本發(fā)明涉及新型傳感器制造的，特別涉及一種具備多信號感知功能的改性金剛石設(shè)計(jì)與制備方法。

背景技術(shù)：

1、金剛石因其卓越的機(jī)械強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、耐腐蝕性和光學(xué)透明性，被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)、電子和光學(xué)器件中。然而，傳統(tǒng)金剛石材料雖然具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，但其在電子和傳感領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。這主要是因?yàn)榻饎偸且环N寬帶隙半導(dǎo)體，電導(dǎo)率極低且缺乏感知功能，使其難以滿足對電子響應(yīng)和感知性能有更高要求的應(yīng)用場景。

2、隨著全球人口老齡化以及慢性疾?。ㄈ缣悄虿?、心血管疾?。┌l(fā)病率的上升，植入式傳感器市場需求急劇上升。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)χ踩胧絺鞲衅鞯男枨笳谘杆僭鲩L，特別是在長期疾病管理（如糖尿病監(jiān)控、心臟功能監(jiān)測）和生物監(jiān)測方面。目前市場上常用的植入式傳感器材料（如聚合物或金屬）雖然有一定的生物兼容性，但普遍存在靈敏度下降、材料老化、信號衰減等問題。此外，頻繁的設(shè)備更換增加了醫(yī)療成本和患者負(fù)擔(dān)，這對植入式傳感器提出了更高的要求。同時(shí)，單一信號傳感器在植入式設(shè)備中也有局限，如心臟監(jiān)測裝置只能感知心率，若需同時(shí)檢測血氧或電解質(zhì)濃度，患者必須使用多種設(shè)備，增加了手術(shù)和更換負(fù)擔(dān)。金剛石本身具有極高的生物相容性，意味著該材料在植入人體后不容易引起排異反應(yīng)。通過硼和硫等多元素的分區(qū)摻雜，使金剛石材料具備了對環(huán)境變化的感知能力，尤其是通過電阻的變化來檢測外部條件（如溫度、壓力、濃度等）。金剛石作為植入式傳感器還具有長期穩(wěn)定性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。

3、同時(shí)，金剛石材料能夠在高溫、高壓以及腐蝕性環(huán)境下保持穩(wěn)定性，而傳統(tǒng)的傳感器材料在這些條件下可能發(fā)生降解或失效。金剛石摻雜后的感知功能賦予其對微小環(huán)境變化（如壓力、化學(xué)成分）靈敏響應(yīng)的能力，特別適用于石油、天然氣、化工等行業(yè)的環(huán)境監(jiān)測。并且，金剛石因其高硬度和耐高溫性能，使其在惡劣的航空航天環(huán)境中能夠長時(shí)間穩(wěn)定工作。摻雜改性的金剛石不僅能承受高溫、高壓，還能檢測機(jī)械應(yīng)力、溫度變化等重要參數(shù)，提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。當(dāng)前的工業(yè)傳感器通常只能感知單一的物理參數(shù)，例如溫度、壓力或氣體濃度。為了全面監(jiān)控復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，通常需要多種類型的傳感器組合使用。然而，多傳感器系統(tǒng)不僅復(fù)雜，成本也高，而且傳感器之間可能存在干擾，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確。當(dāng)前的工業(yè)傳感器通常只能感知單一的物理參數(shù)，例如溫度、壓力或氣體濃度。

4、因此，傳統(tǒng)金剛石材料的局限性亟需突破，以滿足這些領(lǐng)域?qū)Ω兄δ艿男枨蟆?/p>

5、近年來，摻雜多種元素被認(rèn)為是提升材料感知功能的一種有效途徑。通過摻雜不同的元素，金剛石材料可以同時(shí)具備多種感知能力，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。例如，硼元素的摻雜可以有效降低金剛石的電阻，使其具有一定的導(dǎo)電性，硼摻雜的金剛石材料對溫度、壓力等物理信號非常敏感，適用于壓力傳感器和溫度傳感器來監(jiān)測人體血壓和溫度，或應(yīng)用在工業(yè)中的壓力和溫度傳感。硫元素的摻雜可以增強(qiáng)其對特定化學(xué)環(huán)境的敏感性，氮元素的摻雜的金剛石對氧氣濃度的變化敏感，能夠檢測體液或組織中的氧氣水平，適用于監(jiān)測血氧飽和度。鋰摻雜的金剛石材料對液體中的離子濃度變化非常敏感，心臟功能的監(jiān)測通常需要實(shí)時(shí)檢測體液中的電解質(zhì)（如鉀離子、鈉離子等）濃度變化，鋰摻雜可以賦予傳感器檢測這些電解質(zhì)濃度波動的能力，幫助識別電解質(zhì)失衡，這對心臟功能的健康狀態(tài)評估非常重要。

6、因此，通過將硼和硫等元素?fù)诫s入金剛石材料中，可以賦予其優(yōu)異的多功能感知性能。

7、同時(shí)，在分區(qū)摻雜過程中，不同區(qū)域通過摻雜不同元素（如硼、硫、磷、氮等），這些區(qū)域在工作時(shí)會產(chǎn)生各自的電場。如果這些摻雜區(qū)域相互接近，區(qū)域之間的電場可能會發(fā)生耦合，導(dǎo)致電場在不同區(qū)域之間互相影響。這種電場耦合效應(yīng)會使得某一區(qū)域的電場改變，干擾其正常的電阻變化，進(jìn)而影響該區(qū)域的信號輸出。也因?yàn)閾诫s不同元素后，金剛石材料的各個(gè)區(qū)域會表現(xiàn)出不同的電學(xué)特性，例如摻雜硼的區(qū)域可能表現(xiàn)為p型導(dǎo)電特性，摻雜磷的區(qū)域表現(xiàn)為n型導(dǎo)電特性。由于摻雜區(qū)域的不同，區(qū)域邊界的載流子（如電子和空穴）可能會擴(kuò)散到相鄰的區(qū)域，這種載流子的擴(kuò)散或遷移效應(yīng)將引起區(qū)域間的電荷不平衡，導(dǎo)致測量信號的不準(zhǔn)確。

8、因此，現(xiàn)有技術(shù)在對金剛石進(jìn)行多種元素?fù)诫s時(shí)，無法避免多種元素?fù)诫s后導(dǎo)致的電場耦合效應(yīng)，導(dǎo)致在感知多種類型環(huán)境信號時(shí)，不同類型環(huán)境信號之間會產(chǎn)生干擾，從而無法同時(shí)精確的感知多種類型環(huán)境信號。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對所述技術(shù)問題，提供一種具備多信號感知功能的改性金剛石設(shè)計(jì)與制備方法。

2、本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種具備多信號感知功能的改性金剛石設(shè)計(jì)與制備方法，所述方法包括：

4、根據(jù)金剛石感知不同類型環(huán)境信號時(shí)所需要的感應(yīng)面積，將待摻雜的金剛石表面劃分為多個(gè)待摻雜區(qū)域；

5、根據(jù)所述不同類型環(huán)境信號的特性，對所述多個(gè)待摻雜區(qū)域分別設(shè)計(jì)與所述不同類型環(huán)境信號對應(yīng)的幾何參數(shù)，以改變不同摻雜區(qū)域之間的物理距離和相鄰區(qū)域之間的相互作用；

6、根據(jù)所述幾何參數(shù)和使所述待摻雜區(qū)域邊界的電場過渡平滑的梯度摻雜模型，分別對所述多個(gè)待摻雜區(qū)域摻雜對應(yīng)的元素，得到具備多信號感知功能的改性金剛石。

7、進(jìn)一步地，所述根據(jù)金剛石感知不同類型環(huán)境信號時(shí)所需要的感應(yīng)面積，將待摻雜的金剛石表面劃分為多個(gè)待摻雜區(qū)域，具體包括：

8、計(jì)算滿足所述不同類型環(huán)境信號的檢測精度分別需要的最小傳感面積；

9、以滿足所述不同類型環(huán)境信號的檢測精度分別需要的最小傳感面積為標(biāo)準(zhǔn)，將所述待摻雜的金剛石表面劃分為多個(gè)待摻雜區(qū)域。

10、進(jìn)一步地，所述根據(jù)所述不同類型環(huán)境信號的特性，對所述多個(gè)待摻雜區(qū)域分別設(shè)計(jì)與所述不同類型環(huán)境信號對應(yīng)的幾何參數(shù)，具體包括：

11、根據(jù)所述多個(gè)待摻雜區(qū)域所需摻雜的元素特性，計(jì)算所述多個(gè)待摻雜區(qū)域中的任意相鄰待摻雜區(qū)域之間的相互作用力；

12、計(jì)算所述任意相鄰待摻雜區(qū)域之間的邊界的最小距離，以滿足所述任意相鄰待摻雜區(qū)域之間的相互作用力小于第一預(yù)設(shè)閾值；

13、設(shè)計(jì)所述多個(gè)待摻雜區(qū)域的形狀，以滿足所述任意相鄰待摻雜區(qū)域之間的距離大于或等于所述任意相鄰待摻雜區(qū)域之間的邊界的最小距離；

14、將所述任意相鄰待摻雜區(qū)域之間的邊界的最小距離，及所述多個(gè)待摻雜區(qū)域的形狀進(jìn)行整合，得到所述多個(gè)待摻雜區(qū)域的幾何參數(shù)。

15、進(jìn)一步地，在所述設(shè)計(jì)所述多個(gè)待摻雜區(qū)域的形狀，以滿足所述任意相鄰待摻雜區(qū)域之間的距離大于或等于所述任意相鄰待摻雜區(qū)域之間的邊界的最小距離之后，所述方法還包括：

16、在所述待摻雜區(qū)域的形狀被設(shè)計(jì)為方形的情況下，將所述待摻雜區(qū)域的四個(gè)角設(shè)計(jì)為圓角；

17、在所述待摻雜區(qū)域的形狀被設(shè)計(jì)為圓形的情況下，將所述待摻雜區(qū)域的邊緣設(shè)計(jì)為平滑邊緣。

18、進(jìn)一步地，所述根據(jù)所述幾何參數(shù)和使所述待摻雜區(qū)域邊界的電場過渡平滑的梯度摻雜模型，分別對所述多個(gè)待摻雜區(qū)域摻雜對應(yīng)的元素，具體包括：

19、利用所述幾何參數(shù)，計(jì)算所述各個(gè)待摻雜區(qū)域的中心區(qū)域、中間區(qū)域及邊緣區(qū)域分別對應(yīng)的坐標(biāo)；

20、在所述中心區(qū)域、中間區(qū)域及邊緣區(qū)域分別對應(yīng)的坐標(biāo)，分別以第一摻雜濃度、第二摻雜濃度及第三摻雜濃度摻雜所述對應(yīng)的元素，得到與所述各個(gè)待摻雜區(qū)域關(guān)聯(lián)的已摻雜區(qū)域。

21、進(jìn)一步地，所述在所述中心區(qū)域、中間區(qū)域及邊緣區(qū)域分別對應(yīng)的坐標(biāo)，分別以第一摻雜濃度、第二摻雜濃度及第三摻雜濃度摻雜所述對應(yīng)的元素：包括：

22、在所述中心區(qū)域，利用第一能量值與第一離子濃度在所述待摻雜區(qū)域的表層深度進(jìn)行注入，所述第一離子濃度是基于所述第一摻雜濃度得到的；

23、在所述中間區(qū)域，利用第二能量值與第二離子濃度在所述待摻雜區(qū)域的中間層深度進(jìn)行注入，所述第二離子濃度是基于所述第二摻雜濃度得到的；

24、在所述邊緣區(qū)域，利用第三能量值與第三離子濃度在所述待摻雜區(qū)域的深層深度進(jìn)行注入，所述第三離子濃度是基于所述第三摻雜濃度得到的。

25、進(jìn)一步地，在所述得到與所述各個(gè)待摻雜區(qū)域關(guān)聯(lián)的已摻雜區(qū)域之后，所述方法還包括：

26、計(jì)算任意相鄰的所述已摻雜區(qū)域的邊緣區(qū)域之間電場的耦合強(qiáng)度；

27、在所述耦合強(qiáng)度大于第二預(yù)設(shè)閾值時(shí)，降低所述已摻雜區(qū)域所對應(yīng)元素的摻雜濃度。

28、進(jìn)一步地，所述方法還包括：

29、在對所述各個(gè)待摻雜區(qū)域中的一個(gè)待摻雜區(qū)域進(jìn)行元素?fù)诫s時(shí)，利用掩膜覆蓋其他待摻雜區(qū)域。

30、進(jìn)一步地，所述方法還包括：

31、在得到所述已摻雜區(qū)域之后，采用多步退火工藝對所述已摻雜區(qū)域進(jìn)行修復(fù)處理。

32、本發(fā)明采用的所述至少一個(gè)技術(shù)方案能夠達(dá)到以下有益效果：本發(fā)明首先將待摻雜的金剛石表面根據(jù)不同類型環(huán)境信號實(shí)現(xiàn)傳感分別需要的感應(yīng)面積，劃分為多個(gè)待摻雜區(qū)域；再對所述多個(gè)待摻雜區(qū)域，按照所述不同類型環(huán)境信號的特性分別設(shè)計(jì)與所述不同類型環(huán)境信號對應(yīng)的幾何參數(shù)；最后基于所述與所述不同類型環(huán)境信號對應(yīng)的幾何參數(shù)，以梯度摻雜的方式分別對所述多個(gè)待摻雜區(qū)域摻雜對應(yīng)的元素，得到所述具備多信號感知功能的改性金剛石。

33、本發(fā)明根據(jù)不同類型信號實(shí)現(xiàn)傳感分別需要的感應(yīng)面積，將待摻雜的金剛石表面劃分為多個(gè)待摻雜區(qū)域，并且通過梯度摻雜的方式分別對所述多個(gè)待摻雜區(qū)域摻雜對應(yīng)的元素，解決了由于摻雜區(qū)域的不同，區(qū)域邊界的載流子（如電子和空穴）可能會擴(kuò)散到相鄰的區(qū)域，導(dǎo)致的載流子的擴(kuò)散或遷移效應(yīng)將引起區(qū)域間的電荷不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致測量信號的不準(zhǔn)確的問題。實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對多信號進(jìn)行傳感，并且降低了不同摻雜區(qū)域之間的電場耦合效應(yīng)，提升了對不同信號同時(shí)進(jìn)行傳感的精確性。