JP2851049B2 - Semiconductor sensor - Google Patents
Semiconductor sensorInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は加速度、触圧、気圧、機械的振動等の物理的
外力を検出するための半導体センサに関するものであ
る。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor sensor for detecting a physical external force such as acceleration, contact pressure, air pressure, mechanical vibration, and the like.
従来、このような分野の技術としては、例えば特開昭
62−121367号公報に示されるものが知られている。この
従来のセンサでは、シリコンなどの単元素の半導体基板
に酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(Si3N4)など
で片持梁を形成し、この基端部にピエゾ抵抗素子などの
ストレス検知素子を設けることで、加速度を電気的に検
出している。Conventionally, techniques in such a field include, for example,
The thing shown in 62-121367 is known. In this conventional sensor, a cantilever is formed of silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) on a single element semiconductor substrate such as silicon, and a stress such as a piezoresistive element is formed at the base end. By providing a sensing element, acceleration is electrically detected.
一方、上記公報の従来技術の項に示されるように、シ
リコン基板の一部を裏面からエッチングし、シリコン単
結晶からなる片持梁を形成したセンサもある。この場
合、エッチングの制御には公知のボロン注入法を用いる
ことができる。On the other hand, as described in the related art section of the above-mentioned publication, there is a sensor in which a part of a silicon substrate is etched from the back surface to form a cantilever made of silicon single crystal. In this case, a known boron implantation method can be used for controlling the etching.
しかし、上記従来装置の前者のものでは、片持梁をSi
O2などで形成しているため、ストレス検知素子を片持梁
に直接に作り込むことができない。また、後者のもので
は、片持梁の部分のシリコンの厚さを精度よく制御する
ことは困難であり、高感度のセンサも得られない。However, in the former one of the above conventional devices, the cantilever is
Since it is made of O 2 or the like, the stress detecting element cannot be directly built in the cantilever. In the latter case, it is difficult to accurately control the thickness of silicon in the cantilever portion, and a high-sensitivity sensor cannot be obtained.
そこで本発明は、加速度、触圧、気圧、機械的振動な
どの物理的外力を精度よく検出することができ、しかも
構造が簡単で低コストの半導体センサを提供することを
目的とする。Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor sensor which can accurately detect physical external forces such as acceleration, contact pressure, atmospheric pressure, and mechanical vibration, and has a simple structure and a low cost.
本発明に係る半導体センサは、単元素からなる半導体
基板と、この半導体基板上に形成された化合物半導体の
ヘテロ結晶成長層と、このヘテロ結晶成長層に形成され
たストレス検知素子とを備え、ストレス検知素子に対応
する部分の半導体基板が所定の範囲で除去されているこ
とを特徴とする。A semiconductor sensor according to the present invention includes a semiconductor substrate made of a single element, a heterocrystal growth layer of a compound semiconductor formed on the semiconductor substrate, and a stress sensing element formed on the heterocrystal growth layer. The semiconductor substrate in a portion corresponding to the sensing element is removed in a predetermined range.
ここで、主として触圧や気圧などの物理的外力を検出
する際には、これら物理的外力が加えられる第1の部分
の半導体基板が所定の範囲で除去され、第1の部分を囲
む第2の部分の半導体基板が結晶成長層の支持体をな
し、かつ物理的外力が加えられることによってストレス
が現われる部分の結晶成長層にストレス検知素子が形成
されている構造としてもよい。Here, when a physical external force such as a contact pressure or an atmospheric pressure is mainly detected, the semiconductor substrate of the first portion to which the physical external force is applied is removed in a predetermined range, and the second portion surrounding the first portion is removed. The semiconductor substrate of the portion may form a support for the crystal growth layer, and a stress sensing element may be formed on the crystal growth layer of a portion where a stress appears when a physical external force is applied.
また、主として加速度、機械的振動などの物理的外力
を検出するときには、結晶成長層は基端部の半導体基板
が除去されかつ先端部の半導体基板が残存された片持梁
を形成し、かつ物理的外力が加えられることによってス
トレスが現われる部分のヘテロ結晶成長層にはストレス
検知素子が形成されている構造としてもよい。In addition, when detecting a physical external force such as acceleration or mechanical vibration, the crystal growth layer forms a cantilever in which the semiconductor substrate at the base end is removed and the semiconductor substrate at the front end remains, and A structure in which a stress sensing element is formed in a portion of the heterocrystal growth layer where a stress appears when an external force is applied.
本発明の構成によれば、加速度センサ用等の片持梁、
圧力センサ用等のダイヤフラムなどが化合物半導体のヘ
テロ結晶成長層によって構成される。従って、このヘテ
ロ結晶成長層の所定の部分には加速度、圧力などの物理
的外力が加わった際にストレスが現われるので、この部
分のヘテロ結晶成長層にストレス検知素子を設けること
で、これらを電気的に検出することが可能になる。According to the configuration of the present invention, a cantilever for an acceleration sensor or the like,
A diaphragm for a pressure sensor or the like is constituted by a heterocrystal growth layer of a compound semiconductor. Therefore, stress appears when a physical external force such as acceleration or pressure is applied to a predetermined portion of the heterocrystal growth layer. By providing a stress sensing element in this portion of the heterocrystal growth layer, these components are electrically connected. It becomes possible to detect it.
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例を説明す
る。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
第1図は実施例の基本構成の斜視図で、同図(a)は
物理的外力の一例として加速度を検出するタイプ(カン
チレバー)を示し、同図(b)は物理的外力の一例とし
て圧力を検出するタイプ(ダイヤフラム)を示してい
る。同図(a)のセンサでは、例えばシリコン(Si)か
らなる半導体基板1上に、例えばガリウムヒ素(GaAs)
からなるヘテロ結晶成長層(以下、結晶成長層と呼ぶ)
2がエピタキシャル成長されている。そして、半導体基
板1の一部(図中の記号Aの部分)がエッチングで除去
され、図中の左側部分が片持梁3をなしている。片持梁
3の基端部の結晶成長層2には半導体抵抗がイオン注入
法などで形成され、これがストレス検知素子4をなして
いる。そして、片持梁3の支持体側(図中の右側)部分
の結晶成長層2上には、検出信号を処理するための信号
処理回路5が形成されている。FIG. 1 is a perspective view of the basic configuration of the embodiment. FIG. 1A shows a type (cantilever) for detecting acceleration as an example of a physical external force, and FIG. 1B shows pressure as an example of a physical external force. The type (diaphragm) for detecting is shown. In the sensor shown in FIG. 1A, for example, gallium arsenide (GaAs) is formed on a semiconductor substrate 1 made of silicon (Si).
Heterocrystal growth layer consisting of (hereinafter, referred to as crystal growth layer)
2 is epitaxially grown. Then, a part of the semiconductor substrate 1 (the part indicated by the symbol A in the figure) is removed by etching, and the left part in the figure forms the cantilever 3. A semiconductor resistor is formed in the crystal growth layer 2 at the base end of the cantilever 3 by an ion implantation method or the like. A signal processing circuit 5 for processing a detection signal is formed on the crystal growth layer 2 on the support side (right side in the figure) of the cantilever 3.
この第1図(a)の装置において、図中の矢印Gの方
向に加速度が加わると、片持梁3側の半導体基板1は錘
り1Gとして作用し、矢印Aで示す部分の結晶成長層2が
屈曲することになる。すると、この屈曲によるストレス
がストレス検知素子4の抵抗率を変化させ(ピエゾ効
果)、従って上記の加速度が検出されることになる。な
お、ストレス検知素子4の抵抗率変化によってストレス
を検知するためには、例えば4個の抵抗によってブリッ
ジを形成する必要があり、また検出信号を増幅したりす
ることも必要になるが、これらの回路要素は信号処理回
路5中に構成されている。1 (a), when acceleration is applied in the direction of arrow G in the figure, the semiconductor substrate 1 on the cantilever 3 side acts as a weight 1G, and the portion of the crystal growth layer indicated by arrow A 2 will bend. Then, the stress due to the bending changes the resistivity of the stress sensing element 4 (piezo effect), and thus the acceleration is detected. In order to detect stress by changing the resistivity of the stress detection element 4, it is necessary to form a bridge by, for example, four resistors, and it is necessary to amplify a detection signal. The circuit elements are configured in the signal processing circuit 5.
第1図(b)のセンサでは、同図(a)と同様に半導
体基板1上に結晶成長層2が形成されているが、半導体
基板1のエッチングにより除去される部分Aが同図
(a)と異なっている。すなわち、この実施例では装置
の中央部分(第1の部分K1)で半導体基板1がエッチン
グ等により除去され、それを取り囲む第2の部分K2で半
導体基板1が残存されて結晶成長層2の支持体をなして
いる。なお、ストレス検知素子4については加圧によっ
てストレスが生じる部分の結晶成長層2に、半導体抵抗
として形成されている。また、半導体基板1が残存され
た部分の結晶成長層2には、信号処理回路5が別途に形
成されている。In the sensor of FIG. 1B, a crystal growth layer 2 is formed on a semiconductor substrate 1 as in FIG. 1A, but a portion A of the semiconductor substrate 1 which is removed by etching is shown in FIG. ) And different. That is, in this embodiment, the semiconductor substrate 1 is removed by etching or the like in the central portion (first portion K 1 ) of the device, and the semiconductor substrate 1 is left in the second portion K 2 surrounding it to leave the crystal growth layer 2. Of the support. Note that the stress sensing element 4 is formed as a semiconductor resistor on the crystal growth layer 2 where stress is generated by pressurization. A signal processing circuit 5 is separately formed on the crystal growth layer 2 where the semiconductor substrate 1 is left.
この第1図(b)の装置において、例えば矢印Gの方
向に圧力が加わると、K1で示すダイヤフラムは上方に湾
曲し、ストレスを生じさせる。すると、ピエゾ効果によ
ってストレス検知素子4の抵抗率が変化するので、例え
ば第1図(a)と同様に抵抗のブリッジ回路を組むこと
によって、上記の圧力を定量的に検出することができ
る。The apparatus of the Fig. 1 (b), for example, a pressure is applied in the direction of arrow G, the diaphragm shown in K 1 is curved upwardly, causing stress. Then, the resistivity of the stress sensing element 4 changes due to the piezo effect, so that the pressure can be quantitatively detected by, for example, assembling a resistor bridge circuit as in FIG. 1A.
次に、第2図を参照することにより、本発明により構
成した加速度センサの具体例を説明する。Next, a specific example of the acceleration sensor configured according to the present invention will be described with reference to FIG.
図示の通り、半導体基板1の上面には結晶成長層2が
エピタキシャル成長により形成され、この半導体基板1
および結晶成長層2が略Ω字状に除去されて片持梁3を
なしている。そして、片持梁3の先端部には半導体基板
1が残存されて錘り1Gをなし、片持梁3の基端部には半
導体抵抗R1,R2が形成されている。さらに、結晶成長層
2の片持梁3以外の部分には半導体抵抗R3,R4が形成さ
れ、上記抵抗R1,R2と共にブリッジ回路を構成するよう
に配線されている。As shown, a crystal growth layer 2 is formed on an upper surface of a semiconductor substrate 1 by epitaxial growth.
The crystal growth layer 2 is removed in a substantially Ω shape to form a cantilever 3. The semiconductor substrate 1 is left at the tip of the cantilever 3 to form a weight 1G, and semiconductor resistors R 1 and R 2 are formed at the base of the cantilever 3. Further, semiconductor resistances R 3 and R 4 are formed in portions other than the cantilever 3 of the crystal growth layer 2, and are wired so as to form a bridge circuit together with the resistances R 1 and R 2 .
上記の具体例において、図中の矢印Gの方向に加速度
が加えられると、錘り1Gによって片持梁3の基端部に屈
曲が生じ、従ってストレスが現われる。すると、抵抗
R1,R2は化合物半導体にイオン注入等を行なうことで形
成されているので、いわゆるピエゾ効果によって抵抗率
が変化する。これに対し、抵抗R3,R4にはストレスが加
わらないので、抵抗率は変化しない。そこで、この抵抗
R1〜R4からなるブリッジ回路にパッド6から電圧Eiを印
加すると、第2図に示すように抵抗変化に応じた電圧Vo
が出力される。この出力電圧Voは信号処理回路5に入力
され、ここで所定の信号処理が施される。In the above specific example, when acceleration is applied in the direction of arrow G in the figure, the weight 1G causes the base end of the cantilever 3 to bend, and thus stress appears. Then the resistance
Since R 1 and R 2 are formed by ion implantation or the like into a compound semiconductor, the resistivity changes due to the so-called piezo effect. On the other hand, since no resistance is applied to the resistors R 3 and R 4 , the resistivity does not change. So this resistance
The application of a R 1 voltage from the pad 6 to the bridge circuit composed of to R 4 E i, the voltage V o corresponding to the resistance changes as shown in FIG. 2
Is output. The output voltage V o is input to the signal processing circuit 5, wherein the predetermined signal processing is performed.
このように、本発明によればダイヤフラム、カンチレ
バー等を化合物半導体で構成しているので、この化合物
半導体のストレスが生じる部分にストレス検知素子4を
直接に形成することができる。ここで、化合物半導体は
極めて顕著にピエゾ効果を呈し、また化合物半導体に形
成した回路は高温環境下でも十分に動作し、信号処理も
高速に行なえるので、耐環境性に優れた高精度な半導体
センサを提供することができる。そして、その出力信号
を処理するための信号処理回路5を同一の化合物半導体
による結晶成長層2に形成できるので、半導体センサの
構成を極めてコンパクトにすることができる。As described above, according to the present invention, since the diaphragm, the cantilever, and the like are made of a compound semiconductor, the stress sensing element 4 can be directly formed in a portion of the compound semiconductor where stress is generated. Here, the compound semiconductor exhibits a remarkable piezo effect, and the circuit formed on the compound semiconductor operates sufficiently even in a high-temperature environment and can perform signal processing at a high speed. A sensor can be provided. Since the signal processing circuit 5 for processing the output signal can be formed in the crystal growth layer 2 made of the same compound semiconductor, the configuration of the semiconductor sensor can be made extremely compact.
更に、本発明の半導体センサは極めて簡単な製造工程
によって、精度よく製作することが可能である。以下、
この事情を第3図により具体的に説明する。Further, the semiconductor sensor of the present invention can be manufactured with high precision by an extremely simple manufacturing process. Less than,
This situation will be specifically described with reference to FIG.
まず、Siからなる半導体基板1を用意し、この上面に
ヘテロエピタキシャル成長法によって前記Siとは異種の
GaAsの結晶成長層2を形成する。そして、ストレス検知
素子4および信号処理回路5を結晶成長層2中にイオン
注入法等を用いて形成する(第3図(a)図示)。しか
る後、全面にフォトレジスト膜10を塗布して半導体基板
1の除去すべき部分を窓あけする(第3図(b)図
示)。この窓あけは、例えば公知のフォトリソグラフィ
技術を用いればよい。First, a semiconductor substrate 1 made of Si is prepared.
A GaAs crystal growth layer 2 is formed. Then, the stress sensing element 4 and the signal processing circuit 5 are formed in the crystal growth layer 2 by using an ion implantation method or the like (illustrated in FIG. 3A). Thereafter, a photoresist film 10 is applied to the entire surface to open a portion of the semiconductor substrate 1 to be removed (see FIG. 3 (b)). For this window opening, for example, a known photolithography technique may be used.
次に、エッチングによってフォトレジスト膜10の開口
から半導体基板1を除去していく。ここで、ウェットエ
ッチング法を用いるときにはエッチャントにはHF系の酸
を使用し、ドライエッチング法を用いるときにはエッチ
ャントにはCF4プラズマを使用する。このようなエッチ
ャントを用いれば、Siは容易に除去されるのに対してGa
Asはほとんどエッチングされず、従って第3図(c)の
ように矢印Aの部分の半導体基板1のみを選択的に除去
できる。最後に、フォトレジスト膜10をアセントなどを
除去すると、第3図(d)のようなカンチレバー構造を
実現できる。Next, the semiconductor substrate 1 is removed from the opening of the photoresist film 10 by etching. Here, when wet etching is used, HF acid is used as an etchant, and when dry etching is used, CF 4 plasma is used as an etchant. When such an etchant is used, Si is easily removed, while Ga is removed.
As is hardly etched, so that only the portion of the semiconductor substrate 1 indicated by the arrow A can be selectively removed as shown in FIG. 3 (c). Finally, when the photoresist film 10 is removed from the ascent or the like, a cantilever structure as shown in FIG. 3D can be realized.
本発明は上記実施例に限定されず、種々の変形が可能
である。The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible.
例えば、センサのタイプとしてはダイヤフラム、カン
チレバーに限らず、圧力、加速度などの物理的外力によ
ってストレスを生じさせ、このストレスを検出するタイ
プのものであれば、2点支持あるいは4点支持などいか
なるものでもよい。また、半導体基板はSiに限らず、ゲ
ルマニウム(Ge)などでもよく、結晶成長層2はGaAsに
限らずカリウムリン(GaP)、インジウムリン(InP)、
ガリウムアルミニウムヒ素(GaAlAs)などでもよい。そ
して、これら材料に応じて半導体基板の除去のためエッ
チャントは種々変更できる。For example, the type of sensor is not limited to a diaphragm and a cantilever, and any type of sensor that generates stress by physical external force such as pressure or acceleration and detects this stress can be any type such as two-point support or four-point support. May be. Further, the semiconductor substrate is not limited to Si, but may be germanium (Ge). The crystal growth layer 2 is not limited to GaAs but includes potassium phosphorus (GaP), indium phosphorus (InP),
Gallium aluminum arsenide (GaAlAs) may be used. The etchant for removing the semiconductor substrate can be variously changed according to these materials.
更に、使用処理回路は結晶成長層上に一体的に形成さ
れていなくてもよく、別のチップに設けることもでき
る。また、抵抗率の変化を検出するためのブリッジは、
実施例のようなハーフブリッジ回路に限らず、例えば特
開昭62−221164号に示されるようなフルブリッジ回路で
あってもよい。Further, the processing circuit used need not be formed integrally on the crystal growth layer, but can be provided on another chip. Also, the bridge for detecting the change in resistivity is
The invention is not limited to the half-bridge circuit as in the embodiment, but may be a full-bridge circuit as disclosed in, for example, JP-A-62-221164.
以上、詳細に説明した通り本発明では、加速度センサ
用等の片持梁、圧力センサ用等のダイヤフラムなどが化
合物半導体の結晶成長層によって構成される。従って、
この結晶成長層の所定の部分には加速度、圧力などの物
理的外力が加わった際にストレスが現われるので、この
部分の結晶成長層にストレス検知素子を設けることで、
これらを電気的に検出することが可能になる。このた
め、本発明によれば加速度、触圧、気圧、機械的振動な
どの物理的外力を精度よく検出することができ、しかも
構造が簡単で低コストの半導体センサを得ることが可能
となる。As described in detail above, in the present invention, a cantilever for an acceleration sensor or the like, a diaphragm for a pressure sensor or the like is formed of a crystal growth layer of a compound semiconductor. Therefore,
Since stress appears when a physical external force such as acceleration or pressure is applied to a predetermined portion of the crystal growth layer, by providing a stress sensing element in the crystal growth layer in this portion,
These can be electrically detected. Therefore, according to the present invention, it is possible to accurately detect physical external forces such as acceleration, contact pressure, atmospheric pressure, and mechanical vibration, and to obtain a semiconductor sensor with a simple structure and low cost.
第1図は、本発明の実施例の基本構成を示す斜視図、第
2図は、本発明により構成した加速度センサの具体例の
斜視図、第3図は、本発明に係る半導体センサの製造工
程を示す断面図である。 1…単元素の半導体基板、1G…錘り、2…化合物半導体
の結晶成長層、4…ストレス検知素子、5…信号処理回
路、10…フォトレジスト膜。FIG. 1 is a perspective view showing a basic configuration of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view of a specific example of an acceleration sensor configured according to the present invention, and FIG. 3 is a manufacturing method of a semiconductor sensor according to the present invention. It is sectional drawing which shows a process. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Single element semiconductor substrate, 1G ... Weight, 2 ... Crystal growth layer of compound semiconductor, 4 ... Stress sensing element, 5 ... Signal processing circuit, 10 ... Photoresist film.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−70529(JP,A) 特開 昭58−182276(JP,A) 特開 昭59−125666(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01P 15/12 H01L 29/84 G01L 9/06──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-63-70529 (JP, A) JP-A-58-182276 (JP, A) JP-A-59-125666 (JP, A) (58) Field (Int.Cl. 6 , DB name) G01P 15/12 H01L 29/84 G01L 9/06
Claims (4)
基板上に形成された化合物半導体のヘテロ結晶成長層
と、このヘテロ結晶成長層に形成されたストレス検知素
子とを備え、 前記ストレス検知素子に対応する部分の前記単元素から
なる半導体基板のみが所定の範囲で除去されていること
を特徴とする半導体センサ。1. A stress sensing element comprising: a semiconductor substrate made of a single element; a compound semiconductor heterocrystal growth layer formed on the semiconductor substrate; and a stress detection element formed on the heterocrystal growth layer. Wherein only a portion of the semiconductor substrate made of the single element corresponding to the above is removed in a predetermined range.
記単元素からなる半導体基板に支持されていることを特
徴とする請求項1記載の半導体センサ。2. The semiconductor sensor according to claim 1, wherein said crystal growth layer is supported on said semiconductor substrate made of said single element at at least two points.
基板上に形成された化合物半導体のヘテロ結晶成長層と
を備え、 圧力が加えられる第1の部分の前記半導体基板が所定の
範囲で除去され、前記第1の部分を囲む第2の部分の前
記半導体基板が前記ヘテロ結晶成長層の支持体をなし、
かつ物理的外力が加えられることによってストレスが現
れる部分の前記ヘテロ結晶成長層にストレス検知素子が
形成されていることを特徴とする半導体センサ。3. A semiconductor substrate comprising a single element, and a compound semiconductor heterocrystal growth layer formed on the semiconductor substrate, wherein the first portion of the semiconductor substrate to which pressure is applied is removed within a predetermined range. Wherein the semiconductor substrate in a second portion surrounding the first portion forms a support for the heterocrystal growth layer,
A semiconductor sensor, wherein a stress sensing element is formed in a portion of the heterocrystal growth layer where a stress appears when a physical external force is applied.
基板上に形成された化合物半導体のヘテロ結晶成長層と
を備え、 前記ヘテロ結晶成長層は、基端部の単元素半導体基板の
みが除去され、かつ先端部の前記半導体基板が残存され
た片持梁を形成し、かつ物理的外力が加えられることに
よってストレスが現れる部分の前記ヘテロ結晶成長層に
はストレス検知素子が形成されていることを特徴とする
半導体センサ。4. A semiconductor substrate comprising a single element, and a compound semiconductor heterocrystal growth layer formed on the semiconductor substrate, wherein the heterocrystal growth layer is formed by removing only a base single element semiconductor substrate. And a stress sensing element is formed in a portion of the heterocrystal growth layer where a stress appears when a physical external force is applied, wherein the semiconductor substrate at the tip forms a cantilever in which the semiconductor substrate is left. Semiconductor sensor characterized by the above-mentioned.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101487150B1 (en) * | 2013-04-09 | 2015-02-10 | 대양전기공업 주식회사 | Method of Manufacturing Pressure Sensor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0273161A (en) | 1990-03-13 |
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