JP3168119B2 - 静電容量式加速度センサ - Google Patents
静電容量式加速度センサInfo
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Description
る機器に使用される加速度センサであって、半導体で製
造された静電容量式加速度センサに関し、特に水平の加
速度検出方向に対して出力精度を向上させるとともに作
業性を向上させた静電容量式加速度センサに関するもの
である。
可動電極を介在させて機械的振動を測定する静電容量式
加速度センサはよく知られており、特開平1−1523
69号公報または特開平4−152269号公報等に参
照することができる。この種の静電容量式加速度センサ
は、たとえば自動車に搭載され、もっぱら水平方向の加
速度検出に用いられている。
369号公報に記載された従来の静電容量式加速度セン
サのセンサ部を示し、図8はパッケージの気密封止後の
側面断面図、図9はパッケージの気密封止後の平面断面
図、図10は加速度検出方向を水平方向に設定した状態
を示す部分側面断面図である。図8は図9内のD−D線
による断面図であり、図9は図8内のE−E線による断
面図である。
るベースであり、外周部に形成された溶接部1aと、リ
ード端子(後述する)を導出するために形成された貫通
穴1bとを有している。2はベース1と組み合わされて
ハーメチックシールを構成する金属等からなるキャップ
であり、ベース1と対向する外周部につば形状の溶接部
2aが形成されている。ベース1およびキャップ2はパ
ッケージを構成しており、ベース1上には、以下の要素
3〜6からなるセンサエレメントが配置されている。
電極であり、可動電極3の支点となる支持部3aと、可
動電極3の弾性部となるカンチレバー3bとを一体に有
している。支持部3aは、上面に蒸着された電極を有す
るとともに、可動電極3の周辺を取り囲むように支持し
ており、可動電極3のスペーサとしても機能する。ま
た、カンチレバー3bは、シリコン板を両面からエッチ
ングすることによって薄く形成されており、可動電極3
と支持部3aとを一体に連設し、支持部3aを支点とし
て可動電極3を揺動可能に支持している。
る絶縁膜たとえば熱酸化膜、5は熱酸化膜4を介して支
持部3aを挟持した一対の絶縁板たとえばガラス板、6
は各ガラス板5の可動電極3との対向面に固着された板
状の固定電極6である。固定電極6と可動電極3との間
には空隙が形成されている。
に機械的に接合するための接着剤、8はベース1の貫通
穴1bを介して外部に導出されたリード端子、9はリー
ド端子8の外周と貫通穴1bとの間を封止するように充
填された絶縁材たとえば硬質ガラス、10はリード端子
8にワイヤボンディングされた金線またはアルミニュウ
ム線等からなるワイヤ、11はワイヤ10を介してリー
ド端子8と導通されたリード取出し電極である。リード
取出し電極11は、支持部3a上に配設されている。
11により構成されるセンサ部である。また、図8およ
び図10において、αは加速度検出方向、Gは重力方向
である。したがって、図8は垂直方向の加速度を検出す
る場合を示し、図10は水平方向の加速度を検出する場
合を示す。
号公報に記載された従来の加速度センサを示す側面断面
図であり、12、Gおよびαは前述と同様のものであ
る。図11において、20はセンサ部12が組み込まれ
た加速度センサを取付けるためのボルトであり、ここで
は、加速度検出方向αを水平に設定するために、センサ
エレメント(図8〜図10参照)の長手方向が重力方向
Gに一致するように位置決めされた場合を示している。
グ、22はハウジング21に一体的にインサート成形さ
れて一端がハウジング21の端面から突出したターミナ
ル、23は出力電圧を外部へ引き出すためにターミナル
22にワイヤボンディングされた金線またはアルミニュ
ウム線等からなるワイヤ、24はワイヤ23を介してタ
ーミナル22と導通された入出力電極を有するプリント
基板、25はプリント基板24に搭載されてセンサ部1
2の出力信号を増幅処理する専用電子集積回路である。
プリント基板24は、センサ部12および専用電子集積
回路25等を搭載して、ターミナル22に電気的に接続
するとともに機械的に保持している。
の間に介在された電気的絶縁用のプレート、27はプリ
ント基板24上を覆うように装着された金属等からなる
カバー、28はカバー27をハウジング21に固定する
ための接着剤である。カバー27は、プリント基板24
上のセンサ部12および専用電子集積回路25を機械的
に保持するとともに、ハウジング21との間に封入され
た内部部品を保護している。
在された補強用のブッシュ、30はボルト20を介して
加速度センサが固定される加速度検出の対象物体の取付
け面である。
の静電容量式加速度センサの動作について説明する。ま
ず、製造工程において、シリコン板を両面からエッチン
グして、支持部3aおよびカンチレバー3bと一体に連
設された可動電極3を形成する。続いて、可動電極3
を、熱酸化膜4等を介して一対のガラス板5で挟持し、
各ガラス板5上の固定電極6と可動電極3との間に空隙
を設定する。
によって弾性的に支持された可動電極3と、ガラス板5
上の固定電極6との間には空隙が形成される。このセン
サ部12は、ベース1上に接着剤8を介して機械的に接
合されている。このとき、加速度を検出する可動電極3
は、ベース1の取付面に対して同方向に配置されてお
り、ベース1の取付面に垂直な加速度検出方向αに掛か
る加速度のみを検出するようになっている。
印加される加速度の大きさに応じて、固定電極6との空
隙間で変位し、可動電極3と固定電極6との間の静電容
量が可動電極3の変位量に応じて変化する。この静電容
量の変化量は、たとえば自動車の水平方向の加速度に対
応している。
電容量変化を示す電気信号は、プリント基板24上の専
用電子集積回路25により増幅処理され、ターミナル2
2を介して外部に出力される。
度センサは以上のように、加速度を検出する可動電極3
がベース1の取付面と同方向に配置され、一対の固定電
極6の一方のみがベース1側に配置されている。したが
って、可動電極3と一方の固定電極6との間の静電容量
値のみが、センサ部12を保持するハウジング21や周
辺部材から生ずる寄生容量の影響を受けるため、可動電
極3と他方の固定電極6との間の静電容量値と異なって
しまい、2つの空隙間の静電容量値のバランスがくずれ
て加速度検出精度を悪化させるという問題点があった。
して垂直方向に印加される加速度を検出しているので、
図10のように地表に対して水平方向の加速度を検出し
ようとした場合に、センサ部12を収納するハウジング
21等の構成上の制約から、センサ部12を加速度検出
方向αに対して垂直な取付面に固定し、センサ部12の
加速度検出方向αを水平方向に設定する必要がある。
に対して垂直方向に取付る必要があるため、ハウジング
21内においてセンサ部12をハウジング21の取付面
に対して垂直な面に取付ける必要があり、ハウジング2
1内の配置構成に関して部品点数が増えて複雑となり、
組付誤差を生じ安く加速度の検出精度を悪化するという
問題点があった。また、ハウジング21内での構成部品
及び組付作業が複雑となるので、高価になってしまい、
コストダウンを実現することができないという問題点が
あった。
取付面に対して垂直方向の加速度を検出できるようにセ
ンサ部12を配置し、地表に対して水平方向の加速度を
検出しようとした場合、加速度を検出する物体の取付面
30は地表に対して垂直面となる。このとき、加速度セ
ンサも垂直の取付面30に取付ける必要があり、たとえ
ば、自動車の製造ラインにおいて加速度センサを取付る
際に、垂直面を車体内に準備構成する必要があるが、車
体の製造過程における板金プレス加工においては、プレ
ス金型の抜き勾配の関係上、高精度の垂直面を構成する
ことは難しいという問題点があった。
方向の加速度を検出しようとした場合、地表に対して垂
直で且つ加速度検出方向αに対して垂直な車体面に加速
度センサを装着する必要があるため、車体内の加速度セ
ンサ装着レイアウトに制限が設けられるうえ、加速度セ
ンサの装着作業工程が側面方向になるなど、装着性が複
雑となり作業性が悪く、組付作業費用が上昇するという
問題点があった。
るためになされたもので、作業性の向上によりコストダ
ウンを実現するとともに、寄生容量に対して影響を受け
にくく精度の高い静電容量式加速度センサを得ることを
目的とする。
る静電容量式加速度センサは、加速度に応じて変位する
可動電極と、可動電極に対して所定の間隙を介して対向
配置された固定電極と、可動電極および固定電極を電気
的に接続し且つ機械的に保持するための基板とを備え、
可動電極と固定電極との間の静電容量変化により加速度
を検出する静電容量式加速度センサであって、基板上に
立設されて固定電極に導通された電極板と、基板上に立
設されて外部に導出されたリード端子とを設け、可動電
極の長手方向が基板の平面方向に対して垂直となるよう
に、可動電極および固定電極を基板上に立設し、加速度
の検出方向と基板の平面方向とを一致させ、可動電極お
よび電極板とリード端子とをワイヤボンディングしたも
のである。
式加速度センサは、請求項1において、基板の上面から
可動電極および固定電極の基板側の先端部までの長さ
を、可動電極の長手方向の長さとほぼ等しく設定したも
のである。
動電極を基板面に対して垂直に構成し、加速度検出方向
を基板の平面方向と一致させることにより、寄生容量に
対して受ける影響を相殺して精度を向上させる。また、
要求頻度の多い水平方向の加速度検出に対して組付作業
を簡略化し、コストダウンを実現する。
動電極および固定電極の基板側端面と基板との距離を長
くすることにより、固定電極の基板側端面と基板との間
で生ずる静電容量値を、可動電極と固定電極との間の静
電容量値に対して十分大きくし、寄生容量の変動に対す
る影響を受けにくくする。これにより、周辺部材から生
ずる寄生容量の影響をさらに抑制して加速度検出の出力
精度をさらに向上させる。
サを図について説明する。図1はこの発明の実施例1に
よる静電容量式加速度センサのセンサ部を示す側面断面
図、図2は図1内のB−B線による平面断面図であり、
1〜10、12、Gおよびαは前述と同様のものであ
る。なお、図1は図2内のA−A線による側面断面図で
ある。
て電極として機能する半導体たとえば単結晶のシリコン
板、31aはシリコン板31上に形成されたリード取出
し電極である。この場合、固定電極6がガラス板5の内
面から外面に貫通してシリコン板31に導通されてお
り、ガラス板5が絶縁膜として機能するため、熱酸化膜
4(図8参照)は不要となる。
支持部3a上には電極が形成されており、リード取出し
電極31aおよび支持部3a上の電極は、ワイヤ10を
介してリード端子8に導通されているものとする。さら
に、可動電極3の長手方向は、ガラス板5およびシリコ
ン板31とともにベース1の面上に立設されており、加
速度検出方向αはベース1の平面方向と一致している。
1による静電容量式加速度センサの基本的動作について
は、前述と同様なのでここでは説明を省略する。この場
合、センサエレメント3〜6は、可動電極3の揺動方向
がベース1の取付面と同方向となるように、ベース1上
に立設された状態で搭載されていることのみが従来例と
異なる。
するセンサ部12の可動電極3は、ベース1に対して電
気的且つ機械的に接続され、その加速度検出方向αが水
平方向と一致するように、ベース1に対して垂直に支持
されている。
図2に示した静電容量式加速度センサのハウジング内の
実装構造について説明する。図3において、3、12、
21、22、24、25、27、28および30は前述
と同様のものである。
出すために、ハウジング21に一体的にインサート成形
されている。また、プリント基板24は、センサ部12
を電気的に接続し且つ機械的に保持するとともに、セン
サ部12の出力を増幅信号処理する専用電子集積回路2
5を搭載している。
コネクタである。42はハウジング21の内面に配設さ
れたシールドカバーであり、センサ部12や専用電子集
積回路25等を覆い、これらを電波ノイズから保護する
シールド部材として機能する。43はターミナル22と
シールドカバー42との間に配設されたコンデンサであ
る。シールドカバー42は、コンデンサ43の外筒に半
田付けされ且つバイパス線(図示せず)を介してターミ
ナル22のアース線と接続されている。
れた部品を保護し且つハウジング21を封止するため、
接着剤28によりハウジング21と一体に接着されてい
る。このように構成された静電容量式加速度センサは、
図3のように、加速度を検出する物体の取付け面30に
取付けられる。
センサ部12の可動電極3を、取付け面30に対して垂
直に構成したことにより、寄生容量に対して受ける影響
は、軽減される。すなわち、可動電極3の両側の2つの
空隙間の静電容量値に対して同様に影響を受けることに
より、寄生容量の影響を打ち消すことができ、バランス
が保たれる結果、最終的には寄生容量の影響を受けにく
くなる。
出する場合、水平面にハウジング21の取付けフランジ
部(図示せず)をボルト等により装着することにより、
水平方向αの加速度を検出することができる。このと
き、組付作業が容易であるため、組付作業費用を軽減す
ることができ、車体内において比較的容易に且つ高精度
に構成される水平面に対する加速度センサの装着レイア
ウトが可能となる。
に、プリント基板24を収納するハウジング21の取付
面に対し、上から順番に取付けることができるので、ハ
ウジング21内の部品点数を削減することができる。ま
た、センサ部12を収納したハウジング21を地表に対
して水平面に取付けることにより、ハウジング21の取
付面に対してプリント基板24を垂直に配置する必要が
なく、さらに小形化、組付精度の向上、部品点数の削減
および製作コストの低減が実現可能となる。すなわち、
ハウジング21の車体への取付作業が簡単となり、取付
コストの低減が実現する。
ント基板24上にセンサ部12および専用電子集積回路
25を実装したが、セラミック基板等の上にセンサ部1
2および専用電子集積回路25の回路素子を直接実装し
て小形化を実現してもよい。以下、図4および図5を参
照しながら、さらに小形化を実現したこの発明の実施例
2による静電容量式加速度センサについて説明する。
面図、図5は図4におけるC−C線側面断面図であり、
図において、3、5、7、8、10、12、22、2
5、31および31aは前述と同様のものである。35
は絶縁性および強度に富み且つ放熱性の高いたとえばセ
ラミック基板であり、回路装置を直接装着してハーメチ
ックシールを小形に構成するのに適している。セラミッ
ク基板35の上には、センサエレメントが載置されてい
る。
リコン板を両面からエッチングして形成されて可動電極
3と一体に連設され、支持部3aは、ガラス板5等を介
して一対の単結晶シリコン板31により挟持されてい
る。一対のガラス板5のそれぞれは、支持部3aとの対
向部分に板状の固定電極6を固着している。
れた可動電極3と固定電極6との間には空隙が形成され
ている。接着剤7は、センサエレメントをベース1に機
械的に接合している。ワイヤ10は、センサエレメント
のリード取出し用の電極31aとリード端子8とをワイ
ヤボンディングした金線またはアルミニュウム線等から
なる。
は、専用電子集積回路25に導入されている。ターミナ
ル22は、3本の電線(電源線、信号出力線、アース
線)で構成され、専用電子集積回路25により増幅処理
されたセンサ信号を外部に導出している。
よび図5を参照しながら、この発明の実施例2による静
電容量式加速度センサの具体的ハウジング内の実装構造
について説明する。図6において、3、12、21、2
2、25、27、28、30、35、39、42および
43は前述の同様のものである。
との取付け面、24Aはハウジング21に一体的にイン
サート成形されたターミナル22を電気的に接続するプ
リント基板、48はセラミック基板35を含むセンサ部
12を取付け面21aに接合する接着剤である。
装することにより、キャップ2(図1参照)等が不要と
なり、ハーメチックシール構造を損なうことなく、小形
化を実現することができる。
るセンサエレメントの長さについて考慮しなかったが、
センサエレメントの基板側から可動電極3および固定電
極6の先端部までの長さを、たとえば可動電極3の長さ
と同じ程度に十分長く設定することにより、寄生容量の
影響をさらに低減してもよい。
センサエレメントの基板側から可動電極3および固定電
極6の先端部までの長さを大きく設定したこの発明の実
施例3について説明する。図7において、5aおよび3
1bは、ガラス板5およびシリコン板31にそれぞれ対
応しており、3、6、7、10、31、31aおよび3
5は前述と同様のものである。
動電極3に対向する可動電極対向端部、6aは固定電極
6のセラミック基板35側の端面である。この場合、ガ
ラス板5aおよびシリコン板31bは、可動電極3の長
手方向長さLの2倍2L程度に構成され、セラミック基
板35の上面から可動電極3および固定電極6の先端部
までの長さがLとなっている。
のセラミック基板35側の端面6aとセラミック基板3
5との距離Lを長く設定することにより、センサエレメ
ント内の固定電極6の端面6aとセラミック基板35と
の間で生ずる静電容量値を、可動電極3と固定電極6と
の間に構成された静電容量値に対して十分大きくするこ
とができる。
を受けにくくすることができ、さらに高精度化を実現す
ることができる。また、前述と同様に、地表に対し水平
方向αの加速度を検出する場合、水平面にハウジングの
取付けフランジ部(図示せず)をボルト等により装着す
ることにより、水平方向αの加速度を検出することがで
きる。この場合も、組付作業が容易となり、組付作業費
用を軽減することができ、車体内において比較的容易に
且つ高精度に構成される水平面での加速度センサ装着レ
イアウトが可能となる。
ック基板35の平面方向)αの加速度を検出する場合、
地表に対して垂直面を準備構成する必要がないので、水
平面への装着が可能で且つ組付作業が容易となる。した
がって、車体内において比較的容易に且つ高精度に構成
される水平面での加速度センサ装着レイアウトが可能と
なり、また、組付誤差が生じることはない。
ば、加速度に応じて変位する可動電極と、可動電極に対
して所定の間隙を介して対向配置された固定電極と、可
動電極および固定電極を電気的に接続し且つ機械的に保
持するための基板とを備え、可動電極と固定電極との間
の静電容量変化により加速度を検出する静電容量式加速
度センサであって、基板上に立設されて固定電極に導通
された電極板と、基板上に立設されて外部に導出された
リード端子とを設け、可動電極の長手方向が基板の平面
方向に対して垂直となるように、可動電極および固定電
極を基板上に立設し、加速度の検出方向と基板の平面方
向とを一致させ、可動電極および電極板とリード端子と
をワイヤボンディングすることにより、寄生容量に対し
て受ける影響を相殺して加速度検出精度を向上させると
ともに、要求頻度の多い水平方向の加速度検出に対して
組付作業を簡略化したので、作業性の向上によりコスト
ダウンを実現するとともに、寄生容量に対して影響を受
けにくく精度の高い静電容量式加速度センサが得られる
効果がある。
項1において、基板の上面から可動電極および固定電極
の基板側の先端部までの長さを、可動電極の長手方向の
長さとほぼ等しく設定し、可動電極および固定電極の基
板側端面と基板との距離を長くすることにより、固定電
極の基板側端面と基板との間で生ずる静電容量値を、可
動電極と固定電極との間の静電容量値に対して十分大き
くしたので、寄生容量の変動に対する影響を受けにくく
なり、周辺部材から生ずる寄生容量の影響をさらに抑制
して加速度検出の出力精度をさらに向上させた静電容量
式加速度センサが得られる効果がある。
る静電容量式加速度センサを示す側面断面図であり、図
2内のA−A線による断面を示す。
センサを示す平面断面図であり、図1内のB−B線によ
る断面を示す。
センサのアセンブリ実装状態を示す側面断面図である。
センサを上面から見た状態を示す平面図である。
センサを示す側面断面図であり、図4内のC−C線によ
る断面を示す。
センサのアセンブリ実装状態を示す側面断面図である。
る静電容量式加速度センサを示す側面断面図である。
面図であり、図9内のD−D線側面断面図である。
面図であり、図8内のE−E線による断面を示す。
を一部断面図で示す側面図である。
リ実装状態を示す側面断面図である。
電極の端面、12 センサ部、21 ハウジング、24
プリント基板、30 取付面、35 セラミック基
板、α 加速度検出方向、L 可動電極の長手方向の長
さ。
Claims (2)
- 【請求項1】 加速度に応じて変位する可動電極と、 前記可動電極に対して所定の間隙を介して対向配置され
た固定電極と、 前記可動電極および前記固定電極を電気的に接続し且つ
機械的に保持するための基板とを備え、 前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量変化によ
り加速度を検出する静電容量式加速度センサにおいて、前記基板上に立設されて前記固定電極に導通された電極
板と、 前記基板上に立設されて外部に導出されたリード端子と
を設け、 前記可動電極の長手方向が前記基板の平面方向に対して
垂直となるように、前記可動電極および前記固定電極を
前記基板上に立設し、 前記加速度の検出方向と前記基板の平面方向とを一致さ
せ、 前記可動電極および前記電極板と前記リード端子とをワ
イヤボンディングした ことを特徴とする静電容量式加速
度センサ。 - 【請求項2】 前記基板の上面から前記可動電極および
前記固定電極の基板側の先端部までの長さを、前記可動
電極の長手方向の長さとほぼ等しく設定したことを特徴
とする請求項1の静電容量式加速度センサ。
Priority Applications (1)
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JP17128194A JP3168119B2 (ja) | 1994-07-22 | 1994-07-22 | 静電容量式加速度センサ |
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JP17128194A JP3168119B2 (ja) | 1994-07-22 | 1994-07-22 | 静電容量式加速度センサ |
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- 1994-07-22 JP JP17128194A patent/JP3168119B2/ja not_active Expired - Lifetime
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