Luận án tiến sĩ: Phương pháp tính toán thiết kế nâng cao hiệu quả bộ lọc thụ động SAW tần số cao - Trần Mạnh Hà (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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI - 2021 luan an luan an 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.TS HOÀNG SĨ HỒNG HÀ NỘI - 2021 luan an luan an 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 luan an 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 luan an MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. viii MỞ ĐẦU.

Cơ sở lý thuyết chung. Khái niệm về sóng âm bề mặt. Vật liệu bất đẳng hướng. Vật liệu có tính áp điện.

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ lọc SAW. Nguyên lý hoạt động. Cấu trúc cơ bản của bộ IDT. Các tham số đánh giá.

Các phương pháp mô phỏng. Phương pháp mô phỏng COM. Mô hình mạch tương đương Mason. Phương pháp phần tử hữu hạn.

Các kỹ thuật chế tạo. Phương pháp LIGA. Kỹ thuật quang khắc, liff-off, etching. THIẾT KẾ MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO BỘ LỌC SAW.

Bài toán thiết kế. Cơ sở lựa chọn bài toán thiết kế. Bài toán thiết kế. Quy trình thiết kế, chế tạo bộ lọc SAW.

Thiết kế, chế tạo bộ lọc SAW. Nội dung thiết kế [101]. Chế tạo thử nghiệm. Đánh giá các thông số.

Ứng dụng chế tạo bộ điều khiển từ xa. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ LỌC SAW. Cấu trúc bất đối xứng SPUDT. Đáp ứng của bộ lọc.

Ảnh hưởng các tham số cấu trúc. Mô phỏng sử dụng FEM. Mô phỏng sử dụng Mason. Các giải pháp nâng cao chất lượng khác.

Khoảng cách giữa hai bộ IDT. Số lượng cặp điện cực IDT. Vật liệu điện cực. 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 .108 luan an DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nội dung Diễn giải AlN Aluminum Nitride Hợp chất nhôm nitrite ANSYS Analysis System Phần mềm dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp Bi IDT Bi Inter Digital Tranducer Cấu trúc Bộ chuyển đổi đối xứng COM Coupling of Modes Phương pháp ghép cặp chế độ riêng.

COMSOL Comsol Multiphysics Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn, giải và mô phỏng DART Distributed Acoustic Bộ chuyển đổi phản xạ sóng âm kiểu phân Reflectrion Transducer tán DWSF Different – Width Split Các điện cực có kích thước chiều rộng Finger khác nhau EWC Electrode-Width Controlled Các điện cực có kích thước chiều rộng được kiểm soát FDM Finite Difference Method Phương pháp sai phân hữu hạn FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn IDT Inter Digital Tranducer Bộ chuyển đổi số IIDT Interdigitated interdigital Bộ IDT chuyển đổi liên tục Tranducer IL Insertion Loss Độ suy hao ITIMS International Training Viện Đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu Istitute for Materials Science – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội LPDs Low Power Devices Thiết bị công suất thấp luan an Chữ viết tắt Nội dung Diễn giải MEMS Micro Electro Machanical Hệ thống vi cơ điện tử System MSC Multi Strip Coupler Bộ ghép đa dải PDE Partial Differential Phương trình vi phân riêng phần Equations PTVPTP - Phương trình vi phân từng phần PVDF PolyVinyliDene Hợp chất đa phân tử RF Radio Frequency Tần số radio RFID Radio Frequency Identifier Bộ nhận dạng số sử dụng tần số radio Digital SAW Surface Acoustic Wave Sóng âm bề mặt SEM Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét Microscope SSBW Shear Body Wave Sóng thân SPUDT Single-phase Undirectional Bộ chuyển đổi có cấu trúc bất đối xứng Interdigital Transducer TES Triple Electrode Sections Phần điện cực thứ ba luan an 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 luan an 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 luan an 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 luan an 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 .