JP2017187447A - センサ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】可動薄膜に不要な応力を加えることなく支持するとともに、耐衝撃性に優れたセンサ装置を提供すること。【解決手段】本発明は、可動薄膜と、可動薄膜の変位に応じた信号を出力する検出素子と、を有するセンサ部と、センサ部の外側を囲むように配置された枠部と、枠部とセンサ部との間に設けられたバネ部と、検出素子から出力される信号を処理する回路を含む回路基板と、を備え、枠部は回路基板に積層され、センサ部はバネ部によって枠部に片持ち状に支持され、センサ部と回路基板との間に空隙が構成されたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、センサ装置に関し、より詳しくは、可動薄膜の変位に応じた信号を出力する検出素子を備えたセンサ装置に関する。
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて半導体基板等に可動薄膜を形成し、この可動薄膜の変位を検出素子で検出するセンサ装置は、小型かつ高精度なデバイスとして様々な分野で利用されている。
可動薄膜は、例えば、シリコン等の半導体材料をエッチングしてキャビティを形成し、このキャビティ上に薄いシリコン膜を残すようにして形成される。この可動薄膜の変位を正確に検出することがセンサ装置の検出精度を決める重要な要素となる。
特許文献１では、ダイアフラムが形成された領域を複数のスプリングで支持する構成が開示されている。このようなスプリングによって支持する構成では、ダイアフラムに印加される応力をスプリングで吸収することができる。
米国特許第９２３３８３４号明細書
しかしながら、ダイアフラム等の可動薄膜を備えたセンサ部をスプリングで支持する構成では、可動薄膜に印加される応力を吸収しやすいものの、センサ部に衝撃が加わった場合にはセンサ部が必要以上に動いてしまう。このため、耐衝撃性を高めることが困難である。
本発明は、可動薄膜に不要な応力を加えることなく支持するとともに、耐衝撃性に優れたセンサ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、可動薄膜と、可動薄膜の変位に応じた信号を出力する検出素子と、を有するセンサ部と、センサ部の外側を囲むように配置された枠部と、枠部とセンサ部との間に設けられたバネ部と、検出素子から出力される信号を処理する回路を含む回路基板と、を備え、枠部は回路基板の上に設けられ、センサ部はバネ部によって枠部に片持ち状に支持され、センサ部と回路基板との間に空隙が構成されたことを特徴とする。
このような構成によれば、センサ部がバネ部によって枠部に片持ち状に支持されているため、枠部から不要な応力を受けることなくキャビティ内に配置されることになる。また、バネ部によって片持ち状に支持されたセンサ部が変位しても、センサ部と回路基板との間に形成された空隙によって回路基板との衝突を回避できるので、小型でありながら耐衝撃性を高めることができる。
本発明のセンサ装置において、センサ部の平面視の外形は、少なくとも２つの辺と、少なくとも２つの辺のうち隣り合う２つの辺の間に設けられた接続部と、を有し、バネ部の一端は、接続部に接続されていてもよい。これにより、片持ちのバネ部からセンサ部に伝わる応力を効果的に抑制することができる。
本発明のセンサ装置において、可動薄膜の平面視の外形は矩形であり、バネ部は可動薄膜の対角線の延長上に設けられていてもよい。また、検出素子は可動薄膜の辺の中央部に配置されていてもよい。検出素子は、ピエゾ抵抗式素子または静電容量式素子であってもよい。これにより、可動薄膜の最も変位の多い位置から離れた箇所でセンサ部を支持することができ、枠部からセンサ部に伝わる応力によって検出素子に与える誤検出の影響を効果的に抑制することができる。
本発明のセンサ装置において、回路基板と枠部との間に設けられた金属封止部と、回路基板と枠部との間であって金属封止部の内側に設けられ、検出素子と回路基板との導通を得るパッド部と、をさらに備えていてもよい。これにより、枠部の内側のキャビティ空間の封止性能が高まるとともに、検出素子と回路基板との確実な導通が得られる。
本発明のセンサ装置において、枠部の回路基板とは反対側に設けられた蓋部をさらに備え、センサ部と蓋部との間に空隙が構成されていてもよい。これにより、片持ち状に支持されたセンサ部の変位を妨げることなく、蓋部と回路基板との間に設けられたキャビティ空間内にセンサ部を配置することができる。
本発明によれば、可動薄膜に不要な応力を加えることなく支持するとともに、耐衝撃性に優れたセンサ装置を提供することが可能になる。
（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係るセンサ装置を例示する模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、シミュレーションモデルを示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、シミュレーションモデルを示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、シミュレーションモデルを示す図である。 Ｘ方向固定での応力分布のシミュレーション結果を示す図である。 Ｙ方向固定での応力分布のシミュレーション結果を示す図である。 Ｘ方向固定での応力分布のシミュレーション結果を示す図である。 Ｙ方向固定での応力分布のシミュレーション結果を示す図である。 Ｘ方向固定での応力分布のシミュレーション結果を示す図である。 Ｙ方向固定での応力分布のシミュレーション結果を示す図である。 Ｘ方向固定での応力分布のシミュレーション結果を示す図である。 Ｙ方向固定での応力分布のシミュレーション結果を示す図である。 Ｘ方向固定での応力分布のシミュレーション結果を示す図である。 Ｙ方向固定での応力分布のシミュレーション結果を示す図である。 歪による出力のシミュレーション結果を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、シミュレーションモデルを示す図である。 耐衝撃特性のシミュレーション結果を示す図である。 耐衝撃特性のシミュレーション結果を示す図である。 耐衝撃特性のシミュレーション結果を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は耐水処理の例を示す断面図である。 センサ装置の筐体への取り付け状態を例示する断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
（センサ装置の構成）
図１（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係るセンサ装置を例示する模式図である。
図１（ａ）にはセンサ装置１の断面図が示され、図１（ｂ）にはセンサ部１０の裏面図が示される。
本実施形態に係るセンサ装置１は、可動薄膜１１と、可動薄膜１１の変位に応じた信号を出力する検出素子１５とを有するセンサ部１０を備える。センサ部１０の検出素子１５は、例えばピエゾ抵抗素子や静電容量素子である。これにより、圧力、加速度、温度、湿度、音圧などの各種の物理量を検出する。本実施形態において、センサ部１０は一例として圧力を検出するよう構成される。
センサ装置１は、センサ部１０の外側を囲むように配置される枠部２０と、枠部２０とセンサ部１０との間に設けられたバネ部３０と、検出素子１５から出力される信号を処理する回路を含む回路基板４０とを備える。
センサ装置１において、枠部２０は回路基板４０の上に設けられる。また、センサ部１０は、バネ部３０によって枠部２０に片持ち状に支持される。このとき、センサ部１０と回路基板４０との間にはセンサ部が変位した場合でも回路基板との衝突を防止する逃げ部として空隙Ｇが構成される。なお、本実施形態において、説明の便宜上、枠部２０と回路基板４０との積層方向をＺ方向、Ｚ方向と直交する方向の１つをＸ方向、Ｚ方向およびＸ方向に直交する方向をＹ方向という。また、Ｚ方向において回路基板４０から枠部２０に向かう方向を上、相対的に上の側を表面側と言い、枠部２０から回路基板４０に向かう方向を下、相対的に下の側を裏面側と言うことにする。
回路基板４０は、例えばＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）であり、半導体ウェーハを用いた半導体プロセスによって回路形成され、ダイシングによってチップ状に構成されている。回路基板４０の裏面には回路と導通するバンプ電極４５が設けられる。
枠部２０は、回路基板４０の上に金属封止部２５を介して積層される。金属封止部２５は、枠部２０に沿って環状に設けられる。金属封止部２５としては、例えばＡｕ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｇｅが用いられる。枠部２０と回路基板４０との接触面に環状に金属封止部２５が設けられることで、密封性が高まる。
枠部２０の平面視の外形は、例えば矩形である。また、枠部２０の内側に設けられるキャビティＣの平面視の外形も例えば矩形である。なお、本実施形態において矩形には、製造上、隅部に僅かな丸みや微小な辺が生じる場合も含まれる。枠部２０には、例えばシリコンが用いられる。センサ部１０は、枠部２０の内側であるキャビティＣ内に配置される。本実施形態では、センサ部１０は枠部２０に対して片持ちのバネ部３０によって支持される。例えばバネ部３０及びセンサ部１０をシリコンで形成することで一体に形成することができる。バネ部３０による支持の詳細は後述する。
枠部２０の上には蓋部５０が設けられる。蓋部５０には、例えばシリコンが用いられる。蓋部５０には貫通孔５１が設けられる。これにより、蓋部５０を被せた状態で、キャビティＣの空間の圧力が貫通孔５１によって外気圧（例えば、大気圧）となる。貫通孔５１は、例えばシリコンをエッチングすることで形成される。エッチングとして、ＲＩＥ（Reactive Ion. Etching）を用いることで、エッチングガスによって貫通孔５１の内壁面にフッ化炭素（例えば、Ｃ４Ｆ８）成膜される。このフッ化炭素を疎水性の機能膜５５として利用することができる。また、蓋部５０の表面に僅かにＲＩＥを施し、表面にもフッ化炭素の機能膜５５を形成してもよい。
ここで、蓋部５０とセンサ部１０との間にも空隙が形成されるように配置してもよい。これにより、片持ち状に支持されたセンサ部の変位を妨げることなく、蓋部と回路基板との間に設けられたキャビティ空間内にセンサ部を設けることができる。
センサ部１０は、例えばシリコン等の半導体をエッチングして形成された可動薄膜１１を有する。可動薄膜１１は、例えばメンブレンやダイアフラムと言われる。可動薄膜１１の平面視の外形は、例えば矩形である。センサ部１０の平面視の外形よりも僅かに内側に設けられる。この可動薄膜１１には検出素子１５が取り付けられる。図１に示す例では、可動薄膜１１の４辺の中央部にそれぞれ検出素子１５が取り付けられる。
可動薄膜１１が圧力によって歪むことで検出素子１５に伝わる歪に応じた電気信号を得る。４つの検出素子１５によってブリッジ回路が構成され、可動薄膜１１の変位を電気信号として検出することができる。
本実施形態に係るセンサ装置１において、このようなセンサ部１０は、バネ部３０によって片持ち状に枠部２０に支持される。図１（ｂ）に示す例では、センサ部１０の平面視の外形における隣り合う２つの辺１０ａ、１０ｂの間に設けられた接続部（例えば、隣り合う２つの辺１０ａ、１０ｂの交差する隅部）にバネ部３０の一端が接続され、バネ部３０の他端が枠部２０に接続される。このように、センサ部１０がバネ部３０によって片持ち状に支持されているため、センサ部１０は枠部２０から不要な応力を受けることなくキャビティＣ内に配置されることになる。また、センサ部１０がバネ部３０によって枠部２０に片持ち状に支持されるため、小型でありながら耐衝撃性を高めることができる。
可動薄膜１１の平面視の外形が矩形である場合、図１（ｂ）に示すようにバネ部３０は、可動薄膜１１の対角線１１ｄの延長上に設けられていることが好ましい。可動薄膜１１の最も変位の多い位置は、可動薄膜１１の辺の中央部である。バネ部３０の取り付け位置がここから離れた箇所になっていることで、枠部２０からセンサ部１０に伝わる応力によって検出素子１５に与える誤検出の影響を効果的に抑制することができる。
また、バネ部３０は、センサ部１０の検出素子１５と導通する配線（図示せず）を枠部２０に引き回す部分として利用されてもよい。枠部２０におけるバネ部３０の接続端の先にはパッドＰを設けてもよい。パッドＰは、金属封止部２５の内側に設けられる。枠部２０を回路基板４０の上に積層することで、パッドＰを介して検出素子１５と回路基板４０との導通が行われる。
（応力のシミュレーション）
次に、本実施形態に係るセンサ装置１の応力についてのシミュレーション結果を説明する。
図２（ａ）〜図４（ｂ）は、シミュレーションモデルを示す図である。
図２（ａ）に示すように、シミュレーションモデルとして、回路基板４０の上に、センサ部１０を支持する矩形の枠部２０および蓋部５０が設けられたモデルを構成する。センサ部１０を支持するバネ部３０の構成の違いによって、５つのレイアウト（レイアウトＡ〜Ｅ）を用意し、応力についてシミュレーションを行った。
図２（ｂ）にはレイアウトＡが示される。レイアウトＡは、図１と同様にセンサ部１０の接続部（隅部）から対角線の延長上にバネ部３０が接続されたレイアウトである。図３（ａ）にはレイアウトＢが示される。レイアウトＢは、センサ部１０の１辺の両端から２つのバネ部３０Ｂが接続されたレイアウトである。図３（ｂ）にはレイアウトＣが示される。レイアウトＣは、センサ部１０の１辺の中央部から１つのバネ部３０Ｃが接続されたレイアウトである。図４（ａ）にはレイアウトＤが示される。レイアウトＤは、センサ部１０の互いに反対側の２辺のそれぞれの両端からバネ部３０Ｄが接続されたレイアウトである。図４（ｂ）にはレイアウトＥが示される。レイアウトＥは、センサ部１０の４つの隅部のそれぞれにバネ部３０Ｅが接続されたレイアウトである。
レイアウトＡ〜Ｅについて、応力分布のシミュレーションを行った。各部を構成する材料はシリコン（ヤング率１７８０００ＭＰａ、ポアソン比０．２８（ｍ／ｍ））とした。荷重の印加は、回路基板４０の裏面におけるＸ軸と平行な辺を固定し、回路基板４０の裏面から上側に１００ＭＰａ印加する場合（Ｘ方向固定）と、回路基板４０の裏面におけるＹ軸と平行な辺を固定し、回路基板４０の裏面から上側に１００ＭＰａ印加する場合（Ｙ方向固定）である。
図５〜図１４は、応力分布のシミュレーション結果を示す図である。
図５にはレイアウトＡにおけるＸ方向固定の場合の応力分布が示され、図６にはレイアウトＡにおけるＹ方向固定の場合の応力分布が示される。
図７にはレイアウトＢにおけるＸ方向固定の場合の応力分布が示され、図８にはレイアウトＢにおけるＹ方向固定の場合の応力分布が示される。
図９にはレイアウトＣにおけるＸ方向固定の場合の応力分布が示され、図１０にはレイアウトＣにおけるＹ方向固定の場合の応力分布が示される。
図１１にはレイアウトＤにおけるＸ方向固定の場合の応力分布が示され、図１２にはレイアウトＤにおけるＹ方向固定の場合の応力分布が示される。
図１３にはレイアウトＥにおけるＸ方向固定の場合の応力分布が示され、図１４にはレイアウトＥにおけるＹ方向固定の場合の応力分布が示される。
これらの応力分布のシミュレーション結果から、レイアウトＡがセンサ部１０に与えられる応力の影響が最も少ないことが分かる。次に、レイアウトＣ、その次にレイアウトＢがセンサ部１０に与えられる応力の影響が小さい。レイアウトＤおよびＥについては、比較的、センサ部１０に与えられる応力の影響が大きいことが分かる。
図１５は、歪による出力のシミュレーション結果を示す図である。
図１５では、レイアウトＡ〜Ｅのそれぞれについての歪による検出素子１５の出力を示している。検出素子１５は、ピエゾ抵抗素子である。出力値は、Ｘ方向固定およびＹ方向固定でのそれぞれの荷重印加におけるピエゾ抵抗素子の抵抗変化による出力を圧力で換算した値である。
図１５に示す歪による出力のシミュレーション結果は、検出素子１５での検出誤差の大きさを現していると考えられる。検出誤差が最も少ないのはレイアウトＡ、ＢおよびＣであり、比較的、検出誤差が多いのはレイアウトＤおよびＥであることが分かる。
（耐衝撃特性のシミュレーション）
次に、本実施形態に係るセンサ装置１の耐衝撃特性についてのシミュレーション結果を説明する。
図１６（ａ）および（ｂ）は、シミュレーションモデルを示す図である。
図１６（ａ）には本実施形態に係るセンサ装置のレイアウト（レイアウトＡに対応）が示される。レイアウトＡは、センサ部１０の接続部（隅部）から対角線の延長上にバネ部３０が接続されたレイアウトである。図１６（ｂ）には比較例に係るセンサ装置のレイアウト（レイアウトＦ）が示される。レイアウトＦは、センサ部１０の４つの辺のそれぞれにバネ部３０Ｆが接続されたレイアウトである。バネ部３０Ｆは、レイアウトＡのバネ部３０と同等の歪耐性としてシミュレーションを行っている。
レイアウトＡおよびＦについて、耐衝撃特性のシミュレーションを行った。各部を構成する材料はシリコン（ヤング率１７８０００ＭＰａ、ポアソン比０．２８（ｍ／ｍ））とした。荷重の印加は、回路基板４０の裏面を固定して、Ｘ方向に１０ｋＧ印加する場合（Ｘ方向変位）と、回路基板４０の裏面を固定して、Ｚ方向に１０ｋＧ印加する場合（Ｚ方向変位）と、回路基板４０の裏面を固定して、ＸＹ方向に１０ｋＧ印加する場合（ＸＹ方向変位）である。
図１７〜図１９は、耐衝撃特性のシミュレーション結果を示す図である。
図１７には、レイアウトＡおよびＦにおける変位量が示される。図１８には、レイアウトＡおよびＦにおけるミーゼス応力が示される。
図１７および図１８に示すように、レイアウトＡではレイアウトＦに対して変位量で２桁、応力の最大値で１桁の差が現れている。レイアウトＡは、レイアウトＦに比べて耐衝撃特性に優れていることが分かる。
図１９には、レイアウトＡおよびＦにおける固有振動数（モード１〜５）が示される。
なお、モード１は、レイアウトＡについてはセンサ部１０が上下動するモード、レイアウトＦについてはバネ部３０Ｆが振動するモードである。モード２は、レイアウトＡについてはセンサ部１０が左右動するモード、レイアウトＦについてはバネ部３０Ｆが振動するモードの逆位相である。モード３は、レイアウトＡについてはセンサ部１０がバネ部３０を軸として回転するモード、レイアウトＦについては中心を軸としてバネ部３０Ｆが回転するモードである。
図１９に示すように、レイアウトＡではレイアウトＦに対して固有振動数が１桁高いことが分かる。また、レイアウトＡにおいて最も低次のモード１では固有振動数が約３００ｋＨｚである。例えば、センサ装置１を超音波洗浄する場合、超音波洗浄における振動数は１０ｋＨｚから１００ｋＨｚ程度である。したがって、レイアウトＡでは、超音波洗浄を行っても共振せずに耐えられる可能性が高い。
（耐水処理）
次に、センサ装置１の耐水処理について説明する。
図２０（ａ）および（ｂ）は耐水処理の例を示す断面図である。
図２０（ａ）には、キャビティハウジング７０にセンサ装置１を実装した例が示される。キャビティハウジング７０には凹部となるキャビティ７５が設けられる。キャビティハウジング７０は、例えばシリコン基板が用いられ、エッチングを施すことでキャビティ７５が設けられている。センサ装置１は、バンプ電極４５によってキャビティ７５内にはんだ接続されている。バンプ電極４５の周囲にはアンダーフィル７８が設けられる。
キャビティハウジング７０のキャビティ７５内にセンサ装置１を実装した状態で、キャビティハウジング７０の表面、アンダーフィル７８の表面およびセンサ装置１の表面には、フッ素系防水コーティング剤９０が塗布されている。フッ素系防水コーティング剤９０を塗布した後、キャビティハウジング７０はダイシングまたはスナップブレイクによって個片化される。
図２０（ｂ）には、平坦な基板８０にフレーム部８５を設けてセンサ装置１を実装した例が示される。
センサ装置１は、平坦な基板８０の所定位置に、バンプ電極４５を介してはんだ接続されている。バンプ電極４５の周囲にはアンダーフィル７８が設けられる。アンダーフィル７８を設けた後に、センサ装置１の周囲にフレーム部８５が接着される。
基板８０にセンサ装置１を実装し、フレーム部８５を接着した状態で、基板８０の表面、フレーム部８５の表面、アンダーフィル７８の表面およびセンサ装置１の表面には、フッ素系防水コーティング剤９０が塗布されている。フッ素系防水コーティング剤９０を塗布した後、基板８０およびフレーム部８５はダイシングされ、個片化される。
図２１は、センサ装置の筐体への取り付け状態を例示する断面図である。
センサ装置１は、図２０（ａ）および（ｂ）に示すようにキャビティハウジング７０や基板８０上に実装され、各部の表面にはフッ素系防水コーティング剤９０が施されている。この状態で、センサ装置１は筐体１００の孔１０１に合わせて取り付けられる。筐体１００とセンサ装置１との間には例えばＯリング１０５が設けられる。孔１０１から露出するセンサ装置１などはフッ素系防水コーティング剤９０によって覆われているため、高い防水性を有する。また、Ｏリング１０５によって孔１０１から筐体１００の内部に浸水することを抑制している。
このようなフッ素系防水コーティング剤９０が塗布されていることで、耐水性の優れたセンサ装置１を提供することができる。また、蓋部５０の貫通孔５１の内壁面に機能膜５５が形成されていれば、貫通孔５１からキャビティＣ内に浸水することを抑制することができる。
以上説明したように、実施形態によれば、可動薄膜１１に不要な応力を加えることなく支持するとともに、耐衝撃性に優れたセンサ装置１を提供することが可能になる。
なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、センサ部１０や可動薄膜１１の平面視の外形は矩形以外であっても適用可能である。また、前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の構成例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
１…センサ装置
１０…センサ部
１１…可動薄膜
１５…検出素子
２０…枠部
２５…金属封止部
３０，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ，３０Ｆ…バネ部
４０…回路基板
４５…バンプ電極
５０…蓋部
５１…貫通孔
５５…機能膜
７０…キャビティハウジング
７５…キャビティ
７８…アンダーフィル
８０…基板
８５…フレーム部
９０…フッ素系防水コーティング剤
１００…筐体
１０１…孔
１０５…Ｏリング
Ｃ…キャビティ
Ｇ…空隙
Ｐ…パッド

Claims (7)

  1. 可動薄膜と、前記可動薄膜の変位に応じた信号を出力する検出素子と、を有するセンサ部と、
    前記センサ部の外側を囲むように配置された枠部と、
    前記枠部と前記センサ部との間に設けられたバネ部と、
    前記検出素子から出力される信号を処理する回路を含む回路基板と、
    を備え、
    前記枠部は前記回路基板の上に設けられ、前記センサ部は前記バネ部によって前記枠部に片持ち状に支持され、前記センサ部と前記回路基板との間に空隙が構成されたことを特徴とするセンサ装置。
  2. 前記センサ部の平面視の外形は、少なくとも２つの辺と、前記少なくとも２つの辺のうち隣り合う２つの前記辺の間に設けられた接続部と、を有し、
    前記バネ部の一端は、前記接続部に接続された、請求項１記載のセンサ装置。
  3. 前記可動薄膜の平面視の外形は矩形であり、
    前記バネ部は前記可動薄膜の対角線の延長上に設けられた、請求項１または２に記載のセンサ装置。
  4. 前記検出素子は前記可動薄膜の辺の中央部に配置された、請求項３記載のセンサ装置。
  5. 前記検出素子は、ピエゾ抵抗式素子または静電容量式素子である、請求項１〜４のいずれか１つに記載のセンサ装置。
  6. 前記回路基板と前記枠部との間に設けられた金属封止部と、
    前記回路基板と前記枠部との間であって前記金属封止部の内側に設けられ、前記検出素子と前記回路基板との導通を得るパッド部と、をさらに備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載のセンサ装置。
  7. 前記枠部の前記回路基板とは反対側に設けられた蓋部をさらに備え、
    前記センサ部と前記蓋部との間に空隙が構成された、請求項１〜６のいずれか１つに記載のセンサ装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019174462A (ja) * 2018-03-29 2019-10-10 旭化成株式会社 表面応力センサ、表面応力センサの検査方法、表面応力センサの製造方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017220349B3 (de) * 2017-11-15 2018-06-14 Robert Bosch Gmbh Mikromechanische Drucksensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4922756A (en) * 1988-06-20 1990-05-08 Triton Technologies, Inc. Micro-machined accelerometer
JP2786321B2 (ja) * 1990-09-07 1998-08-13 株式会社日立製作所 半導体容量式加速度センサ及びその製造方法
US5209117A (en) * 1990-10-22 1993-05-11 Motorola, Inc. Tapered cantilever beam for sensors
US5203208A (en) * 1991-04-29 1993-04-20 The Charles Stark Draper Laboratory Symmetrical micromechanical gyroscope
EP0547742B1 (en) * 1991-12-19 1995-12-13 Motorola, Inc. Triaxial accelerometer
KR0139506B1 (ko) * 1994-10-07 1998-07-15 전성원 자체진단 기능을 구비한 대칭질량형 가속도계 및 그 제조방법
DE19649715C2 (de) * 1996-11-30 2001-07-12 Telefunken Microelectron Anordnung zur Messung von Beschleunigungen
US6750521B1 (en) * 1999-10-22 2004-06-15 Delphi Technologies, Inc. Surface mount package for a micromachined device
JP4216525B2 (ja) * 2002-05-13 2009-01-28 株式会社ワコー 加速度センサおよびその製造方法
WO2011119930A1 (en) * 2010-03-26 2011-09-29 Wayne State University Resonant sensor with asymmetric gapped cantilevers
TWI414478B (zh) * 2010-09-09 2013-11-11 Domintech Co Ltd 可同時量測加速度及壓力之微機電感測器
US8889451B2 (en) * 2012-02-21 2014-11-18 Freescale Semiconductor, Inc. MEMS pressure transducer assembly and method of packaging same
ITTO20130540A1 (it) 2013-06-28 2014-12-29 St Microelectronics Srl Dispositivo mems dotato di membrana sospesa e relativo procedimento di fabbricazione
EP2871455B1 (en) 2013-11-06 2020-03-04 Invensense, Inc. Pressure sensor
US9446940B2 (en) * 2014-10-03 2016-09-20 Freescale Semiconductor, Inc. Stress isolation for MEMS device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019174462A (ja) * 2018-03-29 2019-10-10 旭化成株式会社 表面応力センサ、表面応力センサの検査方法、表面応力センサの製造方法
JP7176986B2 (ja) 2018-03-29 2022-11-22 旭化成株式会社 表面応力センサ、表面応力センサの検査方法、表面応力センサの製造方法

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