô hình bộ lọc SAW từ lý thuyết, kết quả thu được

từ mô phỏng một mặt giúp người nghiên cứu hiểu rõ bản chất, nguyên lý các quá trình

xảy ra trong bộ lọc, mặt khác việc so sánh kết quả mô phỏng với kết quả tính toán lý

thuyết là rất quan trọng phục vụ cho việc chế tạo thực tế tiếp theo. Trong phần này sẽ

tiến hành trình bày các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng bộ lọc SAW, đồng thời

đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp để đưa ra lựa chọn phương pháp mô

phỏng thích hợp.

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 33

1.4.1. Phương pháp mô phỏng COM

Phương pháp ghép cặp các mốt riêng (COM - Coupling of Modes) là một phương

pháp được nghiên cứu phát triển từ lý thuyết truyền sóng ứng dụng trong truyền thông

và xử lý tín hiệu [54], [94]. Phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi từ những năm

1950 của thế kỷ trước đối với các bài toán liên quan đến quang học và điện tử. Mô hình

COM được sử dụng để mô hình hóa chế độ sóng âm bề mặt SAW được giới thiệu lần

đầu tiên bởi hai nhà khoa học Suzuki và Haus.

Mô hình COM dựa trên lý thuyết về lan truyền sóng cơ trong không gian môi

trường vật chất nhất định (trừ môi trường chân không) với chu kỳ xác định và biên độ

khác nhau. Các sóng sinh ra do dao động trên bề mặt vật chất (ví dụ như sóng âm bề

mặt) có thể suy hao hoặc cộng hưởng trong khi lan truyền là cơ sở lý thuyết của phương

pháp này.

Dựa vào việc phân tích lý thuyết và các phương trình vi phân mô tả phương pháp

COM đã trình bày ở phần trên ta có thể khái quát các bước chính với bài toán mô hình

thiết bị SAW bằng phương pháp ghép cặp các mốt riêng COM được thể hiện qua Lỗi!

Không tìm thấy nguồn tham chiếu.. Chúng ta có thể sử dụng mô hình COM trong

trường hợp cho các thiết bị SAW đơn giản và các cấu trúc với tham số phụ thuộc có lời

Mô hình hóa các dữ liệu vào tần số trung tâm f, vận tốc sóng âm..., cấu trúc IDT

Lập mạch điện tương đương gồm 3 cổng: 2 cổng, 1 cổng điện

Ghép các mạch điện và giải. Phân tích đáp ứng của thiết bị.

Hình 1-20 Khái quát các bước mô phỏng SAW theo phương pháp COM[54].

giải dạng đóng.

Trang 34 NCS. Trần Mạnh Hà Điều bất lợi khi sử dụng phương pháp COM là các tham số của phương pháp này

là một hàm số của cấu trúc và vật liệu. Để xây dựng được đáp ứng mong muốn khi thiết

kế cho thiết bị là một dải thì các cấu trúc (bao gồm các điện cực có chiều dài và chiều

rộng khác nhau) và chất nền cần được mô hình hoá. Do vậy, thiết bị (với các cấu trúc

khác nhau, chất nền khác nhau) sau khi được mô hình hóa, khi có bất cứ sự thay đổi nào

về các tham số đều cần phải thực hiện lại toàn bộ quá trình. Điều này sẽ dẫn đến quá

trình sản xuất thiết bị tiêu tốn rất nhiều thời gian, công sức và tài nguyên.

1.4.2. Mô hình mạch tương đương Mason

Mô hình mạch tương đương Mason là phương pháp quy đổi cấu trúc bộ lọc về

dạng tương đương RLC truyền thống [86], [95]. Cấu trúc delay line sử dụng nguyên lý

SAW trong đó hai bộ IDT được chuyển tương đương thành mạch điện với các thành

phần cơ bản: CT, Ga, Ba. Trong đó CT là điện dung tổng tương đương (total capacitance),

Ba(f) là độ cảm ứng âm (acoustic susceptance) và độ dẫn bức xạ Ga(f) (radiation

Hình 1-21 Mô hình mạch tương đương Masson cho cấu trúc delay line [86].

conductance). Mô hình mạch điện tương đương Mason được thể hiện như Hình 1-21.

Với bộ lọc SAW có cấu trúc delay line được thiết kế có các thông số như: fo là tần

số trung tâm, k là hệ số cặp áp điện, D là khoảng cách delay line tính theo bước sóng,

CS là điện dung của mỗi cặp điện cực, Np là số cặp điện cực (number of finger pairs).

(cid:2870)

(cid:2879)(cid:2920)(cid:3436)

(cid:3440)

(cid:2898)(cid:3174)(cid:2878)(cid:2888) (cid:2916)(cid:3173)

Đáp ứng tần số (hàm truyền) của bộ lọc SAW được tính theo công thức sau [86], [34]:

(cid:2870) (cid:3436)

(1.22) e (cid:3440) H(f) = 4k(cid:2870)C(cid:2929)f(cid:2925)N(cid:2926) sinx x

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 35 Từ công thức (1.22) chúng ta thấy đáp ứng của bộ lọc SAW là hàm cấu trúc có

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:3051)

(cid:3051)

dạng bậc 2 của hàm (cid:4672) (cid:4673). Trong đó thành phần x là một hàm số của số cặp điện cực

và tần số trung tâm của bộ lọc, x được xác định theo công thức [86]:

(1.23) x = N(cid:2926)π (f − f(cid:2925)) f(cid:2925)

Thông thường, đáp ứng tần số được chuẩn hóa theo công thức [86]:

(1.24) H(cid:2924)(f) = 20 log(|H(f)|)

Phần thực độ dẫn nạp IDT được goi là độ dẫn bức xạ, được tính theo công thức

(cid:2870)

[86]:

(cid:2870) (cid:3628) G(cid:2911)(f) = 8k(cid:2870)C(cid:2929)H(cid:2911)f(cid:2925)N(cid:2926)

(1.25) (cid:3628) sin x x

Trong đó Ha là chiều dài độ chồng lấn của các điện cực, để đơn giản thì độ dẫn bức

xạ được chuẩn hóa bằng công thức:

(1.26) G(cid:2924)(f) = G(cid:2911)(f) G(cid:2911)(f(cid:2925))

Yếu tố thứ ba của mô hình là phần ảo của độ dẫn nạp IDT và được gọi là bộ cảm

ứng âm. Đây là hiện tượng sóng âm được mô hình hóa như một tham số điện. Công thức

tính giá trị độ cảm ứng âm được tính theo hàm truyền Hilbert:

(1.27) B(cid:2911)(f) = G(cid:2911)(f(cid:2925)) sin(2x) − 2x 2x(cid:2870)

Giá trị độ cảm ứng âm được chuẩn hóa sử dụng độ dẫn bức xạ khi độ cảm ứng âm

tại tần số trung tâm bằng:

(1.28) B(cid:2924)(f) = B(cid:2911)(f) G(cid:2911)(f(cid:2925))

Độ dẫn nạp tổng (total admittance) được tính theo công thức sau:

(1.29) Y = G(cid:2911) + j(2πfC(cid:2904) + B(cid:2911))

Trong đó điện dung tổng của IDT bằng tích của điện dung mỗi điện cực và số cặp

điện cực và độ chồng lấn:

(1.30) CT = CsHaNp

Với Ha được tính như sau:

Trang 36 NCS. Trần Mạnh Hà

(cid:2870)

(4k(cid:2870)N(cid:2926)) (cid:4678) (cid:4679) H(cid:2911) = (1.31) 1 R(cid:2919)(cid:2924) 1 2f(cid:2925)C(cid:2929)N(cid:2926) + π(cid:2870) (cid:3435)4k(cid:2870)N(cid:2926)(cid:3439)

Trở kháng của bộ IDT vào:

Z(f) = (1.32) 1 (G(cid:2911) + j(cid:3435)2πfC(cid:2904) + B(cid:2911)(f)(cid:3439))

Nếu ta thiết kế các thông số của bộ IDT vào giống với bộ IDT ra thì giá trị điện

dung tổng, bộ cảm ứng âm và độ dẫn bức xạ của hai mạch tương đương là bằng nhau.

Độ suy hao (IL- Insertion Loss) được tính theo công thức:

(cid:2870)

(cid:2870)(cid:3433)

2G(cid:2911)(f)R(cid:2917) IL(f) = −10 log (cid:3429) (1.33) (cid:3435)1 + G(cid:2911)(f)R(cid:2917)(cid:3439) + (cid:3427)R(cid:2917)(2πfC(cid:2904) + B(cid:2911)(f))(cid:3431)

Giá trị Độ suy hao bé nhất xảy ra khi tần số f = fo (tần số cộng hưởng).

Nhìn vào các công thức tính toán trên, chúng ta thấy được rằng phương pháp mô

hình tương đương có nhược điểm lớn nhất là cần phải xác định được tần số trung tâm

khi tính toán do đó sẽ dẫn đến thiếu khách quan khi đánh giá. Phương pháp này chỉ phù

hợp khi đánh giá nhanh một số đáp ứng khi biết tần số cộng hưởng. Ngoài ra, do thực

hiện việc quy đổi cấu trúc bộ lọc thành các mạch RLC sẽ gây ra nhiều sai số lớn do quá

trình quy đổi các giá trị tương đương.

1.4.3. Phương pháp phần tử hữu hạn

Cơ sở lý thuyết về việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite

Element Method) trong bài toán mô phỏng bộ lọc SAW dựa vào bản chất của vật liệu

áp điện, việc phân tích các tham số của vật liệu áp điện chính là các tham số truyền vào

cho hệ phần tử hữu hạn khi thực hiện mô phỏng [36], [96], [97], [98], [99], [100].

Phương pháp phần tử hữu hạn xuất phát từ nhu cầu giải quyết những vấn đề phức

tạp về phân tích cấu trúc và độ đàn hồi trong xây dựng và kỹ thuật hàng không. Phương

pháp này được phát triển nhờ đóng góp rất lớn từ A.Hrennikoff và R.Courant. Mặc dù

các phương pháp tiếp cận của hai nhà khoa học là khác nhau nhưng họ cùng thực hiện

các bước cơ bản như: chia nhỏ, phần tử hóa, rời rạc một miền liên tục thành tập hợp các

miền rời rạc nhỏ hơn. A.Hrennikoff rời rạc hóa miền xác định bằng cách sử dụng các

mắt lưới giống nhau trong khi R.Courant tiến hành chia miền đó thành các miền nhỏ

hữu hạn các tam giác để giải quyết phương trình vi phân riêng phần bậc hai elip khi giải

quyết các bài toán xác định độ cứng, độ xoắn của một hình trụ.

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 37 Sự chia nhỏ toàn bộ miền xác định thành các phần nhỏ giúp biểu diễn chính xác

hình học phức tạp bao gồm các đặc tính vật liệu khác nhau, cũng như dễ dàng biểu diễn

các phép giải hoàn toàn cho các hiệu ứng cục bộ, bộ phận ở kết quả.

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài

toán thành nhiều miền con (phần tử) được liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên những

miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên

các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện biên cùng với sự cân bằng và liên

tục giữa các phần tử.

Về mặt toán học, phương pháp FEM được sử dụng để giải gần đúng bài toán

phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương trình tích phân. Lời giải gần đúng

được đưa ra dựa trên việc chuyển PTVPTP (sau khi chia thành các miền nhỏ hữu hạn)

sang một phương trình vi phân thường tương đương. Bài toán được giải bằng cách sử

dụng phương pháp sai phân hữu hạn. Chia nhỏ miền xác định cần tính toán tạo thành

các tập các miền nhỏ hơn, mỗi miền nhỏ được biểu diễn bằng tập các phương trình phần

tử tới các vấn đề toàn cục. Hệ thống kết hợp lại bao gồm tập hợp các phương trình phần

tử vào hệ thống tổng thể của phương trình cho tính toán cuối cùng. Phương trình tổng

thể của hệ thống được biết đến thông qua phương pháp giải được tính toán từ các giá trị

khởi tạo ban đầu tới khi đạt được kết quả số.

Một đặc trưng của Phương pháp FEM đó là một phương pháp số ổn định, tức là

những sai số ở đầu vào và các bước tính toán trung gian sẽ không cộng dồn gây ra sai

số ở kết quả. Đầu tiên xem xét xấp xỉ phương trình phức tạp ban đầu thành những

phương trình riêng, thông thường trong các phương trình cơ bản ban đầu là phương trình

vi phân riêng phần (PDE). Các sai số do việc lấy xấp xỉ được tối thiểu hóa bằng cách

khớp các hàm tam giác vào trong phương trình vi phân riêng phần. Phần còn lại (phần

dư) là sai số gây ra bởi hàm tam giác và hàm trọng lượng đa hình xấp xỉ. Quá trình xử

lý loại trừ ra tất cả phần không gian phát sinh từ phương trình vi phân riêng phần, do

vậy xấp xỉ cục bộ phương trình riêng phần với một hệ phương trình đại số ở trạng thái

ổn định và Hệ các phương trình vi phân thường thực hiện nhanh chóng.

Hệ phương trình này bao gồm những phương trình phần tử, chúng tuyến tính nếu

phương trình vi phân riêng phần là tuyến tính và ngược lại. Hệ các phương trình đại số

được giải thông qua sử dụng phương pháp đại số tuyến tính, trong khi Hệ các phương

Trang 38 NCS. Trần Mạnh Hà

trình vi phân thường được giải bằng phương pháp tích phân số sử dụng phương pháp

Euler hoặc phương pháp Runge-Kutta.

Phương pháp FEM được thực hiện tiếp theo thông qua công cụ phân tích phần tử

hữu hạn (FEA). Công cụ phân tích phần tử hữu hạn bao gồm kỹ thuật chia lưới nhằm

chia một vấn đề phức tạp thành nhiều phần tử nhỏ, cũng như sử dụng phần mềm lập

trình với thuật toán FEM. Khi chia các phần nhỏ của vấn đề phức tạp thể hiện những

miền khác nhau trong một hệ vật lý.

Đặc điểm nổi bật nhất của phương pháp FEM là khả năng xử lý những dạng hình

học hoặc biên phức tạp theo cách tương đối dễ dàng. Trong khi phương pháp sai phân

hữu hạn (FDM) bị hạn chế bởi khá năng xử lý hình dạng chữ nhật và sự thay đổi đơn

giản, việc xử lý các dạng hình học trong FEM về lý thuyết mà nói là đơn giản. Với sự

hỗ trợ từ phần mềm ANSYS, phương pháp mô phỏng FEM đã trở thành một công cụ

hiệu quả trong việc mô phỏng các bài toán, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để

tìm kết quả, mô phỏng các cấu trúc vật liệu thực tế.

Qua tổng hợp, phân tích từng phương pháp mô hình, đánh giá ưu nhược điểm và

mức độ sử dụng trên thế giới, NCS đã lựa chọn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

để tiến hành mô phỏng bộ lọc SAW. Việc mô phỏng trên máy tính và trích xuất kết quả

được thực hiện bằng phần mềm ANSYS. Phương pháp mô phỏng bộ lọc SAW bằng

phần tử hữu hạn và phần mềm ANSYS có ưu điểm hơn so với các phương pháp khác là

đơn giản hóa các bước tính toán cho người nghiên cứu. Phương pháp này cho phép thiết

kế trực tiếp trực tiếp cấu trúc bộ lọc bất kỳ, đúng với tham số hình thái cấu trúc của bộ

IDT mong muốn. Tiến trình chuẩn bị bộ tham số vật liệu không phức tạp. Kết quả quan

sát được dạng sóng, đáp ứng tần số khá chính xác với thực nghiệm.

1.5. Các kỹ thuật chế tạo

Chế tạo các điện cực của bộ lọc SAW hiện nay có nhiều phương pháp như: Kỹ

thuật quang khắc, Liff-off, Ăn mòn kim loại -Etching, LIGA. Mỗi phương pháp có các

yêu cầu riêng về vật liệu được sử dụng tương ứng, các điều kiện về nhiệt độ, nguồn

chiếu sáng, thời gian chiếu sáng, thời gian ăn mòn,... Nội dung này đã được trình bày

chi tiết trong Chuyên đề số 2.3 của Đề tài khoa học và công nghệ cấp Bộ Công Thương

số ĐTKHCN.026/15.

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 39 Khi lựa chọn phương pháp chế tạo, ngoài việc áp dụng các phương pháp phù hợp,

chúng ta cũng phải xem xét dựa trên công nghệ hiện có và khả năng tiếp cận. Công nghệ

chế tạo các bộ IDT là công nghệ hiện đại, đòi hỏi nghiêm ngặt về quy trình, tiêu chuẩn

áp dụng nên không phải dễ dàng tiếp cận. Tuy nhiên, trong khuôn khổ luận án, chúng ta

vẫn sẽ xem xét một số phương pháp khác nhau để chế tạo các bộ IDT.

Quang khắc (X-Ray lithography)

Tia X Mặt nạ Polymer (PMMA) Silic (hoặc kim loại)

Hiện hình (Polymer developing)

Kim loại tạo khuôn

Lắng đọng điện hóa Mạ điện (electroplating)

Khuôn kim loại

Tạo khuôn bằng cách tẩy bỏ đế Silic và khuôn polymer định dạng (etching)

Vật liệu đúc

Thực hiện đúc (molding)

Thành phẩm (Tẩy bỏ hoặc thu hồi khuôn kim loại)

Hình 1-22 Quy trình tổng quát trong phương pháp X-Ray LIGA [84]

1.5.1. Phương pháp LIGA

Phương pháp LIGA được phát triển bởi trung tâm nghiên cứu Karlsruhe của Cộng

hòa Liên bang Đức từ năm 1980. Phương pháp LIGA là phương pháp chế tạo các vi cấu

trúc 3 chiều trên bề mặt đế Si, bao gồm 3 kỹ thuật chính: kỹ thuật quang khắc

(Lithography), kỹ thuật lắng đọng điện hóa (Electroplating), kỹ thuật tạo khuôn đúc

(Molding). Có 02 công nghệ chế tạo LIGA chính là X-Ray LIGA (sử dụng bằng tia X

quang) và UV LIGA (sử dụng tia cực tím).

Việc chế tạo các sản phẩm theo phương pháp LIGA có các đặc điểm nổi bật sau:

Cho phép tạo cấu trúc có chiều cao khoảng hàng trăm μm đến mm và chiều ngang vẫn

chỉ khoảng μm hoặc nhỏ hơn; Vật liệu đa dạng gồm: Polymer (PMMA), kim loại, gốm

áp điện, điện môi…; Giá thành để sản xuất thì đắt đỏ so với các phương pháp khác.

Trang 40 NCS. Trần Mạnh Hà Theo quy trình chế tạo, phương pháp LIGA có 02 loại tuy nhiên trong khuôn khổ

của đề tài này chỉ đưa ra quy trình chế tạo loại X-Ray LIGA do đây là phương pháp đem

lại hiệu suất cao. Quy trình chế tạo loại X-Ray LIGA có 6 bước chính như Hình 1-22

bao gồm: (1) Quang khắc bằng tia X (X-ray lithograpy); (2) Hiện hình (polymer

developing); (3) Lắng đọng điện hóa (electroplating); (4) Tạo khuôn bằng cách tẩy bỏ

Silic và polymer (etching); (5) Thực hiện kỹ thuật đúc (molding); (6) Tạo thành phẩm

cuối cùng.

1.5.2. Kỹ thuật quang khắc, liff-off, etching

Ánh sáng chiếu

Mặt nạ

Lớp cảm quang

Lớp màng mỏng

Đế

Lớp cảm quang âm

Lớp cảm quang dương

Hình ảnh khắc sau khi ăn mòn

Hình 1-23 Quy trình tổng quát thực hiện quang khắc kết hợp với ăn mòn[84]

a. Kỹ thuật quang khắc

Quang khắc (tên tiếng anh là: Photolithography, Optical lithography, UV

lithography) là phương pháp chế tạo sản phẩm vi cơ điện tử trên đế thể rắn (The bulk of

a substrate) hoặc màng mỏng (thin film). Phương pháp này sử dụng các chùm ánh sáng

để tạo dạng hình học mong muốn trên đế thể rắn (đế khối) hoặc trên màng mỏng.

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 41 Chế tạo thực hiện theo phương pháp quang khắc gồm 5 bước như sau: (1) Làm

sạch đế áp điện; (2) Phủ lớp nhạy sáng; (3) Chiếu sáng (thường dùng UV) sử dụng mặt

nạ để tạo cấu trúc như thiết kế; (4) Phủ màng kim loại IDT; (5) Loại bỏ lớp nhạy sáng.

Kỹ thuật quang khắc được sử dụng cùng với kỹ thuật lift-off và kỹ thuật ăn mòn

trực tiếp kim loại (Etching) khi chế tạo bộ lọc.

b. Kỹ thuật lift-off

Lift-off (nghĩa tương ứng của tiếng Việt là nhấc ra, nâng lên. Do không có từ kỹ

thuật tương ứng nên để nguyên trong các tài liệu kỹ thuật tiếng Việt), một công đoạn

trong công nghệ vi chế tạo, được ứng dụng để tạo vi cấu trúc (họa tiết) của một vật liệu

đích trên đế thể rắn (ví dụ đế Silic) sử dụng vật liệu hy sinh (ví dụ: chất cảm quang).

Đây là kỹ thuật bồi đắp (tiếp cận bottom-up) trong chế tạo linh kiện và cấu trúc, không

giống như kỹ thuật ăn mòn (theo tiếp cận top-down) trong vi điện tử và MEMS.

Để thực hiện kỹ thuật này, đầu tiên người ta phải tạo ra một lớp vật liệu hy sinh có

cấu trúc đảo so với cấu trúc sẽ được chế tạo (trong luận án này vật liệu hy sinh là chất

cảm quang) trên bề mặt đế áp điện. Sau đó, bằng công đoạn chiếu sáng dưới tia UV (sử

dụng mặt nạ) và rửa trong chất hiện hiện hình (developing), chất cảm quang ở những

vùng mà người ta mong muốn chế tạo vật liệu đích sẽ được tẩy bỏ.

Công đoạn tiếp theo của quy trình này là lắng đọng (thường là lắng đọng vật lý)

vật liệu đích trên toàn bộ bề mặt đế áp điện (đã được tạo hình với chất cảm quang). Theo

đó, vật liệu đích sẽ bám vào bề mặt đế áp điện cũng như phủ lên trên bề mặt vật liệu hy

sinh (cảm quang).

Sau quy trình này, lớp vật liệu hy sinh bị tẩy bỏ bởi dung môi (ví dụ chất cảm

quang bị tẩy bỏ nhờ dung dịch a-xê-tôn với sự trợ giúp của siêu âm) mang theo lớp vật

liệu đích lắng đọng phía trên. Sau công đoạn này, trên bề mặt đế áp điện chỉ còn lại vật

liệu đích được tạo hình như trong thiết kế.

Kỹ thuật Lift-off được sử dụng phần lớn để tạo ra tiếp xúc kim loại trong vi mạch

và cũng phù hợp với mục đích của quá trình chế tạo SAW.

Trang 42 NCS. Trần Mạnh Hà

1. Đế áp điện

Đế áp điện

2. Phủ lớp cảm quang

Đế áp điện

Tia chiếu sáng UV

(P.R)

Mask

Đế áp điện

3. Đặt mặt nạ (Mask) và chiếu sáng

Lớp cảm quang (P.R)

4. Developing

Đế áp điện

Nhôm (Al)

5. Lắng đọng phủ vật liệu đích (Al)

Đế áp điện

Điện cực Nhôm (Al)

6. Liff-off

Đế áp điện

Hình 1-24 Quy trình chế tạo theo kỹ thuật Liff-off

c. Kỹ thuật Ăn mòn trực tiếp kim loại (Etching)

Kỹ thuật ăn mòn là kỹ thuật sử dụng các dung dịch hóa học để loại bỏ chất cảm

quang và màng IDT của thiết bị SAW. Tùy thuộc vào vật liệu làm IDT, vật liệu làm chất

cảm quang và vật liệu đế nền mà chúng ta sẽ sử dụng dung dịch ăn mòn khác nhau. Kỹ

thuật ăn mòn có thể phân loại theo các dạng khác nhau như: theo loại hình ăn mòn (ăn

mòn dị hướng, ăn mòn đẳng hướng và ăn mòn trực tiếp ) hoặc theo hình thức ăn mòn

(ăn mòn vật lý, ăn mòn hóa học).

Ăn mòn vật lý là hiện tượng phiến đế bị bắn phá bởi các ion trong môi trường

Plasma. Ăn mòn là kết quả của quá trình truyền xung lượng các ion chuyển động định

hướng có gia tốc vào nguyên tử đế. Quá trình này có tính dị hướng và cùng các đặc

trưng, bản chất sự ăn mòn này hoàn toàn là do hiện tượng vật lý.

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 43

B1. Đế áp điện được làm sách

Đế áp điện

Lớp kim loại

B2. Phủ lớp màng kim loại IDT

Đế áp điện

Lớp cảm quang

B3. Phủ lớp cảm quang

Đế áp điện

B4. Quang khắc tạo hình IDT

Đế áp điện

B5. Ăn mòn (Khô hoặc ướt)

Đế áp điện

B7. Loại bỏ lớp cảm quang

Đế áp điện

Hình 1-25 Quy trình thực hiện kỹ thuật ăn mòn

Ăn mòn hóa học là do chuỗi phản ứng hóa học xảy ra giữa các chất (chuỗi phản

ứng giữa vật ăn mòn và vật bị ăn mòn), bản chất sự ăn mòn này hoàn toàn là phản ứng

hóa học. Ăn mòn hóa học là dạng được sử dụng nhiều nhất trong quá trình chế tạo các

thiết bị vi cơ điện tử nói chung và thiết bị SAW nói riêng. Trong ăn mòn hóa học người

ta cũng chia ra thành hai loại là: ăn mòn ướt và ăn mòn khô. Ăn mòn khô đòi hỏi trong

quá trình sản xuất các sản phẩm nhỏ với kích thước dưới 100 (nm), giá thành cao, khó

khăn trong quá trình thực hiện.

Hình 1-25 thể hiện kỹ thuật ăn mòn gồm 6 bước như sau: (1) Làm sạch đế áp điện;

(2) Phủ màng kim loại IDT; (3) Phủ lớp cảm quang; (4) Quang khắc tạo hình cấu trúc

IDT; (5) Ăn mòn lớp IDT; (6) Tẩy lớp cảm quang.

Trang 44 NCS. Trần Mạnh Hà Các bước thực hiện và kết quả thu được sau mỗi quá trình của kỹ thuật ăn mòn

được chi tiết trong sơ đồ thể hiện ở trên. Căn cứ vào cơ sở hiện tại của Viện ITIMS thì

NCS đã lựa chọn việc chế tạo các bộ lọc SAW sử dụng kỹ thuật ăn mòn ướt. Lý do của

việc lựa chọn phương pháp này là phù hợp với vật liệu điện cực IDT là Nhôm (Al) trong

quá trình chế tạo. Quá trình Liff-off dễ có hiện tượng vật liệu Nhôm (Al) ảnh hưởng đến

lớp cảm quang, ngoài ra Nhôm (Al) dễ dàng ăn mòn hơn.

Chương 1 đã trình bày tổng quan bản chất vật lý của hiện tượng sóng âm bề mặt

liên quan đến nguyên lý hoạt động cơ bản của bộ lọc SAW. Bộ lọc SAW với tất cả các

ưu điểm đã phân tích trong chương này như: hình dạng kích thước có cấu trúc mỏng nhẹ

phù hợp cho việc chế tạo vi cảm biến, về tính chất có độ dốc lớn, độ suy hao thấp, độ

lọc lựa cao gần với đáp ứng của bộ lọc lý tưởng hơn hẳn các bộ lọc tương tự khác, ngoài

ra với phạm vi hoạt động ở dải tần số cao cỡ MHz đến 3 (GHz) là hoàn toàn phù hợp

với dải tần số vô tuyến và đối tượng nghiên cứu của luận án này. Phần này cũng đã phân

tích các thông số liên quan đến chất lượng bộ lọc, đưa chỉ tiêu để bước đầu đánh giá các

bộ lọc trong quá trình nghiên cứu và thiết kế. Các thông số sẽ được đánh giá, so sánh

thông qua các chỉ tiêu về chất lượng như: Độ lọc lựa, Độ chọn lọc và Độ suy hao.

Tuy nhiên như đã phân tích, tần số trung tâm của bộ lọc SAW liên quan đến vận

tốc truyền sóng của vật liệu áp điện sử dụng để chế tạo bộ lọc SAW đồng thời vận tốc

truyền sóng này phụ thuộc vào việc cắt gọt tinh thể áp điện đòi hỏi tính chính xác cao,

quy định nghiêm ngặt về phòng sạch, giá thành mua các vật liệu này khá cao dẫn đến

bài toán cân bằng giữa nguyên lý và kinh tế. Do đó, NCS đã xác định được phương pháp

và lộ trình nghiên cứu của luận án gồm hai nội dung chính sau:

- Tính toán, thiết kế, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm bộ lọc SAW làm tiền đề

cho việc chế tạo thiết bị thử nghiệm (bộ điều khiển từ xa – theo đề tài cấp Bộ).

- Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng bộ lọc SAW bằng cách thay đổi

các yếu tố cấu trúc của bộ lọc SAW.

Để tiến hành mô phỏng, Chương 1 cũng đã tiến hành xem xét, đánh giá các phương

pháp mô phỏng hiện có để từ đó lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô

phỏng quá trình thiết kế bộ lọc SAW dưới sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS. Chương 2,

NCS sẽ trình bày chi tiết việc tính toán, thiết kế, mô phỏng để kiểm tra thiết kế rồi đưa

đi chế tạo bộ lọc SAW, đo đạc các thông số để so sánh đánh giá giữa kết quả mô phỏng

và kết quả thực nghiệm. Sau đó là chế tạo thiết bị sử dụng thử nghiệm bộ lọc SAW này.

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 45

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO BỘ LỌC SAW

Trong chương này NCS sẽ trình bày cụ thể bài toán, quá trình lựa chọn, tính toán,

thiết kế, mô phỏng kiểm chứng và chế tạo, thử nghiệm sản phẩm bộ lọc SAW cho ứng

dụng trong bộ điều khiển từ xa (đây là sản phẩm của đề tài cấp Bộ Công Thương do

NCS và nhóm nghiên cứu thực hiện).

2.1. Bài toán thiết kế

2.1.1. Cơ sở lựa chọn bài toán thiết kế

Bộ lọc SAW đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn ở thị trường trong nước và

thế giới nên việc lựa chọn các tham số mục tiêu để chế tạo bộ lọc SAW được NCS xác

định dựa trên việc tìm hiểu, tham khảo, so sánh với các sản phẩm của các hãng sản xuất

linh kiện trên thế giới. Trong khuôn khổ luận án, việc tìm hiểu thông số kỹ thuật của bộ

lọc SAW tập trung cho ứng dụng truyền thông không dây, các sản phẩm chế tạo thực

tiễn chủ yếu cho ứng dụng này của các hãng sản xuất trên thế giới có thông số chính

như cho ở Bảng 3.

Từ bảng thông số trên ta thấy trong ứng dụng truyền thông không dây, bộ lọc SAW

có các thông số chính là: tần số trung tâm từ (120÷130) MHz, dải thông từ (0,1÷2) MHz,

Bảng 3 Một số sản phẩm thực tế chíp SAW thụ động của các hãng sản xuất

Hãng

Mã sản phẩm

Ứng dụng

Dải thông (MHz)

Độ suy hao (dB)

Tần số trung tâm (MHz)

TB0763A

120

0,15

-20

Wireless Communication

TST

TB0467A

125

0,3

-13,5

Wireless Communication

(www.taisaw.com)

TB0682A

130,06

0,16

-16

Wireless Communication

TFS120E

120

0,20

-3

Communication Systems

độ suy hao < -30 (dB), đây là những thông số chính cho bài toán thiết kế của luận án.

Trang 46 NCS. Trần Mạnh Hà

Hãng

Mã sản phẩm

Ứng dụng

Dải thông (MHz)

Độ suy hao (dB)

Tần số trung tâm (MHz)

TFS121B

121,05

0,05

-3

Military

Vectron (www.vectron.com)

TFS121

121,5

0,05

-5

TFS125B

125

-3

0,3

TFS125C

125

-8

0,3

TFS125D

125

-8

0,4

TFS125L

125

-7

0,4

Communication Systems Communication Systems Communication Systems Communication Systems Communication Systems

125

SF125014A

1,25

-5,51

Wireless Communication

Filtronetics (www.filtro.net)

125

SF125014

1,35

-6,5

Wireless Communication

AREE0106

108,2

-

-4

Wireless Communication

Amplitronix (www.amplitronix. com)

2.1.2. Bài toán thiết kế

Trên cơ sở tìm hiểu trên, chúng tôi đặt ra bài toán thiết kế bộ lọc SAW ứng dụng

cho bộ điều khiển không dây có các thông số chính như sau:

+ Tần số trung tâm: 127 (MHz);

+ Dải thông: < 2 (MHz);

+ Độ suy hao < -30 (dB);

+ Nhiệt độ làm việc < 80oC;

+ Độ trôi tần số theo nhiệt độ: < -50 (ppm/oC);

+ Trở kháng: < 200 (Ω);

+ Hệ số hiệu suất chuyển đổi điện cơ K2 < 1;

Sau đây là Quy trình thiết kế, mô phỏng và chế tạo bộ lọc SAW mà NCS sử dụng

trong luận án này.

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 47

2.1.3. Quy trình thiết kế, chế tạo bộ lọc SAW

Sau khi xác định xong các thông số kỹ thuật của bộ lọc SAW, quá trình thiết kế,

chế tạo sẽ thực hiện theo các bước sau:

- Lựa chọn đế áp điện (vật liệu, cấu trúc, …);

- Lựa chọn cấu trúc bộ lọc;

- Tính toán các IDT (số lượng, kích thước, khoảng cách, …);

- Mô phỏng đánh giá các thông số của bộ lọc (giữ nguyên các thông số thiết kế,

điều chỉnh các thông số của IDT), chọn cấu hình khi kết quả mô phỏng bộ lọc đạt được

các thông số yêu cầu một cách tốt nhất để chế tạo;

- Chế tạo bộ lọc theo các thông số đã chọn từ mô phỏng;

- Đo kiểm, đánh giá các thông số của bộ lọc sau khi chế tạo;

- Chế tạo sản phẩm sử dụng bộ lọc đã chế tạo và kiểm tra, đánh giá hoạt động của

sản phẩm (bộ điều khiển xa không dây).

2.2. Thiết kế, chế tạo bộ lọc SAW

Theo quy trình thiết kế đưa ra ở mục 2.1.3, chúng ta lựa chọn các thông số cần đạt

của bộ lọc SAW theo đầu bài được mô tả tại mục 2.1.2.

Bộ lọc SAW có kích thước vật lý: 4 chân (4 pins); Kích thước: 1 (cm) x 3 (cm).

Trong quá trình thiết kế bộ lọc, NCS sẽ lựa chọn đế áp điện, cấu trúc bộ lọc sau đó

tính toán các thông số của IDT theo các yêu cầu của bộ lọc đã được nêu ở trên.

Đế áp điện cho bộ lọc SAW là loại màng mỏng AlN trên nền đế Silic [102], đây là

các sản phẩm thương mại sẵn có trên thị trường của tập đoàn MTI (Tập đoàn sản xuất

đa lĩnh vực của Hàn Quốc có địa chỉ http://mtikorea.co.kr), đế có các kích thước là 4

(inch) x 500 (nm).

2.2.1. Nội dung thiết kế [101]

a. Tham số cấu trúc lớp nền

Với cấu trúc của loại đế màng mỏng có bề dày rất mỏng do đó thường được thiết

kế gắn trên một lớp nền. Khi mô phỏng và chế tạo với dạng đế màng mỏng thì chúng ta

cần phải tính toán đến chất liệu và thông số của lớp nền. Đối với đế áp điện màng mỏng

AlN thường được gắn trên lớp nền là đế Silic (Si).

Trang 48 NCS. Trần Mạnh Hà Tham số của vật liệu Silic (Si) như sau: Khối lượng riêng là 2.330 (kg/m3); Tỉ số

Poisson là 0,25.

- Ma trận đàn hồi:

(cid:4720) 0 0 0 0 0 0 0,64e(cid:2869)(cid:2869) 1,66e(cid:2869)(cid:2869)

(cid:4720) (cid:4720) 0 0 0,80e(cid:2869)(cid:2869) 1,66e(cid:2869)(cid:2869) 0,64e(cid:2869)(cid:2869) 0,64e(cid:2869)(cid:2869) 0 (cid:4720) 0 0 0 0,80e(cid:2869)(cid:2869) 0 0,64e(cid:2869)(cid:2869) 0,64e(cid:2869)(cid:2869) 0 1,66e(cid:2869)(cid:2869) 0 0,64e(cid:2869)(cid:2869) 0 0,80e(cid:2869)(cid:2869) 0 0 0 0 0 0 0 0

- Ma trận hằng số điện môi:

(cid:3429) (cid:3433) 11,7 0 0 0 11,7 0 0 0 11,7

b. Lựa chọn đế áp điện màng mỏng

Vật liệu AlN được lựa chọn bởi những ưu điểm như: tính chất áp điện tốt, vận tốc

truyền sóng âm bề mặt cao VAlN= 5.150 (m/s), chịu được nhiệt độ cao, độ ổn định và

cho đáp ứng tần số có băng thông rộng phù hợp với tiêu chí của bộ lọc.

Tham số chi tiết của vật liệu AlN như sau: Khối lượng riêng là 3.260 (kg/m3); Tỉ

số Poisson là 0,22;

- Ma trận đàn hồi:

(cid:4720) (cid:4720) 0 0 0 0 0 0 1,20e(cid:2869)(cid:2869) 3,95e(cid:2869)(cid:2869)

(cid:4720) 0 0 1,1e(cid:2869)(cid:2869) 3,45e(cid:2869)(cid:2869) 1,45e(cid:2869)(cid:2869) 1,20e(cid:2869)(cid:2869) 0 (cid:4720) 0 0 1,45e(cid:2869)(cid:2869) 1,20e(cid:2869)(cid:2869) 3,45e(cid:2869)(cid:2869) 1,20e(cid:2869)(cid:2869) 0 0 0 0 0 0 0 1,18e(cid:2869)(cid:2869) 0 0 0 0 1,18e(cid:2869)(cid:2869) 0 0

- Ma trận hằng số điện môi:

(cid:3433) 8,5 0 (cid:3429) 0 0 8,5 0 0 0 8,5

- Ma trận áp điện:

0 0 0 0

−0,45 0 ⎤ ⎡ 0 −0,45 ⎥ ⎢ 0 1,55 ⎥ ⎢ −0,48 0 ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ −0,48 0 0 0 0⎦ ⎣ 0

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 49

c. Lựa chọn cấu trúc bộ lọc

Trong thiết kế này chúng tôi lựa chọn bộ lọc SAW có cấu trúc đối xứng như hình

Hình 2-1 Hình ảnh mặt cắt ngang và các tham số của bộ lọc SAW [101][86]

vẽ sau.

Cấu trúc bộ lọc SAW là loại delay-line, có kết cấu đối xứng, các thông số của bộ

lọc SAW được tính toán ở phần tiếp theo.

d. Tính toán các tham số của IDT

Hình 2-1 (a) và (b) lần lượt thể hiện mặt cắt ngang của bộ lọc SAW và các tham

số kích thước của bộ IDT. Trong đó h1, h2 lần lượt là độ dày lớp đế Si và độ dày lớp áp

điện AlN, L là chiều dài bộ lọc, Np là số điện cực ở mỗi bộ IDT, W là độ chồng lấn điện

Bảng 4 Tham số kích thước cho bộ lọc SAW đế áp điện màng mỏng

Np

h1 (μm)

h2 (nm)

L (mm)

λ = 4d (μm)

Din=7λ (μm)

W= 58λ (μm)

M1=W+2λ (μm)

M2=M1+4λ (μm)

M3=M2+8λ (μm)

500

500

10

40

70

280

2.320

2.400

2.560

2.880

cực và Din là khoảng cách giữa 02 bộ IDT đầu vào và đầu ra.

Với tần số trung tâm mong muốn là 127 (MHz), độ rộng điện cực IDT được tính

toán theo công thức (2.1):

5.150 f = → d = = V(cid:2903)(cid:2885)(cid:2907) 4d V(cid:2903)(cid:2885)(cid:2907) 4f 4x127x10(cid:2874) = 10,3 (μm)

Từ tính toán trên, chúng ta lựa chọn d = 10 (μm), các tham số kích thước của bộ

lọc SAW được trình bày trong Bảng 4.

(cid:2976)

(cid:2976)

Số điện cực của bộ IDT được tính toán dựa trên công thức (1.15):

(cid:2921)(cid:3118) = (cid:3495)

(cid:2868),(cid:2868)(cid:2868)(cid:2868)(cid:2875)

≈ 66,99. N(cid:2925)(cid:2926)(cid:2930) = (cid:3495)

Trang 50 NCS. Trần Mạnh Hà Với k2 là hệ số cặp điện – cơ của vật liệu màng mỏng áp điện AlN (k2 = 0,0007

đối với màng mỏng áp điện AlN) [103], từ kết quả trên chọn số điện cực Np = 70. Chúng

ta có bảng tham số kích thước của bộ lọc SAW như ở Bảng 4.

Vật liệu làm điện cực được lựa chọn dựa trên một số tính chất như độ bám dính bề

mặt, điểm sôi, điện trở suất và giá thành. Trong đó, độ bám dính bề mặt thể hiện sự liên

kết giữa điện cực IDT và bề mặt áp điện. Điểm sôi của vật liệu là thông số để xác định

các quá trình được sử dụng cho việc lắng đọng vật liệu trên đế áp điện, vật liệu có điểm

sôi thấp cho phép quá trình bốc hơi nhiệt đơn giản hơn, xử lý nhanh hơn và chi phí chế

tạo rẻ hơn. Dựa trên các tính chất trên Bảng 1, vật liệu Nhôm (Al) với độ bám dính bề

mặt tốt, điện trở suất 2,65 (μΩ-cm), điểm sôi 2.792oK và giá thành rẻ là lựa chọn phù

hợp nhất cho vật liệu làm điện cực IDT.

e. Thực hiện mô phỏng

Hiện nay bài toán mô phỏng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn có hai phần

mềm hỗ trợ là ANSYS và COMSOL trong đó ANSYS cho phép hỗ trợ người dùng nhiều

hơn và sử dụng rộng rãi hơn. Trong đề tài nghiên cứu này, phần mềm ANSYS được sử

dụng làm công cụ hỗ trợ mô phỏng.

ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn hoàn

chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng trên

thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ,

tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý [78]. Trong hệ thống tính toán đa năng

của ANSYS, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn

lấy chuyển vị làm gốc. Tổng quát cấu trúc cơ bản của một bài tính trong ANSYS gồm

3 phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), giải (solution) và xử lý kết quả

(postprocessor). Ngoài 3 bước chính trên, quá trình phân tích bài toán trong ANSYS còn

phải kể đến quá trình chuẩn bị (preferences) chính là quá trình định hướng cho bài tính.

Trong quá trình này ta cần định hướng xem bài toán cần giải dùng kiểu phân tích nào

(kết cấu, nhiệt hay điện từ…), mô hình hoá như thế nào (đối xứng trục hay đối xứng

quay, hay mô hình 3 chiều đầy đủ …), dùng kiểu phần tử nào (Beam, Shell hay Plate…).

Phần mềm ANSYS thực hiện mô phỏng, tính toán là bản dùng thử (Demo). Quá trình

thực hiện mô phỏng bao gồm ba bước: (1) Tiền xử lý; (2) Đặt tải và giải (3) Kết quả

mô phỏng.

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 51 Trước khi tiến hành mô phỏng, ngoài việc đưa vào các thông số, chúng ta cần xác

định các điều kiện biên nhằm giới hạn đề bài. Điều kiện biên cụ thể như sau: mặt trên

cảm biến có điều kiện cơ học là tự do, điều kiện điện áp bằng không. Đáy dưới cảm biến

có điều kiện cơ học là cố định và điều kiện điện áp là nối đất. Lớp tiếp giáp giữa hai vật

liệu có điều kiện cơ học là tự do và điện áp là liên tục. Tất cả cạnh bên về cảm biến có

Hình 2-2 Mô hình vật liệu cho đế áp điện và IDT.

điều kiện là tự do.

Sau khi tiến hành tính toán mô hình vật liệu đế áp điện, mô hình đế áp điện, mô

hình IDT, vùng đệm, đặt điện áp, đặt tải và giải được thể hiện chi tiết trong các hình ảnh

từ Hình 2-2 đến Hình 2-7. Các kết quả sau giải bao gồm điện áp tại hai điện cực, sự

Hình 2-3 Mô hình đế áp điện.

truyền sóng trong trục X và Y.

Trang 52 NCS. Trần Mạnh Hà Hình 2-3 mô tả hình ảnh Mô hình đế áp điện sau khi được thực hiện mô phỏng trên

phần mềm ANSYS. Các tham số của đế áp điện được lấy từ mục trên và đưa vào trong

phần mềm.

Sau khi tạo hình ảnh của đế áp điện, chúng ta đưa vào mô hình của các cặp điện

cực IDT, các tham số của điện cực IDT được lấy từ Bảng 4. Sau khi đưa các tham số

điện cực IDT vào phần mềm ANSYS, chúng ta có được hình ảnh mô hình IDT như hình

Hình 2-4 Mô hình IDT

2-4.

Bước tiếp theo của việc đưa các tham số của bộ lọc là bước chia nhỏ các thành

phẩn của mô hình bộ lọc SAW thành các phần nhỏ hơn gọi là bước chia lưới. Việc chia

càng nhỏ sẽ làm cho bài toán càng chính xác, tuy nhiên, nếu chia quá nhỏ thì việc tính

toán sẽ mất rất nhiều thời gian. Lưới được tạo ra phải đảm bảo mật độ lưới dày nhất tại

gần bề mặt và thưa khi xuống dần phía đáy. Mô hình IDT được chia nhỏ thành 85.288

phần tử như hình 2-5, việc chia này vừa đảm bảo tính chính xác cho quá trình mô phỏng

Hình 2-5 Khu vực chia lưới

vừa đáp ứng được thời gian tính toán.

Khối lượng riêng của điện cực Nhôm (Al) là 2.710 (kg/m3) nhỏ so với đế áp điện

AlN (3.260 kg/m3) nên ảnh hưởng khối lượng của điện cực IDT có thể bỏ qua được. Do

vậy các điện cực IDT được coi như một tập các nút được nhóm lại với nhau có cùng

điện áp trên bề mặt đế áp điện để giảm khối lượng tính toán cũng như không ảnh hưởng

đến độ chính xác của bài toán.

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 53 Bước tiếp theo là quá trình đặt điện áp và đặt tải để mô hình có thể chạy được.

Điện áp đặt vào là điện áp xung 100 (V), số IDT cho mỗi bộ là 70, khoảng cách giữa 02

bộ là Din=7λ = 280 (μm) theo Bảng 4. Hình 2-6 thể hiện hình ảnh mô hình IDT sau khi

Hình 2-6 Đặt điện áp và đặt tải.

được chia lưới và đặt các thông số về điện áp và đặt tải.

Từ các thông số của đế màng mỏng AlN, các điều kiện biên, đặt điện áp và đặt tải

đối với mô hình, kết quả mô phỏng trên phần mềm ANSYS của bộ lọc SAW được thể

Hình 2-7 Kết quả chạy sau khi giải

hiện trên Hình 2-7.

Thông qua phần mềm Matlab, chúng ta mô phỏng được đáp ứng tần số của bộ lọc

SAW đã thiết kế như hình 2-8. Trên Hình 2-8 chúng ta thấy được tần số cộng hưởng thu

được từ mô phỏng là 126,9 (MHz), so sánh với giá trị khi thiết kế bộ lọc là 127 (MHz)

thì giá trị này sai lệch là 0,8%.

Kết quả độ suy hao ở mô phỏng và thực nghiệm là 25,29 (dB), giá trị này đáp ứng

yêu cầu khi thiết kế, theo thiết kế là < -30 (dB). Từ kết quả này chúng ta tính được VSAW

= f x 4d = (1.269x106) x 4 x (10x106)= 5.076 (m/s). Theo đầu bài, vận tốc sóng âm bề

mặt của bộ lọc SAW đối với vật liệu màng mỏng (AlN) là 5.150 (m/s), kết quả mô phỏng

này sai lệch là 1,4%.

Trang 54 NCS. Trần Mạnh Hà

)

B d ( o a h y u s ộ Đ

Tần số (Hz)

Hình 2-8 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW đế màng mỏng AlN [86]

Kết quả chạy mô phỏng và các tham số đặt ra khi thiết kế bộ lọc SAW cho thấy có

sự sai lệch nhỏ đối với tần số trung tâm (0,8%) và vận tốc truyền sóng (1,4%.). Bộ lọc

sau khi được mô phỏng cho chất lượng đảm bảo theo thiết kế là < -30 (dB). Điều này đã

chứng minh độ tin cậy của Phương pháp phần tử hữu hạn dưới sự hỗ trợ của mô phỏng

ANSYS.

2.2.2. Chế tạo thử nghiệm

Để có căn cứ đánh giá và so sánh giữa kết quả mô phỏng bộ lọc SAW bằng phương

pháp phần tử hữu hạn, NCS đã tiến hành thiết kế và chế tạo bộ lọc SAW để so sánh

thông số bộ lọc SAW theo thiết kế (mô phỏng) và khi chế tạo thực tế.

Nội dung chế tạo thực nghiệm bộ lọc và bộ cộng hưởng SAW trong thực tế là một

phần kết quả đã được báo cáo trong Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Công Thương

năm 2015 “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo chip thụ động cao tần ứng dụng trong các bộ

điều khiển từ xa” (mã số ĐTKHCN 026/15), đề tài đã được Bộ Công Thương nghiệm

thu và công nhận kết quả.

Các bộ lọc SAW được tiến hành chế tạo trong môi trường phòng sạch với các yêu

cầu tuân theo tiêu chuẩn quốc tế. Sau khi thiết kế, NCS đã tiến hành chế tạo bộ lọc và

bộ cộng hưởng SAW thực tế tại phòng sạch Viện ITIMS – Trường Đại học bách khoa

Hà Nội.

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 55 Như đã phân tích tại Mục 1.5 về các phương pháp chế tạo bộ lọc SAW, căn cứ vào

công nghệ thực tế hiện có, trong phạm vi của luận án này, việc chế tạo các bộ lọc SAW

đã sử dụng phương pháp quang khắc với kỹ thuật ăn mòn ướt (sau đây gọi tắt là Phương

Hình 2-9 Cấu tạo của bộ lọc SAW [85]

pháp ăn mòn).

Khi thiết kế chế tạo bộ lọc SAW, NCS đã lựa chọn cấu trúc của bộ IDT như Hình

2-9, đây là cấu trúc cơ bản của bộ lọc SAW. Bộ lọc SAW có đế áp điện là loại màng

mỏng AlN đế nền Si (Silic), NCS sử dụng đế AlN/Si là sản phẩm thương mại trên thị

trường của Hãng MTI (http://mtikorea.co.kr/product/list/cate644.html?cate_no=644) và

các tham số kích thước của bộ IDT được thể hiện qua Hình 2-9.

Quy trình chế tạo bộ lọc SAW sử dụng Kỹ thuật Ăn mòn gồm các bước như sau:

(1) Chuẩn bị đế áp điện (Cắt và làm sạch đế)

(2) Phủ lớp kim loại làm IDT (Al) trên bề mặt đế điện áp;

(3) Thiết kế, chuẩn bị mặt nạ (Mask);

(4) Phủ lớp cảm quang (P.R);

(5) Quang khắc và ăn mòn;

(6) Kiểm tra IDT;

(7) Đóng gói vào trong bộ lọc.

a. Chuẩn bị đế áp điện

Trên cơ sở các thông số thiết kế của bộ lọc SAW, trước tiên ta cần phải cắt đế áp

Trang 56 NCS. Trần Mạnh Hà

điện với kích thước sao cho phù hợp với kích thước của bộ lọc. Việc cắt đế sẽ giúp nâng

cao hiệu quả việc sử dụng các đế áp điện, tránh lãng phí.

Sau khi cắt đế xong, bước tiếp theo của quá trình chuẩn bị đế áp điện là làm sạch

bề mặt. Đây là bước quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng của việc gắn điện cực IDT

sau này cũng như chất lượng của bộ lọc SAW. Đế AlN/Si sau khi được cắt xong được

rửa sạch bằng dung dịch Axeton sau đó sẽ được rửa qua một lần nữa bằng nước cất

(nước Ion). Sau khi được rửa sạch bằng nước Ion, đế áp điện được thổi bằng luồng khí

áp suất cao thổi sạch nước và sau đó sấy khô ở nhiệt độ 100oC. Toàn bộ quá trình chuẩn

a) Cắt đế

b) Ngâm trong dung dịch Axeton

c) Rửa sạch bằng nước Ion

d) Thổi bằng khí sạch

e) Sấy khô ở 100oC

Hình 2-10 Quá trình chuẩn bị đế áp điện

bi đế áp điện được thể hiện lần lượt từ a) đến e) trong Hình 2-10.

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 57

b. Phủ lớp kim loại lên bề mặt Đế

Đế sau khi được chuẩn bị và làm sạch bề mặt được tiến hành phủ lớp kim loại lên

bề mặt. Quá trình phủ kim loại bao gồm các bước: chuẩn bị dung dịch, quay phủ, Ủ

nhiệt.

- Dung dịch sử dụng: Sử dụng phương pháp quay phủ dung dịch lên bề mặt đế áp

điện, dung dịch được sử dụng phủ là n-Butanol có độ nhớt cao, thuận tiện cho việc quay

phủ. Dung dịch n-Butanol có nồng độ 0,016 M Zn(CH3COO)2.

- Quá trình quay phủ: Đế AlN/Si đã làm sạch đưa vào quay phủ bằng dung dịch đã

pha ở trên. Quay phủ 10 lần với điều kiện quay phủ như sau: Thời gian gia tốc (5 giây),

Tốc độ quay (2.000 vòng/phút), Thời gian quay (30 giây).

Cứ sau mỗi lần quay phủ, đặt lại Đế lên Tấm nhiệt (Hotplate) ở nhiệt độ 200oC sấy

qua cho khô, rồi mới tiếp tục quay phủ lần tiếp theo.

- Quá trình Ủ nhiệt: Sau khi đã quay phủ xong, sấy đế AlN/Si đã quay phủ ở các

nhiệt độ 450oC, trong 1 giờ để Butanol bay hơi hết, lúc đó Zn(CH3COO)2 phân hủy tạo

trình

a) Quá quay phủ

b) Sấy khô trên tấm nhiệt

c) Đế sau khi phủ kim loại Al

Hình 2-11 Quá trình phủ kim loại lên bề mặt Đế

thành ZnO. Cuối cùng ta thu được đế AlN/Si có kim loại Al trên bề mặt như hình 2-11c.

Trang 58 NCS. Trần Mạnh Hà c. Thiết kế, chuẩn bị mặt nạ (Mask)

- Tiến hành thiết kế mặt nạ bằng phần mềm CoreIDraw X6, mặt nạ có dạng hình

tròn cho phù hợp với hình dạng của đế khối. Chất liệu chế tạo mặt nạ là Crom (Cr). Hình

ảnh thu được từ việc thiết kế mặt nạ trên CoreIDraw X6 và hình ảnh phóng to của bộ

a) Mặt nạ được thiết kế trên phần mềm CorelDraw X16

b) Hình ảnh bộ IDT trên mặt nạ được phóng to

Hình 2-12 Hình ảnh bộ IDT được thiết kế

IDT được thể hiện trên hình 2-12.

Sau

- Sau khi thiết kế mặt nạ, chúng ta tiến hành chuẩn bị mặt nạ và cố định hình ảnh

bộ IDT trên mặt nạ. Hình 2-13 thể hiện việc chuẩn bị và gắn cố định hỉnh ảnh bộ IDT

sau khi được thiết kế lên trên bề mặt nạ.

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 59

Hình 2-13 Chuẩn bị mặt nạ

Bước tiếp theo là phủ lớp cảm quang lên bề mặt lớp kim loại (Al) đã được phủ trước đó.

Tiến hành phủ lớp Cảm quang (P.R) bằng máy quay ly tâm, lúc đầu thiết lập ở chế độ Tốc độ

quay bình thường (1.000 vòng trong thời gian 05 giây) sau đó tự động tăng Tốc độ quay lên cao

( 4.000 vòng trong 15 giây). Sau khi quay bằng máy quay ly tầm, tiến hành nung đế (đã được

phủ kim loại và cảm quang) ở nhiệt độ 95oC trong 90 giây. Hình ảnh đế sau khi phủ lớp cảm

quang thể hiện ở Hình 2-14.

Hình 2-14 Hình ảnh Đế sau khi phủ lớp cảm quang

d. Phủ lớp cảm quang (P.R)

Trang 60 NCS. Trần Mạnh Hà e. Quang khắc và ăn mòn

Quy trình chung của quá trình quang khắc được thể hiện ở Hình 1-23 và quá trình

ăn mòn được thể hiện ở Hình 1-25. Sau khi chuẩn bị mặt nạ, phủ lớp cảm quang trên bề

mặt lớp Nhôm (Al), gắn cố định mặt nạ trên bề mặt đế, chúng ta tiến hành Quang khắc

và ăn mòn.

Mặt nạ

Hình 2-15 Hình ảnh gắn mặt nạ lên đế

- Hình ảnh gắn cố định mặt nạ trên bề mặt đế AlN/Si thể hiện trong Hình 2-15.

- Tiến hành Quang khắc bằng tia UV trong thời gian 60 giây sau đó tiến hành ủ

nhiệt ở nhiệt độ 125oC trong thời gian (10÷15) phút.

- Loại bỏ lớp cảm quang (P.R) không được che bởi Mặt nạ (Mask) bằng dung dịch

developing, sau đó rửa sạch bằng dung dịch nước cất (nước Ion) và xì khô. Hình 2-16

Mặt nạ Cảm quang

Hình 2-16 Hình ảnh đã loại bỏ lớp cảm quang

thể hiện hình ảnh bộ lọc SAW sau khi loại bỏ lớp cảm quang.

- Bước tiếp theo là thực hiện quá trình ăn mòn Nhôm (Al) theo phương pháp ăn

mòn ướt, sử dụng dung dịch ăn mòn là H3PO4. Dung dịch ăn mòn được pha từ các chất

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 61

là CH3COOH/HNO3/H3PO4/H2O theo tỉ lệ lần lượt: 1/4/4/1, Hình 2-17 thể hiện hình ảnh

Mặt nạ Cảm quang Nhôm (Al)

Hình 2-17 Hình ảnh sau khi ăn mòn

sau khi được ăn mòn.

- Sau khi ăn mòn, chúng ta tiến hành loại bỏ lớp cảm quang (P.R) trên bề mặt điện

cực bằng cách sử dụng dung dịch Axeton. Kết quả sau khi loại bỏ lớp cảm quang, chúng

ta có được bộ lọc SAW với các điện cực được gắn trên bề mặt đế AlN/Si như Hình 2-

Hình 2-18 Hình ảnh sau khi loại bỏ lớp cảm quang

18.

f. Kiểm tra sau khi ăn mòn

Sản phẩm sản phẩm sau khi được quang khắc và ăn mòn được kiểm tra lần lượt

nhằm đảm bảo trong quá trình ăn mòn không gây ra các lỗi ảnh hưởng đến chất lượng

của bộ lọc. Việc kiểm tra sử dụng các đồng hồ vạn năng để đo ngắn mạch các IDT.

g. Đóng gói sản phẩm

Các bộ IDT sau khi kiểm tra sẽ được cắt ra khỏi mẫu Đế AlN/Si để gắn vào trong

bộ lọc SAW. Hình 2-19 thể hiện các mẫu bộ IDT và kích thước thực tế của bộ lọc SAW

sau khi được lắp hoàn chỉnh.

Trang 62 NCS. Trần Mạnh Hà

a) Bộ IDT được cắt ra từ đế

b) Kích thước thực tế của bộ lọc SAW

Hình 2-19 Hình ảnh sản phẩm thực tế

Bộ lọc SAW được chế tạo có thông số cụ thể sau:

- Chiều dày lớp đế Si là 500 (µm);

- Chiều dày lớp màng mỏng AlN là 500 (nm);

- Chiều dày lớp IDT là 300 (nm);

Có thể tham khảo chi tiết trong nội dung của Báo cáo kết quả đề tài nghiên cứu

khoa học số ĐTKHCN 026/15. Sản phẩm bộ lọc SAW loại màng mỏng được chế tạo

được thể hiện tại Hình 2-19 b.

2.2.3. Đánh giá các thông số

Bộ lọc sau khi được chế tạo đã được tiến hành đo các thông số bằng thiết bị tại

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 63

phòng thử nghiệm của Viện Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Viện Đo

lường Việt Nam. Việc tiến hành đo các thông số của bộ lọc tại 02 nơi nhằm đảm bảo

việc đánh giá kết quả đo là chính xác.

a. Viện Đo lường Việt Nam

Các tham số đánh giá chất lượng của bộ lọc SAW chế tạo ra bao gồm các thông

số: Tần số trung tâm và độ suy hao.

Khi thực hiện đo tại Viện Đo lường Việt Nam, bộ lọc SAW cần đo được đấu nối

qua bộ suy hao 10 (dB) trước khi kết nối với máy đo Network analyzer VNA8722ES.

Việc đấu nối thông qua bộ suy hao nhằm mục đích bảo vệ thiết bị đo trong quá trình đo

Hình 2-20 Hình ảnh bộ lọc SAW được đo thử nghiệm tại Viện Đo lường

như Hình 2-20, bộ lọc SAW được đo ở dải tần 122 (MHz) ÷ 130 (MHz).

b. Tại Viện Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Các tham số đánh giá: Tần số trung tâm, dải thông, độ suy hao, trở kháng, hiệu

suất chuyển đổi điện – cơ.

Thiết bị cần đo được đấu nối trực tiếp với máy phân tích Network analyzer A333.

Bộ lọc SAW được đo trong dải tần từ 122 (MHz) ÷ 130 (MHz) như Hình 2-21. Tại Viện

Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, bộ lọc SAW được đấu nối trực tiếp vào máy

phân tích.

Trang 64 NCS. Trần Mạnh Hà

Hình 2-21 Hình ảnh bộ lọc SAW được đo tại Viện Điện

Bộ lọc SAW sau khi được thiết kế, chế tạo tại Viện ITIMS được đo tại Viện Đo

lường Việt Nam và Viện Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, kết quả đo các giá

Bảng 5 Bảng kết quả so sánh đo tại PTN và Viện Đo lường

trị tại Bảng 5.

Đánh giá Yêu cầu thiết kế Giá trị đo tại PTN Giá trị đo tại Viện đo lường

< 127 126,04419 126,1000 Đạt yêu cầu Các thông số kỹ thuật Tần số trung tâm (MHz)

Dải thông (MHz) < 2 0,5 Đạt yêu cầu

-23,5 Độ suy hao (dB) < -30 -32,952 (*) Đạt yêu cầu

Đạt yêu cầu Trở kháng (Ω) < 200 R = 23,655 Ω

Đạt yêu cầu < 1 0,421 Hệ số hiệu suất điện – cơ (%)

c. So sánh kết quả đo thực tế với thiết kế

Tiến hành đo thông số cộng hưởng (tần số trung tâm) của bộ lọc được chế tạo bằng

máy đo Network Analyzer A333 như Hình 2-22. Từ hình ảnh đo được, chúng ta thấy

được đỉnh cộng hưởng của bộ lọc có giá trị là 126,04419 (MHz), giá trị này tương đương

với giá trị kết quả mô phỏng được nêu tại mục 2.2.4 là 126,9 (MHz). Kết quả này chứng

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 65

minh được việc sử dụng phương pháp mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn là

Hình 2-22 Hình ảnh đo đáp ứng tần số

phù hợp.

Ngoài ra cần đánh giá các tham số khác của bộ lọc so với yêu cầu thiết kế như: Dải

thông, Hệ số phẩm chất, Độ suy hao, Nhiệt độ làm việc, Độ trôi tần số, Trở kháng, Hệ

số hiệu suất chuyển đổi điện cơ.

- Đối với Dải thông: Hình 2-22 cho ta nhận thấy rằng dải thông (Passband) của bộ

lọc xấp xỉ là 0,5 (MHz). Dải thông này là phù hợp với mục đích điều khiển, khi so sánh

với một số sản phẩm bộ lọc SAW của một số sản phẩm thương mại trên thế giới cho bởi

Bảng 3 như sau:

+ TST, TA1581A với tần số trung tâm là 137,5 (MHz) và dải thông là 1 (MHz).

+ Vectron, TFS120 A và TFS120E với tần số trung tâm là 120 (MHz), dải thông

0,2 (MHz); sản phẩm TFS121B với tần số trung tâm và dải thông lần lượt là 120 (MHz)

và 0,2 (MHz),…

Trang 66 NCS. Trần Mạnh Hà - Hệ số phẩm chất (Q) của bộ lọc được tính theo công thức (1.18) như sau:

(2.3) Q = f(cid:2925) Δf

(cid:2869)(cid:2870)(cid:2874),(cid:2868)(cid:2872)(cid:2872)(cid:2869)(cid:2877)

Theo đó, với kết quả đo thu được thì Hệ số phẩm chất Q của bộ lọc SAW đã chế

(cid:2916)(cid:3173) (cid:2940)(cid:2916)

(cid:2868),(cid:2873)

tạo được xác định là: Q = = 252,08 ≈ 252 =

Hệ số phẩm chất (Q) tính được cho thấy bộ lọc SAW đã được chế tạo có chất lượng

khá tốt.

- Độ suy hao (Insertion Loss) của đáp ứng tần số là giá trị biên độ lớn nhất tại điểm

tần số cộng hưởng. Dựa vào kết quả đo nhận thấy rằng độ suy hao của bộ lọc SAW xấp

xỉ -23,5 (dB).

- Kết quả đo đồ thị Smith của bộ lọc SAW đã chế tạo được thực hiện trên máy đo

Hình 2-23 Đo trở kháng bằng đồ thị Smith

Network Analayzer A333 như Hình 2-23, giá trị trở kháng đo được là R = 23,655 (Ω).

- Hệ số hiệu suất chuyển đổi điện cơ của bộ lọc được tính theo công thức (1.25) và

(1.30):

k(cid:2870) = (2.4) G(cid:2911) 8f(cid:2925)C(cid:2930)N

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 67 Trong đó giá trị Ga (Độ dẫn bức xạ là phần thực của Độ dẫn nạp) được tính như

sau:

(2.5) G(cid:2911) = R R(cid:2870) + X(cid:2870)

Dựa vào đồ thị như Hình 2-23, các giá trị đo được lần lượt là:

R = 23,655 (Ω); X = -52,295 (Ω); Ct = 24,146 (pF); fo = 126,044 (MHz); N = 70;

Thay các giá trị trên vào công thức (2.4) tính k2 thu được kết quả:

23,655 G(cid:2911) = 23,655(cid:2870) + (−52,295)(cid:2870) ≈ 7,18. 10(cid:2879)(cid:2871)

Bảng 6 Bảng kết quả so sánh giữa các đại lượng đo thực tế và thiết kế

k(cid:2870) = = ≈ 0,421 R R(cid:2870) + X(cid:2870) = G(cid:2911) 8f(cid:2925)C(cid:2930)N R (R(cid:2870) + X(cid:2870))(8f(cid:2925)C(cid:2930)N)

Các thông số kỹ thuật Yêu cầu thiết kế Bộ lọc đã chế tạo Đánh giá

Tần số trung tâm (MHz) 126,044 Đạt yêu cầu 127

Dải thông (MHz) < 2 0,5 Đạt yêu cầu

Độ suy hao (dB) < -30 -23,5 Đạt yêu cầu

Nhiệt độ làm việc (oC) < 80 20 ÷ 80 Đạt yêu cầu

< -50 -25 Đạt yêu cầu Độ trôi tần số theo nhiệt độ (ppm/oC)

Trở kháng (Ω) < 200 23,655 Đạt yêu cầu

< 1 0,421 Đạt yêu cầu Hệ số hiệu suất chuyển đổi điện – cơ (%)

Số chân ghép nối 4 4 Đạt yêu cầu

Kích thước (cm x cm) 1x3 1x3 Đạt yêu cầu

Nhận xét: Kết quả so sánh đáp ứng tần số của bộ lọc SAW giữa mô phỏng và chế

tạo được thể hiện ở hình 2-24 với việc đo thực nghiệm bằng máy Network A333. Tần

số cộng hưởng sau mô phỏng và đo thực nghiệm tương ứng là 126,9 (MHz) và 126,04

(MHz), sai lệch so với thiết kế 0,8%. Kết quả độ suy hao ở mô phỏng và thực nghiệm là

Trang 68 NCS. Trần Mạnh Hà

25,29 (dB) và 23,5 (dB). Các kết quả khá tương đồng nhau thể hiện tính chính xác giữa

b)

a)

Hình 2-24 So sánh đáp ứng tần số giữa mô phỏng và chế tạo SAW

mô phỏng và chế tạo thực nghiệm.

2.2.4. Ứng dụng chế tạo bộ điều khiển từ xa

Trong khuôn khổ của đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Chip thụ động cao

tần ứng dụng trong các bộ điều khiển từ xa không dây” mã số ĐTKHCN.026/15, NCS

với vai trò là thành viên nhóm đề tài đã tiến hành thiết kế và chế tạo ra bộ điều khiển từ

Hình 2-25 Mạch thu hoàn chỉnh

xa RF không dây sử dụng chip SAW.

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 69 Quá trình chế tạo bộ điều khiển từ xa không dây ứng dụng chip SAW, đã tiến hành

nghiên cứu, chế tạo hoàn chỉnh các nội dung như:

- Mạch thu phát RF, phần cứng các mạch phát RF.

- Chế tạo mạch thu RF hoàn chỉnh như Hình 2-25.

- Bộ điều khiển từ xa có gắn mạch phát hoàn chỉnh Hình 2-26;

Hình 2-26 Mạch phát chế tạo hoàn chỉnh

- Bộ công tắc gắn bộ thu hoàn chỉnh Hình 2-27.

Sản phẩm Bộ điều khiển từ xa RF không dây sử dụng chip SAW thụ động và bộ

công tắc có lắp bộ thu RF sau khi chế tạo đã được tiến hành thử nghiệm khả năng làm

việc ở các chế độ như: Trong phòng thí nghiệm, ngoài trời, trong phòng máy, đo có vật

chắn giữa bộ điều khiển và ổ cắm. Kết quả thử nghiệm cho thấy Bộ điều khiển tích hợp

sử dụng chip SAW được thiết kế, chế tạo có khả năng hoạt động ổn định, khoảng cách

bật/ tắt được khi có vật chắn là 15 (m).

Trang 70 NCS. Trần Mạnh Hà Trong nội dung của đề tài cấp Bộ Công Thương năm 2015 đã thực hiện việc thiết

kế, mô phỏng và chế tạo thành công đối với bộ lọc SAW trên nền đế AlN/Si và bộ cộng

hưởng SAW trên nền đế khối. Các sản phẩm đã được ứng dụng thử nghiệm để chế tạo

Bộ điều khiển từ xa và bộ công tắc hoàn chỉnh đảm bảo các thông số kỹ thuật. Kết quả

Hình 2-27 Bộ điều khiển từ xa và bộ công tắc hoàn chỉnh

của đề tài đã được Bộ Công Thương tiến hành nghiệm thu với kết quả Đạt.

Chương 2, NCS đã trình bày cụ thể các bước thiết kế, chế tạo bộ lọc SAW (áp

dụng được với điều kiện công nghệ trong nước) cũng như việc đo kiểm đánh giá các

thông số bộ lọc SAW tại các phòng thử nghiệm chức năng.

Như đã trình bày ở trên, kết quả so sánh số liệu giữa bộ lọc được tính toán, mô

phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn và số liệu đo được bộ lọc SAW chế tạo thực

tế cho kết quả có độ sai lệch cho phép (có sự sai khác chủ yếu là do hạn chế của công

nghệ chế tạo trong nước). Kết quả này thể hiện việc thiết kế, mô phỏng bộ lọc SAW áp

dụng phương pháp phần tử hữu hạn là tin cậy, điều này đảm bảo áp dụng phương pháp

mô phỏng để nghiên cứu các giải pháp cải thiện đặc tính của Bộ lọc ở chương sau.

Chương 3, NCS sẽ trình bày các giải pháp nâng cao chất lượng bộ lọc SAW thông

qua việc thay đổi kết cấu cũng như thay đổi các tham số cấu trúc của bộ lọc.

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 71

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ LỌC SAW

Như đã trình bày trong các nội dung trước, chất lượng của bộ lọc SAW phụ thuộc

vào các yếu tố như: Khối áp điện dùng để chế tạo đế (bao gồm loại vật liệu và công nghệ

cắt gọt tinh thể), cấu trúc và vật liệu làm IDT (khoảng cách giữa hai bộ IDT, số lượng

điện cực, khoảng cách giữa các điện cực ...), ... nên để tìm giải pháp nâng cao chất bộ

lọc SAW trong chương này tác giả sẽ trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các

thông số trên nhằm đưa ra bộ lọc SAW với chất lượng tốt nhất có thể.

Trong chương 2, tác giả đã chứng minh được sự phù hợp khi mô phỏng dùng

phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để đánh giá bộ lọc SAW thiết kế, vì thế trong

chương này tác giả sẽ dùng FEM để mô phỏng tìm ra thông số tối ưu cho bộ lọc SAW

ở mỗi giải pháp.

Trước tiên, NCS sẽ đánh giá ảnh hưởng của tham số cấu trúc đến chất lượng bộ

lọc SAW bằng cách đề xuất sử dụng cấu trúc bất đối xứng SPUDT cho bộ lọc và đánh

giá các thông số quan trọng của bộ lọc này. Trong phần này, NCS cũng trình bày luận

cứ lý thuyết để giải thích cho sự cải thiện chất lượng của bộ lọc SAW khi sử dụng cấu

trúc bất đối xứng SPUDT.

Tiếp theo, NCS tiến hành khảo sát các yếu tố khác ảnh hưởng đến chất lượng bộ

lọc và tính toán (qua mô phỏng), lựa chọn các tham số tối ưu khi thiết kế bộ lọc như:

khoảng cách giữa IDT, số lượng IDT, vật liệu điện cực, chiều dày điện cực…

3.1. Cấu trúc bất đối xứng SPUDT

Theo nội dung trong phần 1.4.2 khi sử dụng mô hình mạch tương đương Mason

để có thể xây dựng được hàm truyền đạt của bộ lọc SAW. Mô hình mạch Mason thực

chất là quy đổi cấu trúc bộ lọc về dạng tương đương RLC truyền thống. Cấu trúc Delay

line sử dụng nguyên lý SAW trong đó hai bộ IDT được tương đương hóa thành mạch

điện với các thành phần cơ bản: CT (Tổng điện dung), Ga (Độ dẫn bức xạ), Ba (Bộ cảm

ứng âm).

Trang 72 NCS. Trần Mạnh Hà Sử dụng kết quả mô hình mạch Mason đối với cấu trúc delay line chúng ta áp dụng

(cid:2879)(cid:2920)(cid:3436)

(cid:3440)

(cid:2898)(cid:3174)(cid:2878)(cid:2888) (cid:2916)(cid:3173)

công thức (1.22) ở Chương 1, hàm truyền đạt của SAW là:

(cid:2870) (cid:3436)

(cid:2870) (cid:3440)

e H(f) = 4k(cid:2870)C(cid:2903)f(cid:2925)N(cid:2926) sin x x

Từ công thức trên, chúng ta thấy rằng hàm truyền đạt của bộ lọc SAW có mối

tương quan đến bản chất vật liệu (thông qua hệ số k, fc), cấu trúc của bộ IDT (thông qua

các tham số: D, CS, Np). Tuy nhiên đối với việc thay đổi cấu trúc bộ IDT sẽ dẫn đến việc

thay đổi hệ số CS là điện dung của mỗi cặp điện cực. Việc thay đổi hệ số CS sẽ dẫn tới

sự thay đổi của hàm truyền bộ lọc SAW và dẫn đến sự thay đổi của đáp ứng tần số.

Trong các nghiên cứu trước đây, mối liên hệ giữa thay đổi cấu trúc IDT và chất lượng

bộ lọc SAW, NCS chưa thấy công trình nào trình bày một cách đầy đủ, chi tiết.

Với mong muốn cải thiện hơn nữa độ chọn lọc của bộ lọc thông dải dạng SAW,

nhiều nhóm nghiên cứu trước đây đã đề xuất cấu trúc bất đối xứng của các bộ IDT (Cấu

trúc SPUDT). Nghiên cứu [104], [105] đã chứng minh bộ lọc SPUDT có độ chọn lọc

cao, nghiên cứu [106] sử dụng cấu trúc này cải thiện được độ suy hao. Một số nghiên

cứu khác đã chứng minh được với độ rộng điện cực không đều, đặt ở vị trí phù hợp sẽ

giảm được nhiều lần các sóng phản xạ không mong muốn, qua đó cải thiện độ chọn lọc

của bộ lọc SAW.

Nghiên cứu của Hanma năm 1976 [107] đã phân tích chất lượng của bộ lọc SAW

bị ảnh hưởng rất nhiều vì những sóng phản xạ không mong muốn và đã tìm ra cấu trúc

bất đối xứng có thanh phản xạ cơ học có thể triệt tiêu được phản xạ thứ cấp nhằm làm

giảm sóng phản xạ không mong muốn và nâng cao chất lượng bộ lọc. Từ kết quả nghiên

cứu này, NCS đã hướng nghiên cứu đến việc thay đổi cấu trúc của IDT theo hướng làm

giảm sóng phản xạ không mong muốn nhằm nâng cao hiệu quả của bộ lọc.

3.1.1. Cơ sở lý thuyết

Chúng ta đã biết rằng có nhiều nhóm trước đây đã nghiên cứu và chứng minh được

của bộ lọc có cấu trúc bất đối xứng (SPUDT) có độ chọn lọc cao hơn so với các bộ lọc

SAW có cấu trúc đối xứng [104], [105], [106]. Bằng mô phỏng, trong các nghiên cứu

của mình, NCS cũng đã khảo sát đáp ứng tần số của bộ lọc SAW có cấu trúc SPUDT

thì có kết quả tốt hơn đối với các bộ lọc SAW có cấu trúc đối xứng [104].

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 73

(a)

(

b)

Hình 3-1 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW đối xứng và bất đối xứng [104]

Hình 3-1 mô tả đáp ứng tần số của bộ lọc SAW đối xứng và bất đối xứng ở tần số

trung tâm fo = 97 (MHz) và 179 (MHz), nội dung này đã được công bố NCS công bố

trên Tạp chí khoa học và công nghệ năm 2017. Về cơ bản, bộ lọc SAW có cấu trúc bất

đối xứng SPUDT cho kết quả Độ suy hao tốt hơn (khi ở trường hợp tần số trung tâm fo

= 97 (MHz)) và Độ lọc lựa tốt hơn khi ở tần số trung tâm fo = 179 (MHz). Tuy nhiên để

có cơ sở luận chứng cho sự cải thiện chất lượng cần được nghiên cứu, giải thích trên cơ

sở lý thuyết đầy đủ [108].

Thực tế có nhiều loại cấu trúc SPUDT như DART, EWC SPUDT, DWSF, TED

đã được nghiên cứu [105], [109], [110], [111]. Tuy nhiên ở trong phạm vi nội dung

nghiên cứu của luận án, NCS tập trung vào cấu trúc phổ biến nhất đó là DART.

Trang 74 NCS. Trần Mạnh Hà Có thể thấy ở Hình 3-2, cấu trúc hình học của DART gồm một chuỗi các ô giống

hệt nhau có chiều rộng là λ0. Trong đó mỗi ô gồm có 2 điện cực có chiều rộng λ0/8 và

một điện cực có chiều rộng λ0/4 [112]. Mỗi ô chứa các thanh phản xạ (reflector) và các

bộ chuyển đổi (transducers) được bố trí tại tâm phản xạ (RC- Reflection center) và tâm

bộ chuyển đổi (TC-Transduction center). Hai thành phần này hoạt động độc lập với

nhau. Tâm bộ chuyển đổi (TC) là điểm mà sóng truyền theo hai hướng về phía trước và

về phía sau có cùng biên độ và pha. Tâm phản xạ (RC) là điểm thỏa mãn sóng đến ở cả

Hình 3-2 Cấu trúc hình học của SPUDT [114]

hai hướng phía trước và phía sau có cùng hệ số phản xạ [104], [112].

Từ Hình 3-2, gọi khoảng cách giữa Tâm phản xạ (RC) và Tâm bộ chuyển đổi (TC)

là d = 3λ0/8. Nếu ta gọi hệ số phản xạ là R (phần ảo) thì hệ số truyền là (cid:3493)1 − |R|(cid:2870) (phần

thực dương). Khi có sóng truyền đến Bộ chuyển đổi sẽ tạo ra sóng giống hệt nhau lan

truyền về hai phía bên phải và bên trái. Với các sóng lan truyền sang phải bị phản xạ lại

khi gặp thanh phản xạ, vì vậy các sóng truyền sang trái sẽ tăng cường lên theo tỷ lệ (1 +

Re(cid:2879)(cid:2870)(cid:2920)(cid:2921)(cid:2914)). Tại tần số trung tâm, với k = 2π/λ0 sóng phản xạ tăng cường với sóng lan

truyền theo hướng sang trái khi d thỏa mãn d = (2n ± 1/2)λ0/4. Biên độ sóng ở bên trái

sẽ tỷ lệ với (1 + |R|), còn biên độ sóng sang phải tỷ lệ với |R|. Khi R là phần ảo âm, nếu

chúng ta chọn (n = 1) thì d = 3λ0/8 ứng với cấu trúc DART [112].

Nhằm làm giảm ảnh hưởng của sóng phản xạ không mong muốn trong quá trình

truyền sóng, chúng ta cần phải xem xét quá trình năng lượng truyền sóng thực hiện trong

các bộ IDT để từ đó có thể đánh giá được các yếu tổ để điều chỉnh.

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 75

Hình 3-3 Nguyên lý phản xạ sóng trên bề mặt bộ lọc SAW [119]

Hình 3-3 là hình ảnh thể hiện quá trình sóng phản xạ khi đi đến điện cực của IDT.

Trong đó: β1 và R1 là trở kháng của điện cực của IDT bằng kim loại phủ trên đế áp điện

và hệ số phản xạ của thanh kim loại; β2 và R2 là trở kháng của đế áp điện và hệ số phản

xạ tương ứng.

Nguyên lý truyền sóng được mô tả như sau: Khi cung cấp tín hiệu cần lọc cho bộ

lọc SAW tại điện cực IDTvào, năng lượng đó sẽ biến thành năng lượng sóng âm lan

truyền trên bề mặt theo hai hướng do hiệu ứng áp điện. Hướng sóng chính là hướng năng

lượng sóng được truyền từ IDTvào sang IDTra để thu được tín hiệu có dải tần cần lọc ra

ngoài. Tại vị trí của IDTvào, hướng còn lại là sóng phụ đi ra môi trường ngoài. Quá trình

truyền sóng sẽ xuất hiện sự phản xạ khi gặp môi trường truyền sóng có trở kháng thay

đổi [13].

Xét tại điện cực IDTvào, sau khi có tín hiệu vào thì ngoài thành phần sóng chính

truyền thẳng đến IDTra thì còn có thành phần sóng phụ theo hướng ngược với sóng

chính. Khi sóng phụ truyền trên bề mặt vật liệu áp điện của bộ lọc SAW gặp môi trường

không khí hoặc bộ hấp thụ ở mép ngoài của bộ lọc thì sẽ xuất hiện sự phản xạ. Chúng

Trang 76 NCS. Trần Mạnh Hà

ta có thể thấy trên Hình 3-3 thể hiện thành phần sóng phản xạ (Ain) hướng ngược lại đến

bộ IDTvào, quá trình di chuyển sóng phản xạ (Ain) thực hiện trong môi trường áp điện có

trở kháng β2.

Khi sóng phản xạ (Ain) gặp mép trái của điện cực IDTvào (vật liệu của điện cực là

kim loại/áp điện do đó có trở kháng β1) sẽ xuất hiện phản xạ sóng A-. Sự xuất hiện phản

xạ sóng A- tại mép trái của điện cực IDTvào là do có sự thay đổi trở kháng (β2→β1) từ

môi trường áp điện và môi trường vật liệu của điện cực. Năng lượng còn lại tiếp tục

truyền trong môi trường kim loại/áp điện của IDTvào (trở kháng β1) đến mép phải thì gặp

môi trường truyền sóng là đế áp điện (trở kháng β2).

Tại mép phải của IDTvào do gặp sự thay đổi trở kháng (β1→β2) nên năng lượng lại

chia thành hai thành phần: năng lượng phản xạ lại (A+) và năng lượng tiếp tục truyền đi

(At). Như vậy năng lượng phản xạ đi vào trung tâm của IDTvào là thành phần truyền đi

(At).

Thành phần truyền đi (At) khi đi vào trung tâm của IDT sẽ ảnh hưởng đến sóng

chính như có thể gây nhiễu loạn đến biến độ và pha dẫn đến suy hao hoặc giảm một số

tính chất của bộ lọc[13]. Với một điều kiện bên ngoài không đổi (Môi trường hoặc bộ

giảm chấn cố định) thì thành phần sóng phản xạ (Ain) là không đổi. Từ các mô tả như

Hình 3-3 chúng ta thấy thành phần sóng phản xạ (Ain) là tổng của các thành phần A+, A-

và At theo công thức Ain = (A+ + A- + At). Thành phần sóng phản xạ (Ain) là không đổi,

nếu tăng năng lượng phản xạ của A+ và A- thì thành phần năng lượng sóng gây nhiễu

loạn đi vào trung tâm là At sẽ giảm. Từ ý tưởng đó, nếu chúng ta thiết kế điện cực IDT

bất đối xứng sao cho hệ số phản xạ của điện cực (R) tăng, dẫn đến việc tăng tổng thành

phần (A++A-), với thành phần Ain là cố định thì có nghĩa thành phần At sẽ giảm. Thành

phần At giảm, nghĩa là thành phần nhiễu sẽ giảm và đáp ứng của bộ lọc SAW sẽ được

cải thiện.

Theo kết quả được đưa ra tại [13], phương trình biên độ sóng phản xạ ở mép phải

và mép trái ở điện cực IDT là A+ và A- với Ain là biên độ sóng tới.

(cid:2933) (cid:4673) (cid:2870)

(3.1) A(cid:2879) = r(cid:2879) ∗ Ain ∗ e(cid:2879)(cid:2870)(cid:2920)(cid:2962)(cid:2870)(cid:4672)(cid:2896)(cid:2879)

(cid:2933) (cid:2870) (cid:4673) A(cid:2878) = r(cid:2878) ∗ Ain ∗ e(cid:2879)(cid:2870)(cid:2920)(cid:2962)(cid:2870)(cid:4672)(cid:2896)(cid:2879)

(3.2)

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 77

(3.3) Trong đó ∶ r(cid:2879) = r(cid:2878) = 𝑅1 − 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2

Công thức (3.1), (3.2) và (3.3) ta có: r- và r+ là các hệ số phản xạ tại các mép trái

và phải của điện cực IDT; R1 là hệ số phản xạ của điện cực IDT bất đối xứng; R2 là hệ

số phản xạ của môi trường áp điện (với giả thiết thành phần R2 không đổi).

Theo công thức (3.3) với giá trị R1 và R2 thích hợp sẽ có các giá trị r- và r+ tương

ứng. Chúng ta thấy rằng khi tăng độ rộng của điện cực bất đối xứng (d1) thì hệ số phản

xạ R1 sẽ tăng, việc tăng tuyến tính của hệ số R1 dẫn đến giá trị hệ số phản xạ chung |R|

cũng tăng theo. Sóng lan truyền sang trái của điện cực IDT tỷ lệ với giá trị (1+|R|), do

vậy khi tăng chiều rộng của điện cực bất đối xứng trong một số trường hợp thì năng

lượng sóng theo chiều sang trái cũng tăng theo (A-, A+ tăng), khi đó phần năng lượng

gây nhiễu loạn còn lại là At đi vào trung tâm sẽ giảm.

Phần trên chúng ta đã chứng minh được về mặt lý thuyết việc tăng chiều rộng của

điện cực bất đối xứng sẽ cải thiện được chất lượng bộ lọc là do việc giảm một phần sóng

phản xạ gây nhiễu loạn vào trung tâm của bộ lọc. Dạng sóng thu được của bộ lọc có cấu

trúc SPUDT là căn cứ để đánh giá chất lượng của bộ lọc nên để đánh giá chất lượng của

bộ lọc có cấu trúc SPUDT, chúng ta cần phải khảo sát hàm truyền và thành phần sóng

của đáp ứng tần số bộ lọc. Phần tiếp theo chúng ta đi vào xem xét hàm truyền và các

thành phần của đáp ứng tần số bộ lọc có cấu trúc SPUDT.

3.1.2. Đáp ứng của bộ lọc

Nghiên cứu hàm truyền và đáp ứng của bộ lọc có cấu trúc SPUDT đã được một số

tác giả đưa ra như [113], [114], … hàm truyền của bộ lọc có cấu trúc phức tạp là sự kết

hợp của nhiều dạng sóng.

(cid:2898)

(cid:2976)(cid:2910)(cid:2919)∗(cid:2916) (cid:2906)(cid:2930)

Theo [113] đưa ra thì đáp ứng tần số của mỗi bộ chuyển đổi là:

(cid:2919)(cid:2880)(cid:2869)

(3.4) H(f) = (cid:3533) Wi ∗ e(cid:2920)∗(cid:2870)∗

Trong đó: Zi là vị trí của các điện cực, f là tần số trung tâm của bộ chuyển đổi, Vt

(cid:2976)(cid:2916)

là vận tốc sóng âm của bộ lọc SAW và Wi là độ chồng lấn của hai bộ điện cực.

(cid:2906)(cid:2930)

, Đặt β = x = 2

Trang 78 NCS. Trần Mạnh Hà Đáp ứng tần số của bộ lọc là tích đáp ứng tần số của bộ chuyển đổi đầu vào (đáp

ứng tần số là H1(ω)) và bộ chuyển đổi đầu ra H2(ω). Chúng ta có đáp ứng của bộ lọc có

(cid:2897)

dạng H(ω)= H1(ω)* H2(ω), kết hợp với công thức (3.4) đáp ứng của bộ lọc là:

(cid:2898) H(f) = (cid:3429)(cid:3533) Wi ∗ e(cid:2920)(cid:2962)(cid:2910)(cid:2919) (cid:2919)(cid:2880)(cid:2869)

(cid:2920)(cid:2880)(cid:2869)

(cid:3433) (cid:4686) (cid:3533) Wj ∗ e(cid:2920)(cid:2962)(cid:2910)(cid:2920) (cid:4687) (3.5)

Nếu thiết kế 2 bộ IDT có cấu trúc giống nhau và độ chồng lấn của các điện cực

giống nhau khi đó Wi = Wj = k với mọi i, j và M = N. Công thức (3.5) sẽ tương đương

(cid:2870)

(cid:2898)

với:

(cid:2919)(cid:2880)(cid:2869)

(3.6) H(𝜔) = k ∗ (cid:3437)(cid:3429)(cid:3533) e(cid:2920)(cid:3051)(cid:2910)(cid:2919) (cid:3433)(cid:3441)

Biết rằng hàm e mũ có thể triển khai theo các dạng hàm lượng giác như sau:

(3.7) e(cid:2920)(cid:3051) = (cos(𝑥) + 𝑗𝑠𝑖𝑛(𝑥))

Vì vậy đáp ứng tần của bộ lọc có cấu trúc SPUDT theo công thức (3.6) có thể quy

(cid:2870)

(cid:2898)

về dạng sau:

(cid:2919)(cid:2880)(cid:2869)

(cid:2870)

(cid:2870)

(cid:2898)

(cid:2898)

(cid:2898)

(cid:2898)

(3.8) H(𝜔) = (cid:3437)(cid:3533) (cos(𝑥 ∗ 𝑍𝑖) + 𝑗𝑠𝑖𝑛(𝑥 ∗ 𝑍𝑖)) (cid:3441)

(cid:3441)

)(cid:3441)

)]

= (cid:3437)(cid:3533) cos(𝑥 ∗ 𝑍𝑖)

− (cid:3437)(cid:3533) sin (𝑥 ∗ 𝑍𝑖

+ 2𝑗[(cid:3533) sin (𝑥 ∗ 𝑍𝑖

) ∗ (cid:3533) cos (𝑥 ∗ 𝑍𝑖

(cid:2919)(cid:2880)(cid:2869)

(cid:2919)(cid:2880)(cid:2869)

(cid:2919)(cid:2880)(cid:2869)

(cid:2919)(cid:2880)(cid:2869)

(cid:2870)

(cid:2870)

(cid:2898)

(cid:2898)

(cid:2898)

(3.9)

)]

(cid:3441)

)(cid:3441)

− (cid:3437)(cid:3533) sin (𝑥 ∗ 𝑍𝑖

+ 𝑗[(cid:3533) sin 2(𝑥 ∗ 𝑍𝑖

H(𝜔) = (cid:3437)(cid:3533) cos(𝑥 ∗ 𝑍𝑖) (cid:2919)(cid:2880)(cid:2869)

(cid:2919)(cid:2880)(cid:2869)

(cid:2919)(cid:2880)(cid:2869)

(3.10)

Qua biểu thức (3.10), chúng ta thấy đáp ứng tần số của bộ lọc có cấu trúc SPUDT

là kết hợp phức tạp của các sóng dạng sin2(x), cos2(x) và sin(2x). Nhận xét này cũng

tương thích với nhận xét tại mục 3.1 về công thức hàm truyền của bộ lọc SAW với IDT

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:3051)

đối xứng khi sử dụng mô hình mạch tương đương (Mason) là cấu trúc có dạng bậc 2 của

(cid:3051)

hàm (cid:4672) (cid:4673).

Nội dung của phần này đã giúp chúng ta đã nghiên cứu quá trình truyền sóng trong

bộ SPUDT để xem xét các yếu tố ảnh hưởng khi sóng truyền qua bộ IDT. Phần này cũng

đã cho chúng ta thấy được mối liên quan giữa việc thay đổi cấu trúc điện cực (ở đây là

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 79

độ rộng điện cực) sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của sóng truyền thông qua việc ảnh

hưởng đến thành phần nhiễu loạn đi vào trung tâm của bộ IDT. Từ các lý luận trên đã

giải thích được về mặt lý thuyết xu hướng giữa thay đổi cấu trúc điện cực ảnh hưởng

đến chất lượng của bộ lọc, đây là một trong những đóng góp của đề tài nghiên cứu

này. Nội dung tiếp theo, từ những nghiên cứu về mặt lý thuyết, NCS sẽ tiến hành nghiên

cứu việc thay đổi các cấu trúc bộ lọc theo hướng giảm ảnh hưởng của thành phần phản

xạ không mong muốn để minh chứng cho phần lý thuyết trên.

3.2. Ảnh hưởng các tham số cấu trúc

Ở mục 3.1, chúng ta đã chứng minh được bằng lý thuyết sự ảnh hưởng của cấu

trúc SPUDT đối với chất lượng của bộ lọc. Tuy nhiên, ảnh hưởng theo xu hướng nào là

điều cần phải có nhiều nghiên cứu khác. Trong nội dung của phần này, NCS sẽ tiến hành

các nội dung sau:

- Thay đổi độ rộng của điện cực bộ IDT có cấu trúc SPUDT nhằm đánh giá chất

lượng của bộ lọc. Nội dung này sẽ cho chúng ta thấy được xu thế của việc thay đổi kích

thước điện cực và chất lượng bộ lọc. Mô phỏng sau khi thay đổi cấu trúc được thực hiện

bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) tương ứng của hai bộ lọc có

cấu trúc bất đối xứng SPUDT.

- Thông qua Phương pháp mô hình mạch Mason, NCS đã sử dụng hàm truyền của

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2934)

bộ lọc SAW đối xứng, tiến hành thay đổi các tham số về cấu trúc dựa trên việc phân tích

(cid:2934)

sự tương thích của thành phần (cid:4672) (cid:4673). Tiến hành thay đổi các tham số lượng giác có các

bậc khác nhau vào trong hàm truyền và mô phỏng để đánh giá các kết quả.

3.2.1. Mô phỏng sử dụng FEM

Như nội dung đã được nghiên cứu trong mục 3.1, chúng ta thấy được mối tương

quan về mặt lý thuyết giữa việc thay đổi cấu trúc điện cực (ở đây là độ rộng) có ảnh

hưởng đến chất lượng của bộ lọc có cấu trúc SPUDT thông qua việc thay đổi thành phần

sóng nhiễu đi vào trung tâm. Nghiên cứu cho thấy việc tăng kích thước của độ rộng điện

cực IDT sẽ giúp tăng chất lượng của bộ lọc có cấu trúc SPUDT, đây là các nhận xét,

đánh giá dựa trên lý thuyết. Để minh chứng cho lý thuyết đó, chúng ta sẽ tiến hành đánh

Trang 80 NCS. Trần Mạnh Hà

giá việc thay đổi kích thước này và mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

và so sánh kết quả của đáp ứng tần số trong các trường hợp. Nội dung này đã được tác

giả công bố trên tạp chí Đo lường, Điều khiển và Tự động hóa số Vol.2 (1) năm 2021

Hình 3-4 Cấu trúc hình học của SPUDT mô phỏng

[108].

Thực hiện mô phỏng, đề tài lựa chọn đế áp điện hai lớp là AlN/Si để thực hiện vì

đây là loại đế áp điện có vận tốc sóng bề mặt cao, hệ số trôi tần số cộng hưởng theo

nhiệt độ thấp và tuyến tính. Đồng thời trước đây NCS đã nghiên cứu mô phỏng và chế

tạo thành công đế áp điện này với cấu trúc đối xứng [87]. Trong mô phỏng này, số cặp

điện cực được lựa chọn là 50 (cặp) và độ dày của vật liệu áp điện AlN là 0,5 (µm). Quá

trình mô phỏng chi tiết và bộ thông số ma trận đàn hồi, ma trận điện môi, ma trận áp

điện là tương tự như nghiên cứu trước đây. Cấu trúc bộ lọc bất đối xứng DART SPUDT

và thông số chi tiết được kí hiệu và mô tả ở như Hình 3-4 và Bảng 7.

Cấu trúc SPUDT được chọn có bước sóng λ= 40 (µm), tham số độ rộng của điện

cực (d2) có thể thay đổi để tạo ra sự bất đối xứng lần lượt là 5 (µm) và 15 (µm).

Các bước mô phỏng được thực hiện cơ bản như sau:

- Tiền xử lý (xây dựng cấu trúc, nhập các ma trận hệ số áp điện, hệ số vật liệu, chia

lưới, đổi lớp vật liệu);

- Đặt tải và giải (đặt điện áp lên IDT và đặt điều kiện biên);

- Kết quả mô phỏng.

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 81 Bảng 7 Thông số cấu trúc hình học của SPUDT mô phỏng

Số cặp IDT (cặp)

numIDT

50

TT Thông số cấu trúc Ký hiệu Kích thước

Chiều dài bộ lọc SAW (µm)

L

10.000

1

Bước sóng λ (µm)

I

40

2

h1

500

3

h2

0,5

4 Độ dày lớp Si (µm)

Chiều cao IDT (µm)

h3

1

5 Độ dày lớp áp điện AlN (µm)

5

d0

6

d1

5

7 Khoảng cách các điện cực (µm)

d2

5 và 15

8 Độ rộng điện cực n1 (µm)

d3

5

9 Độ rộng điện cực bất đối xứng n2 (µm)

Din

280

10 Độ rộng điện cực n3 (µm)

dIDT

2.000

11 Khoảng cách giữa hai IDT (µm)

L1

2.860

12 Chiều rộng của IDT (µm)

Hình 3-5 Hình ảnh mô phỏng bằng phương pháp FEM

13 Khoảng cách hai mép (µm)

Trang 82 NCS. Trần Mạnh Hà Các bước này được tuân thủ theo mục 2.1.3, hình ảnh mô phỏng bằng phương pháp

phần tử hữu hạn (FEM) được mô tả như Hình 3-5.

Quá trình chia lưới, đặt điều kiện biên, nhập các bộ thông số ma trận áp điện, các

thông số vật liệu được thực hiện trên phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) [48].

Điều kiện biên cụ thể như sau: mặt trên bộ lọc có điều kiện cơ học là tự do, điều

kiện điện áp bằng không. Đáy dưới bộ lọc có điều kiện cơ học là cố định và điều kiện

điện áp là nối đất. Lớp tiếp giáp giữa hai vật liệu có điều kiện cơ học là tự do và điện áp

là liên tục, tất cả cạnh bên của bộ lọc có điều kiện là tự do. Chi tiết việc thiết lập cấu

trúc của các tham số của bộ lọc SAW như: cấu trúc các lớp, kích thước… khi thiết lập

Hình 3-6 Đáp ứng của các bộ lọc bất đối xứng (SPUDT)

trong phần mềm ANSYS được thể hiện trong Phần 2 của Phụ lục kèm theo.

Kết quả so sánh mô phỏng bộ lọc SAW sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

(FEM) tương ứng của hai bộ lọc có cấu trúc bất đối xứng SPUDT với bước sóng λ = 40

(µm) cho cấu trúc áp điện AlN/Si và điện cực IDT bằng Nhôm (Al) có vận tốc sóng âm

bề mặt V = λ*fo = 5.120 (m/s). Bộ lọc được thiết kế có tần số trung tâm fo = 128 (MHz)

với độ rộng điện cực bất đối xứng (d2) thay đổi tương ứng 5 (µm) và 15 (µm) thể hiện

ở trên Hình 3-6 [48].

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 83 Bộ lọc thông dải SAW có nhiều tham số thể hiện chất lượng, tuy nhiên trong nghiên

cứu này NCS tập trung chính vào Độ chọn lọc (FS - Filter Selectivity) để đánh giá chất

lượng của bộ lọc. Bộ lọc lý tưởng có sẽ có Độ chọn lọc (FS) là tốt nhất khi độ dốc đáp

ứng tại tần số cắt là 90 độ. Hay nói cách khác đồ thị biên độ - tần số của hàm truyền đạt

càng dốc thì độ chọn lọc càng gần lý tưởng.

Cụ thể hơn chúng ta sẽ chọn tần số FS cắt thấp (fT) và cao (fC) trên đáp ứng tại dải

thông với độ suy hao -3 (dB) so với độ suy hao của tần số trung tâm như Hình 3-6 tại

tần số cắt đó, độ dốc được đánh giá thông qua công thức (1.20).

F(cid:2929) = − (cid:4708) ω = ω(cid:2913) d|H(jω)| dω

Hệ số phẩm chất Q được tính theo công thức (1.18) như sau:

Q = = f(cid:2925) Bandwidth f(cid:2925) f(cid:2904) − f(cid:2887)

Áp dụng công thức (1.18) với số liệu từ đáp ứng ở Hình 3-6, kết quả tính toán độ

dốc của hai bộ lọc được thể hiện ở Bảng 8.

TT

Bộ lọc bất đối xứng

Độ dốc trái (dB/Hz)

Độ dốc phải (dB/Hz)

Hệ số phẩm chất Q

Chiều rộng d2 = 5 (µm)

0,00000812

-0,00000934

91

1

Chiều rộng d2 = 15 (µm)

0,00001412

-0,00001359

129

2

Bảng 8 Kết quả tính độ dốc của đáp ứng tần số bộ lọc SAW SPUDT

Như vậy kết hợp quan sát độ dốc của đồ thị Hình 3-6 và các kết quả tính toán độ

dốc ở Bảng 8, cho chúng ta thấy rằng:

- Khi tăng độ rộng điện cực bất đối xứng thì độ dốc của đáp ứng tần số tăng và hệ

số phẩm chất (Q) tăng, điều đó có nghĩa là tăng Độ chọn lọc của bộ lọc bất đối xứng

SPUDT. Bộ lọc có độ rộng điện cực bất đối xứng tăng có dải thông (Passband) ứng với

suy hao 3 (dB) nhỏ hơn so khi độ rộng ngón tay bé hơn.

- Hình 3-6 cho thấy độ suy hao dải chặn của bộ lọc có điện cực bất đối xứng 15

(µm) lớn hơn khoảng 3 (dB) so với bộ lọc có điện cực 5 (µm).

Tất cả cho thấy cơ bản Độ chọn lọc của bộ lọc SAW có cấu trúc bất đối xứng

SPUDT đã được cải thiện đáng kể khi tăng độ rộng điện cực bất đối xứng trong trường

hợp này. Việc mô phỏng này đã chứng minh được cho lý thuyết đưa ra tại mục 3.1 là

Trang 84 NCS. Trần Mạnh Hà

khi thay đổi kích thước của điện cực (độ rộng điện cực) theo hướng tăng lên sẽ ảnh

hưởng đến chất lượng của bộ lọc theo hướng tốt hơn. Theo chứng minh về lý thuyết ở

mục 3.1 thì việc tăng kích thước độ rộng điện cực sẽ làm giảm thiểu thành phần phản xạ

không mong muốn vào phần bên trong của bộ lọc (môi trường truyền sóng).

3.2.2. Mô phỏng sử dụng Mason

Như ở phần 3.1, chúng ta đã có chứng minh và giải thích được sự cải thiện chất

lượng của bộ lọc SAW có cấu trúc bất đối xứng khi thay đổi kích thước của điện cực

IDT. Việc lựa chọn cấu trúc và mô phỏng SPUDT theo FEM để thực hiện quá trình mô

phỏng rất phức tạp và đòi hỏi nhiều quá trình thực hiện.

Chúng ta đã thấy được xu hướng có sự cải thiện chất lượng khi tăng kích thước

của điện cực IDT bất đối xứng và biết được đáp ứng tần số của bộ lọc SAW bất đối xứng

SPUDT là sự kết hợp phức tạp của các sóng dạng sin2(x), cos2(x) và sin(2x). Trong phần

này, trên cơ sở lý thuyết theo phương pháp mô hình mạch tương đương của Mason, NCS

sẽ tiến hành thay đổi cấu trúc nhằm chứng minh sự cải thiện chất lượng của bộ lọc.

Sử dụng kết quả mô hình mạch Mason đối với cấu trúc delay line chúng ta áp dụng

(cid:3440)

(cid:2898)(cid:3174)(cid:2878)(cid:2888) (cid:2916)(cid:3173)

(cid:2879)(cid:2920)(cid:3436) e

(cid:2870) (cid:3436)

(cid:2870) (cid:3440)

công thức (1.22) là hàm truyền đạt của bộ lọc SAW có cấu trúc đối xứng:

H(f) = 4k(cid:2870)C(cid:2903)f(cid:2925)N(cid:2926) sin x x

Trong đó fo là tần số trung tâm, k là hệ số cặp áp điện, D là khoảng cách delay-line

tính theo bước sóng, CS là điện dung của mỗi cặp điện cực, Np là số cặp điện cực. Biến

x được xác định theo công thức (1.23):

x = N(cid:2926)π (f − f(cid:2925)) f(cid:2925)

Hàm truyền của bộ lọc SAW với các bộ IDT dạng đối xứng theo công thức số

(1.22) cho thấy đáp ứng của bộ lọc SAW là sự kết hợp phức tạp của nhiều thành phần

sóng dạng (cos2(x) -sin2(x)) = (1-2sin2(x)) và sin(2x). Điều này cũng tương ứng với việc

phân tích về dạng sóng của bộ lọc SAW có cấu trúc bất đối xứng theo phương pháp

FEM ở mục 3.2.1 ở trên.

Chúng ta thử nghiệm áp dụng tiến hành thay đổi lần lượt các dạng sóng có bậc nói

trên vào thành phần sin(x) trong công thức (1.22) theo phương pháp Mason để mô phỏng

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 85

kiểm chứng bằng Matlab. Các tham số khác của công thức (1.22) được lựa chọn tương

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:3051)

quan như trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi [104].

(cid:2870) (cid:4673)

(cid:3051)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:3051)

là đáp ứng của bộ lọc SAW đối xứng theo Giả sử hàm ban đầu là Hn(f) = F(cid:4672)

(cid:3051)

phương pháp Mason theo công thức (1.22), chúng ta thay đổi theo bội số của hàm (cid:4672) (cid:4673)

rồi tiến hành mô phỏng bằng Matlab để so sánh với hàm ban đầu về chất lượng của bộ

lọc.

(cid:2870)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924)(cid:2870)(cid:2934)

Khi thay thế thành phần (sin(x)/x) bằng (sin2x/2x) trong công thức (1.22) để thể

(cid:2870)(cid:2934)

rồi tiến hành mô phỏng bằng hiện cho đáp ứng bất đối xứng ta có Hn2(f) = F (cid:4672) (cid:4673)

Matlab. Kết quả mô phỏng được thể hiện tại Hình 3-7 cho thấy đáp ứng đặc trưng cho

cấu trúc bất đối xứng có độ chọn lọc cải thiện rõ rệt so với đáp ứng bộ lọc đối xứng. Kết

quả mô phỏng này phù hợp với một số kết quả đánh giá sử dụng phương pháp COM

Hình 3-7 Đáp ứng tần số kiểu Mason của bộ lọc với sóng dạng sin(2x)

trước đây [13].

Trang 86 NCS. Trần Mạnh Hà

Hình 3-8 Đáp ứng tần số kiểu Mason của bộ lọc với sóng dạng sin2(x)

Hình 3-9 Đáp ứng tần số của bộ lọc kiểu Mason với sóng dạng sin(x) và sin(2x)

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 87 Tiếp theo chúng ta thay thế thành phần (sin(x)/x) bằng (sin2(x)/x) trong công thức

(cid:2872)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2934)

(cid:2934)

. Kết quả mô phỏng (1.22) để thể hiện cho đáp ứng bất đối xứng ta có Hn2(f) = F (cid:4672) (cid:4673)

bằng Matlab được thể hiện trong Hình 3-8, cho thấy đáp ứng đặc trưng cho cấu trúc bất

đối xứng với dạng sóng này có độ chọn lọc cải thiện rõ rệt so với đáp ứng bộ lọc đối

xứng.

Cuối cùng chúng ta thay thế thành phần (sin(x)/x) bằng (sin (x) + sin (2x)/2x), kết

quả tại Hình 3-9 cho thấy đáp ứng đặc trưng cho cấu trúc bất đối xứng với dạng sóng

này có độ chọn lọc cũng cải thiện so với đáp ứng bộ lọc đối xứng. Chi tiết về các hình

ảnh mô phỏng được thể hiện trong Phần 3 của Phụ lục kèm theo.

Nhận xét:

Như vậy nhìn chung qua kết quả Hình 3-7, Hình 3-8 và Hình 3-9 cho thấy vận

dụng hàm truyền đạt theo lý thuyết trước đây về các dạng sóng bề mặt bậc cao hơn với

mô hình mạch tương đương kiểu Mason theo công thức (1.22) đều cho thấy khi mô

phỏng có triển vọng về sự cải thiện độ chọn lọc của bộ lọc thông dải SAW có cấu trúc

điện cực đối xứng bằng cách thay đổi tham số lượng giác.

Kết quả này cũng là để minh chứng cho việc thay đổi cấu trúc bộ lọc SAW cấu

trúc SPUDT khi thực hiện mô phỏng bằng phương pháp FEM ở mục 3.2.1 ở trên là phù

hợp khi được thực nghiệm tương ứng bằng phương pháp Mason. Đây cũng là một cơ sở

cho thấy có thể áp dụng Mason để mô phỏng nhanh cho bộ lọc bất đối xứng SAW

SPUDT.

3.3. Các giải pháp nâng cao chất lượng khác

Phần trên đã minh chứng được về mặt lý thuyết và thực nghiệm mô phỏng sự thay

đổi về kích thước chiều rộng điện cực của cấu trúc SPUDT sẽ ảnh hưởng đến chất lượng

bộ lọc SAW và xu thế của sự ảnh hưởng đó. Trong phần này, NCS muốn khảo sát nhằm

tìm hiểu thêm các tham số khác ảnh hưởng đến chất lượng của bộ lọc SAW như: khoảng

cách giữa hai bộ IDT (đầu vào và đầu ra), vật liệu làm điện cực, độ dày điện cực, số

lượng điện cực.

Trang 88 NCS. Trần Mạnh Hà Việc nghiên cứu các tham số này sẽ giúp cho chúng ta thấy rằng việc cải thiện chất

lượng bộ lọc có thể thực hiện được bằng nhiều tham số khác nhau, từ đó có thể lựa chọn

phù giải pháp phù hợp nhất để nâng cao chất lượng bộ lọc SAW.

3.3.1. Khoảng cách giữa hai bộ IDT

Khoảng cách giữa hai bộ IDT chính là quãng đường truyền sóng từ bộ IDT đầu

vào đến bộ IDT đầu ra. Trong quá trình truyền, năng lượng sóng bị suy hao do nhiều

nguyên nhân như: ma sát với bề mặt truyền, hấp thụ vào môi trường truyền sóng… Sóng

truyền khoảng cách càng xa thì suy hao năng lượng càng lớn. Tiến hành kháo sát đối

với 02 bộ IDT đối xứng để thấy được sự ảnh hưởng của chất lượng khi thay đổi khoảng

Hình 3-10 Đáp ứng tần số trong các trường hợp thay đổi khoảng cách

cách.

Chúng ta cần thiết kế về khoảng cách truyền sóng thích hợp để hạn chế suy hao

trên đường truyền. Tiến hành mô phỏng thay đổi lần lượt khoảng cách giữa hai bộ IDT

trong khi giữ nguyên các tham số khác để đánh giá chất lượng bộ lọc. Thực hiện mô

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 89

phỏng để so sánh với các thông số chính như sau: số IDT là 50, cấu trúc có bộ hấp thụ,

lưới chia là 85.288 (phần tử).

Sau khi thay đổi khoảng cách giữa hai bộ IDT lần lượt 3λ; 5λ; 7λ; 10λ; 12λ, đáp

ứng tần số của các trường hợp thể hiện qua các Hình 3-10 (chi tiết các đáp ứng ở phụ

lục kèm theo), các giá trị mô phỏng được sau đó được tổng hợp tại Bảng 9.

Từ Bảng 9 cho thấy khi khoảng cách giữa hai bộ IDT tăng thì Độ suy hao tăng,

mất mát tín hiệu càng lớn và Độ lọc lựa càng giảm. Hệ số phẩm chất Q không thay đổi,

Độ dốc của đồ thị cũng không thay đổi rõ rệt. Từ các dữ liệu trên, khi thiết kế chúng ta

Bảng 9 Kết quả mô phỏng thay đổi khoảng cách giữa hai bộ IDT đối xứng

nên lựa chọn khoảng cách giữa hai bộ IDT từ 3λ ÷ 7λ là hợp lý.

Độ suy hao IL (dB) Độ lọc lựa (dB) Tần số cộng hưởng fSAW (MHz) Độ rộng dải thông BW (kHz) Hệ số phẩm chất Q Khoảng cách giữa hai bộ IDT (λ)

9,375 -92,19 750 12,5 17 3

9,375 -94,51 750 12,5 25 5

9,375 -97,83 750 12,5 25 7

9,375 -103,4 750 12,5 12 10

9,375 -109,4 750 12,5 4 12

3.3.2. Số lượng cặp điện cực IDT

Số lượng IDT của thiết bị SAW đã được chứng minh theo công thức (1.15) như

sau: Với vật liệu đế là YZ-LiNbO3, k2 = 4,6 nên N(cid:2925)(cid:2926)(cid:2930) ≈ 8. Thực hiện mô phỏng với các

tham số: fo = 97 (MHz); Bước sóng λ0 = 19,5 (μm); Điện cực Nhôm (Al) với Độ dầy

0,025 (mm); Số cặp điện cực từ 4 đến 12.

Sau khi đưa các tham số, tiến hành mô phỏng và so sánh các kết quả trên cùng một

đồ thị. Các đáp ứng tần số của các thiết bị SAW và mối quan hệ giữa các tham số bộ lọc

khác nhau và số lượng IDT được trình bày tương ứng trong các Hình 3-11. Kết quả thể

hiện rằng, các thuộc tính của bộ lọc SAW sẽ thay đổi khi số lượng IDT thay đổi. Hình

Trang 90 NCS. Trần Mạnh Hà

3-12 chúng ta có được sự so sánh giá trị giữa Độ suy hao và Độ lọc lựa của Bộ lọc tương

Hình 3-11 Đáp ứng tần số khi thay đổi số cặp điện cực tại λo = 19,5 μm

Độ suy hao

Độ lọc lựa

18

0

15,25

16

-5

14

12,73

12,58

-10

) B d (

12,1

12

10,53

-15

10

-20

a ự l c ọ l ộ Đ

8

) B d ( o a h y u s

-26,85

-25

ộ Đ

6

-30,1

-32,3

-30

-32,75

4

-36,3

-35

2

0

-40

4

6

8

10

12

Số lượng IDT

Hình 3-12 Quan hệ giữa Độ suy hao và Độ lọc lựa[114]

ứng với số cặp điện cực từ 4 đến 12, số lượng cặp điện cực tối ưu là 8.

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 91

3.3.3. Vật liệu điện cực

Chúng ta đã thấy được sự ảnh hưởng của cấu trúc với chất lượng của bộ lọc SAW

thông qua việc thay đổi: Loại bộ lọc (Đối xứng sang Bất đối xứng); Cấu trúc điện cực

IDT (Khoảng cách giữa các bộ IDT, số lượng cặp điện cực IDT).

Ngoài ra, NCS cũng tiến hành nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tham số khác đến

chất lượng bộ lọc như: Tham số về chủng loại vật liệu, độ dày điện cực (nội dung này

trong các phần trước không được xét đến trong quá trình đánh giá) ảnh hưởng đến chất

lượng của bộ lọc như thế nào. Phần nghiên cứu này đã được công bố trong bài báo Tạp

Hình 3-13 Đáp ứng tần số của bộ lọc SPUDT với IDT là Al, Cu và Au

Bảng 10 Đặc tính của bộ lọc SAW trong trường hợp các điện cực Al, Cu, Au

chí Khoa học và Công nghệ năm 2017 (ISSN 2354-1083).

Thông số Nhôm Đồng Vàng

6,3 8,2 16,5 Độ dịch chuyển tần số (∆f)(MHz)

Độ suy hao (dB) -22,63 -22,92 -26,55

Độ lọc lựa (dB) 23,95 19,27 15,98

Trang 92 NCS. Trần Mạnh Hà Chúng ta tiến hành so sánh đáp ứng tần số của bộ lọc SAW có cấu trúc SPUDT

tương ứng với các vật liệu Nhôm (Al), Đồng (Cu) và Vàng (Au) với tần số trung tâm fo

= 179 (MHz). Các đáp ứng tần số của bộ lọc tương ứng với từng vật liệu được thể hiện

trong cùng một Hình 3-13 và Bảng 10 để so sánh, đánh giá chất lượng.

Với điều kiện đánh giá là cùng một phương pháp chế tạo (Phương pháp lắng đọng,

quy trình ủ, quy trình ăn mòn điện cực,...), với cùng kích thước (độ dày điện cực, lớp lót

giữa các lớp), bộ lọc sử dụng điện cực Nhôm (Al) thể hiện đáp ứng lý tưởng nhất, đặc

biệt là Độ suy hao thấp nhất, Độ rộng băng thông cao nhất và Độ chọn lọc (Fs) hay Độ

dốc tốt nhất cũng như Độ dịch chuyển tần số. Giải thích cho hiện tượng này là việc sử

dụng Đồng (Cu) và Vàng (Au) làm giảm phản ứng lọc do các vật liệu này (Cu, Au) có

mật độ khối lượng lớn hơn nhiều so với Nhôm (Al), nhưng hệ số độ cứng nhỏ hơn, dẫn

đến phản xạ cơ học lớn hơn và giảm đáp ứng của bộ lọc.

3.3.4. Độ dày điện cực

Tiến hành mô phỏng bộ lọc SAW dùng điện cực Nhôm (Al) có fo = 179 (MHz);

Bước sóng λ0 = 19,5 (μm); tỷ số h/λ0 thay đổi các giá trị 2,5%, 5%, 7,5% và 10%. Kết

Hình 3-14 Đáp ứng tần số của SPUDT trong các trường hợp h/λ0[114]

quả mô phỏng tương ứng với các trị số h/λ0 thay đổi trong Hình 3-14.

Hình 3-14 cho thấy kết quả mô phỏng khi tỷ số giữa độ dày của các điện cực Nhôm

(Al) với bước sóng thay đổi từ 2,5% đến 10% thì các phản ứng lọc trở kém hơn. Trường

hợp tốt nhất là khi h/λo = 2,5%, giá trị Độ suy hao là 26,85 (dB), Độ lọc lựa là 15,73

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 93

(dB). Ngược lại, với h/λo = 10% giá trị Độ suy hao và Độ lọc lựa giảm xuống 32,76 (dB)

và 12,01 (dB).

Giải thích cho hiện tượng này là sự phản xạ bên trong trong mỗi bộ chuyển đổi sẽ

tăng lên đối với sự gia tăng độ dày điện cực. Bên cạnh đó, việc giảm tần số trung tâm

khi các điện cực trở nên dày hơn có thể được giải thích đơn giản là sự tăng trưởng của

tổng tải trọng khối lượng của IDT, điều này sẽ làm giảm vận tốc pha.

Qua việc khảo sát, đánh giá chúng ta thấy rằng ngoài việc thay đổi độ rộng của

điện cực thì các thành phần như: khoảng cách giữa các bộ IDT, số lượng cặp điện cực,

vật liệu điện cực, độ dầy điện cực cũng có ảnh hưởng đến chất lượng của bộ lọc. Đây là

các tham số chúng ta cần tính đến khi thiết kế, chế tạo các bộ lọc SAW.

Tóm lại: Chương này, NCS đã tiến hành nghiên cứu, đề xuất bộ lọc SAW có cấu

trúc bất đối xứng (SPUDT) nhằm nâng cao chất lượng của bộ lọc. Để chứng minh việc

đề xuất là có căn cứ, chương này NCS đã trình bày về lý thuyết luận cứ cho sự cải thiện

chất lượng của bộ lọc thông qua giải thích cơ chế lan truyền sóng trong cấu trúc SPUDT.

Thông qua việc xây dựng về mặt lý thuyết ảnh hưởng của tham số cấu trúc ảnh hưởng

đến chất lượng bộ lọc để đưa ra xu thế thay đổi cấu trúc sẽ giúp làm giảm các thành

phần phản xạ không mong muốn trong quá trình truyền sóng. Việc giải thích được về

mặt lý thuyết mối liên hệ giữa thay đổi cấu trúc bộ lọc và chất lượng của bộ lọc SAW là

một trong những nội dung mới của đề tài.

NCS đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng và đánh giá

các bộ lọc SAW khi thay đổi kích thước điện cực để minh chứng cho lập luận đưa ra.

Thông qua hàm truyền bộ lọc SAW đối xứng theo phương pháp mô hình Mason, NCS

đã tiến hành thay đổi các tham số lượng giác nhằm chứng minh sự cải thiện chất lượng

bộ lọc cũng tương tự như việc thay đổi các tham số đối với bộ lọc bất đối xứng dùng

phương pháp FEM. Sử dụng kết hợp cả 02 phương pháp đều cho thấy việc thay đổi cấu

trúc bộ lọc SAW đã giúp cải thiện được chất lượng bộ lọc và cho thấy mối liên hệ giữa

cả hai phương pháp (tham số lượng giác) là một nội dung mới.

Ngoài ra, NCS cũng sẽ tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng khác đến chất

lượng bộ lọc và đề xuất các thay đổi tham số thích hợp khi thiết kế bộ lọc như: khoảng

cách giữa IDT, số lượng IDT, vật liệu điện cực, chiều dày điện cực…

Trang 94 NCS. Trần Mạnh Hà Như vậy, nội dung của Chương 3 đã giải quyết được bài toán giải pháp nâng cao

chất lượng bộ lọc SAW thông qua việc minh chứng bằng lý thuyết và mô phỏng đánh

giá thực tế. Các kết quả thu được là tiền đề quan trọng để hoàn thiện quy trình thiết kế,

chế tạo bộ lọc SAW trong tương lai.

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 95

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

1. Kết luận

Các đóng góp mới của luận án được xác định gồm ba nội dung chính:

+ Luận án đã xây dựng được quy trình hoàn chỉnh từ tính toán, thiết kế đến chế tạo

thành công bộ lọc SAW. Đây là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam đã chế tạo

thành công bộ lọc SAW bằng phương pháp Etching. Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW

sau khi chế tạo đã được đo, so sánh với kết quả mô phỏng và đã chứng minh độ tin cậy

của công trình nghiên cứu.

+ 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 SPUDT và thay đổi các tham số cấu

trúc (Khoảng cách, số lượng, cấu trúc) cho đối tượng bất đối xứng. Nghiên cứu này đã

thành công trong việc mô phỏng bộ lọc SAW, cấu trúc bất đối xứng SPUDT, kết hợp

phương pháp Mason và sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM trên phần mềm mô

phỏng ANSYS.

+ Xây dựng được luận chứng lý thuyết nhằm liên hệ, giải thích cho sự cải thiện về

chất lượng của bộ lọc thông qua sự thay đổi về tham số cấu trúc (SPUDT).

2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Trong quá trình nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và chế tạo bộ lọc SAW còn

có một số nội dung cần phải hoàn thiện như:

Độ suy hao của bộ lọc SAW thiết kế, chế tạo còn có giá trị lớn nên hạn chế khả

năng ứng dụng của sản phẩm, do đó cần có những nghiên cứu sâu, hoàn thiện hơn về

quá trình thiết kế, chế tạo bộ lọc thực tế.

Măc dù đã đưa được lý thuyết nhằm giải thích được cơ chế cải thiện độ chọn lọc

của bộ lọc thông giải SAW có cấu trúc bất đối xứng, nhưng các quy luật về vị trí, độ

rộng, số lượng, vật liệu có ảnh hưởng đến cơ chế truyền sóng của điện cực bất đối xứng

cần phải tiếp tục nghiên cứu sâu hơn.

Đây chính là những mục tiêu cần phải giải quyết trong những nghiên cứu tiếp theo

để có thể hoàn thiện, làm chủ khả năng thiết kế, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm bộ

lọc SAW ở Việt Nam.

Trang 96 NCS. Trần Mạnh Hà

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] A. R. W. (University of C. F. Luis M. Rodríguez Cordovés (University of Central

Florida), Donald C. Malocha (University of Central Florida), “Double Transit

Echo Suppression of Surface Acoustic Waves in a Passive Wireless Reflective

Delay-Line Device Employing a 3rd Harmonic Optimized Single Phase

Transducer and a Tunable Antenna,” ieee Int. Conf. Wirel. Sp. Extrem. Environ.,

vol. 6, pp. 169–176, 2018.

[2] Y. P. (University of R. Kandel, “Surface Acoustic Wave Resonator,” Rochester,

2018.

http://www2.optics.rochester.edu/workgroups/cml/opt307/spr18/yaad/yaad.htm.

[3] B. Liu et al., “Surface acoustic wave devices for sensor applications,” J.

Semicond., vol. 37, no. 2, 2016, doi: 10.1088/1674-4926/37/2/021001.

[4] E. Yusifli, T. Gharbi, R. Yahiaoui, E. Herth, D. Belharet, and M. Addouche,

“Biodevice optimization based on piezoresistive sensor dedicated to monitoring

the culture of fibroblast collagen lattices,” 2016 Symposium on Design, Test,

Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP). IEEE, 2016, doi:

10.1109/dtip.2016.7514874.

[5] D. R. Morgan, “Surface acoustic wave devices and applications,” Ultrasonics,

vol. 11, no. 3, pp. 121–131, 1973, doi: 10.1016/0041-624x(73)90608-2.

[6] A. technologies Corp, “Advanced SAW Filter Technology.”

[7] Aurelienr, “The Piezoelectric Effect,” Azarbayjan-e shargi, Iran, 2008. [Online].

Available: www.aurelienr.com.

[8] C. K. Campbell, “Applications of Surface Acoustic and Shallow Bulk Acoustic

Wave Devices,” Proceedings of the IEEE, vol. 77, no. 10. pp. 1453–1484, 1989,

doi: 10.1109/5.40664.

[9] C. Campbell, “SAW Filters in Digital Communications,” in Surface Acoustic

Wave Devices and their Signal Processing Applications, 1st ed., Elsevier, 1989,

pp. 407–426.

[10] C. Campbell and J. C. Burgess, “Surface Acoustic Wave Devices and Their Signal

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 97 Processing Applications,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 89, no. 1479, pp. 1479–1480,

Mar. 1991, doi: 10.1121/1.400569.

[11] Vectron, “Saw products,” vol. 006. Vectron, p. 8, 2014.

[12] M. (Institute G. Hribsek, “Surface acoustic wave devices in communications,”

Sci. Tech. Rev., vol. 58, no. 2, pp. 44–50, 2008.

[13] K. Hashimoto, Surface Acoustic Wave Devices in Telecommunications. Chiba:

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH, 2000.

[14] D. Morgan, Surface Acoustic Wave Filters, 2nd ed. Northampton: Elsevier, 2007.

[15] Token, “What is SAW filters.” TOKEN, p. 5, 2010, [Online]. Available:

www.token.com.tw.

[16] K. Jared, “Surface acoustic wave sensors (SAWS): Design for application,” in

Surface Acoustic Wave sensors (SAW): Design for fabrication,

microelectromechanical systems, 2010, p. 11.

[17] W. J. Tanski, “Surface Acoustic Wave Resonators on Quartz,” IEEE Trans.

Sonics Ultrason., vol. 26, no. 2, pp. 93–104, Mar. 1979, doi: 10.1109/T-

SU.1979.31073.

[18] L. El Fissi, A. Jaouad, D. Vandormael, and L. A. Francis, “Fabrication of new

Interdigital Transducers for Surface Acoustic Wave Device,” Phys. Procedia, vol.

70, pp. 936–940, 2015, doi: 10.1016/j.phpro.2015.08.194.

[19] F. Della Lucia, P. Z. Jr, F. Frazatto, M. Piazzetta, and A. Gobbi, “Design,

Fabrication and Characterization of SAW Pressure Sensors for Extreme Operation

Conditions,” Eurosensors 2014, vol. 28, pp. 540–543, 2014, doi:

10.1016/j.proeng.2014.11.544.

[20] T. (159431) Trzcinski, “Surface Acoustic Wave (SAW) filter technology,”

Torino, 2008.

[21] P. V. (RF M. Wright, “A review of SAW resonator filter technology,” 1992 IEEE

Ultrason. Symp., pp. 29–38, 1992, doi: 10.1109/ULTSYM.1992.276068.

[22] R. Weigel et al., “Microwave acoustic materials, devices, and applications,” IEEE

Trans. Microw. Theory Tech., vol. 50, no. 3, pp. 738–749, 2002, doi:

10.1109/22.989958.

[23] C. Y. Jang, M. J. Park, E. J. Jung, H. C. Choi, J. H. Lee, and Y. H. Lee, “Device

characteristics of radio frequency SAW filter fabricated on GaN thin film,”

Trang 98 NCS. Trần Mạnh Hà

Journal of the Korean Physical Society, vol. 42, no. SPEC. 2003.

[24] E. Benes, M. Groschl, F. Seifert, and A. Pohl, “Comparison between BAW and

SAW sensor principles,” IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol.

45, pp. 1314–1330, 1998, doi: 10.1109/58.726458.

[25] C. M. Donald, “Surface Acoustic Wave Technology and Wireless Application,”

2017. doi: 10.4236/oalib.1104106.

[26] N. A. Ramli and A. N. Nordin, “Design and modeling of MEMS SAW resonator

on Lithium Niobate,” in 4th International Conference on Mechatronics:

Integrated Engineering for Industrial and Societal Development, 2011, pp. 1–4,

doi: 10.1109/ICOM.2011.5937127.

[27] V. Kutiš, G. Gálik, I. Rýger, J. Paulech, and J. Murín, “Modal and transient

analysis of saw mems sensor,” Grant Agency KEGA-grant No. 015STU-4/2012

and VEGA-grant No. 1/0534/12, 2013.

[28] S. G. (Senior M. I. Ruochen Lu (Student Member IEEE), Tomás Manzaneque

(Member IEEE), Yansong Yang (Student Member IEEE), Ming-Huang Li

(Member IEEE), “GHz Low-Loss and Wide-Band S0 Mode Lithium Niobate

Acoustic Delay Lines,” ieee Trans. Ultrason. Freq. Control, vol. 0885, no. 3010,

p. 13, 2018, doi: 10.1109/TUFFC.2019.2916259.

[29] 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,” Sensors

Actuators, B Chem., vol. 171–172, pp. 1283–1287, 2012, doi:

10.1016/j.snb.2012.06.026.

[30] M. Hribsek and D. Tosic, “Analysis and Modelling of Surface Acoustic Wave

Chemical Vapour Sensors,” in Acoustic Waves, D. W. Dissanayake, Ed. Sciyo,

2010, pp. 359–379.

[31] P. Błaszczyk, M. Wójcik, and M. Baszyński, “Temperature measurement of

power electronics devices based on SAW sensors,” in 19th IEEE International

Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, ETFA 2014,

2014, pp. 1–6, doi: 10.1109/ETFA.2014.7005085.

[32] Rafatou, M. Duquennoy, M. Ouaftouh, C. Courtois, F. Jenot, and M. Rguiti,

“Optimization of PZT ceramic IDT sensors for health monitoring of structures,”

Ultrasonics, vol. 79, pp. 96–194, 2017, doi: 10.1016/j.ultras.2017.04.007.

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 99

[33] J. Dong, C. Yang, G. Hu, S. Zhang, Z. Chen, and Z. Tian, “Modeling and

simulation of SAW filter,” Integr. Ferroelectr., vol. 78, no. 1, pp. 9–18, Nov.

2006, doi: 10.1080/10584580600656841.

[34] M. M. Elsherbini, M. F. Elkordy, and A. M. Gomaa, “Analytical Modeling and

Simulation of SAW Filter Using Concave,” vol. 16, no. 3. pp. 495–501, 2015, doi:

10.11591/telkomnika.v16i3.9014.

[35] M. M. Elsherbini, M. F. Elkordy, and A. M. Gomaa, “Design and Simulation for

UHF oscillator using SAWR with different schematics,” Indones. J. Electr. Eng.

Comput. Sci., vol. 1, no. 2, p. 294, 2016, doi: 10.11591/ijeecs.v1.i2.pp294-299.

[36] V. (STU B. Kutiš, G. (STU B. Gálik, V. (STU B. Královič, I. (Institue of electrical

E. Rýger, E. (STU B. Mojto, and T. (Institue of electrical E. Lalinský, “Modelling

and Simulation of SAW Sensor Using FEM,” MMaMS 2012, vol. 48, pp. 332–

337, 2012, doi: 10.1016/j.proeng.2012.09.522.

[37] N. (EPCOS A. Finger, G. (EPCOS A. Kovacs, J. (University of L. Schoberl, and

U. (University of L. Langer, “Accurate FEM/BEM-simulation of surface acoustic

wave filters,” IEEE Symp. Ultrason. 2003, vol. 2, pp. 1680–1685, 2003, doi:

10.1109/ultsym.2003.1293234.

[38] A. (IMT B. Stefanescu et al., “SAW GaN/Si based resonators: Modeling and

experimental validation,” 2012 Int. Semicond. Conf. (CAS 2012), pp. 193–196,

2012, doi: 10.1109/smicnd.2012.6400656.

[39] G. Mohamed M. EL and W. (University of A. Moussa, “A Finite Element Model

of a MEMS-based Surface Acoustic Wave Hydrogen Sensor,” Sensors 2010, vol.

10, no. 2, pp. 1232–1250, 2010, doi: 10.3390/s100201232.

[40] M. El Gowini and W. (University of A. Moussa, “A Reduced Three Dimensional

Model for SAW Sensors Using Finite Element Analysis,” Sensors, vol. 9, no. 12,

pp. 9945–9964, 2009, doi: 10.3390/s91209945.

[41] H. (RF S. Clinton S, J. (Crystal P. Shen, and M. (Phonon) Tom A, “A Compact

High-Performance EWC/SPUDT SAW Channelizer,” 2013 Jt. UFFC, EFTF

PFM Symp., vol. 0354, pp. 1395–1398, 2013, doi: 10.1109/ULTSYM.2013.0354.

[42] C. R.E and M. (TriQuint S. I. S, “Wide Band Tapered SAW Filters with Improved

Shape Factor and Phase Response,” 2013 Jt. UFFC, EFTF PFM Symp., vol. 0191,

pp. 741–744, 2013, doi: 10.1109/ULTSYM.2013.0191.

Trang 100 NCS. Trần Mạnh Hà

[43] T. H. (Shanghai J. T. U. Xupeng Zhao, Ruchuan Shi, Yang Yang, Peng Qin, Yixin

Ma, Yumei Wen, “SAW RFID with Enhanced Penetration Depth,” IEEE, p. 4,

2017, doi: 978-1-5386-3383-0/17/$31.00 ©2017 IEEE.

[44] M. (IFW D. Guenter, V. B. (IFW D. Sergey, S. (IFW D. Hagen, S. (Vectron I. G.

Bernd, and W. (Vectron I. G. Bert, “Two-Finger (TF) SPUDT cells,” IEEE Trans.

Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control., vol. 58, no. 3, pp. 658–661, 2011, doi:

10.1109/TUFFc.2011.1849.

[45] S. G. (Senior M. I. Ruochen Lu (Member IEEE), Steffen Link (Student Member

IEEE), “A Unidirectional Transducer Design for Scaling GHz AlN-based RF

Microsystems,” ieee Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol. 0885, no.

3010, p. 8, 2019, doi: 10.1109/TUFFC.2020.2968245.

[46] Digi-key electronic, “Các bộ lọc SAW,” Digi-key electronic, 2021.

https://www.digikey.com/products/en/filters/saw-filters/836.

[47] Tai-saw technology, “Các sản phẩm ứng dụng SAW,” Tai-saw technology, 2015.

https://www.taisaw.com/en/product.php.

[48] H. S. Hong, “Mô phỏng bộ cộng hưởng sóng âm bề mặt có cấu trúc hai lớp sử

dụng phương pháp phần tử hữu hạn,” Tạp chí Tự động hóa ngày nay, vol. 12,

2014, [Online]. Available: https://automation.net.vn/Ky-thuat-Dieu-khien-va-Tu-

dong-hoa/Tom-tat-cac-bai-bao-dang-tren-chuyen-san-so-12-2014.html.

[49] H. S. Hồng, “Ứng dụng phương pháp mô hình mạch tương đương trong mô phỏng

đáp ứng tần số của bộ cộng hưởng cao tần SAW,” Tạp chí Nghiên cứu Khoa học

Công nghệ quân sự, 2015. .

[50] N. N. V. Dương Tấn Phước; Trần Huy Thông; Trần Thị Minh Thư; Nguyễn Đăng

Giang; Trần Thị Thảnh; Trương Hữu Lý, “Mô phỏng hoạt động của linh kiện

SAW 120 MHz với cấu trúc chọn lọc từ phương pháp Taguchi,” Tạp chí khoa học

công nghệ Việt Nam, vol. 7, no. 45–51, p. 7, 2014.

[51] C. Đ. Trình, “Hệ thống cảm biến chất lỏng dựa trên cấu trúc SAW dùng cho đầu

phun mực thông minh,” 2015. https://www.most.gov.vn/vn/tin-tuc/6871/he-

thong-cam-bien-chat-long-dua-tren-cau-truc-saw-dung-cho-dau-phun-muc-

thong-minh.aspx.

[52] R. Pei, Donghong (University of Nevada, “Modeling and inversion of dispersion

curves of surface waves in shallow site investigations,” University of Nevada,

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 101

Reno, University of Nevada, Reno, 2007.

[53] H. Campanella, Acoustic Wave and Electromechanical Resonators, 1st ed.

Boston: Artech house, 2010.

[54] O. Novotny, “Seismic surface waves,” Universidade federal da Bahia, Salvador,

Bahia, 1999.

[55] H. Wiederhold, “Seismic methods,” in Methods in Geochemistry and Geophysics,

vol. 3, no. C, Burval, 1966, pp. 33–50.

[56] B. Romanowicz, “Surface waves,” Encyclopedia of Earth Sciences Series, vol.

Part 5. pp. 1406–1419, 2011, doi: 10.1007/978-90-481-8702-7_143.

[57] M. Tech, “What Is Seismology? and What Are Seismic Waves?,” MichiganTech,

2007. http://www.geo.mtu.edu/UPSeis/waves.html.

[58] A. L. Claudio Strobbia, Peter Vermeer and A. G. and S. Re, “Surface waves:

processing, inversion and removal,” Near Surf. Geosci., vol. 28, pp. 85–91, 2010,

[Online]. Available: www.firstbreak.org.

[59] C. B. Park, R. D. Miller, and J. (University of K. Xia, “Multichannel analysis of

surface waves,” Geophysics, vol. 64, no. 3, pp. 800–808, 1999, doi:

10.1190/1.1444590.

[60] S. (Post graduate government C. Baljeet and S. (Modern I. of engineering and

technology). Ranbir, “Rayleigh wave in a rotating initially stressed piezoelectric

haff-space,” J. Theor. Appl. Mech. Sofia, vol. 43, no. 2, pp. 55–68, 2013.

[61] R. B. (Department of E. and A. S. Herrmann, “Particle Motion – Rayleigh,” 2007.

[62] K. N. (University of D. research I. Jeong, K. (University of D. research I. Samuel,

and L. B. (Air F. research L. James, “Interaction of Rayleigh Waves Induced by

Interdigital Transducer with Fatigue Crack,” 17th World Conference on

Nondestructive Testing, vol. 17. pp. 25–28, 2008.

[63] A. Roohollah and J. F. Robert, “Dispersion and the dissipative characteristics of

surface waves in the generalized S transform domain,” 2010.

[64] J. Y. Kim, H. J. Chung, H. J. (Seoul N. U. Kim, H. M. Cho, H. K. Yang, and J. C.

(Korea E. T. I. Park, “Surface acoustic wave propagation properties of

nitrogenated diamond-like carbon films,” J. Vac. Sci. 2000, vol. 18, no. 4, pp.

1993–1997, 2000, doi: 10.1116/1.582460.

[65] J. Kirschner, “Surface Acoustic Wave Sensors (SAWS): Design for Application,”

Trang 102 NCS. Trần Mạnh Hà

Microelectromechanical Syst. Devices, p. 11, 2010.

[66] S. (California institute of technology). Sherrit and B. K. (Royal military college

of C. Mukherjee, “Characterization of Piezoelectric Materials for Transducers,”

Dielectr. Ferroelectr. Rev., p. 45, 2007, [Online]. Available:

http://arxiv.org/abs/0711.2657.

[67] V. (ville@kaajakari. net. Kaajakari, “Silicon as an anisotropic mechanical

material - a tutorial,” 2003. [Online]. Available:

http://www.kaajakari.net/~ville/research/tutorials/tutorials.shtml.

[68] H. P. (Jawaharlal N. T. Konka, “Sensing and actuation of composite piezoelectric

materials for smart joint applications,” Louisiana state university, 2010.

[69] G. Z. (Polish A. of S. Tomasz, “Fundamentals of Piezoelectricity,” Warsaw,

Poland. [Online]. Available: bluebox.ippt.pan.pl/˜tzielins/.

[70] P. Jurcevic, “Piezoelectricity: Basics and applications,” FFM, 30.07.2010. p. 27,

2010, doi: FFM, 30.07.2010.

[71] T. G. (Institute of fundamental technological research). Zieliński, M.-A. (Ecole

centrale de L. Galland, and M. (Ecole centrale de L. Ichchou, “Fully Coupled

Finite-Element Modeling of Active Sandwich Panels With Poroelastic Core,” J.

Vib. Acoust., vol. 134, no. 2, p. 10, 2012, doi: 10.1115/1.4005026.

[72] A. (Universidad P. de V. Antonio and D. (Universidade de C. Soares,

“Fundamentals of Piezoelectricity,” in Piezoelectric Transducers and

Applications, A.A. Vives., A. A. Vives, Ed. Springer-Verlag Berlin Heidelberg,

2008, p. 2.

[73] E.Y.Tsymbal, “Elastic Properties,” PHYSICS 927 Introduction to Solid State

Physics, 2021. https://unlcms.unl.edu/cas/physics/tsymbal/teaching/SSP-

927/Section 04_Elastic_Properties.pdf.

[74] W. Yang, “From Elastic Waves to Seismic Waves,” in Reflection Seismology,

Elsevier, 2014, pp. 47–81.

[75] S. Ling Bing, K; Li, T; Hng, H.H; Boey, F; Zhang, T; Li, “Waste energy

harvesting - Machanical and thermal energies,” in Waste energy harvesting -

Machanical and thermal energies, vol. 3, Springer-Verlag Berlin Heidelberg,

2014, pp. 19–133.

[76] K. (University of T. at S. A. Lovelady, “Anisotropic Materials,” Harry Mill., U.

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 103

of T. at S. A. Kayla Lovelady, Ed. spring, 2013, p. 8.

[77] A. Ballato, “Basic Material Quartz and Related Innovations,” in Piezoelectricity

Evolution and Future of a Technology, vol. 114, Springer, 2008, pp. 9–35.

[78] S. M. and S. S. M. Tao Wang, Ryan Green, Rasim Guldiken, Jing Wang, “Finite

Element Analysis for Surface Acoustic Wave Device Characteristic Properties

and Sensitivity,” Sensors, vol. 17, no. 1749, p. 18, 2019, doi: 10.3390/s19081749.

[79] T. Yuden, “Working principles and Applications of SAW / FBAR Devices,”

Taiyo Yuden Navigator. Taiyo Yuden Navigator, pp. 10–15, 2007.

[80] T. Kawakubo, “Thin film bulk acoustic wave resonator,” The Journal of the

Acoustical Society of America, vol. 118, no. 2. p. 586, 2005, doi:

10.1121/1.2040234.

[81] D. Sil, J. Hines, U. Udeoyo, and E. Borguet, “Palladium Nanoparticle-Based

Surface Acoustic Wave Hydrogen Sensor,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 7,

no. 10, pp. 5709–5714, 2015, doi: 10.1021/am507531s.

[82] K.-Y. (Student member I. Wong and W.-Y. (Senior member I. Tam, “Analysis of

the frequency response of SAW filters using finite-difference time-domain

method,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 53, no. 11, pp. 3364–3370,

2005, doi: 10.1109/tmtt.2005.858385.

[83] R. T. Ling, J. D. Scholler, and P. Y. Ufimtsev, “The Propagation and Excitation

of Surface Waves in an Absorbing Layer,” Los Angeles, 1998. doi:

10.2528/pier97071800.

[84] M. L. Chin, “A Fabrication Study of Surface Acoustic Wave Devices for

Magnetic Field Detection,” Oregon State University, University Honors College,

2006.

[85] T. N. T. (Vielina) Truyện, T. T. M. (Moit) Hà, P. T. H. S. (ĐHBK H. N. Hồng, T.

L. M. (ĐHBK H. N. Thùy, T. N. T. (ĐHBK H. N. Huế, and T. N. T. (Vielina)

Nông., “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo chip thụ động cao tần ứng dụng trong các

bộ điều khiển từ xa không dây,” Hà Nội, 2015. doi: ĐTKHCN.026/15.

[86] W. (NASA L. research center). Wilson and G. (Virginia commonwealth

university). Atkinson, “Rapid SAW Sensor Development Tools,” NASA Tech.

reports, no. Figure 2, pp. 1–7, 2007, [Online]. Available:

http://www.caneus.org/fbw/downloads/2007/wilsonpaper.pdf.

Trang 104 NCS. Trần Mạnh Hà

[87] H. S. H. Trần Mạnh Hà, Nguyễn Thế Truyện, Nguyễn Hằng Phương, Nguyễn Văn

Toán, “Nghiên cứu thiết kế bộ lọc và bộ cộng hưởng cao tần kiểu sóng âm bề

mặt,” Tạp chí khoa học công nghệ quân sự, vol. 52, no. 12–2017, pp. 89–96, 2017.

[88] A. J. Slobodnik, “Surface acoustic waves and SAW materials,” vol. 64, no. 5, pp.

581–595, 1976, [Online]. Available:

https://ieeexplore.ieee.org/document/1454449.

[89] K. Lacanette, “A Basic Introduction to Filters- Active, Passive and Switched-

Capacitor,” 1995. doi: AN-779.

[90] H. G. (Institute of P. Dimopoulos, Analog electronic filters. Springer, 2012.

[91] K. Su, Analog Filters, 2nd ed. Kluwer academic, 2003.

[92] Larry D. Paarmann, Design and Analysis of Analog Firlter - A signal processing

perspective, 1st ed. Wichita, Kansas: Kluwer academic, 2003.

[93] TDK, “Application note saw components - How to choose the optimal saw filter.”

EPCOS AG, p. 11, 2009, [Online]. Available: www.epcos.com.

[94] T. A. F. Clemens C.W. Ruppel, Advances in Surface Acoustic Wave Technology,

Systems and Applications (Vol 2), vol. 2, no. 4. Singapore: World scientific

publishing Co. Pte. Ltd, 2001.

[95] A. H. Rasolomboahanginjatovo, F. Domingue, and A. (Universite du Q.

Dahmane, “A New SAW Device Simulator Based on Mason ’ s Equivalent Circuit

Model,” Fourth Int. Conf. Sens. Device Technol. Appl., vol. 4, no. 3, pp. 59–63,

2013.

[96] S. H. (Chinese A. of S. Beijing), H. L. Y. T. Yabing Ke, and W. WeiLuo

(Huazhong University Science and Technology, “Analysis of Rayleigh Surface

Acoustic Waves Propagation on Piezoelectric Phononic Crystal with 3-D Finite

Element Model,” 2014 IEEE Int. Ultrason. Symp. IUS, pp. 2533–2536, 2014, doi:

10.1109/ULTSYM.2014.0632.

[97] R. (University of M. Sanda, “Thermal and Structural finite element analysis of

early age mass concrete structure,” University of Manitoba, 1998.

[98] A. (University of C. Margiolakis, “FEM Analysis of surface acoustic wave

resonators of piezoelectric galium nitride on silica substrate for frequencies above

5 GHz,” University of Crete - Greece; IMT - Bucharest - Romania, 2012.

[99] T. Kannan, “Finite Element Analysis of Surface Acoustic Wave Resonators,”

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 105

University of Saskatchewan, Saskatoon, 2006.

[100] S. K. R. S. Sankaranarayanan, V. R. Bhethanabotla, and B. (University of S. F.

Joseph, “Finite element modeling for improved SAW sensor response,” AIChE

Annual Meeting. pp. 11958–11964, 2005.

[101] T. động hóa Trần Mạnh Hà, Nguyễn Thế Truyện, Nguyễn Hằng Phương, Hoàng

Sĩ Hồng, Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, “Chế tạo thử nghiệm bộ lọc và bộ

cộng hưởng cao tần kiểu sóng âm bề mặt sử dụng đế áp điện Quartz và AlN,” Hội

thảo toàn quốc về điện tử, truyền thông và công nghệ thông tin, p. 6, 2016.

[102] H. S. H. Trần Mạnh Hà, Nguyễn Hằng Phương, Lê Khả Linh, Nguyễn Văn Đưa,

Nguyễn Quốc Cường, Nguyễn Thị Huế, “Mô phỏng 2D bộ lọc cao tần kiểu SAW

sử dụng đế áp điện Quartz,” VCCA-2015, pp. 761–767, 2015, doi:

10.15625/vap.2015.0114.

[103] S. H. Hoang and G. S. Chung, “Surface acoustic wave characteristics of AlN thin

films grown on a polycrystalline 3C-SiC buffer layer,” Microelectron. Eng. 86,

vol. 86, no. 11, pp. 2149–2152, 2009, doi: 10.1016/j.mee.2009.02.030.

[104] N. T. H. Tran Manh Ha, Do Quang Huy, Hoang Si Hong, “FEM Analysis of High-

Selectivity SAW Filter using SPUDT Structure,” Tạp chí khoa học và công nghệ,

vol. 123, p. 5, 2017.

[105] E. M. Garber, D. S. Yip, and D. K. Henderson, “Design of high selectivity DART

SPUDT filters on quartz and lithium tantalate,” Proceedings of the IEEE

Ultrasonics Symposium, vol. 1. pp. 7–12, 1994, doi:

10.1109/ultsym.1994.401543.

[106] T. Kodama; H. Kawabata; Y. Yasuhara; H. Sato, “Design of Low-Loss SAW

Filters Employing Distributed Acoustic Reflection Transducers,” IEEE 1986

Ultrason. Symp., vol. 11, pp. 59–64, 1986, doi: 10.1109/ULTSYM.1986.198710.

[107] K. Hanma and B. J. Hunsinger, “A Triple Transit Suppression Technique,” 1976

Ultrason. Symp., vol. 10, pp. 328–331, 1976, doi:

10.1109/ULTSYM.1976.196692.

[108] T. M. Hà, T. V. Thái, N. T. Truyện, and H. S. Hồng, “Mô phỏng đánh giá độ chọn

lọc của bộ lọc SAW có cấu trúc bất đối xứng sử dụng phương pháp FEM và mô

hình mạch tương đương,” Meas. Control. Autom., vol. 2, no. June, p. 7, 2021.

[109] B. P. Abbott, C. S. Hartmann, and D. C. Malocha, “Matching of single-phase

Trang 106 NCS. Trần Mạnh Hà

unidirectional SAW transducers and a demonstration using a low-loss

EWC/SPUDT filter,” Ultrason. Symp. Proc., vol. 1, pp. 49–54, 1990, doi:

10.1109/ultsym.1990.171325.

[110] H. Nakamura, T. Yamada, T. Igaki, K. Nishimura, T. Ishizaki, and K. Ogawa, “A

practical SPUDT design for SAW filters with different-width split-finger

interdigital transducers,” Proc. IEEE Ultrason. Symp., vol. 1, pp. 105–108, 2000,

doi: 10.1109/ULTSYM.2000.922517.

[111] V. B. Chvets, P. G. Ivanov, V. M. Makarov, and V. S. Orlov, “Low-loss SAW

filters using new SPUDT structures,” Proc. IEEE Ultrason. Symp., vol. 1, pp. 69–

72, 1997, doi: 10.1109/ultsym.1997.662982.

[112] D. (Impulse C. Morgan, Surface Acoustic Wave filters with applications to

electronic communications and signal processing, Second. Northampton:

Elsevier Ltd, 2007.

[113] H. Jiang, W. Lu, S. Shen, and Z. Xie, “Study of a low insertion loss saw filter with

SPUDT structure using YZ-LiNbO3,” in Applied Mechanics and Materials, 2013,

vol. 251, pp. 139–142, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.251.139.

[114] E. M. Garber, “Surface Acoustic Wave single-phase unidirectional Transducers

and Phase phase weighting,” MIT, 1985.

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 107

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, Hoàng Sĩ Hồng, “Mô phỏng 2D bộ lọc cao tần

kiểu SAW sử dụng đế áp điện Quartz”, tuyển tập hội nghị tự động hóa toàn quốc

(VCCA2015), 04 tháng 11-2015. (Hội nghị trong 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 bộ lọc và bộ cộng hưởng cao tần kiểu sóng âm bề mặt sử

dụng đế áp điện Quartz và AlN”, REV-2016, Trang 4/36-4/41, 23-24 tháng 12/2016.

(hội nghị trong nước)

[4] Trần Mạnh Hà1, Nguyễn Thế Truyện1, Nguyễn Hằng Phương2, Nguyễn Văn

Toán3, Hoàng Sĩ Hồng2, “Nghiên cứu thiết kế bộ lọc và bộ 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 trong 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 trong nước)

[6] Trần Mạnh Hà, Trịnh Văn Thái, Nguyễn Thế Truyện, Hoàng Sĩ Hồng, “Mô

phỏng đánh giá độ chọn lọc của bộ lọc SAW có cấu trúc bất đối xứng sử dụng phương

pháp FEM và mô hình mạch tương đương,” Meas. Control. Autom., vol. 2, no. June, p.

7, 2021. (tạp chí khoa học trong nước)

Trang 108 NCS. Trần Mạnh Hà

PHỤ LỤC

Phần 1 – Hình ảnh quá trình mô phỏng, chế tạo

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 109

Trang 110 NCS. 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

Trang 111

Trang 112 NCS. 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

Trang 113

Trang 114 NCS. Trần Mạnh Hà

Phần 2 – Thiết lập các tham số trên phần mềm ANSYS

!=========================================================

!Che do xu ly

!=========================================================

/NOPR

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_STRUC,1

KEYW,PR_THERM,0

KEYW,PR_FLUID,0

KEYW,PR_ELMAG,1

KEYW,MAGNOD,0

KEYW,MAGEDG,0

KEYW,MAGHFE,0

KEYW,MAGELC,1

KEYW,PR_MULTI,1

!=========================================================

!chon cac loai lop vat lieu

!=========================================================

/PREP7

!*

ET,1,plane42 !Lop de Si

!*

ET,2,plane223 !Lop ap dien AlN

!*

ET,3,plane42 !Lop IDT (Al)

!*

KEYOPT,2,1,1001

KEYOPT,2,2,0

KEYOPT,2,3,0

KEYOPT,2,4,0

KEYOPT,2,9,0

KEYOPT,2,10,0

!=========================================================

!Khai bao cac thong so cho cac lop vat lieu

!=========================================================

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 115

!================== Lop de Si ===================

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,DENS,1,,2329

! Mat do

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,1,,185 ! Module Young

MPDATA,PRXY,1,,0.28

! He so Poison

!================== Lop ap dien ===================

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,DENS,2,,3260

TB,ANEL,2,1,21,0

TBTEMP,0

TBDATA,,3.45e11,1.45e11,1.2e11,0,0,0

TBDATA,,3.45e11,1.2e11,0,0,0,3.59e11

TBDATA,,0,0,0,1.18e11,0,0

TBDATA,,1.18e11,0,1.1e11,,,

TB,PIEZ,2,,,0

TBMODIF,1,1,0

TBMODIF,1,2,0

TBMODIF,1,3,-0.45

TBMODIF,2,1,0

TBMODIF,2,2,0

TBMODIF,2,3,-0.45

TBMODIF,3,1,0

TBMODIF,3,2,0

TBMODIF,3,3,1.55

TBMODIF,4,1,0

TBMODIF,4,2,-0.48

TBMODIF,4,3,0

TBMODIF,5,1,-0.48

TBMODIF,5,2,0

TBMODIF,5,3,0

Trang 116 NCS. Trần Mạnh Hà

TBMODIF,6,1,0

TBMODIF,6,2,0

TBMODIF,6,3,0

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,PERX,2,,8.5

MPDATA,PERY,2,,8.5

MPDATA,PERZ,2,,8.5

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

!================== Lop IDT ===================

MPDATA,DENS,3,,2679

! Mat do

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,3,,70.3 ! Module Young

MPDATA,PRXY,3,,0.345

! He so Poison

!=========================================================

!Thiet lap cac thong so cua cau truc SAW (De va IDT)

!=========================================================

*SET,numIDT,50

!So cap cua IDT

*SET,lamda,40e-6

!Buoc song

*SET,d,lamda/8

!Chieu rong cua moi ngon tay

*SET,d1,d

*SET,d2,d

*SET,d3,d

*SET,Din,7*lamda

!Khoang cach giua hai IDT

*SET,dIDT,numIDT*lamda !Chieu dai cua IDT

*SET,L,10e-3

!Chieu dai toan bo de SAW

*SET,L1,(L-Din-2*dIDT)/2!Khoang cach hai mep

*SET,h1,500e-6

!Do day (chieu cao) cua de Si

*SET,h2,500e-9

!Do day (chieu cao) cua lop ap dien (DUNG)

!*SET,h2,100e-6

!Do day (chieu cao) cua lop ap dien (THU)

!*SET,h3,100e-6

!Do day (chieu cao) cua IDT (THU)

*SET,h3,0.025*lamda !Do day (chieu cao) cua IDT toi uu (DUNG)

!============================================================

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 117

RECTING,0,L,0,h1, !Ve/dat de Si: RECTNG, X1, X2, Y1, Y2

!============================================================

RECTING,0,L,h1,h1+h2,!Ve/dat de AlN

!============================================================

!Ve IDT dau vao

!============================================================

*DO,i,0,numIDT-1

!Ve ngon tay n1

RECTNG, L1+i*lamda,L1+d1+i*lamda,h1+h2,h1+h2+h3

!Ve ngon tay n2

RECTNG, L1+2*d+i*lamda,L1+3*d+i*lamda,h1+h2,h1+h2+h3

!Ve ngon tay n3

RECTNG, L1+6*d+i*lamda,L1+7*d+i*lamda,h1+h2,h1+h2+h3

*ENDDO

!============================================================

!Ve IDT dau ra

!============================================================

*DO,i,0,numIDT-1

!Ve ngon tay n1

RECTNG, L1+i*lamda+Din+dIDT,L1+d1+i*lamda+Din+dIDT,h1+h2,h1+h2+h3

!Ve ngon tay n2

RECTNG, L1+2*d+i*lamda+Din+dIDT,L1+3*d+i*lamda+Din+dIDT,h1+h2,h1+h2+h3

!Ve ngon tay n3

RECTNG, L1+6*d+i*lamda+Din+dIDT,L1+7*d+i*lamda+Din+dIDT,h1+h2,h1+h2+h3

*ENDDO

!============================================================

!Glue: Ket noi cac khoi cua cau truc

!============================================================

FLST,2,302,5,ORDE,2

FITEM,2,1

FITEM,2,-302

AGLUE,P51X

!============================================================

!Mesh: Chia luoi (IDT tu dong chia)

Trang 118 NCS. Trần Mạnh Hà

!============================================================

FLST,5,1,4,ORDE,1

FITEM,5,1

CM,_Y,LINE

LSEL, , , ,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL,,_Y

!*

LESIZE,_Y1, , ,200, , , , ,1 !L1

!*

FLST,5,2,4,ORDE,2

FITEM,5,2

FITEM,5,4

CM,_Y,LINE

LSEL, , , ,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL,,_Y

!*

LESIZE,_Y1, , ,250, , , , ,1 !L2, l4

!*

FLST,5,1,4,ORDE,1

FITEM,5,3

CM,_Y,LINE

LSEL, , , ,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL,,_Y

!*

LESIZE,_Y1, , ,10000, , , , ,1 !L3

!*

FLST,5,2,4,ORDE,2

FITEM,5,1209

FITEM,5,-1210

CM,_Y,LINE

LSEL, , , ,P51X

CM,_Y1,LINE

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 119

CMSEL,,_Y

!*

LESIZE,_Y1, , ,1, , , , ,1 !L1209, L1210

!*

FLST,5,2,4,ORDE,2

FITEM,5,1211

FITEM,5,-1212

CM,_Y,LINE

LSEL, , , ,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL,,_Y

!*

LESIZE,_Y1, , ,2860, , , , ,1 !L1211, L1212

!*

FLST,5,1,4,ORDE,1

FITEM,5,1362

CM,_Y,LINE

LSEL, , , ,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL,,_Y

!*

LESIZE,_Y1, , ,280, , , , ,1

!L1362

!*

MSHKEY,0

FLST,5,302,5,ORDE,3

FITEM,5,1

FITEM,5,3

FITEM,5,-303

CM,_Y,AREA

ASEL, , , ,P51X

CM,_Y1,AREA

CHKMSH,'AREA'

CMSEL,S,_Y

!*

Trang 120 NCS. Trần Mạnh Hà

AMESH,_Y1

!*

CMDELE,_Y

CMDELE,_Y1

CMDELE,_Y2

!============================================================

!Doi lop vat lieu IDT

!============================================================

FLST,2,13500,2,ORDE,2

FITEM,2,143301

FITEM,2,-156800

EMODIF,P51X,TYPE,3,

FLST,2,13500,2,ORDE,2

FITEM,2,143301

FITEM,2,-156800

EMODIF,P51X,MAT,3,

!============================================================

!Doi lop vat lieu ap dien (A303)

!============================================================

APLOT,303,303

TYPE, 2

MAT, 2

REAL,

ESYS, 0

SECNUM,

!Chia lai luoi A303 dang tu do

MSHKEY,0

CM,_Y,AREA

ASEL, , , , 303

CM,_Y1,AREA

CHKMSH,'AREA'

CMSEL,S,_Y

!*

!*

ACLEAR,_Y1

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 121

AMESH,_Y1

!*

CMDELE,_Y

CMDELE,_Y1

CMDELE,_Y2

!====== Zoom all =============

/AUTO,1

/REP,FAST

!============================================================

!Tao ham dien ap: file name: VOLT_FUNC.func

!============================================================

!Table parameter name: IDT_VOLT

*DEL,_FNCNAME

*DEL,_FNCMTID

*DEL,_FNCCSYS

*SET,_FNCNAME,'IDT_VOLT'

*SET,_FNCCSYS,0

! /INPUT,VOLT_FUNC.func,,,1

*DIM,%_FNCNAME%,TABLE,6,3,3,,,,%_FNCCSYS%

! Begin of equation: {TIME}

*SET,%_FNCNAME%(0,0,1), 0.0, -999

*SET,%_FNCNAME%(2,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(3,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(4,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(5,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(6,0,1), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(0,1,1), 1.0, 99, 0, 1, 1, 0, 0

*SET,%_FNCNAME%(0,2,1), 0

*SET,%_FNCNAME%(0,3,1), 0

! End of equation: {TIME}

! Begin of equation: 100

*SET,%_FNCNAME%(0,0,2), 20e-9, -999

*SET,%_FNCNAME%(2,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(3,0,2), 0.0

Trang 122 NCS. Trần Mạnh Hà

*SET,%_FNCNAME%(4,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(5,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(6,0,2), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(0,1,2), 1.0, 99, 0, 100, 0, 0, 0

*SET,%_FNCNAME%(0,2,2), 0

*SET,%_FNCNAME%(0,3,2), 0

! End of equation: 100

! Begin of equation: 0*{TIME}

*SET,%_FNCNAME%(0,0,3), 960e-9, -999

*SET,%_FNCNAME%(2,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(3,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(4,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(5,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(6,0,3), 0.0

*SET,%_FNCNAME%(0,1,3), 1.0, -1, 0, 0, 0, 0, 1

*SET,%_FNCNAME%(0,2,3), 0.0, -2, 0, 1, -1, 3, 1

*SET,%_FNCNAME%(0,3,3), 0, 99, 0, 1, -2, 0, 0

! End of equation: 0*{TIME}

!============================================================

!-->Dat node dien ap

!============================================================

*SET,nelec,3*numIDT ! Number of electrodes on top surface

*dim,NIDT,array,nelec

!====================================================

*SET,j,1

*DO,i,1,3*numIDT-2,3

NSEL,S,LOC,Y,h1+h2

NSEL,R,LOC,X,L1+(j-1)*lamda, L1+(j-1)*lamda+d1

*SET,j,j+1

!*SET,b,mod(i,2)+1 !chia lay so du

*SET,b,2

CP,b,VOLT,ALL

*GET,NIDT(i),NODE,0,NUM,MIN

*ENDDO

!====================================================

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 123

*SET,j,1

*DO,i,2,3*numIDT-1,3

NSEL,S,LOC,Y,h1+h2

NSEL,R,LOC,X,L1+2*d+(j-1)*lamda, L1+2*d+(j-1)*lamda+d2

*SET,j,j+1

!*SET,b,mod(i,2)+1 !chia lay so du

*SET,b,1

CP,b,VOLT,ALL

*GET,NIDT(i),NODE,0,NUM,MIN

*ENDDO

!====================================================

*SET,j,1

*DO,i,3,3*numIDT,3

NSEL,S,LOC,Y,h1+h2

NSEL,R,LOC,X,L1+6*d+(j-1)*lamda, L1+6*d+(j-1)*lamda+d3

*SET,j,j+1

!*SET,b,mod(i,2)+1 !chia lay so du

*SET,b,1

CP,b,VOLT,ALL

*GET,NIDT(i),NODE,0,NUM,MIN

*ENDDO

!============================================================

!Tao file cac diem

ALLSEL

CPLIST,ALL,,,ANY

!============================================================

!----------------Dieu kien bien ------------------

nsel,s,loc,y,0

d,all,volt,0

nsel,s,loc,y,0

d,all,ux,0

nsel,s,loc,y,0

d,all,uy,0

fini

Trang 124 NCS. Trần Mạnh Hà

!---------------end dieu kien bien-----------------

!============================================================

! Giai tu day

!============================================================

/SOL

!*

ANTYPE,4

!*

TRNOPT,FULL

LUMPM,0

!*

NLGEOM,0

SSTIF,0

NROPT,AUTO, ,

EQSLV, , ,0,

PRECISION,0

MSAVE,0

TOFFST,313,

!*

!*

/GST,1,0

!*

OUTRES,NSOL,ALL,

ERESX,DEFA

!*

SOLCONTROL,ON,1,

!*

!*

TIME, 960e-9,-1

!Thoi gian tinh

DELTIM, 0.3e-9, , ,1 !Chu ky lay mau

KBC,1

!*

TSRES,ERASE

!*

TIME, 960e-9,-1

!Thoi gian tinh

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 125

!/CONFIG,NRES,8000

NSUBST,3200, , ,1 !So diem tinh

KBC,1

nsel,all ! need to specify node

!=========================================================

!---------------begin electrode Voltage------------

!define voltage

*SET,Vg,0

*do,i,1,3*numIDT-2,3

d,NIDT(i),VOLT, %IDT_VOLT% ! Apply voltages to top odd electrodes

*enddo

*do,i,2,3*numIDT-1,3

d,NIDT(i),VOLT,Vg ! Apply voltages to even top electrodes V=0

*enddo

*do,i,3,3*numIDT,3

d,NIDT(i),VOLT,Vg ! Apply voltages to even top electrodes V=0

*enddo

!--------------end electrode load------------------

!===========================================================

TSRES,ERASE

TIMINT,1,STRUCT

TIMINT,1,ELECT

!*

TINTP, ,0.25,0.5,0.5,0.5,-1 ! Defines egration parameters

NEQIT,25,

/STATUS,SOLU

SOLVE

!/DIST,1,1.08222638492,1 ! Specifies tpective

/REP,FAST

FINISH

!=============================================================

Trang 126 NCS. Trần Mạnh Hà Phần 3 – Đáp ứng tần số của bộ lọc khi thay đổi các tham số

1. Thay đổi khoảng cách giữa hai bộ IDT

Thay đổi khoảng cách giữa hai bộ IDT lần lượt là: 3λ; 5λ; 7λ; 10λ; 12λ, đáp ứng

PL- 1 Trường hợp khoảng cách 3λ.

PL- 2 Trường hợp khoảng cách 5λ.

tần số của các trường hợp thể hiện qua các hình dưới đây:

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 127

PL- 3 Trường hợp khoảng cách 7λ.

PL- 4 Trường hợp khoảng cách 10λ.

Trang 128 NCS. Trần Mạnh Hà

PL- 5 Trường hợp khoảng cách 12λ.

Vẽ trên cùng một đồ thị cho các trường hợp khoảng cách 3λ, 5λ, 7λ, 10λ và 12λ:

PL- 6 Đáp ứng tần số trên cùng 1 đồ thị

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 129

PL- 7 Trường hợp 50 IDT.

PL- 8 Trường hợp 40 IDT.

2. Thay đổi số lượng các IDT

Trang 130 NCS. Trần Mạnh Hà

PL- 9 Trường hợp 30 IDT.

PL- 10 Trường hợp 20 IDT.

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 131 Đáp ứng tần số trên cùng một đồ thị cho các trường hợp 50 IDT, 40 IDT, 30 IDT

PL- 11 Đáp ứng tần số 4 trường hợp trên cùng một đồ thị

và 20 IDT được thể hiện qua các hình sau:

Trang 132 NCS. Trần Mạnh Hà 3. Thay đổi các thông số hàm truyền

a. Trường hợp 1: Tăng hệ số của X, hệ số của X càng cao thì độ dốc càng lớn và

(cid:2870)

(cid:2870)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924)(cid:2870)(cid:2934)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924)(cid:2934) (cid:4673)

đồ thị tiệm cận về 0 nhiều hơn.

(cid:2934)

(cid:2870)(cid:2934)

PL- 12 Thay đổi tham số X lên gấp 2 lần

(cid:4673) Hàm ban đầu: Hn(f) = H(cid:2869)x (cid:4672) xH(cid:2870) ; Hàm thử: Hn2(f) = H(cid:2869)x (cid:4672) xH(cid:2870)

Trong Hình PL- 12 chúng ta thấy rằng, khi tăng tham số x lên 2 lần thì chất lượng

của bộ lọc được cải thiện, đáp ứng tần số có độ dốc tốt hơn, độ lọc lựa cao hơn, cải thiện

độ suy hao, độ rộng băng thông hẹp hơn.

Tiếp theo, để khảo sát sự thay đổi của của việc tăng tham số đối với chất lượng của

(cid:2870)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2871)(cid:2934)

bộ lọc chúng ta tiếp tục thử đối với hàm thứ 2 có tham số x được tăng thêm gấp 3 lần.

(cid:2934)

(cid:4673) Hàm thử 2 có giá trị như sau: Hn2(f) = H(cid:2869)x (cid:4672) xH(cid:2870)

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 133

PL- 13 Thay đổi tham số X lên 3 lần

PL- 14 Thay đổi tham số X lên 10 lần

Xem Hình PL- 13, khi tham số x được tiếp tục tăng thì các chỉ sổ về chất lượng

đều được cải thiện, độ suy hao được cải thiện đáng kể (-100 so với -150), độ lọc lựa

Trang 134 NCS. Trần Mạnh Hà

(cid:2870)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924)(cid:2869)(cid:2868)(cid:2934)

cũng tốt hơn, độ rộng băng thông cũng hẹp hơn. Chúng ta tiếp tục xem xét với trường

(cid:2934)

(cid:4673) hợp tham số x tăng lên gấp 10 lần. Hàm thử 3 như sau: Hn2(f) = H(cid:2869)x (cid:4672) xH(cid:2870)

Từ Hình PL- 14 khi tham số x được tăng lên 10 lần, chúng ta thấy các chỉ số về

chất lượng đều được cải thiện đáng kể như chỉ số độ suy hao từ -150 xuống đến -50, các

chỉ số độ lọc lựa, độ dốc, độ rộng băng thông đều được cải thiện.

(cid:2870)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924)(cid:2934)

Kết luận: Khi tăng tham số x thì sẽ cải thiện được chất lượng của hàm Hn(f) =

(cid:2934)

(cid:4673) xH(cid:2870), đây cũng là dạng của đồ thị hàm truyền bộ lọc SAW. H(cid:2869)x (cid:4672)

b. Trường hợp 2: Tăng bậc của hàm, đồ thị dốc hơn, độ lớn trung bình của tín hiệu

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924)

suy hao giảm đi

(cid:2934)

Chúng ta tiếp tục xem xét mối liên quan khi chúng ta tăng số bậc của hàm đối

với các tham số về chất lượng của bộ lọc. Chúng ta sẽ so sánh giữa 2 hàm với số bậc là

(cid:2870)

(cid:2871)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2934)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924)(cid:2934) (cid:4673)

2 và 3 như sau:

(cid:2934)

(cid:2934)

PL- 15 So sánh sự tăng bậc giữa 2 và 3

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2934)

Hình PL- 15 chúng ta thấy khi tăng số bậc của hàm

(cid:4673) Hàm ban đầu: Hn(f) = H(cid:2869)x (cid:4672) xH(cid:2870) ; Hàm thử: Hn2(f) = H(cid:2869)x (cid:4672) xH(cid:2870)

(cid:2934)

từ 2 lên 3 lần thì chất lượng

của bộ lọc không được cải thiện nhiều, chỉ có thể thấy chút ít sự cải thiện độ dốc. Tiếp

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 135

(cid:2873)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2934)

(cid:2934)

(cid:4673) tục tăng số bậc lên 5 chúng ta có hàm như sau: Hn2(f) = H(cid:2869)x (cid:4672) xH(cid:2870), sau khi dùng

(cid:2869)(cid:2868) (cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2908) (cid:4673)

phần mềm Matlab chúng ta có Hình PL- 16. Tương tự chúng ta có hàm Hn2(f) =

(cid:2908)

PL- 16 so sánh sự tăng bậc giữa 2 và 5

PL- 17 So sánh sự tăng bậc giữa 2 và 10

H(cid:2869)x (cid:4672) xH(cid:2870) và đồ thị tại Hình PL- 17.

Trang 136 NCS. Trần Mạnh Hà c. Trường hợp 3 : Chúng ta khảo sát đặc tính của bộ lọc bất đối xứng bằng cách cộng

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924)

thêm các hàm

để đánh giá các tín hiệu.

(cid:2934)

(cid:2870)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924)(cid:2934) (cid:4673)

(cid:2934)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2870)(cid:2908)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2908)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2870)(cid:2908)

- Hàm thử 1: Với hàm ban đầu Hn(f) = H(cid:2869)x (cid:4672) xH(cid:2870), chúng ta sẽ cộng thêm

(cid:2870) (cid:4673)

. Vậy hàm số là Hn2(f) = H(cid:2869)x (cid:4672)

(cid:2870)(cid:2908)

(cid:2908)

(cid:2870)(cid:2908)

PL- 18 So sánh sau khi cộng thêm 1 hàm sin 2x

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2908)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2870)(cid:2908)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2871)(cid:2908)

01 hàm số có dạng như sau: + xH(cid:2870)

(cid:2870) (cid:4673)

(cid:2908)

(cid:2870)(cid:2908)

(cid:2871)(cid:2908)

PL- 19 Cộng thêm hàm Sin 3x

+ + - Hàm thử 2: Hn2(f) = H(cid:2869) (cid:4672) H(cid:2870)

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 137

(cid:2870)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2908)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2870)(cid:2908)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2871)(cid:2908)

(cid:2929)(cid:2919)(cid:2924) (cid:2872)(cid:2908)

(cid:2908)

(cid:2870)(cid:2908)

(cid:2871)(cid:2908)

(cid:2872)(cid:2908)

PL- 20 Cộng thêm hàm sin 4x

+ + + (cid:4673) - Hàm thử 3: Hn2(f) = H(cid:2869) (cid:4672) H(cid:2870)

Trang 138 NCS. Trần Mạnh Hà 4. So sánh giữa IDT và SPUDT

a. So sánh về bước sóng

- Trường hợp 1 : λ0 = 19,5 μm

PL- 21 Đáp ứng bộ lọc trường hợp λ0 = 19,5 μm so sánh giữa SPUDT và Bi-IDT

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 139

PL- 22 Đáp ứng bộ lọc với λ0 = 36μm so sánh giữa SPUDT và Bi-IDT

- Trường hợp 2: λ0 = 36,0 μm

Trang 140 NCS. Trần Mạnh Hà

PL- 23 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW-SPUDT với IDT là Al.

PL- 24 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW-SPUDT với IDT là Cu.

b. Ảnh hưởng vật liệu

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 141

PL- 25 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW-SPUDT với IDT là Au.

PL- 26 So sánh đáp ứng tần số của bộ lọc SAW-SPUDT với IDT là Al, Cu và Au.

Trang 142 NCS. Trần Mạnh Hà c. Ảnh hưởng độ dày

PL- 27 Đáp ứng tần số của SAW trong các trường hợp h/λ0=2,5%

PL- 28 Đáp ứng tần số của SAW trong các trường hợp h/λ0=5%

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 143

PL- 29 Đáp ứng tần số của SAW trong các trường hợp h/λ0=7%

PL- 30 Đáp ứng tần số của SAW trong các trường hợp h/λ0=10%

Trang 144 NCS. Trần Mạnh Hà

PL- 31 Đáp ứng tần số của SAW trong các trường hợp

PL- 32 Thay đổi số cặp điện cực của IDT với λ0 = 19,5 μm

d. Ảnh hưởng số lượng IDT

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 145

PL- 33 Thay đổi số cặp điện cực của IDT với λ0 = 36,0 μm