CN103824695B - 可变电容复合部件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可变电容复合部件，其最大限度地发挥出各可变电容器的本来的电容变化，整体电容变化率较大。在信号用端子12、13上，使偏置施加端交替相对地串联连接可变电容器31～34。使电源端子11通过第二偏置线BL2的偏置电阻21与可变电容器31、32的偏置+侧连接，通过偏置电阻22与可变电容器33、34的偏置+侧连接。使接地端子14通过第二偏置线BL2的偏置电阻23与可变电容器31的偏置－侧连接，通过偏置电阻24与可变电容器32、33的偏置－侧连接，通过偏置电阻25与可变电容器34的偏置－侧连接。相对于偏置电阻23、25，将偏置电阻21、22、24的值设定为一半。
Description
技术领域
本发明设计用于频率调整等的可变电容复合部件，例如涉及适于NFC（Near FieldCommunication：近距离无线通信）中使用的天线用频率调整电路的可变电容复合部件的改良。
背景技术
例如，移动电话用FeliCa（注册商标）芯片中使用的NFC组件中，因为天线线圈的误差（不一致），共振频率从本来的值（13.56MHz）偏移，接收灵敏度劣化。因此，安装频率调整电路，事先在出货时检查所有机器，对与天线线圈并联连接的电容器的电容进行微调，修正共振频率的偏差。这样的频率调整电路中，为了小型化、低成本化，优选使可变电容元件与电阻元件一体化的复合部件。
上述那样的频率调整用的可变电容复合部件，有以下专利文献1记载的可变电容器。其目的在于提供一种可变电容器，能够稳定地对可变电容元件施加偏置信号，实现了小型化且容易使用，波形变形和相互调制变形等较小，耐电力性优秀，制造容易，该可变电容器的结构为在支承基板上形成有：具备连接有第一信号端子的第一电极和连接有第二信号端子的第二电极的可变电容元件；与上述第一电极连接的包括电阻成分和电感成分的至少一方的第一偏置线、与上述第二电极连接的包括电阻成分和电感成分的至少一方的第二偏置线。
专利文献1：日本特开2005-64437号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，上述专利文献1中，第一偏置线和第二偏置线中包括的电阻成分或电感成分都是相同的值。因此，对第一个可变电容元件和第N个可变电容元件施加的偏置电压比对其他可变电容元件施加的偏置电 压高。这样，对各可变电容元件施加的偏置电压变得不均等时，存在不能得到本来应当得到的电容变化的课题。
本发明着眼于以上课题，其目的在于提供一种可变电容复合部件，其最大限度地发挥出各可变电容元件具有的本来的电容变化，整体电容变化率较大。其他目的在于防止对偏置线的信号干扰。进一步，其他目的在于防止偏置电压的不均匀施加引起的电容器的局部劣化导致的故障。
本发明是一种可变电容元件，在支承基板上排列并且串联连接有N个可变电容器，上述可变电容器包括：第一信号端子侧的第一电极；第二信号端子侧的第二电极；和夹在该2个电极之间的、介电常数通过施加电压而产生变化的电介质层，其中，N=2n，n为自然数，上述可变电容复合部件的特征在于，具备：包括电阻成分的第一偏置线，其与相邻的一方的上述可变电容器的上述第一电极和另一方的上述可变电容器的上述第二电极电连接，并且与从上述第一信号端子侧的上述可变电容器起第2i+1个上述可变电容器的上述第一电极或第2i个上述可变电容器的上述第二电极分别电连接，而且与第一偏置端子连接，其中，i是n以下的自然数；和包括电阻成分的第二偏置线，其与从上述第一信号端子侧的上述可变电容器起第2i个上述可变电容器的上述第一电极或第2i－1个上述可变电容器的上述第二电极分别电连接，并且与第二偏置端子连接，相对于与从第一信号端子侧起第一个可变电容器的第一电极连接并且与上述第一偏置端子连接的偏置线的电阻值、和与第N个的第二电极连接并且与上述第一偏置端子连接的偏置线的电阻值，使其他偏置线的电阻值成为0.45倍～0.55倍。
主要方式之一特征在于：使上述第二偏置端子与正电源连接，使上述第一偏置端子接地，进行偏置电压的控制。其他方式之一的特征在于：与上述第一电极和上述第二电极连接的偏置线的电阻值是500kΩ以上。进一步，其他方式的特征在于：与上述第一电极和上述第二电极连接的偏置线的电阻值是1GΩ以下。本发明的上述和其他的目的、特征、有点将根据以下的详细说明和附图说明。
根据本发明，能够提供一种可变电容复合部件，其最大限度地发挥出各可变电容元件具有的本来的电容变化，整体电容变化率较大。 此外，也能够实现防止对偏置线的信号的混入（干扰）、和防止偏置电压的不均匀施加引起的电容器的局部劣化导致的故障。
附图说明
图1是表示本发明的实施例1的电路图。
图2是表示上述实施例1和上述背景技术中的电流的不同的电路图。
图3是表示上述实施例1和上述背景技术中的可变电容器的端子间电压的一例的曲线图。
图4是表示主要部的重叠的状况的图。
图5是沿着图4的A－A'线的可变电容器部分的截面图。
图6是沿着图4的B－B'线的第一偏置线部分的截面图。
图7是沿着图4的C－C'线的第二偏置线部分的截面图。
图8（A）是表示可变电容器的电极连接的状况的图，（B）是表示在试制品中对各可变电容器31～34施加的电压的曲线图。
符号说明
10：可变电容复合部件
11：第二偏置端子
12：第一信号用端子
13：第二信号用端子
14：第一偏置端子
21～25：偏置电阻
31～34：可变电容器
31a～34a：上部电极
31b～34b：下部电极
41～44：漏电阻成分
BL1：第一偏置线
BL2：第二偏置线
100：支承基板
102，104：绝缘层
W：电阻膜的宽度
具体实施方式
以下基于实施例详细说明本发明的实施方式。
【实施例1】
首先参照图1～图3说明本发明的实施例。图1是表示本发明的可变电容复合部件10的电路结构的图。该图中，端子11、14是偏置用的端子，端子12、13是信号用的端子。通过使在端子11、14之间施加的偏置电压变化，端子12、13之间的电容发生变化，整体上起到可变电容元件的作用。
在输入侧（+侧）的第一信号用端子12与输出侧（－侧）的第二信号用端子13之间，4个可变电容器31～34以偏置+侧和偏置－侧交替相对的方式串联连接，用将各可变电容器31～34的漏电阻成分41～44并联连接的电阻表示。第二偏置端子11通过偏置电阻21与可变电容器31、32的偏置+侧分别连接，通过偏置电阻22与可变电容器33、34的偏置+侧分别连接。由这些偏置电阻21、22构成第二偏置线BL2。另一方面，第一偏置端子14通过偏置电阻23与可变电容器31的偏置－侧连接，并且通过偏置电阻24与可变电容器32、33的偏置－侧分别连接，进而通过偏置电阻25与可变电容器34的偏置－侧连接。由该偏置电阻23～25构成第一偏置线BL1。
此外，本实施例中，设第一偏置线BL1的偏置电阻23、25的值为R时，第二偏置线BL2的偏置电阻21、22和第一偏置线BL1的偏置电阻24的值设定为一半即0.5R。这是基于以下理由。
a.偏置电阻23、25与信号用端子12、13分别直接连接，所以较大受到通信信号的影响。因此，为了防止对第一偏置线BL1的通信信号的干扰，优选具有与信号频率的可变电容器31～34的阻抗相比极高的电阻值。
b.为了使对可变电容器31～34施加的偏置电压均等，优选在电路结构上，相对于仅与可变电容器31连接的偏置电阻23，与两个可变电容器32、33连接的偏置电阻24是其一半程度。对于偏置电阻25也同样。
c.为了使电路整体的电阻值在偏置线BL1、BL2上保持均等，优 选电源侧的合成电阻=接地侧的合成电阻。
此外，即使偏置电阻21、22、24的值是偏置电阻23、25的0.5R，实际上也会产生误差（不均匀）。关于其程度，只要是微量的，对施加偏置电压的影响就较小，一定程度上能够忽略，所以只要是0.45R～0.55R的范围即可。这在可变电容器的元件数从图示的4个串联增加至6个串联、甚至8个串联的情况下也成立，使偏置线中包括的所有电阻的值相同的情况下，串联元件数越增加，对各可变电容器施加的偏置电压的不均匀性越增加。即，施加的偏置电压的模式，在4个串联时是2种，6个串联时是3种，8个串联时是4种。施加的偏置电压的不均匀，不仅损害电容可变率的稳定性，也会仅对一部分可变电容器施加负荷，导致故障的可能性变高。
接着，在本实施例中，将第二偏置线BL2一侧的第二偏置端子11作为施加正电压的电源端子，将第一偏置线BL1一侧的第一偏置端子14作为接地端子，进行偏置电压的控制。由此，各可变电容器31～34中的偏置+侧成为正电压值，各可变电容器31～34中流过的电流由偏置－侧与电介质界面上的漏电流特性约束，所以能够对于直流偏压实现高耐压化。
偏置线BL1、BL2中包括的偏置电阻21～25的各值，优选为500kΩ以上即可。例如，NFC下的通信频率的范围是10～20MHz的频段。该频段下作为可变电容复合部件的换算阻抗值，成为偏置线BL1、BL2中包括的偏置电阻21～25的值以上时，在偏置线BL1、BL2中会有通信信号干扰，不能作为通信电路成立。根据这一点，避免通信信号干扰的条件，优选为10MHz频带的可变电容复合部件的阻抗值的10000倍以上的电阻值。例如，设作为可变电容复合部件的电容是400pF时，频率13.56MHz下阻抗为约30Ω，所以偏置电阻21～25的各值是300kΩ以上。
但是，偏置线BL1、BL2中包括的偏置电阻21～25的各值太大、与根据可变电容器31～34自身的漏电流量换算的电阻值、即漏电阻成分41～44的值同等时，因为这些漏电阻成分41～44引起的电压降会使对可变电容器31～34自身施加的偏置电压降低。根据这一点，为了对可变电容器31～34充分地施加偏置电压，优选偏置电阻21～25的 值是可变电容器31～34的漏电阻成分41～44的1/50以下。漏电阻成分41～44是约50GΩ程度，所以使偏置电阻21～25的电阻值为1GΩ以下。
接着，参照图2和图3，说明本实施例的作用。其中，图2中，省略了漏电阻成分41～44。图2（A）中表示了本实施例中的电流的流势，通过上述的偏置电阻值的设定，可变电容器31～34中流过的电流全部一致。详细而言，设第二偏置线BL2的第二偏置端子11中流过的电流为i，则偏置电阻21、22中流过的电流为(1/2)i，各可变电容器31～34中流过的电流为(1/4)i。另一方面，第一偏置线BL1的偏置电阻23、25中流过的电流为(1/4)i，与此相对，偏置电阻24中流过的电流为(1/2)i，第一偏置端子14中流过的电流为i。
与此相对，如上述背景技术所述，使偏置电阻21～25全部为相同的值时，如图2（B）所示，可变电容器31～34中流过的电流不一致，电容的可变量不均匀。即，可变电容器31、34中流过的电流为(1/3)i，可变电容器32、33中流过的电流为(1/6)i。此外，第二偏置线BL2的偏置电阻21、22中流过的电流同为(1/2)i，但第一偏置线BL1的偏置电阻23～25中流过的电流都同为(1/3)i。
图3中表示了可变电容器31～34的两端的电压（电位差）V41～V44的一例。该图（A）表示了在偏置电阻21、22、24的值为25GΩ，偏置电阻23、25为50GΩ，漏电阻成分41～44为50Ω的情况下，对电源端子11施加3V作为偏置电压的本实施例的情况，各可变电容器31～34的两端的电压V41～V44非常一致。
图3（B）表示了与该图（A）的情况比较，使偏置电阻21、22、24的值从25GΩ变为22.5GΩ的情况。在各可变电容器31～34的两端的电压V41～V44中可见微小差异，但都在能够容许的误差范围内。即，电压V41～V44之间的误差是0.05V，与图3（A）的情况比较是约5%，以电容变化量换算是0.7%的误差。
图3（C）表示上述图2（B）的情况，表示了在偏置电阻21～25的值是50GΩ、漏电阻成分41～44是50GΩ的情况下，对电源端子11施加3V作为偏置电压的情况。如该图所示，成为V41、V44>V42、V43，差异较大。
如上所述，根据本实施例，对偏置线BL1、BL2中包括的偏置电阻21～25的值进行调整，使可变电容器31～34中的电压、电流均匀，所以能够提供一种可变电容复合部件，其能够最大限度地发挥出各元件具有的本来的电容变化，作为整体电容变化率较大。此外，由于考虑可变电容复合部件的阻抗设定偏置电阻21～25的值，所以可以防止对偏置线BL1、BL2的信号干扰。并且，由于考虑可变电容器31～34的漏电阻成分41～44的值设定偏置电阻21～25的值，所以可以防止各可变电容器31～34之间的偏置电压的不均匀的施加导致的故障。
接着，参照图4～图7说明上述实施例1的具体的部件结构的一例。图4表示主要部的重叠的状况，两点划线表示下侧的电极图案，虚线表示上侧的电极图案。此外，在图5中表示该图4的沿着A－A'线的可变电容器部分的截面，在图6中表示沿着B－B'线的第一偏置线部分的截面，在图7中表示沿着C－C'线的第二偏置线部分的截面。
图5～图7中，使用带有SiO2的热氧化膜的Si基板作为支承基板100。但不限于此，也可以使用石英、氧化铝、蓝宝石、玻璃等绝缘性基板，也可以在Si等导电性基板（尽量为高阻抗基板）上成膜绝缘层。进而，在SiO2膜上，也可以为了防止氢侵入的目的而形成Al2O3膜。也可以代替Al2O3膜而将SiN、Ta2O5、SrTiO3等形成单层或者进行层叠。膜厚的一例为：Si基板是400μm，SiO2膜是1μm，Al2O3膜是100nm。
接着，参照图5的可变电容器部分，在支承基板100的主面上，例如用Pt形成下部电极。在Pt的下部，使Ti层或TiO2层成膜作为对于支承基板100的紧贴层。此外，作为电极材料，除了上述Pt、Ir、Ru等贵金属以外，也可以使用SrRuO3、RuO2、IrO2等导电性氧化物等。在下部电极上，形成具有可变电容特性的电介质层。例如，可以使用BST（BaSrTiO3）、在BST中微量添加Mn的物质、PZT（PbZrTiO3）、或其他钙钛矿结构氧化物等。在电介质层上，形成Pt的上部电极。在Pt以外，也可以使用Ir、Ru等贵金属、或SrRuO3、RuO2、IrO2等导电性氧化物。厚度的一例为250nm的下部电极Pt/100nm的BST/250nm的下部电极Pt。此外，可变电容器31和可变电容器32的下部电极、可变电容器33和可变电容器34的下部电极分别是共用的。可变电容 器31和可变电容器32的下部电极对于可变电容器31是第二信号端子13一侧，所以是第二电极，对于可变电容器32是第一信号端子12一侧，所以是第一电极。同样的，可变电容器33和可变电容器34的下部电极对于可变电容器33是第二信号端子13一侧，所以是第二电极，对于可变电容器34是第一信号端子12一侧，所以是第一电极。
例如，在移动电话用FeliCa（注册商标）的情况下，频率调整用的最佳的电容值在13.56MHz下为100pF。因此，使可变电容器31～34这4个串联的情况下，各电容器的电容值是400pF。
此外，如图8（A）所示，也可以使4个可变电容器31～34交替地极性变成相反。即，按第一信号用端子12→可变电容器31的上部电极31a→电介质层→下部电极31b→可变电容器32的下部电极32b→电介质层→上部电极32a→可变电容器33的上部电极33a→电介质层→下部电极33b→可变电容器34的下部电极34b→电介质层→上部电极34a→第二信号用端子13这样的状况，以可变电容器31～34的朝向相对于信号的前进方向交替地成为相反方向的方式连接即可。由此，对于抵消因为在比较平滑的面（支承基板100）上形成的下部电极31b～34b与在比较粗糙的面（电介质层）上形成的上部电极31a～34a中漏电流特性不同而产生的极性是有效的。
接着，参照图6、图7的偏置线部分，形成Ta-SiN膜作为偏置电阻21～25的电阻层，在其两端形成引出电极。此外，也可以使用Ni-Cr合金、Fe-Cr-Al合金等高电阻膜。此外，如上所述，本实施例中，将偏置电阻21、22、24的值设定为偏置电阻23、25的0.45倍～0.55倍。调整电阻膜的电阻值的因素，可以考虑膜的宽度、长度、厚度、材料，在本实施例中调整电阻膜的中央部分的宽度。图4所示的例子中，相对于偏置电阻21、22、24的中央部分的宽度W，将偏置电阻23、25的中央部分的宽度设定为W/2。通过电阻膜的长度调整电阻值的方法中，电阻膜中央部分的配线变得非常短，可能发生加工精度的问题。但是，如果是信号线两端的电阻层具有充分的长度的情况，则也可以进行使中央部分的电阻膜的长度成为0.45倍～0.55倍的调整。表示一例，使偏置电阻21、22、24的电阻值为20MΩ，偏置电阻23、25的电阻值为40MΩ的情况下，使以长度0.02mm制造的电阻线的宽度在 偏置电阻21、22、24中为0.02mm，在偏置电阻23、25中为0.01mm。
接着，为了引出支承基板100上的电极而形成的绝缘层102、104，例如用3μm的聚酰亚胺形成。此外，也可以使用SiO2、SiN等无机绝缘膜，或聚酰亚胺树脂、BCB树脂等有机绝缘膜。使用Cu/TaN（Ta）作为用于使电极引出部成长形成的种晶层/阻挡层（紧贴层）。关于种晶层，需要选择适合于引出的端子电极材料的材料。阻挡层（紧贴层）也可以使用Ti、TiN、TaN、TiSiN、TaSiN等其他氮化物、SrRuO3、IrO2等氧化物等。与电极引出部连接的引出电极是3μm的Cu，但也能够使用Al等各种导电性材料。此外，使用5μm的Sn-Ag作为引出电极上的端子电极。但是，也可以与安装方法相应地使用Al-Cu合金、Au、焊锡材料等。
接着，关于如上所述结构的可变电容复合部件，表示对各可变电容器31～34施加的电压的曲线图，如图8（B）所示。该曲线图表示在使偏置电阻21、22、24的电阻值为20MΩ，偏置电阻23、25的电阻值为40MΩ，漏电阻成分41～44的电阻值为50GΩ的情况下，对第二偏置端子11施加3V作为偏置电压时的各可变电容器31～34的两端的电位差，可知在全部的可变电容器31～34中都均等地被施加了3V的电压。
此外，本发明不限定于上述实施例，能够在不脱离本发明的主旨的范围内施加各种变更。例如，包括以下内容。
（1）上述实施例表示了可变电容器是4个的情况，但一般而言只要是偶数（设n为自然数时，N=2n）个，就同样能够应用。
（2）上述实施例以将本发明用于频率调整的情况为主进行了说明，但也可以将本发明应用于需要可变电容的各种电路。
【产业上的利用可能性】
根据本发明，能够得到一种可变电容复合部件，其最大限度地发挥出各可变电容元件具有的本来的电容变化，作为整体电容变化率较大，所以适于频率调整电路等。
Claims (4)
1.一种可变电容复合部件，在支承基板上排列并且串联连接有N个可变电容器，所述可变电容器包括：第一信号端子侧的第一电极；第二信号端子侧的第二电极；和夹在该2个电极之间的、介电常数通过施加电压而产生变化的电介质层，其中，N＝2n，n为自然数，所述可变电容复合部件的特征在于，具备：
包括电阻成分的第一偏置线，其与相邻的一方的所述可变电容器的所述第一电极和另一方的所述可变电容器的所述第二电极电连接，并且与从所述第一信号端子侧的所述可变电容器起第2i－1个所述可变电容器的所述第一电极或第2i个所述可变电容器的所述第二电极分别电连接，而且与第一偏置端子连接，其中，i是n以下的自然数；和
包括电阻成分的第二偏置线，其与从所述第一信号端子侧的所述可变电容器起第2i个所述可变电容器的所述第一电极或第2i－1个所述可变电容器的所述第二电极分别电连接，并且与第二偏置端子连接，
相对于与从第一信号端子侧起第一个可变电容器的第一电极连接并且与所述第一偏置端子连接的偏置线的电阻值、和与第N个的第二电极连接并且与所述第一偏置端子连接的偏置线的电阻值，使其他偏置线的电阻值成为0.45倍～0.55倍。
2.如权利要求1所述的可变电容复合部件，其特征在于：
使所述第二偏置端子与正电源连接，使所述第一偏置端子接地，进行偏置电压的控制。
3.如权利要求1或2所述的可变电容复合部件，其特征在于：
与所述第一电极和所述第二电极连接的偏置线的电阻值是500kΩ以上。
4.如权利要求3所述的可变电容复合部件，其特征在于：
与所述第一电极和所述第二电极连接的偏置线的电阻值是1GΩ以下。
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