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.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 luan an 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,.
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. 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 luan an 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.
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.
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 luan an 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.