JP3240360B2 - Acceleration detector - Google Patents

Acceleration detector

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JP3240360B2
JP3240360B2 JP19029292A JP19029292A JP3240360B2 JP 3240360 B2 JP3240360 B2 JP 3240360B2 JP 19029292 A JP19029292 A JP 19029292A JP 19029292 A JP19029292 A JP 19029292A JP 3240360 B2 JP3240360 B2 JP 3240360B2
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electron emission
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信男 渡邊
春紀 河田
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は加速度検知装置、詳しく
は電子線を使った加速度検知装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an acceleration detector, and more particularly, to an acceleration detector using an electron beam.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、加速度検知装置としては次の様な
ものがある。例えば、H.Seidel et al,
“Capacitive Silicon Accel
erometer with Highly Symm
etrical Design”,Sensors a
nd Actuators,A21−A23,(199
0),pp.312−315.に報告されている様に、
外部より加速度を受けた時に変化する電気容量を検知し
て加速度に変換する静電容量型。あるいは、例えば、
H.V.Allen et al,“Accelero
meter Systems with Self−T
estable Features”,Sensors
and Actuators,20,(1989),
pp.153−161.に報告されている様に、弾性を
有する構造体が加速度に変形するときに変化する電気抵
抗値を加速度に変換するピエゾ抵抗型。あるいは、広い
意味において電子線を使った加速度検知装置としては、
例えば,T.W.Kennyet al,“A Mic
romachined Silicon Electr
on Tunneling Sensor”,IEEE
Catalog No.CH2832−4(199
0),pp.192−196.に報告されている様に、
走査型トンネル顕微鏡(STM)構造において、テッィ
プと電極との間に流れるトンネル電流値が、加速度を受
けたときに変化する量を加速度に変換するSTM型があ
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, there are the following types of acceleration detecting devices. For example, H. Seeidel et al,
“Capacitive Silicon Accel
erometer with Highly Symm
electrical Design ", Sensors a
nd Actuators, A21-A23, (199
0), pp. 312-315. As reported in
A capacitance type that detects the capacitance that changes when receiving acceleration from the outside and converts it into acceleration. Or, for example,
H. V. Allen et al, "Accelero
meter Systems with Self-T
"establishable Features", Sensors
and Actuators, 20, (1989),
pp. 153-161. A piezoresistive type that converts an electrical resistance value that changes when an elastic structure deforms into an acceleration into an acceleration, as reported in Jpn. Or, in a broad sense, as an acceleration detector using an electron beam,
For example, T. W. Kenney et al, "A Mic
Romanized Silicon Electr
on Tunneling Sensor ”, IEEE
Catalog No. CH2832-4 (199
0), pp. 192-196. As reported in
2. Description of the Related Art In a scanning tunneling microscope (STM) structure, there is an STM type in which an amount of change in a tunnel current flowing between a tip and an electrode when an acceleration is applied is converted into an acceleration.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の加速度
検知装置のうち静電容量型のものは、加速度を受けたと
きに慣性により装置本体との相対的な位置を変化しうる
構造体に形成された電極と、装置本体に形成された電極
との電気容量の変化を加速度に変換している。従って、
電極配線等装置自体が有する寄生容量により、S/N比
が悪化することが問題である。しかしながら、寄生容量
を低下させることは困難であるから、前記構造体及び装
置本体に形成されたそれぞれの電極の面積を大きくする
か、あるいはそれらの距離を短くすることによりS/N
比の向上を図ろうとしている。ここで、電極の面積を大
きくすることは、前記構造体を大きくすることに繋が
り、質量も大きくなることから、装置本体の小型化に不
都合であり、また検知可能な加速度の範囲を限定してし
まう。即ち、静電容量型は構造上の制約が多く、加速度
の測定範囲が狭い欠点があった。
Among the above-mentioned conventional acceleration detecting devices, the capacitance type one is formed in a structure whose relative position with respect to the device main body can be changed by inertia when receiving acceleration. The change in electric capacitance between the electrode thus formed and the electrode formed on the apparatus main body is converted into acceleration. Therefore,
The problem is that the S / N ratio deteriorates due to the parasitic capacitance of the device itself such as the electrode wiring. However, since it is difficult to reduce the parasitic capacitance, the S / N ratio is increased by increasing the area of each of the electrodes formed on the structure and the device body or by shortening the distance between them.
We are trying to improve the ratio. Here, enlarging the area of the electrode leads to enlarging the structure and increasing the mass, which is inconvenient for downsizing the device body, and also limits the range of detectable acceleration. I will. That is, the capacitance type has many structural restrictions, and has a drawback that the measurement range of acceleration is narrow.

【0004】また、前記ピエゾ抵抗型はバネ性構造体の
加速度による変形量に応じた電気抵抗値の変化を加速度
に変換しているために、そのバネ性構造体の僅かな温度
変化により基準抵抗値が変化してしまう。従って、熱安
定性において欠点があった。また、そのバネ性構造体を
変形により電気抵抗値の変化する材料により作製する必
要があり、そのバネ定数を自由に設定することが困難で
あった。
Also, since the piezoresistive type converts a change in electric resistance value according to the amount of deformation due to acceleration of the spring structure into acceleration, the reference resistance is changed by a slight temperature change of the spring structure. The value changes. Therefore, there was a defect in thermal stability. In addition, the spring structure must be made of a material whose electric resistance changes due to deformation, and it is difficult to freely set the spring constant.

【0005】STM型においては、トンネル電流を検知
できうる様に先端の鋭く尖ったティップと対向電極との
距離が1ナノメートルのオーダーと極めて短く、加速度
の測定範囲が限られていた。即ち、加速度を受けた時に
ティップと対向電極とが接触しないように、バネ性構造
体のバネ定数を極めて大きくする必要があるために、加
速度の検出範囲が限定される問題点があった。
[0005] In the STM type, the distance between the tip having a sharp tip and the counter electrode is extremely short, on the order of 1 nanometer, so that a tunnel current can be detected, and the measurement range of acceleration is limited. That is, the spring constant of the resilient structure needs to be extremely large so that the tip and the counter electrode do not come into contact with each other when the acceleration is applied. Therefore, there is a problem that the detection range of the acceleration is limited.

【0006】従って、本発明の目的は、上記従来技術の
問題点に鑑み、構造及び材質等の制約を受けず自由な設
計を可能とし、且つ、広い検知範囲を可能とする加速度
検知装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an acceleration detecting device which enables free design without restriction on structure and material, and enables a wide detecting range in view of the above-mentioned problems of the prior art. Is to do.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
する為に成された本発明は、以下の手段を講ずるもので
ある。
The present invention, which has been made to achieve the above object, has the following means.

【0008】即ち、本発明は、外部より加速度を加えら
れる構造体と、該構造体に支持される弾性体とを具備す
る加速度検知装置において、前記構造体は電子放出部を
有し、前記弾性体は前記電子放出部から放出される電子
を捕捉する電極を有し、前記電極が捕捉した電子の量の
変化、若しくは、前記電極に照射される電子線の位置の
変化から加速度を検知する加速度検知装置としたもので
あり、また、外部より加速度を加えられる構造体と、該
構造体に支持される弾性体とを具備する加速度検知装置
において、前記弾性体は電子放出部を有し、前記構造体
は前記電子放出部から放出される電子を捕捉する電極を
有し、前記電極が捕捉した電子の量の変化、若しくは、
前記電極に照射される電子線の位置の変化から加速度を
検知する加速度検知装置としたものであり、更にはま
た、外部より加速度を加えられる構造体と、該構造体に
支持される弾性体とを具備する加速度検知装置におい
て、前記構造体は相対向する位置に電子放出部と該電子
放出部から放出される電子を捕捉する電極とを有し、前
記弾性体は前記電子放出部から放出される電子を偏向さ
せる偏向電極を有する加速度検知装置としたものであ
る。
That is, according to the present invention, there is provided an acceleration sensing device including a structure to which acceleration can be applied from the outside and an elastic body supported by the structure, wherein the structure has an electron emission portion, The body has an electrode for capturing electrons emitted from the electron emitting portion, and an acceleration for detecting acceleration from a change in the amount of electrons captured by the electrode or a change in the position of an electron beam applied to the electrode. A sensing device, and a structure to which acceleration can be applied from the outside, and an acceleration sensing device including an elastic body supported by the structure, wherein the elastic body has an electron emission portion, The structure includes an electrode for capturing electrons emitted from the electron emission portion.
Having, a change in the amount of electrons captured by the electrode, or
The acceleration is calculated from the change in the position of the electron beam applied to the electrode.
Further, in the acceleration detecting device having a structure to which acceleration is applied from the outside and an elastic body supported by the structure, the structures are opposed to each other. An acceleration sensing device having an electron emitting portion at a position and an electrode for capturing electrons emitted from the electron emitting portion, wherein the elastic body has a deflection electrode for deflecting the electrons emitted from the electron emitting portion; It is.

【0009】次に、図面を用いて本発明を説明する。Next, the present invention will be described with reference to the drawings.

【0010】図1は本発明の一実施態様を示す概念図で
ある。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing one embodiment of the present invention.

【0011】図1(a)は、装置が加速度を受けない状
態における模式図、図1(b)は、装置がある加速度を
受けた状態における電子放出部及び弾性体近傍の模式
図、図1(c)は、電子を捕捉する電極を有する弾性体
を電子放出部方向から見た模式図である。図中101は
電子放出部を有する構造体、102は構造体101に設
けられた電子放出部、103は電子放出部102から放
出される電子を捕捉する電極、104は加速度を受けた
時に変形する弾性体、105は弾性体104に付加され
た重錘体、106は構造体101に弾性体104を支持
するための支柱、107は構造体101が固定された真
空容器、108は電子放出部を駆動するための電源、1
09は電流計、110は電流計109の電流値の変化を
加速度に換算する電気回路、111は電子放出部102
より放出される電子線の位置を示した線、112は加速
度を受けない状態(即ち図1(a))における電子線の
位置を示した線、113はある加速度を受けた状態にお
ける電子線の電子捕捉電極上の位置に112と平行に引
いた線、114は加速度を受けない状態における電子線
の照射位置、115はある加速度を受けた状態における
電子線の照射位置、を示している。
FIG. 1A is a schematic diagram showing a state where the device is not subjected to acceleration, and FIG. 1B is a schematic diagram showing the vicinity of an electron emission portion and an elastic body when the device is subjected to a certain acceleration. (C) is a schematic view of an elastic body having an electrode for capturing electrons as viewed from the direction of the electron emitting portion. In the figure, reference numeral 101 denotes a structure having an electron emission portion, 102 denotes an electron emission portion provided in the structure 101, 103 denotes an electrode for capturing electrons emitted from the electron emission portion 102, and 104 denotes a shape deformed when subjected to acceleration. An elastic body, 105 is a weight added to the elastic body 104, 106 is a column for supporting the elastic body 104 on the structure 101, 107 is a vacuum vessel to which the structure 101 is fixed, and 108 is an electron emitting portion. Power supply for driving, 1
09 is an ammeter, 110 is an electric circuit for converting a change in the current value of the ammeter 109 into acceleration, 111 is an electron emitting unit 102
Line 112 indicates the position of the electron beam emitted from the electron beam, 112 indicates the line indicating the position of the electron beam in a state where no acceleration is applied (that is, FIG. A line drawn in parallel with 112 at a position on the electron capture electrode, 114 denotes an irradiation position of the electron beam when no acceleration is applied, and 115 denotes an irradiation position of the electron beam when a certain acceleration is applied.

【0012】本装置では構造体101に電子放出部10
2を、弾性体104上に付加されている重錘体105に
電子を捕捉する電極103を設けているが、本発明は上
記構成に限定されるものではなく、例えば構造体に電子
を捕捉する電極を、弾性体に付加された重錘体に電子放
出部を設けた構成としても良い。
In the present apparatus, the structure 101 has an electron emitting portion 10
2, the weight 103 added to the elastic body 104 is provided with the electrode 103 for capturing electrons. However, the present invention is not limited to the above configuration, and for example, captures electrons in the structure. The electrode may have a configuration in which an electron emission portion is provided on a weight body added to the elastic body.

【0013】更には、弾性体に任意の質量を持たせ、前
記重錘体を有しない構成とすることも可能である。
Further, it is also possible to make the elastic body have an arbitrary mass and not have the weight body.

【0014】図4は、本発明の他の実施態様を示す概念
図である。図4(a)は、本装置の模式図、図4(b)
は、装置がある加速度を受けた状態における電子放出部
及び弾性体近傍の模式図である。図中401aは電子放
出部を有する構造体、402は電子放出部、403は構
造体401aに支持され偏向電極404を有する弾性
体、405は電子捕捉電極、401bは電子捕捉電極4
05を有する構造体、406は構造体401aと401
bとを接合する支柱、407は構造体401a,401
b、支柱406等により形成される真空空間、408は
電子放出部を駆動するための電源、409は電流計、4
10は電流計409の電流値の変化を加速度に換算する
電気回路、411は電子放出部402より放出される電
子線の位置を示した線、412はある加速度を受けた状
態における電子線の飛翔方向を示した線、をそれぞれ示
している。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing another embodiment of the present invention. FIG. 4A is a schematic diagram of the present apparatus, and FIG.
FIG. 3 is a schematic view of the vicinity of an electron emitting portion and an elastic body in a state where the device has received a certain acceleration. In the figure, reference numeral 401a denotes a structure having an electron emission portion, 402 denotes an electron emission portion, 403 denotes an elastic body supported by the structure 401a and has a deflection electrode 404, 405 denotes an electron capture electrode, and 401b denotes an electron capture electrode 4.
05, 406 are structures 401a and 401
b, and 407 are structures 401a and 401
b, a vacuum space formed by the columns 406, etc., 408 is a power supply for driving the electron emission section, 409 is an ammeter,
Reference numeral 10 denotes an electric circuit for converting a change in the current value of the ammeter 409 into acceleration. Reference numeral 411 denotes a line indicating the position of the electron beam emitted from the electron emission unit 402. Reference numeral 412 denotes a flight of the electron beam under a certain acceleration. Lines indicating directions are shown.

【0015】本装置は、図面上左あるいは右に加速度を
受けることにより、弾性体403が左あるいは右に動
く。この時、偏向電極404により形成されている空間
電界が変化し、その電界の変化に伴って電子放出部40
2より放出される電子ビームの電子捕捉電極405上の
照射位置が変化する。
In this apparatus, the elastic body 403 moves left or right by receiving acceleration to the left or right on the drawing. At this time, the spatial electric field formed by the deflection electrode 404 changes, and the electron emission unit 40
The irradiation position of the electron beam emitted from 2 on the electron capture electrode 405 changes.

【0016】本装置では、構造体に支持された相対向す
る偏向電極404を有する2つの弾性体403を設けて
いるが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、
例えば電子通過孔を有する1つの弾性体に相対向する1
対の偏向電極を設ける構成であっても良い。
In the present apparatus, two elastic bodies 403 having opposed deflection electrodes 404 supported by the structure are provided. However, the present invention is not limited to the above configuration.
For example, 1 opposed to one elastic body having an electron passage hole
A configuration in which a pair of deflection electrodes are provided may be employed.

【0017】図1,図4に示したように本発明の加速度
検知装置は、電子放出部から放出された電子ビームの電
子捕捉電極上への照射位置の変化、或いはこの照射位置
の変化に伴う捕捉電子量の変化を、装置が受けた加速度
に変換するものである。
As shown in FIGS. 1 and 4, the acceleration detecting device according to the present invention changes the irradiation position of the electron beam emitted from the electron emission portion on the electron capture electrode, or accompanies the change in the irradiation position. The change in the amount of captured electrons is converted into the acceleration received by the device.

【0018】本発明に於いて、構造体の材料は特に限定
されないが、加工性に富んだ半導体基板が好ましい。ま
た、弾性体,重錘体等の材料も特に限定されるものでは
ない。
In the present invention, the material of the structure is not particularly limited, but a semiconductor substrate having excellent workability is preferable. In addition, materials such as an elastic body and a weight body are not particularly limited.

【0019】本発明に係る電子放出部は、例えば、特開
平1−220328号に示されている様な、金属膜ある
いは金属化合物膜とP型半導体とのショットキ障壁接合
に逆方向電圧を印加することにより、そのP型半導体に
形成された高濃度P型半導体領域において生じるアバラ
ンシェ増幅により生成された電子を、固体表面より外部
へと放出する半導体電子放出素子や、例えば、米国特許
第4259678号や第4303930号に示されてい
る様な、P型半導体とN型半導体層とのPN接合に逆方
向電圧を印加することにより、そのP型半導体に形成さ
れた高濃度P型半導体領域において生じるアバランシェ
増幅により生成された電子を、固体表面より外部へと放
出する半導体電子放出素子、あるいは、C.A.Spi
ndt,I.Brodie,L.Humphrey,a
nd E.R.Westerberg,Journal
of Applied Physics,47(1
2),5248(1976)等に示されているSpin
dt型電子源、熱電子源等、種々の電子源が使用可能で
ある。
The electron-emitting portion according to the present invention applies a reverse voltage to a Schottky barrier junction between a metal film or a metal compound film and a P-type semiconductor as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-220328. Accordingly, a semiconductor electron-emitting device that emits electrons generated by avalanche amplification generated in a high-concentration P-type semiconductor region formed in the P-type semiconductor to the outside from a solid surface, for example, US Pat. No. 4,259,678, By applying a reverse voltage to a PN junction between a P-type semiconductor and an N-type semiconductor layer as shown in No. 4303930, an avalanche generated in a high-concentration P-type semiconductor region formed in the P-type semiconductor is formed. A semiconductor electron-emitting device that emits electrons generated by amplification from the solid surface to the outside, or C.I. A. Spi
ndt, I .; Brodie, L .; Humphrey, a
nd E.E. R. Westerberg, Journal
of Applied Physics, 47 (1
2), 5248 (1976).
Various electron sources such as a dt-type electron source and a thermionic electron source can be used.

【0020】この様に本発明の加速度検知装置は、基本
的には、加速度を受けたときに慣性により装置本体を構
成する構造体との相対的な位置を変化しうる弾性体、或
いは又、この弾性体に付加された重錘体と、装置本体が
その弾性体を支えて構成されている。即ち、基本的な構
成は前記静電容量型やピエゾ抵抗型と同様である。しか
しながら、加速度を検知する手段として、電子線の量の
変化あるいは位置の変化を用いることが本発明の装置の
特徴である。従って、前記従来の静電容量型の装置と違
い、電極配線や装置の構造に起因する寄生容量によりS
/N比を悪化させることはない。また、本発明の装置
は、前記静電容量型と異なり、加速度を受けた時に装置
本体との位置関係が変化する弾性体或いはこれに付加さ
れた重錘体の面積や大きさを自由に設定できる特徴を有
する。従って、同じ加速度の検知範囲を有する装置の大
きさを従来の装置よりも小さく形成することが可能とな
る。
As described above, the acceleration detecting device of the present invention is basically an elastic member capable of changing its relative position with respect to the structure constituting the device main body due to inertia when receiving acceleration, or The weight body added to the elastic body and the apparatus main body are configured to support the elastic body. That is, the basic configuration is the same as that of the capacitance type or the piezoresistive type. However, it is a feature of the apparatus of the present invention that a change in the amount of electron beams or a change in position is used as a means for detecting acceleration. Therefore, unlike the conventional capacitance type device, the parasitic capacitance due to the electrode wiring and the structure of the device causes S
It does not deteriorate the / N ratio. Also, the device of the present invention is different from the above-mentioned capacitance type, in that the area and size of the elastic body or the weight added thereto can be freely set when the positional relationship with the device main body changes when subjected to acceleration. Has the features that can be. Therefore, the size of the device having the same acceleration detection range can be made smaller than that of the conventional device.

【0021】また、受けた加速度により変形した弾性を
有する構造体の電気抵抗値を検出する前記従来のピエゾ
抵抗型の装置と異なり、加速度により変形する弾性体の
材料を任意に選択することが可能となり、またその弾性
体の構造や構成を自由に設定することが可能なことか
ら、加速度の検出範囲を広く網羅する加速度検知装置を
作製することが可能となる。
Further, unlike the conventional piezoresistive type device for detecting the electric resistance value of a structure having elasticity deformed by the received acceleration, it is possible to arbitrarily select the material of the elastic body deformed by the acceleration. In addition, since the structure and configuration of the elastic body can be freely set, it is possible to manufacture an acceleration detecting device that covers a wide range of acceleration.

【0022】更に本発明に於いて、同一の加速度検知装
置内に、複数の電子放出部,電子捕捉電極を設けること
も好ましい形態である。
In a preferred embodiment of the present invention, a plurality of electron-emitting portions and electron-capturing electrodes are provided in the same acceleration detecting device.

【0023】例えば、図1に示したような構成に於い
て、複数の電子放出部及び弾性定数の異なる複数の弾性
体に電子捕捉電極を設けることにより、より一層、加速
度の検知範囲を広くでき、また、その分解能を高めるこ
とが可能である。
For example, in the configuration shown in FIG. 1, by providing the electron trapping electrodes on a plurality of electron emitting portions and a plurality of elastic bodies having different elastic constants, the detection range of acceleration can be further widened. , And its resolution can be increased.

【0024】[0024]

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を詳述する。The present invention will be described below in detail with reference to examples.

【0025】実施例1 本実施例では図1に示した加速度検知装置を作製した。 Embodiment 1 In this embodiment, the acceleration detecting device shown in FIG. 1 was manufactured.

【0026】以下、本実施例の加速度検知装置について
詳しく説明する。
Hereinafter, the acceleration detecting device of this embodiment will be described in detail.

【0027】(1)構造体101と電子放出部102。(1) Structure 101 and electron emitting portion 102

【0028】構造体101としては半絶縁性GaAs半
導体基板を用いた。また、電子放出部102について
は、図2に示される様なショットキ型電子放出素子を用
いた。図2によりこの製造方法を説明する。まず、半絶
縁性GaAs半導体基板201(図1における101と
同様)上にベリリウム(Be)濃度が約5×1018cm
-3の高濃度P型GaAs半導体層202を厚さ約2μ
m、更にその上にBe濃度が約1×1017cm-3のP型
GaAs層203を厚さ約2μmとなるように分子線エ
ピタキシャル成長(MBE)法により、順次成長させ
た。P型活性領域204には、P型層203表面より深
さ約0.2μmに渡り不純物濃度が約1×1018cm-3
程度となるように、集積イオンビーム(FIB)注入法
により40keVに加速したBeイオンを3×1013
-2注入した。N型ガードリング205には、不純物濃
度が約1×1018cm-3以上となるように、FIB注入
法により200keVに加速したシリコン(Si)イオ
ンを注入した。絶縁膜206として、SiO2 をスパッ
タリング法により厚さ約0.3μm堆積後、850℃、
10秒間の熱処理により注入部を活性化した。オーム性
電極207として、クロム(Cr)及び金(Au)をそ
れぞれ厚さ0.05μm及び0.5μmとなる様に順次
真空蒸着した。また、オーム性電極208として、ゲル
マニウム(Ge)金(Au)合金を厚さ0.5μmとな
る様に真空蒸着した。350℃、5分の熱処理により形
成した。P型GaAs半導体に対してショットキ障壁接
合を形成する材料としてタングステン(W)を厚さ10
nm堆積し、ショットキ電極209を形成した。更に、
窒化シリコン(SiNx )膜を化学的気相成長(CV
D)法により厚さ2μm堆積して絶縁膜210とした。
モリブデン(Mo)を厚さ300nm堆積しゲート電極
211を形成した。また、図2中、212及び213は
それぞれ電源である。本電子放出素子の動作原理やその
特性は、例えば、特開平01−220328号に示され
ているものと同様であるので省略する。
As the structure 101, a semi-insulating GaAs semiconductor substrate was used. Further, for the electron emitting section 102, a Schottky type electron emitting element as shown in FIG. 2 was used. This manufacturing method will be described with reference to FIG. First, beryllium (Be) concentration is about 5 × 10 18 cm on a semi-insulating GaAs semiconductor substrate 201 (similar to 101 in FIG. 1).
-3 high-concentration P-type GaAs semiconductor layer 202 having a thickness of about 2 μm.
m, and a P-type GaAs layer 203 having a Be concentration of about 1 × 10 17 cm −3 was sequentially grown thereon to a thickness of about 2 μm by molecular beam epitaxial growth (MBE). The P-type active region 204 has an impurity concentration of about 1 × 10 18 cm −3 over a depth of about 0.2 μm from the surface of the P-type layer 203.
Be ions accelerated to 40 keV by the integrated ion beam (FIB) implantation method to 3 × 10 13 c
m -2 was injected. Silicon (Si) ions accelerated to 200 keV were implanted into the N-type guard ring 205 by FIB implantation so that the impurity concentration was about 1 × 10 18 cm −3 or more. After depositing SiO 2 as the insulating film 206 to a thickness of about 0.3 μm by a sputtering method, 850 ° C.
The implant was activated by a heat treatment for 10 seconds. As the ohmic electrode 207, chromium (Cr) and gold (Au) were sequentially vacuum-deposited to a thickness of 0.05 μm and 0.5 μm, respectively. As the ohmic electrode 208, a germanium (Ge) gold (Au) alloy was vacuum-deposited to a thickness of 0.5 μm. It was formed by heat treatment at 350 ° C. for 5 minutes. As a material for forming a Schottky barrier junction with a P-type GaAs semiconductor, tungsten (W) having a thickness of 10
Then, a Schottky electrode 209 was formed. Furthermore,
Chemical vapor deposition (CV) of silicon nitride (SiN x ) film
The insulating film 210 was formed by depositing a thickness of 2 μm by the method D).
Molybdenum (Mo) was deposited to a thickness of 300 nm to form a gate electrode 211. In FIG. 2, 212 and 213 are power sources, respectively. The operating principle and characteristics of the electron-emitting device are the same as those described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 01-220328, and will not be described.

【0029】(2)重錘体105と弾性体104と電子
捕捉電極103、及び、支柱106。
(2) The weight body 105, the elastic body 104, the electron capture electrode 103, and the support 106.

【0030】重錘体及び弾性体としては、石英基板を加
工し、電子捕捉電極としては、タングステンを通常の真
空蒸着法により堆積後、通常のフォトリソエッチング法
により加工して、図1(c)に示した様な形状とした。
また、石英基板を加工して支柱106とした。
As a weight and an elastic body, a quartz substrate is processed, and as an electron capture electrode, tungsten is deposited by a normal vacuum deposition method and then processed by a normal photolithography etching method. The shape was as shown in FIG.
Further, the support 106 was formed by processing a quartz substrate.

【0031】前記電子放出部を有する構造体と、電子捕
捉電極を有する重錘体と一体である弾性体と、支柱とを
接合し、真空容器107内に設置して加速度検知装置を
完成した。
The structure having the electron emission portion, the elastic body integrated with the weight having the electron capture electrode, and the support were joined together, and installed in the vacuum vessel 107 to complete the acceleration detecting device.

【0032】図3は、この様にして作製した加速度検知
装置に外部より加速度を加えたときの電流計109が示
した検出電流値を、加速度が0の時を基準に規格化して
示したものである。加えた加速度の大きさにより弾性体
104の変形度が異なり(即ち、電子捕捉電極の位置が
異なり)、電子捕捉電極上に照射する電子線の位置が例
えば図1(c)の114から115へ変化するために、
電流計109で検知される電流値が変化した。図3から
わかるように本加速度検知装置は、加速度が±3G程度
まで感度がある。この検知装置の感度は、主に重錘体の
質量、及び、加速度が加わったときに変形する弾性体の
弾性定数とその構造とによって決定されるものである。
本発明による本実施例の電子線を加速度検知の手段とす
る装置は、従来の静電容量型やピエゾ抵抗型と異なり、
その重錘体及び弾性体の構造や材質を自由に選定可能な
ことから、測定可能な加速度の範囲を自由に設定するこ
とが可能である。また、全ての構成部品を半導体プロセ
スにより作製することが容易であり、その大きさを小さ
く作製することが可能である。
FIG. 3 shows the detected current value indicated by the ammeter 109 when acceleration is externally applied to the acceleration detecting device manufactured as described above, normalized with respect to the case where the acceleration is zero. It is. The degree of deformation of the elastic body 104 varies depending on the magnitude of the applied acceleration (that is, the position of the electron capture electrode varies), and the position of the electron beam irradiated on the electron capture electrode changes from, for example, 114 to 115 in FIG. To change
The current value detected by the ammeter 109 has changed. As can be seen from FIG. 3, the present acceleration detecting device has sensitivity up to an acceleration of about ± 3 G. The sensitivity of the detection device is determined mainly by the mass of the weight body, the elastic constant of the elastic body which is deformed when an acceleration is applied, and its structure.
The device using the electron beam of this embodiment according to the present invention as a means for detecting acceleration is different from a conventional capacitance type or piezoresistive type.
Since the structure and material of the weight body and the elastic body can be freely selected, it is possible to freely set the measurable acceleration range. Further, it is easy to manufacture all the components by a semiconductor process, and it is possible to manufacture the components with a small size.

【0033】実施例2 本実施例では図4に示した加速度検知装置を作製した。 Embodiment 2 In this embodiment, the acceleration detecting device shown in FIG. 4 was manufactured.

【0034】実施例1と同様の電子放出部402を有す
る構造体401aと、石英基板を加工して形成した支柱
406と、電子線の偏向電極404を有する弾性体40
3と、電子捕捉電極405を有する構造体401bとを
組み上げ、真空排気により装置内空間407を真空空間
とした。本実施例の電子放出部は、実施例1と同様であ
る。本装置に図面上左あるいは右に加速度を加えること
により、弾性体403が左あるいは右に動く。この時、
偏向電極404により形成されている空間電界が変化
し、その電界の変化に伴って電子放出部402より放出
される電子ビームの電子捕捉電極405上の照射位置が
変化した。その結果、実施例1と同様に電流計409で
検知される電流値が変化し、これを加速度に変換した。
A structure 401a having an electron emission portion 402 similar to that of the first embodiment, a support 406 formed by processing a quartz substrate, and an elastic body 40 having an electron beam deflection electrode 404
3 and the structure 401b having the electron trapping electrode 405 were assembled, and the inside space 407 of the apparatus was evacuated by vacuum evacuation. The electron-emitting portion of this embodiment is the same as that of the first embodiment. By applying acceleration to the device to the left or right on the drawing, the elastic body 403 moves to the left or right. At this time,
The spatial electric field formed by the deflection electrode 404 changed, and the irradiation position of the electron beam emitted from the electron emitting section 402 on the electron capture electrode 405 changed with the change in the electric field. As a result, the current value detected by the ammeter 409 changed as in the first embodiment, and this was converted into acceleration.

【0035】実施例3 図5は、本実施例の加速度を広範囲に検知可能な加速度
検知装置の概念図である。図5(a)は、本装置の平断
面を示した模式図、図5(b)は図5(a)のA−A’
断面を示した模式図である。501、502、503は
それぞれ質量の異なる重錘体、504は電子捕捉電極、
505は弾性体、506は電極配線、507は真空容
器、508は真空空間、509は配線、510は得られ
た電流値の変化量を加速度に換算する電気回路、511
は構造体、512は金属薄膜、513は絶縁膜、514
は引き出し電極、515は電子放出電極、516は電源
である。
Embodiment 3 FIG. 5 is a conceptual diagram of an acceleration detecting device according to the present embodiment which can detect acceleration over a wide range. FIG. 5A is a schematic view showing a plane cross section of the present apparatus, and FIG. 5B is a sectional view taken along line AA ′ of FIG.
It is the schematic diagram which showed the cross section. 501, 502, and 503 are weight bodies each having a different mass, 504 is an electron capture electrode,
505 is an elastic body, 506 is an electrode wiring, 507 is a vacuum vessel, 508 is a vacuum space, 509 is a wiring, 510 is an electric circuit for converting the obtained amount of change in current value into acceleration, 511
Is a structure, 512 is a metal thin film, 513 is an insulating film, 514
Denotes an extraction electrode, 515 denotes an electron emission electrode, and 516 denotes a power supply.

【0036】512、513、514、515から成る
電子放出部は一般にSpindt型と呼ばれる電界放出
型の電子源である。本実施例の重錘体501、502、
503の質量が異なるのは加速度検知範囲を広くするた
めであり、更に質量の異なる重錘体を追加することによ
り加速度の検知範囲を更に広げたり、あるいは同じ検知
範囲であってもその分解能を高めたりすることが可能と
なる。また、複数の重錘体の質量を同一にして、それぞ
れの弾性体の弾性定数を変化させることにより、同様に
検知範囲を広げたり、分解能を高めたりすることが可能
となる。
The electron emission portion 512, 513, 514, 515 is a field emission type electron source generally called a Spindt type. The weight bodies 501, 502 of the present embodiment,
The reason why the mass of 503 is different is to widen the detection range of acceleration. Further, by adding a weight having a different mass, the detection range of acceleration can be further expanded, or the resolution can be increased even in the same detection range. It becomes possible. In addition, by making the masses of the plurality of weight bodies the same and changing the elastic constants of the respective elastic bodies, it is possible to similarly increase the detection range and increase the resolution.

【0037】実施例4 実施例1、実施例2、実施例3に示した加速度検知装置
はいずれも、特定の方向の加速度のみに正確に検知する
ことが可能である。これらの加速度検知装置を、空間座
標の直交するxyzの3軸方向にそれぞれ作製すること
により、任意方向の加速度を、その方向と加速度の大き
さとが同時に且つ正確に検知することが可能となった。
Fourth Embodiment The acceleration detecting devices shown in the first, second, and third embodiments can accurately detect only the acceleration in a specific direction. By manufacturing these acceleration detection devices in three xyz directions orthogonal to the spatial coordinates, acceleration in any direction can be simultaneously and accurately detected in the direction and the magnitude of the acceleration. .

【0038】[0038]

【発明の効果】以上説明した様に、電子線の発生及び受
けた加速度によるその電流量あるいは照射位置の変化か
ら、その受けた加速度を検知する本発明の加速度検知装
置により、従来の加速度検知装置と比較して、重錘体や
弾性体の構造及び材質等を自由に設定可能となるため、
加速度の検知範囲を自由に、あるいは加速度の検知範囲
を広くした加速度検知装置を作製することが可能となる
ばかりか、その装置全体の大きさを小さく形成すること
が可能となる。
As described above, the conventional acceleration detecting device is provided by the acceleration detecting device of the present invention, which detects the received acceleration from the change in the current amount or the irradiation position due to the generation and the received acceleration of the electron beam. Compared with, the structure and material of the weight and elastic body can be set freely,
Not only can it be possible to manufacture an acceleration detection device in which the detection range of acceleration is freely or the detection range of acceleration is widened, but it is also possible to reduce the size of the entire device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】電子放出部としてショットキ障壁型電子放出素
子を用いた本発明の加速度検知装置の概略図であり、
(a)は全体図、(b)は電子放出部と重錘体に形成さ
れた電子捕捉電極との位置関係を示した図、(c)は電
子放出部方向から見た電子捕捉電極及び重錘体を示した
図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of an acceleration detection device of the present invention using a Schottky barrier type electron-emitting device as an electron-emitting portion;
(A) is an overall view, (b) is a diagram showing a positional relationship between an electron emitting portion and an electron capturing electrode formed on a weight body, and (c) is an electron capturing electrode and a weight seen from the direction of the electron emitting portion. It is the figure which showed the weight.

【図2】図1のショットキ障壁型電子放出素子の断面を
示した図である。
FIG. 2 is a diagram showing a cross section of the Schottky barrier type electron-emitting device of FIG.

【図3】本発明の加速度検知装置に加えられた加速度に
対して得られる検出電流値を規格化して示した図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing normalized detection current values obtained with respect to acceleration applied to the acceleration detection device of the present invention.

【図4】受けた加速度により空間電界を変化させる様
に、弾性体に偏向電極を設けた本発明の加速度検知装置
の概略図であり、(a)は全体図、(b)は電子放出部
と弾性体及び電子捕捉電極近傍の関係を示した図であ
る。
FIGS. 4A and 4B are schematic diagrams of an acceleration detecting device according to the present invention in which a deflection electrode is provided on an elastic body so as to change a spatial electric field according to received acceleration. FIG. 4A is an overall view, and FIG. FIG. 6 is a diagram showing a relationship between the elastic member and the vicinity of an electron capturing electrode.

【図5】電子放出部、重錘体及び電子捕捉電極をそれぞ
れ複数個形成することにより、加速度検知範囲を広く、
あるいはその分解能を高くした本発明の加速度検知装置
の概略図であり、(a)は平断面図、(b)は(a)の
A−A’断面図である。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration in which a plurality of electron emitting portions, a weight body, and an electron capturing electrode are formed.
Alternatively, it is a schematic view of the acceleration detecting device of the present invention with its resolution increased, (a) is a plan sectional view, and (b) is an AA ′ sectional view of (a).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 電子放出部を有する構造体 102 電子放出部 103 電子捕捉電極 104 弾性体 105 重錘体 106 支柱 107 真空容器 108 電子放出部を駆動するための電源 109 電流計 110 電流値の変化を加速度に変換する電気回路 111 電子線の位置を示した線 112 加速度を受けない状態における電子線の位置を
示した線 113 ある加速度を受けた状態における電子線の電子
捕捉電極上の位置に112と平行に引いた線 114 加速度を受けない状態における電子線の照射位
置 115 ある加速度を受けた時の電子線の照射位置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Structure having an electron emitting portion 102 Electron emitting portion 103 Electron capturing electrode 104 Elastic body 105 Weight body 106 Support 107 Vacuum container 108 Power supply for driving electron emitting portion 109 Ammeter 110 Converts a change in current value into acceleration An electric circuit 111 a line indicating the position of the electron beam 112 a line indicating the position of the electron beam in a state where no acceleration is applied 113 a line drawn in parallel with 112 to a position on the electron capture electrode of the electron beam in a state where the acceleration is applied 114 Irradiation position of electron beam when not receiving acceleration 115 Irradiation position of electron beam when receiving certain acceleration

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−186114(JP,A) 特開 昭54−111272(JP,A) 特開 昭56−15529(JP,A) 特開 平1−220328(JP,A) T.W.Kenny et a l.,”A Micromachine d Silicon Electron Tunneling Senso r”,IEEE Micro Elec tro Mechanical Sys tems,Catalog No.CH 2832−4,1990,p.192−196 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 15/08 - 15/12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-63-186114 (JP, A) JP-A-54-111272 (JP, A) JP-A-56-15529 (JP, A) JP-A-1- 220328 (JP, A) W. Kenny et al. , "A Micromachined Silicon Electron Tunneling Sensor", IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Catalog No. CH 2832-4, 1990, p. 192−196 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01P 15/08-15/12

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 外部より加速度を加えられる構造体と、
該構造体に支持される弾性体とを具備する加速度検知装
置において、前記構造体は電子放出部を有し、前記弾性
体は前記電子放出部から放出される電子を捕捉する電極
を有し、前記電極が捕捉した電子の量の変化から加速度
を検知することを特徴とする加速度検知装置。
1. A structure to which acceleration can be externally applied;
An acceleration sensing device comprising an elastic body supported by the structure, wherein the structure has an electron emission portion, and the elastic body has an electrode for capturing electrons emitted from the electron emission portion, An acceleration detecting device for detecting acceleration from a change in the amount of electrons captured by the electrode.
【請求項2】 外部より加速度を加えられる構造体と、
該構造体に支持される弾性体とを具備する加速度検知装
置において、前記構造体は電子放出部を有し、前記弾性
体は前記電子放出部から放出される電子を捕捉する電極
を有し、前記電極に照射される電子線の位置の変化から
加速度を検知することを特徴とする加速度検知装置。
2. A structure to which acceleration can be applied from the outside,
An acceleration sensing device comprising an elastic body supported by the structure, wherein the structure has an electron emission portion, and the elastic body has an electrode for capturing electrons emitted from the electron emission portion, An acceleration detecting device for detecting acceleration based on a change in the position of an electron beam applied to the electrode.
【請求項3】 外部より加速度を加えられる構造体と、
該構造体に支持される弾性体とを具備する加速度検知装
置において、前記弾性体は電子放出部を有し、前記構造
体は前記電子放出部から放出される電子を捕捉する電極
有し、前記電極が捕捉した電子の量の変化から加速度
を検知することを特徴とする加速度検知装置。
3. A structure to which acceleration can be applied from the outside,
An acceleration sensing device including an elastic body supported by the structure, wherein the elastic body has an electron emission portion, and the structure has an electrode for capturing electrons emitted from the electron emission portion , Acceleration from the change in the amount of electrons captured by the electrode
Acceleration detecting device and detecting a.
【請求項4】 外部より加速度を加えられる構造体と、
該構造体に支持される弾性体とを具備する加速度検知装
置において、前記弾性体は電子放出部を有し、前記構造
体は前記電子放出部から放出される電子を捕捉する電極
を有し、前記電極に照射される電子線の位置の変化から
加速度を検知することを特徴とする加速度検知装置。
4. A structure to which acceleration can be applied from the outside,
An acceleration sensing device comprising: an elastic body supported by the structure; wherein the elastic body has an electron emission portion;
The body is an electrode that captures electrons emitted from the electron emission section.
Having a change in the position of the electron beam irradiated on the electrode.
Acceleration detecting device and detecting the acceleration.
【請求項5】 外部より加速度を加えられる構造体と、
該構造体に支持される弾性体とを具備する加速度検知装
置において、前記構造体は相対向する位置に電子放出部
と該電子放出部から放出される電子を捕捉する電極とを
有し、前記弾性体は前記電子放出部から放出される電子
を偏向させる偏向電極を有することを特徴とする加速度
検知装置。
5. A structure to which acceleration can be applied from the outside,
An acceleration sensing device including an elastic body supported by the structure, wherein the structure has an electron emission portion and an electrode for capturing electrons emitted from the electron emission portion at opposing positions, The acceleration detecting device, wherein the elastic body has a deflection electrode for deflecting the electrons emitted from the electron emitting portion.
【請求項6】 前記電極が捕捉した電子の量の変化から
加速度を検知する請求項記載の加速度検知装置。
6. The acceleration detecting device according to claim 5, wherein the acceleration is detected from a change in the amount of electrons captured by the electrode.
【請求項7】 前記電極に照射される電子線の位置の変
化から加速度を検知する請求項記載の加速度検知装
置。
7. The acceleration detecting device according to claim 5, wherein an acceleration is detected from a change in the position of the electron beam applied to the electrode.
【請求項8】 前記電子放出部が、金属膜あるいは金属
化合物膜とP型半導体とのショットキ障壁接合に逆方向
電圧を印加することにより、そのP型半導体に形成され
た高濃度P型半導体領域において生じるアバランシェ増
幅により生成された電子を放出する半導体電子放出素子
から成る請求項1乃至のいずれか一項に記載の加速度
検知装置。
8. A high-concentration P-type semiconductor region formed in the P-type semiconductor by applying a reverse voltage to a Schottky barrier junction between the metal film or the metal compound film and the P-type semiconductor. acceleration sensing apparatus according to any one of claims 1 to 7 formed of a semiconductor electron emitting device which emits electrons generated by avalanche amplification occurs in.
【請求項9】 前記電子放出部が、P型半導体とN型半
導体層とのPN接合に逆方向電圧を印加することによ
り、そのP型半導体に形成された高濃度P型半導体領域
において生じるアバランシェ増幅により生成された電子
を放出する半導体電子放出素子から成る請求項1乃至
のいずれか一項に記載の加速度検知装置。
9. An avalanche generated in a high-concentration P-type semiconductor region formed in the P-type semiconductor by applying a reverse voltage to a PN junction between the P-type semiconductor and the N-type semiconductor layer. claims 1 to 7 formed of a semiconductor electron emitting device which emits electrons generated by amplification
The acceleration detection device according to any one of the above.
【請求項10】 少なくとも前記電子放出部及び電子を
捕捉する電極が真空容器内に形成されている請求項1乃
のいずれか一項に記載の加速度検知装置。
10. At least the acceleration detecting device according to any one of the electron-emitting portion and the claims electrode is formed in a vacuum vessel 1乃<br/> optimum 9 to trap electrons.
【請求項11】 少なくとも前記電子放出部を複数個有
する請求項1乃至10のいずれか一項に記載の加速度検
知装置。
11. At least the acceleration detecting device according to any one of claims 1 to 10 having a plurality of the electron emission portion.
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