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

Bài viết thể hiện quá trình nghiên cứu thiết kế bộ lọc và bộ cộng hưởng kiểu sóng âm bề mặt (Surface Acoustic Wave – SAW) từ các bước tính toán thiết kế, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm. Cấu trúc lựa chọn của bộ lọc SAW là kiểu delay line màng mỏng áp điện AlN/Si (Aluminium Nitride/Silicon), bộ cộng hưởng SAW two-port đế khối áp điện Quartz.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu thiết kế bộ lọc và bộ cộng hưởng cao tần kiểu sóng âm bề mặt Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ LỌC VÀ BỘ CỘNG HƯỞNG CAO TẦN KIỂU SÓNG ÂM BỀ MẶT Trần Mạnh Hà1, Nguyễn Thế Truyện1, Nguyễn Hằng Phương2, Nguyễn Văn Toán3, Hoàng Sĩ Hồng2* Tóm tắt: Bài báo thể hiện quá trình nghiên cứu thiết kế bộ lọc và bộ cộng hưởng kiểu sóng âm bề mặt (Surface Acoustic Wave – SAW) từ các bước tính toán thiết kế, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm. Cấu trúc lựa chọn của bộ lọc SAW là kiểu delay line màng mỏng áp điện AlN/Si (Aluminium Nitride/Silicon), bộ cộng hưởng SAW two-port đế khối áp điện Quartz. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm chế tạo. Tần số trung tâm của bộ lọc và bộ cộng hưởng trong mô phỏng lần lượt là 126,9 MHz và 100 MHz, sau chế tạo lần lượt là 126,04 MHz và 98,36 MHz. Từ khóa: Sóng âm bề mặt, Bộ lọc SAW (SAW filter), Bộ cộng hưởng SAW (SAW resonator), Etching. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, trên thế giới bộ lọc và bộ cộng hưởng 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 xa,… [1, 2, 3]. Công nghệ chế tạo dựa trên hai phương pháp là etching và lift-off [1, 4, 5, 6]. Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế bộ lọc SAW và bộ cộng hưởng SAW là rất quan trọng. Ở Việt Nam hiện nay có một số nghiên cứu về thiết bị SAW như: bộ lọc, bộ cộng hưởng, cảm biến SAW nhưng mới chỉ dừng lại ở 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 công bố như: các nghiên cứu trước đây của nhóm tác giả với mô phỏng 2D bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) cho bộ lọc SAW delay line đế quartz [7], mô phỏng bộ cộng hưởng sóng âm bề mặt có cấu trúc hai lớp sử dụng phương pháp FEM [8], mô phỏng đáp ứng tần số của bộ cộng hưởng cao tần SAW bằng phương pháp mô hình mạch tương đương [9]; 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 [10]; nhóm nghiên cứu Chử Đức Trình – ĐH Công nghệ ĐHQGHN với nghiên cứu đầu phun mực thông minh dùng hệ thống cảm biến chất lỏng dựa trên cấu trúc SAW [11]. Trên thế giới, các sản phẩm thương mại về bộ lọc và bộ cộng hưởng SAW chủ yếu sử dụng đế áp điện khối như đế Quartz, đế LiNbO3 [12, 13, 14]. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới về bộ lọc và bộ cộng SAW, nhưng ở phạm vi trong nước đây là bài báo đầu tiên trình bày quá trình nghiên cứu thiết kế đầy đủ cho bộ lọc và bộ cộng hưởng SAW. 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). Dựa trên việc tham khảo sản phẩm bộ lọc SAW và bộ cộng hưởng SAW thương mại như Vectron, GSRS, Golledge Electronics [12, 13, 14] cho ứng dụng truyền thông trong nhà, nhóm nghiên cứu lựa chọn tần số hoạt động cho bộ lọc SAW là 127 MHz, bộ cộng hưởng là 98 MHz để mô phỏng và chế tạo thử nghiệm. Cấu trúc được lựa chọn để thiết kế là: bộ lọc SAW cấu trúc delay line đế áp điện màng mỏng AlN/Si và bộ cộng hưởng SAW cấu trúc two-port đế áp điện khối Quartz. Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn và chế tạo bằng phương pháp etching tại phòng thí nghiệm ITIMS, ĐHBKHN. 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, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để kiểm tra sự tin cậy của bài báo. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 89  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ 2.1. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc và bộ cộng hưởng SAW Cấu trúc cơ bản của một bộ lọc SAW kiểu delay line và bộ cộng hưởng SAW kiểu two- port được thể hiện trong hình 1. Hình 1. Cấu trúc điển hình: a) Bộ lọc SAW kiểu delay line, b) Bộ cộng hưởng SAW kiểu two-port [15]. Hình 1a trình bày cấu trúc điển hình của một bộ lọc SAW kiểu delay line. Thành phần chính của bộ lọc gồm đế áp điện (piezoelectric substrate) và hai bộ chuyển đổi IDT (Interdigital Transducer) input và output. Khoảng cách giữa 2 bộ IDT được gọi là khoảng cách delay line. Cấu trúc bộ cộng hưởng SAW kiểu two-port được trình bày trên hình 1b, gồm ba thành phần chính: đế áp điện, hai bộ IDT và hai bộ phản xạ (reflector) được đặt sao cho hai bộ IDT nằm giữa hai bộ phản xạ. Tác dụng của hai bộ phản xạ là khi sóng âm bề mặt truyền đến bộ phản xạ, lập tức bị phản xạ ngược lại, lan truyền cùng vận tốc và ngược hướng với sóng tới [4, 16, 17]. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc SAW và bộ cộng hưởng SAW dựa trên hiệu ứng áp điện thuận – nghịch và hiện tượng cộng hưởng sóng [1, 15, 16, 17, 18]. Tần số cộng hưởng f được tính theo công thức 1. vsaw vsaw (1) f    4d Trong đó: f là tần số cộng hưởng (tần số trung tâm), vsaw là vận tốc truyền sóng âm bề mặt (phụ thuộc vào vật liệu làm áp điện); λ là bước sóng và d là độ rộng ngón tay IDT. 2.2. Tính toán thiết kế a) Lựa chọn cấu trúc và tham số hình học cho bộ lọc SAW - Lựa chọn đế áp điện: Đế áp điện cho bộ lọc SAW là màng mỏng AlN trên nền đế Silicon (Si). AlN được lựa chọn bởi ưu điểm: thể hiện tính chất áp điện tốt, vận tốc truyền sóng âm bề mặt cao (vAlN = 5150 m/s [19]), 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 [19, 20, 21]. - Tính toán thiết kế cho bộ IDT: Hình 3a và 3b lần lượt thể hiện mặt cắt ngang củ ...