薄膜可变电容器的优势及其设计使用方法-电子技术方案|电路图讲解

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。


图1 薄膜可变电容器

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。



图2 薄膜可变电容器的使用方法

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20世纪中期以来，频率控制的市场就是由石英晶体谐振器和石英振荡器所主导的。甚至到了今天，几乎所有的电子设备在某方面仍是依赖机械石英晶体来产生多种可能运行频率中的至少一种。现今市场上有无数的电子器件，从吉他扩音器到腕表，从智能手机到叉车等，其中绝大多数都使用晶体或晶体振荡器（XO）。

由于电子市场每年要用到无数的晶体，庞大的规模经济促进了石英晶体和石英振荡器的制造精密程度达到了新高——提供了更小、更薄、频率更高的解决方案。在此之前，可行的石英晶体替代方案屈指可数，因为石英压电谐振器的特性和稳定性众所皆知，所以很容易做出性能可靠的晶体振荡器。

可是过去几年来，效仿拥有两个元件（谐振器和放大器）架构的晶体振荡器的微机电系统（MEMS）振荡器已打入了频率控制市场。这些MEMS振荡器具有绝佳的可靠性，并且可提供具有成本优势的各种封装尺寸，尤其是在晶体振荡器上属于高成本结构的小巧型封装。此外，通过引进单芯片MEMS解决方案，把MEMS谐振器直接叠放在CMOS放大器基座的上方后，MEMS振荡器的可靠性、可编程性、温度稳定性和成本水平如今也得以更上一层楼。

晶体振荡器

晶体振荡器的工作频率范围广——从几千赫兹一直到几百兆赫兹。晶体振荡器在金属盖密封陶瓷封装中结合了石英谐振器以及放大器电路。陶瓷封装和金属盖为非常脆弱的晶体提供了强大的防护罩，使组装好的元件避免受损。一般来说，放大器电路会充分运用晶体的压电性，以电反馈来创造特定频率的共振或振荡，并由晶体谐振器的大小、切割和电镀来控制。为了支持电子产业所需的范围宽广的频率，频率控制供应供应商必须设计、储存和制造数百、甚至数千种不同的定制晶体谐振器。

除了定制晶体谐振器，石英振荡器解决方案还面临着制造上的挑战。在整个晶体市场上，便携设备占据很大的比重。更加轻薄小型的便携设备使所有的供应商必须提供体积愈来愈小的元件。而随着所有需求频率的石英谐振器尺寸的缩减，更小、更脆弱的晶体给制造的复杂度与可靠性带来了挑战，这就为晶体式振荡器带来了问题。此外，晶振方案在每个市场上都面临着一大难题，那就是它们先天上对环境因素很敏感，像震动、摇晃、热应力和制造上的变化都会造成启动问题和后续的使用故障。

MEMS谐振器

过去几年来，MEMS振荡器已成为石英解决方案的可行替代方案，原因有几点。第一，MEMS振荡器是在以硅材料为基础（硅工艺，silicon-based processes）的工艺流程中制造，其品质管理十分严格，因此只要供应商设计、保障和赋予振荡器的特性得当，所生产的众多元件都能具备非常可靠的性能。

第二，硅工艺的直接结果就是符合摩尔定律，亦即处理能力会愈来愈强大，成本会愈来愈低。换句话说，更小、更先进的硅器件在成本上势必会逐渐降低。而遗憾的是，晶振方案则和这项定律背道而驰，亦即材料会随着它体积的缩小而变得更贵，原因就在于上述的制造难题。此外，随着晶体的制造变得更难且更贵，其产量也会因为器件愈来愈脆弱与小巧而下降。

第三个优点同样源于硅工艺。属于硅解决方案的MEMS振荡器天生就对环境因素比较有抵抗力。但这并不代表所有的MEMS解决方案在这方面都一样理想，产品设计会大大影响到不同的MEMS振荡器的工作能力。不过，硅解决方案比晶体、尤其是小晶体在抵抗震动与摇晃能力方面更强，这是不争的事实。

第一代MEMS振荡器

第一代的MEMS振荡器跟石英振荡器的架构类似，都是把两个截然不同的元件结合起来，一是谐振器，一是能补偿谐振器频率的任何漂移（drift）的放大器IC/基座芯片。采用MEMS使振荡器的制造大为改善，因为它免除了石英振荡器所需要的复杂材料处理技术，并且把石英振荡器所使用成本较高的陶瓷封装和金属盖换成了比较经济实惠的塑料封装。

不过，这种第一代的做法在先天上还是受到石英振荡器所使用的双重元件架构的限制。这些限制首先表现在两个元件的封装复杂，同时电路数量至少是类似的单晶式组装所需要的两倍。这会使得封装比较昂贵，潜在失效点也会比类似的单晶/组装工艺要多。

另一层限制是，双重元件的解决方案缺乏能够有效补偿所有温度变化的能力，而这也是晶振方案所面临的问题。这点是因为双重元件（谐振器和放大器/基座）所组成的系统必须同步运行。基座则是在补偿由温度造成的谐振器的频率变化。由于两种器件没有整合，而是各自独立并靠多条焊线相连，因此当温度变化时，它们并不会同步运行。这种缺乏直接联系的情形会造成这些系统在温度变化时产生偏移。事实上，在温度变动的多种情况下，晶体振荡器的表现还是比多芯片的MEMS器件要好。

第二代MEMS振荡器

近期在工艺技术上的新进展使MEMS振荡器得以直接制造在CMOS基座芯片的上方。这是很大的进步，原因有几点。第一，在标准代工厂里制造单芯片时，成本会低于用多家代工厂的元件来制作双芯片解决方案，或是制造晶体式解决方案。第二，在单芯片的架构中，谐振器是直接和基座补偿与放大器芯片整合起来的，等于是单一的整合系统，稳定性一流，能克服晶体和第一代MEMS所应付不了的震动、摇晃、老化和温度波动等问题。最后，一如摩尔定律所示，单芯片解决方案比以往的解决方案提供了更大的弹性与作用，其价位一般来说也比较低。

CMEMS技术（CMOS和MEMS这两个缩写的简称）的问世实现了MEMS和CMOS的单芯片整合。这项独特的技术与工艺是由Silicon Labs联合其他领先的代工业者开发而成。CMEMS是同类工艺的先驱，它能把高质量的MEMS层直接构建于先进CMOS技术之上，而成为单一的单芯片。Silicon Labs的首批CMEMS产品是MEMS振荡器，在设计上可提供10年的可靠性保障，不受震动与摇晃的影响，灵活的可编程方式满足许多的应用需求，在温度变化的环境中展现优异的性能。

探讨单芯片的优点

第一代双重芯片MEMS振荡器的架构必须把MEMS谐振器芯片和振荡器芯片线焊起来，所以会增加成本、复杂度，以及多芯片模块（MCM）设计中的许多失效点。再者，在第一代双重芯片的解决方案中，MEMS谐振器是由位于欧洲的专业MEMS代工厂所打造，制造成本多半比在亚洲要高。这些MEMS谐振器的晶圆会经过单一化（singulated），再跟位于远东成本较低的代工厂所生产的标准CMOS芯片共同封装。

CMEMS振荡器是由世界第二大标准CMOS代工厂中芯国际（SMIC）所打造。CMEMS谐振器采用应用广泛价格便宜的硅锗（SiGe）材料直接建构于CMOS之上。这种工艺创新使CMEMS解决方案得以受惠于单一来源的较低成本晶圆，而避免了多芯片和大量焊线所导致的裕量堆栈（margin stacking）与复杂封装。

温度补偿

跟双重芯片的架构比起来，单芯片CMEMS振荡器在性能上还有别的优势。基于上述的种种原因，双重芯片的架构所提供的输出频率可能会受到温度变化的负面影响。

如图1所示，把领先的晶体振荡器、第一代MEMS振荡器和Silicon Labs的CMEMS暴露在温度快速变化的情形中来测量输出频率的稳定性。理想的结果是Y轴的零值没有产生变化，这代表温度的变化并没有使输出频率改变。


图1：温度骤冷对晶体振荡器、第一代MEMS和CMEMS的影响。

晶体振荡器（XO）所产生的频率偏移达到了宣称的20 ppm的两倍，第一代MEMS解决方案所产生的频率偏移则达到了20ppm规格的八倍。这两种解决方案跟CMEMS形成了强烈的对比，CMEMS和目标频率相差不到1ppm.

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