基于MEMS技術(shù)的硅脈象傳感與檢測系統(tǒng)的研究.pdf

1、脈診是中醫(yī)學(xué)中最具特色的診斷方法，具有簡便、可靠、無創(chuàng)傷等優(yōu)點。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，用科學(xué)的方法采集、處理脈象信息，成為脈診為患者提供疾病客觀信息的重要手段，而脈象傳感器的設(shè)計和制作是脈診客觀化研究的基礎(chǔ)。
　　 本文采用MEMS技術(shù)、CMOS工藝和激光加工技術(shù)，設(shè)計并制作了硅杯和懸臂梁兩種結(jié)構(gòu)的以納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)為源極和漏極的MOSFETs脈象傳感器，該脈象傳感器具有體積小，重量輕、靈敏度高、溫度特性好等優(yōu)點，能夠

2、實現(xiàn)對微小脈象信號的準(zhǔn)確檢測。作為脈象傳感器的應(yīng)用，本文研制了納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象檢測系統(tǒng)，并闡述了采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理脈象檢測結(jié)果的方法。
　　 在理論分析的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象傳感器的力敏結(jié)構(gòu)，確定了襯底材料、硅膜厚度、MOSFET溝道電阻在硅膜和懸臂梁上的位置。在硅杯的長方形硅膜上和懸臂梁上分別設(shè)計四個納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET，以p-MOSFET的溝道電阻做

3、為力敏電阻，并將四個p-MOSFET溝道電阻構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。當(dāng)硅膜和懸臂梁受到脈搏壓力作用時，其內(nèi)部MOSFET溝道電阻的改變使惠斯通電橋輸出電壓發(fā)生變化，可以實現(xiàn)對脈搏壓力的檢測。
　　 本文在n型＜100＞晶向雙面拋光單晶硅片上，分別制作了硅杯和懸臂梁結(jié)構(gòu)的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象傳感器芯片，給出了制作工藝和MOSFETs脈象傳感器芯片照片。為了解決現(xiàn)有硅懸臂梁刻蝕工藝中存在的刻蝕速度和刻蝕質(zhì)量等問題，本文

4、研究了激光加工技術(shù)與MEMS技術(shù)相結(jié)合制作硅懸臂梁的方法，使硅懸臂梁的制備更加簡潔、快速、精準(zhǔn)，有效克服了傳統(tǒng)懸臂梁釋放時存在的削角問題，也為其他微結(jié)構(gòu)的制備提供了高質(zhì)量的激光刻蝕方法。
　　 本文對制備的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET的特性、硅杯式納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象傳感器的靜態(tài)特性、懸臂梁式納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象傳感器的特性，以及硅杯式納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象傳感器的溫度

5、特性等四個方面，給出實驗結(jié)果如下：
　　 在不受外加壓力作用時，對納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET的電學(xué)特性進行測試分析，并對納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET在-20℃～60℃的溫度范圍內(nèi)進行高低溫實驗。實驗結(jié)果表明，納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET的溝道電流IDS隨溫度變化很小，而且隨著溫度的升高溝道電流IDS的變化量減小。四個納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)p-MOSFET的溝道電阻都隨著溫度的增加而略有變小。
　　

6、 分別采用恒壓源和恒流源兩種供電方式對硅杯式納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象傳感器進行標(biāo)定，傳感器外加壓力量程O～160kPa。實驗結(jié)果給出，采用恒壓源供電時，納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象傳感器的靈敏度隨著供電電壓的增加而增加，當(dāng)供電電壓為-5.0V時，靈敏度為0.6517mV/kPa，準(zhǔn)確度為2.343％F.S；采用恒流源供電時，納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象傳感器的靈敏度隨著供電電流的增加而增加，當(dāng)供電電流為

7、1.000mA時，靈敏度為0.6381mV/kPa，準(zhǔn)確度為2.281％F.S。
　　 對懸臂梁式納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象傳感器的特性進行測試，實驗結(jié)果給出，在一定的振動頻率下，懸臂梁的加速度越大，傳感器的輸出電壓越大；在一定的加速度下，振動頻率越高，傳感器的輸出電壓越大。
　　 在不同溫度下，對硅杯式納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象傳感器的溫度特性進行測試。實驗結(jié)果表明，在恒壓和恒流兩種供電方式下，

8、納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象傳感器的靈敏度都隨著溫度的降低而升高。
　　 本文給出納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象傳感器的應(yīng)用實例，介紹了納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)MOSFETs脈象檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計方案和各功能模塊的設(shè)計方法，并給出MOSFETs脈象檢測系統(tǒng)的實測結(jié)果。本文還闡述了利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對脈象檢測結(jié)果進行分析，判別婦女是否懷孕的方法。這種方法有別于單純對脈形進行分類的分