JP2001272294A - 選択封止付き超小型電気機械式システム・センサおよびそのための方法 - Google Patents

選択封止付き超小型電気機械式システム・センサおよびそのための方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超小型電気機械式圧力センサの選択封止によ
り、圧力センサ・ダイアフラム（１２１）を周囲圧力に
暴露させながら、封止によるワイヤ・ボンドの保護を達
成することを可能にする。 【解決手段】 圧力センサ・ダイアフラム（１２１）の
外周に保護ダム（１５０）を構築して、保護ダム（１５
０）とデバイス・ハウジング（１０５）との間にワイヤ
・ボンド・キャビティ領域を形成することによって、選
択封止が可能になる。ワイヤ・ボンド・キャビティは、
封止ゲル（１６０）またはベント・キャップ（１７０）
により封止することができる。代替的に、キャップ・ウ
ェハ（１５１）をデバイス・ウェハ（１２５）に結合す
るガラス・フリット・パターン（１５２）によって保護
ダム（１５０）を形成することができ、次いで、保護ダ
ムが取り付けられた２つのウェハの組合せを個別ダイに
裁断する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に超小型電気機械
式システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関し、さらに詳しく
はＭＥＭＳデバイスの選択封止に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＭＥＭＳセンサ、つまり集積回路サイズ
のミニチュア・センサは、種々の周囲状態を感知するた
めに小型装置を必要とする多種多様な消費製品および工
業製品に導入されている。ＭＥＭＳ圧力センサの組込み
の潜在的可能性が自動車タイヤより大きい適用分野は、
現在、おそらく存在しない。この適用分野は、ＲＦ送信
機を装備した１つまたはそれ以上のＭＥＭＳ圧力センサ
を自動車タイヤ内に埋め込むことが必要である。このセ
ンサはタイヤ空気圧を監視し、低空気圧警報を提供する
信号を自動車の処理装置および表示装置に送信して、危
険なタイヤのことをドライバに警告する。
【０００３】図１は、接着剤１７によりプラスチック・
パッケージ１２に結合された圧力センサ・ダイ１３を有
するプラスチック・パッケージ１２上に形成されたキャ
ビティに封止ゲル１１を注入する、ＭＥＭＳデバイス１
０の従来の封止を示す。封止ゲル１１の目的は、圧力セ
ンサ・ダイ１３とリード・フレーム１４との間のワイヤ
・ボンド１５を保護することである。しかし、従来使用
された総封止技術は、圧力センサ・ダイアフラム１６を
含め、圧力センサ・ダイ１３を完全に被覆した。
【０００４】この従来技術の総封止ゲル技術の第一の欠
点は、一種の加速度感受性である。封止ゲル１１が圧力
センサ・ダイアフラム１６を被覆し、ＭＥＭＳデバイス
１０が高い毎分回転数（ＲＰＭ）にさらされるタイヤに
配置されると、そのような高いＲＰＭによって実現され
る加速度成分は、圧力センサ１３に対して封止ゲル１１
の質量を押しつけ、それにより誤ったタイヤ空気圧の読
みを提供する。
【０００５】総封止ゲル技術の別の欠点はゲルの過剰膨
張として知られ、一般的に「ゲル滲出」と呼ばれる。周
囲圧力の急激な変化によって生じるこの現象は、封止ゲ
ルをＭＥＭＳデバイス１０から滲出または噴出させる。
これは次にデバイスの完全性を損ね、汚染を生じ、最終
的に早期デバイス故障に至る。
【０００６】ＭＥＭＳ圧力センサの別の従来技術の封止
方法は、コンフォーマル・コーティングとして知られて
いた。これは、圧力センサ・ダイ、ワイヤ・ボンド、お
よびリード・フレーム上に薄いポリマーを塗布する必要
があった。コンフォーマル・コーティングは加速度感受
性の問題を部分的に解決するが、それ自体の欠点の組が
あった。
【０００７】厳しい環境では、湿気がコンフォーマル・
コーティングに浸透して、層間剥離やピーリングを発生
させる。ワイヤ・ボンドが露出するところまでコンフォ
ーマル・コーティングが層間剥離すると、ＭＥＭＳデバ
イスは早期故障を起こす。また、パリレンＣコーティン
グの場合、摂氏１０５度（℃）を超える熱は、コーティ
ングの酸化崩壊またはその他の永久的材料特性変化を引
き起こし、それによりコンフォーマル・コーティングは
さらに湿気の問題にさらされる。
【０００８】さらに別の従来技術の封止技法は、総封止
ゲルとコンフォーマル・コーティングを結合した。さら
に別の技法は、ＭＥＭＳデバイスをステンレス鋼のキャ
ップまたはカバーで封止するものであった。しかし、こ
れらの解決策は、加速度感受性のみならず、高コストに
関連する問題にもさらされた。
【０００９】圧力センサ・ユニットを製造するための別
の従来技術の技法は、コボリら（「コボリ」）によって
米国特許第４，８０２，９５２号に開示されている。コ
ボリは、圧電抵抗素子に陽極ボンディングを使用するウ
ェハ・レベルのキャッピング技法を開示している。コボ
リの欠点は、シリコン基板の下面に凹所をエッチングす
ることによって、圧力感受性ダイアフラムが形成される
ことである。この技法は、製造工程のコストを増加し、
効率を低下する。
【００１０】別の従来技術の実装技法は、ラムら（「ラ
ム」）によって米国特許第４，９４２，３８３号に開示
されている。ラムは、ダイが接着剤で底部カバーに結合
され、接着剤を超音波溶接することによって上部カバー
が底部カバーに結合された、圧力センサ・パッケージを
開示している。再び、センサ・ダイアフラムはパッケー
ジの下面に配置される。さらに、ダイ接着剤のダイアフ
ラムへの滲出を阻止するための予防手段が無い。
【００１１】さらに別の従来技術の技法が、高橋らによ
る１対の特許、米国特許第５，２０７，１０２号（「高
橋１０２」）および第５，３３３，５０５号（「高橋５
０５」）に開示されている。高橋１０２では、圧力セン
サ・ダイがペデスタルの頂面に配置され、ペデスタルの
底面はダイ・パッドに固定される。ワイヤ・ボンディン
グは圧力センサ・ダイをリードに接続する。ダイ、ワイ
ヤ・ボンド、ペデスタル、およびダイ・パッドは、エポ
キシ樹脂を使用して、従来の成形工程によって封止され
る。詳細には開示されていないが、図面および明細書か
ら、高橋１０２は、成形工程の一部として、エポキシ樹
脂の封止を制限するために一時的プラグに依存している
ようである。
【００１２】高橋５０５は、モノリシック成形中に被覆
樹脂がダイアフラム内に流入するのを防止するために、
圧電抵抗器の周囲を包囲する樹脂ダムを有する、高橋１
０２の改良版を開示している。高橋５０５を綿密に読む
と、ダムは実際には、圧力センサ・ダイとエポキシ樹脂
封止中に使用される成形プラグとの間のシールであるこ
とが分かる。ダム／シールは、明らかに高橋１０２の欠
点である封止樹脂のダイアフラムへの滲出を防止するの
に役立つ。高橋５０５は、印刷法または写真製版による
ダムの形成を開示している。ダムの高さは、圧力センサ
・ダイ上のボンド・パッドにほぼ等しい。成形封止エポ
キシ樹脂の高さは、ダムの高さより著しく高いことに注
意されたい。したがって、高橋５０５によって開示され
たダムは誤称である。つまり、それはキャビティまたは
リザーバを形成するものではなく、むしろ成形工程中の
樹脂の滲出を防止するシールであるという意味で、真の
ダムではない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】したがって、従来技術
の技法の性能上の欠点や故障メカニズムを招くことな
く、ＭＥＭＳセンサの完全性を保護するために、より信
頼でき、改善された品質で、より頑健な封止技法を提供
する必要がある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】図２は、本発明の実施形
態による選択封止付きＭＥＭＳセンサ１００の断面側面
図である。ＭＥＭＳ圧力センサ１００は、一般的にプラ
スチック材料から形成されるハウジング１０５（部分的
に図示）を含む。センサ・ダイ１２０は、エポキシまた
はシリコーン接着剤１１０によってプラスチック・ハウ
ジング１０５に取り付けられる。ワイヤ・ボンド１４０
は、センサ・ダイ１２０のワイヤ・ボンド・パッド１２
２とリード・フレーム１３０との間の電気的接続を提供
する。また、保護ダム１５０および保護材として働く封
止ゲル材１６０も図示されている。
【００１５】様々な要素および改善されたＭＥＭＳセン
サ１００を製造するための技法の詳細は、以下の通りで
ある。本発明の様々な実施形態の説明は、主としてＭＥ
ＭＳ圧力センサに寄せられている。しかし、本発明の記
載する実施形態の選択封止は、圧力、化学薬品、湿度等
を感知する容量性センサを含め、多種多様なＭＥＭＳセ
ンサに適用することができる。
【００１６】本発明の様々な実施形態に関するこれらの
種類のＭＥＭＳセンサの共通分母は、一部の周囲状態に
敏感であり、かつ最適性能を達成するために封止ゲルが
付かないようにしなければならない、容量性ダイアフラ
ムまたは隔膜などのトランスデューサ要素である。しか
し、トランスデューサ要素以外のパッケージの残部は、
環境保護のために封止すべきである。
【００１７】多数のＭＥＭＳ圧力センサ・デバイスを含
むウェハを個々のダイにダイシングした後、各々の個別
圧力センサ・ダイ１２０は、一般的にプラスチックで形
成されるハウジング１０５に、従来の方法によって取り
付けられる。圧力センサ・ダイ１２０をプラスチック・
ハウジング１０５のベースに取り付けるために、一般的
にエポキシまたはシリコーン接着剤１１０が使用され
る。
【００１８】圧力センサ・ダイ１２０をプラスチック・
ハウジング１０５に取り付けた後、ワイヤ・ボンド・パ
ッド１２２とリード・フレーム１３０との間に、ワイヤ
・ボンド１４０が接続される。
【００１９】次のステップは、圧力センサ・ダイアフラ
ム１２１の外周とボンド・パッド１２２によって形成さ
れる内周との間に、保護ダム１５０を構築することであ
る。圧力センサ・ダイアフラム１２１は一般的に、図３
に示すように、圧力センサ・ダイ１２０の中心部に配置
される。次いで、保護ダム１５０が高温で硬化される。
【００２０】保護ダム１５０の硬化の後、ＭＥＭＳ圧力
センサ１００は封止することができる。このステップ中
に、保護ダム１５０とプラスチック・ハウジング１０５
との間に位置するワイヤ・ボンド・キャビティ領域内
に、封止ゲル１６０が注入され、それによりボンド・パ
ッド１２２、リード・フレーム１３０の一部分、および
ワイヤ・ボンド１４０が被覆される。選択封止が完了し
た後、封止ゲル１６０が硬化される。
【００２１】例として、保護ダム１５０は、最善の媒体
両立性を達成するために、つまりワイヤ・ボンドの完全
性を異物による汚染から守るために、フルオロカーボン
をベースにする材料から構築される。しかし、フルオロ
カーボン系の材料は、一般的に最も高価でもある。他の
対費用効果の高い材料として、シリコーンおよびフルオ
ロシリコーンをベースにした材料がある。一般的に、保
護ダム１５０および封止ゲル１６０の両方に、同様の材
料が使用される。
【００２２】保護ダム１５０は一般的に、計量分配コレ
ットなどの装置を使用して、それを単体として形成する
ことによって構築される。計量分配コレットはノズル型
の装置であり、ノズルの出力開口の設計は保護ダム１５
０の設計に対応する。したがって、矩形のダムの場合、
計量分配小レットは矩形のノズルを持ち、保護ダムの４
つの壁全部を同時に形成することができる。現在の設計
は、矩形の圧力センサ・ダイアフラム１２１との一貫性
のために、矩形の保護ダム１５０を使用することが好ま
しい。しかし、円形、三角形、五角形、または同様のも
の含め、それらに限定されず、その他の形状のダイアフ
ラムおよび保護ダムが構想される。
【００２３】代替的に、保護ダム１５０の４つの壁の各
々は、計量分配針を用いて形成することができる。計量
分配針法による保護ダムの構築では、ダムの壁が同時に
形成される計量分配小レット法とは対照的に、各々のダ
ム壁が順次形成される。計量分配針は基本的に、各ダム
壁を線描する。保護ダム１５０の高さおよび幅を制御す
るために、各壁を複数回通過することができる。
【００２４】保護ダム１５０の最小高さは、ワイヤ・ボ
ンド１４０のループの高さ、すなわち圧力センサ・ダイ
１２０より上のワイヤ・ボンド１４０の遠地点にほぼ等
しいことが好ましい。最小高さは、ワイヤ・ボンド１４
０の完全な封止を確保するための要件によって誘導され
る。保護ダムの最大高さは、プラスチック・ハウジング
１０５の高さである。しかし、実際には、保護ダム１５
０の高さは、図２に示すように、ワイヤ・ボンド１４０
の遠地点とプラスチック・ハウジング１０５との間の範
囲である。
【００２５】圧力センサ・ダイ１２０の厚さが約６４５
ミクロン（μｍ）、つまり約２５ｍｉｌであり、プラス
チック・ハウジング１０５のキャビティの全高が約１３
５ｍｉｌである一般的な適用例の場合、保護ダム１５０
の公称高さは、７７４〜１，５４８μｍ、つまり約３０
〜６０ｍｉｌの範囲内である。
【００２６】今、図４および図５を参照すると、別の実
施形態による選択封止付きのＭＥＭＳ圧力センサ１０１
が図示されており、ここでベント・キャップ１７０は保
護材として働く。ＭＥＭＳ圧力センサ１０１は、封止ゲ
ルを用いてワイヤ・ボンド・キャビティを充填する代り
に、ワイヤ・ボンド・キャビティ領域を被覆、密封、ま
たはその他のやり方で封止するベント・キャップ１７０
を含む。ベント・キャップ１７０は、中心に圧力センサ
・ダイアフラム１２１が妨害されない周囲圧力を受け取
ることを可能にするベント・アパーチャ１７１を中心に
含む。従来技術のゲルの過剰膨張の問題は、ワイヤ・ボ
ンド・キャビティに封止ゲルを充填しないことによって
回避される。
【００２７】ＭＥＭＳ圧力センサ１０１の形成は、圧力
センサ・ダイ１２０をプラスチック・ハウジング１０５
（部分的に図示）に取り付け、ワイヤ・ボンドで圧力セ
ンサ・ボンド・パッド１２２をリード・フレーム１３０
に電気的に接続し、保護ダム１５０を構築することを含
む、ＭＥＭＳ圧力センサ１００の形成について説明した
のと同様のステップを使用する。
【００２８】しかし、保護ダム１５０が圧力センサ・ダ
イ１２０の頂面上に構築された後、デバイス上にベント
・キャップ１７０が載置される。ベント・キャップ１７
０の外縁は、プラスチック・ハウジング１０５と嵌合す
る。ベント・キャップ１７０の中心部の下面は、保護ダ
ム１５０に押しつけられる。デバイスを高温で硬化する
ことによって、ベント・キャップ１７０の封止が行われ
る。代替的に、接着材料を使用して、ベント・キャップ
１７０を封止することもできる。また、熱硬化と接着剤
の様々な組合せを使用して、ベント・キャップ１７０を
封止することもできる。
【００２９】ベント・キャップ１７０は、プラスチック
・ハウジング１０５および保護ダム１５０と両立するプ
ラスチック材料から形成することが好ましい。代替実施
形態では、ベント・キャップ１７０は金属から構築する
ことができる。しかし、金属の実施形態の場合、ワイヤ
・ボンド１４０からベント・キャップ１７０への電気的
短絡を阻止するために、ベント・キャップ１７０とワイ
ヤ・ボンドとの間に適切な離隔距離を取らなければなら
ない。保護ダム１５０の高さの制限は、ＭＥＭＳセンサ
１００について説明したものと同様である。
【００３０】図４に示すように、ベント・キャップ１７
０は、保護ダム１５０と接触する中心部に段違いを有す
る。この段違いの目的は、ワイヤ・ボンド１４０および
プラスチック・ハウジング１０５に対して保護ダム１５
０の高さを最適にすることである。しかし、代替実施形
態では、段違いは不要である。
【００３１】ここで図６を参照すると、本発明のさらに
別の実施形態による選択封止付きＭＥＭＳ圧力センサ１
０２が図示されている。この実施形態では、ガラス・フ
リット１５２またはその他の適切な接着剤により、キャ
ップ・ウェハ１５１をデバイス・ウェハ１２５に結合す
ることによって、ウェハ・レベルに保護ダム１５０が形
成される。ＭＥＭＳセンサ１０２の製造の予備ステップ
で、基板上にデバイス・ウェハ１２５などの複数のセン
サ・デバイスが形成される。図６は、典型的センサ・デ
バイスのダイアフラム１２１およびワイヤ・ボンド・パ
ッド１２２を示す。
【００３２】デバイス・ウェハ１２５上のセンサ・デバ
イスの形成とは別個に、時々キャップ・ウェハ１５１と
呼ばれる第２ウェハに、複数のダイアフラム・アパーチ
ャ１５３、デバイス・チャネル１５４、およびカット・
ライン１５５がパターン形成される。次のステップで、
スクリーン印刷またはその他の手段によって、キャップ
・ウェハ１５１上にガラス・フリット・パターンを堆積
することによって、ボンディング領域が形成される。次
いで、キャップ・ウェハ１５１がデバイス・ウェハ１２
５に整列され、結合される。次いで、キャップ／デバイ
ス・ウェハの組合せが熱硬化され、保護ダム１５０が取
り付けられた個々の圧力センサ・ダイ１２０に裁断され
る。
【００３３】図７は封止されたデバイス１０２の断面図
であり、ダイアフラム・アパーチャ１５３をさらに図解
する。各々の圧力センサ・ダイ１２０は、前の実施形態
で説明したように、ハウジング１０５に取り付けられ
る。同様に、ワイヤ・ボンド１４０をワイヤ・ボンド・
パッド１２２とリード・フレーム１３０との間に接続す
ることによって、ワイヤ・ボンディングが達成される。
保護ダム１５０、つまりキャップ・ウェハ部分１５１と
ガラス・フリット・パターン部分１５２の組合せと、ハ
ウジング１０５との間に、ワイヤ・ボンド・キャビティ
領域が形成される。ワイヤ・ボンド・キャビティには、
前述の実施形態と同様に封止ゲル１６０が充填される。
保護ダム１５０の高さの制限は、ＭＥＭＳセンサ１００
に関して説明したのと同様である。
【００３４】これまでに、従来技術のセンサに特有の加
速度感受性、ゲル過剰膨張、およびその他の不利益など
の問題を解決する選択封止を備えた改良ＭＥＭＳセンサ
が得られることが理解されるであろう。さらに、本発明
に従って製造されたＭＥＭＳセンサの厳しい環境での性
能が改善される。本発明のＭＥＭＳセンサは圧力セン
サ、化学薬品センサ、湿度センサ等を含むことを理解さ
れたい。
【００３５】本発明を好適な実施形態に関連して詳しく
図示し説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱す
ることなく、形状および細部を変化させることができる
ことを当業者は理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の総封止ＭＥＭＳ圧力センサの断面側
面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による選択封止付きＭＥ
ＭＳ圧力センサの断面側面図である。
【図３】図２のＭＥＭＳデバイスの平面図である。
【図４】本発明の第２実施形態による選択封止付きＭＥ
ＭＳ圧力センサの断面側面図である。
【図５】図４のＭＥＭＳデバイスの平面図である。
【図６】本発明の第３実施形態によるＭＥＭＳデバイス
の斜視図である。
【図７】図６に示したＭＥＭＳデバイスの断面図であ
る。
【符号の説明】
１００ ＭＥＭＳ圧力センサ １０５ ハウジング １１０ 接着剤 １２０ センサ・ダイ １３０ リード・フレーム １４０ ワイヤ・ボンド １５０ 保護ダム １６０ 封止ゲル材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｌ 19/14 Ｇ０１Ｌ 19/14 (72)発明者 サン・ウーン・キム 大韓民国、キュンギ・ドー、コヤン・シ、 イルサン・ク、タンヒュン・マウル104− 1703 (72)発明者 キュジン・ジュング 大韓民国、キュンギ・ドー、コヤン・シ、 イルサン・ク、イルサン３・ドン、ホーコ ック・マウル、ヒュンダイ・アパート304 −803 (72)発明者 ビシュヌ・ゴゴイ アメリカ合衆国アリゾナ州スコッツデー ル、イースト・クリントン・ストリート 11115 (72)発明者 ゴードン・ビツコ アメリカ合衆国アリゾナ州フェニックス、 アパート2193、サウス・48ス・ストリート 14435 (72)発明者 ビル・マクドナルド アメリカ合衆国アリゾナ州スコッツデー ル、ナンバー399、ノース・92ンド・スト リート1149 (72)発明者 テレサ・エー・マウディー アメリカ合衆国アリゾナ州フェニックス、 イースト・オズボーン・ロード4202 (72)発明者 デーブ・マハデバン アメリカ合衆国アリゾナ州メサ、イース ト・ヒュバー・ストリート543

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ハウジング（１０５）と、 前記ハウジングに結合されたリード・フレーム（１３
    ０）と、 前記ハウジングにセンサ・ダイを取り付けるための第１
    表面を有するセンサ・ダイ（１２）であって、周囲状態
    を測定するためのセンサ・ダイアフラムと、前記センサ
    ・ダイの第２表面上に形成された複数のバンド・パッド
    とを備えた前記センサ・ダイと、 前記複数のバンド・パッドの少なくとも１つを前記リー
    ド・フレームに電気的に接続するワイヤ・ボンド（１４
    ０）と、 前記センサ・ダイの前記第２表面上で前記センサ・ダイ
    アフラムの外周より外側に構築された保護ダム（１５
    ０）と、 前記ワイヤ・ボンド上の保護材（１６０）とを備えた超
    小型電気機械式センサ（１０）。
  2. 【請求項２】 前記保護材（１６０）が前記ハウジング
    および前記保護ダムによって形成されたキャビティ内に
    配置された封止ゲルであり、前記封止ゲルは前記ワイヤ
    ・ボンドを封止するが、前記センサ・ダイアフラムを封
    止しない、請求項１に記載の超小型電気機械式センサ。
  3. 【請求項３】 前記保護材が前記ハウジングおよび前記
    保護ダムに結合されたベント・キャップ（１７０）であ
    り、前記ベント・キャップはワイヤ・ボンドを封止し、
    かつベント・キャップがセンサ・ダイアフラムを封止し
    ないようにベント・アパーチャを有する、請求項１に記
    載の超小型電気機械式センサ。
  4. 【請求項４】 ハウジング（１０５）と、 前記ハウジングに結合されたリード・フレーム（１３
    ０）と、 前記ハウジングにセンサ・ダイを取り付けるための第１
    表面を有するセンサ・ダイ（１２）であって、周囲状態
    を測定するためのセンサ・ダイアフラム（１２１）と、
    前記センサ・ダイの第２表面上に形成された複数のバン
    ド・パッドとを備えた前記センサ・ダイと、 前記複数のバンド・パッドの少なくとも１つを前記リー
    ド・フレームに電気的に接続するワイヤ・ボンド（１４
    ０）と、 保護ダム（１５０）であって、 前記センサ・ダイアフラム（１２１）を周囲状態に暴露
    するために少なくとも１つのアパーチャを有するキャッ
    プ・ウェハ（１５１）の一部分と、 前記キャップ・ウェハの一部分を前記センサ・ダイに結
    合するためのガラス・フリット（１５２）・パターンの
    一部分とを備えた前記保護ダムと、 前記ハウジングおよび前記保護ダムによって形成される
    キャビティ内に配置された封止ゲル（１６０）であっ
    て、前記ワイヤ・ボンドを封止するが、前記センサ・ダ
    イアフラムを封止しない前記封止ゲルとを備えた超小型
    電気機械式システム・センサ。
  5. 【請求項５】 前記保護ダム（１５０）が前記センサ・
    ダイアフラムの外周と、前記複数のワイヤ・ボンド・パ
    ッド（１２２）によって形成される内周との間に構築さ
    れる、請求項４に記載の超小型電気機械式システム・セ
    ンサ。
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