JP2007198858A - Pressure detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力検出器に関する。 The present invention relates to a pressure detector.
抵抗体を設けたダイアフラムの変形に対応する抵抗値の変化に基づいて、圧力の検出を行う抵抗変化型の圧力検出器が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、この他、所定のギャップを挟んで各々対向する一方の電極とダイアフラム上の他方の電極との間の静電容量の変化に基づいて、圧力を検出する静電容量型の圧力検出器なども知られている(例えば、特許文献2参照)。
A resistance change type pressure detector that detects pressure based on a change in resistance value corresponding to deformation of a diaphragm provided with a resistor has been proposed (for example, see Patent Document 1).
In addition, a capacitance-type pressure detector that detects pressure based on a change in capacitance between one electrode facing each other across a predetermined gap and the other electrode on the diaphragm, etc. Is also known (see, for example, Patent Document 2).
ここで、図7に例示するように、従来の静電容量型の圧力検出器81は、一方の圧力検出用電極82を備える基板83と、他方の圧力検出用電極84を備える例えばアルミナ製のダイアフラム85と、ギャップ86を形成するためにこれら基板83及びダイアフラム85間に介在されたスペーサ層87と、を例えば積層一体化して構成される。
Here, as illustrated in FIG. 7, a conventional
また、このような圧力検出器81の基板83には、外部の機器側との接続をとるための外部接続用の端子部88、89が設けられている。外部接続用の端子部88、89は、例えば、層間接続部(ビア)90、91、スペーサ層87の端子部92、配線パターン93、94を介して一方及び他方の圧力検出用電極82、84にそれぞれ接続されている。
ところで、上記した従来の圧力検出器81のダイアフラム85は、その基材がアルミナ、つまり絶縁材料によって構成されている。このため、スペーサ層87の端子部92及び層間接続部91を介して、他方の圧力検出用電極84を外部接続用の端子部89に接続するために接続用のリード部として上述した配線パターン94を設けることが必要となる。したがって、このような構成の圧力検出器では、導体パターンの配線においてレイアウト上の制約を受けるとともに製造工程なども必然的に多くなることから、その改善が求められている。
By the way, the
そこで、ダイアフラムの基材に金属を適用することなどが考えられるが、検出すべき圧力が大きい場合、この金属製のダイアフラムに塑性変形などが生じるおそれがある。また一方で、上記のダイアフラム85は、アルミナ製の基材部分と例えば導電ペーストの焼結体である圧力検出用電極84との焼成収縮率の違いなどが要因となり、焼成後にダイアフラム本体に反りが生じることなどが懸念される。
Thus, it is conceivable to apply a metal to the base material of the diaphragm. However, when the pressure to be detected is large, there is a possibility that plastic deformation or the like may occur in the metal diaphragm. On the other hand, the
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、ダイアフラムの製造過程で生じ得る反りの発生を抑えつつ製造の簡略化を図ることができる圧力検出器の提供を目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a pressure detector capable of simplifying the manufacturing while suppressing the occurrence of warpage that may occur in the manufacturing process of the diaphragm.
上記目的を達成するために、本発明に係る圧力検出器は、一方の圧力検出用電極が設けられた基板と、前記一方の圧力検出用電極と所定の間隙を挟んで対向するように前記基板上に積層され、かつ前記一方の圧力検出用電極と対の他方の圧力検出用電極としても機能する電子伝導性を有する無機化合物製のダイアフラムと、を具備することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a pressure detector according to the present invention includes a substrate provided with one pressure detection electrode, and the substrate facing the one pressure detection electrode with a predetermined gap therebetween. And a diaphragm made of an inorganic compound having an electronic conductivity that functions as the other pressure detection electrode and the other pressure detection electrode.
この発明によれば、ダイアフラム本体を電子伝導性を有する材料で形成しているので、圧力検出用の電極やこの電極のリード部をダイアフラム上に設ける必要性がなく、圧力検出器の製造の簡略化を図ることができる。また、この発明によれば、ダイアフラム全体を単一の材料で形成しているので、製造過程において材料の収縮などの影響でダイアフラム本体に残留応力が作用したとしても、これに起因して反りが生じることなどが抑制される。また、この発明によれば、無機化合物を構成する材料の成分を適宜設定することで、ダイアフラムとしての仕様を満足する機械的強度、弾性、さらには耐熱性や化学的安定性(対候性)を付与することが可能となる。 According to this invention, since the diaphragm main body is formed of a material having electronic conductivity, there is no need to provide an electrode for pressure detection or a lead portion of this electrode on the diaphragm, and the manufacturing of the pressure detector is simplified. Can be achieved. In addition, according to the present invention, since the entire diaphragm is formed of a single material, even if residual stress acts on the diaphragm main body due to the shrinkage of the material during the manufacturing process, warping is caused by this. The occurrence is suppressed. In addition, according to the present invention, by appropriately setting the components of the material constituting the inorganic compound, the mechanical strength and elasticity satisfying the specifications as a diaphragm, as well as heat resistance and chemical stability (weather resistance) Can be given.
また、本発明の圧力検出器は、前記基板に代えて、前記ダイアフラムと所定の間隙を挟んで対向するように当該ダイアフラムに積層されかつ前記一方の圧力検出用電極としても機能する電子伝導性を有する無機化合物製の第2のダイアフラムを備えることを特徴とする。 Further, the pressure detector of the present invention has an electronic conductivity which is laminated on the diaphragm so as to face the diaphragm with a predetermined gap instead of the substrate and also functions as the one pressure detection electrode. It has the 2nd diaphragm made from the inorganic compound which has, It is characterized by the above-mentioned.
この発明によれば、一対のダイアフラムのいずれに対しても、圧力検出用の電極やこの電極のリード部を設ける必要がないので、圧力検出器をより簡易的に製造することができる。また、この発明によれば、外部の機器側との電気的な接続が容易に実現されるので、部品レイアウト上の自由度が広がり、例えば圧力検出器の小型化などに寄与することができる。 According to the present invention, since it is not necessary to provide a pressure detection electrode or a lead portion of this electrode for any of the pair of diaphragms, the pressure detector can be manufactured more simply. In addition, according to the present invention, since electrical connection with the external device side is easily realized, the degree of freedom in component layout is increased, which can contribute to, for example, downsizing of the pressure detector.
また、本発明において、上述したダイアフラムを圧力検出用の電極として確実に機能させるために、前記ダイアフラムの電気伝導率は、少なくとも1.0×104Ω-1・m-1以上であることが望ましい。 In the present invention, the electrical conductivity of the diaphragm may be at least 1.0 × 10 4 Ω −1 · m −1 or more in order to ensure that the above-described diaphragm functions as an electrode for pressure detection. desirable.
このように本発明によれば、ダイアフラムの製造過程で生じ得る反りの発生を抑えつつ製造の簡略化を図ることが可能な圧力検出器を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a pressure detector capable of simplifying the manufacturing while suppressing the occurrence of warpage that may occur in the manufacturing process of the diaphragm.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る圧力検出器の構造を示す断面図である。
同図に示すように、この実施形態の圧力検出器1は、圧力を感知するダイアフラム2を有するセンサ部3と、機器類のメイン基板(マザーボードなど)側に取り付けられるパッケージ部5とから主に構成される分離構造型の圧力センサである。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a pressure detector according to the first embodiment of the present invention.
As shown in the figure, the pressure detector 1 of this embodiment mainly includes a
また、この実施形態の圧力検出器1は、配線パターン8b及び端子部10並びに層間接続部(ビア)8a、9aを介して、後述する一方の圧力検出用電極8及びダイアフラム2に各々接続された外部接続用のセンサ部3側の端子部16a、16bと、パッケージ部5側の端子部17a、17bとが、錫−アンチモン合金半田からなる接合材18を介して互いに接合されている。この接合材18には、銀エポキシなどの導電性樹脂、鉛−錫合金半田、錫−銀−銅合金半田、Ag−Cu合金からなるロー材、金−錫合金からなるロー材、又は金−ゲルマニュウム合金からなるロー材を適用してもよい。
In addition, the pressure detector 1 of this embodiment is connected to one of the
上述したセンサ部3は、一方の圧力検出用電極8を備える基板15と、ダイアフラム2と、ギャップ(気密空間)7を形成するためにこれら基板15及びダイアフラム2間に介在されたスペーサ層11とを積層一体化して構成される。すなわち、ダイアフラム2は、ギャップ7を挟んで基板15上の一方の圧力検出用電極8と対向するようにスペーサ層11を介して基板15上に積層されており、一方の圧力検出用電極8と対の他方の圧力検出用電極としても機能する電子伝導性を有する無機化合物により構成されている。
The
基板15及びダイアフラム2間に気密空間として形成されたギャップ7は、一方の圧力検出用電極8とダイアフラム2との間の静電容量の検出に利用される。すなわち、本実施形態の圧力検出器1は、静電容量型の圧力検出器であって、基板15上の一方の圧力検出用電極8と、他方の圧力検出用電極として機能しかつ圧力が加わった場合に弾性変形するダイアフラム2と、の間の静電容量の変化に基づいて圧力を検出する。
A
また、このような圧力検出器1が備える上記基板15及びスペーサ層11を構成する絶縁層は、アルミナグリーンシートを焼成したセラミック層14、30によりそれぞれ形成されている。このセラミック層14、30の構成材料としては、窒化アルミニウム、窒化ほう素、炭化珪素、窒化珪素、ホウケイ酸系ガラスやホウケイ酸鉛系ガラスにアルミナなどの無機セラミックフィラーを添加したガラスセラミックのような低温焼成セラミックなどを用いることも可能である。なお、パッケージ部5の本体部分もアルミナセラミック材料により形成されている。このパッケージ部5の本体部分の構成材料としては、窒化アルミニウム、窒化ほう素、炭化珪素、窒化珪素、ホウケイ酸系ガラスやホウケイ酸鉛系ガラスにアルミナなどの無機セラミックフィラーを添加したガラスセラミックのような低温焼成セラミック、有機樹脂などを適用することも可能である。
Moreover, the insulating layer which comprises the said board |
また、上記した一方の圧力検出用電極8は、タングステン、モリブデンとの合金をペースト状に構成した導電ペーストを焼成することによって形成されている。なお、圧力検出用電極8は、銅、銀、ニッケルやこれらの合金で構成されたペーストを焼成することによって形成されてもよい。また、本実施形態の圧力検出器1では、ダイアフラム2が過度に変形した場合、このダイアフラム2と一方の圧力検出用電極8とが接触(短絡)してしまうことを防止するために、電気絶縁性材料であるアルミナセラミックで構成されるショート防止膜20が、一方の圧力検出用電極8の表面に被覆されている。なお、このシート防止膜20は、基板15の構成材料の焼成温度に耐え得る電気絶縁性材料であれば、アルミナセラミック以外の材料を適用することも可能である。
The one
ここで、本実施形態に係る圧力検出器1のセンサ部3が備えるダイアフラム2について説明する。
ダイアフラム2は、上述したように電子伝導性を有する無機化合物(半導体的無機材料を含む)製であって、例えばTiC、WC、TiN、ZrC、VC、NbC、TaC、Cr3C2、Mo2C、W2C、ZrN、VN、NbN、TaN、Cr2N、TiB2、ZrB2、HfB2、VB2、NbB2、TaB2、CrB、CrB2、Mo2B、MoB、Mo2B5、W2B5、LaB6、TiSi2、ZrSi2、NbSi2、TaSi2、CrSi2、Mo5Si3、MoSi2、WSi2などが例示される。
Here, the
The
また、上記した電子伝導性を有する無機化合物製のダイアフラム2の材料としては、例えばTiC、WC、TiNなどとNi、Co、Fe、Cr、Moといった金属粉末とを焼結した炭化チタン系、炭化タングステン系、窒化チタン系のサーメット(cermet)を適用することもできる。このようなサーメットの場合、作製されるダイアフラム2の機械的強度や弾性などを考慮して、金属粉末を5〜20体積%程度、含有させることが望ましい。
The material of the
また、ダイアフラム2を圧力検出用の電極として確実に機能させるために、ダイアフラム2(電子伝導性を有する無機化合物)の電気伝導率は、少なくとも1.0×104Ω-1・m-1(S/m)以上であることが望ましい。
Moreover, in order to make the
次に、このように構成された本実施形態の圧力検出器1の製造方法について、上記した図1に加え、図2a〜図2hに基づき説明する。
図2aに示すように、厚さ0.5mmのグリーンシート34に対し、穿孔、タングステン、モリブデンとの合金からなる導電材料による孔埋め、導電ペーストの印刷を行って、このグリーンシート34上において層間接続部(ビア)8a、9aを介して端子部16a、16bと層間接続された端子部10及び未焼成の一方の圧力検出用電極38を備える未焼成の基板(基板15の母材となる基材)35を作製した。さらに、この基板35上の未焼成の圧力検出用電極38の表面をアルミナセラミックで構成されるアルミナペーストを印刷してショート防止膜20で被覆した。
Next, a manufacturing method of the pressure detector 1 of the present embodiment configured as described above will be described based on FIGS. 2a to 2h in addition to FIG. 1 described above.
As shown in FIG. 2a, a
次に、図2bに示すように、未焼成の基板35上の未焼成の一方の圧力検出用電極38及びその周辺部の平坦化処理(フラッタニング処理)を行った。
Next, as shown in FIG. 2b, a flattening process (fluttering process) was performed on one of the unfired
さらに、図2cに示すように、例えば厚さが25μm程度のグリーンシート50上において層間接続部(ビア)51を介して接続される端子部10側に、シートの亀裂発生防止用の保護テープ52が貼り付けられ、かつ上記のギャップ7に対応する矩形状の貫通穴53を有するシート状部材54を用意し、図2dに示すように、このシート状部材54を基板35側に貼り付けた後、保護テープ52を剥がした。これにより、凹部37を有する未焼成のスペーサ層31を形成した。
Further, as shown in FIG. 2c, for example, a
この後、図2eに示すように、所定の加熱温度(約250℃)で昇華するテオブロミンなどの昇華材24を印刷によって基板35上に形成されたスペーサ層31の凹部37内に充填した。
Thereafter, as shown in FIG. 2e, a
次に、図2fに示すように、昇華材24が凹部37内に充填された未焼成の基板35上に、上記した電子伝導性を有する無機化合物のペースト9をスクリーン印刷法により例えば20μmの厚さで印刷した。
Next, as shown in FIG. 2f, the above-described
次に、図2gに示すように、ペースト9を印刷した未焼成の基板35に対し、昇華材24を昇華させるため加熱温度250℃で加熱処理を行った。次いで、加熱温度を例えば1600℃〜1800℃程度に設定し、未焼成の基板35、スペーサ層31、ペースト9が互いに積層された積層体に対し還元雰囲気中で焼成を行い各層を焼成一体化した。
Next, as shown in FIG. 2 g, the
さらに、図2hに示すように、このような焼成処理を経て作製されたダイアフラム2を備えるセンサ部3と、別途作製しておいたパッケージ部5とを半田付けなどによって互いの端子部どうしを接合することで、図1に示した静電容量型の圧力検出器1を得ることができた。
Further, as shown in FIG. 2h, the terminal portions are joined to each other by soldering the
既述したように、本実施形態の圧力検出器1によれば、ダイアフラム2本体を電子伝導性を有する材料で形成しているので、圧力検出用の電極やこの電極のリード部をダイアフラム2上に設ける必要性がなく、当該圧力検出器1を容易に製造することができる。本実施形態の圧力検出器1によれば、ダイアフラム2全体を単一の材料で形成しているので、製造過程において材料の焼成収縮などの影響でダイアフラム本体に残留応力が作用したとしても、これに起因して反りが生じることなどが抑制される。また、本実施形態の圧力検出器1によれば、ダイアフラム2の構成材料として、サーメットなどの電子伝導性を有する無機化合物を適用しているので、ダイアフラム2本体に所望の機械的強度や弾性を付与することができる。これにより、圧力検出時にダイアフラムが塑性変形することなどを防止することができる。
As described above, according to the pressure detector 1 of the present embodiment, the
なお、図2c、図2dにより例示したギャップ7を構成するための未焼成のスペーサ層31をシート状部材54を用いて形成する製法に代えて、図3a、図3bに示す製法を適用してもよい。
すなわち、図3aに示すように、まず、スクリーン印刷法によりアルミナセラミックのペースト32を、一方の圧力検出用電極8の設けられた部位及び層間接続部9aの基板35上に露出する部位を避けて、未焼成の基板35上に例えば5μm〜20μm程度の厚さで印刷して、未焼成のスペーサ層36を形成し、次に、図3bに示すように、層間接続部(ビア)9aの基板35上に露出する部位の表面及びその近傍に例えば導電ペーストを印刷して端子部33を形成するようにしてもよい。
2C and FIG. 2D, the manufacturing method shown in FIG. 3A and FIG. 3B is applied in place of the manufacturing method of forming the
That is, as shown in FIG. 3a, first, the
また、図2fに示した電子伝導性を有する無機化合物のペースト9をスクリーン印刷する工程に代えて、図4に示すように、電子伝導性を有する無機化合物を別途焼成しておいた焼結体(ダイアフラム)39と、同様に別途焼成しておいたスペーサ層11を有する基板15と、をメタライズ法などを用いて互いを接合(積層一体化)するようにしてもよい。この製法では、スペーサ層11及び基板15の構成材料と、電子伝導性を有する無機化合物との焼成温度が大きく異なる場合に有用な方法となる。
また、焼結体39と同様に別途焼成しておいたスペーサ層11を有する基板15と、を
低融点ガラスを用いて接合(積層一体化)してもよい。
Further, in place of the step of screen printing the
Further, similarly to the
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態を図5及び図6a〜図6cに基づき説明する。なお、これら図5及び図6a〜図6cにおいて、第1の実施形態で説明した構成要素と同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付与してその説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6a to 6c. In FIGS. 5 and 6a to 6c, components having the same functions as the components described in the first embodiment are given the same reference numerals and description thereof is omitted.
すなわち、図5に示すように、この実施形態に係る圧力検出器41は、相異なる二方向(矢印X1、X2方向)から圧力を感知する一対のダイアフラム42a、42bを有するセンサ部43と、機器類のメイン基板側に取り付けられるパッケージ部5とから構成される分離構造型の圧力センサである。
That is, as shown in FIG. 5, the
一対のダイアフラム42a、42bは、ギャップ(気密空間)47を有するスペーサ層60を挟んで各々対向し、パッケージ部5の表面に対して起立した姿勢で配置されている。また、これらのダイアフラム42a、42bは、第1の実施形態のダイアフラム2と同一の材料、つまり電子伝導性を有する無機化合物で構成されており、それぞれが一方及び他方の圧力検出用電極としても機能する。したがって、このような圧力検出器41は、矢印X1方向から圧力が加わった場合に弾性変形するダイアフラム42aと、矢印X2方向から圧力が加わった場合に弾性変形するダイアフラム42bと、の間の静電容量の変化に基づいて圧力を検出する静電容量型の圧力検出器である。
The pair of
このように構成される本実施形態の圧力検出器41の製法としては、図6aに示すように、まず、ギャップ47に対応する開口部62を中央に有し、予め焼成しておいた例えばアルミナセラミック製のスペーサ部材61と、このスペーサ部材61の製造工程と異なる工程で、別途焼成しておいたダイアフラム用基板44a、44bとを、図6bに示すように互いに接合した。
As a manufacturing method of the
これらの接合には、Ag−Cu合金からなるロー材、金−錫合金からなるロー材、金−ゲルマニュウム合金からなるロー材、ガラス封止材、エポキシ樹脂などを用いた接合を適用することができる。 For these joining, joining using a brazing material made of an Ag-Cu alloy, a brazing material made of a gold-tin alloy, a brazing material made of a gold-germanium alloy, a glass sealing material, an epoxy resin, or the like may be applied. it can.
この後、図6cに示すように、スペーサ層60を挟んで積層一体化されたダイアフラム42a、42bを備えるセンサ部3と、別途作製しておいたパッケージ部5とを半田付けなどによって互いの端子部どうしを接合することで、図5に示した静電容量型の圧力検出器1を得ることができた。
Thereafter, as shown in FIG. 6c, the
したがって、本実施形態に係る圧力検出器41によれば、一対のダイアフラムのいずれに対しても、圧力検出用の電極やこの電極のリード部を設ける必要がないので、圧力検出器をより簡易的に製造することができる。また、本実施形態の圧力検出器41によれば、機器側に取り付けられるパッケージ部5と、ダイアフラム42a、42bとの接続がこのように容易に実現されるので、部品レイアウト上の自由度が広がり、圧力検出器本体の小型化などに寄与することができる。
Therefore, according to the
以上、本発明を各実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した実施形態では、ダイアフラムを有するセンサ部と機器類のメイン基板側に取り付けられるパッケージ部とを個別に作製して、最終的にそれぞれをロー付けや半田付けなどにより接合する分離構造型の圧力検出器について説明したが、これに代えて、ロー付けや半田付けなどが不要となるように、センサ部分とパッケージ部分とが製造過程の初期段階で予め一体化されている一体構造型の圧力検出器などに対しても本発明を適用することができる。 The present invention has been specifically described above with reference to the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, in the above-described embodiment, a separate structure type in which a sensor unit having a diaphragm and a package unit attached to the main board side of the devices are individually manufactured and finally joined by brazing, soldering, or the like. However, instead of this, the sensor part and the package part are integrated in advance in the initial stage of the manufacturing process so as to eliminate the need for brazing or soldering. The present invention can also be applied to a pressure detector or the like.
1,41…圧力検出器、2,42a,42b…ダイアフラム、3,43…センサ部、5…パッケージ部、7,47…ギャップ、8…一方の圧力検出用電極、9…電子伝導性を有する無機化合物のペースト、15…焼成後の基板、35…未焼成の基板、44a,44b…ダイアフラム用基板。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記一方の圧力検出用電極と所定の間隙を挟んで対向するように前記基板上に積層され、かつ前記一方の圧力検出用電極と対の他方の圧力検出用電極としても機能する電子伝導性を有する無機化合物製のダイアフラムと、
を具備することを特徴とする圧力検出器。 A substrate provided with one pressure detection electrode;
Electronic conductivity that is laminated on the substrate so as to face the one pressure detection electrode with a predetermined gap therebetween, and also functions as the other pressure detection electrode paired with the one pressure detection electrode. A diaphragm made of an inorganic compound,
A pressure detector.
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Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20090407 |