NFC静电容量可变素子可变电容器的产品化

Ferrya · 发表于 2019-3-9 19:54

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NFC 静电容量可变素子可变电容器的产品化

前言

近年来利用13.56MHz左右频率的近距离无线通信技术（Near Field Communication:以下简称NFC），以代表性的智能手机等小型移动设备为契机，逐渐向平板和PC市场以及可穿戴设备等延展开来。

可是，由于不同用途和不同地域的关系NFC通信规格的上升趋势导致每个规格的最佳共振频率范围不同。此外，根据NFC功能（卡模拟功能、读写功能等）的不同最佳共振频率范围也不同。另外也不得不考虑NFC天线电感值的变化。因此，为了相对简单地具备NFC的功能，共振频率匹配装置的必要性正在逐渐提高。

村田制作所通过特有的电容器技术和薄膜微细加工技术，利用控制电压达到控制静电容量的效果，将薄膜可变电容器产品化。

本产品是NFC的一种，使用于FeliCa应用中，不仅可以调整NFC/FeliCa的频率还可以作为静电容量可变素子用于各种应用。

何为薄膜可变电容器？

所谓薄膜可变电容器是指在Si电路板上通过薄膜法形成电介质，树脂封装。而电介质薄膜材料则采用了高介电常数系列的陶瓷材料钛酸钡（BaTiO3: 以下简称BT）系列材料。陶瓷电容器中使用的强电介质材料包含了BT系列材料等，因此当向电介质施加电场的时候，它具有相对介电常数变化（减少）的直流偏置特性。

薄膜可变电容器活用了直流偏置特性，是一种可以通过控制电压来调整静电容量的功能性设备。此外，通过薄膜法将电介质层变薄，从而提升了施加于电介质的电场强度，实现了通过低电压获得相对较大的静电容量变化率的目标。

另外，由于使用了高介电常数系列材料，可以通过反复施加电压来最佳地控制电介质的组成，例如像静电容量值的偏差（直流偏置老化特性）、静电容量变化的迟滞特性这样的课题。在NFC的场合下，通过调整共振频率的应用确保零问题使用。

薄膜可变电容器的优势

以下将对NFC中共振频率调整应用的代表示例进行说明。NFC是将天线跟电容器并联的，将共振频率调整在13.56MHz左右从而实现了良好的通信距离。在并联的电容器部分中通过使用薄膜可变电容器达到以下3个优点。

1、Fine tuning

不管天线的电感值如何变化，都可以调整每个终端的最佳频率。（现在大多是在FeliCa终端进行）

2、Dynamic matching

随时控制电压，自由变化的特点，不管是NFC通信规格还是NFC功能（卡模拟功能、读写功能等），都可以调整到最佳匹配状态。

3、Standardization of matching circuit

由于使用了薄膜可变电容器可将终端和天线每个不同的匹配电路标准化（共通）。

薄膜可变电容器的使用方法

以下介绍在NFC的匹配电路中用薄膜可变电容器调整共振频率的3个可行方法。

第一，如图2（a）所示，利用能控制电压生成的电压输出DA转换器（DAC）调整静电容量。

第二，如图2（b）所示，从NFC用IC等GPIO端口生成控制电压来调整静电容量。GPIO是General Purpose Input/Output的简称，是IC芯片提供的输出端子的一种。特定用途和信号尚未明确，但可以根据软件指令进行任意的输出变化。比如说，软件指示为输入“0”的话则为0V，指示为输入“1”的话则有可能会执行输出3V的操作。如果利用GPIO的输出端子的话，如果收到的是0V、3V这两个值的输出信号，那么执行的操作就是通过2n的电子元件的组合来实现合成2n的阻抗电压。

第三，如图2（c）所示，利用脉搏波的电压通过调整脉搏幅度（Pulse Width Modulation: 以下简称PWM）生成控制电压，调整静电容量。和例2一样，利用了NFC用IC的GPIO端口，在0V/3V2个值的信号下形成脉搏波形。

产品一览

薄膜可变电容器的产品阵容如表1所示。1.3×0.9mm尺寸的LXRW19V系列、1.95×1.4mm尺寸的LXRWJFV系列已经产品化。

静电容量可变特性如图3所示，当施加控制电压为0～3V时，配备了60～39pF范围、30～20pF范围的2个类型。

此外，LXRWJFV系列还搭载了从NFC天线端口等到NFC用IC侵入的静电放电（ESD）的保护功能。

今后的展望

手机/智能手机中电池占据空间的扩大以及多功能化导致了搭载元器件的增加，NFC功能的搭载可以促进电路板面积的缩小。因此，能够形成相对节省空间的匹配电路的薄膜可变电容器就进一步地解决了小型化的课题。

此外，由于各种NFC用IC，NFC天线条件使得匹配电路的种类繁多，可以在最佳条件下应对各种case，扩大了静电容量的可变范围，同时也扩充了静电容量值的阵容。