JP3596935B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体圧力センサに係り、特にシリコン基板にダイアフラムを形成し、ダイアフラム上に絶縁膜を介して形成したシリコン抵抗体のピエゾ抵抗効果を利用して圧力検出を行なう圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体圧力センサとして、半導体ピエゾ抵抗素子を半導体基板の表面部に反対導電型領域として形成した拡散型圧力センサや、単結晶シリコンの半導体ピエゾ抵抗部を絶縁膜を介することにより基板と分離した、SOI(Silicon On Insulator)型圧力センサが知られている。
【0003】
このような圧力センサは、気体、液体の圧力測定に広く用いられている。
第1従来例
図3に従来の絶縁膜によって分離された半導体ピエゾ抵抗素子を有する圧力センサの要部断面図を示す。
【0004】
圧力センサ200は、単結晶シリコンウェハからなるシリコン基板21を備えて構成されており、シリコン基板21の下面(図中、下方)側の中央部には、例えば、異方性エッチングにより凹部が形成されることによりダイアフラム22が形成されている。
【0005】
このダイアフラム22には、図示しない圧力導入口を介して測定体の圧力が印加されることとなる。
シリコン基板21の上面側には、シリコン酸化膜よりなる絶縁層23が形成され、絶縁層23上にはシリコンウェハからなる半導体基板24が形成されている。
【0006】
半導体基板24上には、熱酸化法又はCVD(Chemical Vapor Deposit)法で形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁層25が形成されている。
絶縁層25上には、P型多結晶シリコン薄膜をフォトリソグラフィー、ドライエッチング等によってパターン形成を行なうことにより半導体歪ゲージとして形成した半導体ピエゾ抵抗素子26が設けられている。
【0007】
半導体基板24には、半導体基板24を圧力検出用ブリッジ回路(ホイートストーンブリッジ)の最低電位端に接続する固定電位電極27が接続されている。絶縁層25の上面側には半導体ピエゾ抵抗素子26及び固定電位電極27(端子接続部を除く)を覆うように、CVD法により形成されたシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜からなる表面絶縁層28が形成されている。
【0008】
さらに半導体ピエゾ抵抗素子26の上側の表面絶縁層28上には半導体基板24と同電位のガード電極29が形成されている。
上記構成において、絶縁層23は半導体ピエゾ抵抗素子26からの電流リークを高温時においても抑制し、半導体基板24及びガード電極29は外部ノイズ等から半導体ピエゾ抵抗素子26を保護する。
【0009】
次に動作を説明する。
ダイアフラム22に印加された検出体の圧力は、歪として半導体ピエゾ抵抗素子26に印加され、その歪量に応じて半導体ピエゾ抵抗素子26は、その抵抗率が変化することとなり、図示しない圧力検出用ブリッジ回路により電圧信号に変換されることとなる。
【0010】
この場合において、半導体ピエゾ抵抗素子26とダイアフラム22とは、絶縁され、半導体ピエゾ抵抗素子26の上下両面を含む周囲には、絶縁層25及び表面絶縁層28により電気的シールド層が形成されていることとなり、電磁波ノイズに対しても電気的にガードされており、測定体の電位変化や高温雰囲気中においても、半導体ピエゾ抵抗素子26に流れる電流が外部にリークすることはなく、出力される電圧信号が変動することがないので、正確な圧力検出が可能となっていた。
【0011】
この場合において、シリコン基板21と半導体ピエゾ抵抗素子26は、絶縁層23及び絶縁層25によって絶縁され、固定電位電極27を介して半導体基板24の電位を半導体ピエゾ抵抗素子26の電位に対して適当な固定電位に固定することにより、半導体基板24が外部ノイズを遮断して半導体ピエゾ抵抗素子26に交流的なノイズ電圧は誘導されないようになっていた。
【0012】
また、ガード電極29を適当な電位に固定することにより、表面絶縁層28上に生ずる種々の電位変化から半導体ピエゾ抵抗素子26を保護することとなり正確な圧力測定が可能となっていた。
第2従来例
図4に特開平4−162779号公報に開示されている他の圧力センサの要部断面図を示す。
【0013】
圧力センサ300は、単結晶シリコンで形成された筒状の台座31を備えており、台座31の一端面には、絶縁層32が設けられている。
絶縁層32上には、シリコンウェハからなる半導体基板33が形成されている。
【0014】
半導体基板33上には、熱酸化法又はCVD法で形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁層34が形成されている。
絶縁層34上には、P型多結晶シリコン薄膜をフォトリソグラフィー、ドライエッチング等によってパターン形成を行なうことにより半導体歪ゲージとして形成した半導体ピエゾ抵抗素子35が設けられている。
【0015】
半導体基板33には、半導体基板33を圧力検出用ブリッジ回路の最低電位端に接続する固定電位電極36が接続されている。
絶縁層34の上面側には、電極36の接続部分を除く半導体ピエゾ抵抗素子35及び絶縁層34(側面を除く)を覆うように、CVD法により形成されたシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜からなる絶縁膜37が形成されている。
【0016】
絶縁膜37上には、半導体ピエゾ抵抗素子35に接続された電極38が形成されている。
図5に図4の圧力センサ300を用いて圧力検出回路を構成した場合の等価回路を示す。
【0017】
上記圧力センサ300の構成によれば、半導体基板33の電位が直流電流Vdcにより固定されるので、絶縁層32が水などの導電性液体を通じて外部ノイズ電源Vn に接続されても半導体基板33の電位が変動することがなく、半導体ピエゾ抵抗素子35には交流的なノイズ電圧が誘導されないこととなっていた。
【0018】
また、台座31上に絶縁層32を介して半導体基板33が接合され、かつ、半導体基板33の外周部が台座31の外周部よりも内側になるように形成されているので、台座31と半導体基板33との沿面距離が長くとれる利点があった。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記第1従来例の圧力センサ200においては、シリコン基板21と半導体基板24とは、絶縁層23で絶縁されているが、シリコン基板21、絶縁層23及び半導体基板24は、製法上、一枚の半導体ウェハに多数形成された後に同一面で切断することとなるので、シリコン基板21と半導体基板24の沿面距離は、絶縁層23の厚さとほぼ同じとなる。
【0020】
この場合において、絶縁層23の厚さは厚くても数μm程度であるので、湿度等の環境状態にもよるが、シリコン基板21と半導体基板24の沿面耐電圧(絶縁層23の表面に沿って電流が流れることのない電圧)は100V以下である。
【0021】
これ以上の電圧では、シリコン基板21と半導体基板24の間で沿面放電(絶縁層23の表面に沿って電流が流れる)が生じ、シリコン基板21及び半導体基板24は同電位となってしまう。
【0022】
このとき、半導体基板24は、固定電位電極27により半導体ピエゾ抵抗素子26を含む電気回路の適当な電位に固定されているので、半導体ピエゾ抵抗素子26に高電圧が印加されてしまう可能性がある。
【0023】
一方、上記第2従来例の圧力センサ300においては、台座31と半導体基板33の側面は露出しているので、高電圧による沿面放電の保護に対して十分とはいえないという問題点があった。
【0024】
これを解決すべく、台座31を絶縁体で形成すれば高電圧による沿面放電に対して有利となるが、ダイアフラム(半導体基板33)とは異質な材料となるので、熱膨脹係数の違いに基づく熱応力による歪が発生し、良好な温度特性の圧力センサを得ることができないという新たな課題が生じる。
【0025】
さらに、半導体ピエゾ抵抗素子35が電気的に接続されるとともに半導体基板33に接している絶縁層32は、測定体(水など)と直接接することとなるので、測定体中の異物などにより絶縁層32がダメージを受け(クラックや剥離など)、絶縁耐圧が低下してしまうという問題点があった。
【0026】
またさらに、絶縁層32をシリコン酸化膜で形成した場合には、上記の問題点に加えて測定体中のイオンが透過して絶縁耐圧が低下してしまうという問題点があった。
【0027】
そこで、本発明の目的は、絶縁耐圧を向上させて沿面放電を起こすことなく正確に圧力測定を行なうことが可能な圧力センサを提供することにある。
【0028】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、ダイアフラムが形成されたシリコン基板と、電極部を有する半導体ピエゾ抵抗素子と、前記シリコン基板と前記半導体ピエゾ抵抗素子との間に設けられた導電体層と、前記シリコン基板と前記導電体層との間に設けられた第1絶縁層と、前記第1絶縁層に接合する外周部と前記半導体ピエゾ抵抗素子及び前記導電体層を被覆する内周部とを有する第2絶縁層とを備え、前記第2絶縁層は、前記電極部の外面を露出するとともに前記導電体層の側面を絶縁するように形成されたことを特徴とする構成を有している。
【0029】
請求項2記載の発明は、前記半導体ピエゾ抵抗素子と前記導電体層との間に設けられた第3絶縁層を更に備えたことを特徴とする構成を有している。
【0030】
請求項3記載の発明は、前記導電体層は、前記ダイアフラムの圧力検出面にほぼ平行な平面への投影面積が前記第1絶縁層より小さくなるように形成されたことを特徴とする構成を有している。
請求項4記載の発明は、前記導電体層は、圧力検出用ブリッジ回路の最低電位端に接続されたことを特徴とする構成を有している。
【0031】
【作用】
請求項1記載の発明によれば、圧力センサは、ダイアフラムが形成されたシリコン基板上にその電極部分を除いて周囲絶縁層により絶縁された半導体ピエゾ抵抗素子と、を備えているので、半導体ピエゾ抵抗素子からシリコン基板に沿面放電が行なわれることを抑制することができ、正確に圧力測定を行なうことができる。
【0032】
また、ダイアフラムをシリコン基板により形成しているので、周囲絶縁層へのダメージがなく長時間にわたって安定した高耐電圧特性を有する。
さらに、周囲絶縁層は、シリコン基板と半導体ピエゾ抵抗素子とを絶縁する第1絶縁層と、半導体ピエゾ抵抗素子の外面のうち第1絶縁層と接触している外面以外の部分を絶縁する第2絶縁層と、を備えて構成しているので、周囲絶縁層の形成が容易となる。
【0033】
請求項3記載の発明によれば、導電体層をダイアフラムの圧力検出面にほぼ平行な平面への投影面積が第1絶縁層の上記平面への投影面積より小さくなるように形成し、この導電体層上に第3絶縁層及び第3絶縁層上に半導体ピエゾ抵抗素子を形成するとともに、第2絶縁層を第1絶縁層上に形成するに際し、半導体ピエゾ抵抗素子の電極部分を除く外面を覆うように設けているので、第1絶縁層及び第2絶縁層により半導体ピエゾ抵抗素子からシリコン基板に沿面放電が行なわれることを抑制することができ、正確に圧力測定を行なうことができる。
【0034】
また、ダイアフラムをシリコン基板により形成しているので、第1絶縁層へのダメージがなく長時間にわたって安定した高耐電圧特性及び良好な温度特性を有する。
【0035】
【実施例】
次に図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。
図1に実施例の圧力センサの断面図を示す。
【0036】
圧力センサ100は、N型単結晶シリコンウェハからなるシリコン基板1を備えて構成されており、シリコン基板1の下面(図中、下方)側の受圧面1aの中央部には、例えば、異方性エッチングにより凹部が形成されることによりダイアフラム2が形成されている。
【0037】
このダイアフラム2には、図示しない圧力導入口を介して測定体Mの圧力Pが印加されることとなる。
シリコン基板1の上面側には、シリコン酸化膜よりなる第1絶縁層としての絶縁層3が形成され、絶縁層3上には、CVD法、スパッタリング法等により形成された酸化スズや酸化インジューム等の導電体層5が形成されている。この場合において、導電体層5は、ドライエッチング法などによりダイアフラム2の圧力検出面にほぼ平行な平面への投影面積が絶縁層3(第1絶縁層)の前述の平面への投影面積より小さくなるように形成する。すなわち、図面上側から圧力センサを見たと仮定すると、絶縁層3の周縁部分が導電体層5からはみだして見えるように構成することとなる。
【0038】
導電体層5上には、シリコン酸化膜からなる絶縁層6が形成されている。
絶縁層6上には、P型多結晶シリコン薄膜をフォトリソグラフィー、ドライエッチング等によってパターン形成を行なうことにより半導体歪ゲージとして形成した半導体ピエゾ抵抗素子4が設けられている。
【0039】
導電体層5には、導電体層5を圧力検出用ブリッジ回路の最低電位端に接続する固定電位電極7が接続されている。
絶縁層6の上面、絶縁層6の側面、導電体層5の側面及び絶縁層3の周縁部上面、半導体ピエゾ抵抗素子4及び固定電位電極7を覆うように、シリコン窒化膜からなる表面絶縁層8が形成されている。これにより、半導体ピエゾ抵抗素子の電極部分を除く外面が全て絶縁層(絶縁層+表面絶縁層8=周囲絶縁層)により覆われることとなる。
【0040】
ここで、図1の圧力センサの製造方法について説明する。
まず、単結晶シリコンからなるシリコン基板1に異方性エッチングなどの方法でダイアフラム2を形成する。
【0041】
次にダイアフラム2と反対面のシリコン基板1上に、熱酸化又は、CVD及びスパッタリングなどの方法により絶縁層(シリコン酸化膜)3、導電体層(酸化スズや酸化インジューム)5、絶縁層(シリコン酸化膜)6を形成した後、シリコン薄膜を同様の方法で成膜し、このシリコン薄膜をドライエッチングにより半導体ピエゾ抵抗素子4に加工する。
【0042】
導電体層5に接続される固定電位電極7は絶縁層6にドライエッチング等により孔開け加工した後、真空蒸着、スパッタリングなどの方法により電極膜を成膜することにより得られる。
【0043】
シリコン基板端部の導電体層5と絶縁層6の形状は、ドライエッチング等の方法により得られる。
表面絶縁層8(シリコン窒化膜)は、プラズマCVD法により得られる。
【0044】
次に図2を参照して動作を説明する。
ダイアフラムに印加された測定体Mの圧力Pは、歪として半導体ピエゾ抵抗素子4に印加され、その歪量に応じて半導体ピエゾ抵抗素子4は、その抵抗率が変化することとなる。
【0045】
この場合において、半導体ピエゾ抵抗素子4は、図示しない電極配線により図2に示すようにブリッジ接続されており(圧力検出用ブリッジ回路)、このときの導電体層5の電位は、固定電位電極7を介して直流電圧Vdcに固定される。
【0046】
これにより絶縁層3が水などの導電性液体を通じて外部ノイズ電源Vnに接続されても半導体基板の電位が変動することがなく、ピエゾ抵抗素子4により構成された半導体ピエゾ抵抗素子には交流的なノイズ電圧が誘導されない。
【0047】
これらの結果、ダイアフラム2に加わる圧力に応じて半導体ピエゾ抵抗素子から出力される出力電圧は変化し、この出力電圧から正確な圧力値を知ることができる。
【0048】
上記説明においては、固定電位電極7の電位を圧力検出用ブリッジ回路の最低電位端に接続していたが、半導体ピエゾ抵抗素子4を含む電気回路の電位を固定したり、半導体ピエゾ抵抗素子を含む電気回路を収納しているケースのアース電位に固定するように構成することも可能である。
【0049】
また、各絶縁層は、シリコン酸化膜だけではなく、シリコン窒化膜やアルミナ(Al2 O3 )膜でもよい。
さらに導電体層5は金属薄膜や半導体及び半導体薄膜などで構成することも可能である。
【0050】
さらにまた、上述の説明において、シリコン基板1、絶縁層3及び導電体層5で構成した構造は、シリコン基板で絶縁層を挟んだ市販されている直接接合基板を利用するように構成することも可能である。
【0051】
本実施例によれば、導電体層5及び半導体ピエゾ抵抗素子は、電極部分を除き外面が絶縁層(絶縁層3及び表面絶縁層8)で絶縁、保護されているので、シリコン基板1と、半導体ピエゾ抵抗素子と、の沿面距離は第1従来例の圧力センサに比べより長くとれ、更に、第3従来例の圧力センサと比較してより高い絶縁耐圧を得ることができる。
【0052】
これらにより、(圧力)測定体Mに商用電源からのリーク電流が存在する環境においても、正確な圧力検出が可能となる。
また、絶縁耐圧を必要とする絶縁層は、シリコンダイアフラムにより保護されているため、絶縁層へのダメージがなく長時間にわたって安定した高耐電圧特性を保持することが可能となる。
【0053】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によれば、圧力センサの半導体ピエゾ抵抗素子は、シリコン基板上にその電極部分を除いて周囲絶縁層により絶縁されているので、半導体ピエゾ抵抗素子からシリコン基板に沿面放電が行なわれることを抑制することができ、正確に圧力測定を行なうことができる。また、ダイアフラムをシリコン基板により形成しているので、周囲絶縁層へのダメージがなく長時間にわたって安定した高耐電圧特性を保持することが可能となり、保守管理が容易となるとともに、ランニングコストの上昇を抑制することができる。
【0054】
さらに、周囲絶縁層は、シリコン基板と半導体ピエゾ抵抗素子とを絶縁する第1絶縁層と、半導体ピエゾ抵抗素子の外面のうち第1絶縁層と接触している外面以外の部分を絶縁する第2絶縁層と、で構成しているので、周囲絶縁層の形成が容易で製造コストが上昇することもない。
【0055】
請求項3記載の発明によれば、導電体層をダイアフラムの圧力検出面にほぼ平行な平面への投影面積が第1絶縁層の上記平面への投影面積より小さくなるように形成し、この導電体層上に第3絶縁層及び第3絶縁層上に形成された半導体ピエゾ抵抗素子を形成するとともに、第2絶縁層を第1絶縁層上に形成するに際し、半導体ピエゾ抵抗素子の電極部分を除く外面を覆うように設けているので、第1絶縁層及び第2絶縁層により半導体ピエゾ抵抗素子のほぼ外面全体にわたって絶縁することができ、シリコン基板との間で沿面放電が行なわれることを抑制することができるので正確に圧力測定を行なうことができる。
【0056】
また、ダイアフラムをシリコン基板により形成しているので、第1絶縁層へのダメージがなく長時間にわたって安定した高耐電圧特性を保持することが可能となり、保守管理が容易となるととともに、ランニングコストの上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の圧力センサの要部を示す断面図である。
【図2】図1の実施例の等価回路図である。
【図3】第1従来例の圧力センサの要部を示す断面図である。
【図4】第2従来例実施例の圧力センサの要部を示す断面図である。
【図5】第2従来例の等価回路図である。
【符号の説明】
100…圧力センサ
1…シリコン基板
2…ダイアフラム
3…絶縁層(第1絶縁層)
4…半導体ピエゾ抵抗素子
5…導電体層
6…絶縁層(第3絶縁層)
7…固定電位電極
8…表面絶縁層(第2絶縁層)
M…測定体
P…圧力
Claims (4)
- ダイアフラムが形成されたシリコン基板と、
電極部を有する半導体ピエゾ抵抗素子と、
前記シリコン基板と前記半導体ピエゾ抵抗素子との間に設けられた導電体層と、
前記シリコン基板と前記導電体層との間に設けられた第1絶縁層と、
前記第1絶縁層に接合する外周部と前記半導体ピエゾ抵抗素子及び前記導電体層を被覆する内周部とを有する第2絶縁層とを備え、
前記第2絶縁層は、前記電極部の外面を露出するとともに前記導電体層の側面を絶縁するように形成されたことを特徴とする半導体圧力センサ。 - 請求項1に記載の半導体圧力センサにおいて、
前記半導体ピエゾ抵抗素子と前記導電体層との間に設けられた第3絶縁層を更に備えたことを特徴とする半導体圧力センサ。 - 請求項1又は請求項2に記載の半導体圧力センサにおいて、
前記導電体層は、前記ダイアフラムの圧力検出面にほぼ平行な平面への投影面積が前記第1絶縁層より小さくなるように形成されたことを特徴とする半導体圧力センサ。 - 請求項1から請求項3の何れか一項に記載の半導体圧力センサにおいて、
前記導電体層は、圧力検出用ブリッジ回路の最低電位端に接続されたことを特徴とする半導体圧力センサ。
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