JP2001343299A - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents
半導体圧力センサおよびその製造方法Info
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Abstract
れた裏面受圧型半導体圧力センサにおいて、半導体基板
と台座との接合強度を向上させる。 【解決手段】 ダイヤフラム部3における受圧面である
凹部2側の面の端部と凹部2の側面との境界部が丸めら
れた形状となっており、半導体基板1と台座4との接合
部に、凹部2の側面と台座4の接合面とのなす角度θが
80°以上となっている部分を設けることにより、当該
接合部の剥離耐圧がダイヤフラム部3の破壊耐圧よりも
大きくなっている。
Description
に凹部を形成することにより該半導体基板にダイヤフラ
ム部を形成し、このダイヤフラム部の凹部側の面から受
圧させるようにした半導体圧力センサに関し、例えば、
給湯器において湯の供給系統中の圧力をシリコンオイル
等を圧力媒体として検出するセンサ等に適用される。
えば特開平4−320379号公報等に記載のものが提
案されている。このものは、半導体基板(シリコン基
板)の一面から異方性エッチングやドライエッチング等
により半導体基板に形成された凹部と、半導体基板のう
ち凹部の底面側に形成された圧力検出用のダイヤフラム
部と、半導体基板の一面に接合された台座と、この台座
に形成され凹部と連通する圧力導入通路とを備え、圧力
導入通路から凹部内へ被測定圧力を導入して、ダイヤフ
ラム部における凹部側の面(裏面)に受圧させるように
している。
させるようにした半導体圧力センサ(以下。裏面受圧型
半導体圧力センサという)においては、ダイヤフラム部
の破壊強度を向上させる必要がある。ここで、特開平1
1−97413号公報では、ダイヤフラム部の破壊強度
を向上させるために、ダイヤフラム部における裏面端部
と凹部の側面との境界部を、エッチングすることにより
丸めた形状とする方法が記載されている。
検討によれば、ダイヤフラム部の裏面端部に丸め形状を
形成することでダイヤフラム部の破壊耐圧は向上するも
のの、そのような耐圧の高いダイヤフラム部構成を採用
する場合、今度は、半導体基板と台座との接合部にて破
壊が発生する可能性があることが判明した。
フラム部の裏面端部に丸め形状が形成された裏面受圧型
半導体圧力センサにおいて、半導体基板と台座との接合
強度を向上させることを目的とする。
め、請求項1の発明では、ダイヤフラム部(3)の裏面
端部に丸め形状が形成された裏面受圧型半導体圧力セン
サにおいて、半導体基板(1)と台座(4)との接合部
に、凹部(2)の側面と台座の接合面とのなす角度
(θ)が80°以上となっている部分を設けることによ
り、当該接合部の剥離耐圧をダイヤフラム部の破壊耐圧
よりも大きくしたことを特徴としている。
とのなす角度(以下、接合角度という)と、半導体基板
と台座との接合部に加わる歪み(以下、接合部歪みとい
う)との関係をシミュレーションした。その結果、接合
角度が大きくなるにつれて接合部歪みが低下していき、
接合角度が80°以上では、その低下傾向がほぼ飽和し
て非常に小さい歪み値を示すことがわかった。
圧がダイヤフラム部の破壊耐圧よりも大きくなるよう
に、半導体基板と台座との接合部のうち接合角度が80
°以上となっている部分をある割合以上設ければ、半導
体基板と台座との接合強度を向上させることができ、当
該接合部の信頼性を確保することができる。
(1)と台座(4)との接合部のうち前記角度(θ)が
80°以上となっている部分を、当該接合部全体の50
%以上としたことを特徴としている。
部の裏面端部に丸め形状が形成された裏面受圧型半導体
圧力センサにおいて、ダイヤフラム部の破壊耐圧の上限
は、ダイヤフラム部の厚さにもよるが、現状の実用レベ
ルでは約6MPa程度である。半導体基板と台座との接
合部のうち接合角度が80°以上の部分が、当該接合部
全体の50%以上であれば、接合部の剥離耐圧を前記の
ダイヤフラム部の破壊耐圧の上限よりも大きいものとで
きる。
の剥離耐圧を前記のダイヤフラム部の破壊耐圧の上限よ
りも大きくするには、半導体基板(1)と台座(4)と
の接合部のうち接合角度(θ)が80°以上の部分が、
当該接合部全体の80%以上であればより好ましく、請
求項4の発明のように、当該接合部の全体にわたって接
合角度(θ)が80°以上であれば、更に好ましい。
板(1)の一面が(110)面であるものとすれば、異
方性エッチングを用いて、容易に請求項1〜請求項5の
発明に記載された接合角度を有するセンサを作ることが
できる。この場合、異方性エッチングにより形成される
凹部(2)の側面が(111)面となるため、接合角度
(θ)を実質90°とすることができる。
項5の発明に記載の半導体圧力センサを製造する方法で
あって、半導体基板(1)の一面側から半導体基板に対
して異方性エッチングを行い、続いて異方性垂直エッチ
ングを行うことにより、凹部(2)を形成した後、半導
体基板の一面に台座(4)を接合することを特徴として
いる。
から半導体基板に対して、まず、異方性エッチングを行
い、ある程度の深さの凹部を形成する。この後、続いて
異方性垂直エッチングを行うことにより、先の凹部にお
ける側面及び底面が基板垂直方向にエッチングされるた
め、出来上がった凹部(2)における開口部の側面は、
基板に対して実質90°となる。そして、台座を接合す
ることで、接合部のほぼ全体にわたって接合角度が80
°以上の部分を有する半導体圧力センサが出来上がる。
方性エッチングによって形成される凹部の形状によら
ず、接合角度を80°以上とすることができるため、半
導体基板の面方位や異方性エッチングのマスクパターン
等に依存することなく、請求項1〜請求項5の半導体圧
力センサを適切に製造することができる。
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。
図に示す実施形態について説明する。図1は、本発明の
第1実施形態に係る半導体圧力センサS1の概略断面図
であり、(a)は全体構成図、(b)は(a)中のA部
拡大図である。1は半導体基板であり、本例では面方位
が(110)面である単結晶シリコン基板としている。
半導体基板1には、半導体基板1の一面から凹んだ凹部
2が形成されている。
部2の底面側には、圧力検出用のダイヤフラム部3が形
成されている。そして、図1(b)に示す様に、ダイヤ
フラム部3における凹部2側の面(以下、ダイヤフラム
部3の裏面という)の端部と凹部2の側面との境界部が
丸められた形状(以下、ダイヤフラム部端部の丸め形状
という)となっており、丸め部2aを形成している。
成することができる。即ち、半導体基板1の一面から、
KOHやTMAH等を用いた異方性エッチングを行うこ
とにより、凹部2を形成し、更に、特開平11−974
13号公報に示されているような陽極酸化による等方性
エッチングを行うことにより、丸め部2aを形成する。
こうして、ダイヤフラム部3が形成される。なお、凹部
2の形成はドライエッチングで行っても良い。
板の他面側)には、図示しない歪みゲージが拡散等の半
導体プロセスにより形成されている。この歪みゲージは
ブリッジ回路を構成しており、このブリッジ回路によっ
て、圧力印加時におけるダイヤフラム部3の歪みに基づ
く電気信号が発生し、印加された圧力の検出が可能とな
っている。
りなる台座4が凹部2を覆うように陽極接合等により接
合されている。この台座4には、外部と凹部2とを連通
する圧力導入通路5が形成されており、この圧力導入通
路5から、凹部2内へ被測定圧力を導入してダイヤフラ
ム部3の裏面に受圧させることが可能となっている。な
お、台座4はシリコンよりなるものでもよい。
台座4との接合部において、凹部2の側面と台座4の接
合面とのなす角度θ(以下、接合角度θという)が80
°以上となっている部分を多く設けることにより、この
接合部の剥離耐圧がダイヤフラム部3の破壊耐圧よりも
大きくした独自の構成を採用している。
のような検討結果に基づくものである。図2は、接合角
度θ(°)と、半導体基板と台座との接合部にて発生す
る歪み(単位:%、以下、接合部歪みという)との関係
を、FEM(有限要素法)によりシミュレーションした
図である。
くなるにつれて接合部歪みが低下していき、接合角度θ
が80°以上では、その低下傾向がほぼ飽和して非常に
小さい歪み値を示すことがわかった。なお、ダイヤフラ
ム部3のエッチングにおいては、多少の加工誤差はある
ものの接合角度θは実質90°までが限度である。
ラム部3の破壊耐圧よりも大きくなるように、半導体基
板1と台座4との接合部のうち接合角度θが80°以上
となっている部分をある割合以上設ければ、半導体基板
1と台座4との接合強度を向上させることができ、当該
接合部の信頼性を確保することができる。
半導体圧力センサS1に基づき、より具体的に述べる。
図3は、本例のセンサS1におけるダイヤフラム部形成
用のマスクパターンの平面形状を示す図であり、図4
は、このマスクパターンで形成されるダイヤフラム部3
の詳細形状を示す図である。ここで、図4中、(a)は
半導体基板1の一面から見たダイヤフラム部3の平面形
状を示す図、(b)は(a)のB−B部分断面図、
(c)は(a)のC−C部分断面図、(d)は(a)の
D−D部分断面図である。
(110)面である単結晶シリコン基板を採用してい
る。そして、ダイヤフラム部3を形成するための上記エ
ッチング用のマスクパターンとして、半導体基板1の一
面に、図3に示す様な8角形の開口部(図中、斜線ハッ
チング部分)を有するマスクK1を形成する。このマス
クK1の開口部は、<100>結晶軸方向に長軸を持ち
且つ<111>結晶軸と直交する方向に4辺を持つ菱形
において、各角部が切り取られた形の8角形をなしてい
る。
ングを行うと、図4(a)に示す様に、6つの辺L1、
L2よりなる6角形の開口部を有する凹部2が形成さ
れ、ダイヤフラム部3は、凹部2の底面形状に応じた8
角形(図中、破線ハッチング部分)となる。このとき、
図4(b)及び(d)に示す様に、凹部2の開口部を構
成する辺のうち<111>結晶軸と直交する方向の辺L
1においては、(111)面である凹部2の側面と半導
体基板1の一面とのなす角度、即ち、上記接合角度θが
実質的に90°となる。
半導体基板1と台座4との接合部のうち接合角度θが9
0°となっている部分が、当該接合部全体の88%とな
っている。この割合は、上記した凹部2の開口部を構成
する6つの辺L1、L2の全長(沿面長)に対して接合
角度θが90°である辺の長さ(つまり、4つの辺L1
全体の長さ)の割合である。
サS1における接合強度向上の効果について、接合角度
θが90°の部分が接合部全体の23%であるもの(比
較例)と比較して調べた結果を示す図である。ここで、
両例ともn数は10である。この比較例は、ダイヤフラ
ム部形成用のマスクパターンを変えることにより作成し
た。
ム部3の平面形状を並べて図6に示す。図6中、ダイヤ
フラム部3には斜線ハッチングを施してあり、凹部2の
開口部の各辺において、実線、一点鎖線、破線は、それ
ぞれ、その辺における接合角度θが、90°、45°、
35.3°であることを示す。なお、図6中のダイヤフ
ラム部3の寸法W1、W2は、両例ともW1が1.3m
m、W2が1.4mmとした。
体圧力センサにおけるダイヤフラム部3の破壊耐圧の上
限は、現状の実用レベルでは約6MPa程度である。そ
こで、図5からわかるように、比較例では、ダイヤフラ
ム部3よりも先に半導体基板1と台座4との接合部が剥
離してしまうのに対し、本例では、当該接合部の剥離耐
圧をダイヤフラム部3の破壊耐圧よりも大きいものとで
きるため、接合部の剥離を防止することができる。
である部分が接合部全体に占める割合と接合部の剥離耐
圧との関係について検討を行った。図7は、上記沿面長
に対する接合角度θが90°である部分の比率(%)と
接合部の剥離耐圧(MPa)との関係を、FEM解析に
よるシミュレーションによって求めたもので、図中の黒
丸プロットは、本例及び上記比較例の実測値である。
フラム部3の破壊耐圧よりも大きくなるように、上記比
率を設定すれば、半導体基板1と台座4との接合強度を
向上させることができ、当該接合部の信頼性を確保する
ことができる。例えば、現状の実用レベルにおけるダイ
ヤフラム部3の破壊耐圧の上限(6MPa)を、接合部
の剥離耐圧の目標下限値とすると、上記比率が50%以
上であれば良い。
が、これは、接合部の剥離耐圧において、より安全率を
見込んで設計した結果であり、そのような観点からは、
上記比率は80%以上であることが好ましい。また、上
記図2からわかるように、接合角度θが80°以上であ
れば、接合部歪みの低減度合は接合角度θが90°の場
合とほぼ同じで飽和している。そのため、接合角度θが
80°以上であれば、図7に示す傾向と同様のことが言
える。
ヤフラム部3の裏面端部に丸め部2aが形成された裏面
受圧型半導体圧力センサにおいて、半導体基板1と台座
4との接合部のうち接合角度θが80°以上となってい
る部分をある割合以上設ければ、半導体基板1と台座4
との接合強度をダイヤフラム部3の破壊耐圧以上にまで
向上させることができ、当該接合部の信頼性を確保する
ことができる。
の全体にわたって接合角度θが90°であれば、接合強
度向上の効果にとって更に好ましいことは勿論である。
このような構成とした本実施形態の変形例を図8及び図
9に示す。
イヤフラム部形成用のマスクパターンの平面形状を示す
図であり、図9は、このマスクパターンで形成されるダ
イヤフラム部3の詳細形状を示す図である。ここで、図
9中、(a)は半導体基板1の一面から見たダイヤフラ
ム部3の平面形状を示す図、(b)は(a)のE−E部
分断面図、(c)は(a)のF−F部分断面図である。
る半導体基板1の一面に、ダイヤフラム部3を形成する
ためのマスクパターンとして、図8に示す様な菱形の開
口部(図中、斜線ハッチング部分)を有するマスクK2
を形成する。このマスクK2の開口部は、<100>結
晶軸方向に長軸を持ち且つ<111>結晶軸と直交する
方向に4辺を持つ菱形をなしている。
ングを行うと、図9(a)に示す様に、4つの辺L1よ
りなる菱形の開口部を有する凹部2が形成され、ダイヤ
フラム部3は、凹部2の底面形状に応じた8角形(図
中、破線ハッチング部分)となる。このとき、図9
(b)及び(c)に示す様に、凹部2の開口部を構成す
る全ての辺L1において、接合角度θが実質的に90°
となる。
場合、本変形例のようなダイヤフラム形状が良いと考え
られるが、センサの感度を向上させること等を考える
と、上記図4に示したようなダイヤフラム部3の方が、
チップ内において効率よくダイヤフラム部3の面積を広
くすることができるため好ましいと考えられる。
半導体基板1の一面が(110)面であるものを採用し
たため、異方性エッチングを用いて、容易に接合角度θ
を90°とした構成を実現することができた。本第2実
施形態は、ダイヤフラム部3の形成方法に係るものであ
り、半導体基板1の面方位やマスクパターン形状に関係
なく、半導体基板1と台座4との接合部の全体にわたっ
て接合角度θが90°である部分を形成することができ
るようにしたものである。
部3の形成方法を示す。まず、図10(a)に示す様
に、マスク(図示せず)が形成された半導体基板1の一
面側から半導体基板1に対して、上記第1実施形態と同
様に、KOHやTMAH等を用いて異方性エッチングを
行う(異方性エッチング工程)。このときのエッチング
深さは、最終的に形成される凹部2(図中、破線にて図
示)の深さの約2/3以上とする。
て、上記第1実施形態に示したのと同様の方法にて、底
面と側面との境界部に丸め部を形成する(丸め部形成工
程)。その後、CF4系ガスを用いたプラズマエッチン
グ等の異方性垂直エッチングを行うことにより、更に、
エッチングを進め、凹部2を形成する(異方性垂直エッ
チング工程)。
より、凹部2の開口部の全体に渡って、接合角度θが9
0°となる。また、丸め部形成工程にて形成された丸め
部の形状は、最終的に形成された凹部2において継承さ
れる。この後、マスクを除去し、半導体基板1の一面に
台座4を接合することで、半導体圧力センサS2が完成
する。
るダイヤフラム部3の詳細形状を図11、図12に示
す。図11は、半導体基板1として面方位が(110)
面である単結晶シリコン基板を採用し、マスクパターン
として上記図4に示すパターンを採用した第1の例であ
り、(a)は半導体基板1の一面から見たダイヤフラム
部3の平面形状(図中のハッチング領域)を示す図、
(b)は(a)のG−G部分断面図、(c)は(a)の
H−H部分断面図、(d)は(a)のJ−J部分断面図
である。
位が(100)面である単結晶シリコン基板を採用し、
マスクパターンとして正方形のパターンを採用した第2
の例であり、(a)は半導体基板1の一面から見たダイ
ヤフラム部3の平面形状(図中のハッチング領域)を示
す図、(b)は(a)のM−M部分断面図、(c)は
(a)のN−N部分断面図である。
4との接合部の全体にわたって接合角度θが90°とな
っている。図11に示す例では、上記図4において、接
合角度θが35.3°であった部分(辺L2の部分)ま
でも接合角度θが90°となっている。
フラム部3を形成するためのエッチング工程において、
最後に異方性垂直エッチングを行うことにより、半導体
基板1の面方位やマスクパターン形状に関係なく、半導
体基板1と台座4との接合部の全体にわたって接合角度
θが90°の部分を形成することができる。
の概略断面図である。
る。
マスクパターンの平面形状を示す図である。
フラム部の詳細形状を示す図である。
面形状を示す図である。
率と接合部の剥離耐圧との関係を示す図である。
形成用のマスクパターンの平面形状を示す図である。
フラム部の詳細形状を示す図である。
の形成方法を示す概略断面図である。
ム部の詳細形状を示す図である。
ム部の詳細形状を示す図である。
台座、5…圧力導入通路、θ…半導体基板と台座との接
合部において凹部の側面と台座の接合面とのなす角度。
Claims (7)
- 【請求項1】 半導体基板(1)と、 前記半導体基板の一面から前記半導体基板に形成された
凹部(2)と、 前記半導体基板のうち前記凹部の底面側に形成された圧
力検出用のダイヤフラム部(3)と、 前記半導体基板の一面に接合された台座(4)と、 この台座に形成され、前記凹部内へ被測定圧力を導入し
て前記ダイヤフラム部における前記凹部側の面に受圧さ
せるための圧力導入通路(5)とを備え、 前記ダイヤフラム部における前記凹部側の面の端部と前
記凹部の側面との境界部が丸められた形状となっている
半導体圧力センサにおいて、 前記半導体基板と前記台座との接合部に、前記凹部の側
面と前記台座の接合面とのなす角度(θ)が80°以上
となっている部分を設けることにより、前記接合部の剥
離耐圧が前記ダイヤフラム部の破壊耐圧よりも大きくな
っていることを特徴とする半導体圧力センサ。 - 【請求項2】 前記半導体基板(1)と前記台座(4)
との接合部のうち前記角度(θ)が80°以上となって
いる部分が、当該接合部全体の50%以上であることを
特徴とする請求項1に記載の半導体圧力センサ。 - 【請求項3】 前記半導体基板(1)と前記台座(4)
との接合部のうち前記角度(θ)が80°以上となって
いる部分が、当該接合部全体の80%以上であることを
特徴とする請求項2に記載の半導体圧力センサ。 - 【請求項4】 前記半導体基板(1)と前記台座(4)
との接合部の全体において、前記角度(θ)が80°以
上となっていることを特徴とする請求項3に記載の半導
体圧力センサ。 - 【請求項5】 前記角度(θ)が90°であることを特
徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の半導
体圧力センサ。 - 【請求項6】 前記半導体基板(1)の一面が(11
0)面であり、前記凹部(2)の側面が(111)面で
あることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つ
に記載の半導体圧力センサ。 - 【請求項7】 請求項1ないし5のいずれか1つに記載
の半導体圧力センサを製造する方法であって、 前記半導体基板(1)の一面側から前記半導体基板に対
して異方性エッチングを行い、続いて異方性垂直エッチ
ングを行うことにより、前記凹部(2)を形成した後、
前記半導体基板の一面に前記台座(4)を接合すること
を特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000167823A JP2001343299A (ja) | 2000-06-05 | 2000-06-05 | 半導体圧力センサおよびその製造方法 |
US09/866,792 US6601452B2 (en) | 2000-06-05 | 2001-05-30 | Semiconductor pressure sensor having rounded corner portion of diaphragm |
DE10126621A DE10126621A1 (de) | 2000-06-05 | 2001-05-31 | Halbleiterdrucksensor mit einem gerundeten Eckteil der Membran |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000167823A JP2001343299A (ja) | 2000-06-05 | 2000-06-05 | 半導体圧力センサおよびその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001343299A true JP2001343299A (ja) | 2001-12-14 |
Family
ID=18670933
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2000167823A Pending JP2001343299A (ja) | 2000-06-05 | 2000-06-05 | 半導体圧力センサおよびその製造方法 |
Country Status (1)
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---|---|
JP (1) | JP2001343299A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100960633B1 (ko) | 2006-10-12 | 2010-06-07 | 가부시키가이샤 덴소 | 보호재료에 의해 보호되는 센서 칩을 구비한 압력 센서 |
-
2000
- 2000-06-05 JP JP2000167823A patent/JP2001343299A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100960633B1 (ko) | 2006-10-12 | 2010-06-07 | 가부시키가이샤 덴소 | 보호재료에 의해 보호되는 센서 칩을 구비한 압력 센서 |
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