JP4492416B2 - Physical quantity sensor - Google Patents

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本発明は、検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサに関するものである。   The present invention relates to a physical quantity sensor that detects a physical quantity to be detected as a change in resistance value due to strain of a gauge resistance.

従来からこの種の物理量センサとしては、半導体結晶に外力が加えられたときに抵抗値が変化するピエゾ抵抗をゲージ抵抗として用いた半導体圧力センサや半導体加速度センサなどが提供されている。   Conventionally, as this kind of physical quantity sensor, a semiconductor pressure sensor, a semiconductor acceleration sensor, and the like using a piezoresistor whose resistance value changes when an external force is applied to a semiconductor crystal as a gauge resistance have been provided.

これに対して、近年、ナノテクノロジーの分野で注目されているカーボンナノチューブをゲージ抵抗として用いた物理量センサが提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。   On the other hand, in recent years, physical quantity sensors using carbon nanotubes that have attracted attention in the field of nanotechnology as gauge resistance have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

ここにおいて、ゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた圧力センサは、例えば、図9に示す構成を有している。   Here, the pressure sensor using carbon nanotubes as the gauge resistance has, for example, the configuration shown in FIG.

図9に示す構成の圧力センサは、シリコン基板をマイクロマシンニング技術により加工して形成され一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜2を有するセンサ用構造体1と、センサ用構造体1の絶縁膜2上に配置されそれぞれ1本のカーボンナノチューブからなる2個のゲージ抵抗R1,R3および2個の基準抵抗R2,R4と、センサ用構造体1の他表面に固着されたガラス製の台座9とを備えている。   The pressure sensor having the configuration shown in FIG. 9 is formed by processing a silicon substrate by a micromachining technique and has a sensor structure 1 having an insulating film 2 made of a silicon oxide film on one surface side, and insulation of the sensor structure 1. Two gauge resistors R1 and R3 and two reference resistors R2 and R4, each of which is arranged on the film 2 and made of one carbon nanotube, and a glass base 9 fixed to the other surface of the sensor structure 1 And.

センサ用構造体1は、矩形枠状のフレーム部1aと、フレーム部1aの内側でフレーム部1aに連続一体に連結された薄肉のダイヤフラム部1bとで構成されている。すなわち、センサ用構造体1は、フレーム部1aの内側に位置し全周に亘ってフレーム部1aに支持されたダイヤフラム部1bが形成されており、ダイヤフラム部1bの厚み方向から圧力が加わるとダイヤフラム部が湾曲変形するようになっている。ここにおいて、ゲージ抵抗R1,R3は、ダイヤフラム部1bとフレーム部1aとに跨るように配置されており、基準抵抗R2,R4は、フレーム部1a上に配置されている。なお、センサ用構造体1は、アルカリ系溶液を用いた異方性エッチングにより上記シリコン基板の他表面に凹所1cを設けることにより形成されている。一方、台座9には、センサ用構造体1の凹所1cへ流体を導入するための導入孔9aが厚み方向に貫設されている。   The sensor structure 1 includes a rectangular frame-shaped frame portion 1a and a thin diaphragm portion 1b continuously and integrally connected to the frame portion 1a inside the frame portion 1a. That is, the sensor structure 1 is formed with a diaphragm portion 1b that is positioned inside the frame portion 1a and supported by the frame portion 1a over the entire circumference. When pressure is applied from the thickness direction of the diaphragm portion 1b, the diaphragm 1b is formed. The part is bent and deformed. Here, the gauge resistors R1 and R3 are disposed so as to straddle the diaphragm portion 1b and the frame portion 1a, and the reference resistors R2 and R4 are disposed on the frame portion 1a. The sensor structure 1 is formed by providing a recess 1c on the other surface of the silicon substrate by anisotropic etching using an alkaline solution. On the other hand, the base 9 is provided with an introduction hole 9a for introducing a fluid into the recess 1c of the sensor structure 1 in the thickness direction.

また、上述の2個のゲージ抵抗R1,R3および2個の基準抵抗R2,R4は、センサ用構造体1の上記一表面側において絶縁膜2上に形成された複数の金属配線4などにより図10に示すブリッジ回路を構成するように接続される。   Further, the two gauge resistors R1 and R3 and the two reference resistors R2 and R4 described above are illustrated by a plurality of metal wirings 4 formed on the insulating film 2 on the one surface side of the sensor structure 1. 10 are connected to form a bridge circuit shown in FIG.

したがって、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源Eを接続するとともに対角位置の他方の端子Vo1,Vo2間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、ダイヤフラム部1bに作用する圧力に比例する電圧を得ることができるのである。なお、上述の圧力センサでは、4つの金属配線4それぞれの一部が端子としてのパッドを構成している。   Therefore, if a suitable power supply E for detection is connected between one terminal at the diagonal position of the bridge circuit, the voltage between the other terminals Vo1 and Vo2 at the other diagonal position is detected, and an appropriate correction is applied, the diaphragm portion A voltage proportional to the pressure acting on 1b can be obtained. In the pressure sensor described above, a part of each of the four metal wirings 4 constitutes a pad as a terminal.

ところで、上述の各抵抗R1〜R4と各抵抗R1〜R4に電気的に接続される各金属配線4との間には、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料(例えば、鉄、ニッケル、コバルトなど)からなる電極5が介在しており、対となる電極5,5間に電圧を印加し且つセンサ用構造体1の上記一表面側に炭素を含む原料ガスを供給して対となる電極5,5間にカーボンナノチューブを成長させている。したがって、各抵抗R1〜R4それぞれを構成する各カーボンナノチューブは、対となる電極5,5間に介在している。   By the way, a catalytic metal material (for example, iron, nickel, cobalt) for growing carbon nanotubes is formed between the resistors R1 to R4 and the metal wirings 4 electrically connected to the resistors R1 to R4. And the like, and a voltage is applied between the pair of electrodes 5 and 5 and a source gas containing carbon is supplied to the one surface side of the sensor structure 1 to form a pair. Carbon nanotubes are grown between 5 and 5. Therefore, each carbon nanotube constituting each of the resistors R1 to R4 is interposed between the pair of electrodes 5 and 5.

次に、ゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた加速度センサの一例について、図11を参照しながら説明する。   Next, an example of an acceleration sensor using carbon nanotubes as a gauge resistance will be described with reference to FIG.

図11に示す構成の加速度センサは、シリコン基板をマイクロマシンニング加工して形成され一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜12を有するセンサ用構造体11と、センサ用構造体11の絶縁膜12上に配置されそれぞれ1本のカーボンナノチューブからなる2個のゲージ抵抗R11,R12および2個の基準抵抗R13,R14と、センサ用構造体11の他表面に固着されたガラス製のカバー19と、センサ用構造体11の一表面側に固着されたガラス製のカバー(図示せず)とを備えている。   The acceleration sensor having the configuration shown in FIG. 11 is formed by micromachining a silicon substrate and has a sensor structure 11 having an insulating film 12 made of a silicon oxide film on one surface side, and an insulating film 12 of the sensor structure 11. Two gauge resistors R11, R12 and two reference resistors R13, R14 each formed of one carbon nanotube, and a glass cover 19 fixed to the other surface of the sensor structure 11, A glass cover (not shown) fixed to one surface side of the sensor structure 11 is provided.

センサ用構造体11は、矩形枠状のフレーム部11aを備え、フレーム部11aの内側にフレーム部11aから離間して配置された重り部11bの周囲の1辺がフレーム部11aよりも薄肉である2つの撓み部11cを介してフレーム部11aに連続一体に連結された構造を有している。すなわち、センサ用構造体11は、フレーム部11aの内側に位置し加速度に感応する重り部11bが2つの撓み部11cを介してフレーム部11aに支持されており、重り部11bの周囲には撓み部11cを除いてフレーム部11aとの間にスリット11dが形成されている。また、撓み部11cは重り部11bの1辺に沿う方向に離間して2箇所に形成されている。   The sensor structure 11 includes a frame portion 11a having a rectangular frame shape, and one side around a weight portion 11b arranged away from the frame portion 11a inside the frame portion 11a is thinner than the frame portion 11a. It has a structure that is continuously and integrally connected to the frame portion 11a via two flexure portions 11c. That is, in the sensor structure 11, a weight portion 11b that is located inside the frame portion 11a and is sensitive to acceleration is supported by the frame portion 11a via two bending portions 11c, and the weight portion 11b is bent around the weight portion 11b. A slit 11d is formed between the frame portion 11a except for the portion 11c. Moreover, the bending part 11c is spaced apart in the direction along one side of the weight part 11b, and is formed in two places.

なお、重り部11bは、例えば、シリコン基板においてスリット11dに対応する部位を他表面側からアルカリ系溶液を用いて異方性エッチングを行った後、スリット11dに対応する部位をシリコン基板の一表面側からエッチングすることで形成してある。また、センサ用構造体11の他表面側のカバー19におけるセンサ用構造体11との対向面には、重り部11bの揺動空間を確保するための凹所19bが形成されている。同様に、センサ用構造体11の一表面側のカバーにおけるセンサ用構造体11との対向面にも、重り部11bの揺動空間を確保するための凹所が形成されている。   The weight portion 11b is formed, for example, by anisotropically etching a portion corresponding to the slit 11d in the silicon substrate from the other surface side using an alkaline solution, and then setting the portion corresponding to the slit 11d to one surface of the silicon substrate. It is formed by etching from the side. Further, a recess 19b for securing a swinging space of the weight portion 11b is formed on the surface of the cover 19 on the other surface side of the sensor structure 11 facing the sensor structure 11. Similarly, a recess for securing a swinging space of the weight portion 11b is also formed on the surface of the cover on the one surface side of the sensor structure 11 that faces the sensor structure 11.

また、上述の2個のゲージ抵抗R11,R12および2個の基準抵抗R13,R14は、センサ用構造体11の上記一表面側において絶縁膜12上に形成された金属配線14などによりブリッジ回路を構成するように接続される(なお、センサ用構造体11の厚み方向において重なる金属配線14,14間には図示しない層間絶縁膜を介在させてある)。   The two gauge resistors R11 and R12 and the two reference resistors R13 and R14 described above form a bridge circuit by the metal wiring 14 formed on the insulating film 12 on the one surface side of the sensor structure 11. They are connected so as to be configured (note that an interlayer insulating film (not shown) is interposed between the metal wirings 14 and 14 that overlap in the thickness direction of the sensor structure 11).

上述の加速度センサでは、センサ用構造体11の厚み方向の成分を含む外力(加速度)が重り部11bに作用すると、重り部11bの慣性によって重り部11bがフレーム部11aに対してセンサ用構造体11の厚み方向へ相対的に変位し、結果的に撓み部11cが撓んでゲージ抵抗R11,R12が変形し、ゲージ抵抗R11,R12の抵抗値が変化することになる。これに対して、フレーム部11aに重なるように配置されている基準抵抗R13,R14は、重り部11bが変位したとしても抵抗値が変化しない。   In the acceleration sensor described above, when an external force (acceleration) including a component in the thickness direction of the sensor structure 11 acts on the weight part 11b, the weight part 11b acts on the frame part 11a due to the inertia of the weight part 11b. 11 is relatively displaced in the thickness direction, and as a result, the bent portion 11c is bent, the gauge resistors R11 and R12 are deformed, and the resistance values of the gauge resistors R11 and R12 are changed. In contrast, the resistance values of the reference resistors R13 and R14 arranged so as to overlap the frame portion 11a do not change even when the weight portion 11b is displaced.

したがって、ゲージ抵抗R11,R12の抵抗値の変化を検出することにより、センサ用構造体11に作用した加速度を検出することができる。言い換えれば、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源を接続するとともに対角位置の他方の端子間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、重り部11bに作用する加速度に比例する電圧を得ることができるのである。   Therefore, by detecting a change in the resistance values of the gauge resistors R11 and R12, it is possible to detect the acceleration acting on the sensor structure 11. In other words, if an appropriate power source for detection is connected between one terminal at the diagonal position of the bridge circuit, a voltage between the other terminal at the diagonal position is detected, and appropriate correction is applied, the weight 11b is acted on. A voltage proportional to the acceleration to be obtained can be obtained.

なお、ゲージ抵抗R11,R12は、撓み部11cの延長方向を長手方向として配置されており、撓み部11cと同じように変形する。ここにおいて、上述の各抵抗R11〜R14と各抵抗R11〜R14に電気的に接続される各金属配線14との間には、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料(例えば、鉄、ニッケル、コバルトなど)からなる電極15が介在しており、対となる電極15,15間に電圧を印加し且つセンサ用構造体11の上記一表面側に炭素を含む原料ガスを供給して対となる電極15,15間にカーボンナノチューブを成長させている。したがって、各抵抗R11〜R14それぞれを構成する各カーボンナノチューブは、対となる電極15,15間に介在している。
特開2004−53424号公報 特開2004−163373号公報
The gauge resistors R11 and R12 are arranged with the extending direction of the bent portion 11c as the longitudinal direction, and are deformed in the same manner as the bent portion 11c. Here, a catalytic metal material (for example, iron, nickel, etc.) for growing carbon nanotubes is formed between the resistors R11 to R14 and the metal wires 14 electrically connected to the resistors R11 to R14. An electrode 15 made of cobalt or the like is interposed, a voltage is applied between the pair of electrodes 15 and 15, and a source gas containing carbon is supplied to the one surface side of the sensor structure 11 to form a pair. Carbon nanotubes are grown between the electrodes 15 and 15. Therefore, each carbon nanotube constituting each of the resistors R11 to R14 is interposed between the pair of electrodes 15 and 15.
JP 2004-53424 A JP 2004-163373 A

ところで、上述のようにゲージ抵抗としてカーボンナノチューブを用いた物理量センサでは、ゲージ抵抗のゲージ率の向上による高感度化が期待されている。   By the way, in the physical quantity sensor using the carbon nanotube as the gauge resistance as described above, high sensitivity is expected by improving the gauge ratio of the gauge resistance.

しかしながら、本願発明者らが、図12の一点鎖線で示すように長さLが5μmのカーボンナノチューブCNTを実線で示すように曲げ角度βで曲げたときの曲げ角度βとゲージ率との関係について調べたところ、図13に示すように、曲げ角度βが172°〜179°の範囲ではゲージ率が120程度であり、シリコンのピエゾ抵抗について同様の関係について調べたところ、曲げ角度βによらずゲージ率が略120であるという知見が得られた。   However, regarding the relationship between the bending angle β and the gauge factor when the inventors of the present application bent a carbon nanotube CNT having a length L of 5 μm at a bending angle β as indicated by a solid line, as indicated by a one-dot chain line in FIG. As a result of the examination, as shown in FIG. 13, when the bending angle β is in the range of 172 ° to 179 °, the gauge factor is about 120. The finding that the gauge factor was approximately 120 was obtained.

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて高感度化が可能な物理量センサを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide a physical quantity sensor capable of increasing the sensitivity as compared with the prior art.

請求項1の発明は、検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサであって、ゲージ抵抗が、センサ用構造体の一表面側において突設した対となる支持台部間に架設されたカーボンナノチューブからなり、センサ用構造体の前記一表面側に、センサ用構造体に力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部を押圧し当該カーボンナノチューブの中間部を折曲させるバイアス部を備えることを特徴とする。   The invention of claim 1 is a physical quantity sensor for detecting a physical quantity to be detected as a change in resistance value due to strain of the gauge resistance, and the gauge resistance is a pair of supports protruding from one surface side of the sensor structure. It consists of carbon nanotubes installed between the base parts, and presses the intermediate part of the carbon nanotubes constituting the gauge resistance on the one surface side of the sensor structure in a state where no force is applied to the sensor structure. A bias portion that bends the middle portion of the nanotube is provided.

この発明によれば、センサ用構造体に力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部を折曲させるバイアス部を備えているので、センサ用構造体に力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブが折曲されていない従来の物理量センサと比較して、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となる。また、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブが支持台部間に架設されているので、当該カーボンナノチューブの中間部をバイアス部により折曲させやすく、当該カーボンナノチューブのゲージ率を高めることができる。   According to the present invention, since the bias portion for bending the intermediate portion of the carbon nanotube constituting the gauge resistance is provided in a state where no force is applied to the sensor structure, no force is applied to the sensor structure. Compared with the conventional physical quantity sensor in which the carbon nanotubes constituting the gauge resistance are not bent in the state, it is possible to increase the gauge factor of the carbon nanotubes constituting the gauge resistance, and to achieve higher sensitivity than before. It becomes possible. In addition, since the carbon nanotubes constituting the gauge resistance are installed between the support bases, the intermediate part of the carbon nanotubes can be easily bent by the bias part, and the gauge factor of the carbon nanotubes can be increased.

請求項2の発明は、請求項1の発明において、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、シリコンにより形成されてなることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the carbon nanotubes constituting the gauge resistance are grown between the catalyst metal portions stacked on each of the paired support base portions, It is characterized by being formed of silicon.

この発明によれば、支持台部の融点がゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの形成工程におけるプロセス温度よりも高くなるので、カーボンナノチューブの形成工程で支持台部が熱劣化するのを防止することができる。   According to this invention, since the melting point of the support base becomes higher than the process temperature in the process of forming the carbon nanotube constituting the gauge resistance, it is possible to prevent the support base from being thermally deteriorated in the carbon nanotube formation process. it can.

請求項3の発明は、請求項1の発明において、支持台部は、導電性を有し、ゲージ抵抗の電極を兼ねてなることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the support base portion has conductivity and serves also as an electrode of a gauge resistance.

この発明によれば、支持台部とは別にゲージ抵抗の電極を設ける場合に比べて製造プロセスの簡略化を図れ、低コスト化を図れる。   According to the present invention, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced as compared with the case where a gauge resistor electrode is provided separately from the support base.

請求項4の発明は、請求項3の発明において、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、多結晶シリコン層からなることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, the carbon nanotubes constituting the gauge resistance are grown between the catalyst metal portions stacked on each of the paired support base portions, It is characterized by comprising a polycrystalline silicon layer.

この発明によれば、支持台部の融点がゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの形成工程におけるプロセス温度よりも高くなるので、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの形成工程で支持台部が熱劣化するのを防止することができる。   According to the present invention, since the melting point of the support base becomes higher than the process temperature in the process of forming the carbon nanotubes constituting the gauge resistance, the support base is thermally deteriorated in the process of forming the carbon nanotubes constituting the gauge resistance. Can be prevented.

請求項5の発明は、請求項3の発明において、支持台部は、金属層からなることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the support base is made of a metal layer.

この発明によれば、請求項4の発明に比べてゲージ抵抗の電極の低抵抗化を図れる。   According to this invention, the resistance of the gauge resistor electrode can be reduced as compared with the invention of claim 4.

請求項6の発明は、請求項3の発明において、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、シリコン層と当該シリコン層に積層された高融点金属層とで構成されてなることを特徴とする。   The invention of claim 6 is the invention of claim 3, wherein the carbon nanotubes constituting the gauge resistance are grown between the catalyst metal parts laminated on each of the pair of support base parts, And a silicon layer and a refractory metal layer laminated on the silicon layer.

この発明によれば、支持台部の融点がゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの形成工程におけるプロセス温度よりも高くなるので、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの形成工程で支持台部が熱劣化するのを防止することができ、また、請求項4の発明に比べてゲージ抵抗の電極の低抵抗化を図れる。   According to the present invention, since the melting point of the support base becomes higher than the process temperature in the process of forming the carbon nanotubes constituting the gauge resistance, the support base is thermally deteriorated in the process of forming the carbon nanotubes constituting the gauge resistance. In addition, the resistance of the electrode of the gauge resistance can be reduced as compared with the invention of claim 4.

請求項7の発明は、請求項1の発明において、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、二酸化シリコン若しくは窒化シリコンにより形成されてなることを特徴とする。   The invention according to claim 7 is the invention according to claim 1, wherein the carbon nanotubes constituting the gauge resistance are grown between the catalyst metal parts stacked on each of the pair of support base parts, It is formed of silicon dioxide or silicon nitride.

この発明によれば、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの形成時に触媒金属部がシリサイド化して抵抗が増大するのを防止することができる。また、支持台部の形成工程とは別に支持台部と触媒金属部との間に介在して触媒金属部のシリサイド化を防止するバリア層を形成する場合に比べて、製造プロセスの簡略化を図れる。   According to the present invention, it is possible to prevent the catalytic metal portion from silicidizing and increasing the resistance when forming the carbon nanotube constituting the gauge resistance. In addition, the manufacturing process can be simplified compared to the case of forming a barrier layer that is interposed between the support base and the catalyst metal part to prevent silicidation of the catalyst metal part separately from the process of forming the support base part. I can plan.

請求項8の発明は、請求項1ないし請求項7の発明において、センサ用構造体の前記一表面側に固着されるカバーを備え、バイアス部は、カバーにおけるセンサ用構造体との対向面から突設されてなることを特徴とする。   According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the cover according to any one of the first to seventh aspects of the present invention, further comprising a cover fixed to the one surface side of the sensor structure, and the bias portion from a surface of the cover facing the sensor structure. It is characterized by being projected.

この発明によれば、センサ用構造体の前記一表面側にカバーを固着することによって、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部をバイアス部により折曲させることができる。   According to the present invention, by fixing the cover to the one surface side of the sensor structure, the intermediate portion of the carbon nanotube constituting the gauge resistance can be bent by the bias portion.

請求項1の発明では、センサ用構造体に力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブが折曲されていない従来の物理量センサと比較して、ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となるという効果がある。   According to the first aspect of the present invention, the carbon nanotube gauge constituting the gauge resistance is compared with the conventional physical quantity sensor in which the carbon nanotube constituting the gauge resistance is not bent in a state where no force is applied to the sensor structure. It is possible to increase the rate, and there is an effect that it is possible to achieve higher sensitivity than in the past.

本実施形態では、検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサの一例として例示する圧力センサについて、図1〜図3を参照しながら説明する。   In this embodiment, a pressure sensor exemplified as an example of a physical quantity sensor that detects a physical quantity to be detected as a change in resistance value due to strain of a gauge resistance will be described with reference to FIGS.

本実施形態の圧力センサは、半導体基板であるシリコン基板(以下、第1のシリコン基板と称す)をマイクロマシンニング技術により加工して形成され一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜2を有するセンサ用構造体1と、センサ用構造体1の上記一表面側に配置されそれぞれカーボンナノチューブCNTからなる2個のゲージ抵抗R1,R3および2個の基準抵抗R2,R4と、センサ用構造体1とは別のシリコン基板(以下、第2のシリコン基板と称す)をマイクロマシンニング技術により加工して形成されセンサ用構造体1の上記一表面側に固着されたカバー7とを備えている。なお、各抵抗R1〜R4それぞれを構成するカーボンナノチューブCNTの本数は特に限定するものではなく、1本でも複数本でもよい。また、カバー7は、第2のシリコン基板に限らず、ガラス基板により形成してもよい。   The pressure sensor of the present embodiment is a sensor having an insulating film 2 made of a silicon oxide film on one surface side, which is formed by processing a silicon substrate (hereinafter referred to as a first silicon substrate), which is a semiconductor substrate, by micromachining technology. Structure 1, two gauge resistors R 1 and R 3 and two reference resistors R 2 and R 4 that are arranged on the one surface side of sensor structure 1 and are each made of carbon nanotube CNT, and sensor structure 1 Includes a cover 7 formed by processing another silicon substrate (hereinafter referred to as a second silicon substrate) by a micromachining technique and fixed to the one surface side of the sensor structure 1. Note that the number of carbon nanotubes CNT constituting each of the resistors R1 to R4 is not particularly limited, and may be one or plural. The cover 7 is not limited to the second silicon substrate, and may be formed of a glass substrate.

センサ用構造体1は、矩形枠状のフレーム部1aと、フレーム部1aの内側でフレーム部1aに連続一体に連結された薄肉のダイヤフラム部1bとで構成されている。すなわち、センサ用構造体1は、フレーム部1aの内側に位置し全周に亘ってフレーム部1aに支持されたダイヤフラム部1bが形成されており、ダイヤフラム部1bの厚み方向から圧力が加わるとダイヤフラム部1bが撓んで湾曲変形するようになっている。ここにおいて、ゲージ抵抗R1,R3は、センサ用構造体1の上記一表面側でダイヤフラム部1bの周部に対応する部位においてダイヤフラム部1bとフレーム部1aとの境界に直交する方向を長手方向として配設されており、基準抵抗R2,R4は、センサ用構造体1の上記一表面側でフレーム部1aに対応する部位においてダイヤフラム部1bとフレーム部1aとの境界に直交する方向を長手方向として配設されている。すなわち、ゲージ抵抗R1,R3は、ダイヤフラム部1bの湾曲変形に伴う抵抗値の変化量が大きくなるようにダイヤフラム部1bの外周(ダイヤフラム部1bとフレーム部1aとの境界)を構成する4辺のうちの2辺それぞれに略直交する方向に配設され、基準抵抗R2,R4はダイヤフラム部1bが湾曲変形しても抵抗値が変化しないようにフレーム部1aに対応する部位に配設されている。   The sensor structure 1 includes a rectangular frame-shaped frame portion 1a and a thin diaphragm portion 1b continuously and integrally connected to the frame portion 1a inside the frame portion 1a. That is, the sensor structure 1 is formed with a diaphragm portion 1b that is positioned inside the frame portion 1a and supported by the frame portion 1a over the entire circumference. When pressure is applied from the thickness direction of the diaphragm portion 1b, the diaphragm 1b is formed. The portion 1b is bent and deformed. Here, the gauge resistances R1 and R3 have a longitudinal direction in the direction corresponding to the boundary between the diaphragm portion 1b and the frame portion 1a at a portion corresponding to the peripheral portion of the diaphragm portion 1b on the one surface side of the sensor structure 1. The reference resistors R2 and R4 have a longitudinal direction in a direction corresponding to the boundary between the diaphragm portion 1b and the frame portion 1a at a portion corresponding to the frame portion 1a on the one surface side of the sensor structure 1. It is arranged. That is, the gauge resistors R1 and R3 have four sides constituting the outer periphery of the diaphragm portion 1b (boundary between the diaphragm portion 1b and the frame portion 1a) so that the amount of change in the resistance value accompanying the bending deformation of the diaphragm portion 1b is increased. The reference resistors R2 and R4 are disposed in a portion corresponding to the frame portion 1a so that the resistance value does not change even when the diaphragm portion 1b is bent and deformed. .

ここにおいて、センサ用構造体1は、例えばKOH(水酸化カリウム)、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)などのアルカリ系溶液などを用いた異方性エッチングによって第1のシリコン基板の裏面(センサ用構造体1の他表面)に凹所1cを設け、第1のシリコン基板の表面に絶縁膜2を設けることにより形成されている。   Here, the sensor structure 1 is formed by, for example, performing the anisotropic etching using an alkaline solution such as KOH (potassium hydroxide) or TMAH (tetramethylammonium hydroxide) on the back surface of the first silicon substrate (for sensor). It is formed by providing a recess 1c on the other surface of the structure 1 and providing an insulating film 2 on the surface of the first silicon substrate.

なお、センサ用構造体1の基礎となる半導体基板としての第1のシリコン基板の代わりに、厚み方向の中間に埋込酸化膜(シリコン酸化膜)からなる絶縁層が形成された所謂SOI基板(表面側のシリコン層と裏面側のシリコン基板との間に上記絶縁層が介在した基板)を採用すれば、裏面側からのエッチング時に上記絶縁層をエッチングストッパ層として利用することで、ダイヤフラム部1bの厚さ寸法を高精度に管理することが可能となって、歩留まりの向上が図れ、結果的に低コスト化を図れる。   A so-called SOI substrate in which an insulating layer made of a buried oxide film (silicon oxide film) is formed in the middle in the thickness direction instead of the first silicon substrate as a semiconductor substrate serving as the basis of the sensor structure 1. If a substrate in which the insulating layer is interposed between a silicon layer on the front surface side and a silicon substrate on the back surface side is employed, the diaphragm portion 1b can be obtained by using the insulating layer as an etching stopper layer during etching from the back surface side. The thickness dimension can be managed with high accuracy, the yield can be improved, and the cost can be reduced as a result.

また、上述の2個のゲージ抵抗R1,R3および2個の基準抵抗R2,R4は、センサ用構造体1の上記一表面側において絶縁膜2上に形成された複数(例えば、4つ)の金属配線(図示せず)などにより上述の図10に示すブリッジ回路を構成するように接続される。   The two gauge resistors R1 and R3 and the two reference resistors R2 and R4 are a plurality of (for example, four) formed on the insulating film 2 on the one surface side of the sensor structure 1. The above-described bridge circuit shown in FIG. 10 is connected by metal wiring (not shown) or the like.

したがって、ブリッジ回路の対角位置の一方の端子間に適宜の検出用電源Eを接続するとともに対角位置の他方の端子Vo1,Vo2間の電圧を検出し、適宜の補正を加えれば、ダイヤフラム部1bに作用する圧力に比例する電圧を得ることができるのである。なお、本実施形態の圧力センサにおいても、4つの金属配線それぞれの一部が端子としてのパッドを構成している。   Therefore, if a suitable power supply E for detection is connected between one terminal at the diagonal position of the bridge circuit, the voltage between the other terminals Vo1 and Vo2 at the other diagonal position is detected, and an appropriate correction is applied, the diaphragm portion A voltage proportional to the pressure acting on 1b can be obtained. In the pressure sensor of this embodiment, a part of each of the four metal wirings constitutes a pad as a terminal.

ところで、各抵抗R1〜R4は、センサ用構造体1の上記一表面側において突設した対となる支持台部3,3間に架設されたカーボンナノチューブにより構成されている。すなわち、センサ用構造体1には、対となる支持台部3,3が4箇所に設けられている。また、各支持台部3には、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属材料(例えば、Fe、Ni、Coなど)からなる触媒金属部6(図1(d)参照)が積層されている。   By the way, each of the resistors R1 to R4 is composed of carbon nanotubes that are installed between the pair of support bases 3 and 3 that protrude from the one surface side of the sensor structure 1. In other words, the sensor structure 1 is provided with four supporting base portions 3 and 3 in pairs. Each support base 3 is laminated with a catalyst metal portion 6 (see FIG. 1D) made of a catalyst metal material (for example, Fe, Ni, Co, etc.) for growing carbon nanotubes.

各支持台部3の平面形状は対となる支持台部3,3の並設方向に交差する方向を長手方向とする細長の長方形状であって、対となる支持台部3,3間の距離は略一定となっており、触媒金属部6,6の平面形状も支持台部3,3と同様の形状となっている。したがって、対となる触媒金属部6,6間に適宜の電圧を印加し且つセンサ用構造体1の上記一表面側に炭素を含む原料ガス(例えば、炭化水素を含むCガス、Cガス、CHガスなど)を供給してCVD法によって対となる触媒金属部6,6間にカーボンナノチューブを成長させることができ、対となる支持台部3,3上の触媒金属部6,6間に架設されるカーボンナノチューブCNTは直線状に成長する。 The planar shape of each support base 3 is an elongated rectangular shape whose longitudinal direction is the direction intersecting the parallel arrangement direction of the pair of support bases 3, 3, and is between the pair of support bases 3, 3. The distance is substantially constant, and the planar shape of the catalyst metal parts 6 and 6 is the same as that of the support base parts 3 and 3. Accordingly, an appropriate voltage is applied between the pair of catalytic metal parts 6 and 6, and the source gas containing carbon on the one surface side of the sensor structure 1 (for example, C 2 H 2 gas containing hydrocarbon, C 2 H 4 gas, CH 4 gas, etc.) can be supplied to grow carbon nanotubes between the pair of catalyst metal parts 6 and 6 by the CVD method, and the catalyst metal on the pair of support base parts 3 and 3 The carbon nanotubes CNT installed between the parts 6 and 6 grow linearly.

ここにおいて、各支持台部3は導電性材料により形成されており、各抵抗R1〜R4の電極を兼ねているので、支持台部3とは別に各抵抗R1〜R4の電極を設ける場合に比べて製造プロセスの簡略化を図れ、低コスト化を図れる。また、各支持台部3それぞれにより構成される各電極と電気的に接続された金属配線(図示せず)を各抵抗R1〜R4の形成前にセンサ用構造体1の絶縁膜2上に形成しておけば、カーボンナノチューブCNTの形成工程において、対となる触媒金属部6,6間に電圧を印加するにあたって、対となる触媒金属部6,6にそれぞれ電極を兼ねる支持台部3,3を介して電気的に接続された金属配線間に電圧を印加すればよい。ただし、金属配線の形成工程は、必ずしもカーボンナノチューブCNTの形成工程の前に行う必要はなく、カーボンナノチューブCNTの形成工程の後で行うようにしてもよい。   Here, each support base 3 is made of a conductive material and also serves as an electrode for each of the resistors R1 to R4. Therefore, compared to the case where the electrodes for each of the resistors R1 to R4 are provided separately from the support base 3. Thus, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced. Further, a metal wiring (not shown) electrically connected to each electrode formed by each support base 3 is formed on the insulating film 2 of the sensor structure 1 before the formation of the resistors R1 to R4. In this case, when applying a voltage between the pair of catalytic metal parts 6 and 6 in the carbon nanotube CNT forming step, the supporting base parts 3 and 3 that also serve as electrodes in the paired catalytic metal parts 6 and 6, respectively. What is necessary is just to apply a voltage between the metal wiring electrically connected through this. However, the metal wiring forming step is not necessarily performed before the carbon nanotube CNT forming step, and may be performed after the carbon nanotube CNT forming step.

上述の各支持台部3は、導電性を付与したシリコン層(例えば、不純物をドーピングすることにより導電性を付与した低抵抗の単結晶シリコン層、不純物をドーピングすることにより導電性を付与した低抵抗の多結晶シリコン層など)3aと高融点金属(例えば、W、Ti、Mo、Pt、Crなど)からなる高融点金属層3bとの積層構造を有しており、比較的高温のプロセスであるカーボンナノチューブCNTの形成工程におけるプロセス温度(例えば、500〜1000℃程度)に比べて、シリコン層3aおよび高融点金属層3bそれぞれの融点が高いので、カーボンナノチューブCNTの形成工程での各支持台部3の熱劣化を防止することができる。また、導電性を付与したシリコン層3aと触媒金属部6との間には高融点金属層3bが介在しているので、カーボンナノチューブCNTの形成工程で触媒金属部6がシリサイド化してコンタクト抵抗が増大するのを防止することができる。なお、各支持台部3は、上述のような導電性を付与したシリコン層3aと高融点金属層3bとの積層構造に限らず、導電性を付与した低抵抗の多結晶シリコン層の単層構造や高融点金属などからなる金属層の単層構造により構成してもよい。ここで、各支持台部3を導電性を付与した多結晶シリコン層の単層構造により構成した場合にも、各支持台部3の融点がカーボンナノチューブCNTの形成工程におけるプロセス温度よりも高くなるので、各支持台部3の熱劣化を防止することができる。また、各支持台部3を高融点金属からなる金属層により構成した場合にも、各支持台部3の融点がカーボンナノチューブCNTの形成工程におけるプロセス温度よりも高くなるので、各支持台部3の熱劣化を防止することができ、しかも、多結晶シリコン層により構成する場合に比べて、電極の低抵抗化を図れる。   Each of the support bases 3 described above includes a silicon layer imparted with conductivity (for example, a low-resistance single crystal silicon layer imparted with conductivity by doping impurities, a low-resistance imparted conductivity by doping impurities). A resistive polycrystalline silicon layer, etc.) 3a and a refractory metal layer 3b made of a refractory metal (for example, W, Ti, Mo, Pt, Cr, etc.). Since the melting point of each of the silicon layer 3a and the refractory metal layer 3b is higher than the process temperature (for example, about 500 to 1000 ° C.) in the formation process of a certain carbon nanotube CNT, each support base in the formation process of the carbon nanotube CNT The thermal deterioration of the part 3 can be prevented. Further, since the refractory metal layer 3b is interposed between the silicon layer 3a to which conductivity is imparted and the catalytic metal part 6, the catalytic metal part 6 is silicided in the process of forming the carbon nanotube CNT, and the contact resistance is reduced. It is possible to prevent the increase. Each support base 3 is not limited to the laminated structure of the silicon layer 3a and the refractory metal layer 3b provided with conductivity as described above, but a single layer of a low-resistance polycrystalline silicon layer provided with conductivity. You may comprise by the single layer structure of the metal layer which consists of a structure, a high melting point metal, etc. Here, also when each support base part 3 is constituted by a single-layer structure of a polycrystalline silicon layer imparted with conductivity, the melting point of each support base part 3 becomes higher than the process temperature in the carbon nanotube CNT forming step. Therefore, the thermal deterioration of each support base part 3 can be prevented. Further, even when each support base 3 is formed of a metal layer made of a refractory metal, the melting point of each support base 3 becomes higher than the process temperature in the carbon nanotube CNT forming step. In addition, the resistance of the electrode can be reduced as compared with the case where it is composed of a polycrystalline silicon layer.

また、各支持台部3としては、例えば、図4(c)に示すように、シリコン層3cとシリコン層3c上のシリコン酸化膜3dとの積層構造を採用してもよく、このような積層構造を採用した場合にも支持台部3の融点がカーボンナノチューブCNTの形成工程におけるプロセス温度よりも高くなるので、カーボンナノチューブCNTの形成工程で支持台部3が熱劣化するのを防止することができる。   Moreover, as each support stand 3, for example, as shown in FIG. 4C, a laminated structure of a silicon layer 3c and a silicon oxide film 3d on the silicon layer 3c may be adopted. Even when the structure is adopted, since the melting point of the support base 3 becomes higher than the process temperature in the carbon nanotube CNT formation process, it is possible to prevent the support base 3 from being thermally deteriorated in the carbon nanotube CNT formation process. it can.

ここで、支持台部3の熱劣化を防止するだけであれば支持台部3はシリコンにより形成すればよい(つまり、シリコン層3cのみにより構成すればよい)が、シリコン層3cと触媒金属部6との間にシリコン酸化膜3dを介在させることにより、支持台部3上の触媒金属部6のシリサイド化を防止することができる。   Here, if only the thermal degradation of the support base 3 is prevented, the support base 3 may be formed of silicon (that is, it may be formed only of the silicon layer 3c), but the silicon layer 3c and the catalytic metal part By interposing the silicon oxide film 3 d between the first and second electrodes 6, silicidation of the catalyst metal portion 6 on the support base 3 can be prevented.

各支持台部3をシリコン層3cとシリコン層3c上のシリコン酸化膜3dとにより構成する場合には、センサ用構造体1の基礎となる半導体基板として図4(a)に示すように厚み方向の中間にシリコン酸化膜からなる絶縁膜2を有するSOI基板100を用意し、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を利用して図4(b)に示すようにSOI基板100の一表面側のシリコン層100cをパターニングすることによって各支持台部3それぞれの一部を構成する複数のシリコン層3cを形成してから、図4(c)に示すように各シリコン層3cそれぞれの表面側にシリコン酸化膜3dを形成すればよい。   When each support base 3 is constituted by the silicon layer 3c and the silicon oxide film 3d on the silicon layer 3c, the thickness direction as shown in FIG. 4A, an SOI substrate 100 having an insulating film 2 made of a silicon oxide film is prepared, and a silicon layer on one surface side of the SOI substrate 100 is used as shown in FIG. 4B by using a photolithography technique and a dry etching technique. After patterning 100c, a plurality of silicon layers 3c constituting a part of each support base 3 are formed, and then a silicon oxide film is formed on the surface side of each silicon layer 3c as shown in FIG. 3d may be formed.

また、各支持台部3は、例えば、図5(c)に示すようにセンサ用構造体1の基礎となるシリコン基板の一表面側の一部をLOCOS(Local Oxidation Of Silicon)法により選択的に酸化することによって形成されたシリコン酸化膜2cのうち絶縁膜2よりも突出した部分により構成し(つまり、各支持台部3を二酸化シリコンにより形成し)、各支持台部3に触媒金属部6を積層してもよい。図5(c)に示す構造を得るには、センサ用構造体1の第1のシリコン基板上の絶縁膜2上にシリコン窒化膜8をCVD法などによって成膜し、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を利用してシリコン窒化膜8のうち支持台部3の形成予定領域に重なる部位を除去することにより図5(a)に示す構造を得てから、LOCOS法により上記第1のシリコン基板を選択的に酸化することによって上記シリコン酸化膜2cを形成することで図5(b)に示す構造を得て、その後、シリコン窒化膜8を除去してから、上記シリコン酸化膜2cの一部からなる支持台部3上に触媒金属部6を形成することで図5(c)に示す構造を得ればよい。上述のように、支持台部3を二酸化シリコンにより形成すれば、支持台部3の形成工程とは別に支持台部3と触媒金属部6との間に介在して触媒金属部5のシリサイド化を防止するバリア層を形成する場合に比べて、製造プロセスの簡略化を図れる。なお、支持台部3を二酸化シリコンで形成する代わりに窒化シリコンにより形成してもよく、支持台部3を窒化シリコンにより形成した場合にも、支持台部3の形成工程とは別に支持台部3と触媒金属部6との間に上記バリア層を形成する場合に比べて、製造プロセスの簡略化を図れる。   In addition, each support base portion 3 is, for example, as shown in FIG. 5C, a part of one surface side of the silicon substrate that is the basis of the sensor structure 1 is selectively selected by a LOCOS (Local Oxidation Of Silicon) method. Of the silicon oxide film 2c formed by oxidation, a portion protruding from the insulating film 2 is formed (that is, each support base 3 is formed of silicon dioxide), and each support base 3 is provided with a catalyst metal portion. 6 may be laminated. To obtain the structure shown in FIG. 5C, a silicon nitride film 8 is formed on the insulating film 2 on the first silicon substrate of the sensor structure 1 by a CVD method or the like, and a photolithography technique and dry etching are performed. The structure shown in FIG. 5A is obtained by removing the portion of the silicon nitride film 8 that overlaps the region where the support base 3 is to be formed by using the technique, and then the first silicon substrate is formed by the LOCOS method. The silicon oxide film 2c is formed by selective oxidation to obtain the structure shown in FIG. 5 (b). Thereafter, the silicon nitride film 8 is removed, and then the silicon oxide film 2c is partially removed. The structure shown in FIG. 5C may be obtained by forming the catalyst metal portion 6 on the support base portion 3 to be formed. As described above, if the support base 3 is formed of silicon dioxide, the catalyst metal part 5 is silicided by being interposed between the support base 3 and the catalyst metal part 6 separately from the process of forming the support base 3. The manufacturing process can be simplified as compared with the case where a barrier layer for preventing the above is formed. The support base 3 may be formed of silicon nitride instead of silicon dioxide. When the support base 3 is formed of silicon nitride, the support base 3 is formed separately from the step of forming the support base 3. The manufacturing process can be simplified as compared with the case where the above-described barrier layer is formed between 3 and the catalytic metal portion 6.

次に、センサ用構造体1の上記一表面側に固着されるカバー7について説明する。   Next, the cover 7 fixed to the one surface side of the sensor structure 1 will be described.

上述のカバー7は、矩形板状であって、センサ用構造体1との対向面に、センサ用構造体1のダイヤフラム部1bの変位空間を確保するための凹所7aが形成されており、周部が全周にわたってセンサ用構造体1に固着されている。ここで、カバー7とセンサ用構造体1とは陽極接合により固着されている。なお、カバー7は、センサ用構造体1の上記一表面側の上記各パッドを露出させることができるように、センサ用構造体1よりも図1(a)における左右方向の寸法を短く設定してある。   The above-described cover 7 has a rectangular plate shape, and a recess 7a for securing a displacement space of the diaphragm portion 1b of the sensor structure 1 is formed on a surface facing the sensor structure 1. The circumference is fixed to the sensor structure 1 over the entire circumference. Here, the cover 7 and the sensor structure 1 are fixed by anodic bonding. Note that the cover 7 is set to have a shorter dimension in the left-right direction in FIG. 1A than the sensor structure 1 so that the pads on the one surface side of the sensor structure 1 can be exposed. It is.

ここに、カバー7における凹所7aの内底面には、センサ用構造体1に力(本実施形態では、圧力)が働いていない状態でゲージ抵抗R1,R3を構成する各カーボンナノチューブCNTそれぞれの中間部を押圧し当該各カーボンナノチューブCNTの中間部を折曲させる突起状の2つのバイアス部7bが突設されている。すなわち、本実施形態では、センサ用構造体1に上記力が働いていない状態でゲージ抵抗R1,R3を構成する各カーボンナノチューブCNTそれぞれの中間部がバイアス部7bにより押圧されて折曲されるように、ゲージ抵抗R1,R3を構成する各カーボンナノチューブCNTの位置とバイアス部7bとの相対的な位置関係を設定してある。より具体的には、バイアス部7bの先端面とカバー7におけるセンサ用構造体1との接合面とを同一平面上に揃えて、センサ用構造体1に上記力が働いていない状態でゲージ抵抗R1,R3を構成する各カーボンナノチューブCNTそれぞれの中間部がバイアス部7bにより押圧されて折曲されるように対となる支持台部3,3の絶縁膜2からの突出高さを設定してある。なお、バイアス部7bは、カバー7の厚み方向に直交する断面が細長の長方形状であって、凹所7aの内底面から離れるにつれて断面積が徐々に小さくなる形状に形成されており、図1(d)に示すように、バイアス部7bの先端部と対となる支持台部3,3との間に隙間が形成されるようになっている。   Here, on the inner bottom surface of the recess 7a in the cover 7, each of the carbon nanotubes CNT constituting the gauge resistors R1 and R3 in a state where no force (pressure in this embodiment) is applied to the sensor structure 1. Two protruding bias portions 7b are provided so as to press the intermediate portion and bend the intermediate portion of each carbon nanotube CNT. That is, in the present embodiment, the intermediate portions of the carbon nanotubes CNT constituting the gauge resistors R1 and R3 are pressed and bent by the bias portion 7b in a state where the force is not applied to the sensor structure 1. In addition, the relative positional relationship between the position of each carbon nanotube CNT constituting the gauge resistors R1 and R3 and the bias portion 7b is set. More specifically, the gauge resistance is obtained in a state where the tip surface of the bias portion 7b and the joint surface of the cover 7 to the sensor structure 1 are aligned on the same plane and the force is not applied to the sensor structure 1. The protruding height from the insulating film 2 of the pair of support bases 3 and 3 is set so that the middle part of each carbon nanotube CNT constituting R1 and R3 is pressed and bent by the bias part 7b. is there. The bias portion 7b has a rectangular shape with a cross section orthogonal to the thickness direction of the cover 7, and has a cross-sectional area that gradually decreases as the distance from the inner bottom surface of the recess 7a increases. As shown in (d), a gap is formed between the tip of the bias portion 7b and the pair of support base portions 3 and 3.

しかして、本実施形態では、センサ用構造体1に力が働いていない状態でゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTの中間部を折曲させるバイアス部7b,7bを備えているので、センサ用構造体1に力が働いていない状態でゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTが折曲されていない従来の圧力センサと比較して、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となる。また、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTが対となる支持台部3,3間に架設されているので、当該カーボンナノチューブCNTの中間部をバイアス部7bにより折曲させやすく、当該カーボンナノチューブCNTのゲージ率を高めることができる。   Therefore, in the present embodiment, since the sensor structure 1 is provided with bias portions 7b and 7b that bend the intermediate portions of the carbon nanotubes CNT constituting the gauge resistors R1 and R3 in a state where no force is applied to the sensor structure 1, Compared with the conventional pressure sensor in which the carbon nanotubes CNT constituting the gauge resistors R1 and R3 are not bent in a state where no force is applied to the sensor structure 1, the carbon nanotubes CNT constituting the gauge resistors R1 and R3 It is possible to increase the gauge factor, and it is possible to achieve higher sensitivity than in the past. Further, since the carbon nanotubes CNT constituting the gauge resistors R1 and R3 are installed between the pair of support bases 3 and 3, the intermediate part of the carbon nanotubes CNT can be easily bent by the bias part 7b, The gauge factor of the nanotube CNT can be increased.

ところで、センサ用構造体1において絶縁膜2から突出する支持台部3,3を設けずに、図7(a)に示すように絶縁膜2に凹溝2bを設けて、センサ用構造体1のダイヤフラム部1bに圧力が加えられていない状態でバイアス部7bの先端面をカーボンナノチューブCNTの中間部に当接させるように構成することが考えられ、この図7(a)の構成では、センサ用構造体1のダイヤフラム部1bに図7(a)の下方から圧力が加えられると、ダイヤフラム部1bが図7(b)中に二点鎖線で示すように湾曲変形する一方で、カーボンナノチューブCNTの中間部がバイアス部7bによってダイヤフラム部1bの変位方向とは反対側に凸となるV字状の形状に折曲され凹溝2bの内側に入り込む。しかしながら、上述のようにバイアス部7bを一体に備えたカバー7は周部がセンサ用構造体1のフレーム1aに陽極接合などにより固着されるので、センサ用構造体1を多数形成したウェハおよびカバー7を多数形成したウェハそれぞれの反りや、絶縁膜2の厚みのばらつきなどに起因して、センサ用構造体1の厚み方向におけるカーボンナノチューブCNTとバイアス部7bとの相対的な位置が互いに離れる向きにずれた場合には、センサ用構造体1に圧力が作用してもバイアス部7bによりカーボンナノチューブCNTの中間部が押圧されなくなってしまうことが考えられる。   By the way, without providing the support bases 3 and 3 projecting from the insulating film 2 in the sensor structure 1, a concave groove 2 b is provided in the insulating film 2 as shown in FIG. It is conceivable that the front end surface of the bias portion 7b is brought into contact with the intermediate portion of the carbon nanotube CNT in a state where no pressure is applied to the diaphragm portion 1b. In the configuration of FIG. When pressure is applied to the diaphragm portion 1b of the structural body 1 from below in FIG. 7 (a), the diaphragm portion 1b is curved and deformed as shown by a two-dot chain line in FIG. 7 (b), while the carbon nanotube CNT The intermediate portion of the first electrode is bent into a V-shape that protrudes in the opposite direction to the displacement direction of the diaphragm portion 1b by the bias portion 7b, and enters the inside of the groove 2b. However, since the cover 7 integrally provided with the bias portion 7b as described above is fixed to the frame 1a of the sensor structure 1 by anodic bonding or the like, a wafer and a cover on which a large number of sensor structures 1 are formed. Direction in which the relative positions of the carbon nanotubes CNT and the bias portion 7b in the thickness direction of the sensor structure 1 are separated from each other due to warpage of wafers on which a large number of wafers 7 are formed, variations in the thickness of the insulating film 2, and the like. In such a case, it is considered that even if a pressure is applied to the sensor structure 1, the intermediate portion of the carbon nanotube CNT is not pressed by the bias portion 7b.

これに対して、本実施形態の圧力センサでは、センサ用構造体1の上記一表面側に対となる支持台部3,3を突設し、センサ用構造体1に圧力が働いていない状態でカーボンナノチューブCNTの中間部がバイアス部7bにより押圧されて折曲されるように対となる支持台部3,3の突出高さを設定してあるので、センサ用構造体1に圧力が働いていない状態でも確実にゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTの中間部を折曲させることができ、圧力が働いたときのゲージ抵抗R1,R3のゲージ率が高くなるから、従来の圧力センサと比較して、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTのゲージ率を高めることが可能となり、従来に比べて高感度化を図ることが可能となる。なお、基準抵抗R2,R4を構成するカーボンナノチューブCNTについては、対となる支持台部3,3間に架設する必要はなく、絶縁膜2上に対となる触媒金属部6,6を形成して、対となる触媒金属部6,6間に成長させるようにしてもよい。   On the other hand, in the pressure sensor of the present embodiment, a pair of support bases 3 and 3 are provided on the one surface side of the sensor structure 1 so that no pressure is applied to the sensor structure 1. Since the projecting heights of the paired support bases 3 and 3 are set so that the intermediate part of the carbon nanotube CNT is pressed and bent by the bias part 7b, pressure acts on the sensor structure 1. The intermediate portions of the carbon nanotubes CNT constituting the gauge resistances R1 and R3 can be reliably bent even when the pressure is not applied, and the gauge factor of the gauge resistances R1 and R3 when the pressure is applied is increased. Compared to the sensor, it is possible to increase the gauge factor of the carbon nanotubes CNT constituting the gauge resistors R1 and R3, and it is possible to achieve higher sensitivity than in the past. The carbon nanotubes CNT constituting the reference resistors R2 and R4 do not need to be installed between the pair of support bases 3 and 3, and the catalyst metal parts 6 and 6 are formed on the insulating film 2 as a pair. Then, it may be allowed to grow between the pair of catalytic metal parts 6 and 6.

本実施形態では、センサ用構造体1に圧力が働いていない状態でゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTの中間部をバイアス部7bが押圧して中間部を図1(d)に示すように折曲させているが、図6に示すようにカーボンナノチューブCNTの曲げ角度βを172°とするように、支持台部3,3の突出高さを設定しておけば、センサ用構造体1に圧力が作用したときに圧力が小さくてもゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTの曲げ角度が172°よりも小さくなってゲージ率が高くなるので、より高感度化を図ることができる。ここで、カーボンナノチューブCNTにおいてバイアス部7bにより押圧される位置は当該カーボンナノチューブCNTの長手方向の中間部であればいずれの位置でもよい。なお、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTのひずみを大きくしてゲージ率を高くするには長手方向の略中央位置を押圧することが望ましい。また、ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTそれぞれについて中間部を押圧して折曲させるバイアス部7bの数は1つに限らず、複数でもよい(ゲージ抵抗R1,R3を構成するカーボンナノチューブCNTそれぞれに対してバイアス部7bを複数設ける場合には、対となる支持台部3,3の並設方向に複数のバイアス部7bを並設すればよい)。   In the present embodiment, the bias portion 7b presses the intermediate portion of the carbon nanotubes CNT constituting the gauge resistors R1 and R3 in a state where no pressure is applied to the sensor structure 1, and the intermediate portion is shown in FIG. As shown in FIG. 6, if the protruding heights of the support bases 3 and 3 are set so that the bending angle β of the carbon nanotube CNT is 172 ° as shown in FIG. Even when the pressure is applied to the body 1, even if the pressure is small, the bending angle of the carbon nanotubes CNT constituting the gauge resistances R1 and R3 is smaller than 172 ° and the gauge rate is increased, so that higher sensitivity is achieved. Can do. Here, the position pressed by the bias portion 7b in the carbon nanotube CNT may be any position as long as it is an intermediate portion in the longitudinal direction of the carbon nanotube CNT. In order to increase the strain rate of the carbon nanotubes CNT constituting the gauge resistors R1 and R3 and increase the gauge factor, it is desirable to press the substantially central position in the longitudinal direction. Further, the number of bias portions 7b that press and bend the intermediate portion of each carbon nanotube CNT constituting the gauge resistors R1 and R3 is not limited to one, but may be plural (carbon nanotubes constituting the gauge resistors R1 and R3). When a plurality of bias portions 7b are provided for each of the CNTs, a plurality of bias portions 7b may be provided in parallel in the direction in which the pair of support base portions 3 and 3 are provided in parallel.

ところで、本実施形態では、センサ用構造体1が圧力センサ用の構造体を構成しており、センサ用構造体1のダイヤフラム部1bにおける周部にゲージ抵抗R1,R3を配設してあるが、圧力によるダイヤフラム部1bの変位量の大きな中央部にゲージ抵抗R1,R3を配設すれば、圧力によるダイヤフラム部1bの変位量の小さな周部にゲージ抵抗R1,R3を配設している場合と同じ感度であれば、ダイヤフラム部1bの厚みを厚くすることができ、センサ用構造体1の機械的強度を高めることができる。   By the way, in this embodiment, the sensor structure 1 constitutes a pressure sensor structure, and the gauge resistors R1 and R3 are arranged on the periphery of the diaphragm portion 1b of the sensor structure 1. When the gauge resistances R1 and R3 are disposed in the central portion where the displacement amount of the diaphragm portion 1b due to pressure is large, the gauge resistors R1 and R3 are disposed around the peripheral portion where the displacement amount of the diaphragm portion 1b due to pressure is small If the sensitivity is the same, the thickness of the diaphragm portion 1b can be increased, and the mechanical strength of the sensor structure 1 can be increased.

なお、上述の実施形態では、物理量センサの一例として圧力センサについて例示したが、本願発明の技術思想は、圧力センサに限らず、例えば、ゲージ抵抗を利用した他の物理量センサ(例えば、加速度センサ、ジャイロセンサなど)にも適用することができ、一例として、加速度センサに適用する場合には、例えば、図11に示した従来例と同様の加速度センサにおいてゲージ抵抗R11,R12を構成するカーボンナノチューブCNTを、図8に示すように、センサ用構造体11の一表面側において突設した対となる支持台部3,3間に架設し(図8ではゲージ抵抗R12のみ表れている)、センサ用構造体11の上記一表面側に固着するカバー7に、凹所7aの内底面から突出する上述のバイアス部7bを設ければよい。   In the above-described embodiment, the pressure sensor is illustrated as an example of the physical quantity sensor. However, the technical idea of the present invention is not limited to the pressure sensor, and for example, other physical quantity sensors using a gauge resistance (for example, an acceleration sensor, As an example, when applied to an acceleration sensor, for example, carbon nanotubes CNT constituting gauge resistors R11 and R12 in the same acceleration sensor as the conventional example shown in FIG. As shown in FIG. 8, a pair of support bases 3 and 3 projecting on the one surface side of the sensor structure 11 is installed (only the gauge resistance R12 appears in FIG. 8), and the sensor What is necessary is just to provide the above-mentioned bias part 7b which protrudes from the inner bottom face of the recess 7a in the cover 7 which adheres to the said one surface side of the structure 11. FIG.

実施形態を示し、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A’断面図、(c)は(a)のB−B’断面図、(d)は(b)の要部Cの拡大図である。Embodiments are shown, (a) is a schematic plan view, (b) is an AA ′ sectional view of (a), (c) is a BB ′ sectional view of (a), and (d) is (b). It is an enlarged view of the principal part C of FIG. 同上におけるセンサ用構造体を示し、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A’断面図、(c)は(a)のB−B’断面図である。The structure for sensors in the same as above is shown, in which (a) is a schematic plan view, (b) is a sectional view taken along line A-A 'in (a), and (c) is a sectional view taken along line B-B' in (a). 同上におけるカバーを示し、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−A’断面図、(c)は(a)のB−B’断面図、(d)は下面図である。The cover in the same as above is shown, (a) is a schematic plan view, (b) is a sectional view taken along line AA 'in (a), (c) is a sectional view taken along line BB' in (a), and (d) is a bottom view. It is. 同上の他の構成例の製造方法を説明するための主要工程断面図である。It is principal process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the other structural example same as the above. 同上の他の構成例の製造方法を説明するための主要工程断面図である。It is principal process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the other structural example same as the above. 同上の要部説明図である。It is principal part explanatory drawing same as the above. 同上の比較例の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of a comparative example same as the above. 他の実施形態を示し、(a)は概略断面図、(b)は(a)の要部Cの拡大図である。Other embodiment is shown, (a) is a schematic sectional drawing, (b) is an enlarged view of the principal part C of (a). 従来例を示し、(a)は概略平面図、(b)は概略断面図、(c)は(b)の要部拡大図である。A prior art example is shown, (a) is a schematic plan view, (b) is a schematic cross-sectional view, and (c) is an enlarged view of the main part of (b). 同上の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing same as the above. 他の従来例を示し、(a)は概略平面図、(b)は概略断面図、(c)は(b)の要部拡大図である。Another prior art example is shown, (a) is a schematic plan view, (b) is a schematic cross-sectional view, and (c) is an enlarged view of a main part of (b). カーボンナノチューブの曲げ角度の説明図である。It is explanatory drawing of the bending angle of a carbon nanotube. カーボンナノチューブの曲げ角度とゲージ率との関係図である。FIG. 4 is a relationship diagram between a bending angle of a carbon nanotube and a gauge factor.

符号の説明Explanation of symbols

1 センサ用構造体
1a フレーム部
1b ダイヤフラム部
1c 凹所
2 絶縁膜
3 支持台部
3a シリコン層
3b 高融点金属層
6 触媒金属部
7 カバー
7a 凹所
7b バイアス部
CNT カーボンナノチューブ
R1,R3 ゲージ抵抗
R2,R4 基準抵抗
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor structure 1a Frame part 1b Diaphragm part 1c Recess 2 Insulating film 3 Support base part 3a Silicon layer 3b Refractory metal layer 6 Catalyst metal part 7 Cover 7a Recess 7b Bias part CNT Carbon nanotube R1, R3 Gauge resistance R2 , R4 Reference resistance

Claims (8)

検出対象の物理量をゲージ抵抗のひずみによる抵抗値の変化として検出する物理量センサであって、ゲージ抵抗が、センサ用構造体の一表面側において突設した対となる支持台部間に架設されたカーボンナノチューブからなり、センサ用構造体の前記一表面側に、センサ用構造体に力が働いていない状態でゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブの中間部を押圧し当該カーボンナノチューブの中間部を折曲させるバイアス部を備えることを特徴とする物理量センサ。   A physical quantity sensor for detecting a physical quantity to be detected as a change in resistance value due to strain of a gauge resistance, wherein the gauge resistance is installed between a pair of support bases protruding on one surface side of the sensor structure. It consists of carbon nanotubes, and presses the middle part of the carbon nanotube that constitutes the gauge resistance on the one surface side of the sensor structure without any force acting on the sensor structure to bend the middle part of the carbon nanotube A physical quantity sensor comprising a bias unit to be operated. ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、シリコンにより形成されてなることを特徴とする請求項1記載の物理量センサ。   The carbon nanotube constituting the gauge resistance is grown between the catalyst metal parts stacked on each of the pair of support bases, and the support bases are formed of silicon. The physical quantity sensor according to 1. 支持台部は、導電性を有し、ゲージ抵抗の電極を兼ねてなることを特徴とする請求項1記載の物理量センサ。   The physical quantity sensor according to claim 1, wherein the support base part has conductivity and serves also as an electrode of a gauge resistance. ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、多結晶シリコン層からなることを特徴とする請求項3記載の物理量センサ。   The carbon nanotube constituting the gauge resistance is grown between the catalytic metal parts stacked on each of the pair of support base parts, and the support base part is made of a polycrystalline silicon layer. 3. The physical quantity sensor according to 3. 支持台部は、金属層からなることを特徴とする請求項3記載の物理量センサ。   The physical quantity sensor according to claim 3, wherein the support base is made of a metal layer. ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、シリコン層と当該シリコン層に積層された高融点金属層とで構成されてなることを特徴とする請求項3記載の物理量センサ。   The carbon nanotubes constituting the gauge resistance are grown between the catalyst metal parts stacked on each of the paired support base parts, and the support base part is a silicon layer and a refractory metal stacked on the silicon layer. The physical quantity sensor according to claim 3, comprising a layer. ゲージ抵抗を構成するカーボンナノチューブは、対となる支持台部それぞれに積層された触媒金属部間に成長されたものであり、支持台部は、二酸化シリコン若しくは窒化シリコンにより形成されてなることを特徴とする請求項1記載の物理量センサ。   The carbon nanotubes constituting the gauge resistance are grown between the catalyst metal parts stacked on each of the paired support base parts, and the support base parts are formed of silicon dioxide or silicon nitride. The physical quantity sensor according to claim 1. センサ用構造体の前記一表面側に固着されるカバーを備え、バイアス部は、カバーにおけるセンサ用構造体との対向面から突設されてなることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の物理量センサ。   8. The sensor structure according to claim 1, further comprising a cover fixed to the one surface side of the sensor structure, wherein the bias portion protrudes from a surface of the cover facing the sensor structure. The physical quantity sensor according to any one of the above.
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