HỒNG KÔNG – Các nhà nghiên cứu từ đại học khoa học và công nghệ Hồng Kông (HKUST – Hong Kong university of science and technology) đã phát triển một kiến trúc chip mới, cho phép các linh kiện sóng âm (acoustic device) (*) siêu nhỏ bên trong điện thoại thông minh chịu được tải công suất cao hơn, đồng thời duy trì khả năng vận hành ở nhiệt độ thấp và ổn định hơn.
(*) Acoustic device: là các linh kiện vi mô trên chip sử dụng sóng âm để xử lý, lọc hoặc truyền tín hiệu. Trong điện thoại thông minh, chúng chủ yếu được sử dụng trong các bộ lọc và linh kiện tần số vô tuyến (RF), giúp lựa chọn dải tần mong muốn và loại bỏ tín hiệu nhiễu trong các hệ thống liên lạc.

Thử nghiệm trên các bộ biến đổi năng lượng (transducer) (*) dao động hơn 2 tỷ lần mỗi giây cho thấy nền tảng mới, mang tên “Layered acoustic wave” (LAW – sóng âm phân lớp), đã giúp giảm 70% mức tăng nhiệt độ vận hành và đạt ngưỡng mật độ công suất đến 36,4 W/mm2. Phát triển này hứa hẹn mở ra nhiều ứng dụng mới vượt khả năng xử lý tín hiệu nhỏ thông thường, từ kết nối vệ tinh trực tiếp tới thiết bị di động (direct-to-cell), mạng 6G đến các bộ chuyển đổi công suất nhỏ gọn.
(*) Transducer: là linh kiện kỹ thuật có chức năng chuyển đổi một dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác. Trong công nghệ sóng âm cơ học (như sóng âm bề mặt SAW hay SAW/BAW trong tần số vô tuyến RF), transducer chuyển đổi tín hiệu điện thành các dao động cơ học (sóng âm) và ngược lại.

Nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm tác giả do Giáo sư Yang Yansong dẫn đầu, cùng nghiên cứu sinh tiến sĩ Qian Fangsheng là tác giả chính. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học Nature Communications.

Các thiết bị sóng âm có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện từ thành sóng âm dao động ở tần số gigahertz (GHz), đóng vai trò lọc tín hiệu tần số vô tuyến (RF) trong mọi smartphone và trạm phát sóng di động. Vì tốc độ truyền của âm thanh chậm hơn ánh sáng khoảng 100.000 lần, các linh kiện sóng âm có thể nén năng lượng tần số GHz xuống kích thước tầm vi chip, tạo ra giải pháp thu nhỏ kích thước không thể thay thế. Không dừng lại ở đó, thiết bị sóng âm đang mở rộng sang nhiều lĩnh vực liên ngành, kết hợp với các bit lượng tử (qubit) để xử lý thông tin lượng tử, điều khiển các hệ thống vi lưu (microfluidics), quang – âm (acousto-optics), hoặc đóng vai trò như các đơn vị lưu trữ năng lượng phi từ tính cho chuyển đổi nguồn bền vững.

Tuy nhiên, các thiết bị sóng âm thường gặp khó khăn khi vận hành ổn định ở mức công suất cao. Tương tự việc rung lắc mạnh có thể làm rung và phát nhiệt, sự dao động GHz ở công suất cao tập trung mật độ năng lượng lớn trong một thể tích siêu nhỏ, kích hoạt ba cơ chế hỏng hóc: ứng suất cơ học và tự phát nhiệt gây ra hiện tượng dịch chuyển nguyên tử do sóng âm (acoustomigration), trong đó các nguyên tử kim loại ở điện cực di chuyển tạo thành các vấu nhọn và lỗ rỗng gây ngắn mạch; nhiệt lượng tích tụ làm thay đổi vận tốc sóng âm khiến tần số hoạt động bị lệch khỏi mục tiêu; và ứng suất tập trung làm nứt hoặc bong tróc màng mỏng áp điện.

Các giải pháp hiện nay chỉ tập trung xử lý ở mặt đáy của linh kiện, chuyển sang dùng các vật liệu nền đắt tiền có độ dẫn nhiệt cao như silicon carbide hoặc kim cương. Tuy nhiên, bản thân lớp áp điện lại dẫn nhiệt kém, khiến nhiệt lượng và ứng suất vẫn bị kẹt lại gần bề mặt đỉnh, nơi linh kiện thực sự dao động. Trong khi đó, một quan điểm đã có từ lâu trong ngành cho rằng bề mặt đỉnh của thiết bị sóng âm bắt buộc tiếp xúc với không khí để giữ năng lượng âm thanh không bị thoát ra ngoài. Góc nhìn này vô tình loại bỏ khả năng can thiệp kỹ thuật ngay tại ranh giới nguồn gốc phát sinh hỏng hóc.

Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Yansong đã đảo ngược quan điểm này. Kiến trúc LAW của họ đã “chôn” bề mặt dao động của linh kiện màng mỏng lithium niobate bên dưới một lớp ranh giới phức hợp phía trên: đầu tiên là lớp cách ly silicon dioxide, tiếp theo là lớp phủ silicon vô định hình (không có cấu trúc tinh thể tuần hoàn) đóng vai trò như bán vô hạn (quasi-infinite) (*) có độ dày lớn hơn so với bước sóng âm. Thông qua phân tích lý thuyết và mô phỏng, nhóm phát hiện ra rằng sóng âm không những không bị thất thoát như lo ngại mà vẫn được giữ chặt gần bề mặt, đồng thời lớp phủ bổ sung này đảm nhận cùng một lúc cả ba vai trò chính.
(*) Quasi-infinite: độ dày của lớp silicon này tuy chỉ vài micromet nhưng rất dày khi so với bước sóng âm. Đối với sóng âm, lớp này giống như một môi trường vô tận, giúp ngăn sóng phản xạ ngược lại gây nhiễu.

Lớp phủ silicon vô định hình dày trước tiên đóng vai trò như một lớp giới hạn cơ học, định hình lại sự phân bố trường ứng suất để giảm đỉnh ứng suất tại ranh giới điện cực xuống chỉ còn 1/4, qua đó triệt tiêu trực tiếp động lực gây ra hiện tượng dịch chuyển nguyên tử. Tiếp theo, nó hoạt động như một bộ tản nhiệt tích hợp: với độ dẫn nhiệt cao hơn khoảng hai bậc so với không khí (gần 100 lần), nó tạo ra các kênh thẳng đứng giúp nhanh chóng dẫn nhiệt ra khỏi các điểm nóng. Đồng thời, lớp này còn đóng vai trò bù nở do nhiệt, giữ cho tần số luôn ổn định ngay cả khi nhiệt độ biến động mạnh. Thay vì làm giảm hiệu năng, thiết kế ranh giới tái cấu trúc này còn giúp tăng tần số hoạt động ở cùng một bước sóng thêm 25% và giảm tổn hao gần 30%, cùng khả năng mở rộng trên các băng tần dưới 6 GHz, tất cả đều đạt được bằng các quy trình chế tạo tiêu chuẩn, chi phí thấp.

Giáo sư Yansong chia sẻ: “Thay vì đuổi theo các vật liệu nền chi phí cao ở đáy linh kiện vốn chỉ cải thiện một ít khả năng tản nhiệt, nhóm đã chọn cách định nghĩa lại ranh giới phía trên nó, biến vùng dễ tổn thương nhất (tản nhiệt kém nhất) thành ưu thế mạnh nhất. Điều này đưa công nghệ sóng âm từ các linh kiện xử lý tín hiệu nhỏ thành một nền tảng công suất cao thực sự, đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng mới như kết nối vệ tinh trực tiếp tới thiết bị di động, mạng 6G và chuyển đổi năng lượng”.

Nghiên cứu sinh Qian Fangsheng nói rằng: “Ưu điểm của kiến trúc này nằm ở chỗ một lớp vật liệu đơn giản, chi phí thấp có thể hoàn thành cùng một lúc cả ba nhiệm vụ: tản nhiệt khỏi các điểm nóng, bù trượt tần số và quan trọng nhất là việc phân bổ lại ứng suất cơ học, hạ đỉnh ứng suất gây dịch chuyển kim loại xuống chỉ còn khoảng 1/4. Nhóm nghiên cứu không chỉ đơn thuần làm chậm quá trình hỏng hóc bằng cách làm mát linh kiện, mà đang loại bỏ nguyên nhân gây ra hỏng hóc”.

Nhờ việc định nghĩa lại các điều kiện ranh giới thay vì phụ thuộc vào bất kỳ vật liệu đặc biệt nào, các nguyên lý thiết kế này có thể áp dụng rộng rãi cho nhiều thiết bị sóng âm dựa trên bộ biến đổi liên ngón (interdigital transducer) (*). Nhóm nghiên cứu kỳ vọng nền tảng LAW sẽ làm nền tảng phát triển cho thế hệ bộ lọc tần số vô tuyến tiếp theo, mạch âm thanh lượng tử siêu lạnh (cryogenic quantum acoustic circuits), các hệ thống quang – âm và vi lưu trên chip, cùng các bộ chuyển đổi nguồn phi từ tính thu nhỏ.
(*) Interdigital transducer (IDT): IDT gồm hai điện cực kim loại hình dạng dải răng lược được đặt trên nền một vật liệu áp điện (như lithium niobate LiNbO3).Các “răng lược” (được gọi là các ngón tay/ fingers) của hai điện cực được thiết kế đan xen vào nhau nhưng không tiếp xúc trực tiếp với nhau. Nguyên lý hoạt động:
– Chuyển điện thành sóng âm: Khi đưa một tín hiệu điện xoay chiều (tần số vô tuyến RF) vào hai cực của IDT, sự chênh lệch điện thế giữa các “ngón tay” đan xen sẽ tạo ra một điện trường biến thiên tuần hoàn. Nhờ hiệu ứng áp điện, vật liệu bên dưới bị co giãn cơ học liên tục, biến tín hiệu điện thành sóng âm cơ học truyền đi trên bề mặt chip.
– Chuyển sóng âm thành điện: Ngược lại, khi sóng âm truyền đến một IDT khác, áp lực cơ học sẽ nén/ dãn vật liệu áp điện và tạo ra tín hiệu điện tương ứng ở đầu ra.

Để xem các tin bài khác về “Chip”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online