JP4621257B2 - Variable inductor type MEMS pressure sensor using magnetostrictive effect - Google Patents
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Description
本発明は、圧力センサーに係り、さらに詳細には、磁歪物質をコアとして外部で作用する圧力によって透磁率が大きく変化する磁歪効果を利用する可変インダクタンス型の圧力センサーを、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を利用して形成した圧力センサーに関する。 The present invention relates to a pressure sensor. More specifically, the present invention relates to a variable inductance type pressure sensor that uses a magnetostrictive effect in which a magnetic permeability is greatly changed by a pressure acting externally with a magnetostrictive substance as a core, and is a MEMS (Micro Electro Mechanical System). ) It relates to a pressure sensor formed using technology.
半導体圧力センサーは、最近に実用化された圧力センサーであって、圧力を加える場合の特性曲線と加圧した状態から圧力を減少する場合の特性曲線とが相異なる現象、すなわち、ヒステリシス現象が無く、かつ直線性に優れ、小型・軽量であるので、振動にも非常に強いことが特徴である。また、半導体圧力センサーは、機械式より高感度・高信頼性であり、量産性に優れる。 The semiconductor pressure sensor is a pressure sensor that has recently been put into practical use, and there is no phenomenon that the characteristic curve when pressure is applied differs from the characteristic curve when pressure is reduced from a pressurized state, that is, there is no hysteresis phenomenon. In addition, because it is excellent in linearity and small and light, it is characterized by being extremely resistant to vibration. Moreover, the semiconductor pressure sensor is more sensitive and reliable than the mechanical type, and is excellent in mass productivity.
MEMS工程技術を利用したマイクロ圧力センサーとしては、圧抵抗効果を利用した圧抵抗型センサー、加圧による薄膜の挙動によるキャパシタンスの変化を測定する静電容量型センサー、及びビームの共振周波数の変化を測定する振動型センサーが代表的である。 The micro pressure sensor using MEMS process technology includes a piezoresistive sensor using the piezoresistive effect, a capacitive sensor that measures the change in capacitance due to the behavior of the thin film due to pressurization, and a change in the resonant frequency of the beam. A vibration type sensor to measure is typical.
圧抵抗型圧力センサーは、シリコンウェーハのダイアフラム上にブリッジ形態に構成された拡散抵抗を利用して抵抗成分の変化量を感知した後に、この抵抗成分の変化量を信号検出部を通じて検出する方式で圧力が測定されるセンサーである。このような圧抵抗型圧力センサーは、最も普遍的に使われるセンサーであるが、温度によるピエゾ物質の敏感度のため、センサー製作時にホイートストンブリッジ形態の方法を取るなど、付加的な回路構成を必要とし、遠隔測定に容易でない。 The piezoresistive pressure sensor detects the amount of change in the resistance component through a signal detection unit after sensing the amount of change in the resistance component using a diffusion resistor configured in a bridge configuration on the diaphragm of the silicon wafer. A sensor whose pressure is measured. Such a piezoresistive pressure sensor is the most commonly used sensor, but due to the sensitivity of the piezo material with temperature, additional circuit configuration is required, such as the Wheatstone bridge method at the time of sensor fabrication. And it is not easy for telemetry.
静電容量型圧力センサーは、相互対向している電極板の間隔が外部からの応力によって変化して電極間の静電容量が変化すれば、この変化を電気信号に変換させて応力を検出するセンサーである。このような静電容量型圧力センサーは、温度による敏感度が低く、MEMS技術で製作可能であり、低い圧力変化にも作動するので、精密計測が要求される所で多く使われているが、センサーの感度を表すFOM(Figure Of Merit)が小さくて、作動領域(Span領域)が狭帯域であり、圧抵抗型センサーより、製造工程が容易ではない。 The capacitance type pressure sensor detects the stress by converting this change into an electric signal when the distance between the electrode plates facing each other changes due to external stress and the capacitance between the electrodes changes. It is a sensor. Such a capacitive pressure sensor is less sensitive to temperature, can be manufactured with MEMS technology, and works even with low pressure changes, so it is often used where precision measurement is required. The FOM (Figure Of Merit) representing the sensitivity of the sensor is small, the operating region (Span region) is a narrow band, and the manufacturing process is not easier than a piezoresistive sensor.
また、圧抵抗型や静電容量型圧力センサーを高周波(UHF帯域以上)帯域で使用する場合に、周波数が高まるにつれて、半導体(Si系列)の抵抗成分及び高周波寄生成分の影響が大きくなるので、特別の構造または特別の高周波帯域で使用しうる物質/構造を考案せねばならず、現在使用のために発売された高周波用圧力センサーは、ほとんどない現実である。 In addition, when using a piezoresistive type or a capacitance type pressure sensor in a high frequency (UHF band or higher) band, the influence of the resistance component and the high frequency parasitic component of the semiconductor (Si series) increases as the frequency increases. There must be devised special structures or materials / structures that can be used in a special high frequency band, and there are few high frequency pressure sensors that are currently available for use.
インダクタンスの変化を利用して圧力を測定する方法は、去る10余年間進められてきたが、センサー自体に対する結果よりは、RFタグと関連した応用として発展しており、一般的に、コイルの形態は、マイクロセンサーに適用するのに過度に大きいか、たとえMEMS構造で製作しうるとしても、非常に難しい工程を行わねばならないので、実用性が低かった。 The method of measuring the pressure using the change in inductance has been advanced for the last ten years, but has been developed as an application related to the RF tag rather than the result for the sensor itself. Is too large to apply to a microsensor, or even if it can be fabricated with a MEMS structure, it has to be very difficult to perform, so it is not practical.
前記問題を解決するための本発明の目的は、高周波適用に適しており、MEMS工程と互換可能でありつつ、FOM(センサーの感度)が高くて、精密な計測の可能なインダクター型圧力センサーを提供することである。 An object of the present invention to solve the above problem is to provide an inductor type pressure sensor that is suitable for high-frequency applications and is compatible with a MEMS process, has high FOM (sensor sensitivity), and enables precise measurement. Is to provide.
前記目的を達成するための本発明の磁歪効果を利用した可変インダクター型のMEMS圧力センサーは、第1基板上に複数の環状電極が直列連結されるコイル部が形成され、前記第1基板と一定距離で平行に対向する第2基板上に前記環状電極と一対一対応する磁歪物質薄膜が形成されて前記コイル部と前記磁歪物質薄膜とがインダクターを構成し、外部の圧力によって前記磁歪物質薄膜の透磁率変化を誘導させて前記コイル部のインダクタンスを変化させるインダクターアレイ部と、前記インダクターアレイ部とLC共振回路とを構成して前記インダクターアレイ部で放電される磁気的エネルギーを電圧形態に変換させて保存するキャパシタ部と、を備える。 In order to achieve the above object, a variable inductor type MEMS pressure sensor using a magnetostrictive effect according to the present invention has a coil portion in which a plurality of annular electrodes are connected in series on a first substrate, and is constant with the first substrate. A magnetostrictive thin film corresponding to the annular electrode is formed on a second substrate facing in parallel at a distance, and the coil portion and the magnetostrictive thin film constitute an inductor, and the magnetostrictive thin film is formed by an external pressure. An inductor array unit that induces a change in permeability to change the inductance of the coil unit, and the inductor array unit and the LC resonance circuit constitute magnetic energy discharged in the inductor array unit in voltage form And a capacitor unit that stores the converted data.
本発明の磁歪効果を利用した可変インダクター型のMEMS圧力センサーは、既存の圧抵抗型または静電容量型センサーに比べてさらに敏感であるので、解像度が優秀であり、半導体工程と互換可能なMEMS工程技術を利用して製作されるので、小型化及び大量一括工程が可能であるので、生産コストを減らせる。また、本発明の圧力センサーは、電源が必要なく、無電源状態で圧力を計測できる無電源/無線センサーを作りうるので、人体挿入型あるいはリアルタイム状態診断システムとして活用する可能性が大きい。 The variable inductor type MEMS pressure sensor using the magnetostrictive effect of the present invention is more sensitive than the existing piezoresistive type or capacitance type sensor, so that the resolution is excellent and the MEMS is compatible with a semiconductor process. Since it is manufactured using process technology, it is possible to reduce the production cost because it can be miniaturized and mass-processed. In addition, the pressure sensor of the present invention can be used as a human body insertion type or a real-time state diagnosis system because it can create a non-power / wireless sensor that does not require a power source and can measure pressure in a non-power state.
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施例をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明による磁歪効果を利用した可変インダクター型のMEMS圧力センサーの構成を示す平面図である。 FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a variable inductor type MEMS pressure sensor using a magnetostriction effect according to the present invention.
本発明の磁歪効果を利用した可変インダクター型のMEMS圧力センサーは、LC共振回路を構成するインダクターアレイ部100とキャパシタ部200とを備える。
The variable inductor type MEMS pressure sensor using the magnetostrictive effect of the present invention includes an
インダクターアレイ部100は、外部から加えられる圧力によって磁歪物質薄膜の変形を誘導して、磁歪物質薄膜の透磁率を可変させることによってセンサーのインダクタンスを変化させる。このようなインダクターアレイ部100は、ガラス基板上に直列連結されるように形成される複数のコイル様環状電極110及びガラス基板と一定間隔で平行に対向する誘電体薄膜上に、コイル様環状電極110と一対一対応するように環状電極110の中心部に形成される複数の磁歪物質薄膜120がそれぞれ一つずつ対をなす複数の単位セル130を備える。すなわち、インダクターアレイ部100は、磁歪物質をコアとするソレノイドをMEMS工程技術を利用して具現するために、同じ基板上に複数の環状電極を形成した後、これらを電気的に直列連結させてインダクターのコイル部を形成する。そして、各環状電極110の中央部に対応するように磁歪物質薄膜120を形成することによって、図2のように磁歪物質をコアとする複数のソレノイドが直列連結されたインダクターネットワークと等価の回路を構成する。このとき、磁歪物質としては、非晶質及び単結晶合金が使われる。
The
キャパシタ部200は、インダクターアレイ部100で放電される磁気的エネルギーを電圧形態に変換させて保存し、インダクターアレイ部100で直列連結された環状電極110のうち、両端の環状電極と連結されて、インダクターアレイ部100と共にLCタンク(TANK)回路(LC共振回路)を形成する。
The
外部の圧力によってインダクターアレイ部100のコイル部(1次側コイル)で発生したエネルギー変化は、相互インダクタンス作用によって外部計測装置(図示せず)のインダクター(2次側コイル)に伝えられ、外部計測装置(図示せず)で2次コイルを通じて計測されたインダクタンスの変化を計算することによって、インダクターアレイ部100に加えられた圧力に対する無電源/無線の遠隔測定が可能になる。
The energy change generated in the coil portion (primary side coil) of the
図3は、図1のセンサーをA−A’方向に切断した断面図であって、インダクターアレイ部100の構成をさらに詳細に示す。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the sensor of FIG. 1 cut in the A-A ′ direction, and shows the configuration of the
インダクターアレイ部100は、ハウジング400の内部に下部基板140と上部基板150とが一定間隔をおいて平行に形成され、上部基板150に対向する下部基板140の上面上には、環状電極110が形成される。このとき、環状電極110は、金(Au)または銅(Cu)からなり、電気メッキまたはその他の厚膜金属形成過程を通じて形成される。そして、下部基板140としては、パイレックス(登録商標)または石英ガラスが使われる。
In the
下部基板140の下面上には、外部の振動を吸収し、センサーをハウジング400に接着させるための支持基板170が形成される。このような、支持基板170は、ソフトポリマーで形成される。
A
下部基板140の上面に対向する上部基板150の下面には、各環状電極110と一対一対応するように磁歪物質薄膜120が形成されて単位セル130を形成する。このような磁歪物質薄膜120は、インダクターアレイ部100の各単位セル130に対するインダクターコアであって、非晶質の磁歪物質または単結晶合金形態の磁歪物質が金属膜蒸着技法によって上部基板150の下面に薄膜形態に形成される。
A magnetostrictive material
そして、上部基板150の上面には、外部から加えられる圧力を磁歪物質薄膜120に容易に伝達させるために、磁歪物質薄膜120と一対一対応するように圧力導入溝180が形成される。このような上部基板150としては、誘電体薄膜が使われる。
A
また、外部から加えられる圧力によって誘電体薄膜が変形される時に、下部基板140の環状電極110と上部基板150の磁歪物質薄膜120とを接触させないために、下部基板140と上部基板150とは、スペーサ160によって一定間隔離隔されるように維持される。このようなスペーサ160によって形成された空間は、基準圧力チャンバの役割も行う。このようなスペーサ160は、シリコンのような物質で形成される。
In order to prevent the
そして、外部の圧力が印加されるセンサーの上面は、外部物質との直接接触を遮断するためのシリコンゴムからなるダイアフラム300が形成され、センサーの上面を除外した他の表面を保護し、センサーとダイアフラム300とを固定させるためのハウジング400が下部基板140及び上部基板150の側面を覆い包むように形成される。
The upper surface of the sensor to which an external pressure is applied is formed with a
図4ないし図11は、図3のインダクターアレイ部100の製造工程を示す断面図であって、一つの単位セルについての製造工程を表す。
4 to 11 are cross-sectional views showing a manufacturing process of the
まず、シリコンウェーハにSiO2またはSi3Nxのようなシリコンエッチマスクをエッチマスクとしての役割を行えるほど十分な厚さに成長または蒸着させた後、図4のように圧力導入溝180を形成しようとする領域が厚さtほどのダイヤグラムで形成されるように湿式エッチングを行うことによって上部基板150を形成する。
First, a silicon etch mask such as SiO 2 or Si 3 Nx is grown or deposited on a silicon wafer to a thickness sufficient to serve as an etch mask, and then a
次いで、圧力導入溝180に対応する上部基板150の下面(図5では、上面)に磁歪物質を真空蒸着した後に、蒸着された磁歪物質薄膜をエッチングして図5のように上部基板150上に磁歪物質薄膜120を形成する。
Next, after the magnetostrictive material is vacuum-deposited on the lower surface (upper surface in FIG. 5) of the
次いで、磁歪物質薄膜120が形成された上部基板150と別途に、図6のように、パイレックス(登録商標)または石英ガラス140にメタルシード層142を蒸着した後、メタルシード層142上に厚膜フォトレジスト(PR)144をコイル状にパターニングする。そして、パターニングされた形態によって金(Au)または銅(Cu)を電気メッキして環状電極110を形成した後、図7のように厚膜PR 144を除去する。
Next, a
次いで、メタルシード層142で環状電極110とガラス基板140との間の部分を除外した残りの部分に対して、図8のようにエッチング処理を行う。このとき、環状電極110とメタルシード層142との間には、メタルシードエッチング溶液に対して選択度をERcoil:ERseed=1:10以上にする。ここで、ERは、エッチング率を表す。
Next, the remaining portion of the
次いで、図9のようにシリコンで形成したスペーサ160を陽極接合を通じてガラス基板140上に形成する。
Next, as shown in FIG. 9, a
次いで、図10のように磁歪物質薄膜120が環状電極110の中心部に対応するように、スペーサ160の他の面に図5の上部基板150を接合させる。このとき、接合方法としては、溶解接合、共融接合、有機接合などを使用しうる。
Next, the
次いで、射出成形を通じて形成されたハウジング400の内部底面をエポキシ170で塗布した後に、センサーをハウジング400に載置させる。次いで、図11のように、素子の上面をシリコンゴムのような保護膜で塗布する。
Next, after the inner bottom surface of the
前述した構成を有する本発明による可変インダクター型のMEMS圧力センサーの動作を簡略に説明すれば、次の通りである。 The operation of the variable inductor type MEMS pressure sensor according to the present invention having the above-described configuration will be briefly described as follows.
AC条件下で、磁歪物質の印加応力に対する透磁率の微分方程式は、数式1及び2のように表せる。
K:異方性定数
M:磁気モーメント
σ:印加された応力
μAC:AC状態での透磁率
Under AC conditions, the differential equation of permeability with respect to the applied stress of the magnetostrictive material can be expressed as
数式1及び2を通じて、磁歪物質に応力が印加されれば、透磁率が変化されることが分かり、この変化は、インダクタンスの変化を誘導する。したがって、インダクタンスの変化を測定することによって、磁歪物質に印加される圧力を演算しうる。 Through equations (1) and (2), it can be seen that if a stress is applied to the magnetostrictive material, the permeability changes, and this change induces a change in inductance. Therefore, the pressure applied to the magnetostrictive material can be calculated by measuring the change in inductance.
すなわち、図12のように、磁歪物質をコアとするソレノイドのインダクタンスは、数式3と同じであり、ソレノイドコアの面(A)方向に圧縮応力が作用すれば、磁歪物質に対する透磁率と応力との関係を表す数式1を数式3に代入することによって、その変化を計算しうる。
μ0:自由空間での透磁率
μr:ソレノイドコアの相対透磁率
N:ソレノイド導線の巻数
A:ソレノイドの断面積
l:ソレノイドの長さ
μ 0 : Permeability in free space
μ r : relative permeability of solenoid core
N: Number of turns of solenoid wire
A: Cross section of solenoid
l: Solenoid length
このような原理によって、ダイアフラム300に圧力が加えられれば、ダイアフラム300が反りつつ、その圧力が圧力導入溝180を通じて誘電体薄膜150に伝えられて誘電体薄膜150が変形される。
If pressure is applied to the
図13は、図1のインダクターアレイ部100で一つの単位セルに圧力が印加される形態を示す図面であって、圧力によって誘電体薄膜150が変形され、この変形によって発生した応力によって誘電体薄膜150上に蒸着された磁歪物質薄膜120に応力が印加される。これにより、磁歪物質薄膜120は、変形を起こし、この変形によって磁歪物質薄膜120の相対透磁率が変わる。
FIG. 13 is a diagram illustrating a mode in which pressure is applied to one unit cell in the
そして、ソレノイドコアである磁歪物質薄膜120の相対透磁率が変われば、数式4のようにインダクターアレイ部100のインダクタンスが変化する。
And if the relative magnetic permeability of the magnetostrictive material
インダクターアレイ部100を1次側インダクターとし、外部計測装置(図示せず)のインダクターを2次側インダクターとする時に、インダクターアレイ部100のインダクタンス変化による1次側インダクターのエネルギー変化は、相互インダクタンス作用によって2次側インダクターに伝えられる。
When the
図14は、相互インダクタンスを利用した無線遠隔測定の原理を示す回路図であって、図13のような単位セルに対して図14のような回路の原理を適用しても、一般的に使われる数式は、何れも同一に使用しうる。 FIG. 14 is a circuit diagram showing the principle of wireless telemetry using mutual inductance. Even if the principle of the circuit as shown in FIG. 14 is applied to the unit cell as shown in FIG. Any of the mathematical formulas used can be used identically.
すなわち、共振周波数ω0で1次側入力インピーダンスは、数式5の通りであり、ここで、1次側インダクターと2次側インダクターとの間の相互インダクタンスMは、数式6の通りである。
Lp:1次側のインダクタンス
Rs:2次側の抵抗(寄生的)
Ls:2次側のインダクタンス
Cs:2次側のキャパシタンス(センサー)
M:相互インダクタンス
K:カップリング係数
ω0:共振周波数
rp:2次側インダクター(コイル)の半径
rs:1次側インダクター(コイル)の半径
That is, the primary-side input impedance at the resonance frequency ω 0 is as shown in Equation 5, and the mutual inductance M between the primary-side inductor and the secondary-side inductor is as shown in Equation 6.
L p : Inductance on the primary side
R s : secondary resistance (parasitic)
L s : Secondary side inductance
C s : Secondary-side capacitance (sensor)
M: Mutual inductance
K: Coupling coefficient
ω 0 : resonance frequency
r p : Radius of the secondary inductor (coil)
r s : radius of primary inductor (coil)
外部計測装置では、数式5のように入力インピーダンスを計算してエネルギー変化量を計算することによって、センサーに加えられた圧力を無線で計測しうる。 In the external measurement device, the pressure applied to the sensor can be measured wirelessly by calculating the input impedance and calculating the amount of energy change as shown in Equation 5.
数式5ないし数式7を参照すれば、最大エネルギーが1次側インダクター100から2次側インダクターに伝えられて初めて数式5の2次側インピーダンスに大きい変化を見せるが、このような最大エネルギーが伝えられる条件は、共振周波数f0が発生する場合である。
Referring to Equations 5 to 7, only when the maximum energy is transmitted from the
そして、各単位セルで圧力導入溝180は、数式8のように表せ、その時の品質係数Qtankは、数式9の通りである。
したがって、圧力導入溝180を大きくして品質係数を向上させれば、高周波または無線センサーの適用に有利になる。
Therefore, if the
さらに、表1は、圧力導入部のサイズに対するパラメータの関係を表すものであって、表1のように、センサーの透磁率μsが大きく、数個のインダクターが直列に連結されており、全体的なインダクタンスLSが大きくなる構造でインダクターアレイ部100を構成すれば、従来のMEMS LC共振型の圧力センサーに比べて非常に優秀な性能を奏すると予測される。
本発明による磁歪効果を利用した可変インダクター型のMEMS圧力センサーは、従来のピエゾ(圧電)抵抗型または静電容量型センサーに比べ高感度であるため、優れた解像度を有する。それに加え、この可変インダクター型のMEMS圧力センサーは、半導体工程と互換可能なMEMS加工技術を利用して製造されるため、小型化及び高密度実装を可能とし、生産コストを低減することができる。更に、この圧力センサーは、電源を使用しない無電力状態で圧力を計測できる無電源/無線センサーとすることができるので、植え込み型あるいはリアルタイム診断システムとして使用することができる。 The variable inductor type MEMS pressure sensor using the magnetostrictive effect according to the present invention has a higher resolution than a conventional piezoresistive or capacitive sensor, and thus has an excellent resolution. In addition, since this variable inductor type MEMS pressure sensor is manufactured using a MEMS processing technology compatible with a semiconductor process, it is possible to achieve miniaturization and high-density mounting, and to reduce production costs. Furthermore, since this pressure sensor can be a non-power / wireless sensor that can measure pressure in a non-powered state without using a power source, it can be used as an implantable or real-time diagnostic system.
Claims (7)
前記インダクターアレイ部とLC共振回路を構成して、前記インダクターアレイ部で放電される磁気的エネルギーを電圧形態に変換させて保存するキャパシタ部と、を備える磁歪効果を利用した可変インダクター型のMEMS圧力センサー。A plurality of annular electrodes are connected in series on the first substrate to form a coil portion, and a magnetostrictive thin film corresponding to the annular electrode is formed on the second substrate facing the first substrate in parallel at a constant distance. And the coil part and the magnetostrictive material thin film constitute an inductor, and the inductor array part changes the inductance of the inductor by inducing a permeability change of the magnetostrictive material thin film by an external pressure,
A variable inductor type using a magnetostrictive effect, comprising: an inductor array unit and an LC resonance circuit; and a capacitor unit that converts and stores magnetic energy discharged in the inductor array unit into a voltage form. MEMS pressure sensor.
非晶質物質または単結晶合金であることを特徴とする請求項1に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のMEMS圧力センサー。The magnetostrictive material thin film is:
2. The variable inductor type MEMS pressure sensor using magnetostriction effect according to claim 1, wherein the MEMS pressure sensor is an amorphous material or a single crystal alloy.
第1表面上に前記環状電極が直列連結されるように形成される前記第1基板と、
前記第1表面に対向する第2表面上には、前記環状電極と一対一対応するように前記磁歪物質薄膜が蒸着され、前記第2表面の背面である第3表面上には、外部圧力を前記磁歪物質薄膜に伝達させる圧力導入溝が形成される前記第2基板と、
前記環状電極と前記磁歪物質薄膜とが直接接触しないように、前記第1基板と前記第2基板とを一定間隔で維持させるスペーサと、を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のMEMS圧力センサー。The inductor array section is
The first substrate formed on the first surface such that the annular electrodes are connected in series;
The magnetostrictive material thin film is deposited on the second surface opposite to the first surface so as to have a one-to-one correspondence with the annular electrode, and external pressure is applied on the third surface, which is the back surface of the second surface. The second substrate on which pressure introducing grooves to be transmitted to the magnetostrictive material thin film are formed;
3. The spacer according to claim 1, further comprising a spacer that maintains the first substrate and the second substrate at regular intervals so that the annular electrode and the magnetostrictive material thin film are not in direct contact with each other. A variable inductor type MEMS pressure sensor using the magnetostrictive effect.
パイレックス(登録商標)または石英ガラスであることを特徴とする請求項3に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のMEMS圧力センサー。The first substrate is
4. The variable inductor type MEMS pressure sensor using the magnetostriction effect according to claim 3, wherein the variable pressure type MEMS pressure sensor is Pyrex (registered trademark) or quartz glass.
誘電体薄膜であることを特徴とする請求項3に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のMEMS圧力センサー。The second substrate is
The variable inductor type MEMS pressure sensor using the magnetostriction effect according to claim 3, wherein the MEMS pressure sensor is a dielectric thin film.
前記センサーの上面を除いて、前記センサーの外郭を覆い包むように形成されて、前記センサーと前記ダイアフラムを固定させるハウジングとをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の磁歪効果を利用した可変インダクター型のMEMS圧力センサー。A diaphragm that protects the top surface of the sensor to which external pressure is applied;
The variable using the magnetostrictive effect according to claim 1, further comprising a housing formed so as to cover an outline of the sensor except for an upper surface of the sensor, and fixing the sensor and the diaphragm. Inductor type MEMS pressure sensor.
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| JPH01212301A (en) * | 1988-02-19 | 1989-08-25 | Toshiba Corp | Strain sensor |
| JPH06100515B2 (en) * | 1990-05-31 | 1994-12-12 | 本田技研工業株式会社 | Pressure sensor |
| JPH04106443A (en) * | 1990-08-28 | 1992-04-08 | Honda Motor Co Ltd | Pressure sensor |
| JPH04259838A (en) * | 1991-02-15 | 1992-09-16 | Honda Motor Co Ltd | pressure sensor |
| US5355714A (en) | 1992-02-26 | 1994-10-18 | Nippondenso Co., Ltd. | Pressure sensor using a pressure responsive magnetic film to vary inductance of a coil |
| JPH05273066A (en) * | 1992-03-27 | 1993-10-22 | Mazda Motor Corp | Pressure sensor |
| JP3307465B2 (en) * | 1992-09-10 | 2002-07-24 | 株式会社安川電機 | Magnetostrictive strain sensor |
| JPH06221936A (en) * | 1992-10-21 | 1994-08-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Mechanical sensor |
| US5450755A (en) * | 1992-10-21 | 1995-09-19 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Mechanical sensor having a U-shaped planar coil and a magnetic layer |
| NO302715B1 (en) * | 1996-06-19 | 1998-04-14 | Scan Mag Sense As | Device for measuring compressive forces |
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| JP2000292294A (en) * | 1999-04-05 | 2000-10-20 | Tokin Corp | Sensor for detecting the internal pressure of a sealed container |
| JP3645553B2 (en) * | 2002-01-29 | 2005-05-11 | 株式会社東芝 | Strain sensor |
| US6960911B2 (en) * | 2002-01-29 | 2005-11-01 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Strain sensor |
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