JPH07239281A - Electrostatic capacitance type pressure sensor - Google Patents

Electrostatic capacitance type pressure sensor

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JPH07239281A
JPH07239281A JP2954594A JP2954594A JPH07239281A JP H07239281 A JPH07239281 A JP H07239281A JP 2954594 A JP2954594 A JP 2954594A JP 2954594 A JP2954594 A JP 2954594A JP H07239281 A JPH07239281 A JP H07239281A
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JP
Japan
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output signal
pressure
capacitance
voltage
circuit section
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Application number
JP2954594A
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Japanese (ja)
Inventor
Kikuo Tsuruga
紀久夫 敦賀
Yoshihiro Cho
義博 猪
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Tokin Corp
Original Assignee
Tokin Corp
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Publication date
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Publication of JPH07239281A publication Critical patent/JPH07239281A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide an electrostatic capacitance type pressure sensor simple in the signal processing of a rear stage and capable of simplifying the structure of the signal processing means of the rear stage. CONSTITUTION:The output signal showing a rectangular wave change in whole cycle corresponding to electrostatic capacity Cs from a C-F conversion part 30 containing a pressure-sensitive capacitor 26 having electrostatic capacitance Cs changed corresponding to the pressure applied from the outside is applied to a monomultivibrator part 40 to be outputted as an output signal showing a rectangular wave changed in half cycle corresponding to the electrostatic capacitance Cs. By integrating this output signal by an integration circuit 50, an output signal being DC voltage having the voltage corresponding to the electrostatic capacitance Cs is outputted. The linearity of the characteristics of this output signal is corrected by a linearizaton circuit part 60.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、感圧コンデンサの静電
容量に基づいて印加圧力の大きさを検出する静電容量式
圧力センサに関する。尚、感圧コンデンサは、それぞれ
電極の形成された対向する基板のうちの少なくとも一方
の基板が可撓性を有し、印加される応力に応じて電極間
距離が変化することにより、静電容量が変化するコンデ
ンサである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a capacitance type pressure sensor for detecting the magnitude of applied pressure based on the capacitance of a pressure sensitive capacitor. Incidentally, in the pressure-sensitive capacitor, at least one of the opposing substrates on which electrodes are formed has flexibility, and the distance between the electrodes changes according to the applied stress, so that the capacitance Is a variable capacitor.

【0002】[0002]

【従来の技術】図10は、従来の静電容量式圧力センサ
の一例を示す回路図である。図10を参照すると、静電
容量式圧力センサ90は、圧力に応じて静電容量CS
変化する感圧コンデンサ80を含み、感圧コンデンサ8
0の静電容量CS の変化を周波数の変化に変換して出力
する静電容量−周波数変換部(以後、C−F変換部と呼
ぶ)によって構成されている。詳述すると、静電容量式
圧力センサ90は、オペアンプ91と感圧コンデンサ8
0と抵抗器92とから構成された積分回路90aと、積
分回路90aの出力端子に接続された抵抗器94とオペ
アンプ93と抵抗器95とから構成されたコンパレータ
回路90bとを有している。さらに詳しくは、非反転入
力端子に基準電位が接続されたオペアンプ91と、オペ
アンプ91の出力端子と反転入力端子との間に接続され
た感圧コンデンサ80と、反転入力端子に接続された抵
抗器92と、積分回路90aの出力端子に接続された抵
抗器94と、抵抗器94に直列接続されたオペアンプ9
3と、オペアンプ93に並列接続された抵抗器95とを
有し、コンパレータ回路90bの出力端子を、この静電
容量式圧力センサ90の外部出力端子とすると共に、抵
抗器92を介して、オペアンプ91の反転入力端子に接
続したものである。
2. Description of the Related Art FIG. 10 is a circuit diagram showing an example of a conventional capacitance type pressure sensor. Referring to FIG. 10, the capacitance-type pressure sensor 90 includes a pressure-sensitive capacitor 80 whose capacitance C S changes according to pressure, and
It is configured by an electrostatic capacitance-frequency conversion unit (hereinafter, referred to as a C-F conversion unit) that converts a change in the electrostatic capacitance C S of 0 into a change in frequency and outputs the change. More specifically, the electrostatic capacitance type pressure sensor 90 includes an operational amplifier 91 and a pressure sensitive capacitor 8
It has an integrating circuit 90a composed of 0 and a resistor 92, a comparator circuit 90b composed of a resistor 94, an operational amplifier 93 and a resistor 95 connected to the output terminal of the integrating circuit 90a. More specifically, the operational amplifier 91 having the non-inverting input terminal connected to the reference potential, the pressure-sensitive capacitor 80 connected between the output terminal of the operational amplifier 91 and the inverting input terminal, and the resistor connected to the inverting input terminal. 92, a resistor 94 connected to the output terminal of the integrating circuit 90a, and an operational amplifier 9 connected in series to the resistor 94.
3 and a resistor 95 connected in parallel to the operational amplifier 93, the output terminal of the comparator circuit 90b is used as the external output terminal of the electrostatic capacitance type pressure sensor 90, and the operational amplifier is connected via the resistor 92. It is connected to the inverting input terminal of 91.

【0003】感圧コンデンサ80としては、図11に示
すように、ガラス基板81上に形成された固定電極板8
5と、シリコン基板82上に形成された可動電極板84
とを、リング状のスペーサ83を挟むことにより所定の
間隙を設けて対向配置した感圧コンデンサが使用され
る。この感圧コンデンサは、圧力が加わると固定電極板
85、可動電極板84との間隔が狭まり、静電容量が大
きくなる。従って、この様な感圧コンデンサを利用した
静電容量式圧力センサでは、圧力が大きくなるにしたが
って、周波数が小さくなる出力信号が得られる。
As the pressure sensitive capacitor 80, as shown in FIG. 11, a fixed electrode plate 8 formed on a glass substrate 81 is used.
5 and the movable electrode plate 84 formed on the silicon substrate 82.
A pressure-sensitive capacitor is used in which and are opposed to each other by sandwiching a ring-shaped spacer 83 with a predetermined gap. When a pressure is applied to this pressure-sensitive capacitor, the gap between the fixed electrode plate 85 and the movable electrode plate 84 is narrowed, and the electrostatic capacitance is increased. Therefore, in the electrostatic capacitance type pressure sensor using such a pressure sensitive capacitor, an output signal whose frequency becomes smaller as the pressure becomes larger can be obtained.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】静電容量式圧力センサ
は、その後段に、アナログ−ディジタル変換手段等の信
号処理手段を接続し、静電容量式圧力センサからの印加
圧力を示す出力信号を信号処理して用いられる。静電容
量式圧力センサとしては、後段の信号処理が簡単であ
り、信号処理手段の構造が簡素であることが好ましい。
ところが、この後段の信号処理手段に入力される信号、
即ち、静電容量式圧力センサの出力信号が、周波数出力
であると、感圧コンデンサに圧力が印加されていないと
きにも、出力信号は所定の周波数の値を持ち、所謂ゼロ
スタートとならないため、後段の信号処理が複雑になる
傾向にある。これに対し、図10に示すものをも含め、
従来の静電容量式圧力センサは、周波数出力タイプであ
るのが実情である。
The capacitance type pressure sensor is connected to a signal processing means such as an analog-digital conversion means at the subsequent stage, and outputs an output signal indicating the applied pressure from the capacitance type pressure sensor. Used for signal processing. As for the capacitance type pressure sensor, it is preferable that the subsequent signal processing is simple and the structure of the signal processing means is simple.
However, the signal input to the signal processing means at the latter stage,
That is, if the output signal of the capacitance type pressure sensor is a frequency output, the output signal has a value of a predetermined frequency and does not become a so-called zero start even when pressure is not applied to the pressure sensitive capacitor. The signal processing in the latter stage tends to be complicated. On the other hand, including the one shown in FIG.
The conventional capacitance type pressure sensor is actually a frequency output type.

【0005】図12は、従来の静電容量式圧力センサ9
0について、その感圧コンデンサ80に印加される圧力
と、出力信号の周波数との関係を示す図である。図12
において、従来の静電容量式圧力センサでは、その出力
信号が、図中、上向きに山なりの曲線を呈している。即
ち、従来の静電容量式圧力センサにおいて、印加圧力と
出力信号とは、その比例関係に直線性が無い。この点か
らも、従来の静電容量式圧力センサを用いた場合には、
後段の信号処理が複雑化するという問題点がある。
FIG. 12 shows a conventional capacitance type pressure sensor 9.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the pressure applied to the pressure-sensitive capacitor 80 and the frequency of the output signal for 0. 12
In the conventional electrostatic capacity type pressure sensor, the output signal thereof exhibits a mountain-shaped curve upward in the figure. That is, in the conventional capacitance type pressure sensor, the proportional relationship between the applied pressure and the output signal has no linearity. From this point as well, when the conventional capacitance type pressure sensor is used,
There is a problem that the signal processing in the subsequent stage becomes complicated.

【0006】本発明の課題は、後段の信号処理が簡単で
あり、後段の信号処理手段の構造が簡素でよい静電容量
式圧力センサを提供することである。
An object of the present invention is to provide an electrostatic capacitance type pressure sensor in which signal processing in the subsequent stage is simple and the structure of the signal processing means in the subsequent stage is simple.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、外部か
ら印加される圧力に応じて変化する静電容量を持つ感圧
コンデンサを含み、前記静電容量に応じて全周期が変化
する矩形波を呈する出力信号を出力する静電容量−周波
数変換部を有する静電容量式圧力センサにおいて、前記
静電容量−周波数変換部からの出力信号を、前記静電容
量に応じて半周期が変化する矩形波を呈する出力信号に
して出力するモノステーブルマルチバイブレータ部と、
前記モノステーブルマルチバイブレータ部からの出力信
号を、積分することにより、前記静電容量に応じた電圧
を持つ直流電圧である出力信号にして出力する積分回路
部と、前記積分回路部からの出力信号について、その特
性の直線性を補正するリニアライズ回路部とを有するこ
とを特徴とする静電容量式圧力センサが得られる。
According to the present invention, a rectangular shape including a pressure sensitive capacitor having a capacitance that changes according to the pressure applied from the outside, and the entire period of which changes according to the capacitance. In an electrostatic capacity type pressure sensor having an electrostatic capacity-frequency conversion section that outputs an output signal exhibiting a wave, the output signal from the electrostatic capacity-frequency conversion section changes in half cycle in accordance with the electrostatic capacity. A monostable multivibrator section that outputs an output signal that presents a rectangular wave
An output signal from the integration circuit unit that outputs the output signal from the monostable multivibrator unit as an output signal that is a DC voltage having a voltage according to the capacitance by integrating the output signal from the integration circuit unit. With regard to the above, there is provided a capacitance type pressure sensor having a linearization circuit section for correcting the linearity of the characteristic.

【0008】本発明によれば、外部から印加される圧力
に応じて変化する静電容量を持つ感圧コンデンサと所定
の固定静電容量を持つ基準コンデンサとを含み、前記静
電容量に応じて半周期が変化する矩形波を呈する出力信
号を出力するフリプフロップ回路部と、前記フリプフロ
ップ回路部からの出力信号を、積分することにより、前
記静電容量に応じた電圧を持つ直流電圧である出力信号
にして出力する積分回路部と、前記積分回路部からの出
力信号について、その特性の曲線性を補正するリニアラ
イズ回路部とを有することを特徴とする静電容量式圧力
センサが得られる。
According to the present invention, a pressure-sensitive capacitor having an electrostatic capacity that changes according to the pressure applied from the outside and a reference capacitor having a predetermined fixed electrostatic capacity are included, and the electrostatic capacity varies according to the electrostatic capacity. A direct-current voltage having a voltage corresponding to the capacitance by integrating a flip-flop circuit section that outputs an output signal exhibiting a rectangular wave whose half cycle changes and an output signal from the flip-flop circuit section. An electrostatic capacitance type pressure sensor is obtained, which has an integration circuit section that outputs an output signal and a linearization circuit section that corrects the curve characteristic of the output signal from the integration circuit section. .

【0009】[0009]

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例によ
る静電容量式圧力センサを説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A capacitance type pressure sensor according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0010】[実施例1]図1は、本発明の実施例1に
よる静電容量式圧力センサを示す図であり、その一部に
回路図を含むブロック図である。図1において、実施例
1による静電容量式圧力センサは、C−F変換部30
と、C−F変換部30の出力端子39に接続され、たモ
ノステーブルマルチバイブレータ部(以後、モノマルチ
部と呼ぶ)40と、モノマルチ部40に接続された積分
回路部50と、積分回路部50に接続されたリニアライ
ズ回路部60とを有している。
[Embodiment 1] FIG. 1 is a diagram showing a capacitance type pressure sensor according to Embodiment 1 of the present invention, and is a block diagram including a circuit diagram in a part thereof. In FIG. 1, the capacitance type pressure sensor according to the first embodiment includes a CF converter 30.
And a monostable multivibrator section (hereinafter referred to as “monomulti section”) 40 connected to the output terminal 39 of the C-F conversion section 30, an integrating circuit section 50 connected to the monomulti section 40, and an integrating circuit. The linearization circuit section 60 is connected to the section 50.

【0011】C−F変換部30は、積分回路30aと、
コンパレータ回路30bとを含んでいる。積分回路30
aは、後述するセンサチップにより構成され、印加され
る圧力に応じて変化する静電容量CS を有する感圧コン
デンサ26と、オペアンプ31と、抵抗器32とからな
っている。コンパレータ回路30bは、抵抗器34、3
5と、オペアンプ33とからなっている。
The C-F converter 30 includes an integrating circuit 30a,
It includes a comparator circuit 30b. Integrating circuit 30
a is composed of a sensor chip described later, and is composed of a pressure-sensitive capacitor 26 having an electrostatic capacitance C S that changes according to the applied pressure, an operational amplifier 31, and a resistor 32. The comparator circuit 30b includes resistors 34 and 3
5 and an operational amplifier 33.

【0012】詳しくいえば、積分回路30aは、オペア
ンプ31の非反転入力端子に基準電位を、反転入力端子
に抵抗器32を接続すると共に、反転入力端子と出力端
子との間に感圧コンデンサ26を接続して構成されてい
る。また、コンパレータ回路30bは、オペアンプ31
に接続された抵抗器34と出力端子に接続された抵抗器
35とをオペアンプ33の非反転入力端子に接続し、オ
ペアンプ33の反転入力端子に基準電位を接続して構成
されている。
More specifically, the integrating circuit 30a connects the reference potential to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 31, the resistor 32 to the inverting input terminal, and the pressure-sensitive capacitor 26 between the inverting input terminal and the output terminal. It is configured by connecting. In addition, the comparator circuit 30b includes an operational amplifier 31
Is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 33, and the reference potential is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 33.

【0013】C−F変換部30は、積分回路30aおよ
びコンパレータ回路30bの他に、出力端子39と基準
電位との間に直列接続された可変抵抗器37と、出力端
子39と基準電位との間に接続された可変抵抗器38
と、可変抵抗器38の分圧点とオペアンプ31の反転入
力端子との間に接続されており、後述するセンサチップ
により構成され、固定の静電容量CR を有する基準コン
デンサ27とを有している。また、可変抵抗器37の分
圧点は、抵抗器32に接続されている。
In addition to the integrating circuit 30a and the comparator circuit 30b, the C / F converter 30 includes a variable resistor 37 connected in series between the output terminal 39 and the reference potential, and the output terminal 39 and the reference potential. Variable resistor 38 connected in between
And a reference capacitor 27 which is connected between the voltage dividing point of the variable resistor 38 and the inverting input terminal of the operational amplifier 31 and which is composed of a sensor chip described later and has a fixed electrostatic capacitance C R. ing. The voltage dividing point of the variable resistor 37 is connected to the resistor 32.

【0014】C−F変換部30では、可変抵抗器37に
よって分圧された電圧が、抵抗器32を介して感圧コン
デンサ26の充放電電流となる。つまり、可変抵抗器3
7の抵抗値を変化させるとにより感圧コンデンサ26の
充放電電流を変化させることができ、オペアンプ31の
出力電圧を変化させられる。したがって、感圧コンデン
サ26の圧力に対する静電容量の変化量のばらつきによ
る影響は、可変抵抗器37によって取り除くことができ
る。
In the C / F converter 30, the voltage divided by the variable resistor 37 becomes the charging / discharging current of the pressure sensitive capacitor 26 via the resistor 32. That is, the variable resistor 3
By changing the resistance value of No. 7, the charging / discharging current of the pressure sensitive capacitor 26 can be changed, and the output voltage of the operational amplifier 31 can be changed. Therefore, the variable resistor 37 can eliminate the influence of the variation in the amount of change in the capacitance with respect to the pressure of the pressure sensitive capacitor 26.

【0015】一方、可変抵抗器38の分圧点とオペアン
プ31の反転入力端子(感圧コンデンサ26の一方の端
子)との間には、基準コンデンサ27が接続されている
ので、可変抵抗器38の抵抗値を変化させることによ
り、感圧コンデンサ26の時定数を変化させることがで
きる。即ち、C−F変換部30では、可変抵抗器38の
分圧電圧×CS /CR だけ、感圧コンデンサ26が急激
に充電されるので、その分、発振周波数が高くなり、感
圧コンデンサ26の初期の静電容量のばらつきによる影
響を取り除くことができる。
On the other hand, since the reference capacitor 27 is connected between the voltage dividing point of the variable resistor 38 and the inverting input terminal (one terminal of the pressure sensitive capacitor 26) of the operational amplifier 31, the variable resistor 38 is connected. The time constant of the pressure-sensitive capacitor 26 can be changed by changing the resistance value of. That is, in the C-F converter 30, only the divided voltage × C S / C R of the variable resistor 38, since the pressure-sensitive capacitor 26 is charged rapidly, correspondingly, the higher the oscillation frequency, pressure sensitive capacitor It is possible to eliminate the influence of the variation in the initial capacitance of 26.

【0016】感圧コンデンサ26の充放電電流は、オペ
アンプ31の反転入力端子に入力される電圧を変化さ
せ、オペアンプ31の出力電圧を変化させる。その出力
電圧が、コンパレータ回路のスレッショルド電圧を横切
ると、コンパレータ回路の出力がハイレベルまたはロー
レベルに反転する。
The charging / discharging current of the pressure sensitive capacitor 26 changes the voltage input to the inverting input terminal of the operational amplifier 31 and changes the output voltage of the operational amplifier 31. When the output voltage crosses the threshold voltage of the comparator circuit, the output of the comparator circuit is inverted to high level or low level.

【0017】以上のように構成されたC−F変換部30
は、矩形波を呈する出力信号を出力する。この矩形波
は、ローレベルとハイレベルのデューティが50%であ
り、感圧コンデンサ26に対して外部から印加される圧
力に応じて、一周期全体(全周期)が一様に、即ち、ロ
ーレベル(一方の半周期)とハイレベル(他方の半周
期)とが同じ変化量で変化するものである。
The C-F converter 30 configured as described above
Outputs an output signal exhibiting a rectangular wave. This rectangular wave has a low-level duty and a high-level duty of 50%, and the entire one cycle (entire cycle) is uniform according to the pressure applied to the pressure-sensitive capacitor 26 from the outside, that is, the low-level duty. The level (one half cycle) and the high level (the other half cycle) change with the same amount of change.

【0018】図2は、C−F変換部30における感圧コ
ンデンサ26および基準コンデンサ27を構成している
センサチップの縦断面図である。図2において、センサ
チップ10は、その特性が温度変化に依存しないよう
に、実質的に同じ熱膨張係数を有するシリコン基板17
とガラス基板15とを有している。シリコン基板17に
は、圧力により変形するダイヤフラム19と、ガラス基
板15との間に空隙を形成するキャビティ部20とが設
けられるとともに、ボロン等の不純物を拡散させて共通
電極(図示せず)が形成されている。また、ガラス基板
15上には、2つの電極24および25と、貫通孔16
が形成されている。
FIG. 2 is a vertical sectional view of a sensor chip constituting the pressure sensitive capacitor 26 and the reference capacitor 27 in the C / F converter 30. In FIG. 2, the sensor chip 10 has a silicon substrate 17 having substantially the same coefficient of thermal expansion so that its characteristics do not depend on temperature changes.
And a glass substrate 15. The silicon substrate 17 is provided with a diaphragm 19 that is deformed by pressure and a cavity portion 20 that forms a gap between the glass substrate 15 and a common electrode (not shown) that diffuses impurities such as boron. Has been formed. Further, the two electrodes 24 and 25 and the through hole 16 are provided on the glass substrate 15.
Are formed.

【0019】シリコン基板17とガラス基板15とは、
共通電極と電極24および25とが互いに対向するよう
に接着されるとともに、キャビティ部20の周囲に封止
剤121を塗布して互いに固定されている。また、ガラ
ス基板15は、リード端子22が配設され貫通孔12が
設けられた台座11に固定され、台座11には、圧力導
入孔14が形成されたキャップ部13が固定されてい
る。尚、共通電極、電極24、および電極25にそれぞ
れ接続されたリード線23(図2では、1つのみ図示)
は、各々リード端子22(図2では、1つのみ図示)に
接続される。
The silicon substrate 17 and the glass substrate 15 are
The common electrode and the electrodes 24 and 25 are bonded so as to face each other, and a sealant 121 is applied to the periphery of the cavity 20 and fixed to each other. Further, the glass substrate 15 is fixed to the pedestal 11 in which the lead terminals 22 are arranged and the through holes 12 are provided, and the pedestal 11 is fixed to the cap portion 13 in which the pressure introducing hole 14 is formed. Incidentally, the lead wires 23 respectively connected to the common electrode, the electrode 24, and the electrode 25 (only one is shown in FIG. 2).
Are connected to lead terminals 22 (only one is shown in FIG. 2).

【0020】そして、圧力導入孔14から気体、液体等
の圧力伝達物質により圧力が加えられると、ダイヤフラ
ム19が変形する。即ち、ダイヤフラム19と電極24
との間隔が狭くなり、ダイヤフラム19と電極24とで
構成されるコンデンサの静電容量CS が大きくなる。一
方、共通電極と電極25との間隔は圧力によらず一定で
ある。即ち、共通電極と電極25とで構成されるコンデ
ンサは、圧力によらず静電容量CR は一定である。した
がって、ダイヤフラム19と電極24とで構成されるコ
ンデンサは、図1の感圧コンデンサ26として利用で
き、一方、共通電極と電極25とで構成されるコンデン
サは基準コンデンサ27として利用できる。
When pressure is applied from the pressure introducing hole 14 by a pressure transmitting substance such as gas or liquid, the diaphragm 19 is deformed. That is, the diaphragm 19 and the electrode 24
And the capacitance C S of the capacitor formed by the diaphragm 19 and the electrode 24 increases. On the other hand, the distance between the common electrode and the electrode 25 is constant regardless of the pressure. That is, the capacitor composed of the common electrode and the electrode 25 is a constant capacitance C R regardless of the pressure. Therefore, the capacitor composed of the diaphragm 19 and the electrode 24 can be used as the pressure-sensitive capacitor 26 of FIG. 1, while the capacitor composed of the common electrode and the electrode 25 can be used as the reference capacitor 27.

【0021】図3(a)〜(c)は、実施例1による静
電容量式圧力センサの各部における出力電圧を示す図で
ある。尚、各図には、第1の信号(実線)と、第1の信
号よりも大きい圧力時の第2の信号(破線)との2種類
を表している。ただし、縦軸方向の二線が重なる部分で
は、図を確認しやすいように、意図的に、互いの線を僅
かにずらして示している。
FIGS. 3A to 3C are diagrams showing the output voltage at each part of the capacitance type pressure sensor according to the first embodiment. It should be noted that each figure shows two types, a first signal (solid line) and a second signal (broken line) when the pressure is larger than the first signal. However, in the portion where the two lines in the vertical axis direction overlap, the lines are intentionally slightly shifted from each other so that the drawing can be easily confirmed.

【0022】まず、C−F変換部30の出力端子39に
あらわれる出力信号は、図3(a)に示すように、静電
容量CS に応じて、即ち、感圧コンデンサ26に印加さ
れる印加圧力に応じて、全周期が変化する矩形波を呈す
る。ただし、C−F変換部30の出力信号は、感圧コン
デンサ26への印加圧力に対して、全周期が曲線的に変
化する比例関係にある。
First, the output signal appearing at the output terminal 39 of the CF converter 30 is applied according to the electrostatic capacitance C S , that is, to the pressure sensitive capacitor 26, as shown in FIG. 3A. It exhibits a rectangular wave whose entire period changes according to the applied pressure. However, the output signal of the C-F converter 30 has a proportional relationship with the pressure applied to the pressure-sensitive capacitor 26 such that the entire cycle changes in a curve.

【0023】C−F変換部30からの出力信号は、モノ
マルチ部40に入力されると、その一方の半周期である
ハイレベル側が感圧コンデンサ26への印加圧力に拘ら
ない所定の幅を持ち、他方の半周期であるローレベル側
が印加圧力に応じて変化するようになる。即ち、図3
(b)に示すような、矩形波を呈する。
When the output signal from the C-F converter 30 is input to the mono-multi unit 40, the high level side, which is one half cycle of the signal, has a predetermined width regardless of the pressure applied to the pressure sensitive capacitor 26. The other half cycle, the low level side, changes according to the applied pressure. That is, FIG.
It exhibits a rectangular wave as shown in (b).

【0024】モノマルチ部40からの出力信号は、積分
回路部50に入力されると、積分され、図3(c)に示
すように、感圧コンデンサ26への印加圧力に応じた電
圧を持つ直流電圧となる。
When the output signal from the mono-multi unit 40 is input to the integrating circuit unit 50, it is integrated and has a voltage corresponding to the pressure applied to the pressure sensitive capacitor 26, as shown in FIG. It becomes a DC voltage.

【0025】図4は、積分回路部50の具体例を示す回
路図である。図4を参照すると、積分回路部50は、所
謂反転増幅回路であり、オペアンプ51と、コンデンサ
52と、可変抵抗器53と、抵抗器54とを有してい
る。詳しくいえば、オペアンプ51の非反転入力端子に
は、基準電位とアースとの間に接続された可変抵抗器5
3の分圧点が接続され、反転入力端子には、抵抗器54
を介して、C−F変換部30の出力端子39が接続され
ている。また、オペアンプ51の反転入力端子と出力端
子との間には、コンデンサ52が接続されている。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a concrete example of the integrating circuit section 50. Referring to FIG. 4, the integration circuit section 50 is a so-called inverting amplifier circuit, and includes an operational amplifier 51, a capacitor 52, a variable resistor 53, and a resistor 54. Specifically, the non-inverting input terminal of the operational amplifier 51 has a variable resistor 5 connected between the reference potential and the ground.
The voltage dividing point of 3 is connected and the resistor 54 is connected to the inverting input terminal.
The output terminal 39 of the C-F converter 30 is connected via the. A capacitor 52 is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 51.

【0026】積分回路部50は、オペアンプ51の非反
転入力端子から可変抵抗器53によりバイアスを調整す
ることによって、C−F変換部30内の感圧コンデンサ
26へ圧力が印加されないときの出力を、予め基準電源
の値あるいはゼロにしておけば、感圧コンデンサ26へ
圧力が印加されたときには、印加圧力に応じた直流電圧
の出力信号を出力する。
The integrator circuit section 50 adjusts the bias from the non-inverting input terminal of the operational amplifier 51 by the variable resistor 53 to output the output when the pressure is not applied to the pressure sensitive capacitor 26 in the CF converter 30. If the value of the reference power source is set to 0 or zero in advance, when a pressure is applied to the pressure sensitive capacitor 26, an output signal of a DC voltage corresponding to the applied pressure is output.

【0027】ここで、積分回路部50の出力信号の電圧
は、モノマルチ部40の出力信号の半周期、ならびにC
−F変換部30の出力信号の全周期に対して、直線的な
比例関係にある。しかし、C−F変換部30の出力信号
の全周期自体が、もともと、感圧コンデンサ26への印
加圧力に対して曲線的な比例関係にあるため、この結
果、積分回路部50の出力信号の電圧は、感圧コンデン
サ26への印加圧力に対して曲線的な比例関係にある。
感圧コンデンサ26への印加圧力に対する積分回路部5
0の出力電圧の特性を図5に示す。
Here, the voltage of the output signal of the integrating circuit section 50 is the half cycle of the output signal of the mono-multi section 40 and C.
There is a linear proportional relationship with the entire period of the output signal of the −F conversion unit 30. However, since the entire cycle itself of the output signal of the C-F conversion unit 30 is originally in a proportional relationship with the pressure applied to the pressure-sensitive capacitor 26 in a curvilinear manner, as a result, the output signal of the integration circuit unit 50 is changed. The voltage has a curvilinear proportional relationship with the pressure applied to the pressure-sensitive capacitor 26.
Integrating circuit section 5 for the pressure applied to the pressure-sensitive capacitor 26
The characteristics of the output voltage of 0 are shown in FIG.

【0028】このため、本実施例では、積分回路部50
の出力信号を、リニアライズ回路部60に入力すること
で補正する。
Therefore, in the present embodiment, the integration circuit section 50
The output signal of is input to the linearization circuit section 60 to be corrected.

【0029】図6は、リニアライズ回路部60の構成例
を示す回路図である。図6において、リニアライズ回路
部60は、オペアンプ61と、オペアンプ61の反転入
力端子と基準電位との間に接続されたFET62とを含
んでおり、ゲート入力電圧の変化により、ソース−ドレ
イン間の抵抗値が変化するように設定されている。
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of the linearization circuit section 60. In FIG. 6, the linearization circuit section 60 includes an operational amplifier 61 and an FET 62 connected between the inverting input terminal of the operational amplifier 61 and the reference potential. The resistance value is set to change.

【0030】図7は、リニアライズ回路部60の入力電
圧−出力電圧特性図である。図7において、リニアライ
ズ回路部60の出力電圧は、入力電圧に対して、図5に
示した積分回路部50の出力特性と反対の曲率の曲線性
を呈している。したがって、リニアライズ回路部60か
らの出力信号は、感圧コンデンサ26への印加圧力に対
して出力電圧が直線的な比例関係になる。
FIG. 7 is an input voltage-output voltage characteristic diagram of the linearize circuit section 60. In FIG. 7, the output voltage of the linearization circuit section 60 exhibits a curvature curve characteristic opposite to the output characteristic of the integration circuit section 50 shown in FIG. 5 with respect to the input voltage. Therefore, the output signal from the linearizing circuit unit 60 has a linear proportional relationship with the output voltage with respect to the pressure applied to the pressure sensitive capacitor 26.

【0031】尚、リニアライズ回路部60の構成は、図
6に示した例に限らず、非線形な電圧−電流特性を持つ
素子を用いてその素子特性に基づく関数回路や、積分回
路部からの出力信号をディジタル値にする変換するアナ
ログ/ディジタル変換部分と予め定められたディジタル
信号の抽出ピッチを格納したメモリとを備えたソフトウ
ェア的な構成とすることも可能である。さらに、カウン
タおよびラッチ回路を用いて図1における積分回路部5
0とリニアライズ回路部60とを合体したような構成と
することも可能である。
The configuration of the linearization circuit section 60 is not limited to the example shown in FIG. 6, but an element having a non-linear voltage-current characteristic is used and a function circuit based on the element characteristic or an integration circuit section is used. It is also possible to have a software-like configuration including an analog / digital conversion portion for converting the output signal into a digital value and a memory storing a predetermined extraction pitch of the digital signal. Further, the integration circuit unit 5 in FIG.
It is also possible to adopt a configuration in which 0 and the linearization circuit section 60 are combined.

【0032】また、以上説明した実施例1において、C
−F変換部30は感圧コンデンサ26と基準コンデンサ
27とを有する構成であるが、本発明は、C−F変換部
が感圧コンデンサのみを有する構成であってもよい。
In the first embodiment described above, C
The -F conversion unit 30 has a configuration including the pressure-sensitive capacitor 26 and the reference capacitor 27, but in the present invention, the C-F conversion unit may have a configuration including only the pressure-sensitive capacitor.

【0033】[実施例2]図8は、本発明の実施例2に
よる静電容量式圧力センサを示す図であり、その一部に
回路図を含むブロック図である。尚、同図において、実
施例1と同一部あるいは同様部には、図1、図2と同符
号を付し、詳述しない。
[Embodiment 2] FIG. 8 is a diagram showing an electrostatic capacitance type pressure sensor according to Embodiment 2 of the present invention, and is a block diagram including a circuit diagram in a part thereof. In the figure, the same or similar parts as in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 and will not be described in detail.

【0034】図8において、実施例2による静電容量式
圧力センサは、フリップフロップ回路部70と、フリッ
プフロップ回路部70の出力端子77に接続された積分
回路部50と、積分回路部50に接続されたリニアライ
ズ回路部60とを有している。
In FIG. 8, the capacitance type pressure sensor according to the second embodiment includes a flip-flop circuit section 70, an integrating circuit section 50 connected to an output terminal 77 of the flip-flop circuit section 70, and an integrating circuit section 50. It has the linearization circuit part 60 connected.

【0035】フリップフロップ回路部70は、トランジ
スタ71および72と、それぞれ固定の抵抗R1
2 、R3 、およびR4 を持つ抵抗器73、74、7
5、および76と、可変の静電容量CS を持つ感圧コン
デンサ26と、固定の静電容量CRを持つ基準コンデン
サ27とを有している。
The flip-flop circuit section 70 includes transistors 71 and 72 and fixed resistors R 1 and R 1 , respectively.
Resistors 73, 74, 7 having R 2 , R 3 and R 4
5 and 76, a pressure-sensitive capacitor 26 having a variable capacitance C S , and a reference capacitor 27 having a fixed capacitance C R.

【0036】次に、動作説明にしたがって、実施例2に
よる静電容量式圧力センサをさらに詳しく説明する。
Next, the capacitance type pressure sensor according to the second embodiment will be described in more detail according to the operation description.

【0037】いま、トランジスタ71がオフである一
方、トランジスタ72がオンの状態である。このとき、
トランジスタ71のベース電圧VB1は負である一方、ト
ランジスタ72のベース電圧VB2は飽和ベース電圧であ
る。
Now, the transistor 71 is off, while the transistor 72 is on. At this time,
The base voltage V B1 of the transistor 71 is negative, while the base voltage V B2 of the transistor 72 is a saturated base voltage.

【0038】時間の経過に伴って、トランジスタ71の
ベース電圧VB1は、基準コンデンサ27に蓄積された負
の電荷が抵抗器73を通過して放電していくことによ
り、やがて、カットオフベース電圧よりもわずかに大と
なる。
With the passage of time, the base voltage V B1 of the transistor 71 is eventually cut off as the negative charge accumulated in the reference capacitor 27 passes through the resistor 73 and is discharged. Slightly larger than.

【0039】このとき、トランジスタ71のベースには
ベース電流が流れ込む一方、コレクタにはコレクタ電流
が流入する。よって、トランジスタ71のコレクタ電圧
C1が低下し、また、感圧コンデンサ26を介して、ト
ランジスタ72のベース電圧VB2が低下し、さらに、コ
レクタ電圧VC2が上昇し、さらにまた、基準コンデンサ
27を介して、トランジスタ71のベース電圧VB1が上
昇する。
At this time, the base current flows into the base of the transistor 71, while the collector current flows into the collector. Therefore, the collector voltage V C1 of the transistor 71 decreases, the base voltage V B2 of the transistor 72 decreases via the pressure sensitive capacitor 26, the collector voltage V C2 further increases, and the reference capacitor 27 again. Through, the base voltage V B1 of the transistor 71 rises.

【0040】こうして、トランジスタ71のベース電圧
B1が飽和ベース電圧に達して静止する一方、トランジ
スタ72のベース電圧VB2がコレクタ電圧が急に低下す
るために負になり、トランジスタ72はカットオフにな
る。
In this way, the base voltage V B1 of the transistor 71 reaches the saturation base voltage and becomes stationary, while the base voltage V B2 of the transistor 72 becomes negative because the collector voltage suddenly drops, and the transistor 72 is cut off. Become.

【0041】トランジスタ72のコレクタ電圧VC2、即
ち、出力端子77にあらわれるフリップフロップ回路部
70の出力信号は、図9に示すように、矩形波を呈す
る。その全周期Tは、ハイレベルを含む半周期T1 とロ
ーレベルを含む半周期T2 とに分解できる。
The collector voltage V C2 of the transistor 72, that is, the output signal of the flip-flop circuit section 70 appearing at the output terminal 77 has a rectangular wave as shown in FIG. The entire period T can be decomposed into a half period T 1 including a high level and a half period T 2 including a low level.

【0042】半周期T1 は、基準コンデンサ27の静電
容量CR 、および抵抗器73の抵抗R1 を用いて、以下
に示す数式1であらわされる。ただし、数式1におい
て、kは、定数である。
The half cycle T 1 is expressed by the following equation 1 using the electrostatic capacitance C R of the reference capacitor 27 and the resistance R 1 of the resistor 73. However, in Formula 1, k is a constant.

【0043】[0043]

【数1】 また、半周期T2 は、感圧コンデンサ26の静電容量C
S 、および抵抗器75の抵抗R3 を用いて、以下に示す
数式2であらわされる。ただし、数式2において、k
は、定数である。
[Equation 1] Further, the half cycle T 2 is the electrostatic capacitance C of the pressure-sensitive capacitor 26.
It is expressed by Equation 2 below using S 1 and the resistance R 3 of the resistor 75. However, in Equation 2, k
Is a constant.

【0044】[0044]

【数2】 数式1および数式2からわかるように、半周期T1 は、
基準コンデンサ27の静電容量CR が一定であるため、
感圧コンデンサ26への印加圧力に拘らず、変化しな
い。一方、半周期T2 は、静電容量CS に応じて、即
ち、感圧コンデンサ26への印加圧力に応じて変化す
る。よって、フリップフロップ回路部70によれば、実
施例1におけるモノマルチ部40の出力信号と同様の出
力信号が得られる。このことを換言すれば、実施例2に
よるフリップフロップ回路部70は、実施例1によるC
−F変換部30とモノマルチ部40とを合わせたものと
同様の作用をなすものといえる。
[Equation 2] As can be seen from Equation 1 and Equation 2, the half cycle T 1 is
Since the capacitance C R of the reference capacitor 27 is constant,
It does not change regardless of the pressure applied to the pressure-sensitive capacitor 26. On the other hand, the half cycle T 2 changes according to the electrostatic capacitance C S , that is, according to the pressure applied to the pressure sensitive capacitor 26. Therefore, according to the flip-flop circuit unit 70, an output signal similar to the output signal of the mono-multi unit 40 in the first embodiment can be obtained. In other words, the flip-flop circuit unit 70 according to the second embodiment is the same as the flip-flop circuit unit 70 according to the first embodiment.
It can be said that the same operation as the combination of the -F conversion unit 30 and the mono-multi unit 40 is performed.

【0045】そして、フリップフロップ回路部70から
の出力信号は、積分回路部50に入力されると、実施例
1と同様に、積分され、感圧コンデンサ26への印加圧
力に応じた電圧を持つ直流電圧となる。さらに、積分回
路部50の出力信号を、リニアライズ回路部60に入力
することで、実施例1と同様に、感圧コンデンサ26へ
の印加圧力に対して出力電圧が直線的な比例関係にある
ように補正される。
When the output signal from the flip-flop circuit section 70 is input to the integration circuit section 50, it is integrated and has a voltage corresponding to the pressure applied to the pressure-sensitive capacitor 26, as in the first embodiment. It becomes a DC voltage. Further, by inputting the output signal of the integrating circuit section 50 to the linearizing circuit section 60, the output voltage is linearly proportional to the pressure applied to the pressure sensitive capacitor 26, as in the first embodiment. Is corrected as follows.

【0046】[0046]

【発明の効果】本発明による静電容量式圧力センサは、
外部から印加される圧力に応じて変化する静電容量を持
つ感圧コンデンサを含む静電容量−周波数変換部から
の、静電容量に応じて全周期が変化する矩形波を呈する
出力信号を、モノマルチ部にて、静電容量に応じて半周
期が変化する矩形波を呈する出力信号にして出力し、積
分回路部にて、この出力信号を積分することにより、静
電容量に応じた電圧を持つ直流電圧である出力信号にし
て出力し、リニアライズ回路部にて、この出力信号につ
いて、その特性の直線性を補正するため、後段の信号処
理が簡単であり、後段の信号処理手段の構造を簡素化で
きる。
The capacitance type pressure sensor according to the present invention is
An output signal exhibiting a rectangular wave whose entire period changes according to the capacitance, from a capacitance-frequency conversion unit including a pressure-sensitive capacitor having a capacitance that changes according to the pressure applied from the outside, The mono-multi section outputs an output signal that presents a rectangular wave whose half cycle changes according to the electrostatic capacity, and outputs the output signal. The integrating circuit section integrates this output signal to obtain a voltage corresponding to the electrostatic capacity. Is output as an output signal which is a DC voltage, and the linearization circuit section corrects the linearity of the characteristics of the output signal, so that the signal processing of the latter stage is simple, and the signal processing means of the latter stage is The structure can be simplified.

【0047】また、感圧コンデンサと所定の固定静電容
量を持つ基準コンデンサとを含み、感圧コンデンサの静
電容量に応じて半周期が変化する矩形波を呈する出力信
号を出力するフリプフロップ回路部を用いれば、モノマ
ルチ部を用いなくとも、上記静電容量式圧力センサと同
様の作用効果が得られる。
Further, a flip-flop circuit including a pressure sensitive capacitor and a reference capacitor having a predetermined fixed capacitance, and outputting an output signal exhibiting a rectangular wave whose half cycle changes in accordance with the capacitance of the pressure sensitive capacitor. If the section is used, the same operational effect as the capacitance type pressure sensor can be obtained without using the mono-multi section.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例1による静電容量式圧力センサ
を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a capacitance type pressure sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例1および実施例2に含まれるセ
ンサチップを示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a sensor chip included in Examples 1 and 2 of the present invention.

【図3】図1に示す静電容量式圧力センサの各部におけ
る出力信号を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing output signals at various parts of the capacitance type pressure sensor shown in FIG.

【図4】本発明の実施例1および実施例2に含まれる積
分回路部を示す回路図である。
FIG. 4 is a circuit diagram showing an integration circuit unit included in the first and second embodiments of the present invention.

【図5】感圧コンデンサへの印加圧力に対する図4に示
す積分回路部の出力電圧の特性を示す図である。
5 is a diagram showing the characteristics of the output voltage of the integration circuit unit shown in FIG. 4 with respect to the pressure applied to the pressure-sensitive capacitor.

【図6】本発明の実施例1および実施例2に含まれるリ
ニアライズ回路部の一例を示す回路図である。
FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of a linearization circuit section included in the first and second embodiments of the present invention.

【図7】図6に示すリニアライズ回路部の入力電圧−出
力電圧特性図である。
7 is an input voltage-output voltage characteristic diagram of the linearization circuit unit shown in FIG.

【図8】本発明の実施例2による静電容量式圧力センサ
を示すブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram showing a capacitance type pressure sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図9】図8に示す静電容量式圧力センサのフリップフ
ロップ回路部の出力信号を示す図である。
9 is a diagram showing an output signal of a flip-flop circuit portion of the capacitance type pressure sensor shown in FIG.

【図10】従来例による静電容量式圧力センサを示す回
路図である。
FIG. 10 is a circuit diagram showing a capacitance type pressure sensor according to a conventional example.

【図11】図10に示す静電容量式圧力センサに含まれ
る感圧コンデンサを示す断面図である。
11 is a cross-sectional view showing a pressure sensitive capacitor included in the capacitance type pressure sensor shown in FIG.

【図12】図10に示す静電容量式圧力センサの印加圧
力に対する出力信号の周波数特性を示す図である。
12 is a diagram showing a frequency characteristic of an output signal with respect to an applied pressure of the capacitance type pressure sensor shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 センサチップ 26 感圧コンデンサ 27 基準コンデンサ 30 C−F変換部 30a 積分回路 30b コンパレータ回路 40 モノマルチ部 50 積分回路部 60 リニアライズ回路部 70 フリップフロップ回路部 80 感圧コンデンサ 90 静電容量式圧力センサ 90a 積分回路 90b コンパレータ回路 10 Sensor Chip 26 Pressure Sensitive Capacitor 27 Reference Capacitor 30 C-F Converter 30a Integrator Circuit 30b Comparator Circuit 40 Mono-Multi Part 50 Integrator Circuit Part 60 Linearize Circuit Part 70 Flip-Flop Circuit Part 80 Pressure Sensitive Capacitor 90 Capacitive Pressure Sensor 90a Integration circuit 90b Comparator circuit

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 外部から印加される圧力に応じて変化す
る静電容量を持つ感圧コンデンサを含み、前記静電容量
に応じて全周期が変化する矩形波を呈する出力信号を出
力する静電容量−周波数変換部を有する静電容量式圧力
センサにおいて、前記静電容量−周波数変換部からの出
力信号を、前記静電容量に応じて半周期が変化する矩形
波を呈する出力信号にして出力するモノステーブルマル
チバイブレータ部と、前記モノステーブルマルチバイブ
レータ部からの出力信号を、積分することにより、前記
静電容量に応じた電圧を持つ直流電圧である出力信号に
して出力する積分回路部と、前記積分回路部からの出力
信号について、その特性の直線性を補正するリニアライ
ズ回路部とを有することを特徴とする静電容量式圧力セ
ンサ。
1. An electrostatic capacitor including a pressure-sensitive capacitor having an electrostatic capacity that changes according to a pressure applied from the outside, and outputting an output signal exhibiting a rectangular wave whose entire period changes according to the electrostatic capacity. In a capacitance type pressure sensor having a capacitance-frequency conversion unit, an output signal from the capacitance-frequency conversion unit is output as an output signal exhibiting a rectangular wave whose half cycle changes according to the capacitance. A monostable multivibrator section that does, and an output circuit from the monostable multivibrator section, by integrating, an integrating circuit section that outputs as an output signal that is a DC voltage having a voltage according to the capacitance, A capacitance type pressure sensor, comprising: a linearizing circuit section for correcting the linearity of the characteristics of the output signal from the integrating circuit section.
【請求項2】 外部から印加される圧力に応じて変化す
る静電容量を持つ感圧コンデンサと所定の固定静電容量
を持つ基準コンデンサとを含み、前記静電容量に応じて
半周期が変化する矩形波を呈する出力信号を出力するフ
リプフロップ回路部と、前記フリプフロップ回路部から
の出力信号を、積分することにより、前記静電容量に応
じた電圧を持つ直流電圧である出力信号にして出力する
積分回路部と、前記積分回路部からの出力信号につい
て、その特性の曲線性を補正するリニアライズ回路部と
を有することを特徴とする静電容量式圧力センサ。
2. A pressure sensitive capacitor having an electrostatic capacity that changes according to a pressure applied from the outside, and a reference capacitor having a predetermined fixed electrostatic capacity, and a half cycle changes according to the electrostatic capacity. The output signal from the flip-flop circuit section that outputs an output signal exhibiting a rectangular wave and the output signal from the flip-flop circuit section are integrated into an output signal that is a DC voltage having a voltage according to the capacitance. An electrostatic capacitance type pressure sensor comprising: an integrating circuit section for outputting; and a linearizing circuit section for correcting the curve characteristic of the output signal from the integrating circuit section.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010125601A1 (en) * 2009-04-27 2010-11-04 キヤノンアネルバ株式会社 Capacitance diaphragm gauge, vacuum device, and method for manufacture of device
CN107690573A (en) * 2015-06-03 2018-02-13 赛峰电子与防务公司 Pressure measuring device and associated calibration method with improved reliability

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