JP2000046563A - 半導体力学量センサ - Google Patents

半導体力学量センサ

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JP2000046563A
JP2000046563A JP11216803A JP21680399A JP2000046563A JP 2000046563 A JP2000046563 A JP 2000046563A JP 11216803 A JP11216803 A JP 11216803A JP 21680399 A JP21680399 A JP 21680399A JP 2000046563 A JP2000046563 A JP 2000046563A
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electrode
movable
semiconductor
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quantity sensor
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Tetsuo Fujii
哲夫 藤井
Masato Imai
正人 今井
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Denso Corp
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Denso Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 可動部に作用する力学量を検出する半導体力
学量センサにおいて、可動部の可動状態を検出するこ
と。 【構成】 単結晶シリコン基板101をエッチングする
ことによって形成された可動電極112は錘139と3
つの突起103,104,105を含んでいる。錘13
9の下には、ポリシリコンからなるセンス用電極113
と励振用電極114とが形成されている。励振電極11
4には交流電力が加えられて静電気により錘139を励
振させる。センス電極113は錘139の励振を検知し
て錘139の励振に伴う出力信号に基づいてフィードバ
ック制御により所定の錘励振を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は半導体力学センサに関
するものである。
【0002】
【従来の技術】本願出願人はすでに、平成4年特許願第
223072号にて、容量式半導体力学量センサとして
を提案している。これは、図17に示すように、半導体
基板の一部に当該基板と離間した梁構造を形成し、その
梁の先端に形成された錘(可動部)の一面と同錘面と対
向する基板壁面に交流電力を加えて静電気により錘を励
振させ、当該錘の励振方向に対し直交する軸方向におい
て錘の一面と同錘面と対向する基板壁面に電極を対向配
置して当該対向電極間の容量の変化を電気的に検出して
同方向に働くヨーレイトを検出するようにしたものであ
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】この種の容量式半導体
力学量センサでは、可動部に力学量が作用したときに該
可動部が正常に可動しなければ、力学量を正確に検出す
ることができない。ところが、上記の半導体力学センサ
においては、錘が正常に可動するか否かを監視すること
については何ら触れられておらず今後の課題となってい
る。
【0004】そこで、この発明の目的は、可動部の可動
状態を検出することができる半導体力学量センサを提供
することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の半導体力
学量センサは、半導体層から成る可動部に作用する力学
量を検出するものであって、前記可動部と対向する位置
に形成され、前記可動部を励振させ、その励振状態を検
出する励振状態検出手段を備えることを特徴とする。
【0006】請求項8記載の半導体力学量センサは、1
つの可動部に電気的に一体に形成された第1の領域、第
2の領域及び第3の領域と、前記第1の領域と対向する
位置に形成され、前記可動部を励振させる第1の電極
と、前記第2の領域と対向する位置に形成され、前記可
動部の励振状態を検知する第2の電極と、前記第3の領
域と対向する位置に形成され、前記可動部に作用する力
学量を検知する第3の電極とを備えることを特徴とす
る。
【0007】
【作用及び発明の効果】請求項1記載の発明では、励振
状態検出手段が、可動部を励振させ、その励振状態を検
出するので、励振している可動部の検出に基づき可動部
が正常に可動するか否かを監視することができる。
【0008】請求項8記載の発明では、第1の電極が可
動部を励振させ、第2の電極にてその励振状態を検出す
るので、励振している可動部の検出に基づき可動部が正
常に可動するか否かを監視することができる。また、第
1乃至第3の電極と各々対向する第1乃至第3の領域が
1つの可動部に一体に形成されているので、第1乃至第
3の領域を一つ一つ製造することなく、同一工程にて製
造することが可能となり、製造プロセスを簡便化するこ
とが可能となる。
【0009】
【実施例】(第1実施例)以下、この発明を具体化した
一実施例を図面に従って説明する。
【0010】図2には、本実施例における半導体ヨーレ
イトセンサの概略平面図を示す。つまり、本センサは単
結晶シリコン基板101に片持ち梁102が形成され、
その先端に錘139が形成されている。又、錘139の
先端部には梁の延設方向に3つの突起103,104,
105が離間して延設されている。又、片持ち梁102
(錘139)の先端面に対向する単結晶シリコン基板1
側には、突起103と104との間において2つの突起
106,107が離間して突起103,104の延設方
向に平行状態にて延設されている。同様に、片持ち梁1
02(錘139)の先端面に対向するシリコン基板10
1側には、突起104と105との間において2つの突
起108,109が離間して突起104,105の延設
方向に平行状態にて延設されている。
【0011】又、図3には、電極を含めた半導体ヨーレ
イトセンサの平面図を示す。さらに、図1には、図3の
A−A断面図を示す。尚、SOI回路に形成するIC回
路、配線等は省略し、本センサにおける容量を取り出す
電極および振動電極等のみに関して外部取り出し用のア
ルミ電極のみを示してある。つまり、全ての電極取り出
し部が単結晶シリコン基板101の主表面上に形成され
ている。
【0012】図1に示すように、単結晶シリコン基板1
10上にSiO2膜111を介して単結晶シリコン基板
101が接合され、この単結晶シリコン基板101に前
述した梁構造が形成されている。
【0013】図1,3において、片持ち梁102の錘1
39の表面には可動電極112が形成されている。この
可動電極112は、錘139の3つの突起103,10
4,105を含むものである。又、錘139の下方に
は、2つの電極113,114が並設されている。励振
用電極114は、交流電力を加えて静電気により錘13
9を励振させるためのものである。つまり、可動電極1
12と励振用電極114とにより励振用対向電極が形成
されている。
【0014】一方、センス用電極113は錘139の励
振を検知するためのものであり、錘139の励振に伴う
出力信号に基づいてフィードバック制御により所定の錘
139の励振が行われる。つまり、可動電極112とセ
ンス用電極113とにより励振のフィードバック用対向
電極が形成されている。
【0015】又、図3に示すように、片持ち梁102の
突起103を挟んで固定電極133と134(突起10
6)が形成されるとともに、突起104を挟んで固定電
極135(突起107)と136(突起108)が形成
されている。さらに、突起105を挟んで固定電極13
7(突起109)と138が形成されている。つまり、
突起103(可動電極112)と固定電極133,13
4とにより対向電極が、又、突起104(可動電極11
2)と固定電極135,136とにより対向電極が形成
されている。さらに、突起105(可動電極112)と
固定電極137,138とにより対向電極が形成されて
いる。
【0016】図4〜図8にはその製造工程を示す。以
下、製造工程を説明する。図4に示すように、1〜20
Ω・cmのn型(100)単結晶シリコン基板101を
用意し、単結晶シリコン基板101の主表面にドライエ
ッチング又はウェットエッチングにより凹部115を所
定の深さ、例えば、0.1〜5μmの深さで形成する。
そして、単結晶シリコン基板101の主表面にSiO2
膜を形成し、フォトリソグラフィー手法によりパターン
を形成する。続いて、凹部115の底部を含む単結晶シ
リコン基板101の主表面にドライエッチング等により
0.1〜30μm程度のトレンチ116を形成する。
【0017】本実施例では、この凹部115とトレンチ
116とにより溝が構成されている。そして、トレンチ
116の内壁を含む単結晶シリコン基板101の主表面
に、n+拡散層117を形成するとともに、その表面に
熱酸化によりSiO2膜118を形成する。
【0018】その後、図5に示すように、凹部115、
トレンチ116内にLPCVD法によりポリシリコン膜
119を埋め込む。引き続き、SiO2膜118をスト
ッパーとしてポリシリコン膜119の表面を研摩し、表
面を平滑にする。この時、ポリシリコン膜119とSi
2膜118の表面が平滑になることが望ましい。
【0019】続いて、表面に例えばCVD法等により
0.3〜2μm程度の厚さのSiO2膜120を形成
し、n+拡散層117との電気的接続用の下部コンタク
ト121を所定の位置に形成する。
【0020】さらに、As,P(リン)を不純物とした
+ポリシリコン122を0.2〜1μmの厚さで形成
して、これを所定の電極パターン及びシールド層とす
る。次に、表面に、例えば絶縁膜であるBGSP膜12
3を0.2〜1μmの厚さで形成する。そして、このB
GSP膜123の表面を平坦化研摩する。
【0021】一方、図6に示すように、シリコン基板1
10を用意し、その表面に熱酸化により0.2〜1μm
のSiO2膜111を形成する。引き続き、図7に示す
ように、シリコン基板101及び110を、SiO2
111を介して、例えば1000℃、N2中で接合す
る。そして、単結晶シリコン基板101の裏面を、Si
2膜118をストッパとして選択研摩する。この研摩
によりポリシリコン119とそれにより分離されたシリ
コン基板101領域を表面に露出させる。
【0022】続いて、単結晶シリコン基板101領域に
公知の方法でIC基板その他のデバイス(図示せず)を
作製するとともに、アルミ配線,パッシベーション膜,
パッド窓(いずれも図示せず)を形成する。
【0023】続いて、図8に示すように、所定領域のS
iO2膜118を除去し、図3に示すエッチング用孔1
24を用いて所定領域のポリシリコン膜119を除去す
る。一例として、TMAH(テトラメチルアンモニウム
ハイドロオキサイド)エッチング液を用いる。このエッ
チングにより、可動電極(梁部)が形成される。
【0024】このようにして製造された半導体ヨーレイ
トセンサにおいては、シリコン基板110上にSiO2
膜111を介して薄膜化された単結晶シリコン基板10
1が接合され、単結晶シリコン基板101には先端に錘
139を有する片持ち梁102が形成されている。又、
錘139の一面(図1の下面)にはn+拡散層117
が、又、同錘面と対向する単結晶シリコン基板101の
下面にn+ポリシリコン122(励振用電極114)が
形成され、n+拡散層117とn+ポリシリコン122と
により励振用対向電極が形成される。そして、この励振
用対向電極に交流電力を加えて静電気により錘139が
励振する。さらに、錘139の励振方向に対し直交する
軸方向において、錘139の一面にはn+拡散層117
が、又、同錘面と対向する単結晶シリコン基板101の
壁面にn+拡散層117が形成され、錘139側のn+
散層117と単結晶シリコン基板101の壁面側のn+
拡散層117とによりヨーレイト検出用電極が形成され
る。このヨーレイト検出用電極により電気容量の変化を
検出して同方向に働くヨーレイトが検出される。
【0025】つまり、励振用対向電極(n+拡散層11
7とn+ポリシリコン122)に交流電力を加えて静電
気により錘139を励振させる。この状態で、ヨーレイ
ト検出用電極(錘139側のn+拡散層117と、単結
晶シリコン基板101の壁面側のn+拡散層117)に
より錘139の励振方向に対し直交する軸方向において
電気容量の変化が検出されて同方向に働くヨーレイトが
検出される。
【0026】このように本実施例では、単結晶シリコン
基板101の主表面に、錘139を有する片持ち梁10
2を形成するための所定深さの溝としての凹部115,
トレンチ116を形成し(第1工程)、錘139となる
基板表面領域及びこの錘139を囲む凹部115,トレ
ンチ116の内壁において基板面方向(図4の左右方
向)にトレンチ116を挟んで一対の対向電極としての
+拡散層117を形成するとともに、錘139となる
基板表面領域において基板面方向に直交する方向(図5
の上下方向;シリコン基板101の厚さ方向)にn+
散層117(第1電極)を形成する(第2工程)。そし
て、凹部115,トレンチ116を充填材としてのポリ
シリコン膜119にて充填するとともにポリシリコン膜
119を挟んでn+拡散層117(第1電極)に対し対
向するn+ポリシリコン膜122(電極)を形成し、さ
らに、単結晶シリコン基板101の主表面を平滑化し
(第3工程)、単結晶シリコン基板101の主表面とシ
リコン基板110とを接合する(第4工程)。さらに、
単結晶シリコン基板101の裏面側を所定量研摩して単
結晶シリコン基板101を薄膜化し(第5工程)、単結
晶シリコン基板101の裏面側からポリシリコン膜11
9をエッチング除去して錘139を有する片持ち梁10
2を形成する(第6工程)。
【0027】その結果、シリコン基板110上にSiO
2膜111(絶縁膜)を介して接合され、かつ薄膜化さ
れた単結晶シリコン基板101と、単結晶シリコン基板
101に形成され、錘139を有する梁102と、錘1
39の一面および同錘面と対応する壁面に形成された可
動電極112,励振用電極114(第1の対向電極)
と、錘139の可動電極112,励振用電極114に対
して直交する軸方向において錘139の一面および同錘
面と対向する壁面に形成された突起103〜105,固
定電極133〜138(第2の対向電極)とを備えるこ
ととなる。
【0028】又、対向電極のどちらか1つ、即ち、可動
電極112,励振用電極114は単結晶シリコン基板1
01の主表面に平行に形成されている。さらに、全ての
電極取り出し部を薄膜化された単結晶シリコン基板10
1の同一面上に形成した。
【0029】このように、シリコン基板110上にSi
2膜111を介して接合され、かつ、薄膜化された単
結晶シリコン基板101と、単結晶シリコン基板101
に形成され、先端に錘139を有する片持ち梁102
と、錘139の一面および同錘面と対向する単結晶シリ
コン基板101の壁面に形成され、交流電力を加えて静
電気により錘139を励振させる励振用対向電極と、錘
139の励振方向に対し直交する軸方向において、錘1
39の一面および同錘面と対向する単結晶シリコン基板
101の壁面に形成され、電気容量の変化を検出して同
方向に働くヨーレイトを検出するためのヨーレイト検出
用電極とを備えた半導体ヨーレイトセンサとなる。
【0030】このようにして表面マイクロマシーニング
技術を用いて、ウェハプロセス途中、特にIC回路作製
時、ウェハ凹部、貫通孔等のある状態での熱処理、フォ
トリソグラフィー処理等は行わず、プロセスの安定化、
コンタミネーションを防ぎデバイスの安定化、高精度化
を図ることができることとなる。
【0031】尚、本実施例の応用としては、上記実施例
では励振用電極、センス電極を基板内部に埋め込んだ構
造で説明したが、コスト低減化のためセンス電極を省略
してもよい。この場合、上記構造の他にシリコン基板を
励振用電極としてそのまま利用することもできる。
【0032】又、本実施例ではウェハ面と平行に形成し
た電極をセンス用電極、励振用電極とし、垂直方向の電
極をコリオリの力を検出するための固定電極として用い
たが、逆に利用することもできる。即ち、シリコン基板
101に垂直方向に形成した固定電極の一方を励振用電
極とし、もう一方の垂直方向の電極をフィードバックを
かけるためのセンス用電極として用い、ウェハ面に水平
な電極をコリオリの力を検出するための電極としてもよ
い。
【0033】さらに、凹部115とトレンチ116を充
填するためのポリシリコン膜119(即ち、多結晶シリ
コン膜)は、非晶質又は多結晶と非晶質の混在したシリ
コン膜を用いてもよい。
【0034】(第2実施例)次に、第2実施例を第1実
施例との相違点を中心に説明する。
【0035】本実施例は、第1実施例に対し出力をさら
に増大し、かつ、過剰な衝撃等に対して梁の破壊を防止
しようとするものである。図9〜図15にはセンサの製
造工程を示す。以下、製造工程を説明する。
【0036】第1実施例の図4において、図9に示すよ
うに、SiO2膜118の形成後、LPCVD法により
200〜2000ÅのSi34膜125を形成する。本
実施例ではSi34膜125の膜厚を500Åとしてい
る。
【0037】第1実施例と同様なプロセスで第1実施例
の図7に示すような表面平坦化研摩を行う。続いて、フ
ォトリソグラフィーにより図9のレジスト126で所定
のパターンを形成する。そして、図10に示すように、
ドライエッチング等により単結晶シリコン基板101の
センサ部になる領域を部分的に除去する。
【0038】次に、レジスト126をマスクとして、例
えばフッ酸を主体とするウェットエッチングによりSi
2膜118を除去する。続いて、レジスト126を除
去する。
【0039】以後、説明を分かりやすくするため図10
のセンサ部Bの拡大図を用いて説明していく。図11は
その拡大部分である。
【0040】図12に示すように、Si34膜125を
熱酸化のマスクとしてSiO2膜127を500〜10
000Å形成する。本実施例では、SiO2膜127の
厚さを1000Åとしている。
【0041】続いて、図13に示すように、熱酸化時の
マスクとして用いたSi34膜125をプラズマエッチ
ングまたは熱リン酸のエッチングにて除去する。続い
て、LPCVD法等によりポリシリコン128を表面に
形成し、ポリシリコン128の表面を選択研摩によりS
iO2膜127をストッパとして除去する。
【0042】さらに、TMAH(テトラメチルアンモニ
ウムハイドロオキサイド)液にて表面の仕上げを行う。
ここで、周辺部にIC回路等形成のプロセスを行う(図
示せず)。
【0043】そして、図14に示すように、表面にSi
34膜129を500〜2000Å形成し、電極層およ
びセンサの過度の振幅に対するストッパとしてn+ポリ
シリコン層130を形成する。続いて、表面保護膜とし
てBPSG膜131を形する。尚、この膜はSi34
等で形成することも可能である。続いて、窓部132を
明ける。
【0044】続いて、図15に示すように、TMAH液
にてポリシリコン119,ポリシリコン128をこの窓
部132よりエッチング除去する。このようにして、全
周を電極及びストッパで包囲された可動部(片持ち梁)
を持つセンサが形成される。又、この構造においては、
基板と垂直方向に錘部分を励振させた場合、図15に示
すように、a>bかつaの範囲内にbがあるので励振に
よるヨーレイトを検出する場合の容量の変化はほとんど
ない。又、このようにaとbの関係は第1実施例に作り
込むこともできる。
【0045】尚、図16は全体の様子がより詳しく分か
るようにした図である。このように本実施例では、片持
ち梁102の上方にストッパ部材を配置したので、第1
実施例に対し出力をさらに増大、かつ、過剰な衝撃等に
対して片持ち梁102の破壊が防止できる。
【0046】尚、この発明は上記各実施例に限定される
ものではなく、例えばセンサユニットを互いに直交する
方向に2組配置して2軸方向でのヨーレイトを検出する
ようにしてもよい。又、片持ち梁に限定されるものでも
ない。さらに、ヨーレイト検出に限らず、例えば、上述
の実施例において励振用電極としたものを、上下方向に
おける変位を容量検出する電極とし、2方向における変
位検出を可能とした力学センサに用いることも可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例における半導体ヨーレイトセンサの
断面図である。
【図2】第1実施例における半導体ヨーレイトセンサの
概略平面図である。
【図3】電極を含めた半導体ヨーレイトセンサの平面図
である。
【図4】製造工程を示す断面図である。
【図5】製造工程を示す断面図である。
【図6】製造工程を示す断面図である。
【図7】製造工程を示す断面図である。
【図8】製造工程を示す断面図である。
【図9】第2実施例の半導体ヨーレイトセンサの製造工
程を示す断面図である。
【図10】製造工程を示す断面図である。
【図11】製造工程を示す断面図である。
【図12】製造工程を示す断面図である。
【図13】製造工程を示す断面図である。
【図14】製造工程を示す断面図である。
【図15】製造工程を示す断面図である。
【図16】製造工程を示す断面図である。
【図17】センサの原理を説明するための説明図であ
る。
【符号の説明】 101 単結晶シリコン基板 102 片持ち梁 103〜105 第2の対向電極を構成する突起 110 シリコン基板 111 絶縁膜としてのSiO2膜 112 第1の対向電極を構成する可動電極 114 第1の対向電極を構成する励振用電極 115 溝を構成する凹部 116 溝を構成するトレンチ 117 n+拡散層 119 充填材としてのポリシコン膜 122 n+ポリシリコン膜 133〜138 第2の対向電極を構成する固定電極 139 錘

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体層から成る可動部に作用する力学
    量を検出する半導体力学量センサにおいて、 前記可動部と対向する位置に形成され、前記可動部を励
    振させ、その励振状態を検出する励振状態検出手段を備
    えることを特徴とする半導体力学量センサ。
  2. 【請求項2】 前記励振状態検出手段は、交流電力が印
    加されて静電気力を発生して前記可動部を励振させるこ
    とを特徴とする請求項1記載の半導体力学量センサ。
  3. 【請求項3】 前記励振状態検出手段は、前記可動部に
    力学量が作用したときに前記可動部の可動によって形成
    される面と平行な面に形成されていることを特徴とする
    請求項1または2記載の半導体力学量センサ。
  4. 【請求項4】 前記励振状態検出手段は、前記可動部の
    下に形成されていることを特徴とする請求項1乃至3い
    ずれか1つに記載の半導体力学量センサ。
  5. 【請求項5】 前記励振状態検出手段は、第1の電極を
    有し、該第1の電極と前記可動部との間の容量変化を検
    知することで、前記可動部の励振状態を検出することを
    特徴とする請求項1乃至4いずれか1つに記載の半導体
    力学量センサ。
  6. 【請求項6】 前記励振状態検出手段は、第2の電極を
    有し、該第2の電極に交流電力が印加されて静電気力を
    発生することを特徴とする請求項5記載の半導体力学量
    センサ。
  7. 【請求項7】 前記可動部と対向する位置に形成された
    容量検出電極を備え、前記可動部と前記容量検出電極と
    の間の容量変化を検知することで、前記可動部に作用す
    る力学量を検出することを特徴とする請求項1乃至6何
    れか1つに記載の半導体力学量センサ。
  8. 【請求項8】 1つの可動部に電気的に一体に形成され
    た第1の領域、第2の領域及び第3の領域と、 前記第1の領域と対向する位置に形成され、前記可動部
    を励振させる第1の電極と、 前記第2の領域と対向する位置に形成され、前記可動部
    の励振状態を検知する第2の電極と、 前記第3の領域と対向する位置に形成され、前記可動部
    に作用する力学量を検知する第3の電極と、 を備えることを特徴とする半導体力学量センサ。
  9. 【請求項9】 前記第1の電極は、交流電力が印加され
    て静電気力を発生し、この静電気力を前記第1の領域に
    作用させて前記可動部を励振させることを特徴とする請
    求項8記載の半導体力学量センサ。
  10. 【請求項10】 前記可動部は半導体層から成ることを
    特徴とする請求項8または9記載の半導体力学量セン
    サ。
  11. 【請求項11】 前記第1の電極及び第2の電極は同一
    材料の半導体層から成ることを特徴とする請求項6また
    は9記載の半導体力学量センサ。
  12. 【請求項12】 前記第1の電極及び第2の電極は同一
    平面に形成されていることを特徴とする請求項11記載
    の半導体力学量センサ。
  13. 【請求項13】 互いに平行に形成され、前記第1の電
    極及び第2の電極に各々接続された配線を備えることを
    特徴とする請求項6または9記載の半導体力学量セン
    サ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101704498B (zh) * 2009-11-16 2012-04-18 北京大学 静电致动器及其制备方法、抗瞬时扰动方法

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