JP2008249420A - 半導体センサモジュール及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体センサ(フローセンサ)をデバイスに組み込む際に、その流路構造を変更することで、小型化を実現した半導体センサモジュールを提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体センサモジュール1A(1)は、半導体基板2、前記半導体基板に配された感圧部3、及び、前記感圧部の少なくとも一部に配された貫通孔4を、少なくとも有する半導体センサ10と、前記半導体センサを内包するとともに、前記貫通孔と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板11と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】本発明に係る半導体センサモジュール1A(1)は、半導体基板2、前記半導体基板に配された感圧部3、及び、前記感圧部の少なくとも一部に配された貫通孔4を、少なくとも有する半導体センサ10と、前記半導体センサを内包するとともに、前記貫通孔と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板11と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体センサ及び該半導体センサを搭載した電子機器に関する。
工業計測の分野において、流体の流量を測定する方法として、流体を導く管の途中にオリフィス板を設け、このオリフィス前後の圧力差を検出することにより流量を求める差圧式流量測定法が広く用いられている。
図5に一例を示す。この図において51は上流側の流路、52は下流側の流路であり、これらはオリフィス部53を介して接続されている。また、54は差圧測定用の圧力センサであり、この圧カセンサ54には、上流側及び下流側の流路からそれぞれ圧力導入管58が接続されている。このような構造において、流体が上流側から下流側へ流れると、流体はオリフィス部で抵抗を受け、上流側と下流側で圧力差が生じる。また、この圧力差と流量にはベルヌイの定理で知られるように、一定の関係が有り、この圧力差を圧カセンサ54で検知することにより、流体の流量を計測することができる。
一方で、昨今のセンサ小型化の要求に対して、熱式のフローセンサが利用されている(例えば、特許文献1参照)。
また、その他にも半導体圧力センサのダイアフラム中央に貫通孔を形成し、この貫通孔を流れる流体の圧力差から流量を計測するフローセンサが考案されている。
また、その他にも半導体圧力センサのダイアフラム中央に貫通孔を形成し、この貫通孔を流れる流体の圧力差から流量を計測するフローセンサが考案されている。
図6に小型化されたフローセンサを示す(例えば、特許文献2参照)。この図においては、上流側の流路61と下流側の流路62を、ダイアフラム中央部に貫通孔を有するピエゾ抵抗型圧カセンサ63を介して接続されている。このような構造において、上流側から下流側へ流体が流れると、ダイアフラムに圧力差が生じ、これを検出することによって、流量を計測することができる。このような構造のため、従来のフローセンサにおける圧力導入部が不要となり、コストの低減及び小型化が可能となる。
しかしながら、図6に示す小型化されたフローセンサ及び熱式のフローセンサにおいて、以下に示すような問題がある。
まず、熱式のフローセンサでは、流体が熱の移動に寄与しているため、液体などの熱容量の大きな流体に対しては使用できない。
また、図6に記載されたフローセンサでは、流体の流路を配管等で形成しているため、体積が大きくなり、例えば、センサをデバイス等に組み込んだ場合、デバイスのサイズも大きくなってしまう。
特許第3705681号公報
特開昭63−236923号公報
まず、熱式のフローセンサでは、流体が熱の移動に寄与しているため、液体などの熱容量の大きな流体に対しては使用できない。
また、図6に記載されたフローセンサでは、流体の流路を配管等で形成しているため、体積が大きくなり、例えば、センサをデバイス等に組み込んだ場合、デバイスのサイズも大きくなってしまう。
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、半導体センサ(フローセンサ)をデバイスに組み込む際に、その流路構造を工夫することで、小型化を実現するとともに、熱容量の大きな流体にも適用できる、半導体センサモジュールを提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、小型化された半導体センサモジュールを搭載することで、小型化に寄与することができる電子機器を提供することを第二の目的とする。
また、本発明は、小型化された半導体センサモジュールを搭載することで、小型化に寄与することができる電子機器を提供することを第二の目的とする。
本発明の請求項1に記載の半導体センサモジュールは、半導体基板、該半導体基板に配された感圧部、及び、前記感圧部の少なくとも一部に配された貫通孔を、少なくとも有する半導体センサと、前記半導体センサを内包するとともに、前記貫通孔と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
本発明の請求項2に記載の半導体センサモジュールは、請求項1において、前記フレキシブル基板の内部に、前記半導体センサと電気的に接続された配線部が配されており、該配線部は、前記流路から隔離されていることを特徴とする。
本発明の請求項3に記載の半導体センサモジュールは、請求項1又は2において、前記流路の内壁面に、前記フレキシブル基板とは異なる材料からなる保護膜が配されていることを特徴とする。
本発明の請求項4に記載の半導体センサモジュールは、請求項1乃至3のいずれか一項において、前記流路は、前記フレキシブル基板の変形に応じて変形し、かつ、変形後も該流路をなす空間が確保されていることを特徴とする。
本発明の請求項5に記載の半導体センサモジュールは、請求項1乃至4のいずれか一項において、前記フレキシブル基板は、光を透過しない材料からなることを特徴とする。
本発明の請求項6に記載の半導体センサモジュールは、請求項1乃至4のいずれか一項において、前記フレキシブル基板の少なくとも一方の面に、光を透過しない材料からなる被覆部材が配されていることを特徴とする。
本発明の請求項7に記載の電子機器は、半導体基板、該半導体基板に配された感圧部、及び、前記感圧部の少なくとも一部に配された貫通孔を、少なくとも有する半導体センサと、前記半導体センサを内包するとともに、前記貫通孔と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板と、を少なくとも備えてなる半導体センサモジュールを、搭載したことを特徴とする。
本発明の請求項2に記載の半導体センサモジュールは、請求項1において、前記フレキシブル基板の内部に、前記半導体センサと電気的に接続された配線部が配されており、該配線部は、前記流路から隔離されていることを特徴とする。
本発明の請求項3に記載の半導体センサモジュールは、請求項1又は2において、前記流路の内壁面に、前記フレキシブル基板とは異なる材料からなる保護膜が配されていることを特徴とする。
本発明の請求項4に記載の半導体センサモジュールは、請求項1乃至3のいずれか一項において、前記流路は、前記フレキシブル基板の変形に応じて変形し、かつ、変形後も該流路をなす空間が確保されていることを特徴とする。
本発明の請求項5に記載の半導体センサモジュールは、請求項1乃至4のいずれか一項において、前記フレキシブル基板は、光を透過しない材料からなることを特徴とする。
本発明の請求項6に記載の半導体センサモジュールは、請求項1乃至4のいずれか一項において、前記フレキシブル基板の少なくとも一方の面に、光を透過しない材料からなる被覆部材が配されていることを特徴とする。
本発明の請求項7に記載の電子機器は、半導体基板、該半導体基板に配された感圧部、及び、前記感圧部の少なくとも一部に配された貫通孔を、少なくとも有する半導体センサと、前記半導体センサを内包するとともに、前記貫通孔と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板と、を少なくとも備えてなる半導体センサモジュールを、搭載したことを特徴とする。
本発明によれば、半導体センサを、貫通孔と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板に内包する構成を採用したことにより、小型化を実現した半導体センサモジュールを提供することができる。かかる構成によれば、液体などの熱容量の大きな流体にも適用できる。
また、本発明に係る電子機器は、半導体センサを、貫通孔と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板に内包する構成を採用し、小型化されてなる半導体センサモジュールを搭載している。ゆえに、本発明は、小型化や、薄型化、軽量化などが図れた電子機器の提供に寄与する。
また、本発明に係る電子機器は、半導体センサを、貫通孔と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板に内包する構成を採用し、小型化されてなる半導体センサモジュールを搭載している。ゆえに、本発明は、小型化や、薄型化、軽量化などが図れた電子機器の提供に寄与する。
以下、本発明に係る半導体センサモジュールの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明に係る半導体センサモジュールの一例を示す断面図である。
本発明の半導体センサモジュール1A(1)は、半導体基板2、該半導体基板2に配された感圧部3、及び、前記感圧部2の少なくとも一部に配された貫通孔4を、少なくとも有する半導体センサ10と、前記半導体センサ10を内包するとともに、前記貫通孔4と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板11と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
本発明の半導体センサモジュール1A(1)は、半導体基板2、該半導体基板2に配された感圧部3、及び、前記感圧部2の少なくとも一部に配された貫通孔4を、少なくとも有する半導体センサ10と、前記半導体センサ10を内包するとともに、前記貫通孔4と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板11と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
本発明では、半導体センサ10を、貫通孔4と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板11に内包することで、小型化を実現した半導体センサモジュール1を提供することができる。この半導体センサモジュール1は、フレキシブル基板11内に設けた流路を通じて、流体が半導体センサ10へ導かれる構成となっているので、液体などの熱容量の大きな流体にも十分に適用できる。
また、センサの実装と流路の形成が同時に可能なため、コスト及び工数の削減が可能である。
また、センサの実装と流路の形成が同時に可能なため、コスト及び工数の削減が可能である。
本発明において、半導体センサ10は、ピエゾ抵抗型フローセンサであり、上流側流路12と、半導体センサ10と、下側側流路13と、から構成される場合である。
なお、以下では、図1の構成例について詳細に説明するが、前述した本発明の作用・効果は、流路の上下を逆転させた構成例(すなわち、図1において下側から上側へ進む方向の流れをもち(P0とP1の矢印が逆向き)、13が上流側流路、12が下流側流路をそれぞれなす構成例)においても有効である。
なお、以下では、図1の構成例について詳細に説明するが、前述した本発明の作用・効果は、流路の上下を逆転させた構成例(すなわち、図1において下側から上側へ進む方向の流れをもち(P0とP1の矢印が逆向き)、13が上流側流路、12が下流側流路をそれぞれなす構成例)においても有効である。
半導体センサ10は、例えばシリコン基板等からなる半導体基板2と、半導体基板2に配された感圧部3(ダイアフラムとも言う。)と、感圧部3の少なくとも一部に配された貫通孔4と、感圧部3の表面に配された4つのp型抵抗体(ピエゾ抵抗素子)R1〜R4(図ではR1,R2の2つのみ記載)と、半導体基板2の表面に配された電極5と、保護膜6と、から構成されている。
感圧部3は、略円板状のn型シリコン単結晶によって構成され、その中央部がエッチング等の手法により取り除かれ、厚さが非常に薄くなった薄肉部が形成されており、薄肉部の中心部に、流体Fが通過する貫通孔4が形成されている。
p型抵抗体(ピエゾ抵抗素子)R1〜R4は、感圧部3の圧力変動を検出する検出回路(ストレンゲージ)を構成するものであり、いわゆるホイットストーンブリッジ回路を構成するよう互いが接続されている。また、各抵抗体は、例えばシリコン基板中にボロンなどの拡散源を注入することによって形成することができる。
また、半導体基板2には、配線部(図示せず)が設けられている。この配線部は、例えばシリコン基板中にボロン(p型抵抗体よりも高濃度のもの)などの拡散源を注入することによって形成することができる。そして、この配線部の一端部は、p型抵抗体R1〜R4と電気的に接続され、他端部は、半導体基板2上に例えばアルミニウムなどによって形成された電極5と電気的に接続されている。
フレキシブル基板11(フレキシブルプリント配線板)は、柔軟性を持ったプリント基板のことで、FPC(Flexible Printed Circuits)とも呼ばれる。
ここで本実施形態のフレキシブル基板11は、多層構造をなし、予め個別に作製された第一基板11a〜第四基板11dを積層し一括で多層化することにより構成されている。
ここで本実施形態のフレキシブル基板11は、多層構造をなし、予め個別に作製された第一基板11a〜第四基板11dを積層し一括で多層化することにより構成されている。
図1に示す例では、半導体センサ10が第一基板11a上にダイボンドされている。第一基板11aには流体Fが通過する下流側流路13が形成されている。また、第一基板11a上には、半導体センサ10と略同等の高さの第二基板11bが積層されており、かつ半導体センサ10の配置箇所の基板はくりぬかれている。さらに半導体センサ10及び第二基板11bに第三基板11c及び第四基板11dが配されている。第四基板11dには流体Fが通過する上流側流路12が形成されている。
なお、流路の形状や数は、図示の構成に限定されるものではない。
なお、流路の形状や数は、図示の構成に限定されるものではない。
前記上流側流路12及び下流側流路13は、前記フレキシブル基板11の変形に応じて変形し、かつ、変形後も該流路をなす空間が確保されている。これにより、フレキシブル基板11が変形しても、半導体センサ10のフローセンサとしての機能を維持することができる。
また、前記フレキシブル基板11の内部に、前記半導体センサ10と電気的に接続された配線部14が配されており、該配線部14は、前記流路12,13から隔離されていることが好ましい。配線部14がフレキシブル基板11内に配されているため流体Fとの絶縁が可能である。
例えば、図2に示す半導体センサモジュール1B(1)では、第三基板11c内にアルミ等の金属からなる配線部14が配されている。この配線部14の一端部は、半導体基板2上に形成された電極5と電気的に接続されている。
また、配線部14において、半導体センサ10の電極5との接続部分以外は第三基板11cによって覆われており、配線部14は流体Fと隔離されている。このような構成により、配線部14が流体Fによって腐食されたり、流体Fの圧力によって損傷されるのを防止することができる。また、流体Fが水等の導電性の液体(物質)であった場合、配線部14との接触による短絡やリーク電流を防ぐことが可能である。
また、前記12,13の内壁面に、前記フレキシブル基板11とは異なる材料からなる保護膜15が配されていることが好ましい。例えば、図3に示す半導体センサモジュール1C(1)では、第四基板11dに形成された上流側流路12、第一基板に形成された下流側流路13の内側面に保護膜15がそれぞれ形成されている。この保護膜15を形成することにより、フレキシブル基板11が流体Fによって腐食されたり、流体Fの圧力によって損傷されるのを防止することができる。
前記保護膜15は、例えば、シリコン酸化物等の絶縁体からなり、その厚さは、特に限定されるものではないが、例えば0.1〜1.0μmとすることが好ましい。
また、前記保護膜15は、連続体であることが好ましい。ここで、「連続体」とは、つなぎ目(界面)が無いことをいう。保護膜15を連続体とすることで、保護膜の界面からの流体Fの侵入、及びそれに起因するフレキシブル基板11の腐食をより確実に防止することができる。
また、前記保護膜15は、連続体であることが好ましい。ここで、「連続体」とは、つなぎ目(界面)が無いことをいう。保護膜15を連続体とすることで、保護膜の界面からの流体Fの侵入、及びそれに起因するフレキシブル基板11の腐食をより確実に防止することができる。
また、前記フレキシブル基板11は、光を透過しない材料からなることが好ましい。これにより、紫外線等によるフレキシブル基板11の劣化を防ぐことができる。
また、前記フレキシブル基板11の少なくとも一方の面に、光を透過しない材料からなる被覆部材が配されていてもよい。例えば図4に示す半導体センサモジュール1D(1)では、第四基板11d上に遮光フィルム16が貼られている。この遮光フィルム16により、紫外線等によるフレキシブル基板11の劣化を防ぐことができる。
また、前記フレキシブル基板11の少なくとも一方の面に、光を透過しない材料からなる被覆部材が配されていてもよい。例えば図4に示す半導体センサモジュール1D(1)では、第四基板11d上に遮光フィルム16が貼られている。この遮光フィルム16により、紫外線等によるフレキシブル基板11の劣化を防ぐことができる。
以上のような構造を有する半導体圧力センサ1では、流体Fが図1に矢印で示すように上流側流路11から下側側流路12へ向って流れると、感圧部3に形成された貫通孔4がオリフィスとして機能し、上流側の圧力P0と、下流側の圧力P1との間に、貫通孔4の内径等の条件に応じた圧力差(P0−P1)が生じる。
この上流側と下流側との圧力差によって感圧部3が撓む(変形する)と、各p型抵抗体R1〜R4に応力が発生する。このとき、感圧部3の変形量に応じて各p型抵抗体R1〜R4の抵抗値が変化するため、この抵抗値の変化を電気信号として取り出すことによって、圧力差(P0−P1)を検出することができる。この圧力差は、流量と一定の関係があるので、この圧力差から流体Fの流量が求められる。
また、本発明の電子機器は、半導体基板2、該半導体基板に配された感圧部3、及び、前記感圧部3の少なくとも一部に配された貫通孔4を、少なくとも有する半導体センサ10と、前記半導体センサ10を内包するとともに、前記貫通孔4と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板11と、を少なくとも備えてなる半導体センサモジュール1を、搭載したことを特徴とする。
本発明では、半導体センサ10を、貫通孔4と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板11に内包することで、小型化されてなる半導体センサモジュール1を搭載することで、電子機器の小型化や、薄型化、軽量化などに寄与することができる。
以上、本発明の半導体センサ及び該半導体センサを備えた電子機器について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、ストレンゲージとして機能するp型抵抗体の配置及び数に関しては、種々の変形例が考えられ、要は、感圧部の圧力歪を検出できれば、その配置や数はいかなるものでも構わない。
例えば、ストレンゲージとして機能するp型抵抗体の配置及び数に関しては、種々の変形例が考えられ、要は、感圧部の圧力歪を検出できれば、その配置や数はいかなるものでも構わない。
さらに、上述した実施形態においては、感圧部に1個の貫通孔を形成した場合を例にして述べたが、この貫通孔を複数個、形成しても構わず、また、感圧部の形状も略円板状に限らず、蛇腹状や同心波板状など程々の変形例が考えられる。
例えば、ストレンゲージとして機能するp型抵抗体の配置及び数に関しては、種々の変形例が考えられ、要は、感圧部の圧力歪を検出できれば、その配置や数はいかなるものでも構わない。
例えば、ストレンゲージとして機能するp型抵抗体の配置及び数に関しては、種々の変形例が考えられ、要は、感圧部の圧力歪を検出できれば、その配置や数はいかなるものでも構わない。
さらに、上述した実施形態においては、感圧部に1個の貫通孔を形成した場合を例にして述べたが、この貫通孔を複数個、形成しても構わず、また、感圧部の形状も略円板状に限らず、蛇腹状や同心波板状など程々の変形例が考えられる。
本発明は、半導体センサ及び該半導体センサを搭載した電子機器に適用可能である。
1(1A、1B、1C、1D) 半導体センサモジュール、2 半導体基板、3 感圧部、4 貫通孔、5 電極、6 保護膜、10 半導体センサ(フローセンサ)、11 フレキシブル基板 12 上流側流路、13 下側側流路、14 配線部 15 保護膜 16 遮光フィルム、R1〜R4 p型抵抗体。
Claims (7)
- 半導体基板、該半導体基板に配された感圧部、及び、前記感圧部の少なくとも一部に配された貫通孔を、少なくとも有する半導体センサと、
前記半導体センサを内包するとともに、前記貫通孔と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板と、を少なくとも備えたことを特徴とする半導体センサモジュール。 - 前記フレキシブル基板の内部に、前記半導体センサと電気的に接続された配線部が配されており、該配線部は、前記流路から隔離されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体センサモジュール。
- 前記流路の内壁面に、前記フレキシブル基板とは異なる材料からなる保護膜が配されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体センサモジュール。
- 前記流路は、前記フレキシブル基板の変形に応じて変形し、かつ、変形後も該流路をなす空間が確保されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体センサモジュール。
- 前記フレキシブル基板は、光を透過しない材料からなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体センサモジュール。
- 前記フレキシブル基板の少なくとも一方の面に、光を透過しない材料からなる被覆部材が配されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体センサモジュール。
- 半導体基板、該半導体基板に配された感圧部、及び、前記感圧部の少なくとも一部に配された貫通孔を、少なくとも有する半導体センサと、
前記半導体センサを内包するとともに、前記貫通孔と連通して配された1つ以上の流路を有するフレキシブル基板と、を少なくとも備えてなる半導体センサモジュールを、搭載したことを特徴とする電子機器。
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Cited By (2)
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WO2011121680A1 (ja) * | 2010-03-30 | 2011-10-06 | 株式会社菊池製作所 | 流量センサーおよび流量検出装置 |
KR102077744B1 (ko) * | 2018-10-16 | 2020-02-14 | 주식회사 코인즈 | 파이프 누설 검사장치 |
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Legal Events
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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