JPH07110277A - シリコン圧力センサ - Google Patents

シリコン圧力センサ

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Publication number
JPH07110277A
JPH07110277A JP25339093A JP25339093A JPH07110277A JP H07110277 A JPH07110277 A JP H07110277A JP 25339093 A JP25339093 A JP 25339093A JP 25339093 A JP25339093 A JP 25339093A JP H07110277 A JPH07110277 A JP H07110277A
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JP
Japan
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diaphragm
silicon substrate
pressure sensor
silicon
groove
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JP25339093A
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English (en)
Inventor
Takaaki Miyashita
▲高▼明 宮下
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Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 外部温度の影響を受けずに、かつ、薄型のシ
リコン圧力センサを提供する。 【構成】 ダイヤフラム12の周辺の基部11に、ピエ
ゾ抵抗素子16に対向して基部の裏面側から基部の厚さ
の一部分にわたって設けられた溝14a〜14dを具え
ている。このため、外部温度の伝導による熱はダイヤフ
ラムの周辺に設けられている溝によって抑制されてピエ
ゾ抵抗素子に伝わりにくくなる。従って、従来のように
支持台の高さを高くしたり、支持台の材質を工夫したり
する必要がなくなるため、超薄型のシリコン圧力センサ
を得ることができる。また、周辺回路を第2シリコン基
板の面、すつなち、シリコン基板とは反対側の面に設け
てある。このため、従来に比べシリコン圧力センサを実
装した後、例えばレーザトリマを用いて周辺回路の温度
補償を行う際の調整が容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、シリコン圧力センサ
の構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、カーエレクトロニックス、家庭電
器及び産業情報機器等のあらゆる分野にわたってシリコ
ン圧力センサが用いられている。それは、シリコン圧力
センサが、シリコンが有するピエゾ抵抗効果を利用して
圧力を検出するものであるため、既存の金属線歪みゲー
ジに比べて感度が、二桁位高いこと、小型で、かつ、価
格が安いという利点を有していること、また、その中に
判断機能を持たせることによってインテリジェントセン
サとしての利用が期待できることなどの種々の特徴を有
するためである。
【0003】この種のシリコン圧力センサの従来例とし
て、例えば文献I(文献I:「ワンチップ集積化圧力セ
ンサ」、T.IEE Japan ,Vol.109−
C、No.12,1989年、PP855〜860)に
開示されているものがある。
【0004】先ず、この従来のシリコン圧力センサの概
略的な構造につき図7を参照して説明する。
【0005】この従来のシリコン圧力センサの主要構造
によれば、ダイヤフラム42と、これにその周辺で連続
し、ダイヤフラム42より肉厚の基部41とを有するシ
リコン基板40(以下、ダイヤフラム42を有するシリ
コン基板とも称する。)と、このダイヤフラム42上に
設けられたピエゾ抵抗素子44と、シリコン基板40を
支持するため及び外部温度の影響を軽減するための支持
部48(以下、補強用シリコン基板とも称する。)と、
真空室47付きの第2シリコン基板45とを具えてい
る。また、真空室付き第2シリコン基板45とダイヤフ
ラムを有するシリコン基板40と補強用シリコン基板4
8とはサンドウッチ状にガラス接合されている。そし
て、一般的には、図7の主要構造部分を例えばケース
(図示せず)などに収納して圧力センサを構成してい
る。
【0006】次に、従来のシリコン圧力センサに具わる
ダイヤフラムを有するシリコン基板40の構造につき説
明する。
【0007】図8の(A)は、この説明に供するための
平面図、図8の(B)はこのシリコン基板40を図8の
(A)のX−X線に沿って切断したときの断面図であ
る。
【0008】ダイヤフラム42を有するシリコン基板4
0は、シリコン基板の一部を裏面からエッチングして薄
くし、その薄くした部分をダイヤフラム42とし、残り
の部分を基部41とすることで構成されている。
【0009】このダイヤフラム42の表面に、4個のピ
エゾ抵抗素子44を具えている。ピエゾ抵抗効果は、シ
リコンの結晶異方性があるのでシリコン基板40として
主面が(100)のものを用いる場合、ピエゾ抵抗素子
44は、その長軸がシリコン基板40の〈110〉方向
に合うように配設されている。
【0010】また、ダイヤフラム42を有するシリコン
基板40の基部41の表面には、シリコン圧力センサや
温度特性を補償するための周辺回路(温度補償用増幅回
路とも称する。)46が設けられている。
【0011】図9は、文献Iに開示されている従来のシ
リコン圧力センサの周辺回路を示す図である。なお、ダ
イヤフラム42に設けたピエゾ抵抗素子44も合わせて
示してある。
【0012】この周辺回路46は、オペアンプ111a
〜111dや抵抗体で構成されている。周辺回路46の
調整は、図9中に可変抵抗の記号で示した抵抗体を例え
ばレーザトリミングすることにより行われる。尚、この
周辺回路46の機能及び役割また、調整方法について
は、文献II(文献II:「自動車用半導体圧力セン
サ」、電子技術、第27巻、第3号、1985年、PP
47〜51)に記載されているため、ここでの詳細な説
明は省略する。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のシリコン圧力センサの構造では、ダイヤフラム
42に基部41を介して外部の熱や機械的歪みが伝わり
易いので、外部との温度変化の影響をできるだけ小さく
するため設ける支持台の高さを低くするにも限界があっ
た。このため、シリコン圧力センサの薄型化にも限界が
あり、超薄型を必要とするシリコン圧力センサ(例えば
腕時計中に実装されるもの)を得ることが難しいという
問題があった。
【0014】この発明は、上述した問題点に鑑み行われ
たものであり、この発明の目的は、外部温度の熱伝導の
影響を受けにくく、かつ、薄型化に有利な構造のシリコ
ン圧力センサを提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明のシリコン圧力センサの構成によれば、ダ
イヤフラムと、該ダイヤグラムの周辺にこれと連続的
に、かつ、該ダイヤグラムの表面と平坦面を形成する表
面を有するように一体形成されている前記ダイヤフラム
より肉厚の基部とを具えるシリコン基板と、前記ダイヤ
フラムの前記表面に設けられた少なくとも4個のピエゾ
抵抗素子と、該ピエゾ抵抗素子の温度補償用の周辺回路
及び前記シリコン基板を支持固定する支持部とを含むシ
リコン圧力センサにおいて、前記ダイヤフラムの周辺の
前記基部に前記ピエゾ抵抗素子に対向して前記基部の裏
面側から該基部の厚さの一部分にわたって設けられた溝
を具えていることを特徴とする。
【0016】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、前記溝を前記ダイヤフラムを取り囲む1つの無終端
の溝とするのが良い。
【0017】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、前記溝を前記ピエゾ抵抗素子の各々に対向させて個
別に設けた複数の副溝とするのが良い。
【0018】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、少なくとも前記ダイヤフラムの表面を覆い、かつ、
前記シリコン基板の基部の表面に固定されて該シリコン
基板の表面との間に真空室を形成している第2シリコン
基板を具え、前記周辺回路は、該第2シリコン基板の前
記シリコン基板とは反対側の面に設けられているのが良
い。
【0019】
【作用】上述したこの発明のシリコン圧力センサの構成
によれば、ダイヤフラムの周辺の基部に、ピエゾ抵抗素
子に対向して基部の裏面側から基部の厚さの一部分にわ
たって設けられた溝を具えている。シリコン基板の基部
は通常その裏面で支持部に固定されるが、そのようにし
たとしても支持部経由で基部に至る外部温度の伝導熱は
前記溝によって抑制されてピエゾ抵抗素子に伝わりにく
くなる。従って、その分、支持部の高さを低く(支持部
の厚さを薄く)できる。
【0020】また、周辺回路を第2シリコン基板の、ピ
エゾ抵抗素子を具えたシリコン基板とは反対側の面に設
けてあるので、周辺回路がシリコン圧力センサの表面側
に配置されることになる。このため、例えばレーザトリ
マを用いて周辺回路の温度補償を行う際の調整が容易に
なる。
【0021】
【実施例】以下、図面を参照してこの発明のシリコン圧
力センサの構造につき説明する。尚、各図は、この発明
が理解できる程度に各構成成分の形状、大きさ、及び配
置を概略的に示してあるにすぎない。
【0022】図1は、この発明のシリコン圧力センサの
構造を概略的に示す断面図である。
【0023】先ず、図1を参照してこの発明のシリコン
圧力センサの全体構成につき説明する。
【0024】この発明のシリコン圧力センサは、ダイヤ
フラム12と、このダイヤフラム12の周辺にこのダイ
ヤフラム12の表面と平坦面を形成する表面を有する一
体形成された前記ダイヤフラム12より肉厚の基部11
とを具えるシリコン基板10を有する。ただし、基部1
1にこの発明にかかわる所定の溝14(詳細は、後述す
る。)を具え、また、ダイヤフラム12の表面には、4
個のピエゾ抵抗素子16を具えている。更に、この発明
のシリコン圧力センサは、シリコン基板10(以下、第
1シリコン基板或はダイヤフラムを有するシリコン基板
ともいう。)である第1シリコン基板10を支持する支
持部25を具えている。この実施例では、支持部25を
所定の空気穴38aと、くぼみ23(詳細は後述す
る。)を有する補強用の第3シリコン基板22と所定の
空気穴38bを有する支持台24とで構成してある。
【0025】更に、この発明のシリコン圧力センサは、
真空室付きの第2シリコン基板20を具えている。この
第2シリコン基板20の平坦な面、すなわち、ピエゾ抵
抗素子を有する第1シリコン基板10と対向する面とは
反対側の面に周辺回路34を設けている。この周辺回路
34は、例えば図9を用いて説明した回路で構成でき
る。
【0026】第1シリコン基板10の、ピエゾ抵抗素子
16や周辺回路34の形成面側(表面側)に、真空室2
1付きの第2シリコン基板20の真空室側を接し、か
つ、第1シリコン基板10の裏面側に、補強用の第3シ
リコン基板22のくぼみ23側を接してこれらの基板を
固定してある。また、第3シリコン基板22の底面に支
持台24を両者の空気穴38a、38bが連通する配置
で固定してある。そして、第1シリコン基板10、第2
シリコン基板20、第3シリコン基板22及び支持台2
4をケース26に収納している。尚、このケース26の
底面には、第3シリコン基板22、支持台24の各空気
穴38a、38bに対応する、外部からの空気をとりこ
むための空気穴38cを具え、かつ、側面には2本のリ
ード線端子30を具えている。このリード線30は、第
2シリコン基板20にもうけてある電極端子36を介し
て周辺回路34と接続されるものである。尚、支持台2
4の材料として例えばプラスッチックを用いる。また、
ケース26の材料として例えばプラスチック或は金属を
用いる。また、リード線端子30及び電極端子36の材
料として例えばコバール(Fe−Ni−Coの合金)を
用いる。
【0027】次に、この発明の実施例のシリコン圧力セ
ンサを構成している各構成成分につき説明する。
【0028】先ず、図2の(A)及び(B)を参照して
ダイヤフラムを有する第1シリコン基板10の構造につ
き説明する。尚、図中、(A)は、平面図であり、
(B)は図2の(A)をY−Y線で切断したときの断面
図である。
【0029】第1シリコン基板10は、この実施例の場
合、主面が(100)面のシリコン基板の一部を裏面か
らエッチングして薄くし、この薄くした部分をダイヤフ
ラム12とし、残りの部分を基部11とすることで得て
いる。このダイヤフラム12は、この場合角形の平面形
状を有するものとしている。このダイヤフラム12上面
の端部側(角形の各辺の中央部あたり)にピエゾ抵抗素
子16をそれぞれ1つづつ合計4個設けている。各素子
16は、その長軸が第1シリコン基板10の<110>
方位に合うように配設してある。これらピエゾ抵抗素子
16は、公知の方法で形成してある。
【0030】また、この角形のダイヤフラム12の周辺
の基部11にピエゾ抵抗素子16に対向して基部11の
裏面側から基部11の一部分にわたって溝14a〜14
dを具えている。この第1実施例では、溝14a〜14
dを副溝と称する。この副溝14a〜14dは、ダイヤ
フラム12を取り囲むように配設し、シリコン基板周辺
からの熱伝導の影響や機械的歪みの影響を少なくするよ
うにしている。
【0031】更に、副溝14a〜14dと離間させてダ
イヤフラム12と反対側に例えば4個のスルホール18
を設けている。このスルホール18は、周辺回路34
(図9参照)の端子(後述する。)とピエゾ抵抗素子1
6とを接続するための接続穴になる。
【0032】また、この発明の第1実施例では、第1シ
リコン基板10の高さH1 を例えば200μmとし、ダ
イヤフラム12の大きさ(L×M)を例えば3000μ
m×3000μmとする。また、ダイヤフラム12と副
溝14a〜16dの間隔Dを例えばそれぞれ200μm
とし、副溝の深さを例えば180μm程度(ダイヤフラ
ム12の部分の深さと同じ)とする。また、副溝14a
〜14dの幅Bは例えば200μm程度とする。溝の形
成を異方性エッチングで行い、溝の深さを180μmと
すると、溝幅は少なくとも200μmは必要になるため
である。
【0033】次に、図3の(A)及び(B)を参照して
第2シリコン基板20及びこの基板に取りつけられる各
部品につき説明する。尚、図中、(A)は、第2シリコ
ン基板の平面図であり、(B)は(A)のZ−Z線で切
断したときの断面図を示している。
【0034】第2シリコン基板20の裏面には、真空室
用のくぼみ21が設けられており、第2シリコン基板2
0の表面には温度補償用の周辺回路34と3個の電極端
子36とがそれぞれ離間して配設されている。また、周
辺回路34を介して電極端子36と反対側には、4個の
スルホール32を設けている。そして、このスルホール
32は、第2シリコン基板の基部28の厚さ方向へ貫通
している。ここで、真空室用のくぼみ21の底面端部の
長さ寸法Lと奥行き寸法Mを例えば4200μm×42
00μmとし、第2シリコン基板20の厚さH2 を例え
ば200μmとする。従って、第2シリコン基板20と
第1シリコン基板10とが固定された場合、真空室のく
ぼみ21部の面積は、第1シリコン基板のダイヤフラム
12及び副溝14a〜14dを含む面積よりも大きくな
る。このため、実質的に、ダイヤフラム12に、第2シ
リコン基板20の荷重や両者の結合による機械的応力が
加わらないように設計されている。
【0035】次に、図4の(A)及び(B)を参照して
第3シリコン基板22の構造につき説明する。尚、図
中、(A)は第3シリコン基板の平面図を示し、(B)
は図4の(A)のA−A線で切断したときの断面図を示
している。
【0036】第3シリコン基板22は、上述した第2シ
リコン基板20の真空室とほぼ同一寸法のくぼみ23を
具えている。そして、このくぼみ23の底面には空気穴
38aが設けられており、この空気穴38aは、第3シ
リコン基板の底面を貫通して設けられている。ここで、
第3シリコン基板22の高さH3 を例えば200μmと
し、くぼみ23の深さは上述した第1シリコン基板10
のダイヤフラム12と副溝14a〜14d間の基部11
の裏面が接触しない程度であれば良い。このとき、空気
穴38aをくぼみ23の底面の中央であっても横方向或
は斜め方向にとりつけても良い。このようにした場合、
支持台24及びケース26(いずれも図1参照)の外気
の取り込み口も当然横方向或は斜め方向となる。また、
場合によっては支持台24の空気穴38bは不要とな
る。
【0037】次に、図5、及び図6を参照してシリコン
基板の変形例につき説明する。尚、図5及び図6は、平
面図のみを示してあるが中心部から切断した断面形状
は、図2の(B)と同様になるため断面図を省略する。
【0038】図5は、ダイヤフラム12の周辺に無終端
の溝14を設けたこの発明の第2実施例のダイヤフラム
を有するシリコン基板の構造を示している。
【0039】この第2実施例では、ダイヤフラム12か
ら距離Dを離間させてダイヤフラム12よりも肉厚の基
部11の裏面側に無終端の溝14を設けている。このと
きの溝14の形状は、溝の幅Bを例えば200μmと
し、ダイヤフラム12と溝14との離間距離Dを例えば
200μmとする。また、溝の深さを例えば180μm
とする。
【0040】図6は、この発明の第3実施例の説明図で
あり、円形を有するダイヤフラムを有するシリコン基板
の構造を示している。尚、ダイヤフラム12が円形の形
状の場合、副溝も円弧形状を有する。
【0041】円形のダイヤフラム12の場合、ダイヤフ
ラム12の周辺にピエゾ素子16と対向して副溝15a
〜15dを設けている。また、第3実施例の副溝15a
〜15dの幅及び深さ寸法及びダイヤフラム12と副溝
15a〜15dとの離間距離は、図2を用いて説明した
ものと同一とする。
【0042】次に、図1及び図9を参照してこのシリコ
ン圧力センサの感度温度特性を調整する方法につき説明
する。シリコン圧力センサの感度温度特性の調整は、ケ
ース26に収納する前にレーザトリマなどによって行
う。すなわち、周辺回路34に上部からレーザトリマな
どによって温度補償用の周辺回路34中の所定の抵抗
(図9中可変抵抗の記号で示したもの)の抵抗値をかえ
ることによって比較的容易にピエゾ抵抗素子の温度補償
を行うことができる。
【0043】シリコン圧力センサの外部に取り出された
3本のリード線の内、図9に示した周辺回路の電源(V
c )側に接続されているリード線及び図9のアース(G
ND)側に接続されているリード線間に所定の電圧を印
加する。残りの一本のリード線すなわち図9の出力電圧
(Vout )側に接続されてリード線を測定機(図示せ
ず)に接続する。
【0044】上述した説明からも理解できるように、こ
の発明では、第1シリコン基板10は、ダイヤフラム1
2を囲んでいる基部11に所定の溝を具えている。この
ため、ダイヤフラム12に対する外部からの伝導による
熱を抑制することができる。発明者等は、以下に述べる
熱伝導の計算式を用いて理論計算を行った。
【0045】Q=λ×δT×A/d・・・・・・(1) ただし、λ:熱伝導率、δT:温度差(℃)、A:断面
積(mm2 )、d:ダイヤフラムと溝の距離(mm)と
する。
【0046】上述した第1実施例の寸法を代入して溝の
有無による熱量を計算した結果によれば、副溝14a〜
14dの有無によって熱量比が1/40となることが期
待できることがわかっている。
【0047】また、この発明では、ダイヤフラムを有す
るシリコン基板中にダイヤフラムとは別に溝を設けるた
め、応力が加わるとこの溝底のシリコン基板部分もダイ
ヤフラムと同様にたわむことになるが、そのたわみ量
は、5万分の1以下であるので殆ど問題にはならない。
【0048】なお、この発明のシリコン圧力センサの厚
さは、第1〜第3シリコン基板の厚さがそれぞれ200
μmであるからそれらを3つ重ねても600μm位であ
り、ケースにいれても厚さ寸法が約1mm〜1.5mm
の超薄膜型にできるため、超薄型を目的とする製品(例
えば腕時計)にも十分対応できる。従来は、実装可能な
パッケージの大きさがTO−5或はTO−8程度であっ
たことに比べると優位差がわかる。
【0049】上述したこの発明の実施例では、副溝或は
無終端の溝の形状を長方形又は円弧形としたが、何らこ
の形状に限定されるものではなく、ピエゾ抵抗素子に熱
伝導が伝わりにくい形状であればどのような形状であっ
ても良い。また、実施例で述べた副溝或は無終端溝の寸
法は、何らこの寸法に限定されるものではなく、変えて
も良い。
【0050】
【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明のシリコン圧力センサの構成によれば、ダイヤフ
ラムの周辺の基部に、ピエゾ抵抗素子に対向して基部の
裏面側から基部の厚さの一部分にわたって設けられた溝
を具えている。このため、外部温度の伝導による熱はダ
イヤフラムの周辺に設けられている溝によって抑制され
てピエゾ抵抗素子に伝わりにくくなる。従って、従来の
ように支持台の高さを高くしたり、支持台の材質を工夫
したりする必要がなくなるため、超薄型のシリコン圧力
センサを得ることができる。
【0051】また、周辺回路を第2シリコン基板の、ピ
エゾ抵抗素子を有するシリコン基板とは反対側の面に設
けてある。このため、従来に比べ例えばレーザトリマを
用いて周辺回路の温度補償を行う際の調整が容易にな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のシリコン圧力センサの構造断面図で
ある。
【図2】(A)及び(B)は、この発明の第1実施例に
用いられるダイヤフラムを有する第1シリコン基板の平
面図及び断面図である。
【図3】(A)及び(B)は、この発明の第1実施例に
用いられる真空室付きの第2シリコン基板の構造及びこ
の基板に搭載される部品を説明するための平面図及び断
面図である。
【図4】(A)及び(B)は、この発明の第1実施例に
用いられる補強用の第3シリコン基板の平面図及び断面
図である。
【図5】この発明の第2実施例に用いられるダイヤフラ
ムを有するシリコン基板の構造を説明するための平面図
である。
【図6】この発明の第3実施例に用いられるダイヤフラ
ムを有するシリコン基板の構造を説明するための平面図
である。
【図7】従来のシリコン圧力センサの実装構造を説明す
るための断面図である。
【図8】(A)及び(B)は、従来のシリコン基板及び
部品を搭載した構造を説明するための平面図及び断面図
である。
【図9】従来及びこの発明の実施例の温度補償用の周辺
回路の構成を説明するための回路図である。
【符号の説明】
10:シリコン基板 12:ダイヤフラム 14:溝 14a〜14d、15a〜15d:副溝 16:ピエゾ抵抗素子 18:スルホール 20:第2シリコン基板 21:真空室 22:第3シリコン基板 23:くぼみ 24:支持台 25:支持部 26:ケース 30:リード線端子 34:周辺回路 36:電極端子 38c:空気穴

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ダイヤフラムと、該ダイヤフラムの周辺
    にこれと連続的に、かつ、該ダイヤフラムの表面と平坦
    面を形成する表面を有するように一体形成されている前
    記ダイヤフラムより肉厚の基部とを具えるシリコン基板
    と、前記ダイヤフラムの前記表面に設けられた少なくと
    も4個のピエゾ抵抗素子と、該ピエゾ抵抗素子の温度補
    償用の周辺回路及び前記シリコン基板を支持固定する支
    持部とを含むシリコン圧力センサにおいて、 前記ダイヤフラムの周辺の前記基部に前記ピエゾ抵抗素
    子に対向して前記基部の裏面側から該基部の厚さの一部
    分にわたって設けられた溝を具えていることを特徴とす
    るシリコン圧力センサ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のシリコン圧力センサに
    おいて、 前記溝を前記ダイヤフラムを取り囲む1つの無終端の溝
    としたことを特徴とするシリコン圧力センサ。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載のシリコン圧力センサに
    おいて、 前記溝を前記ピエゾ抵抗素子の各々に対向させて個別に
    設けた複数の副溝としたことを特徴とするシリコン圧力
    センサ。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載のシリコン圧力センサに
    おいて、 少なくとも前記ダイヤフラムの表面を覆い、かつ、前記
    シリコン基板の基部の表面に固定されて該シリコン基板
    の表面との間に真空室を形成している第2シリコン基板
    を具え、 前記周辺回路は、該第2シリコン基板の前記シリコン基
    板とは反対側の面に設けられていることを特徴とするシ
    リコン圧力センサ。
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