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靜電容量可變素子可變電容器的產(chǎn)品化

發(fā)布時(shí)間:2014-03-11 來源:村田 責(zé)任編輯:cicy

【導(dǎo)讀】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(jiǎn)稱NFC),以代表性的智能手機(jī)等小型移動(dòng)設(shè)備為契機(jī),逐漸向平板和PC市場(chǎng)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(shì)導(dǎo)致每個(gè)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(duì)簡(jiǎn)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。
 

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(jiǎn)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(chǎng)的時(shí)候,它具有相對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)了通過低電壓獲得相對(duì)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(chǎng)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(shì)

以下將對(duì)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(shí)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1. Fine tuning

不管天線的電感值如何變化,都可以調(diào)整每個(gè)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(shí)控制電壓,自由變化的特點(diǎn),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(gè)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(gè)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(jiǎn)稱,是IC芯片提供的輸出端子的一種。特定用途和信號(hào)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(huì)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(gè)值的輸出信號(hào),那么執(zhí)行的操作就是通過2n的電子元件的組合來實(shí)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(jiǎn)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(gè)值的信號(hào)下形成脈搏波形。
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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(shí),配備了60~39pF范圍、30~20pF范圍的2個(gè)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。
 
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(duì)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(duì)各種case,擴(kuò)大了靜電容量的可變范圍,同時(shí)也擴(kuò)充了靜電容量值的陣容。
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