JP2005069946A - 半導体加速度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 温度特性を良好に保つことが可能な半導体加速度センサを提供する。
【解決手段】 本発明に係る半導体加速度センサは、半導体基板からなるフレーム1と、フレーム1内の略中央部に設けた錘部2と、錘部2とフレーム1とを可撓的に接続させ設けた複数のビーム3と、錘部2に作用する加速度により抵抗値が変化するビーム3に設けた抵抗素子4とを有したセンサチップ10と、フレーム1の抵抗素子4が形成されない側の表面に、錘部2を僅かに離間し可動自在に接続したパッケージ20とを備え、更に、フレーム1の隅角を含む領域に設けたフレーム1とパッケージ20とを接続する接続領域6と、平面視において接続領域6に隣接させるとともに、ビーム3の基端部31を取り囲むように設けた薄肉部5とを備えた構成である。
【選択図】図1
【解決手段】 本発明に係る半導体加速度センサは、半導体基板からなるフレーム1と、フレーム1内の略中央部に設けた錘部2と、錘部2とフレーム1とを可撓的に接続させ設けた複数のビーム3と、錘部2に作用する加速度により抵抗値が変化するビーム3に設けた抵抗素子4とを有したセンサチップ10と、フレーム1の抵抗素子4が形成されない側の表面に、錘部2を僅かに離間し可動自在に接続したパッケージ20とを備え、更に、フレーム1の隅角を含む領域に設けたフレーム1とパッケージ20とを接続する接続領域6と、平面視において接続領域6に隣接させるとともに、ビーム3の基端部31を取り囲むように設けた薄肉部5とを備えた構成である。
【選択図】図1
Description
本発明は、例えば自動車、航空機及び家電製品に用いられる半導体加速度センサに関するものである。
従来の半導体加速度センサとしては、フレームと、フレームの略中心部に設けられた錘部と、錘部とフレームとを接続するビームと、ビームの所定位置に抵抗素子とを有するセンサチップを備えたものを挙げることができる(特許文献1参照)。
上述の半導体加速度センサは、例えば、セラミック等により構成されたパッケージと、前述のセンサチップのフレームとをシリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の接着剤により固着した構成である。
なお、半導体加速度センサの感度は、一般的に、(錘部の質量)と(ビームの長さ)と(錘部に加わる加速度)との積に比例し、(ビーム幅)と(ビーム厚み)2の積に反比例することが知られている。従って、ビームの厚みを極薄構造にすることで、センサチップ自身を大きくすることなく、半導体加速度センサの高感度化をはかることができる。なお、半導体加速度センサの使用温度範囲は、例えば−40℃〜80℃と比較的広いものであり、半導体加速度センサの温度特性が重要なセンサ特性である。
特開11−160348号公報
ところが、上述のような従来の半導体加速度センサにおいては、センサチップ、パッケージ、接着剤は、通常、各々熱膨張係数が異なるため、温度環境が変化すると、この各異なる熱膨張係数の違いに起因して熱応力が発生する可能性があった。
この半導体加速度センサに発生する熱応力は、ビームに発生すると、センサ特性が大きな温度特性を持つことになり、センサ特性の悪化につながる可能性があった。
また、前述の熱応力を主要因とした経時的な特性変動やヒステリシス特性が発生すると、センサ特性の致命的な悪化につながる可能性があった。
本発明は上記問題点を改善するためになされたものであり、温度特性を良好に保つことが可能な半導体加速度センサを提供することを目的とするものである。
上述の目的を達成するために、本発明の請求項1に係る半導体加速度センサは、半導体基板からなるフレームと、該フレーム内の略中央部に設けた錘部と、該錘部と前記フレームとを可撓的に接続させ設けた複数のビームと、前記錘部に作用する加速度により抵抗値が変化する前記ビームに設けた抵抗素子とを有したセンサチップと、前記フレームの前記抵抗素子が形成されない側の表面に、前記錘部を僅かに離間し可動自在に接続したパッケージと、を備えた半導体加速度センサであって、前記フレームの隅角を含む領域に設けた前記フレームと前記パッケージとを接続する接続領域と、平面視において前記接続領域に隣接させるとともに、前記ビームの基端部を取り囲むように設けた薄肉部と、を備えている。
また、本発明の請求項2に係る半導体加速度センサは、請求項1に記載の半導体加速度センサにおいて、前記フレームは、平面視において、少なくとも前記薄肉部の一部、及び前記ビームの基端部を含む外周部にくびれ部を備えている。
また、本発明の請求項3に係る半導体加速度センサは、半導体基板からなるフレームと、該フレーム内の略中央部に設けた錘部と、該錘部と前記フレームとを可撓的に接続させ設けた複数のビームと、前記錘部に作用する加速度により抵抗値が変化する前記ビームに設けた抵抗素子とを備えたセンサチップと、前記フレームの前記抵抗素子が形成されない側の表面に、前記錘部を僅かに離間し可動自在に接続したパッケージと、を備えた半導体加速度センサであって、平面視において、前記ビームの突出方向とは略直交方向であり、該略直交方向の長さが前記ビーム幅よりも長く、前記ビームに隣接させず前記ビームの基端部に隣接するように設けた薄肉部又は貫通孔部と、前記フレームの外周囲部側に、前記薄肉部又は貫通孔部に隣接させて設けた前記フレームと前記パッケージとを接続する接続領域と、を備えている。
また、本発明の請求項4に係る半導体加速度センサは、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体加速度センサにおいて、前記フレームと前記パッケージとの間に台座部を設け、前記フレームと前記台座部、及び前記パッケージと前記台座部とを接続している。
また、本発明の請求項5に係る半導体加速度センサは、請求項4に記載の半導体加速度センサにおいて、前記パッケージと前記台座部の間に、平面視において前記台座部の中央部に接着剤を1点支持可能な所定の面積分だけ設け、前記接着剤にて、前記パッケージと前記台座部とを接続している。
また、本発明の請求項6に係る半導体加速度センサは、請求項5に記載の半導体加速度センサにおいて、前記パッケージ又は/及び前記台座部は、両者が対面する側に凹部を備え、前記接着剤を、その厚みが前記凹部の厚みに略等しく、平面視において前記凹部内に納まるよう設けている。
このような構成の半導体加速度センサは、温度環境の変化が生じても、センサチップに設けた薄肉部又は貫通孔部により、パッケージから受ける熱応力を吸収してビームへの熱応力伝播を阻止するため、温度特性を良好に保ち、センシング性能の信頼性を高めることができる。
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
本発明の第1実施形態を図1乃至図3に基づいて説明する。図1(a)は、本発明の第1実施形態に係る半導体加速度センサを示す平面図であり、図1(b)、(c)、(d)は、それぞれA−A断面、B−B断面、C−C断面における断面図(断面矢視図)である。また、図2は、本発明の第1実施形態に係る半導体加速度センサのセンサチップの製造工程の一例を示す断面図である。
第1実施形態においては、半導体加速度センサは、図1に示すように、矩形枠状のフレーム1と、フレーム1内に略中央部に設けた四角柱状の錘部2と、錘部2とフレーム1とを可撓的に接続させ設けた複数(例えば互いに交叉する直線状である4本)のビーム3と、ビーム3とフレーム1の内周面とに包囲される空間内に遊挿され錘部2に連設する四角柱状の補助錘部21と、錘部2及び補助錘部21に作用する加速度により抵抗値が変化するビーム3に設けた例えば不純物拡散で形成したピエゾ抵抗及び電極配線のような抵抗素子4と、後述する薄肉部5とを有したセンサチップ10と、セラミックのパッケージ20とを備え、3軸の加速度を検出可能な構成としている。なお、半導体加速度センサは、フレーム1とパッケージ20とを接続する接続領域6をフレーム1の4つの隅角を含む領域に備えている。
ここで、薄肉部5は、ビーム3に隣接させず、つまり、ビーム3の基端部31を取り囲むように、平面視において、各接続領域6に隣接させるようにフレーム1に備えている(各接続領域6には2箇所ずつ)。なお、薄肉部5の厚みは、ビーム3の厚み程度にし、フレーム1の他の箇所の厚みよりも極端に薄く、例えば約10μmである。
センサチップ10とパッケージ20とは、シリコーンペーストの接着剤30により、フレーム1の抵抗素子4が形成されない側の表面に錘部2を僅かに離間し可動自在に接続領域6にて固着される。従って、ビーム3及びビーム3の基端部31は、接続領域6に対して、薄肉部5により遊動支持されることになる。なお、接着剤30としては、シリコーンペーストの他にエポキシ樹脂性のものであってもよい。
なお、図1に示すように、一例として、補助錘部21は、錘部2を対称的に取り囲むように連設した構成である(スリット7を備えて錘部2に連設)。また、センサチップ10は、マイクロ構造体であり、SOI(Silicon On Insulator)基板100(図2参照)を用いて構成される。
ここで、半導体加速度センサの上下方向は、実際の使用状態での方位性に依存するため一義的に規定できないが、第1実施形態の記述では説明の便宜上、図1に示すように、センサチップ10の配置側を上(上面、表面)側、パッケージ20の配置側を下(下面、裏面)側というように上下方向を規定するものとする。
なお、図1では、A−A、B−B、C−C断面の各矢視方向の関係で、各接続領域6と補助錘部21とが一見接続されているような位置関係に見えるが、各接続領域6は、可動でないフレーム1箇所とパッケージ20との間を接着剤30を介して接続する領域であるため、各接続領域6は、補助錘部21とは接続されていない(図1(a)参照)。
以下、加速度の検出原理について簡単に説明する。抵抗素子4は、例えば、素子抵抗Rx1〜Rx4、素子抵抗Ry1〜Ry4、素子抵抗Rz1〜Rz4であり、後述の如くビーム3に配置される。一直線状をなすビーム3方向をX軸とし、平面視においてこのX軸に直交するビーム3方向をY軸とする。また、X軸、Y軸に直交する方向をZ軸とする。
X軸方向の加速度成分を検出する素子抵抗Rx1〜Rx4は、例えば、図1(a)に示すように、X軸に平行なビーム3上に設け、Y軸方向の加速度成分を検出する素子抵抗Ry1〜Ry4は、Y軸に平行なビーム3上に設けた構成である。また、Z軸方向の加速度成分を検出する素子抵抗Rz1〜Rz4は、X軸と平行であり素子抵抗Rx1〜Rx4を設けたビーム3上に設けた構成である。
なお、X、Y軸方向の加速度に対して、錘部2及び補助錘部21は、モーメントを受け、X、Y軸それぞれ方向の抵抗素子4の変化分は加算され出力されるが、Z軸方向の加速度に対しては、抵抗素子4の変化分が相殺されて出力されない。なお、Z軸方向の加速度に対しては、錘部2及び補助錘部21は、垂直方向に変化し、抵抗素子4の変化分は、加算され出力されるが、X、Y軸方向の加速度に対して、抵抗素子4の変化分が相殺されて出力されない。
以下に、半導体加速度センサを構成するセンサチップ10の製造工程の一例を図2に基づいて説明する。図2は、図1のA−A断面、B−B断面、C−C断面を説明するものであるが、簡略化のため各断面の破断部分のみを示す。
SOI基板100は、図2(a)に示すように、表面側であるSi活性層101と、中間酸化膜層であるSiO2層102と、裏面層であるSi支持基板103からなる。まず、Si活性層101のビーム3相当箇所に抵抗素子4を形成し、次に、Si支持基板103からSiO2層102までエッチング加工することにより、ビーム3相当部、錘部2相当部、補助錘部21相当部を形成する。なお、このとき、薄肉部5は、ビーム3厚みと略同じ厚みになるようエッチング加工を行ない形成する(図2(b))。次に、Si活性層101からエッチング加工することで、ビーム3、錘部2、補助錘部21を形成し、更に、表面に露出したSiO2層102をエッチング除去することでセンサチップ10を形成する(図2(c)、(d))。
第1実施形態に係る半導体加速度センサは、例えば−40℃〜80℃と比較的広い使用温度範囲の温度環境の変化が生じても、センサチップ10に設けた薄肉部5により、パッケージ20から受ける熱応力を吸収して、加速度を検知するビーム3への熱応力伝播を阻止するため、温度特性を良好に保ち、センシング性能の信頼性を高めることができる。
なお、パッケージ20は、セラミックの他に、ガラスで構成されていてもよい。ガラスは、セラミックに比べ、シリコンに対する熱膨張係数比がおよそ1/2であるため、接着剤30が温度環境の変化に伴ってセンサチップ10、パッケージ20間で生じる熱応力を低減することができる。
また、パッケージ20の材料がガラスである場合は、センサチップ10とパッケージ20との接続を接着剤30で行なうのではなく、陽極接合により行なうこともできる(図3参照)。ここで、図3は、本発明の第1実施形態の変形形態を示す断面図であり、図3(a)、(b)、(c)は、それぞれ図1(a)のA−A断面、B−B断面、C−C断面に相当する箇所における断面図(断面矢視図)である。この陽極接合を行なう場合、図3に示すように、パッケージ20は、センサチップ10と接続する側に凹部201を備えることが、錘部2、補助錘部21の下面を僅かにパッケージ20と離間し可動自在に接続するために好ましい構成である。なお、図3では、パッケージ20と補助錘部21とが一見接続されているような位置関係に見えるが、パッケージ20と補助錘部21とは陽極接合されていない。
次に、フレーム1の外周部に後述のくびれ部8を備えた実施形態を、本発明の第2実施形態として図4に基づいて説明する。図4(a)は、本発明の第2実施形態に係る半導体加速度センサを示す平面図であり、図4(b)、(c)、(d)は、それぞれA−A断面、B−B断面、C−C断面における断面図(断面矢視図)である。
ここで、第2実施形態においては、図4に示すように、半導体加速度センサは、平面視において、フレーム1の外周部にくびれ部8を備えた構成である。
くびれ部8は、平面視において、図1(a)の接続領域6の一部、薄肉部5、ビーム3の基端部31を含むフレーム1の外周部を通常のエッチング工程等で削り取った構成である。なお、くびれ部8は、平面視において、少なくとも薄肉部5の一部、及びビーム3の基端部31を含むように、フレーム1の外周部に形成されていればよい。
第2実施形態に係る半導体加速度センサは、平面視において、少なくとも薄肉部5の一部、及びビーム3の基端部31を含むようにフレーム1の外周部にくびれ部8を形成することで、チップ分離時、遊動支持された状態にあるビーム3の基端部31に例えば直接ダイシングカッターが触れることがないため、チップ破壊を阻止することができる。
なお、図4では、A−A、B−B、C−C断面の各矢視方向の関係で、各接続領域6と補助錘部21とが一見接続されているような位置関係に見えるが、各接続領域6は、可動でないフレーム1箇所とパッケージ20との間を接着剤30を介して接続する領域であるため、各接続領域6は、補助錘部21とは接続されていない(図4(a)参照)。
また、次に、第1及び第2実施形態とは異なるフレーム1の箇所に薄肉部5に対応する箇所を形成した実施形態を、本発明の第3実施形態として図5に基づいて説明する。図5(a)は、本発明の第3実施形態に係る半導体加速度センサを示す平面図であり、図5(b)、(c)、(d)は、それぞれA−A断面、B−B断面、C−C断面における断面図(断面矢視図)である。
ここで、第3実施形態においては、第1実施形態で示した接続領域6、薄肉部5の配置が異なる構成である点以外は共通であるので、以下、この異なる箇所について説明する。
第3実施形態においては、フレーム1は、平面視において、ビーム3の突出方向とは略直交方向であり、この略直交方向の長さがビーム3幅よりも長く、ビーム3に隣接させずにビーム3の基端部31に隣接するように設けた薄肉部5を備えた構成である。なお、フレーム1の外周囲部側には、薄肉部5に隣接させて設けたフレーム1とパッケージ20とを接着剤で固着して接続するための接続領域6を備えている。従って、ビーム3及びビーム3の基端部31は、接続領域6に対して、薄肉部5により遊動支持されることになる。
ここで、この薄肉部51の形成箇所に、薄肉部5に代えて、フレーム1を平面視において貫通する貫通孔部(不図示)を設けてもよい。なお、薄肉部5、貫通孔部とも通常のエッチング工程等で形成することができる。
なお、図5では、A−A、B−B、C−C断面の各矢視方向の関係で、各接続領域6と錘部2、補助錘部21とが一見接続されているような位置関係に見えるが、各接続領域6は、可動でないフレーム1箇所とパッケージ20との間を接着剤30を介して接続する領域であるため、各接続領域6は、錘部2、補助錘部21とは接続されていない(図5(a)参照)。
次に、センサチップ10とパッケージ20との間に後述の台座部40を設けた実施形態を、本発明の第4実施形態として図6及び図7に基づいて説明する。図6及び図7(図6の変形形態)は、本発明の第4実施形態に係る半導体加速度センサを示す断面図であり、平面図は、図1(a)と共通するので図略するが、図6(a)、(b)、(c)、図7(a)、(b)、(c)は、それぞれ図1(a)のA−A断面、B−B断面、C−C断面に相当する箇所における断面図(断面矢視図)である。
ここで、半導体加速度センサは、図6に示すように、図1において、フレーム1とパッケージ20との間に台座部40を備え、フレーム1と台座部40及びパッケージ20と台座部40とを接着剤30にて接続した構成である。なお、台座部40は、センサチップ10を構成するフレーム1と同じ材料、例えばシリコンで形成されている。この場合、センサチップ10と台座部40の熱膨張係数が等しくなり、温度環境の変化の際にも両者間の熱応力が発生しにくい。ここで、図6では、各接続領域6と補助錘部21とが一見接続されているような位置関係に見えるが、各接続領域6は、補助錘部21とは接続されていない。
また、台座部40の材料がガラスである場合、フレーム1と台座部40との接続は、接着剤30で行なうのではなく、陽極接合により行なうこともできる。この場合、図7に示すように、台座部40は、センサチップ10と接続する側に凹部41を備えることが、錘部2の下面を僅かにパッケージ20と離間し可動自在に接続するために好ましい構成である。また、図略するが、図7において、パッケージ20と台座部40との接続を陽極接合により行ってもよい。
なお、図7では、補助錘部21と台座部40とが接続されたような位置関係に見えているが、補助錘部21と台座部40とは接続されていない。
そして次に、パッケージ20と台座部40との他の接続形態を示す実施形態を、本発明の第5実施形態として図8及び図9に基づいて説明する。図8及び図9(図8の変形形態)は、本発明の第5実施形態に係る半導体加速度センサを示す断面図であり、平面図は、図1(a)と共通するので図略するが、図8(a)、(b)、(c)、図9(a)、(b)、(c)は、それぞれ図1(a)のA−A断面、B−B断面、C−C断面に相当する箇所における断面図(断面矢視図)である。
第5実施形態としては、第4実施形態と異なる箇所は、パッケージ20と台座部40との接続方法が平面視において台座部40の中央部に接着剤30を1点支持可能な所定の面積分だけに設けたところである。なお、所定の面積とは、例えば台座部40を1点支持可能な面積以上であるが、平面視したセンサチップ10の1/10以下であることが好ましい。
第5実施形態に係る半導体加速度センサは、パッケージ20と台座部40の間に、平面視において台座部40の中央部に接着剤を1点支持可能な所定の面積分だけ設け、パッケージ20と台座部40の接触面積を低減させることで、温度環境の変化が生じても、パッケージ20、台座部40両者間に生じる熱応力を低減することができる。
なお、半導体加速度センサは、図9に示すように、台座部40と対面する側のパッケージ20に凹部202を備え、接着剤30を、その厚みが凹部42の厚みに略等しく、平面視において凹部202内に納まるよう設けた構成であってもよいし、図略するが、台座部40のパッケージ20のと対面する側に凹部(不図示)を設け、接着剤を、その厚みが凹部の厚みに略等しく、平面視において凹部内に納まるよう設けた構成であってもよい。また、パッケージ20及び台座部40は、これら両者が対面する側に各々凹部(不図示)を備え、接着剤を、その厚みが各凹部の厚みの和に略等しく、平面視において少なくとも小さい方の凹部内に納まるよう設けた構成であってもよい。
ここで、図8、図9では、センサチップ10側の各接続領域6と補助錘部21とが接続されたような位置関係に見えているが、各接続領域6は、補助錘部21とは接続されていない。
なお、第1乃至第5実施形態においては、半導体加速度センサは、3軸の加速度を検出可能な構成としているが、少なくとも2軸の加速度を検出可能な構成であればよい。また、錘部2、補助錘部21の形状は、四角柱状としているが、この形状に限定されるものではない。
1 フレーム
2 錘部
3 ビーム
4 抵抗素子
5 薄肉部
6 接続領域
10 センサチップ
20 パッケージ
21 補助錘部
30 接着剤
31 基端部
40 台座部
2 錘部
3 ビーム
4 抵抗素子
5 薄肉部
6 接続領域
10 センサチップ
20 パッケージ
21 補助錘部
30 接着剤
31 基端部
40 台座部
Claims (6)
- 半導体基板からなるフレームと、該フレーム内の略中央部に設けた錘部と、該錘部と前記フレームとを可撓的に接続させ設けた複数のビームと、前記錘部に作用する加速度により抵抗値が変化する前記ビームに設けた抵抗素子とを有したセンサチップと、
前記フレームの前記抵抗素子が形成されない側の表面に、前記錘部を僅かに離間し可動自在に接続したパッケージと、を備えた半導体加速度センサであって、
前記フレームの隅角を含む領域に設けた前記フレームと前記パッケージとを接続する接続領域と、
平面視において前記接続領域に隣接させるとともに、前記ビームの基端部を取り囲むように設けた薄肉部と、
を備えたことを特徴とする半導体加速度センサ。 - 前記フレームは、平面視において、少なくとも前記薄肉部の一部、及び前記ビームの基端部を含む外周部にくびれ部を備えた請求項1に記載の半導体加速度センサ。
- 半導体基板からなるフレームと、該フレーム内の略中央部に設けた錘部と、該錘部と前記フレームとを可撓的に接続させ設けた複数のビームと、前記錘部に作用する加速度により抵抗値が変化する前記ビームに設けた抵抗素子とを備えたセンサチップと、
前記フレームの前記抵抗素子が形成されない側の表面に、前記錘部を僅かに離間し可動自在に接続したパッケージと、を備えた半導体加速度センサであって、
平面視において、前記ビームの突出方向とは略直交方向であり、該略直交方向の長さが前記ビーム幅よりも長く、前記ビームに隣接させず前記ビームの基端部に隣接するように設けた薄肉部又は貫通孔部と、
前記フレームの外周囲部側に、前記薄肉部又は貫通孔部に隣接させて設けた前記フレームと前記パッケージとを接続する接続領域と、
を備えたことを特徴とする半導体加速度センサ。 - 前記フレームと前記パッケージとの間に台座部を設け、前記フレームと前記台座部、及び前記パッケージと前記台座部とを接続した請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体加速度センサ。
- 前記パッケージと前記台座部の間に、平面視において前記台座部の中央部に接着剤を1点支持可能な所定の面積分だけ設け、
前記接着剤にて、前記パッケージと前記台座部とを接続した請求項4に記載の半導体加速度センサ。 - 前記パッケージ又は/及び前記台座部は、両者が対面する側に凹部を備え、
前記接着剤を、その厚みが前記凹部の厚みに略等しく、平面視において前記凹部内に納まるよう設けた請求項5に記載の半導体加速度センサ。
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