JP2012225851A - 静電容量式センサ、及び、その製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】センサチップ(基板)の湾曲による物理量の検出精度の低下が抑制された静電容量式センサ、及び、その製造方法を提供する。
【解決手段】基板(12)に固定された固定電極(21)、及び、基板(12)に対して、直交関係にあるx方向及びy方向それぞれに変位可能な可動電極(20)から成るコンデンサの静電容量変化に基づいて、物理量を検出する静電容量式センサであって、固定電極(21)は、絶縁層(13)を介して基板(12)に固定され、可動電極(20)は、x方向とy方向とに直交するz方向に基板(12)から離れており、固定電極(21)における可動電極(20)との対向領域を含む対向面(21a)の面積と、可動電極(20)における固定電極(21)との対向領域を含む対向面(20a)の面積とは異なる。
【選択図】図1
【解決手段】基板(12)に固定された固定電極(21)、及び、基板(12)に対して、直交関係にあるx方向及びy方向それぞれに変位可能な可動電極(20)から成るコンデンサの静電容量変化に基づいて、物理量を検出する静電容量式センサであって、固定電極(21)は、絶縁層(13)を介して基板(12)に固定され、可動電極(20)は、x方向とy方向とに直交するz方向に基板(12)から離れており、固定電極(21)における可動電極(20)との対向領域を含む対向面(21a)の面積と、可動電極(20)における固定電極(21)との対向領域を含む対向面(20a)の面積とは異なる。
【選択図】図1
Description
本発明は、基板に固定された固定電極、及び、基板に対して変位可能な可動電極から成るコンデンサの静電容量変化に基づいて、物理量を検出する静電容量式センサ、及び、その製造方法に関するものである。
従来、例えば特許文献1に示されるように、物理量を検出するセンサチップと、該センサチップと積層して配置され、センサチップにより得られた信号に基づいて物理量を取得する回路チップと、を備える物理量センサ装置が提案されている。センサチップには、角速度を検出するためのセンサ部が形成されており、センサチップは、接着剤を介して回路チップに積層されている。また、センサチップ及び回路チップは、セラミックパッケージの密閉空間内に収納され、接着剤を介して、セラミックパッケージに固定されている。
センサ部は、シリコン基板に駆動梁を介して支持された振動体、振動体に固定された可動電極、及び、シリコン基板に固定された固定電極を有する。振動状態の振動体に角速度が印加されると、振動体にコリオリ力が発生する。振動体は、コリオリ力の印加方向に変位し、振動体とともに可動電極も変位する。この結果、可動電極と固定電極との間の静電容量が変化し、この静電容量変化に基づいて角速度を検出する構成となっている(特許文献1の段落番号[0016]参照)。
ところで、上記したように、センサチップと回路チップとは、接着剤を介して機械的に接続され、センサチップには、可動電極と固定電極とが形成されている。接着剤は、硬化時に収縮するので、その収縮時の応力(以下、収縮応力と示す)がセンサチップと回路チップとに印加される。この収縮応力によってセンサチップが湾曲すると、可動電極と固定電極との対向面積が変動し、物理量の検出精度が低下する虞がある。
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、センサチップ(基板)の湾曲による物理量の検出精度の低下が抑制された静電容量式センサ、及び、その製造方法を提供することを目的とする。
上記した目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、基板(12)に固定された固定電極(21)、及び、基板(12)に対して、直交関係にあるx方向及びy方向それぞれに変位可能な可動電極(20)から成るコンデンサの静電容量変化に基づいて、物理量を検出する静電容量式センサであって、固定電極(21)は、絶縁層(13)を介して基板(12)に固定され、可動電極(20)は、x方向とy方向とに直交するz方向に基板(12)から離れており、固定電極(21)における可動電極(20)との対向領域を含む対向面(21a)の面積と、可動電極(20)における固定電極(21)との対向領域を含む対向面(20a)の面積とは異なることを特徴とする。
このように本発明によれば、可動電極(20)の対向面(20a)の面積と固定電極(21)の対向面(21a)の面積とが異なる。したがって、基板(12)が湾曲した結果、可動電極(20)と固定電極(21)とにz方向の歪みが生じたとしても、可動電極(20)と固定電極(21)とが共に対向する対向領域の面積に変動が生じることが抑制される。この結果、物理量の検出精度の低下が抑制される。
請求項2に記載のように、可動電極(20)と固定電極(21)とは櫛歯電極を構成しているのが好ましい。これによれば、可動電極(20)と固定電極(21)との対向面積が確保され、物理量の検出感度が確保される。
固定電極(21)の対向面(21a)の面積と、可動電極(20)の対向面(20a)の面積とが異なる構成として、請求項3に記載のように、固定電極(21)における対向面(21a)のz方向の長さと可動電極(20)における対向面(20a)のz方向の長さとが異なる構成を採用することもできる。
請求項4に記載のように、可動電極(20)は、絶縁層(13)の厚さ分だけ、基板(12)から離れた構成となっている。
請求項5に記載のように、固定電極(21)の対向面(21a)の面積は、可動電極(20)の対向面(20a)の面積よりも大きい構成が好適である。
請求項1に記載のように、固定電極(21)は基板(12)に絶縁層(13)を介して固定されているので、基板(12)の湾曲に応じて、湾曲し易い。これに対して、可動電極(20)は基板(12)に対して浮いているので、基板(12)の湾曲に応じて湾曲し難い。そのため、基板(12)が湾曲すると、可動電極(20)は、基板(12)(固定電極(21))に対して動こうとする。これに対して、請求項5に記載の構成では、固定電極(21)の対向面積が、可動電極(20)の対向面積よりも大きくなっている。これによれば、基板(12)が湾曲した結果、可動電極(20)が固定電極(21)に対してz方向に変位したとしても、可動電極(20)と固定電極(21)とが共に対向する対向領域の面積に変動が生じることが抑制される。この結果、物理量の検出精度の低下が抑制される。
なお、もちろんではあるが、請求項6に記載のように、可動電極(20)の対向面(20a)の面積は、固定電極(21)の対向面(21a)の面積よりも大きい構成を採用することもできる。
そして、請求項7,8に記載のように、可動電極(20)と固定電極(21)とは、y方向にて互いに対向し、物理量は、角速度である構成を採用することができる。
なお、請求項9,10に記載の発明の作用効果は、請求項1に記載の発明の作用効果と同等なので、その記載を省略する。
以下、本発明を、角速度センサに適用した場合の実施形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る角速度センサの概略構成を示す断面図である。図2は、可動電極と固定電極を示す上面図である。図3は、図2のIII−III線に沿う断面図である。図4は、可動電極が変位した状態を示す断面図である。図5は、センサチップと接着剤との位置を説明するための平面図である。図6は、センサチップの製造工程を説明するための断面図であり、(a)は準備工程、(b)は積層工程、(c)は異方性エッチング工程、(d)は等方性エッチング工程を示す。以下においては、センサチップ10の裏面11bに沿う一方向をx方向、裏面11bに沿い、x方向に直交する方向をy方向、裏面11bに直交する方向をz方向と示す。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る角速度センサの概略構成を示す断面図である。図2は、可動電極と固定電極を示す上面図である。図3は、図2のIII−III線に沿う断面図である。図4は、可動電極が変位した状態を示す断面図である。図5は、センサチップと接着剤との位置を説明するための平面図である。図6は、センサチップの製造工程を説明するための断面図であり、(a)は準備工程、(b)は積層工程、(c)は異方性エッチング工程、(d)は等方性エッチング工程を示す。以下においては、センサチップ10の裏面11bに沿う一方向をx方向、裏面11bに沿い、x方向に直交する方向をy方向、裏面11bに直交する方向をz方向と示す。
角速度センサ100は、図1に示すように、要部として、センサチップ10と、回路チップ50と、パッケージ70と、を有する。センサチップ10と回路チップ50とは、パッケージ70の密閉空間に収納されており、本実施形態では、密閉空間は1気圧よりも低い低圧状態となっている。センサチップ10と回路チップ50とが、接着剤91を介して機械的に接続され、回路チップ50とパッケージ70とが、接着剤92を介して機械的に接続されている。そして、センサチップ10と回路チップ50とが、ワイヤ93を介して電気的に接続され、回路チップ50とパッケージ70とが、ワイヤ94を介して電気的に接続されている。
センサチップ10は、第1半導体層12、絶縁層13、及び、第2半導体層14が順次積層されて成るセンサ基板11と、該センサ基板11における回路チップ50との対向面11aの裏面11bに、第3半導体層15を積層した後、周知の露光技術を用いて形成されたセンシング部16と、を有する。第1半導体層12が、特許請求の範囲に記載の基板に相当し、センサ基板11が、特許請求の範囲に記載のSOI基板に相当する。
センシング部16は、図1に示すように、絶縁層13を介さずに第1半導体層12に対して第2半導体層14が浮遊した浮遊部17と、絶縁層13を介して第1半導体層12に第2半導体層14と第3半導体層15が固定された固定部18と、該固定部18に形成されたセンサパッド19と、を有する。浮遊部17は、第1半導体層12に対してx方向及びy方向に変位(振動)可能だが、固定部18及びセンサパッド19は、第1半導体層12に対して変位不可能となっている。
浮遊部17は、x方向において、逆位相で振動する対を成す2つの振動子(図示略)と、図2に示すように、該振動子の一部によって構成される櫛歯状の可動電極20と、を有する。そして、固定部18は、y方向において、可動電極と対向する櫛歯状の固定電極21を有する。振動子がx方向に振動している状態で、z方向に角速度が印加されると、y方向に沿うコリオリ力が振動子に発生する。このコリオリ力によって振動子がy方向に変位(振動)すると、その変位(振動)に伴って、振動子の一部である可動電極20もy方向に変位(振動)する。この結果、可動電極20と固定電極21との電極間隔が変動し、可動電極20と固定電極21によって構成されるコンデンサの静電容量が変動する。この静電容量の変動が、センサチップ10の出力信号として、回路チップ50に出力される。
図3に示すように、可動電極20のz方向の長さ(厚さ)は、第2半導体層14の厚さと同一であり、固定電極21の厚さは、第2半導体層14の厚さと第3半導体層15の厚さの和に等しい。したがって、可動電極20における固定電極21との対向領域を含む対向面20aの面積は、固定電極21における可動電極20との対向領域を含む対向面21aの面積よりも小さくなっている。
回路チップ50は、図1に示すように、半導体から成る回路基板51と、該回路基板51の一面51a側に形成された、センサチップ10の出力信号を処理する回路部52と、該回路部52と電気的に接続されたパッド53と、を有する。本実施形態では、図5に示すように、センサ基板11の対向面11aの4隅それぞれに接着剤91が配置されており、この4つの接着剤91が、対向面11aと一面51aとの間に介在されている。
回路部52は、図示しないが、特許請求の範囲に記載の変換回路に相当するCV変換回路を有する。ワイヤ93を介して、センサチップ10から回路チップ50に、静電容量の変動を含む電気信号が入力されると、その静電容量の変動が、上記したCV変換回路によって電圧に変換される。この電圧に変換された信号が、ワイヤ94を介してパッケージ70に出力される。
パッド53は、センサパッド19に対応する回路パッド59と、後述する内部端子74と電気的に接続される外部パッド60と、を有する。センサパッド19と回路パッド59とがワイヤ93を介して機械的及び電気的に接続され、内部端子74と外部パッド60とがワイヤ94を介して電気的に接続されている。
パッケージ70は、図1に示すように、底部と側部とから成る凹状の箱部71と、該箱部71の開口部を閉塞する蓋部72と、を有し、環状のシールリング73を介して機械的及び電気的に接続されている。箱部71の底部内面には、接着剤92が設けられており、該接着剤92を介して箱部71と回路チップ50とが機械的に接続されている。箱部71には、側部内面に設けられた内部端子74と、側部内部に設けられた内部配線75と、底部外面に設けられた外部端子76と、が設けられている。上記したように、内部端子74と外部パッド60とがワイヤ94を介して電気的に接続されており、回路チップ50の電気信号が、外部パッド60、ワイヤ94、内部端子74、内部配線75、及び、外部端子76を介して、外部に出力される。
次に、本実施形態に係るセンサチップ10の製造方法を図6に基づいて説明する。先ず、図6の(a)に示すように、第1半導体層12、絶縁層13、及び、第2半導体層14が順次積層されて成るセンサ基板11を準備する。以上が、準備工程である。
該準備工程後、図6の(b)に示すように、第2半導体層14における、固定部18の形成予定領域に、第3半導体層15を、CVD法によって積層する。以上が、積層工程である。
該積層工程後、図6の(c)に示すように、浮遊部17と固定部18とを区画するように、第2半導体層14を異方的にエッチングする。以上が、異方性エッチング工程であり、特許請求の範囲に記載の区画工程に相当する。
該異方性エッチング工程後、図6の(d)に示すように、浮遊部17が第1半導体層12に対して浮くように、絶縁層13を等方的にエッチングする。これにより、浮遊部17と固定部18とを形成する。以上が、等方性エッチング工程であり、特許請求の範囲に記載の形成工程に相当する。
等方性エッチング工程後、固定部18にセンサパッド19を形成する。以上が、パッド形成工程である。以上の工程を経ることで、センサチップ10が製造される。
次に、本実施形態に係る角速度センサ100の製造方法を説明する。先ず、接着剤91及びワイヤ93によって機械的及び電気的に接続されたセンサチップ10と回路チップ50を準備する。以上が、準備工程である。
準備工程後、液状の接着剤92を箱部71の底部内面に塗布し、回路チップ50の底面に接着剤92が接触するように、機械的及び電気的に接続されたセンサチップ10と回路チップ50を箱部71内に配置する。以上が、塗布工程である。
塗布工程後、熱を印加して、液状の接着剤92に含まれる揮発性材料を揮発させる。これにより、接着剤92を硬化する。以上が、硬化工程である。
硬化工程後、ワイヤ94によって回路チップ50とパッケージ70とを電気的に接続する。以上が、接続工程である。
該接続工程後、1気圧よりも低い低圧状態下で、シールリング73を介して、箱部71に蓋部72を機械的及び電気的に接続することで、密閉空間を構成する。以上が、密閉工程である。
以上に示す各工程を経ることで、本実施形態に記載の角速度センサ100が製造される。
次に、本実施形態に係る角速度センサ100の作用効果を説明する。上記したように、可動電極20の対向面20aの面積は、固定電極21の対向面21aの面積よりも小さくなっている。したがって、第1半導体層12(センサ基板11)が湾曲した結果、可動電極20と固定電極21とにz方向の歪みが生じたとしても、可動電極20と固定電極21とが共に対向する対向領域の面積に変動が生じることが抑制される。この結果、角速度の検出精度の低下が抑制される。
また、固定電極21は絶縁層13を介して第1半導体層12に固定されているので、センサ基板11の湾曲に応じて、湾曲し易い。これに対して、可動電極20は第1半導体層12に対して絶縁層13の厚さ分浮いているので、センサ基板11の湾曲に応じて湾曲し難い。そのため、センサ基板11が湾曲すると、可動電極20は、センサ基板11(固定電極21)に対して動こうとする。
上記したように、センサ基板11の対向面11aの4隅に接着剤91が塗布され、センシング部16は、裏面11b側に形成されている。したがって、センサ基板11は、接着剤91の収縮時の応力によって、裏面11b側に中央が凸と成るように湾曲し易くなっている。このようにセンサ基板11が湾曲すると、図4に示すように、可動電極20は、第1半導体層12から離れるようにz方向に変位する。しかしながら、固定電極21は、可動電極20よりも、第3半導体層15の分厚いので、固定電極21の対向面積は、可動電極20の対向面積よりも大きくなっている。これによれば、センサ基板11が湾曲した結果、可動電極20が固定電極21に対してz方向における第1半導体層12から離れる方向に変位したとしても、可動電極20と固定電極21とが共に対向する対向領域の面積に変動が生じることが抑制される。この結果、角速度の検出精度の低下が抑制される。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
本実施形態では、特許請求の範囲に記載の静電容量式センサを、角速度センサに適用した例を示した。しかしながら、特許請求の範囲に記載の静電容量式センサの適用としては、上記例に限定されず、静電容量の変化に基づいて、物理量を検出するセンサであれば、適用することができる。例えば、加速度センサや湿度センサなどに適用することができる。
本実施形態では、固定電極21は、可動電極20よりも、第3半導体層15の分厚い例を示した。しかしながら、可動電極20が、固定電極21よりも、第3半導体層15の分厚い構成を採用することもできる。これによっても、可動電極20と固定電極21とが共に対向する対向領域の面積が変動し難くなる。
本実施形態では、積層工程において、第2半導体層14における、固定部18の形成予定領域に、第3半導体層15を積層する例を示した。しかしながら、積層工程において、浮遊部17の形成予定領域に、第3半導体層15を積層しても良い。
本実施形態では、積層工程において、第2半導体層14に第3半導体層15のみを積層する例を示した。しかしながら、図7の(b)に示すように、第2半導体層14に、第2絶縁層22と第3半導体層15とを順次積層しても良い。
この場合、積層工程後、図7の(c)に示すように、第2絶縁層22における、浮遊部17の形成予定領域、及び、浮遊部17と固定部18との間の上に積層された第3半導体層15を除去しつつ、浮遊部17と固定部18とを区画するように、第2絶縁層22と半導体層14,15を異方的にエッチングする。以上が、異方性エッチング工程であり、特許請求の範囲に記載の除去工程と区画工程に相当する。
該異方性エッチング工程後、図7の(d)に示すように、浮遊部17が第1半導体層12に対して浮くように、絶縁層13を等方的にエッチングする。これにより、浮遊部17と固定部18とを形成する。以上が、等方性エッチング工程であり、特許請求の範囲に記載の形成工程に相当する。なお、図7の(d)では、第2絶縁層22の全てが除去されたように図示したが、固定部18を構成する第2半導体層14と第3半導体層15とを連結する第2絶縁層22の全ては、除去されていない。図7は、センサチップの製造工程の変形例を説明するための断面図であり、(a)は準備工程、(b)は積層工程、(c)は異方性エッチング工程、(d)は等方性エッチング工程を示す。
上記した製造方法の変形例の異方性エッチング工程において、第1半導体層12における、固定部18の形成予定領域の上に積層された第3半導体層15を除去しても良い。
本実施形態では、図5に示すように、センサ基板11の対向面11aの4隅に接着剤91が塗布された例を示した。しかしながら、図8に示すように、センサ基板11の対向面11aに様々なバリエーションで接着剤91を塗布しても良い。すなわち、対向面11aの中央、縁を構成する四辺の内の2辺以上に、接着剤91を塗布しても良い。なお、縁を構成する四辺に接着剤91を塗布(配置)する場合、テープ状の接着剤91を採用することができる。また、対向面11aの中央に、接着剤91が塗布される場合、センサチップ10は、対向面11a側に中央が凸と成るように、接着剤91の収縮時の応力によって湾曲する虞がある。したがって、この場合、可動電極20と固定電極21とが共に対向する対向面積の面積に変動が生じることを抑制するために、センシング部16は対向面11a側に形成され、接着剤91は固定部18に塗布される。図8は、センサチップと接着剤との位置の変形例を示す平面図であり、(a)は1つの接着剤、(b)は2つの接着剤、(c)は3つの接着剤、(d)は4つの接着剤を示す。
10・・・センサチップ
11・・・センサ基板
15・・・第3半導体層
20・・・可動電極
21・・・固定電極
50・・・回路チップ
53・・・パッド
70・・・パッケージ
91・・・接着剤
100・・・角速度センサ装置
11・・・センサ基板
15・・・第3半導体層
20・・・可動電極
21・・・固定電極
50・・・回路チップ
53・・・パッド
70・・・パッケージ
91・・・接着剤
100・・・角速度センサ装置
Claims (10)
- 基板(12)に固定された固定電極(21)、及び、前記基板(12)に対して、直交関係にあるx方向及びy方向それぞれに変位可能な可動電極(20)から成るコンデンサの静電容量変化に基づいて、物理量を検出する静電容量式センサであって、
前記固定電極(21)は、絶縁層(13)を介して前記基板(12)に固定され、
前記可動電極(20)は、前記x方向と前記y方向とに直交するz方向に前記基板(12)から離れており、
前記固定電極(21)における前記可動電極(20)との対向領域を含む対向面(21a)の面積と、前記可動電極(20)における前記固定電極(21)との対向領域を含む対向面(20a)の面積とは異なることを特徴とする静電容量式センサ。 - 前記可動電極(20)と前記固定電極(21)とは櫛歯電極を構成していることを特徴とする請求項1に記載の静電容量式センサ。
- 前記固定電極(21)における対向面(21a)のz方向の長さと前記可動電極(20)における対向面(20a)のz方向の長さとが異なることを特徴とする請求項1または2に記載の静電容量式センサ。
- 前記可動電極(20)は、前記絶縁層(13)の厚さ分だけ、前記基板(12)から離れていることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載の静電容量式センサ。
- 前記固定電極(21)の対向面(21a)の面積は、前記可動電極(20)の対向面(20a)の面積よりも大きいことを特徴とする請求項1〜4いずれか1項に記載の静電容量式センサ。
- 前記可動電極(20)の対向面(20a)の面積は、前記固定電極(21)の対向面(21a)の面積よりも大きいことを特徴とする請求項1〜4いずれか1項に記載の静電容量式センサ。
- 前記可動電極(20)と前記固定電極(21)とは、前記y方向にて互いに対向していることを特徴とする請求項1〜6いずれか1項に記載の静電容量式センサ。
- 前記物理量は、角速度であることを特徴とする請求項1〜7いずれか1項に記載の静電容量式センサ。
- 基板(12)に固定された固定電極(21)、及び、前記基板(12)に対して、直交関係にあるx方向及びy方向それぞれに変位可能な可動電極(20)から成るコンデンサの静電容量変化に基づいて、物理量を検出する静電容量式センサの製造方法であって、
前記基板(12)に相当する第1半導体層(12)に、第1絶縁層(13)を介して第2半導体層(14)が積層されたSOI基板(11)を準備する準備工程と、
該準備工程後、前記第2半導体層(14)における、前記固定電極(21)の形成予定領域若しくは前記可動電極(20)の形成予定領域に、第3半導体層(15)を積層する積層工程と、
該積層工程後、前記固定電極(21)と前記可動電極(20)とを区画するように、前記第2半導体層(14)をエッチングする区画工程と、
該区画工程後、前記第1絶縁層(13)をエッチングすることで、前記固定電極(21)と前記可動電極(20)とを形成する形成工程と、を有することを特徴とする静電容量式センサの製造方法。 - 基板(12)に固定された固定電極(21)、及び、前記基板(12)に対して、直交関係にあるx方向及びy方向それぞれに変位可能な可動電極(20)から成るコンデンサの静電容量変化に基づいて、物理量を検出する静電容量式センサの製造方法であって、
前記基板に相当する第1半導体層に、第1絶縁層を介して第2半導体層が積層されたSOI基板を準備する準備工程と、
該準備工程後、前記第2半導体層(14)に、第2絶縁層(22)と第3半導体層(15)とを順次積層する積層工程と、
該積層工程後、前記第2絶縁層(22)における、前記可動電極(20)の形成予定領域若しくは前記固定電極(21)の形成予定領域の上に積層された第3半導体層(15)を除去する除去工程と、
該除去工程後、前記固定電極(21)と前記可動電極(20)とを区画するように、前記第3半導体層(15)、前記第2絶縁層(22)、前記第2半導体層(14)をエッチングする区画工程と、
該区画工程後、前記第1絶縁層(13)をエッチングすることで、前記固定電極(21)と前記可動電極(20)とを形成する形成工程と、を有することを特徴とする静電容量式センサの製造方法。
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