CN101952917B - 可变电容器及其控制方法、电子装置和通信移动装置 - Google Patents
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Abstract
提供了能够与包括各种电子装置和通信移动装置的电子设备的用途相对应地应用的可变电容元件。还提供了用于控制这种可变电容元件的方法以及具有这种可变电容元件的电子装置和通信移动设备。可变电容元件(1)被配置成使得电极对(3，4)被形成为具有夹在中间的铁电体材料层(2)，对铁电体材料层(2)执行了具有极化的迟滞特性的矫顽电场(或更高)的极化处理，并且静电电容与施加到电极(3，4)的控制电压相对应地变化。
Description
技术领域
本发明涉及可变电容器及其控制方法以及其中建立有可变电容器的电子装置和通信移动装置。
背景技术
近年来，由信息技术(IT)代表的电子设备由于数字技术的发展而广泛普及，并且由于该普及而导致的能量消耗引起了争议。在上述信息技术中，通过通信的移动装置之间的通信技术也得到发展。
一般而言，使用电源变压器的串联调节器的电源电路系统用在简单的固定电子装置中。在该电源系统中，100V的商业电力被分压而降低，并在二极管桥接电路中被整流，然后，由大容量电容器对波形进行平滑，吸收电压变化，并且由作为半导体部件的调节器来稳定电压，以稳定外部交流电压的变化、电子部件的变化以及输出变化。
但是，通过调节器进行的电压变化的吸收在环境方面具有负面影响，这是因为变化量被排出为过多的焦耳热。本发明提出了一种方法，通过使用稍后描述的可变电容器来减少过多焦耳热的排出。
图17示出了相关技术中的陶瓷电容器的特性，即，电容的直流偏置电压的依赖性。在粗略划分时，陶瓷电容器由两种类型来代表，这两种类型为：B特性电容器，其相对于作为控制电压的直流偏置电压来说具有小的电容变化；以及F特性电容器，其相对于直流偏置电压来说具有大的电容变化。图17中所示的F特性是在-25℃到85℃的使用温度范围中具有+30到-80％的电容变化的使用特性。B特性是在-25℃到85℃的使用温度范围中具有±10％的电容变化的使用特性。由于希望就像通常使用的电容器那样电容不变，因此具有小的电容变化的B特性电容器被使用。
上述电容器由钛酸钡(BaTiO3)类型的铁电体材料制成，其电容变化通过直流偏置电压而发生。认为电容由于外部电压而发生变化的现象是通过由电容器的电容导致的极化电荷以及极化区域作用在电场上的行为而发生的。可以通过以下方式来增大电容变化：通过改变居里点(Curie
point)或通过根据在这种类型的材料中的添加元素和烧结条件(参见非专利文献1)而改变粒子大小来增大电容。但是，这不是优选的，因为通常在使用电容器时通过增加电压来改变电容。
在专利文献1、专利文献2等中公开了使用该类型的钛酸钡以及锆钛酸铅(PZT)作为用于电容器的铁电体材料。
专利文献1：JP-A-10-223475
专利文献2：JP-A-2000-101345
非专利文献1：Landolt-Bornstein Vol.16，Ferroelectrics and RelatedSubstances(1981)
发明内容
由本发明人提出的电源电路中的以上方法是这样的方法：通过可变电容器来控制对应于电压变化的电压减小，以减少焦耳热的产生，从而进一步减少过多的焦耳热的排出。该方法使用这样的原理：因为在由电容器导致的电压减小中，电流相位和电压相位并未被关于交流电的虚数部分而校准(align)，所以不产生电力损失。期望在这种电源电路中使用可变电容器，这是因为，随着电容和电容变化变得更大，可以抑制与大的电压变化相对应的大的电力损失。
铁电体型材料的电容变化的特性为：该电容变化由于该铁电体材料而具有根据直流偏置电压的大小和所施加的电压的极性的迟滞特性(hysteresis characteristics)。未被执行极化处理的钛酸钡型材料具有由以下曲线表示的电容变化：该曲线具有从直流偏置电压的原点(0V)移动的电容变化的峰值，并在超过峰值的区域中显示逐渐减小的变化，如图18所示。因此，在该类型的钛酸钡材料中产生不便，其中，即使在相同的直流偏置电压的情况下电容变化值也不同，这是因为当超过电容变化峰值时迟滞特性减小。例如，即使在未施加直流偏置电压时的0V的情况下，电容也会根据直流偏置电压的极性和大小而不同。因此，需要将使用区域限制到单调递减区域的小的区域中，或制造考虑当超过峰值时的特性的电路。即使在限制到单调递减区域时，电容变化的线性也降低，因此电路设计是困难的。另外，通常，使用针对正极性的控制电压的负极性的电容变化的特性在电路控制中是困难的。
另一方面，近年来，电器中的电力消耗的增加以及由于移动装置而导致的通信的升级得到了发展，因此需要节省电力消耗以及需要无线电通信的高功能的频率调谐。为了通过移动装置的天线通信来对装置的无线电频率进行调谐，考虑可变电容二极管，但是，存在难以获得大的电容且由于可变电容二极管是半导体因而耐压低的问题。
由于以上原因，本发明提供了能够对应于例如用于电源电路和移动装置的电子设备的应用的可变电容器及其控制方法。
本发明还提供了包括上述可变电容器的电子装置以及通信移动装置。
根据本发明的可变电容器包括电极对，该电极对被形成为使得将铁电体材料层夹在中间，其中，已对铁电体材料层执行了比极化的迟滞特性中的矫顽电场(coercive field)更高(higher)的极化处理，并且电容根据施加到该电极的控制电压而变化。
根据本发明的电容器被配置成通过对铁电体材料层执行高于矫顽电场的极化处理而根据控制电压来改变电容，由此获得更高的电容以及获得具有良好线性的电容变化。当使用相同的控制电压时，可以获得固定的相同的电容变化值。
可变电容器的控制方法是包括电极对的可变电容器的控制方法，该电极对被形成为使得将铁电体材料层夹在中间，其中，已对该铁电体材料层执行了高于矫顽电场的极化处理，该方法包括以下步骤：在通过使用0V作为中心的±ΔV范围内控制施加到电极的控制电压，以控制电容被改变。
根据本发明的可变电容器的控制方法，在通过使用0V作为中心的±ΔV的范围内控制电容被改变，因此，在未施加电压时，电容恒定地保持在与0V相对应的希望的值。
可变电容器的控制方法是包括电极对的可变电容器的控制方法，该电极对被形成为使得将铁电体材料层夹在中间，其中，已对该铁电体材料层执行了比极化的迟滞特性中的矫顽电场更高的极化处理，该方法包括以下步骤：通过使用单极性电源对要被施加到电极的控制电压的正/负极性进行切换以改变电容。
根据本发明的可变电容器的控制方法，对要被施加的控制电压的正/负极性进行切换，由此，例如，通过正极性将电容改变为减小，通过负极性将电容改变为增大，也就是说，即使在使用单极性电源时也可以获得宽的电容变化范围，并且可以以良好的线性来改变电容。
根据本发明的电子装置包括可变电容器，该可变电容器具有电极对，该电极对被形成为使得将铁电体材料层夹在中间，其中，已对该铁电体材料层执行了比极化的迟滞特性中的矫顽电场更高的极化处理，并且电容根据施加到该电极的控制电压而变化。
根据本发明的电子装置包括根据本发明的可变电容器，因此该电子装置的性能得以提高。
根据本发明的通信移动装置包括可变电容器，该可变电容器具有电极对，该电极对被形成为使得将铁电体材料层夹在中间，其中，已对该铁电体材料层执行了比极化的迟滞特性中的矫顽电场更高的极化处理，并且电容根据施加到该电极的控制电压而变化。
根据本发明的通信移动装置包括根据本发明的可变电容器，因此该通信移动装置的性能得以提高。
根据本发明的可变电容器可以获得大的电容，并且可以获得具有良好线性的电容变化。由于通过相同的控制电压可以获得相同的电容变化值，所以可变电容器对应于例如用于电子装置和通信移动装置的电子装置的应用。
根据本发明的可变电容器的控制方法可以在通过使用0V作为中心的±ΔV的范围内控制电容变化，或者可以通过单极性电源来控制宽的电容变化，因此，对应于例如用于电子装置和通信移动装置的电子装置的应用，可以增加便利性。
根据电子装置和通信移动装置，通过设置根据本发明的可变电容器可以增加便利性。
附图说明
图1是示出了根据本发明的可变电容器的实施例的截面图；
图2A和2B是示出了根据本发明的可变电容器的另一实施例的上表面图和截面图；
图3是示出了在对具有与图2相同的配置的电容器不执行极化时电容的直流偏置依赖性的特性图；
图4A和4B是示出了用于说明根据本发明的电容器的电容的直流偏置依赖性的样本和特性图；
图5是用于说明根据本发明的电容器的直流偏置的历史特性图；
图6A和6B是用于说明根据本发明的电容器的直流偏置的历史特性图；
图7是示出了根据本发明的可变电容器装置的示例的配置图；
图8是图7的电容器的电容/控制电压的特性图；
图9是用于说明本发明的极化的迟滞特性图；
图10是用于说明本发明的关于重写的电容/写电压的特性图；
图11是用于说明本发明的根据重写处理电压和电容器变化的写电压的特性图；
图12是示出了用于说明本发明的在极化处理和预处理之后电容的直流偏置电压的依赖性的特性图；
图13是通过使用预处理电压0V作为参考来相对改变图12的电容而获得的特性图；
图14是示出了用于说明本发明的由写预处理电压导致的电容的直流偏置电压的依赖性的特性图；
图15是示出了根据本发明的可变电容器所应用于的电源装置的示例的等效电路图；
图16是用于图15的电源电路的压控可变电容器的配置图；
图17是使用相关技术的钛酸钡的电容器的特性图；
图18是使用相关技术的钛酸钡的电容器的特性图。
附图标记的描述
1可变电容器
2铁电体材料层
3、4电极
5电容器(可变电容器)
6电极层
6A、6B电极
7板状体
8、9、10特性
21可变电容器装置
22可变电容器
23到24直流截止电容器(DC-cut capacitor)
25极性切换元件
26单极性电源
27a、27b可动接点
28(28a，28b)，29(29a，29b)固定接点
311、321特性
31到35可变电容器
36交流输入端子
37交流输出端子
38、39控制端子
51交流电路
52交流电源
53电源变压器
54稳定器
55直流电路
56整流电路
57恒压电路
58差分放大器电路
59输出端子
具体实施方式
在下文中，将结合附图对本发明的实施例进行说明。
首先对根据实施例的可变电容器进行说明。根据该实施例的可变电容器被配置成具有彼此成对的电极，该电极被形成为将铁电体材料层夹在中间，其中，在通过将电压施加到两个电极之间来极化铁电体材料层之后，电容可以根据施加在两个电极之间的控制电压而变化。将通过以与使用交流偏置相同的方式变化的电容来说明使用直流偏置电压作为用于电容变化的控制电压的情况。根据该实施例的可变电容器具有以下说明的特性。
为了验证根据本实施例的可变电容器的特性，通过使用锆钛酸铅(PZT)作为铁电体材料而形成的电容器被用作示例。基本上通过在两个表面形成电极对以将PZT材料层夹在中间来构造该电容器，然而，在本实施例中，如图2A(上表面图)和图2B(截面图)中所示的那样制造使用PZT材料层的层积型电容器5。作为样本的电容器5通过层积多片板状体(在本实施例中为6个板状体7)来构造。通过在由PZT材料层制成的铁电体材料层2的表面上形成电极层6来制造每个板状体7。奇数层中的电极层6A以及偶数层中的电极层6B分别电连接。在顶层或底层中的任一层处的铁电体材料层2的两个表面处形成电极层6。电容器5是根据稍后阐明的实施例的可变电容器的示例。
作为特定实施例，如下形成要作为样本的电容器5。以希望的混合比例混合由氧化钛、氧化锆和氧化铅形成的粉末，并且层积并预烧结被形成为具有60μm厚度的两个陶瓷板。接下来，准备板状体7，在该板状体7中通过应用钯(Pd)类型的电极粉末来形成电极层6。将其中电极层6被形成于两层陶瓷板上的板状体4作为一个单元，并且层积并烧结六个板状体4。接下来，包括银(Ag)的导电浆料(conductive paste)被应用以连接到例如暴露在层积体的一个表面处的奇数层中的电极层6，以及被应用以连接到例如暴露在层积体的另一个表面处的偶数层中的电极层6。然后，通过执行热处理来形成电极对6A、6B，以形成可变电容器5。通过烧结形成的电容器5是平板元件，其具有对于5×30mm2的表面的约0.3mm的厚度。
对电容器5中的直流偏置电压的电容变化进行测量。
首先，图3示出了尚未被执行分极(poling)处理(极化处理)的电容器5的由直流偏置电压导致的电容依赖性。该电容器是在烧结之后尚未被执行极化处理的元件。对由直流偏置电压导致的电容器的电容变化特性进行测量。由Instron公司制造的阻抗分析器1260系统被用于估计电容变化特性。作为估计条件，在0V到14V施加应用直流电压，以及以1000Hz的频率施加100mVp-p的交流电压。结果，电容器的电容为0.227μF，并且该电容不变，如图2的特性10所示。
图4示出了由直流偏置电压导致的电容器5的电容依赖性，对该电容器5执行通过施加电压而进行的铁电体材料层2的校准极化(aligning
polarization)的分极处理。通过以下方式来执行分极处理：通过将电极6B设置为正而将电极6A设置为负(如图4A所示)来向要作为样本的电容器5施加电压V(在本实施例中为100V)几十秒钟。然后，通过使用与图3中说明的估计系统相同的估计系统来检查由直流偏置电压导致的电容器的电容变化特性。所施加的直流偏置电压的极性方向为图4A中所示的方向，并且，极化方向(箭头)“P”通过直流偏置电压的施加而与电场方向(箭头)“E”校准。图4B中示出了特性8，在极化之后的直流偏置电压的极性允许为正(电源11被连接使得电极6B变为正而电极6A变为负)且直流偏置电压的极性从正变为负时获得该特性8。特性8示出了向下倾斜的线。
接下来，在图4B中示出了特性9，在直流偏置电压对于具有相同的极化方向P的电容器5而切换到反向负极性而不改变极性的极性方向P(电源11被切换并被连接，使得电极6A变为正而电极6B变为负)且直流偏置电压的极性从正变为负时获得该特性9。特性9示出了向上倾斜的线。
在图4中，通过执行极化处理来观察电容器5的电容变化，在直流偏置电压未施加(即，在0V)时显示大约460nF的电容。当通过施加±15V的直流偏置电压来检查电容变化时，显示线性变化，这与由商业可用的电容器获得的B特性和F特性不同。也就是说，发现电容的增大/减小的极性变化，即，通过以下方式来增大和减小电容：通过分极处理来针对极化方向的极性而改变更被施加的直流偏置的极性。
另外，所验证的是，通过在固定极化的极性方向的情况下借助于分极处理来改变要被施加的偏置电压的极性，可以大大改变电容。
在反复研究之后，通过将高电压施加到以与图2中相同的方式建立的样本(即，具有由PZT材料制成的铁电体材料层2的电容器5)而获得如图5所示的具有直流偏置依赖性的电容特性。当通过使用具有该特性的样本(电容器5)来测量铁电体材料层2的极化和电场的迟滞特性时，获得如图6所示的特性，并且已验证了电容线性变化的区域对应于铁电体材料层的矫顽电场Ec的电压(绝对值)或小于该电压的电压，即，在Ec和-Ec之间的电压。
图5示出了由未被执行分极处理的样本(电容5)获得的特性。在图5中，通过作为每单位厚度的电压的所施加的电场的直流偏置电场的大小来标准化横轴中的直流偏置电压的大小。所施加的电压最大为±250V。通过电容变化率来标准化纵轴中的电容变化，以施加直流偏置电压之后在从250V折回时所施加的电压0V的时刻作为基准。通过能够施加高的直流偏置电压的估计装置来进行估计。该估计装置的特性为：通过使用桥接电路将外部电压施加到样本来进行估计。
在图5中，从直流偏置电压0V处的起点到平坦部分(+Ec)的部分对应于极化的迟滞曲线中的至饱和状态的路径上的从零到Ec的部分。该曲线的微分系数对应于电容值。因此，电容从起点到Ec不发生变化。
如图5所示，从偏置电压0V开始对样本(电容器5)施加偏置电压。针对偏置电压的施加的电容起初是固定的且不变化，但是，电容减小的变化出现在电场的0.4V/μm到0.5V/μm处。当电场在250V的施加时从1.3V/μm的点减小时，电容增加，并且当电场大小为-0.4V/μm到-0.5V/μm时，电容突然减小，然后逐渐减小。此外，当所施加的偏置电压增加至折回时，电容在0.4V/μm到0.5V/μm处再次从逐渐增加变为突然减小，然后，逐渐减小，这显示了关于原点(0V)对称的迟滞特性。
另一方面，图6示出了通过已被执行分极处理的样本(电容器5)获得的特性。图6B的横轴和纵轴代表标准化的电场和电容变化率，这与图5中所示的相同。图6B中的特性与图5中的特性相同。在这种情况下，对已经在图5中被测量和估计的样本(电容器5)进行分极处理，并且对图6A中由电场E和极化P显示的迟滞特性进行估计。使用Soya-tower电路的估计装置用于迟滞测量。根据估计装置的可用性而以115Vp-p的施加偏置电压以及50Hz的频率执行该估计。估计的矫顽电场Ec为0.47V/μm，而在图5中估计的电容变化的直流偏置依赖性中电容突然变化时的电场大小为0.4V/μm到0.5V/μm，因此，示出了该值对应于矫顽电场。
从以上图4和图6可以看出，可变电容器使用依赖于直流偏置电压的区域中的电容变化特性，尤其使用电容线性变化的区域中的电容变化特性，由此提供了容易作为电路而受控的便利性。也就是说，由于电容变化具有针对直流偏置电压的优良的线性以及电容值在直流偏置电压的原点(0V)处固定在相同的值，增加了便利性。因此，在一定的一个方向上进行极化处理，并且要施加的直流偏置电压的极性被改变，由此通过在如大约两倍的变化量的大的电容变化范围中使用电容而增加了便利性。
在本实施例中使用的铁电体材料利用与在矫顽电场Ec处或更小的电场相对应的电压控制的电容变化。在本实施例中发现的优势为，通过执行极化处理和使用在矫顽电场Ec处或更小的电压，在电容线性变化而在中心(原点)处不具有不一致的电容值的区域中的电压控制中，具有有限矫顽电场Ec的电介质材料可以被应用于可变电容器。但是，具有有限矫顽电场Ec的区域在学术上被限制在具有迟滞相位(hysteresis phase)的温度区域中的铁电体相位(ferroelectric phase)。由于认为当可变电容器用于电源电路时温度增加，所以希望有用的温度区域尽可能宽。
作为用于在本实施例的可变电容器中使用的铁电体材料层的材料，可以使用通过离子极化的铁电体材料和通过电子极化的铁电体材料。通过离子极化的铁电体材料由离子晶体材料制成，并且通过转移的正离子和负离子的原子来电极化。该材料例如包括钛酸钡(TiBaO)3、KNbO3、PbTiO3等，其中通过化学式ABO3来表示原子A和原子B，并且其具有钙钛矿(perovskite)结构。在本实施例中，用于这些材料中的一种的PZT(锆钛酸铅)是其中锆酸铅(PbZrO3)与钛酸铅(PbTiO3)相混合的铁电体材料。
通过电子极化的铁电体材料是具有极化的材料，其中该材料被划分成偏离于正电荷的部分和偏离于负电荷的部分，以产生电偶极矩(electricdipole moment)。作为铁电体材料，已经报告了显示出通过形成Fe2+的电荷表面以及Fe3+的电荷表面来形成极化的铁电体特性的稀土氧化物。这种类型通过根据稀土(RE)和铁族(TM)的分子式“(RE)·(TM)2·O4”来表示，并且已经报告了包括以下元素的材料具有高的介电常数。
RE；Y，Er，Yb，Lu(尤其是，Y和重稀土元素)
TM；Fe，Co，Ni(尤其是Fe)
ErFe2O4
LuFe2O4
YFe2O4
通过利用如上所述已经被执行了极化处理的铁电体材料层的特性来配置根据本发明的实施例的可变电容器。根据基本结构的本实施例的可变电容器可以被形成为单层类型的结构或层积层类型的结构。例如，在单层类型的结构的情况下，可变电容器1包括电极3、4，该电极3、4形成在两个表面上彼此成对，以将铁电体材料层2夹在中间，如图1所示。在层积层类型的结构的情况下，按以下方式形成可变电容器5：电极6A、铁电体材料层2、电极6B和铁电体材料层2按顺序层积，最后，铁电体材料层2被电极6A和6B夹在中间。在层积层结构的情况下，可以应用并联连接的结构或串联连接的结构。
铁电体材料层2由具有迟滞特性的铁电体相位材料制成，并且对其执行在极化的迟滞特性中高于矫顽电场Ec(绝对值)的极化处理。在这种情况下的极化处理包括以下状态中的任何一种：极化已达到饱和的状态，极化尚未达到饱和的状态(即，所谓的不饱和状态)。然后构造可变电容器1、5，使得在具有迟滞特性的铁电体相位的温度区域中，电容根据控制电压而变化，其中控制电压即为施加到电极3、4或电极6A、6B之间的直流偏置电压。
根据本实施例的可变电容器，高于矫顽电场Ec(绝对值)的大小的极化处理被执行，并且直流偏置电压在包括迟滞特性的铁电体相位的温度区域中变化，由此获得大的电容，并且如以上特性验证所示的那样改变电容。通过相同的控制电压可以获得固定的相同的电容变化值。当使用小于矫顽电场的电压区域时，在直流偏置电压的控制下可以获得具有良好线性的电容变化。另外，可以得到大的可变电容范围。当极化处理被执行至饱和状态时，可以得到大的可变范围。
根据本发明的另一实施例的可变电容器可以通过针对铁电体材料层2执行不饱和状态的极化处理来配置。也就是说，可以应用其中已被执行了极化处理的铁电体材料层2的极化状态为不饱和状态的结构。
根据本发明的另一实施例的可变电容器可被配置成使得通过以下方式而使电容根据施加到电极对之间的直流偏置电压而线性变化(沿直线)：使用在零偏置电压处的电容作为极化的迟滞特性中的小于矫顽电场Ec的电压区域中的中心。由于电容线性地变化到关于作为中心的零偏置电压的正方向和负方向，可以获得宽的电容变化范围。另外，在零偏置电压处的电容被用作中心，由此电子装置的电路设计变得更加容易。例如，可以避免通信移动装置(例如稍后将描述的蜂窝电话和IC卡)中的中心频率的偏离。
根据本发明的另一实施例的可变电容器可以被配置成使得通过以下方式来改变电容：在包括0V或不包括0V的正侧范围、包括0V或不包括0V的负侧范围、或覆盖包括0V的正侧和负侧的范围中，控制要被施加到电极对之间的偏置电压。在这种配置中，当使用低于极化的迟滞特性的矫顽电场Ec的电压时，电容可以线性地变化。当使用高于矫顽电场Ec的电压时，电容可以沿具有较少线性的渐进曲线而变化。所谓的电容可以线性地变化，包括渐进曲线的单调递增变化或单调递减变化。
根据本发明的另一实施例的可变电容器被配置成使得在通过使用0V作为中心的±ΔV的范围内控制要被施加的直流偏置电压。
如上所述，根据本发明的实施例的可变电容器，获得了电容变化的线性，并通过以下方式来估计0V(原点)处的电容偏离：使用具有包括有限矫顽电场Ec的迟滞特性的铁电体材料，以及在例如与低于矫顽电场Ec的电压相对应的直流偏置电压的控制下改变电容。另外，通过固定极化方向以反转要被施加的直流偏置电压的极性，可以增加电容变化的区域。根据本实施例的可变电容器具有上述优点，因此，例如可以设计用于容易地减小电力消耗的电路，其有助于提高减小电力消耗的效率。
根据本实施例的可变电容器可以线性地控制电容变化，并能够相当大地改变电容及其电容变化，因此该可变电容器可以对应于如需要减小电力消耗的电路和移动装置之类的电子设备的应用，这可以应用于各种应用。
在通过电压对电容变化的控制中，在不施加控制电压的状态下可以容易地实现从原点(0V)的固定电容值的控制。因此，本实施例的可变电容可以作为这种可变电容器，其例如不仅应用于电源电路以节省能量，而且应用于关于IT装置进行开发的移动装置的天线通信的无线电频率的调谐电路。
已经发现根据直流偏置依赖性的钛酸钡类型的峰值电压(电场)还对应于矫顽电场Ec。矫顽电场Ec的出现还由于由材料中的晶格应变(latticestrain)而产生的结构，因此，例如在形成具有利用界面张力来增加矫顽电场的结构的钛酸钡时，钛酸钡可以用作根据本实施例的可变电容器。
在该实施例中，通过使用具有钙钛矿结构的PZT类型的材料作为铁电体材料来进行研究，但是，通过离子极化的铁电体材料和通过电子极化的铁电体材料两者均可用于本实施例的可变电容器，只要该铁电体材料是其中出现硬型(hard-type)矫顽电场Ec的铁电体材料(包括钙钛矿型材料)即可。
通过研究获得的材料是铁电体材料并且属于氧化物系列，因此，铁电体材料层的厚度可以被设计成与易于经受压力相匹配的厚度，由此容易制造可变电容器。
图7和图8示出了本发明的另一实施例。根据本实施例的可变电容器被配置成使用单极性电源，并对作为要被施加到该可变电容器两端的控制电压的直流偏置电压的极性进行切换，使得可以得到电容的大的增大/减小宽度。在该实施例中，可变电容器装置21被配置成包括具有与上述相同配置的可变电容器22以及在两端串联连接的直流截止电容器23、24。将控制电压(直流偏置电压)提供到可变电容器装置21中的可变电容器22两端的单极性电源26通过极性切换元件25而连接。极性切换元件25包括与从可变电容器22的两端引出的端子t1、t2相连接的可动接点27a、27b，以及两对彼此成对的固定接点28(28a，28b)和29(29a，29b)。在固定接点28、29的一侧彼此成对的各接点28a、29a连接到单极性电源的正侧，而在另一侧的接点28b、29b连接到单极性电源26的负侧。
将对可变电容元件22的控制操作进行说明。可动接点27a、27b连接到极性切换元件25的一侧上的固定接点28a、28b，以允许控制电压从0V变化到正侧。希望这时控制电压的可变范围是如图4和图6中所示的电容线性变化的范围。当控制电压从0V变化到正侧时，电容如图8中的特性311所示的那样地增大。即，电容从在控制电压为0V时的电容C0增大到电容C0+ΔC。
接下来，当希望通过使得控制电压为0V或更小来进一步减小电容时，要被施加到可变电容器22上的控制电压的极性被切换。即，极性切换元件25的可动接点27a、27b被切换到固定接点29a、29b。因此，来自单极性电源26的控制电压的极性被切换，并且该电压被施加到可变电容器22。还希望这时控制电压的可变范围是如图4和图6所示的电容线性变化的范围。当控制电压从0V变化到正侧时，电容如图8中的特性321所示的那样地减小。即，电容从在控制电压为0V时的电容C0减小到电容C0-ΔC。
根据本发明的可变电容器22，可以仅通过作为所谓的一侧电源的单极性电源25来控制可变电容器22的电容中的C0±ΔC。电容变化可以在低电压时增大。当不切换极性时，电容变化等于(C0+ΔC)/C。当极性被切换时，电容变化等于(C0-ΔC)/(C0-ΔC)。
根据本实施例的可变电容器可以重写电容。图10示出了在施加写电压V时电容值的变化。该电容值是一旦在那时允许写电压为0V时所获得的值。通过以下方式来获得作为起始估计样本的样本：对已经通过使用PZT作为铁电体材料而被执行了极化处理的电容器进行热处理以使其高于居里温度(Curie temperature)，以使电偶极矩的和变为最小(即，在本实施例中通过240℃的硅油浴进行的热处理)。消除了极化以成为原始状态(virgin state)的样本被使用。存在两种用于消除极化的方法。存在通过热处理来减小电偶极矩的和(所谓的极化和)的温度消除、以及通过电压来减小电偶极矩的和的电压消除或电消除。通过一旦在施加直流重写电压之后就使所施加的电压折回到0V来进行对针对样本的可变电容器的写电容的测量。
图10中的特性Cap1示出了在写电压V从0V增大到110V且随后在极性被反转之后减小为-110V时观察到的可变电容器的电容值变化。
图10中的特性Cap2示出了在写电压V以与Cap1的情形相同的方式从0V增大到110V且在极性被反转之后减小为-110V时观察到的可变电容器的电容值变化，其示出了Cap1的再现性。可以看到该再现性良好。
接下来，图10中的特性Cap3示出了在写电压V从0V增大到40V且写电压的极性大小改变一次且随后该电压减小到-110V时观察到的可变电容器的电容值变化。
从图10可以看出，对应于写电压的电容被写入并被保持。
从图10中所示的特性Cap1和Cap2可以看出，在将写电压从110V减小到0V的过程中，电容值被保持成近似固定的值。当进一步施加负的写电压时，电容值逐渐增大，并在写电压为-20V时开始减小。这时的写电压被定义为去极化电压(depolarization voltage)，在该电压处电容值开始减小，其对应于去极化电场。在该去极化电压中，铁电体材料层中的极化率随着极化区域开始反转而减小，因此电容值也开始减小。在写电压V为-32.5V时观察到电容值的最小值，而在写电压进一步减小时电容值开始增大。当写电压为-60V时，电容值接近于饱和值。
电容值的变化对应于图9中的迟滞特性中的曲线“b”。电容值变为最小之处的-32.5V的写电压V对应于迟滞特性中的矫顽电场Ec。在矫顽电场Ec处，电偶极矩的和最小且电容值变为最小。-60V的写电压V对应于迟滞特性中的负侧的饱和电场-Ep。当施加对应于饱和电场的写电压V时，铁电层中的电偶极矩的和变为最大且电容值变为最大。
为了针对所写入的高电容(饱和状态中的电容)来重写电容，所施加电压的极性变为负，并且希望的电压被施加，由此来重写电容。可以在负电压区域中重写电容，尤其是在以下区域中重写电容：从去极化电压开始，经过与电容为最小时的负矫顽电场-Ec相对应的电压-Vc的附近、至电容饱和时的电压的区域。
在图10中，标记Q1示出了通过温度消除得到的电容值，标记Q2示出了通过电消除得到的电容值。从该电容值Q1、Q2可以看出，与温度消除的情况相比，作为电消除的允许电压为-Vc的电压控制在重写时可以有效地最小化电容。也就是说，通过电压(-Vc)消除得到的电容C(即，C(-Vc))约为320nF，通过温度消除得到的电容C0约为350nF。通过电压写消除比通过温度消除更能减小电容。
图11示出了由预处理电压(重写处理电压)导致的写电场和电容变化之间的关系。图11示出了在对作为样本的可变电容器执行了+110V的极化处理的预处理(预处理1)之后，当施加下一个预处理(预处理2)的电压+110V、-110V、-50V、-40V、-30V和-20V且随后施加相应的正的写电压时所测量的电容值。在图11中，横轴代表写电场(V/μm)，纵轴代表电容值(nF)。
特性Cap+110V示出了：在以110V执行预处理2之后，当写电压V从+110V减小到-110V且随后电压增大到正侧时所观察到的电容值变化。
特性Cap-110V示出了：在以-110V执行预处理2之后，当写电压V从-110V增大到正侧时所观察到的电容值变化。
特性Cap-50V示出了：在以-50V执行预处理2之后，当写电压V从0V增大到正侧时所观察到的电容值变化。
特性Cap-40V示出了：在以-40V执行预处理2之后，当写电压V从0V增大到正侧时所观察到的电容值变化。
特性Cap-30V示出了：在以-30V执行预处理2之后，当写电压V从0V增大到正侧时所观察到的电容值变化。
特性Cap-20V示出了：在以-20V执行预处理2之后，当写电压V从0V增大到正侧时所观察到的电容值变化。
在每种情况下，作为预处理，所施加的电压被施加十秒钟以固定电容，之后电压被改变。
从图11中可以看出，在首先施加通过其可获得饱和电容值的预处理电压+110V、-110V的情况下，与施加具有更小的绝对值的预处理电压的情况相比，由写电压导致的电容变化的变化宽度(即，从电容值的最小值到最大值的变化量ΔC)更大。
从图11明显看出，在通过负的直流施加电压进行的预处理中，从去极化电压点到饱和电压之间可以进行重写的预处理，其中，在该去极化电压点处饱和电容开始朝向与极化的迟滞特性上的矫顽电场-Ec相对应的电压-Vc而减小，并且其中饱和电压在通过负的直流电压施加进行的预处理中已被极化和反转。但是，在这种情况下，在大于-Vc的电压作为负的预处理电压被施加的情况下，当其后以正电压写电容时，宽度(即，变化量ΔC)可以更宽。从-Vc到在电容达到最大(即，电容变化的电场微分变为零(V＝V(dC/dV＝0)))的区域处的电压之间的重写处理区域实际有效。
为了重写电容，施加比与先前已被写过的电容相对应的写电压更大的电压，由此重写比先前所写的电容更大的电容。另一方面，在重写电容时实际上并不知道先前的写状态，因此，高电压被施加一次以执行极化处理，然后，从该状态对写电压进行控制，从而容易地且方便地写入希望的电容值。
根据本发明的实施例的可变电容器可以被配置成使得可以通过以下方式来以控制电压(直流偏置电压)任意控制电容值的变化量ΔC：使用图10和图11的特性，并通过极化处理来选择极化电压的大小，从而可以获得希望的极化率。例如，在已经对铁电体材料层进行了分极处理的可变电容器中，施加具有与由于分极处理而导致的极化方向相反的极性的电压，由此执行具有希望的极化率的再极化处理。根据本实施例的可变电容器可以被配置成使得可以任意控制重写的电容值的变化量ΔC，即，重写电容的增大/减小梯度以及增大/减小宽度。
根据本发明的实施例的可变电容器可以被配置成根据重写电压的大小而通过以下方式来控制电容值的变化量：在从与在其处极化被减小的去极化电场相对应的电压到与极化反转饱和电场相对应的电压之间的范围中的电压中重置电容，以由此重写电容。
图12示出了在极化处理以及施加负的预处理电压-Vdc之后电容值的直流偏置电压的依赖性。通过施加图4A中所示的电压方向上的+110V来对使用PZT的电容器的样本进行极化处理。接下来，负的预处理电压(直流电压)-Vdc被给出作为预处理的参数，并且在相应的预处理之后测量根据电容变化的直流偏置电压。用于测量的交流条件是120Hz、500mVac。预处理电压的极性和直流偏置电压的极性基于作为极化方向的正极性。
在图12中，当预处理2的电压Vdc为0V、-25V、-30V、-31.5V、-50V、-110V和+32V时，获得的相应的电容的直流偏置特性的变化被测量。当负的预处理电压大时，首先显示出向上倾斜且为线性的大的电容变化，但是，当负的预处理电压变得更大时，电容变化变小，并且当Vdc为-31.5V(对应于电压-Vc)时出现其中电容不变的图形区域。由于在低于矫顽电场的电压区域中施加电压，所以获得相应的电容的线性变化。在这种情况下，其中Vdc的电容不变的图形区域的出现是由于电压控制，但是，其对应于在通过温度处理的消除极化的情况下的、其中电容不由于直流偏置电压而改变的、比Vc低的电压的直流偏置特性的变化。
当施加超过与负矫顽电场相对应的电压(-Vc)的预处理电压时，电容变化中的增大/减小的极性这时会改变，并且观察到向下倾斜的变化。当负的预处理电压变得更大时，可以获得电容变化率大大改变的特性。即，可以通过包括0V的负的预处理电压的大小来改变电容变化的梯度(斜率)θ和电容的变化量ΔC。
图13是示出了通过以下方式而获得的电容变化的绝对值的变化的图：通过使用0V时的电容作为基准来相对地改变负的预处理电压。可以发现，当所测量的直流偏置电压的极性改变时，电容增加或减小的极性(电容的向上倾斜和向下倾斜的变化)相对于电压而反转。
图14示出了由负的预处理电压导致的电容的直流偏置依赖性的概略图。图14是示意图，其示出了由从图12和图13获得的预处理电压导致的电容变化，尤其是作为直观特性变化的、根据与相应的负的预处理电压和预处理之后的直流偏置电压相对应的电容的电容变化。在未施加负的预处理电压的0V时向上向左的变化梯度的情况下，根据电容的直流偏置特性的变化量及其变化梯度最大。随着施加了负的预处理电压，电容的变化量和梯度变得更小，并且在V＝-Vc时电容变为最小且电容变化为零。当电压超过-Vc时，可以发现，电容随着电容的增大/减小变化的极性的改变而开始变化和增加。
根据本实施例的可变电容器可以被配置成通过控制电压(直流偏置电压)并通过以下方式来任意控制电容变化的梯度θ和电容值的变化量ΔC′：使用图12到图14中所示的特性，并通过极化处理来选择极化电压的大小，由此可以获得希望的极化率。例如，在已经对铁电体材料层进行了分极处理的可变电容器中，施加具有与由于分极处理而导致的极化方向相反的极性的电压，以执行具有希望的极化率的再极化处理。根据本实施例的可变电容器可以被配置成通过控制电压并根据再极化处理中所施加的电压的大小来任意控制电容变化的梯度θ和电容值的变化量ΔC′。
根据本发明的实施例的可变电容器可以应用到与各种应用如稍后将描述的电源电路相对应的电子装置。因此，在本发明的实施例中可以配置包括具有以上特性的可变电容器的电子装置。
根据本发明的实施例的可变电容器可以应用到通信移动装置，如IC卡和蜂窝电话。因此，在本发明中可以配置包括具有以上特性的可变电容器的移动装置。尤其是，本发明可以应用到用于选择移动装置中的天线通信的无线电频率的调谐电路中的电容器。在这种情况下，优选的是包括如下的可变电容器：在该可变电容器中，通过在借助于使用0V作为中心而覆盖正电压和负电压的范围内对控制电压进行控制来线性地改变电容。
根据本实施例的通信移动装置，应用包括如下的可变电容器的配置：能够通过例如在借助于使用0V作为中心而覆盖正电压和负电压的范围内对控制电压进行控制来改变电容的可变电容器；从而增加了电容的可变范围以及避免了甚至在未施加电压时移动装置的中心频率的移动。当在装置中通过使用相关技术中的在从0V到正侧(例如5V)的范围内改变电容的可变电容器来调节频率时，需要将中心频率设置在中心的2.5V处，并需要将要为负的频率设置在0V以及将要为正的频率设置在5V。在该装置中，在未施加电压时中心频率移动。例如，当IC卡从无电压未被使用的状态开始被使用时，频率从移动的频率的状态开始。在本实施例中包括的可变电容器是便利的，这是因为该电容器可以在通过使用0V作为中心而覆盖正电压和负电压的范围内改变电容，因此即使在未施加电压时，中心频率也可以被设置在0V。根据本实施例的电容器适于应用到通信移动装置，如蜂窝电话和IC卡。
图15示出了根据本发明的实施例的作为电子装置的示例的电源电路，即，电源装置。
根据该实施例的电源装置是串联调节器电源装置。根据该实施例的电源装置被配置成在交流电路51中的电源变压器53的次级侧具有包括根据本发明的可变电容器的稳定器54(图16中的压控可变电容器211)。
首先将对压控可变电容器211的配置进行说明。例如，在该压控可变电容器211中，四个可变电容器32(C1)、33(C2)、34(C3)和35(C4)如图16中所示的那样被桥接。压控可变电容器211包括：在一侧的彼此相对的相应的连接端引出的交流输入端子36和交流连接端子37，以及在另一侧的彼此相对的相应的连接端引出的正(+)控制端子38和负(-)控制端子39。
将对压控可变电容器211的操作进行说明。当交流输入电压被施加到交流输入端子36上时，在可变电容器32到35的相应电极之间产生电场，并且在交流输出端子37处输出由通过电场产生的电位而导致的交流输出。另一方面，分别通过电阻器R，直流控制信号的正电位被提供给控制端子38，而控制信号的负电位被提供给控制端子39。当提供正电位控制信号和负电位控制信号时，各可变电容器32到35的电容改变，并且压控可变电容器211的电容总体上改变。根据变化的电容和交流输入电位来控制从交流输出端子37输出的交流输出电位。压控可变电容器211具有操作系统，其中，在控制端子38、39之间提供的正电位控制信号和负电位控制信号的绝对值相同，而极性相反。因此，在交流输入/输出端子36、37处产生的控制信号的电压分量被抵消，并且在该处电位恒定为零。因此，可以消除交流输入和交流输出对信号的影响。
在以上电源装置中，交流100V的商业电源52连接在电源变压器53的初级线圈的两端之间作为交流电源。
电源变压器53被配置成将商业电源52减小到约交流9V。电源变压器53的次级线圈的一端通过稳定器54连接到直流电路55中的包括二极管桥的整流电路56的一个输入端子，而次级线圈的另一端连接到整流电路56的另一输入端子。即，在稳定器54中，交流输入端子36连接在电源变压器53的次级线圈的一端，而交流输出端子37连接到整流电路56的一个输入端子。
稳定器54的控制信号输入端子(+)38连接到包括误差放大器的差分放大器电路58的非反转输出端子。稳定器54的控制信号输入端子(-)39连接到差分放大器电路58的反转输出端子。在该示例中，差分系统中的具有相同绝对值和不同极性的控制信号被从差分放大器电路58的非反转输出端子和反转输出端子提供给稳定器54的控制信号输入端子(+)38和控制信号输入端子(-)39。
平滑电容器C连接在整流电路56的一个输出端子和另一输出端子之间。
通过整流电路56和平滑电容器C平滑的直流电压VUNREG通过具有三个端子的8V的恒压电路(调节器)57而被提供到直流电压的一个输出端子和另一个输出端子59。平滑电容器C连接在一个输出端子和另一个输出端子59之间。
在该示例中，在整流电路56的输出侧获得的平滑的直流电压VUNREG被提供到包括误差放大器的差分放大器电路58的一个输入端子。同时，差分放大器电路58的另一输入端子通过例如9V的基准电压的电池接地。
在根据本实施例的电源装置中，通过差分放大器电路58对在整流电路56的输出侧获得的平滑的直流电压VUNREG与基准电压进行比较。比较结果被通过能够利用单个电源来操作的差分放大器电路58来进行差分放大，并被反馈给稳定器54的控制信号输入端子(+)和控制信号输入端子(-)。
在整流电路56的输出侧获得的平滑的直流电压VUNREG通过稳定器54而被控制为稳定的基准电压9V。
这里，三端子恒压电路57中的电力损失由公式1来表示。
公式1
(VUNREG-8)V×IL
当不提供稳定器54时，整流后的输出电压VUNREG在9V＜VUNREG＜16V的范围内变化。通过提供稳定器54，整流后的输出电压VUNREG被集中到9V＜VUNREG＜9.4V的范围内。
因此，损耗改善量由公式2表示。
公式2
(16-9.4)V×IL(IL＝0.26A)
也就是说，当相关技术的电源装置不具有根据本实施例的稳定器54时，在交流100V被输入时，电源变压器53的输出电压在整流后的输出电压VUNREG时为16VIL＝0.26A。在这种情况下，必须考虑设计余量，因此，由公式3示出的电力损失PW在三端子恒压电路57中的最大额定值处发生。
公式3
(16-8)V×0.26A＝2.08W
另一方面，在该实施例中，整流电路56的输出侧通过稳定器54而被控制到9.0V，因此，在考虑设计余量的情况下通过公式4来表示电力损失PW。
公式4
(9.4-8)V×0.26A＝0.364W
如上所述，根据本实施例的电源装置，可以实现约1.7W的显著的能量节省。
Claims (11)
1.一种可变电容器，包括：
电极对，被形成为使得将铁电体材料层夹在中间，
其中，已对所述铁电体材料层执行了比由于电场导致的极化的迟滞特性中的矫顽电场更高的极化处理，并且电容根据施加到所述电极的控制电压而变化，
其中，通过使用在控制电压0V时的电容作为中心，电容根据要在比极化的迟滞特性中的矫顽电场更低的范围之内施加的所述控制电压而线性地变化。
2.根据权利要求1所述的可变电容器，
其中，已被执行了极化处理的铁电体材料层的极化状态为不饱和状态。
3.根据权利要求1所述的可变电容器，
其中，在正侧、负侧、或覆盖正侧和负侧的范围内控制要施加的所述控制电压。
4.根据权利要求3所述的可变电容器，
其中，在通过使用0V作为中心的±ΔV的范围内控制要施加的所述控制电压。
5.根据权利要求1所述的可变电容器，
其中，使用单极性电源，并对要施加的所述控制电压的正/负极性进行切换以改变电容。
6.根据权利要求1所述的可变电容器，
其中，在从与其中极化被减小的去极化电场相对应的电压到与极化反转饱和电场相对应的电压的范围内重置电容，并且重写电容，以根据重写时的电压的大小来控制电容值的变化量。
7.根据权利要求1所述的可变电容器，
其中，根据在极化处理中所施加的电压的大小来控制由于控制电压导致的电容的变化梯度和变化量。
8.一种包括电极对的可变电容器的控制方法，该电极对被形成为使得将铁电体材料层夹在中间，其中已对所述铁电体材料层执行了比极化的迟滞特性中的矫顽电场更高的极化处理，该方法包括以下步骤：
在通过使用0V作为中心的±ΔV范围内对施加到所述电极的控制电压进行控制，以控制电容被改变，其中，通过使用在控制电压0V时的电容作为中心，电容根据要在比极化的迟滞特性中的矫顽电场更低的范围之内施加的所述控制电压而线性地变化。
9.一种包括电极对的可变电容器的控制方法，该电极对被形成为使得将铁电体材料层夹在中间，并且已对所述铁电体材料层执行了比极化的迟滞特性中的矫顽电场更高的极化处理，该方法包括以下步骤：
通过使用单极性电源对要施加到所述电极的控制电压的正/负极性进行切换以改变电容，
其中，通过使用在控制电压0V时的电容作为中心，电容根据要在比极化的迟滞特性中的矫顽电场更低的范围之内施加的所述控制电压而线性地变化。
10.一种电子装置，包括：
可变电容器，所述可变电容器包括：
电极对，被形成为使得将铁电体材料层夹在中间，
其中，已对所述铁电体材料层执行了比极化的迟滞特性中的矫顽电场更高的极化处理，并且电容根据施加到所述电极的控制电压而变化，
其中，通过使用在控制电压0V时的电容作为中心，电容根据要在比极化的迟滞特性中的矫顽电场更低的范围之内施加的所述控制电压而线性地变化。
11.一种通信移动装置，包括：
可变电容器，所述可变电容器包括：
电极对，被形成为使得将铁电体材料层夹在中间，
其中，已对所述铁电体材料层执行了比极化的迟滞特性中的矫顽电场更高的极化处理，并且电容根据施加到所述电极的控制电压而变化，
其中，通过使用在控制电压0V时的电容作为中心，电容根据要在比极化的迟滞特性中的矫顽电场更低的范围之内施加的所述控制电压而线性地变化。
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