JP2007163456A - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

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Tetsuya Fukuda
哲也 福田
Shigeaki Yamauchi
茂昭 山内
Yoshinobu Nakamura
吉延 中村
Hiroyuki Kobayashi
弘之 小林
Katsuya Kikuiri
勝也 菊入
Kiyoshi Sato
清 佐藤
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Abstract

【課題】高感度で圧力検出を行うことができる静電容量型圧力センサを提供すること。
【解決手段】ガラス基板11の主面11b側には、シリコン基板12が接合されている。ガラス基板11の主面11a側におけるキャビティ内には、突出部11cが形成されている。シリコン基板12において、突出部12aがキャビティ内に配置され、突出部12bがキャビティ外に配置される。ガラス基板11の突出部11c上には、固定電極13が形成されている。突出部12b上には、コンタクト層14及びシード層15を介して電極パッド16が形成されている。ガラス基板11の主面11aの接合面(凹部11d以外の領域)11e上には、圧力センサの可動電極である感圧ダイヤフラム17aを有するシリコン基板17が接合されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、静電容量を用いて圧力を検知する静電容量型圧力センサに関する。
静電容量型圧力センサは、可動電極である感圧ダイヤフラムを有する基板と、固定電極を有する基板とを、感圧ダイヤフラムと固定電極との間に所定の間隔(キャビティ)を有するように接合することにより構成されている。この静電容量型圧力センサにおいては、感圧ダイヤフラムに圧力が加わると感圧ダイヤフラムが変形し、これにより感圧ダイヤフラムと固定電極との間隔が変わる。この間隔の変化により感圧ダイヤフラムと固定電極との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化を利用して圧力の変化を検出する(例えば、特許文献1)。
特許第2772111号公報
このような静電容量型圧力センサは、さらなる小型化が望まれており、固定電極と可動電極との間のキャビティの間隔もより狭いものが要求される。また、静電容量型圧力センサにおいては、このようにキャビティ間隔が狭い状態で高い圧力を検出できることも望まれている。したがって、高感度で圧力検出が可能である静電容量型圧力センサへの要求が高まってきている。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高感度で圧力検出を行うことができる静電容量型圧力センサを提供することを目的とする。
本発明の静電容量型圧力センサは、相互に対向する一対の主面を有し、前記一対の主面の一方の主面にキャビティ用に形成された凹部及び前記凹部内に設けられた第1突出部を有するガラス基板と、前記突出部上に形成された固定電極と、前記固定電極との間に所定の間隔をおいて配置された可動電極を有する第1シリコン基板と、を具備することを特徴とする。
この構成によれば、ガラス基板に形成した第1突出部上に固定電極を形成している。これにより、固定電極の位置に拘りなく固定電極と可動電極との間の間隔を一定に保持することができ、その結果、高感度に圧力を検出することができる。
本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記ガラス基板の他方の主面に接合され、前記ガラス基板を貫通して前記一方の主面側で露出した第2突出部を有する第2シリコン基板をさらに具備し、前記第2突出部が前記凹部内における第1突出部以外の領域で露出しており、前記固定電極が前記第2突出部と電気的に接続することが好ましい。この構成によれば、第2突出部の頂面が第1突出部の頂面よりも低い位置にある。すなわち、第1シリコン基板との距離は、第1突出部の領域よりも第2突出部の領域の方が大きい。このように第1シリコン基板と第2突出部との間の距離を大きくすることにより、寄生容量を小さくすることが可能となり、より精度良く圧力検出を行うことができる。
本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記凹部は、複数段で構成されていることが好ましい。この構成によれば、センサが小型になっても、ガラス基板とシリコン基板の接合の際に生じるガスをトラップする領域を確保して、キャビティ内の圧力が上昇することを防止できる。これにより、センサの温度特性の劣化を防止することが可能となる。
本発明の静電容量型圧力センサにおいては、前記ガラス基板と前記第1及び第2シリコン基板との界面においてSi−Si結合又はSi−O結合を有することが好ましい。この構成によれば、ガラス基板とシリコンとの界面においてSi−Si結合又はSi−O結合を有するので、ガラスとシリコンとが強固に接合されて、両者間の密着性が向上し、凹部と第1シリコン基板とで構成されるキャビティの気密性が向上する。
本発明によれば、相互に対向する一対の主面を有し、前記一対の主面の一方の主面にキャビティ用に形成された凹部及び前記凹部内に設けられた第1突出部を有するガラス基板と、前記突出部上に形成された固定電極と、前記固定電極との間に所定の間隔をおいて配置された可動電極を有する第1シリコン基板と、を具備するので、高感度で圧力検出を行うことができる静電容量型圧力センサを提供することができる。
本出願人は、突出部を有するシリコン基板をガラス基板に加熱加圧下で押し込んで接合して、両基板を研磨することにより突出部をガラス基板に埋め込み、この埋め込み基板を用いて静電容量型圧力センサを得る技術を開発した。この技術においては、前記埋め込み基板を用いて静電容量型圧力センサを製造する際に、ガラスとシリコンを同時に研磨する工程を含むことがある。この工程においては、ガラスとシリコンを同時に研磨して所望の形状を得ることが難しい。固定電極と可動電極との間で静電容量を求める領域において、固定電極が所望の形状を有していないと、固定電極と可動電極との間の間隔にばらつきが生じてしまい、高感度に圧力を検出することができなくなる恐れがある。
本発明者らはこの点に着目し、ガラスとシリコンを同時に研磨する工程を経ずに静電容量型圧力センサを実現できる構成を見出し本発明をするに至った。すなわち、本発明の骨子は、相互に対向する一対の主面を有し、前記一対の主面の一方の主面にキャビティ用に形成された凹部及び前記凹部内に設けられた第1突出部を有するガラス基板と、前記突出部上に形成された固定電極と、前記固定電極との間に所定の間隔をおいて配置された可動電極を有する第1シリコン基板と、を具備することにより、高感度で圧力検出を行うことができる静電容量型圧力センサを提供することである。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの図であり、(a)は断面図であり、(b)は平面図である。
図中11はガラス基板を示す。ガラス基板11は、相互に対向する一対の主面11a,11bを有する。ガラス基板11の主面11b側には、シリコン基板12が接合されている。ガラス基板11の主面11a側におけるキャビティ内には、突出部11cが形成されている。この突出部11cは固定電極が形成される領域であるので、突出部11cの高さは、可動電極との間の間隔に応じて適宜決定する。ガラス基板11の主面11a側には、後述するキャビティを構成するための凹部11dが形成されている。この凹部11dの深さは、キャビティ内の固定電極が後述する感圧ダイヤフラムと接触しないような範囲で所定のキャビティ間隔を保持できるように設定する。また、凹部11dの幅は、寄生容量を小さくするために、少なくとも固定電極の幅よりも大きく設定することが望ましい。また、固定電極13は、できるだけ寄生容量を小さくするために、凹部11dの突出部11c上のみに形成することがより好ましい。なお、突出部11cは、寄生容量や全体の厚さ(加工時間)を考慮して、凹部11dの底面より3〜6μmの高さで形成することが好ましい。
シリコン基板12は、固定電極用の接続部である突出部12aと、電極パッド用の接続部である突出部12bを有しており、ガラス基板11に突出部12a,12bが貫通して一方の主面11a側で露出している。シリコン基板12において、突出部12aがキャビティ内に配置され、突出部12bがキャビティ外に配置される。突出部12aは、ガラス基板11の凹部11dにおいて突出部11c以外の領域(固定電極として機能する領域以外の領域)に配置されており、その頂面が突出部11cよりも低い位置にある。すなわち、後述するシリコン基板17との距離は、突出部11cの領域よりも突出部12aの領域の方が大きい。また、突出部12aは、凹部11dの突出部11c以外の領域において、その一部の領域に部分的に形成されている。このようにシリコン基板17と突出部12aとの間の距離を大きくし、突出部12aの形成面積を相対的に小さくすることにより、寄生容量を小さくすることが可能となり、より精度良く圧力検出を行うことができる。さらに、突出部12aと突出部12bとを接続する接続部12cを、突出部12a及び突出部12bの頂面よりも低い位置に形成し、接続部12cとシリコン基板17との間の距離を、シリコン基板17と突出部12a及び突出部12bとの間の距離よりも大きくしている。これにより、寄生容量を小さくすることが可能となる。また、突出部12a,12bの高さは、寄生容量の低減の観点から、例えば約200μm程度とすることが好ましい。
ガラス基板11の突出部11c上には、固定電極13が形成されている。この固定電極13は、突出部11cの側面を介してシリコン基板12の突出部12a上にまで延在している。したがって、固定電極13とシリコン基板12の突出部12aとは電気的に接続されている。なお、固定電極13は、例えばTi/Cr/Taの三層構造を用いることができる。CrはTaの下地層として用いることにより抵抗を低減させることができるので好ましい。また、固定電極13は、スパッタリング法などにより形成することができる。また、固定電極13の厚さは、全体で0.2μm〜0.3μm程度であることが好ましい。
また、突出部12b上には、コンタクト層14及びシード層15(メッキシード層)を介して電極パッド16が形成されている。突出部12aと突出部12bとは同じシリコン基板12に形成されているので、固定電極13と電極パッド16とは、シリコン基板12、コンタクト層14及びシード層15を介して電気的に接続されている。電極パッド16は、ワイヤボンディングなどの接続手段により外部回路と電気的に接続するようになっている。なお、コンタクト層14やシード層15を構成する材料としては、金属などの導電性材料を用いることができる。この場合、電極パッド16と接触抵抗が低い材料を選択することが好ましい。また、電極パッド16領域における構造については、これに限定されず種々変更することができる。
ガラス基板11の主面11aの接合面(凹部11d以外の領域)11e上には、圧力センサの可動電極である感圧ダイヤフラム17aを有するシリコン基板17が接合されている。これにより、ガラス基板11の凹部11dとシリコン基板17との間でキャビティ18が形成される。これにより、感圧ダイヤフラム17a(可動電極)と固定電極13との間に静電容量が発生する。
ガラス基板11とシリコン基板17との間の界面(接合面11e)は、高い密着性を有することが好ましい。ガラス基板11にシリコン基板17を接合する場合には、ガラス基板11の接合面11e上にシリコン基板17を搭載し、陽極接合処理を施すことにより、両基板11,17の密着性を高くすることができる。このようにガラス基板11とシリコン基板17との界面で高い密着性を発揮することにより、感圧ダイヤフラム17aとガラス基板11の凹部11dとの間で構成するキャビティ18内の気密性を高く保つことができる。また、ガラス基板11の凹部11dにおいて、突出部11c以外の領域であって、シリコン基板17との間の距離が大きい領域11gを形成することにより、陽極接合時にシリコン基板17がガラス基板11に静電引力により引き寄せられても、両者が接触して接合面11e以外の部分で陽極接合されることを防止できる。なお、突出部11cは、金属で構成された固定電極13があるため、シリコン基板17と接触しても陽極接合はされにくくなっている。
ここで、陽極接合処理とは、所定の温度(例えば400℃以下)で所定の電圧(例えば300V〜1kV)を印加することにより、シリコンとガラスとの間に大きな静電引力が発生して、接触したガラス−シリコン界面で酸素を介した化学結合を形成される、もしくは、酸素の放出による共有結合を形成させる処理をいう。この界面での共有結合は、シリコンのSi原子とガラスに含まれるSi原子との間のSi−Si結合又はSi−O結合である。したがって、このSi−Si結合又はSi−O結合により、シリコンとガラスとが強固に接合して、両者間の界面で非常に高い密着性を発揮する。このような陽極接合を効率良く行うために、ガラス基板11のガラス材料としては、ナトリウムなどのアルカリ金属を含むガラス材料(例えばパイレックス(登録商標)ガラス)であることが好ましい。
また、ガラス基板11とシリコン基板12との間の界面も陽極接合されていることが好ましい。後述するように、これらの界面は、加熱下においてシリコン基板12をガラス基板11に押し込むことにより形成される。このような方法により得られた界面でも高い密着性を発揮できるが、シリコン基板12をガラス基板11に押し込んだ後に、陽極接合処理を施すことにより、密着性をより高くすることができる。
このような構成を有する静電容量型圧力センサにおいては、感圧ダイヤフラム17aとガラス基板11の突出部11c上に形成された固定電極13との間に所定の静電容量を有する。この圧力センサに圧力が加わると、感圧ダイヤフラム17aが圧力に応じて可動する。これにより、感圧ダイヤフラム17aが変位する。このとき、感圧ダイヤフラム17aと固定電極13との間の静電容量が変化する。したがって、この静電容量をパラメータとして、その変化を圧力変化とすることができる。
この静電容量型圧力センサにおいては、ガラス基板11に形成した突出部11c上に固定電極13を形成している。すなわち、固定電極13を形成する領域はすべてガラスであり、シリコンとガラスが混在した領域ではない。したがって、シリコンとガラスを同時に研磨する必要がないので、シリコンとガラスを同時に研磨する際に、シリコン表面が上に凸の湾曲形状になることを防止できる。このため、固定電極13を形成する突出部11cの頂面の形状を所望の形状とすることができる。
次に、本実施の形態の静電容量型圧力センサの製造方法について説明する。図2(a)〜(c)、図3(a)〜(e)及び図4(a),(b)は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。
まず、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板12を準備する。不純物としては、n型不純物でも良く、p型不純物でも良い。抵抗率としては、例えば0.01Ω・cm程度とする。そして、図2(a)に示すように、このシリコン基板12の一方の主面をエッチングして、突出部12a,12bを形成する。この場合、シリコン基板12上にレジスト膜を形成し、突出部12a,12b形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング(フォトリソグラフィー)し、そのレジスト膜をマスクとしてシリコンをエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。このようにして突出部12a,12bを設ける。
次いで、突出部12a,12bを形成したシリコン基板12上にガラス基板11を置く。さらに、真空下で、このシリコン基板12及びガラス基板11を加熱し、シリコン基板12をガラス基板11に押圧して突出部12a,12bをガラス基板11の主面11bに押し込んで、図2(b)に示すように、シリコン基板12とガラス基板11とを接合する。このときの温度は、シリコンの融点以下であって、ガラスが変形可能である温度(例えば、ガラスの軟化点温度以下)が好ましい。例えば加熱温度は約800℃である。
さらに、シリコン基板12の突出部12a,12bとガラス基板11との界面での密着性をより高めるために、陽極接合処理をすることが好ましい。この場合、シリコン基板12及びガラス基板11にそれぞれ電極をつけて、約400℃以下の加熱下で約300V〜1kVの電圧を印加することにより行う。これにより両者の界面での密着性がより高くなり、静電容量型圧力センサのキャビティ18の気密性を向上させることができる。
次いで、ガラス基板11の主面11a側を研磨処理して、シリコン基板12の突出部12a,12bを露出させる。次いで、図2(c)に示すように、ガラス基板11及び突出部12a,12bを、例えばミリング加工して、キャビティ18用の凹部11fを形成する。次いで、図3(a)に示すように、凹部11fの外側の領域、すなわち固定電極13を設けない領域を、例えばミリング加工して、凹部11dを形成する。このようにして固定電極13を形成する突出部11cを形成する。この突出部11cの頂面は、ミリングにより形成された面であるので、略平坦面である。このため、固定電極13の位置に拘りなく固定電極13と感圧ダイヤフラム17aとの間の間隔を一定に保持することができ、これにより高感度に圧力を検出することができるようになる。
次いで、図3(b)に示すように、ガラス基板11の突出部11cからシリコン基板12の突出部12aにわたって固定電極13を形成する。この場合、固定電極形成領域に開口部を有するようにレジスト膜をパターニング(フォトリソグラフィー)し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料を被着し、その後残存したレジスト膜を除去(リフトオフ)する。これにより、固定電極13を形成すると共に、固定電極13と突出部12aとを電気的に接続させる。
次いで、図3(c)に示すように、シリコン基板12の突出部12bを含む領域上にコンタクト層14を形成する。この場合、コンタクト層形成領域にレジスト膜を形成し、コンタクト層をスパッタリング法などで成膜し、その後残存したレジスト膜を除去(リフトオフ)する。
次いで、図3(d)に示すように、コンタクト層14上にシード層15を形成する。この場合、シード層形成領域に開口部を有するようにレジスト膜を形成し、シード層15をスパッタリング法などで成膜し、その後残存したレジスト膜を除去(リフトオフ)する。これにより、シード層15上にメッキにより電極パッド16を形成することができるようになる。
次いで、図3(e)に示すように、シード層15上に電極パッド16を形成する。この場合、電極パッド形成領域以外の領域にマスクを設け、電極パッド形成領域のみにメッキを施して電極パッド16を形成する。なお、メッキの条件は、材料により異なるが通常用いられている条件とする。次いで、図4(a)に示すように、全体にレジスト膜を形成し、電極パッド周辺領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング(フォトリソグラフィー)し、そのレジスト膜をマスクとしてシード層15及びコンタクト層14をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。
次いで、あらかじめエッチングや研磨などにより数十μm程度の所定の厚さに形成したシリコン基板17を、感圧ダイヤフラム17aが固定電極13と所定の間隔をおいて位置するようにして、図4(b)に示すように、ガラス基板11の接合面11e上に接合する。このとき、シリコン基板17及びガラス基板11に対して、約400℃以下の加熱下で約500V程度の電圧を印加することにより陽極接合処理を行う。これによりシリコン基板17とガラス基板11との間の界面での密着性がより高くなり、キャビティ18の気密性を向上させることができる。その後、シリコン基板17全体にレジスト膜を形成し、電極パッド周辺領域以外の領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング(フォトリソグラフィー)し、そのレジスト膜をマスクとしてシリコン基板17をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。これにより図1(a)に示す静電容量型圧力センサを得る。
このようにして得られた静電容量型圧力センサは、固定電極13が突出部12aを介して電極パッド16と電気的に接続され、感圧ダイヤフラム17aが引き出し電極(図示せず)と電気的に接続されている。したがって、感圧ダイヤフラム17aと固定電極13との間で検知された静電容量の変化の信号は、電極パッド及び引き出し電極から取得することができる。この信号に基づいて測定圧力を算出することができる。
本実施の形態に係る静電容量型圧力センサによれば、ガラス基板11に形成した突出部11c上に固定電極13を形成している。この突出部11cの頂面は、略平坦面であるので、固定電極13の位置に拘りなく固定電極13と感圧ダイヤフラム17aとの間の間隔を一定に保持することができ、これにより高感度に圧力を検出することができるようになる。このように、本発明によれば、高感度で圧力検出を行うことができる静電容量型圧力センサを提供することができる。
また、この静電容量型圧力センサにおいては、ガラス基板11に突出部11cよりも低い凹部11dを形成し、さらにシリコン基板12の突出部12aと突出部12bを接続する接続部12cの頂面を、突出部12a,12bの頂面よりも低く形成しているので、固定電極13以外の導電性部材とシリコン基板17との間の距離を大きく保持できるので、寄生容量を大幅に低減することができる。具体的には、突出部11c以外の領域11gにおける凹部11dの底面からの突出部11cの高さを3μm〜6μmとし、突出部12a,12bの高さを約200μm程度とした場合、寄生容量は圧力センサ全体の静電容量の4.3%程度とすることが可能となる。
図5は、本発明の静電容量型圧力センサの他の例を示す図である。図5に示す静電容量型圧力センサは、キャビティ18内のガラス基板11に設けられた凹部11dが複数段(ここでは2段)で構成されている。センサを小型化すると、必然的にキャビティ18の容積が減少するため、ガラス基板11とシリコン基板17とを陽極接合する際に生じるガスによりキャビティ18内の圧力が上昇することが考えらる。図5に示すように、キャビティ18内のガラス基板11の凹部11dを複数段で構成して、深くすることにより、センサが小型になっても、ガラス基板11とシリコン基板17の接合の際に生じるガスをトラップする領域を確保して、キャビティ18内の圧力が上昇することを防止できる。これにより、センサの温度特性の劣化を防止することが可能となる。また、このように凹部11dを深くなるにしたがって幅を狭くなるようにすることにより、固定電極13をパターニングする際の影響を小さくすることができる。なお、凹部11dを複数段に形成する際には、図3(a)に示すように凹部11dを形成した後に、さらにミリング加工を施して凹部11dの内部に凹部を形成する。
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態で説明した数値や材質については特に制限はない。また、上記実施の形態におけるシリコンのエッチングやミリング加工については通常用いられる条件で行う。また、上記実施の形態で説明したプロセスについてはこれに限定されず、工程間の適宜順序を変えて実施しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。
本発明は、例えば大気圧をモニタリングする気圧計やガス圧をモニタリングする静電容量型圧力センサに適用することができる。
本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの概略構成を示す図であり、(a)は断面図であり、(b)は平面図である。 (a)〜(c)は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。 (a)〜(e)は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。 (a),(b)は、本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る静電容量型圧力センサの他の例を示す断面図である。
符号の説明
11 ガラス基板
11a,11b 主面
11c,12a,12b 突出部
11d,11f 凹部
11e 接合面
12,17 シリコン基板
12c 接続部
13 固定電極
14 コンタクト層
15 シード層
16 電極パッド
17a 感圧ダイヤフラム
18 キャビティ

Claims (4)

  1. 相互に対向する一対の主面を有し、前記一対の主面の一方の主面にキャビティ用に形成された凹部及び前記凹部内に設けられた第1突出部を有するガラス基板と、前記突出部上に形成された固定電極と、前記固定電極との間に所定の間隔をおいて配置された可動電極を有する第1シリコン基板と、を具備することを特徴とする静電容量型圧力センサ。
  2. 前記ガラス基板の他方の主面に接合され、前記ガラス基板を貫通して前記一方の主面側で露出した第2突出部を有する第2シリコン基板をさらに具備し、前記第2突出部が前記凹部内における第1突出部以外の領域で露出しており、前記固定電極が前記第2突出部と電気的に接続することを特徴とする請求項1記載の静電容量型圧力センサ。
  3. 前記凹部は、複数段で構成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の静電容量型圧力センサ。
  4. 前記ガラス基板と前記第1及び第2シリコンとの界面においてSi−Si結合又はSi−O結合を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ。
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