JP7390814B2 - Capacitive sensor, diaphragm vacuum gauge, and capacitive sensor manufacturing method - Google Patents

Capacitive sensor, diaphragm vacuum gauge, and capacitive sensor manufacturing method Download PDF

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Description

本発明は、被計測対象の物理量を静電容量に変換し、物理量の検出を行う静電容量型センサおよび隔膜真空計並びに静電容量型センサの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a capacitive sensor, a diaphragm vacuum gauge, and a method for manufacturing a capacitive sensor that detects a physical quantity by converting a physical quantity of an object to be measured into a capacitance.

従来より、静電容量(キャパシタンス)の変化を利用して、物理量の検出および計測を行う静電容量型センサがある。静電容量型センサは、たとえば、圧力センサなどに利用される。静電容量型センサが圧力センサとなって、隔膜真空計などに利用される場合、センサ素子は、可動電極を有するセンサダイアフラム(隔膜)を有し、物理量の大きさに基づくセンサダイアフラムの変位を信号に変換することを検出原理とする。センサダイアフラムは、被計測媒体の圧力を受けて撓み、位置が変位する。センサダイアフラムは、受ける圧力に応じて撓む。圧力センサは、センサダイアフラムに対向し、可動電極と対になって電極部を構成する固定電極を有している。圧力によるセンサダイアフラムの変位により、電極間距離が変位することで、電極における静電容量が変化する。このため、静電容量から被計測媒体の圧力を検出することができる。このような圧力センサは、ガス種依存性が少ないことから、半導体設備を始め、工業用途において使用されることが多い。 2. Description of the Related Art Conventionally, there are capacitive sensors that detect and measure physical quantities by utilizing changes in capacitance. Capacitive sensors are used, for example, as pressure sensors. When a capacitive sensor becomes a pressure sensor and is used in a diaphragm vacuum gauge, the sensor element has a sensor diaphragm (diaphragm) with a movable electrode, and the displacement of the sensor diaphragm based on the size of a physical quantity is measured. The detection principle is to convert it into a signal. The sensor diaphragm bends and changes its position under the pressure of the medium to be measured. The sensor diaphragm deflects in response to the pressure it is subjected to. The pressure sensor has a fixed electrode that faces the sensor diaphragm and forms an electrode portion in pair with a movable electrode. The distance between the electrodes changes due to the displacement of the sensor diaphragm due to pressure, which changes the capacitance at the electrodes. Therefore, the pressure of the medium to be measured can be detected from the capacitance. Such pressure sensors are often used in industrial applications including semiconductor equipment because they have little dependence on gas type.

ここで、静電容量型センサのセンサ素子において、物理量である圧力を検出するための検出側電極部と参照側電極部とを有し、2つの電極部における静電容量に基づく電位差により、検出精度を高める静電容量型センサがある(たとえば、特許文献1参照)。 Here, the sensor element of the capacitance type sensor has a detection side electrode part and a reference side electrode part for detecting pressure, which is a physical quantity, and detects it by a potential difference based on the capacitance between the two electrode parts. There is a capacitive sensor that improves accuracy (for example, see Patent Document 1).

特開2005-351744号公報Japanese Patent Application Publication No. 2005-351744

そして、圧力の検出をするときには、センサ素子に、正弦波(たとえば、センサ駆動周波数f、振幅A)の交流電圧を、信号として印加する。センサ素子を流れる電流は、電荷増幅回路によって増幅され、物理量の大きさに対応した信号となる。この信号は、検波回路により検波(整流)される。検波された信号は、さらに、ローパスフィルタで平滑され、直流信号が得られる。直流信号は、たとえば、AD変換器によってデジタル信号に変換される。 When detecting pressure, a sinusoidal AC voltage (for example, sensor drive frequency f, amplitude A) is applied as a signal to the sensor element. The current flowing through the sensor element is amplified by a charge amplification circuit and becomes a signal corresponding to the magnitude of the physical quantity. This signal is detected (rectified) by a detection circuit. The detected signal is further smoothed by a low-pass filter to obtain a DC signal. The DC signal is converted into a digital signal by, for example, an AD converter.

ここで、AD変換器には、信号として入力可能な電圧範囲がある。そこで、電圧範囲を超えないように、信号の増幅率であるゲインが設定される。このとき、センサ素子などにおいて生じるばらつきを考慮してゲインを設定する必要がある。たとえば、静電容量型センサのセンサ素子において、製造において生じる製造ばらつきなどの関係で、検出側電極部と参照側電極部との間には、容量のばらつきが生じる。ばらつきが大きいと、電圧範囲を超える可能性がある。たとえば、信号が電圧範囲を超えることがないようにすると、ゲインを小さく設定せざるを得なくなる。ゲインが低くなると、S/N比が低くなる。 Here, the AD converter has a voltage range that can be input as a signal. Therefore, the gain, which is the amplification factor of the signal, is set so as not to exceed the voltage range. At this time, it is necessary to set the gain in consideration of variations occurring in sensor elements and the like. For example, in a sensor element of a capacitance type sensor, variations in capacitance occur between a detection side electrode part and a reference side electrode part due to manufacturing variations that occur during manufacturing. If the variation is large, the voltage range may be exceeded. For example, to prevent the signal from exceeding the voltage range, the gain must be set small. The lower the gain, the lower the S/N ratio.

本発明は、このような課題を解決するため、信号のゲインの改善をはかることができる静電容量型センサおよび隔膜真空計並びに静電容量型センサの製造方法を提供することを目的とする。 In order to solve these problems, it is an object of the present invention to provide a capacitive sensor, a diaphragm vacuum gauge, and a method for manufacturing a capacitive sensor that can improve signal gain.

このような目的を達成するために、本発明の静電容量型センサは、計測する物理量に応じて位置が変わるセンサダイアフラムとともに変位する可動電極と、可動電極に対向して設けられた固定電極とを組にした電極部を、検出用および参照用として複数有するセンサ素子と、検出用の電極部および参照用の電極部の少なくとも一方の静電容量を調整する容量調整器とを備え、容量調整器は、物理量がゼロであるときの、検出用の電極部および参照用の電極部をそれぞれ通過した交流信号の差分が、設定した電位となるように、静電容量を調整するものである。 In order to achieve such an object, the capacitive sensor of the present invention includes a movable electrode that is displaced together with a sensor diaphragm whose position changes depending on the physical quantity to be measured, and a fixed electrode that is provided opposite to the movable electrode. A sensor element that has a plurality of electrode parts for detection and reference, and a capacitance regulator that adjusts the capacitance of at least one of the detection electrode part and the reference electrode part . The device adjusts the capacitance so that when the physical quantity is zero, the difference between the AC signals passing through the detection electrode section and the reference electrode section becomes the set potential. .

本発明によれば、容量調整器は、検出用の電極部および参照用の電極部の少なくとも一方の静電容量を調整するようにしたので、各電極部における静電容量のばらつきを吸収し、信号のゲインを大きくすることができ、S/N比を高くすることができる。 According to the present invention, the capacitance adjuster adjusts the capacitance of at least one of the detection electrode section and the reference electrode section, so that variations in capacitance in each electrode section are absorbed, The signal gain can be increased and the S/N ratio can be increased.

実施の形態1に係る静電容量型センサを有する隔膜真空計の外観を示す図である。1 is a diagram showing the appearance of a diaphragm vacuum gauge having a capacitive sensor according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係るセンサ部の要部の構成を示す図である。3 is a diagram showing a configuration of main parts of a sensor section according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係る静電容量型センサの回路部を中心とする構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration centered on a circuit section of a capacitive sensor according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態2に係るセンサ部の要部の構成を示す図である。7 is a diagram showing a configuration of main parts of a sensor section according to Embodiment 2. FIG.

以下、実施の形態に係る静電容量型センサなどについて、図面などを参照しながら説明する。各図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。また、図面では、各構成部材の大きさの関係が、実際のものとは異なる場合がある。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。特に、構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適用することができる。そして、添字で区別などしている複数の同種の機器などについて、特に区別したり、特定したりする必要がない場合には、添字などを省略して記載する場合がある。 Hereinafter, capacitive sensors and the like according to embodiments will be described with reference to drawings and the like. In each drawing, the same reference numerals are the same or equivalent, and are common throughout the entire embodiment described below. Further, in the drawings, the size relationship of each component may differ from the actual one. The forms of the constituent elements shown in the entire specification are merely examples, and are not limited to the forms described in the specification. In particular, the combinations of components are not limited to those in each embodiment, and components described in other embodiments can be applied to other embodiments. Regarding multiple devices of the same type that are distinguished by subscripts, if there is no need to distinguish or specify them, the subscripts may be omitted from the description.

実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る静電容量型センサを有する隔膜真空計の外観を示す図である。隔膜真空計1は、下部に、後述する静電容量型センサ検出部10のセンサ部100と上部に静電容量型センサ検出部10の回路部200とを有する。センサ部100は、静電容量型センサとなる静電容量型センサ検出部10のうち、実際に物理量の検出を行うセンサ部分である。また、静電容量型センサ検出部10の回路部200は、たとえば、回路基板を有し、センサ部100に送る信号の出力、センサ部100から送られる静電容量に係る信号を物理量の値(測定値)に変換などする処理を行う部分である。ここで、以下においては、特に断らない限り、静電容量型センサ検出部10は、物理量として、被計測媒体の圧力を検出するものとする。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a diagram showing the appearance of a diaphragm vacuum gauge having a capacitance type sensor according to a first embodiment. The diaphragm vacuum gauge 1 has a sensor section 100 of a capacitive sensor detecting section 10, which will be described later, at the bottom and a circuit section 200 of the capacitive sensor detecting section 10 at the top. The sensor unit 100 is a sensor portion of the capacitive sensor detection unit 10 that is a capacitive sensor that actually detects a physical quantity. Further, the circuit section 200 of the capacitive sensor detection section 10 has, for example, a circuit board, and outputs a signal sent to the sensor section 100 and outputs a signal related to capacitance sent from the sensor section 100 to a value of a physical quantity ( This is the part that performs processing such as conversion to measured values). Here, in the following, unless otherwise specified, it is assumed that the capacitive sensor detection unit 10 detects the pressure of the medium to be measured as a physical quantity.

図2は、実施の形態1に係るセンサ部の要部の構成を示す図である。実施の形態1において、センサ部100は、静電容量型のセンサ素子となるセンサチップで構成されている。センサ部100は、基台101、センサダイアフラム102、可動センサ電極(第1の電極)104、固定センサ電極(第2の電極)105、可動参照電極106および固定参照電極107を備える。実施の形態1のセンサ部100では、被計測媒体の圧力によりセンサダイアフラム102が圧され、センサダイアフラム102の位置を変化させる。センサダイアフラム102の位置により可動電極と固定電極との間の静電容量が変化する。このため、被計測媒体の圧力が静電容量に変換されることになる。 FIG. 2 is a diagram showing the configuration of main parts of the sensor section according to the first embodiment. In the first embodiment, the sensor section 100 includes a sensor chip that is a capacitance type sensor element. The sensor section 100 includes a base 101, a sensor diaphragm 102, a movable sensor electrode (first electrode) 104, a fixed sensor electrode (second electrode) 105, a movable reference electrode 106, and a fixed reference electrode 107. In the sensor section 100 of the first embodiment, the sensor diaphragm 102 is pressed by the pressure of the medium to be measured, and the position of the sensor diaphragm 102 is changed. The capacitance between the movable electrode and the fixed electrode changes depending on the position of the sensor diaphragm 102. Therefore, the pressure of the medium to be measured is converted into capacitance.

基台101は、受圧部となるセンサダイアフラム102を支える。センサダイアフラム102は、たとえば、サファイア、アルミナセラミックなどの耐熱性および耐食性を有する絶縁体の材料から構成されているものとする。ただし、これに限定するものではない。センサダイアフラム102は、平面視中央に凹部を有する基台101の支持部101aによって支持されている。センサダイアフラム102は、支持部101aの内側の可動領域102aにおいて、変位可能とされている。可動領域102aは、圧力が均等にかかって変位させるため、たとえば、平面視において、円形状になっている。容量室103は、可動領域102aにおけるセンサダイアフラム102と基台101との間の空間である。隔膜真空計1では、容量室103は、真空状態の空間である。 The base 101 supports a sensor diaphragm 102 that serves as a pressure receiving section. The sensor diaphragm 102 is made of an insulating material having heat resistance and corrosion resistance, such as sapphire or alumina ceramic. However, it is not limited to this. The sensor diaphragm 102 is supported by a support portion 101a of the base 101, which has a recessed portion at the center in a plan view. The sensor diaphragm 102 is movable in a movable region 102a inside the support portion 101a. The movable region 102a has, for example, a circular shape in a plan view because pressure is evenly applied to the movable region 102a to cause displacement. Capacity chamber 103 is a space between sensor diaphragm 102 and base 101 in movable region 102a. In the diaphragm vacuum gauge 1, the capacity chamber 103 is a space in a vacuum state.

可動センサ電極104は、容量室103の内部でセンサダイアフラム102の可動領域102aに形成されている。また、固定センサ電極105は、可動センサ電極104と、容量室103の内部で基台101の上に可動センサ電極104に対向して設置されている。実施の形態1のセンサ部100は、さらに、可動参照電極106および固定参照電極107を備える。可動参照電極106は、容量室103の内部でセンサダイアフラム102の可動領域102aにおいて可動センサ電極104の周囲(センサダイアフラム102の周縁部分)に形成されている。固定参照電極107は、容量室103の内部で固定センサ電極105の周囲の基台101の上に形成されている。可動参照電極106と固定参照電極107とは対向して設置されている。ここで、可動センサ電極104と可動参照電極106とでは、可動センサ電極104の方がよく撓むため、可動参照電極106よりも変位が大きくなる。ここで、可動センサ電極104と固定センサ電極105との組は、後述する検出用の検出側電極部108となる。また、可動参照電極106と固定参照電極107との組は、後述する参照用の参照側電極部109となる。したがって、2つのセンサ信号が出力される。 The movable sensor electrode 104 is formed in the movable region 102a of the sensor diaphragm 102 inside the capacitance chamber 103. Furthermore, the fixed sensor electrode 105 is installed on the base 101 inside the capacitance chamber 103 to face the movable sensor electrode 104 . The sensor unit 100 of the first embodiment further includes a movable reference electrode 106 and a fixed reference electrode 107. The movable reference electrode 106 is formed around the movable sensor electrode 104 (at the periphery of the sensor diaphragm 102 ) in the movable region 102 a of the sensor diaphragm 102 inside the capacitance chamber 103 . The fixed reference electrode 107 is formed on the base 101 around the fixed sensor electrode 105 inside the capacitance chamber 103 . The movable reference electrode 106 and the fixed reference electrode 107 are placed facing each other. Here, between the movable sensor electrode 104 and the movable reference electrode 106, the movable sensor electrode 104 is bent more easily, so its displacement is larger than that of the movable reference electrode 106. Here, the set of the movable sensor electrode 104 and the fixed sensor electrode 105 becomes a detection-side electrode section 108 for detection, which will be described later. Further, the set of the movable reference electrode 106 and the fixed reference electrode 107 becomes a reference-side electrode section 109 for reference, which will be described later. Therefore, two sensor signals are output.

図3は、実施の形態1に係る静電容量型センサの回路部を中心とする構成を示す図である。回路部200は、信号発生装置210、電荷増幅器220、検波回路器230、平滑器240およびAD変換器250を有する。 FIG. 3 is a diagram showing a configuration centered on the circuit section of the capacitive sensor according to the first embodiment. The circuit section 200 includes a signal generator 210, a charge amplifier 220, a detection circuit 230, a smoother 240, and an AD converter 250.

信号発生装置210は、センサ部100に、交流信号となる正弦波の交流電圧を印加する。特に、実施の形態1における信号発生装置210は、信号発生器211および容量調整器212を有する。 The signal generator 210 applies a sinusoidal AC voltage, which is an AC signal, to the sensor unit 100 . In particular, the signal generator 210 in the first embodiment includes a signal generator 211 and a capacitance adjuster 212.

信号発生器211は、専用のIC回路を備え、所定の発振周波数で発振し、正弦波の交流信号を発生させる。また、容量調整器212は、信号発生器211が発生した信号を変化させて、検出側電極部108の容量を調整する。ここでは、信号発生器211が発生した信号のうち、検出側電極部108に送られる信号に対して、直流電圧の成分を重畳する。このため、検出側電極部108には、交流信号に係る電圧に加え、直流電圧が印加される。ここで、信号発生装置210からの信号は、交流信号の成分が含まれていれば、特に限定するものではない。 The signal generator 211 includes a dedicated IC circuit, oscillates at a predetermined oscillation frequency, and generates a sinusoidal AC signal. Further, the capacitance adjuster 212 changes the signal generated by the signal generator 211 to adjust the capacitance of the detection side electrode section 108. Here, among the signals generated by the signal generator 211, a DC voltage component is superimposed on the signal sent to the detection side electrode section 108. Therefore, a DC voltage is applied to the detection side electrode section 108 in addition to the voltage related to the AC signal. Here, the signal from the signal generator 210 is not particularly limited as long as it includes an AC signal component.

電荷増幅器220は、センサ部100における静電容量に応じた増幅を行う。電荷増幅器220は、検出側増幅器221Aおよび参照側増幅器221Bの帰還部に、それぞれ検出側コンデンサ222Aおよび参照側コンデンサ222Bが配置されている。検出側増幅器221Aは、センサ部100の検出側電極部108に係る静電容量に応じて増幅した電流を検出信号として出力する。また、参照側増幅器221Bは、センサ部100の参照側電極部109に係る静電容量に応じて増幅した電流を参照信号として出力する。そして、差分増幅器223は、検出信号と参照信号との差分を増幅した差分信号を出力する。 The charge amplifier 220 performs amplification according to the capacitance in the sensor section 100. In the charge amplifier 220, a detection side capacitor 222A and a reference side capacitor 222B are arranged in the feedback sections of the detection side amplifier 221A and the reference side amplifier 221B, respectively. The detection side amplifier 221A outputs a current amplified according to the capacitance of the detection side electrode section 108 of the sensor section 100 as a detection signal. Further, the reference side amplifier 221B outputs a current amplified according to the capacitance of the reference side electrode section 109 of the sensor section 100 as a reference signal. Then, the difference amplifier 223 outputs a difference signal obtained by amplifying the difference between the detection signal and the reference signal.

ノイズ除去部260は、バンドパスフィルタ261A~バンドパスフィルタ261Cを有する。バンドパスフィルタ261A~バンドパスフィルタ261Cは、電荷増幅器220からの検出信号、参照信号および差分信号において、設定された周波数帯域の信号を通過させ、ノイズを除去するフィルタである。また、検波回路器230は、ノイズ除去部260を通過した検出信号、参照信号および差分信号を検波(整流)する。検波回路器230は、整流回路231A~整流回路231Cを有する。また、整流回路231A~整流回路231Cは、バンドパスフィルタ261A~バンドパスフィルタ261Cを通過した信号を半波整流または全波整流する。ここで、整流回路231Aは、差分信号の整流を行う。また、整流回路231Bは、検出信号の整流を行う。そして、整流回路231Cは、参照信号の整流を行う。 The noise removal section 260 includes bandpass filters 261A to 261C. The bandpass filters 261A to 261C are filters that pass signals in a set frequency band and remove noise in the detection signal, reference signal, and difference signal from the charge amplifier 220. Furthermore, the detection circuit 230 detects (rectifies) the detection signal, reference signal, and difference signal that have passed through the noise removal section 260. The detection circuit 230 includes rectifier circuits 231A to 231C. Further, the rectifier circuits 231A to 231C perform half-wave rectification or full-wave rectification of the signals that have passed through the band-pass filters 261A to 261C. Here, the rectifier circuit 231A rectifies the difference signal. Further, the rectifier circuit 231B rectifies the detection signal. Then, the rectifier circuit 231C rectifies the reference signal.

平滑器240は、ローパスフィルタ(LPF)241A~ローパスフィルタ241Cを有し、検波回路器230において検波された信号を平滑し、平均化した直流信号を、前述したAD変換器250に出力する。ここで、ローパスフィルタ241Aは、差分信号を平滑し、直流信号V1として出力する。また、ローパスフィルタ241Bは、検出信号を平滑し、直流信号V2として出力する。そして、ローパスフィルタ241Cは、参照信号を平滑し、直流信号V3として出力する。 The smoother 240 includes low-pass filters (LPF) 241A to 241C, smoothes the signal detected by the detection circuit 230, and outputs an averaged DC signal to the AD converter 250 described above. Here, the low-pass filter 241A smoothes the difference signal and outputs it as a DC signal V1. Furthermore, the low-pass filter 241B smoothes the detection signal and outputs it as a DC signal V2. Then, the low-pass filter 241C smoothes the reference signal and outputs it as a DC signal V3.

AD変換器250は、被計測媒体の圧力を検出して得られるアナログ信号である直流信号を、信号の大きさに基づく数値を表した二値データを含むデジタル信号に変換し、たとえば、コンピュータなど、外部の処理装置に出力する。ここで、特に限定するものではないが、実施の形態1のAD変換器250は、ΔΣ型AD変換器であるとする。ΔΣ型AD変換器は、入力された直流信号に対して、差分および積分による演算を行うことで、高速および高精度の変換を行うことができる変換器である。 The AD converter 250 converts a DC signal, which is an analog signal obtained by detecting the pressure of the medium to be measured, into a digital signal containing binary data representing a numerical value based on the magnitude of the signal. , output to an external processing device. Here, although not particularly limited, it is assumed that the AD converter 250 of the first embodiment is a ΔΣ type AD converter. A ΔΣ type AD converter is a converter that can perform high-speed and high-precision conversion by performing differential and integral calculations on an input DC signal.

実施の形態1の隔膜真空計1が有する静電容量型センサ検出部10は、信号発生装置210において、容量調整器212を有するものである。容量調整器212が検出側電極部108に直流電圧の成分を印加することにより、検出側電極部108の可動センサ電極104と固定センサ電極105との間にクーロン力が発生する。可動センサ電極104と固定センサ電極105との間で異符号の電荷が蓄積し、互いに引き合うクーロン力が発生することで、可動センサ電極104と固定センサ電極105との距離が変化する。実施の形態1の容量調整器212は、可動センサ電極104と固定センサ電極105との距離を変化させ、検出側電極部108の静電容量を調整する。 The capacitive sensor detection section 10 included in the diaphragm vacuum gauge 1 of the first embodiment includes a capacitance regulator 212 in a signal generator 210 . When the capacitance regulator 212 applies a DC voltage component to the detection side electrode section 108, a Coulomb force is generated between the movable sensor electrode 104 and the fixed sensor electrode 105 of the detection side electrode section 108. Charges of opposite signs are accumulated between the movable sensor electrode 104 and the fixed sensor electrode 105, and a Coulomb force that attracts each other is generated, thereby changing the distance between the movable sensor electrode 104 and the fixed sensor electrode 105. The capacitance adjuster 212 of the first embodiment changes the distance between the movable sensor electrode 104 and the fixed sensor electrode 105 to adjust the capacitance of the detection side electrode section 108.

ここで、センサ部100において、検出側電極部108における静電容量をCX[pF]とする。また、参照側電極部109における静電容量をCR[pF]とする。容量調整器212は、検出側電極部108の可動センサ電極104と固定センサ電極105との間に、互いに引き合うクーロン力を発生させる。このため、容量調整器212は、電極間距離を狭くし、静電容量が高くなる方向にしか調整することができない。そこで、センサ部100において、製造ばらつきも含め、調整前の静電容量CXと静電容量CRとが、CX<CRの関係が成立するようにしておく。さらに、電荷増幅器220において、検出側コンデンサ222Aの帰還容量をCfx[pF]とする。また、参照側コンデンサ222Bの帰還容量をCfr[pF]とする。さらに、信号の振幅をE・sin(wt)[V]とする。このとき、検出側増幅器221Aからの検出信号VX[V]は、式(1)で表される。また、参照側増幅器221Bからの参照信号VR[V]は、式(2)で表される。ここで、sin(wt)は、-1以上1以下の値となる。 Here, in the sensor section 100, the capacitance at the detection side electrode section 108 is assumed to be CX [pF]. Further, the capacitance in the reference side electrode section 109 is set as CR [pF]. The capacitance regulator 212 generates a Coulomb force that attracts each other between the movable sensor electrode 104 and the fixed sensor electrode 105 of the detection side electrode section 108. Therefore, the capacitance adjuster 212 can only adjust the distance between the electrodes in a direction that increases the capacitance. Therefore, in the sensor unit 100, the capacitance CX before adjustment and the capacitance CR are set to satisfy the relationship CX<CR, including manufacturing variations. Furthermore, in the charge amplifier 220, the feedback capacitance of the detection side capacitor 222A is Cfx [pF]. Further, the feedback capacitance of the reference side capacitor 222B is assumed to be Cfr[pF]. Furthermore, the amplitude of the signal is assumed to be E·sin(wt) [V]. At this time, the detection signal VX[V] from the detection side amplifier 221A is expressed by equation (1). Further, the reference signal VR[V] from the reference side amplifier 221B is expressed by equation (2). Here, sin(wt) has a value of −1 or more and 1 or less.

VX=E・sin(wt)×CX/Cfx …(1)
VR=E・sin(wt)×CR/Cfr …(2)
VX=E・sin(wt)×CX/Cfx…(1)
VR=E・sin(wt)×CR/Cfr…(2)

また、差分増幅器223の増幅率をGainとすると、差分増幅器223の差分信号Vout[V]は、式(3)で表される。sin(wt)は、 Furthermore, if the amplification factor of the differential amplifier 223 is Gain, the differential signal Vout[V] of the differential amplifier 223 is expressed by equation (3). sin(wt) is

Vout=(VX-VR)×Gain
=E×sin(wt)×(CX/Cfx-CR/Cfr)×Gain
…(3)
Vout=(VX-VR)×Gain
=E×sin(wt)×(CX/Cfx−CR/Cfr)×Gain
...(3)

前述したように、検出側電極部108と参照側電極部109とにおいて、製造ばらつきなどにより、静電容量がそれぞれ異なる可能性がある。たとえば、圧力が加わっていないゼロ圧力のときの検出側電極部108における静電容量CXが40[pF]であるものとし、参照側電極部109における静電容量CRが50[pF]であるものとする。また、計測可能な最大圧力(以下、FS圧力という)を加えたときの静電容量CXは、41[pF]に増え、参照側電極部109における静電容量CRが、50[pF]のままであるものとする。そして、検出側コンデンサ222Aの帰還容量Cfxが103[pF]であり、参照側コンデンサ222Bの帰還容量Cfrが100[pF]であり、振幅Eが2[V]の場合、ゼロ圧力のときの検出信号VXと参照信号VRとの差分は、振幅が最大となるsin(wt)=1としたときに、-0.223[V]となる。また、FS圧力を加えたときの検出信号VXと参照信号VRとの差分は、-0.204[V]となる。以後、sin(wt)=1であるものとして説明する。 As described above, there is a possibility that the capacitances of the detection-side electrode section 108 and the reference-side electrode section 109 are different due to manufacturing variations. For example, assume that the capacitance CX in the detection side electrode section 108 is 40 [pF] at zero pressure when no pressure is applied, and the capacitance CR in the reference side electrode section 109 is 50 [pF]. shall be. Furthermore, when the maximum measurable pressure (hereinafter referred to as FS pressure) is applied, the capacitance CX increases to 41 [pF], and the capacitance CR at the reference side electrode section 109 remains at 50 [pF]. shall be. If the feedback capacitance Cfx of the detection side capacitor 222A is 103 [pF], the feedback capacitance Cfr of the reference side capacitor 222B is 100 [pF], and the amplitude E is 2 [V], the detection at zero pressure The difference between the signal VX and the reference signal VR is −0.223 [V] when sin(wt)=1, which is the maximum amplitude. Furthermore, the difference between the detection signal VX and the reference signal VR when the FS pressure is applied is -0.204 [V]. Hereinafter, the description will be made assuming that sin(wt)=1.

差分増幅器223のGainは、AD変換器250の入力電圧範囲の電圧を超えないように設定する必要がある。AD変換器250の入力電圧範囲が±2.5[V]であるとき、電圧範囲を考慮して、ゲインが11倍であるものとして、Gainを11とすると、ゼロ圧力のときの差分信号Voutは、-2.456[V]となる。また、FS圧力を加えたときの差分信号Voutは、-2.433[V]となる。 The gain of the differential amplifier 223 needs to be set so as not to exceed the voltage within the input voltage range of the AD converter 250. When the input voltage range of the AD converter 250 is ±2.5 [V], taking the voltage range into account and assuming that the gain is 11 times and setting the Gain to 11, the difference signal Vout at zero pressure is -2.456 [V]. Further, the difference signal Vout when the FS pressure is applied becomes -2.433 [V].

このとき、ゼロ圧力のときの差分信号VoutとFS圧力を加えたときの差分信号Voutとの差は、約Δ0.214[V]となる。これは、AD変換器250の入力電圧範囲である±2.5[V]に対して、約4%の大きさの電圧である。狭い電圧幅で圧力の計測を行わなければならず、S/N比は低い。 At this time, the difference between the differential signal Vout when the pressure is zero and the differential signal Vout when the FS pressure is applied is approximately Δ0.214 [V]. This voltage is about 4% of the input voltage range of the AD converter 250 of ±2.5 [V]. Pressure must be measured in a narrow voltage range, and the S/N ratio is low.

そこで、実施の形態1の隔膜真空計1の静電容量型センサ検出部10は、容量調整器212を有し、検出側電極部108における静電容量の調整を行う。容量調整器212は、検出側電極部108の電極間に直流電圧を印加し、クーロン力を発生させることで、可動センサ電極104と固定センサ電極105との距離を変化させ、検出側電極部108の静電容量を調整する。ここでは、静電容量CXを51.5[pF]にする調整を行う。そして、他の条件が同じであるものとすると、ゼロ圧力のときの検出信号VXと参照信号VRとの差分は、0.0000[V]となる。また、FS圧力を加えたときの検出信号VXと参照信号VRとの差分は、0.0194[V]となる。 Therefore, the capacitive sensor detection section 10 of the diaphragm vacuum gauge 1 of the first embodiment includes a capacitance regulator 212 to adjust the capacitance in the detection side electrode section 108. The capacitance regulator 212 changes the distance between the movable sensor electrode 104 and the fixed sensor electrode 105 by applying a DC voltage between the electrodes of the detection side electrode section 108 and generating a Coulomb force. Adjust the capacitance of Here, the capacitance CX is adjusted to 51.5 [pF]. Assuming that other conditions remain the same, the difference between the detection signal VX and the reference signal VR at zero pressure is 0.0000 [V]. Furthermore, the difference between the detection signal VX and the reference signal VR when the FS pressure is applied is 0.0194 [V].

この場合、差分増幅器223のゲインを125倍にしても、ゼロ圧力のときの差分信号Voutは、0.000[V]となる。また、FS圧力を加えたときの差分信号Voutは、2.427[V]となる。したがって、AD変換器250の入力電圧範囲の±2.5Vを超えない。ゼロ圧力のときの差分信号VoutとFS圧力を加えたときの差分信号Voutとの差は、Δ2.427[V]となる。これは、AD変換器250の入力電圧範囲である±2.5[V]に対して、49%の大きさの電圧であり、前述した信号の振幅が同じである場合に比べて、約11倍のS/N比となる。 In this case, even if the gain of the differential amplifier 223 is increased to 125 times, the differential signal Vout at zero pressure will be 0.000 [V]. Further, the difference signal Vout when the FS pressure is applied is 2.427 [V]. Therefore, it does not exceed the input voltage range of AD converter 250 of ±2.5V. The difference between the differential signal Vout when the pressure is zero and the differential signal Vout when the FS pressure is applied is Δ2.427 [V]. This is a voltage that is 49% larger than the input voltage range of ±2.5 [V] of the AD converter 250, and is about 11% larger than the voltage when the signal amplitude is the same as described above. The S/N ratio is doubled.

静電容量型センサ検出部10の製造方法について、静電容量調整を行う場合、生産ラインにおいて、静電容量型センサ検出部10について、被測定物体の圧力が加わっていないゼロ圧力の状態とする。そして、静電容量型センサ検出部10を動作させて、容量調整器212が印加する直流電圧を変化させていく容量変化工程を行う。そして、容量変化を繰り返し行い、差分信号Voutが0になるような直流電圧を決定する電圧決定工程を行って、検出側電極部108における静電容量の調整を行う。静電容量の調整は、生産ラインにおける各静電容量型センサ検出部10に対して行う。 Regarding the manufacturing method of the capacitive sensor detection section 10, when performing capacitance adjustment, the capacitance sensor detection section 10 is brought into a zero pressure state in which no pressure from the object to be measured is applied on the production line. . Then, a capacitance change step is performed in which the capacitance type sensor detection unit 10 is operated to change the DC voltage applied by the capacitance regulator 212. Then, the capacitance is adjusted by repeatedly changing the capacitance and performing a voltage determination step of determining a DC voltage that makes the difference signal Vout zero. Capacitance adjustment is performed for each capacitive sensor detection section 10 on the production line.

以上のように、実施の形態1の隔膜真空計1の静電容量型センサ検出部10は、容量調整器212を有し、直流電圧を印加して電極間の距離を変化させ、検出側電極部108における静電容量を調整することができる。このため、検出用の信号経路に配置された素子と参照用の信号経路に配置された素子とにおける容量のばらつきを抑え、ゼロ圧力のときの差分信号VoutとFS圧力を加えたときの差分信号Voutとの差を広げることができる。したがって、差分増幅器223におけるゲインを大きくすることができ、S/N比を高くすることができる。このとき、生産ラインの静電容量型センサ検出部10に対して、それぞれ検出側電極部108における静電容量の調整を行うことで、個々の静電容量型センサ検出部10に生じる容量のばらつきに合わせた静電容量の調整を行うことができる。ここで、電極間に発生させることができるクーロン力には限りがある。また、クーロン力を発生させるには電圧が必要となる。電圧を印加しすぎると、電極が張り付く場合もある。以上のことから考えると、静電容量の調整は、微小な圧力変化を検出する静電容量型センサ検出部10である場合に、特に有効である。 As described above, the capacitive sensor detection section 10 of the diaphragm vacuum gauge 1 of the first embodiment has the capacitance regulator 212, applies a DC voltage to change the distance between the electrodes, and The capacitance in section 108 can be adjusted. Therefore, variations in capacitance between the elements placed in the detection signal path and the reference signal path are suppressed, and the difference signal Vout at zero pressure and the difference signal when FS pressure is applied are It is possible to widen the difference with Vout. Therefore, the gain in the differential amplifier 223 can be increased, and the S/N ratio can be increased. At this time, by adjusting the capacitance in the detection side electrode section 108 of each capacitive sensor detecting section 10 on the production line, variations in capacitance that occur in each capacitive sensor detecting section 10 are performed. The capacitance can be adjusted according to the Here, there is a limit to the Coulomb force that can be generated between the electrodes. Additionally, voltage is required to generate Coulomb force. If too much voltage is applied, the electrodes may stick. Considering the above, adjusting the capacitance is particularly effective in the case of the capacitive sensor detecting section 10 that detects minute pressure changes.

実施の形態2.
図4は、実施の形態2に係るセンサ部の要部の構成を示す図である。図4において、図2と同じ符号を付しているものについては、実施の形態1において説明したことと同様の機能などを有する。
Embodiment 2.
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of main parts of the sensor section according to the second embodiment. In FIG. 4, the same reference numerals as in FIG. 2 have the same functions as those described in the first embodiment.

前述した実施の形態1の静電容量型センサ検出部10は、信号発生器211が発生した交流信号のうち、検出側電極部108に送られる信号に対して、容量調整器212が直流電圧の成分を重畳するものであった。 In the capacitive sensor detection section 10 of the first embodiment described above, the capacitance regulator 212 adjusts the DC voltage to the signal sent to the detection side electrode section 108 among the AC signals generated by the signal generator 211. The components were superimposed.

実施の形態2の静電容量型センサ検出部10は、可動直流印加電極110および固定直流印加電極111を有する直流電圧印加用電極部112をさらに有する。そして、容量調整器212は、直流電圧印加用電極部112に直流電圧を印加して、クーロン力を発生させ、センサダイアフラム102を撓ませる。これにより、検出側電極部108の電極間距離が変化し、静電容量を調整することができる。 The capacitive sensor detection section 10 of the second embodiment further includes a DC voltage application electrode section 112 having a movable DC application electrode 110 and a fixed DC application electrode 111. Then, the capacitance regulator 212 applies a DC voltage to the DC voltage application electrode section 112 to generate a Coulomb force and bend the sensor diaphragm 102 . Thereby, the distance between the electrodes of the detection side electrode section 108 changes, and the capacitance can be adjusted.

実施の形態3.
前述した実施の形態1では、静電容量調整の方法について、差分信号Voutが0になるように、静電容量の調整を行った。差分信号Voutに基づいた静電容量の調整を行うことで、電荷増幅器220の検出側コンデンサ222Aと参照側コンデンサ222Bとにおける容量のばらつきなども含めた設定を行うことができるが、これに限定するものではない。
Embodiment 3.
In the first embodiment described above, as for the capacitance adjustment method, the capacitance is adjusted so that the difference signal Vout becomes 0. By adjusting the capacitance based on the difference signal Vout, it is possible to make settings that take into account variations in capacitance between the detection side capacitor 222A and the reference side capacitor 222B of the charge amplifier 220, but the present invention is not limited to this. It's not a thing.

たとえば、センサ部100内の検出側電極部108の検出信号および参照側電極部109の参照信号とを比較して、検出側電極部108における静電容量の調整を別々に行うようにしてもよい。 For example, the detection signal of the detection side electrode section 108 and the reference signal of the reference side electrode section 109 in the sensor section 100 may be compared, and the capacitance in the detection side electrode section 108 may be adjusted separately. .

また、前述した実施の形態1では、ゼロ圧力のときの静電容量型センサ検出部10において、差分信号Voutが0になるように、容量調整器212による検出側電極部108における静電容量の調整に係る工程を行うようにしたが、これに限定するものではない。たとえば、AD変換器250の入力電圧範囲が±2.5[V]であるものとする。このとき、計測を行っていないときの基準の電位が-2[V]であるものとして設定し、ゼロ圧力のときに、たとえば、-2[V]の直流信号V1がAD変換器250に送られるような、差分信号Voutが出力される振幅調整を行うようにしてもよい。このため、広い電圧幅で、ゼロ圧力からFS圧力に到る圧力を計測することができる。 Furthermore, in the first embodiment described above, the capacitance in the detection side electrode section 108 is adjusted by the capacitance regulator 212 so that the difference signal Vout becomes 0 in the capacitance type sensor detection section 10 at zero pressure. Although a process related to adjustment is performed, the present invention is not limited to this. For example, assume that the input voltage range of AD converter 250 is ±2.5 [V]. At this time, the reference potential when no measurement is being performed is set as -2 [V], and when the pressure is zero, for example, a DC signal V1 of -2 [V] is sent to the AD converter 250. The amplitude adjustment may be performed such that the difference signal Vout is outputted. Therefore, pressures ranging from zero pressure to FS pressure can be measured over a wide voltage range.

上述した実施の形態1~実施の形態3においては、物理量として圧力を計測する静電容量型センサ検出部10について説明したが、被計測対象および物理量は、重量、加速度など、圧力に限定するものではない。また、静電容量型センサ検出部10は、隔膜真空計1だけでなく、他の計測装置に適用することができる。 In the first to third embodiments described above, the capacitive sensor detection unit 10 that measures pressure as a physical quantity has been described, but the object to be measured and the physical quantity are limited to pressure, such as weight and acceleration. isn't it. Further, the capacitive sensor detection section 10 can be applied not only to the diaphragm vacuum gauge 1 but also to other measuring devices.

以上、実施の形態を参照して、本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態の内容に限定されるものではない。本発明の構成、詳細などには、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。 Although the present invention has been described above with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the contents of the above embodiments. The configuration, details, etc. of the present invention may be modified in various ways within the scope of the technical idea of the present invention by those skilled in the art.

1 隔膜真空計、10 静電容量型センサ検出部、100 センサ部、101 基台、101a 支持部、102 センサダイアフラム、102a 可動領域、103 容量室、104 可動センサ電極、105 固定センサ電極、106 可動参照電極、107 固定参照電極、108 検出側電極部、109 参照側電極部、200 回路部、210 信号発生装置、211 信号発生器、212 容量調整器、220 電荷増幅器、221A 検出側増幅器、221B 参照側増幅器、222A 検出側コンデンサ、222B 参照側コンデンサ、223 差分増幅器、230 検波回路器、231A,231B,231C 整流回路、240 平滑器、241A,241B,241C ローパスフィルタ、250 AD変換器、260 ノイズ除去部、261A,261B,261C バンドパスフィルタ。 Reference Signs List 1 diaphragm vacuum gauge, 10 capacitive sensor detection unit, 100 sensor unit, 101 base, 101a support unit, 102 sensor diaphragm, 102a movable area, 103 capacity chamber, 104 movable sensor electrode, 105 fixed sensor electrode, 106 movable Reference electrode, 107 Fixed reference electrode, 108 Detection side electrode section, 109 Reference side electrode section, 200 Circuit section, 210 Signal generator, 211 Signal generator, 212 Capacity regulator, 220 Charge amplifier, 221A Detection side amplifier, 221B Reference side amplifier, 222A detection side capacitor, 222B reference side capacitor, 223 differential amplifier, 230 detection circuit, 231A, 231B, 231C rectifier circuit, 240 smoother, 241A, 241B, 241C low-pass filter, 250 AD converter, 260 noise removal part, 261A, 261B, 261C band pass filter.

Claims (7)

計測する物理量に応じて位置が変わるセンサダイアフラムとともに変位する可動電極と、前記可動電極に対向して設けられた固定電極とを組にした電極部を、検出用および参照用として複数有するセンサ素子と、
前記検出用の前記電極部および前記参照用の前記電極部の少なくとも一方の静電容量を調整する容量調整器と
を備え
前記容量調整器は、前記物理量がゼロであるときの、前記検出用の前記電極部および前記参照用の前記電極部をそれぞれ通過した交流信号の差分が、設定した電位となるように、前記静電容量を調整する静電容量型センサ。
A sensor element having a plurality of electrode parts for detection and reference, each of which is a set of a movable electrode that is displaced together with a sensor diaphragm whose position changes according to a physical quantity to be measured, and a fixed electrode provided opposite to the movable electrode. ,
a capacitance adjuster that adjusts the capacitance of at least one of the electrode section for detection and the electrode section for reference ;
The capacitance regulator adjusts the static voltage so that the difference between the AC signals passing through the detection electrode section and the reference electrode section when the physical quantity is zero becomes a set potential. Capacitive sensor that adjusts capacitance .
前記容量調整器は、前記電極部に直流電圧を印加して、前記可動電極と前記固定電極との間にクーロン力を発生させ、前記センサダイアフラムを撓ませて電極間距離を調整する請求項1記載の静電容量型センサ。 The capacitance adjuster applies a DC voltage to the electrode section to generate a Coulomb force between the movable electrode and the fixed electrode, thereby bending the sensor diaphragm to adjust the distance between the electrodes. Capacitive sensor described in . 前記容量調整器は、前記電極部に送る信号に、前記直流電圧を重畳させて印加する請求項に記載の静電容量型センサ。 3. The capacitance type sensor according to claim 2 , wherein the capacitance adjuster applies the DC voltage in a superimposed manner to the signal sent to the electrode section. 前記センサ素子は、直流電圧印加用の前記電極部をさらに有し、
前記容量調整器は、前記直流電圧印加用の前記電極部に、前記直流電圧を印加する請求項に記載の静電容量型センサ。
The sensor element further includes the electrode section for applying a DC voltage,
4. The capacitive sensor according to claim 3 , wherein the capacitance adjuster applies the DC voltage to the electrode section for applying the DC voltage.
前記検出用の前記電極部および前記参照用の前記電極部を通過した信号を増幅する電荷増幅器と、
前記信号を検波する整流回路を有する検波回路器と、
前記検波回路器からの前記信号を平滑する平滑器と
をさらに備える請求項1~請求項のいずれか一項に記載の静電容量型センサ。
a charge amplifier that amplifies a signal that has passed through the electrode section for detection and the electrode section for reference;
a detection circuit having a rectifier circuit that detects the signal;
The capacitive sensor according to claim 1 , further comprising a smoother that smoothes the signal from the detection circuit.
請求項1~請求項のいずれか一項に記載の静電容量型センサを備える隔膜真空計。 A diaphragm vacuum gauge comprising the capacitance type sensor according to any one of claims 1 to 5 . 計測する物理量に応じて位置が変わるセンサダイアフラムとともに変位する可動電極と、前記可動電極に対向して設けられた固定電極とを組にした電極部を、検出用および参照用として複数有するセンサ素子を備える静電容量型センサの製造方法であって、
前記物理量がゼロであるときの、前記電極部に直流電圧を印加して、前記可動電極と前記固定電極との間にクーロン力を発生させ、前記センサダイアフラムを撓ませて電極間距離を調整し、前記検出用の前記電極部の静電容量を変化させる容量変化工程と、
前記容量変化工程を繰り返し、前記検出用の前記電極部および前記参照用の前記電極部をそれぞれ通過した交流信号の差分が、設定した電位となるような、前記直流電圧を決定する電圧決定工程と
を有する静電容量型センサの製造方法。
A sensor element has a plurality of electrode parts for detection and reference, which are made up of a movable electrode that is displaced together with a sensor diaphragm whose position changes according to the physical quantity to be measured, and a fixed electrode provided opposite to the movable electrode. A method for manufacturing a capacitive sensor comprising:
When the physical quantity is zero, a DC voltage is applied to the electrode portion to generate a Coulomb force between the movable electrode and the fixed electrode, and the distance between the electrodes is adjusted by bending the sensor diaphragm. , a capacitance changing step of changing the capacitance of the electrode section for detection;
a voltage determining step of repeating the capacitance changing step and determining the DC voltage such that the difference between the AC signals passing through the electrode section for detection and the electrode section for reference becomes a set potential; A method for manufacturing a capacitive sensor having the following.
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