Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Về một phương pháp tính toán, thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc thụ động tần số cao dạng SAW ứng dụng trong điện tử viễn thông

Chia sẻ: Minh Tú | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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;... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 952 02 03 Hà Nội – 2021 1
Công trình được hoàn thành tại: Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá. Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thế Truyện PGS.TS Hoàng Sỹ Hồng Phản biện 1: PGS.TS. Mai Anh Tuấn Phản biện 2: PGS.TS. Bạch Nhật Hồng Phản biện 3: PGS.TS. Trần Quốc Tiến Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá họp tại hội trường vào hồi giờ 9h00 ngày 20 tháng 11 năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa 2
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: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các bộ lọc sử dụng nguyên lý sóng âm bề mặt (SAW). - Phương pháp nghiên cứu: + Phương pháp phân tích: Trong quá trình nghiên cứu, NCS đã sử dụng 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; + Phương pháp mô phỏng: 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 3
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: 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. - Bố cục luận án: Luận án gồm 5 phần: 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 4
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. 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. 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. 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN I. Đặt vấn đề Bộ lọc SAW được chế tạo hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quan trọng như điện tử viễn thông, truyền thông không dây, điều khiển từ xa1,… Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm bộ lọc SAW là rất quan trọng và cần thiết2. Bộ lọc SAW là một bộ lọc cơ học trong đó sử dụng nguyên lý lan truyền sóng âm bề mặt và sự cộng hưởng sóng trên bề mặt vật liệu để phục vụ cho mục đích lọc tín hiệu. 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 lift-off và ăn mòn (etching). 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. Một số công trình nghiên cứu đã công bố các kết quả dựa trên phương pháp mô phỏng như sau: (1) Mô phỏng bộ lọc SAW dựa trên MATLAB và Simulink; (2) Mô phỏng bộ lọc SAW sử dụng Concave; (3) Mô phỏng bộ lọc SAW bằng phương pháp 1 Theo báo cáo của Indutrial ARC (www.industryarc.com) thì thị trường SAW- BAW toàn cầu ước tính đạt 40,494 tỷ USD vào năm 2023, với tốc độ gia tăng hàng năm đạt 18,54% trong khoảng thời gian từ năm 2017 đến 2023. 2 Hiện nay các công ty tham gia vào thị trường các thiết bị ứng dụng SAW bao gồm: Kyocera Corporation, Avago Technologies, ECS Inc.International, Qorvo Inc, TDK Corporation và 16 công ty khác. https://www.industryarc.com/Report/18294/saw- baw-market.html. 6
phần tử hữu hạn FEM. Phương pháp FEM được sử dụng phổ biến trong mô phỏng bộ lọc SAW bởi ưu điểm vượt trội về khả năng tính toán cao, dễ dàng mô hình hóa cấu trúc bộ lọc mà không phụ thuộc vào việc biết trước mô hình toán học. Các nghiên cứu mô phỏng bộ lọc SAW sử dụng FEM mới dừng lại ở việc mô phỏng cấu trúc đối xứng, cấu trúc bất đối xứng chưa được nghiên cứu rộng rãi. Trên thế giới, việc nghiên cứu cấu trúc bất đối xứng (SPUDT - Phase Unidirectional Transducer) đã được thực hiện với nhiều bài báo nghiên cứu được công bố gần đây, tuy nhiên phần lớn các nghiên cứu đang dừng ở mức độ ứng dụng hoặc chưa đưa ra quy luật, cơ sở lí thuyết hay kết luận cụ thể. Một số nghiên cứu chỉ dựa trên việc thay đổi các tham số dựa trên thực tế thực nghiệm, chưa có đưa ra được các nghiên cứu tổng thể để chứng minh được tính đúng đắn của việc thực hiện thay đổi các tham số. 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 thiết kế từ tính toán lý thuyết, mô phỏng, đến chế tạo thực nghiệm. Một số nghiên cứu đã được công bố như: (1) Mô phỏng 2D bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) cho bộ lọc SAW delay line đế Quartz; (2) 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; (3) Nhóm nghiên cứu GS.TS Chử Đức Trình – Đại học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội với nghiên cứu đầu phun mực thông 7
minh dùng hệ thống cảm biến chất lỏng dựa trên cấu trúc SAW. 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 trình bày quá trình nghiên cứu thiết kế đầy đủ cho bộ lọc và bộ cộng hưởng SAW từ mô phỏng đến chế tạo thử nghiệm3. Trong đó, bên cạnh việc sử dụng đế áp điện khối dạng Quartz, 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 là bộ lọc SAW cấu trúc delay line với đế áp điện màng mỏng AlN/Si, sau đó thực hiện nghiên cứu để tối ưu thiết kế cho bộ lọc SAW. Trong đó, mô phỏng cải thiện bộ lọc SAW có cấu trúc bất đối xứng bằng phương pháp phần tửu hữu hạn kết hợp cùng mô hình mạch tương đương là kết quả nổi bật của công trình nghiên cứu này. Kết quả của luận án này là đã đề xuất được cấu trúc bất đối xứng 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 chế tạo thực nghiệm bằng phương 3 Nội dung chế tạo đã được báo cáo, đánh giá nghiệm thu 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 không dây”. Đề tài có mã số ĐTKHCN.026/15 đã được Bộ Công Thương nghiệm thu với kết quả đạt yêu cầu. 8
pháp ăn mòn tại phòng thí nghiệm của ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Sau khi chế tạo, đáp ứng tần số của bộ lọc và bộ cộng hưởng SAW được đo bằng máy đo Network A333 đặt 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. II. Cơ sở lý thuyết chung 1. Khái niệm về sóng âm bề mặt Sóng âm bề mặt (surface acoustic wave) hay sóng Rayleigh theo tên người phát hiện ra. Các phân tử 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. 2. Vật liệu không đẳng hướng Sóng bề mặt được sinh ra khi có kích thích tác động dẫn đến sự biến dạng đàn hồi các vật chất bề mặt. Vật liệu không đẳng hướng là loại vật liệu có tính chất phụ thuộc trực tiếp vào hướng của lực tác động. III. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc SAW 1. Cấu trúc Cấu trúc của một bộ lọc SAW gồm hai phần cơ bản là đế áp điện và bộ chuyển đổi IDT (Inter Digital Transducer) 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. Cấu trúc bộ lọc SAW được lựa chọn cho hướng nghiên cứu là cấu trúc delay line kết hợp bộ hấp thụ âm, cấu trúc delay line đầy đủ với bộ hấp thụ âm 9
được thể hiện như tại hình dưới. Hình 1-1 Cấu trúc delay line với bộ hấp thụ âm 3. Các tham số đánh giá Hình 1-2 Đáp ứng tần số của bộ lọc SAW. Bộ lọc SAW có các tham số như: Độ suy hao (insertion loss); Độ rộng băng thông (bandwidth); Độ lọc lựa (stopband rejection); Hệ số phẩm chất Q. Trong pham vi 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 và Độ chọn lọc (Fs). Lý do của việc lựa chọn các tham số này bởi vì đây là các thông số dễ dàng đánh giá trong quá trình thiết kế, tính toán cũng như trên hình. 10
IV. Các phương pháp mô phỏng 1. Phương pháp mô phỏng COM Phương pháp ghép cặp các chế độ riêng COM (Coupling of Modes) là một hướng nghiên cứu phát triển từ lý thuyết truyền sóng ứng dụng trong truyền thông và xử lý tín hiệu. Vấn đề khi sử dụng phương pháp COM là các tham số của phương pháp là một hàm của cấu trúc và hướng vật liệu. Để đạt được đáp ứng tối ưu cho một thiết bị một dải thì các cấu trúc và chất nền cần được mô hình hoá, do đó phải dùng đến các ma trận và nhiều phương trình để giải quyết bài toán. 2. Mô hình mạch tương đương Mason Mô hình mạch tương đương Mason thực chất là quy đổi cấu trúc bộ lọc về dạng tương đương RLC truyền thống Trên cơ sở quy bài toán mô phỏng mô phỏng các cấu trúc điện cực về dạng một mạch điện tương đương cho phép dễ dàng thực hiện mô phỏng bằng Matlab. Hạn chế của phương pháp này là mới chỉ áp dụng cho cấu trúc đối xứng, đồng thời phải chọn trước tần số cộng hưởng trung tâm và các tham số cấu trúc gián tiếp của điện cực để mô phỏng được đáp ứng tần số của bộ lọc SAW nên dẫn đến thiếu chính xác, thiếu khách quan và chỉ phù hợp cho các bài toán kiểm chứng hơn là bài toán thiết kế. 3. Phương pháp phần tử hữu hạn Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn (FEM- Finite Element Method) này hoàn toàn dựa vào bản chất của vật liệu áp điện. Việc phân tích các tham số của vật liệu áp điện cũng chính là các tham số truyền vào cho hệ phần tử hữu hạn và thực hiện mô phỏng. Đặc điểm nổi bật nhất của phương pháp FEM là khả năng 11
xử lý những dạng hình học phức tạp hoặc biên tương đối dễ dàng. Với sự hỗ trợ từ phần mềm ANSYS4, 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. V. Các kỹ thuật chế tạo 1. Kỹ thuật LIGA Phương pháp LIGA là phương pháp chế tạo các vi cấu trúc 3 chiều trên bề mặt đế Si 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 và UV LIGA, phương pháp LIGA có các đặc điểm nổi bật sau: (1) Cho phép tạo cấu trúc có chiều cao khoảng hàng trăm μm đến mm và chiều ngang vẫn chỉ khoảng μm hoặc nhỏ hơn; (2) Vật liệu đa dạng: Polymer (PMMA), kim loại, gốm áp điện, điện môi…; (3) Giá thành đắt đỏ. 2. Kỹ thuật quang khắc Quang khắc là phương pháp chế tạo sản phẩm vi cơ điện tử trên đế khối hoặc màng mỏng (thin film). Phương pháp này sử dụng ánh sáng để tạo dạng hình học mong muốn trên khối đế (màng mỏng) từ mặt nạ (photomask). 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 4 Phần mềm ANSYS này là bản demo được thực hiện ở Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 12
nhạy sáng. Kỹ thuật quang khắc được kết hợp với kỹ thuật lift-off và ăn mòn trực tiếp kim loại (Etching) khi chế tạo bộ lọc. 3. 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. 4. Phương pháp 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). CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO BỘ LỌC SAW 2.1. Thông số bộ lọc Căn cứ vào các phân tích trên và các thông số sản phẩm có sẵn trên thị trường, tôi đã lựa chọn cấu hình bộ lọc SAW để thiết kế, mô phỏng, chế tạo có thông số cần đạt được như sau: 13
- 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. 2.2. Nội dung thiết kế Bộ lọc SAW có đế áp điện là loại màng mỏng AlN có vận tốc truyền sóng là 5.150 (m/s), đế nền Si (Silic). Các tham số kích thước của bộ lọc trong Bảng 1. Bảng 1 Tham số kích thước cho bộ IDT M 2= λ= D =7 W= M1=W M3=M2 h1 h2 L (mm) Np in M 1+ 4d λ (μm) 58λ +2λ +8λ (μm) (μm) (nm) (μm) (μm) (μm) 4λ (μm) 500 500 10 40 70 280 2.320 2.400 2.560 2.880 2.3. Thực hiện mô phỏng 2.3.1. Công cụ 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, NCS sử dụng phần mềm ANSYS làm công cụ hỗ trợ mô phỏng. 2.3.2. Kết quả mô phỏng Tần số cộng hưởng sau 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). Từ kết quả này chúng ta tính được VSAW = f.4d = 1269x106x4x10x106= 5.076 (m/s). Kết quả theo lý 14
thuyết là 5.150 (m/s), kết quả mô phỏng này sai lệch so với lý thuyết là 1,4%. Kết quả này đã chứng minh tính tin cậy của kết quả mô phỏng. 2.4. Chế tạo thử nghiệm Nhằm so sánh giữa kết quả mô phỏng bộ lọc SAW bằng phương pháp phần tử hữu hạn, tôi tiến hành thiết kế và chế tạo bộ lọc SAW để so sánh. 2.4.1. Quy trình thiết kế 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 và các tham số kích thước của bộ IDT được thể hiện qua Bảng 1. 2.4.2. Chế tạo thử nghiệm 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. 2.4.3. Kết quả đo các thông số Bộ lọc được tiến hành đo các thông số bằng thiết bị tại phòng thí nghiệm của Viện Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và tại Viện Đo lường Việt Nam. 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 25,29 (dB) và 23,5 (dB). Các kết quả 15
khá tương đồng nhau thể hiện tính chính xác giữa mô phỏng và chế tạo thực nghiệm. 2.4.4. Sản phẩm thực tế Sản phẩm Bộ điều khiển từ xa RF không dây sử dụng chip SAW thụ động 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. 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). CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ LỌC 3.1 Cơ sở lý thuyết Có thể thấy ở Hình 3-1, cấu trúc hình học của SPUDT 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. 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 hai hướng phía trước và phía sau có cùng hệ số phản xạ. 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. Hình 3-2 là hình ảnh thể hiện quá trình sóng phản xạ 16
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. Hình 3-1 Cấu trúc hình học của SPUDT [114] Hình 3-2 Nguyên lý phản xạ sóng trên bề mặt bộ lọc SAW 17
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. 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 ta có thể thấy trên Hình 3-2 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 18
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. 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 3-2 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. 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 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 19
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 3.2.1. Mô phỏng sử dụng FEM 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). 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). 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), độ rộng điện cực bất đối xứng (d2) thay đổi tương ứng 5 (µm) và 15 (µm) thể hiện ở Hình 3-3. 3.2.2. Phương pháp Mason 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 theo phương pháp Mason để mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab. Kết quả cho thấy việc có sự cải thiện chất lượng của bộ lọc khi thay đổi các tham số cấu trúc. 3.3. Các giải pháp nâng cao chất lượng khác 3.3.1. Khoảng cách giữa hai bộ IDT Sau khi thay đổi khoảng cách giữa hai bộ IDT lần lượt 20