薄膜可變電容器的優勢及其設計使用方法

前言

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

可是，由于不同用途和不同地域的關系NFC通信規格的上升趨勢導致每個規格的最佳共振頻率范圍不同。此外，根據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和薄膜微細加工技術，利用控制電壓達到控制靜電容量的效果，將薄膜可變電容器產品化。

本產品是NFC的一種，使用于FeliCa應用中，不僅可以調整NFC/FeliCa的頻率還可以作為靜電容量可變素子用于各種應用。


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，樹脂封裝。而電介質薄膜材料則采用了高介電常數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電介質材料包含了BT系列材料等，因此當向電介質施加電場的時候，它具有相對介電常數變化（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整靜電容量的功能性設備。此外，通過薄膜法將電介質層變薄，從而提升了施加于電介質的電場強度，實現了通過低電壓獲得相對較大的靜電容量變化率的目標。

另外，由于使用了高介電常數系列材料，可以通過反復施加電壓來最佳地控制電介質的組成，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，通過調整共振頻率的應用確保零問題使用。

薄膜可變電容器的優勢

以下將對NFC中共振頻率調整應用的代表示例進行說明。NFC是將天線跟電容器并聯的，將共振頻率調整在13.56MHz左右從而實現了良好的通信距離。在并聯的電容器部分中通過使用薄膜可變電容器達到以下3個優點。

1. Fine tuning

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

2. Dynamic matching

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

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準化（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轉換器（DAC）調整靜電容量。

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，但可以根據軟件指令進行任意的輸出變化。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，那么執行的操作就是通過2n的電子元件的組合來實現合成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整脈搏幅度（Pulse Width Modulation：以下簡稱PWM）生成控制電壓，調整靜電容量。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

產品一覽

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

靜電容量可變特性如圖3所示，當施加控制電壓為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）的保護功能。


圖3 靜電容量的可變特性

今后的展望

手機/智能手機中電池占據空間的擴大以及多功能化導致了搭載元器件的增加，NFC功能的搭載可以促進電路板面積的縮小。因此，能夠形成相對節省空間的匹配電路的薄膜可變電容器就進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對各種case，擴大了靜電容量的可變范圍，同時也擴充了靜電容量值的陣容。