薄膜可變電容器的優(yōu)勢及其設(shè)計使用方法

前言

近年來利用13.56MHz左右頻率的近距離無線通信技術(shù)（Near Field Communication：以下簡稱NFC），以代表性的智能手機(jī)等小型移動設(shè)備為契機(jī)，逐漸向平板和PC市場以及可穿戴設(shè)備等延展開來。

可是，由于不同用途和不同地域的關(guān)系NFC通信規(guī)格的上升趨勢導(dǎo)致每個規(guī)格的最佳共振頻率范圍不同。此外，根據(jù)NFC功能（卡模擬功能、讀寫功能等）的不同最佳共振頻率范圍也不同。另外也不得不考慮NFC天線電感值的變化。因此，為了相對簡單地具備NFC的功能，共振頻率匹配裝置的必要性正在逐漸提高。

村田制作所通過特有的電容器技術(shù)和薄膜微細(xì)加工技術(shù)，利用控制電壓達(dá)到控制靜電容量的效果，將薄膜可變電容器產(chǎn)品化。

本產(chǎn)品是NFC的一種，使用于FeliCa應(yīng)用中，不僅可以調(diào)整NFC/FeliCa的頻率還可以作為靜電容量可變素子用于各種應(yīng)用。


圖1 薄膜可變電容器

何為薄膜可變電容器？

所謂薄膜可變電容器是指在Si電路板上通過薄膜法形成電介質(zhì)，樹脂封裝。而電介質(zhì)薄膜材料則采用了高介電常數(shù)系列的陶瓷材料鈦酸鋇（BaTiO3：以下簡稱BT）系列材料。陶瓷電容器中使用的強(qiáng)電介質(zhì)材料包含了BT系列材料等，因此當(dāng)向電介質(zhì)施加電場的時候，它具有相對介電常數(shù)變化（減少）的直流偏置特性。

薄膜可變電容器活用了直流偏置特性，是一種可以通過控制電壓來調(diào)整靜電容量的功能性設(shè)備。此外，通過薄膜法將電介質(zhì)層變薄，從而提升了施加于電介質(zhì)的電場強(qiáng)度，實現(xiàn)了通過低電壓獲得相對較大的靜電容量變化率的目標(biāo)。

另外，由于使用了高介電常數(shù)系列材料，可以通過反復(fù)施加電壓來最佳地控制電介質(zhì)的組成，例如像靜電容量值的偏差（直流偏置老化特性）、靜電容量變化的遲滯特性這樣的課題。在NFC的場合下，通過調(diào)整共振頻率的應(yīng)用確保零問題使用。

薄膜可變電容器的優(yōu)勢

以下將對NFC中共振頻率調(diào)整應(yīng)用的代表示例進(jìn)行說明。NFC是將天線跟電容器并聯(lián)的，將共振頻率調(diào)整在13.56MHz左右從而實現(xiàn)了良好的通信距離。在并聯(lián)的電容器部分中通過使用薄膜可變電容器達(dá)到以下3個優(yōu)點。

1. Fine tuning

不管天線的電感值如何變化，都可以調(diào)整每個終端的最佳頻率。（現(xiàn)在大多是在FeliCa終端進(jìn)行）

2. Dynamic matching

隨時控制電壓，自由變化的特點，不管是NFC通信規(guī)格還是NFC功能（卡模擬功能、讀寫功能等），都可以調(diào)整到最佳匹配狀態(tài)。

3. Standardization of matching circuit

由于使用了薄膜可變電容器可將終端和天線每個不同的匹配電路標(biāo)準(zhǔn)化（共通）。

薄膜可變電容器的使用方法

以下介紹在NFC的匹配電路中用薄膜可變電容器調(diào)整共振頻率的3個可行方法。

第一，如圖2（a）所示，利用能控制電壓生成的電壓輸出DA轉(zhuǎn)換器（DAC）調(diào)整靜電容量。

第二，如圖2（b）所示，從NFC用IC等GPIO端口生成控制電壓來調(diào)整靜電容量。GPIO是General Purpose Input/Output的簡稱，是IC芯片提供的輸出端子的一種。特定用途和信號尚未明確，但可以根據(jù)軟件指令進(jìn)行任意的輸出變化。比如說，軟件指示為輸入“0”的話則為0V，指示為輸入“1”的話則有可能會執(zhí)行輸出3V的操作。如果利用GPIO的輸出端子的話，如果收到的是0V、3V這兩個值的輸出信號，那么執(zhí)行的操作就是通過2n的電子元件的組合來實現(xiàn)合成2n的阻抗電壓。

第三，如圖2（c）所示，利用脈搏波的電壓通過調(diào)整脈搏幅度（Pulse Width Modulation：以下簡稱PWM）生成控制電壓，調(diào)整靜電容量。和例2一樣，利用了NFC用IC的GPIO端口，在0V/3V2個值的信號下形成脈搏波形。



圖2 薄膜可變電容器的使用方法

產(chǎn)品一覽

薄膜可變電容器的產(chǎn)品陣容如表1所示。1.3×0.9mm尺寸的LXRW19V系列、1.95×1.4mm尺寸的LXRWJFV系列已經(jīng)產(chǎn)品化。

靜電容量可變特性如圖3所示，當(dāng)施加控制電壓為0～3V時，配備了60～39pF范圍、30～20pF范圍的2個類型。

此外，LXRWJFV系列還搭載了從NFC天線端口等到NFC用IC侵入的靜電放電（ESD）的保護(hù)功能。


圖3 靜電容量的可變特性

今后的展望

手機(jī)/智能手機(jī)中電池占據(jù)空間的擴(kuò)大以及多功能化導(dǎo)致了搭載元器件的增加，NFC功能的搭載可以促進(jìn)電路板面積的縮小。因此，能夠形成相對節(jié)省空間的匹配電路的薄膜可變電容器就進(jìn)一步地解決了小型化的課題。

此外，由于各種NFC用IC，NFC天線條件使得匹配電路的種類繁多，可以在最佳條件下應(yīng)對各種case，擴(kuò)大了靜電容量的可變范圍，同時也擴(kuò)充了靜電容量值的陣容。