JPH04313031A - 振動又は加速度測定センサ - Google Patents
振動又は加速度測定センサInfo
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- JPH04313031A JPH04313031A JP3002134A JP213491A JPH04313031A JP H04313031 A JPH04313031 A JP H04313031A JP 3002134 A JP3002134 A JP 3002134A JP 213491 A JP213491 A JP 213491A JP H04313031 A JPH04313031 A JP H04313031A
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- G—PHYSICS
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- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
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- G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
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- G—PHYSICS
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- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
- G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
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- G—PHYSICS
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- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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- G—PHYSICS
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- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
- G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0814—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R19/00—Electrostatic transducers
- H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
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- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、請求項1の上位概念に
記載の振動測定センサ及びその製作方法に関する。
記載の振動測定センサ及びその製作方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ドイツ特許出願P3814952号明細
書から、1つ又は複数のウェブが懸架されている舌状部
がチップ表面に対して垂直に変位される、シリコンマイ
クロメカニックをベースとした加速度センサが公知であ
る。ウェブの伸縮は、ホィートストンブリッジに配置さ
れている圧電抵抗を用いて決められる。圧電動作するセ
ンサの振動質量は比較的大きいチップ表面を必要とする
。舌状部として形成されている振動質量と、チップ表面
に垂直なその振動方向はしばしばセンサのカプセル化と
、センサ内の圧力の低下を必要とする、何故ならばその
ようにしないと舌状部振動が過剰に制動されるからであ
る。これに加えて、圧電動作するセンサは強い温度に敏
感である。
書から、1つ又は複数のウェブが懸架されている舌状部
がチップ表面に対して垂直に変位される、シリコンマイ
クロメカニックをベースとした加速度センサが公知であ
る。ウェブの伸縮は、ホィートストンブリッジに配置さ
れている圧電抵抗を用いて決められる。圧電動作するセ
ンサの振動質量は比較的大きいチップ表面を必要とする
。舌状部として形成されている振動質量と、チップ表面
に垂直なその振動方向はしばしばセンサのカプセル化と
、センサ内の圧力の低下を必要とする、何故ならばその
ようにしないと舌状部振動が過剰に制動されるからであ
る。これに加えて、圧電動作するセンサは強い温度に敏
感である。
【0003】未公開の特許出願P3927163号明細
書から、半導体ウェーハの中で構造をエッチングするこ
とができることは公知である。
書から、半導体ウェーハの中で構造をエッチングするこ
とができることは公知である。
【0004】
【発明の効果】従来の技術に対して、請求項1の特徴部
分に記載の構成を有する本発明のセンサは、舌状部を垂
直に配置することによりセンサを非常に僅かなチップ表
面で実現することができる利点を有する。この配置は、
通常の圧力においてもセンサが動作することを可能にす
る。舌状部がチップ平面で振動し、従ってチップにより
過負荷においても保護されるので有利であることが分か
った。更に、舌状部に圧電抵抗を集積する必要がないの
でそれほど堅牢でない舌状部によりセンサ信号の容量評
価が可能であるので有利である。
分に記載の構成を有する本発明のセンサは、舌状部を垂
直に配置することによりセンサを非常に僅かなチップ表
面で実現することができる利点を有する。この配置は、
通常の圧力においてもセンサが動作することを可能にす
る。舌状部がチップ平面で振動し、従ってチップにより
過負荷においても保護されるので有利であることが分か
った。更に、舌状部に圧電抵抗を集積する必要がないの
でそれほど堅牢でない舌状部によりセンサ信号の容量評
価が可能であるので有利である。
【0005】その他の請求項に記載の手段により、請求
項1に記載のセンサの有利な実施例が可能である。本発
明のセンサの1つの特別な利点は、上層20と下層21
との間のpn又はnp接合部が、下層21に対する舌状
部12と電極13との絶縁に用いられるだけでなく、支
持体表面16からの舌状部12の電気化学的アンダーエ
ッチングにおけるエッチングストップ境界として作用す
ることができるか、又は固定電極13に対する可動舌状
部12の絶縁に寄与する裏面エッチングのために作用す
ることができる点である。センサの静止容量が、それぞ
れ1つの舌状部12と1つの固定電極13とにより形成
される多数のコンデンサの並列接続により簡単に高める
ことができるので有利である。別の1つの利点は、加速
の際に、固定電極13を基準としてそれぞれ可動な舌状
部12の位置に基づいて互いに逆の容量変化で応動する
2つの舌状部/電極−配置の容量差を評価することによ
りセンサ感度を高めることができる点である。
項1に記載のセンサの有利な実施例が可能である。本発
明のセンサの1つの特別な利点は、上層20と下層21
との間のpn又はnp接合部が、下層21に対する舌状
部12と電極13との絶縁に用いられるだけでなく、支
持体表面16からの舌状部12の電気化学的アンダーエ
ッチングにおけるエッチングストップ境界として作用す
ることができるか、又は固定電極13に対する可動舌状
部12の絶縁に寄与する裏面エッチングのために作用す
ることができる点である。センサの静止容量が、それぞ
れ1つの舌状部12と1つの固定電極13とにより形成
される多数のコンデンサの並列接続により簡単に高める
ことができるので有利である。別の1つの利点は、加速
の際に、固定電極13を基準としてそれぞれ可動な舌状
部12の位置に基づいて互いに逆の容量変化で応動する
2つの舌状部/電極−配置の容量差を評価することによ
りセンサ感度を高めることができる点である。
【0006】別の1つの利点は、センサをエッチング技
術の標準手段により製作することができる点である。
術の標準手段により製作することができる点である。
【0007】
【実施例】図1には、10により単結晶材料から成る支
持体が示され、この支持体のためには例えばシリコンウ
ェーハが用いられる。しかし例えばガリウムひ素又はゲ
ルマニウム等の他の半導体材料も適している。図2に示
されているように支持体は下層21及び上層20から成
る。通常は下層21はp形ドーピングされた基板であり
、上層20は、このp形ドーピング基板の上に設けられ
ているn形ドーピングエピタキシャル層である。個々の
層を逆にドーピングすることも可能である、何故ならば
pn接合部とnp接合部との双方が回路において遮断方
向で絶縁作用を有するからである。垂直な溝を形成する
異方性エッチング又はその他適当なエッチング方法によ
り支持体表面にエッチングされたエッチング溝11は上
層20を完全に貫通し、2つの互いに電気的に絶縁され
ている領域を形成している。一方の領域は、支持体平面
の中で振動可能な舌状部12を有する舌状部の基部14
を有し、他方の領域は、不動の電極13を有する電極基
部15を有する。舌状部12は例えば幅5μm、長さ1
から2mm、高さ10から15μmである。舌状部12
の長手方向側面は電極13の長手方向側面に例えば2μ
m間隔をおいて対向しており、この間隔は舌状部12の
振動の際に変化する。舌状部基部14及び電極基部15
は、舌状部12及び電極13により形成されているコン
デンサの電気端子として用いられる。図2は、舌状部1
2がアンダーエッチング22により露出されていること
を示す。舌状部12のアンダーエッチングは例えば裏面
エッチング又は前面からの側方アンダーエッチングによ
り行われる。基部を有する多数の舌状部及び多数の電極
を支持体表面16からエッチングし、例えば図3の上半
部が示すように、容量動作形センサの並列接続に統合す
ることも可能である。この場合、舌状部の基部141か
ら、支持体平面の中で振動することができる2つの舌状
部121が垂直に出ており、電極基部15から出ていて
対向して位置する2つの不動の電極131と共働して2
つの並列に接続されているコンデンサを形成している。
持体が示され、この支持体のためには例えばシリコンウ
ェーハが用いられる。しかし例えばガリウムひ素又はゲ
ルマニウム等の他の半導体材料も適している。図2に示
されているように支持体は下層21及び上層20から成
る。通常は下層21はp形ドーピングされた基板であり
、上層20は、このp形ドーピング基板の上に設けられ
ているn形ドーピングエピタキシャル層である。個々の
層を逆にドーピングすることも可能である、何故ならば
pn接合部とnp接合部との双方が回路において遮断方
向で絶縁作用を有するからである。垂直な溝を形成する
異方性エッチング又はその他適当なエッチング方法によ
り支持体表面にエッチングされたエッチング溝11は上
層20を完全に貫通し、2つの互いに電気的に絶縁され
ている領域を形成している。一方の領域は、支持体平面
の中で振動可能な舌状部12を有する舌状部の基部14
を有し、他方の領域は、不動の電極13を有する電極基
部15を有する。舌状部12は例えば幅5μm、長さ1
から2mm、高さ10から15μmである。舌状部12
の長手方向側面は電極13の長手方向側面に例えば2μ
m間隔をおいて対向しており、この間隔は舌状部12の
振動の際に変化する。舌状部基部14及び電極基部15
は、舌状部12及び電極13により形成されているコン
デンサの電気端子として用いられる。図2は、舌状部1
2がアンダーエッチング22により露出されていること
を示す。舌状部12のアンダーエッチングは例えば裏面
エッチング又は前面からの側方アンダーエッチングによ
り行われる。基部を有する多数の舌状部及び多数の電極
を支持体表面16からエッチングし、例えば図3の上半
部が示すように、容量動作形センサの並列接続に統合す
ることも可能である。この場合、舌状部の基部141か
ら、支持体平面の中で振動することができる2つの舌状
部121が垂直に出ており、電極基部15から出ていて
対向して位置する2つの不動の電極131と共働して2
つの並列に接続されているコンデンサを形成している。
【0008】図3に示されているセンサも2つの層の支
持体10から成り、支持体10の上層20は、エッチン
グ溝11により電気的に互いに絶縁されている多数の櫛
状領域を有する。舌状部の基部141に垂直に位置し支
持体平面の中で振動することができる2つの舌状部12
1を有するビーム状の舌状部の基部141は、同様に支
持体平面の中で振動することができる2つの舌状部12
2を有する同様に構造化されている舌状部の基部142
に平行に配置され、従って舌状部121及び122は互
いに対向して位置している。舌状部121及び122の
間に、2つの舌状部の基部141及び142に平行に電
極基部15が位置し、電極基部15から2つの不動の電
極131が舌状部の基部141の方向に出ており、2つ
の不動の電極132が舌状部の基部142の方向に出て
いる。舌状部と電極の数は任意に変化させることができ
る。電極基部142に対する舌状部の基部141の間隔
と、舌状部の基部142に対する電極基部15の間隔と
、舌状部及び電極の長さとは、電極131の長手側面に
舌状部121の長手側面が例えば2μmの間隔をおいて
対向し、電極132の長手側面に舌状部122の長手側
面が同様の間隔をおいて対向するように選択されている
。2つの舌状部121は2つの電極131と共働して2
つの並列に接続されているコンデンサを形成し、これら
のコンデンサは、2つの同様に並列に接続されている、
2つの舌状部122が2つの電極132と共働して形成
しているコンデンサに対向して位置している。更に、電
極131を基準とする舌状部121の配置は、電極13
2を基準とする舌状部122の配置と逆になっており、
このようにして、舌状部を変位させる加速度により、互
いに対向して位置するコンデンサのそれぞれコンデンサ
の舌状部と電極の間隔は互いに逆方向に変化する。この
配置の場合、センサの静止容量は多数のコンデンサの並
列接続により制御される。互いに逆方向に変化する容量
の差の評価により感度が高められる。図3において、3
0により、裏面エッチングのエッチングウインドウ30
の下部端縁が示されている。このエッチングウインドウ
30の位置は、舌状部が舌状部の基部と不動に接続され
てはいるが、しかし舌状部の先端は自由に振動すること
ができるように選択しなければならない。これに対して
電極は電極基部と不動に接続されているだけでなく、付
加的に少なくとも1つの別の個所で下層21と接続され
ていなければならない。
持体10から成り、支持体10の上層20は、エッチン
グ溝11により電気的に互いに絶縁されている多数の櫛
状領域を有する。舌状部の基部141に垂直に位置し支
持体平面の中で振動することができる2つの舌状部12
1を有するビーム状の舌状部の基部141は、同様に支
持体平面の中で振動することができる2つの舌状部12
2を有する同様に構造化されている舌状部の基部142
に平行に配置され、従って舌状部121及び122は互
いに対向して位置している。舌状部121及び122の
間に、2つの舌状部の基部141及び142に平行に電
極基部15が位置し、電極基部15から2つの不動の電
極131が舌状部の基部141の方向に出ており、2つ
の不動の電極132が舌状部の基部142の方向に出て
いる。舌状部と電極の数は任意に変化させることができ
る。電極基部142に対する舌状部の基部141の間隔
と、舌状部の基部142に対する電極基部15の間隔と
、舌状部及び電極の長さとは、電極131の長手側面に
舌状部121の長手側面が例えば2μmの間隔をおいて
対向し、電極132の長手側面に舌状部122の長手側
面が同様の間隔をおいて対向するように選択されている
。2つの舌状部121は2つの電極131と共働して2
つの並列に接続されているコンデンサを形成し、これら
のコンデンサは、2つの同様に並列に接続されている、
2つの舌状部122が2つの電極132と共働して形成
しているコンデンサに対向して位置している。更に、電
極131を基準とする舌状部121の配置は、電極13
2を基準とする舌状部122の配置と逆になっており、
このようにして、舌状部を変位させる加速度により、互
いに対向して位置するコンデンサのそれぞれコンデンサ
の舌状部と電極の間隔は互いに逆方向に変化する。この
配置の場合、センサの静止容量は多数のコンデンサの並
列接続により制御される。互いに逆方向に変化する容量
の差の評価により感度が高められる。図3において、3
0により、裏面エッチングのエッチングウインドウ30
の下部端縁が示されている。このエッチングウインドウ
30の位置は、舌状部が舌状部の基部と不動に接続され
てはいるが、しかし舌状部の先端は自由に振動すること
ができるように選択しなければならない。これに対して
電極は電極基部と不動に接続されているだけでなく、付
加的に少なくとも1つの別の個所で下層21と接続され
ていなければならない。
【0009】図4にはセンサが示されており、このセン
サは、下層21と上層20とを有する2層の支持体10
からエッチングされ、2つの層21及び20は、異なる
ドーピングに基づいてpn接合部又はnp接合部を形成
し、この接合部は、遮断方向へ接続されると上層20を
下層21に対して絶縁する。上層20を完全に貫通して
いる2つのU状のエッチング溝11はそれぞれ1つの側
方アンダーエッチング22と共働して上層20の中に、
支持体平面の中で振動することができる、舌状部の基部
14から出ている2つの舌状部12を形成する。このよ
うな舌状部12は、舌状部12に平行に静止したままで
ある、U状エッチング溝11の周縁に形成される2つの
固定電極131及び132を有する差動−板コンデンサ
の可動電極として用いられる。舌状部12と電極131
及び132との間の絶縁は上層20の中で、上層20を
完全に貫通している絶縁拡散層23により行われる。こ
の場合、上層20が負にドーピングされている場合には
p形拡散層であり、上層20が正にドーピングされてい
る場合にはn形拡散層である。舌状部12と電極131
及び132とは互いに対しても、下層21に対してもp
n接合部により絶縁されている。舌状部12が変位した
際の差動−板コンデンサの容量変化を回路により評価す
ることができるように、舌状部12と電極131及び1
32とにおける舌状部の基部側端部にそれぞれ1つの金
属端子24が支持体表面16の上に設けられている。舌
状部12の変位により舌状部12と電極131との間の
容量は例えば高められ、これに対して舌状部12と電極
132との間の容量は低下される。多数のこのような差
動−板コンデンサの並列接続においては、一方の側にお
ける容量減少が他方の側における容量増加により補償さ
れることがないように、隣同士の固定電極131及び1
32は互いに絶縁されていなければならない。図示の実
施例においてはこれは、上層20を完全に貫通している
絶縁拡散層23により行われる。図1及び図3に示され
ている絶縁切込みも適している。
サは、下層21と上層20とを有する2層の支持体10
からエッチングされ、2つの層21及び20は、異なる
ドーピングに基づいてpn接合部又はnp接合部を形成
し、この接合部は、遮断方向へ接続されると上層20を
下層21に対して絶縁する。上層20を完全に貫通して
いる2つのU状のエッチング溝11はそれぞれ1つの側
方アンダーエッチング22と共働して上層20の中に、
支持体平面の中で振動することができる、舌状部の基部
14から出ている2つの舌状部12を形成する。このよ
うな舌状部12は、舌状部12に平行に静止したままで
ある、U状エッチング溝11の周縁に形成される2つの
固定電極131及び132を有する差動−板コンデンサ
の可動電極として用いられる。舌状部12と電極131
及び132との間の絶縁は上層20の中で、上層20を
完全に貫通している絶縁拡散層23により行われる。こ
の場合、上層20が負にドーピングされている場合には
p形拡散層であり、上層20が正にドーピングされてい
る場合にはn形拡散層である。舌状部12と電極131
及び132とは互いに対しても、下層21に対してもp
n接合部により絶縁されている。舌状部12が変位した
際の差動−板コンデンサの容量変化を回路により評価す
ることができるように、舌状部12と電極131及び1
32とにおける舌状部の基部側端部にそれぞれ1つの金
属端子24が支持体表面16の上に設けられている。舌
状部12の変位により舌状部12と電極131との間の
容量は例えば高められ、これに対して舌状部12と電極
132との間の容量は低下される。多数のこのような差
動−板コンデンサの並列接続においては、一方の側にお
ける容量減少が他方の側における容量増加により補償さ
れることがないように、隣同士の固定電極131及び1
32は互いに絶縁されていなければならない。図示の実
施例においてはこれは、上層20を完全に貫通している
絶縁拡散層23により行われる。図1及び図3に示され
ている絶縁切込みも適している。
【図1】センサの上面図。
【図2】図1のセンサの断面図。
【図3】図1とは別の形のセンサの平面図。
【図4】図1とは別の形のセンサの一部を切欠して示す
斜視図。
斜視図。
10 支持体
12 舌状部
11 エッチング溝
14 舌状部の基部
15 電極基部
16 支持体表面
20 上層
21 下層
22 アンダーエッチング
23 絶縁拡散層
24 金属端子
30 エッチングウインドウ
121 舌状部
122 舌状部
131 電極
132 電極
Claims (5)
- 【請求項1】 振動測定センサが、単結晶材料から成
る支持体(10)から製作され、支持体(10)から少
なくとも1つの振動することができる舌状部(12)が
エッチングにより形成され、少なくとも1つの舌状部(
12)の変位の評価手段を具備する、特に加速度測定等
の振動測定センサにおいて、前記舌状部(12)を支持
体表面(16)に対して垂直に配置し、前記舌状部(1
2)を電極(13)に対向して配置し、前記舌状部(1
2)と前記電極(13)とを互いに電気的に絶縁し、前
記舌状部(12)と前記電極(13)との間の容量変化
を測定することができることを特徴とする振動測定セン
サ。 - 【請求項2】 支持体(10)が下層(21)と上層
(20)とを有し、下層(21)と上層(20)とがそ
れらの負又は正のドーピングに基づいてpn接合部又は
np接合部を形成し、上層(20)の中に形成されてい
る舌状部(12)と、電極(13)との絶縁を、上層(
20)を完全に貫通しているエッチング溝(11)によ
り形成することを特徴とする請求項1に記載の振動測定
センサ。 - 【請求項3】 支持体(10)が下層(21)と上層
(20)とを有し、下層(21)と上層(20)はそれ
らの負又は正のドーピングに基づいてpn接合部又はn
p接合部を形成し、上層(20)の中に形成されている
舌状部(12)と、電極(13)との絶縁が、上層(2
0)を完全に貫通している絶縁拡散層(23)により行
われることを特徴とする請求項1に記載の振動測定セン
サ。 - 【請求項4】 支持体(10)の双方の主表面に対し
て実質的に垂直に走行する側方の制限面と、双方の主表
面に実質的に平行に走行する底面とを有する、フォトマ
スク技術を用いてのセンサのエッチング溝(11)を、
支持体表面(16)から例えば反応性イオンエッチング
又は湿式エッチング等の異方性エッチングにより支持体
(10)の中に、上層(20)が完全に貫通されるよう
にエッチングし、次いで少なくとも1つの舌状部(12
)を形成するために、露出すべき舌状部を包囲している
、エッチング溝(11)の部分に、側方のアンダーエッ
チング(22)をエッチング溝(11)の底面の近傍に
設けることを特徴とする請求項1から請求項3までのう
ちのいずれか1つの請求項に記載の振動測定センサの製
作方法。 - 【請求項5】 支持体(10)の双方の主表面に対し
て実質的に垂直に走行する側方の制限面と、双方の主表
面に実質的に平行に走行する底面とを有する、フォトマ
スク技術を用いてのセンサのエッチング溝(11)を、
支持体表面(16)から異方性反応性イオンエッチング
又は異方性ウエットケミカルエッチングにより支持体(
10)の中に、上層(20)が完全に貫通されるように
エッチングし、少なくとも1つの舌状部(12)の露出
を裏面エッチングにより、支持体(10)におけるまだ
構造化されていない下面の上に設けられているフォトマ
スク技術により形成されたエッチングウインドウ(30
)から出発して下層(21)が異方性エッチング処理に
より完全に貫通されるように行うことを特徴とする請求
項1から請求項3までのうちのいずれか1つの請求項に
記載の振動測定センサの製作方法。
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