專利名稱：生物體毛孔孔徑半導(dǎo)體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
生物體毛孔孔徑半導(dǎo)體傳感器，屬于生物電子學(xué)的半導(dǎo)體智能傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
毛孔孔徑是人體生理變化的重要信息窗口，它不僅可以作為一種外形表觀參數(shù)，還能反映人體內(nèi)部冷熱適宜度、新陳代謝程度甚至部分病情的發(fā)展?fàn)顩r等等。經(jīng)檢索，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中還沒有查閱到能夠反應(yīng)毛孔孔徑變化的傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種能夠有效反應(yīng)生物體包括人體毛孔孔徑變化的半導(dǎo)體傳感器，該傳感器利用半導(dǎo)體片感應(yīng)陣列毛孔，運(yùn)用溫?zé)嵝?yīng)將毛孔徑向位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳感輸出。
本發(fā)明所提出的毛孔孔徑半導(dǎo)體傳感器的工作原理(以人體進(jìn)行說明)如下人體皮膚毛孔會(huì)隨著人體生理狀態(tài)變化而產(chǎn)生變化，例如體溫上升時(shí)，毛孔孔徑會(huì)增大，劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，毛孔孔徑也會(huì)相應(yīng)變化。將一種摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體片穩(wěn)定貼于人體有毛孔的皮膚上時(shí)，該半導(dǎo)體與人體皮膚接觸面的側(cè)面如圖1所示，其中1為半導(dǎo)體片，2為毛孔周圍表皮，3為毛孔對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體處，半導(dǎo)體與皮膚接觸處溫度較毛孔處偏高，其正面溫度分布示意圖如圖2所示，其中顏色淺處表示與皮膚接觸處，溫度較高，顏色深處表示與毛孔接觸的半導(dǎo)體部分，溫度較低，由于汗毛在毛孔中所占的面積很小，其影響可忽略不計(jì)，實(shí)驗(yàn)證明該忽略是可行的。
當(dāng)人體毛孔徑向位移發(fā)生變化，例如毛孔增大，那么溫度偏低的半導(dǎo)體部位面積也增大，相應(yīng)地，與人體表皮直接接觸即溫度偏高的半導(dǎo)體面積減小，使得半導(dǎo)體中整體載流子濃度變化。如果在該半導(dǎo)體的兩端接上恒定電壓源(或電流源)，當(dāng)半導(dǎo)體表面的溫度分布隨毛孔大小的變化而發(fā)生變化時(shí)，接入恒定電壓源的該半導(dǎo)體所在回路就會(huì)產(chǎn)生變化的電流；如果在該半導(dǎo)體的兩端接上恒定電流源，當(dāng)半導(dǎo)體表面的溫度分布隨毛孔大小的變化而發(fā)生變化時(shí)，該半導(dǎo)體接入恒定電流源的兩端就會(huì)產(chǎn)生變化的電壓；從而體現(xiàn)了毛孔的變化。即，對(duì)半導(dǎo)體選取適當(dāng)?shù)氖┲鲹诫s濃度ND(或受主摻雜濃度NA)時(shí)，可以使半導(dǎo)體電導(dǎo)率σn＝μnqn0(或σp＝μpqp0)單調(diào)地反映毛孔孔徑變化導(dǎo)致的半導(dǎo)體高低溫度面積差的變化，此時(shí)就能直接將毛孔孔徑變化轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體電導(dǎo)的變化。
本發(fā)明所提出的生物體毛孔孔徑半導(dǎo)體傳感器的特征在于，它是一片串接在直流回路中的可穩(wěn)定貼在皮膚上的摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體片。當(dāng)所述直流回路中采用恒定電流源時(shí)，該半導(dǎo)體片的兩個(gè)電源輸入點(diǎn)即為信號(hào)輸出端；當(dāng)回路中采用恒定電壓源時(shí)，流過半導(dǎo)體片的回路電流為待檢測(cè)輸出信號(hào)。
所述半導(dǎo)體片可以是規(guī)則的具有幾何對(duì)稱形狀的半導(dǎo)體片。所述半導(dǎo)體片是矩形半導(dǎo)體片時(shí)，若直流回路中采用恒定電壓源，所述電源接入點(diǎn)和信號(hào)輸出點(diǎn)是分別位于任意兩條平行邊上的兩個(gè)對(duì)等點(diǎn)(對(duì)等點(diǎn)是指該兩點(diǎn)連線能與矩形半導(dǎo)體的其中一邊平行)；若直流回路中采用恒定電流源，所述兩個(gè)電源接入點(diǎn)是分別位于任意兩條平行邊上的兩個(gè)對(duì)等點(diǎn)。
所述半導(dǎo)體片可以為半導(dǎo)體硅片，其中摻入的施主雜質(zhì)濃度ND為1018＜ND＜1019/CM3，在該濃度范圍內(nèi)，所述傳感器輸出的電壓隨毛孔孔徑的變化而單調(diào)變化。在所述半導(dǎo)體片的電源接入點(diǎn)和信號(hào)輸出點(diǎn)處，半導(dǎo)體的施主摻雜濃度應(yīng)滿足ND＞1019/CM3，以促使接入電極與所述半導(dǎo)體形成有效歐姆接觸。
實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明所提出的傳感器能夠感知毛孔孔徑的變化，達(dá)到了預(yù)期目的。


圖1是傳感陣列毛孔孔徑位移時(shí)的半導(dǎo)體側(cè)面示意圖；圖2是傳感陣列毛孔孔徑位移時(shí)的半導(dǎo)體表面溫度分布示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體硅中，多子遷移率μn與溫度T的關(guān)系曲線圖；圖4是本發(fā)明采用恒定電壓源時(shí)的方案示意圖；圖5是本發(fā)明采用恒定電流源時(shí)的方案示意圖；圖6是本發(fā)明采用恒定電壓源時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形圖。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
本發(fā)明所提出的傳感器的形狀和大小沒有特殊的規(guī)定，但盡量使半導(dǎo)體片能夠覆蓋多個(gè)毛孔為宜。若采用規(guī)則形狀的半導(dǎo)體片則有利于確定輸出電壓與毛孔孔徑變化之間的函數(shù)關(guān)系，以便將來實(shí)際應(yīng)用。例如本發(fā)明實(shí)施例中采用矩形半導(dǎo)體硅片時(shí)，可以探測(cè)到高斯函數(shù)關(guān)系。本發(fā)明所使用的半導(dǎo)體材料包括通常使用的硅，鍺，砷化鎵等等材料，而摻入的雜質(zhì)包括通常使用的硼，磷等等。
本發(fā)明以矩形的半導(dǎo)體硅片為例進(jìn)行說明。在該半導(dǎo)體中摻入的雜質(zhì)是磷，回路中采用的是恒定電壓源，見圖4。當(dāng)施主雜質(zhì)濃度ND的范圍為1018＜ND＜1019/CM3時(shí)，可以使半導(dǎo)體電導(dǎo)率σn＝μnqn0(或σp＝μpqp0)單調(diào)地反映半導(dǎo)體高低溫度面積差的變化，因而就能更直接地將毛孔徑向位移變化轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)的變化。摻入施主雜質(zhì)濃度1018＜ND＜1019/CM3的推導(dǎo)過程如下此時(shí)主要分析多子(電子)決定的電導(dǎo)率σn＝μnqn0，其中μn為半導(dǎo)體中電子遷移率，n0為半導(dǎo)體中電子濃度。對(duì)于摻雜受主雜質(zhì)的P型半導(dǎo)體，原理與此完全相同。
對(duì)于σn＝μnqn0，其中q為常數(shù)(q＝1.60*10-19c)。分析另外兩個(gè)參數(shù)μn，n0的影響。
對(duì)于常用的半導(dǎo)體例如鍺Ge、硅Si，影響遷移率的主要作用是電離雜質(zhì)散射和聲學(xué)波形變勢(shì)散射。它們決定的遷移率與電離雜質(zhì)濃度N和溫度T的關(guān)系分別為μI∝N-1T3/2(電離雜質(zhì)散射)(1)μs∝T-3/2(聲學(xué)波形變勢(shì)散射)圖3是在各種影響因素的綜合作用下，半導(dǎo)體(實(shí)施例為N型半導(dǎo)體硅)多子(實(shí)施例中為電子)遷移率與溫度T的實(shí)驗(yàn)關(guān)系曲線。
從圖3可以看出，在300K左右，摻雜濃度小于1018/CM3時(shí)，溫度上升導(dǎo)致遷移率下降；只有在摻雜濃度為1018～1019/CM3時(shí)，遷移率才隨溫度近似不變。
進(jìn)一步分析半導(dǎo)體中多子濃度(實(shí)施例為電子濃度)n0的影響。
在毛孔對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體部位，由于溫度T相對(duì)較低，費(fèi)米能級(jí)EF偏離導(dǎo)帶底能級(jí)EC較遠(yuǎn)，因而n0毛孔處＜n0毛孔周圍；當(dāng)毛孔增大時(shí)，對(duì)應(yīng)的低溫部分面積增多，高溫部分面積減小，n0毛孔處↑，n0毛孔周圍↓，整塊半導(dǎo)體的n0↓。
在經(jīng)典玻爾茲曼(Boltzman)分布條件下，電子占據(jù)施主能級(jí)ED的幾率為fn′(E)=11+1gDeED-EFKT---(2)]]>其中g(shù)D為施主基態(tài)能級(jí)簡(jiǎn)并度(gA為受主基態(tài)能級(jí)簡(jiǎn)并度)，對(duì)于鍺Ge、硅Si、砷化鎵GaAs，gD＝2，gA＝4。在忽略本征激發(fā)的溫度范圍，導(dǎo)帶電子主要由電離施主提供，于是，由電中性有n0＝pD(3)即NCe-EC-EFKT=ND1+gDeEF-EDKT---(4)]]>由(4)式解得n0=NC2gDe-EC-EDKT[(1+2gDNDNCeEC-EDKT)1/2-1]---(5)]]>其中NC為導(dǎo)帶底等效態(tài)密度。從上式可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明應(yīng)用的正常溫度范圍內(nèi)，濃度與溫度之間具有單調(diào)變化的指數(shù)關(guān)系，微小的溫度變化可以引起較大的半導(dǎo)體多子載流子濃度變化。這很有利于傳感檢測(cè)。
綜合以上分析說明，當(dāng)陣列毛孔孔徑R變化例如增大時(shí)，整個(gè)半導(dǎo)體低溫部分面積變大(相應(yīng)表示為T↓)，決定半導(dǎo)體電導(dǎo)率σn＝μnqn0的參數(shù)n0·μn情況如下當(dāng)半導(dǎo)體摻雜濃度ND＜1018/CM3時(shí)， 當(dāng)半導(dǎo)體摻雜濃度1018＜ND＜1019/CM3時(shí)，
因此，當(dāng)半導(dǎo)體摻雜濃度1018＜ND＜1019/CM3時(shí)，半導(dǎo)體電導(dǎo)率σn＝μnqn0是隨著溫度T的變化而單調(diào)遞減的，即在該濃度范圍下，輸出電壓更易于體現(xiàn)毛孔的增大和減小的變化。
上述原理說明是以摻入磷為實(shí)施例進(jìn)行的。實(shí)際上本發(fā)明也同樣可以采用其它施主雜質(zhì)。
若回路中采用電源為恒定電流源時(shí)，輸出信號(hào)電壓將隨毛孔孔徑單調(diào)遞增。
本發(fā)明在人體上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)如下仍然利用圖4所示的恒壓源為電源，傳感器采用的是一塊摻入磷的半導(dǎo)體硅片，摻磷的濃度為ND＝6.0×1018/CM3。半導(dǎo)體硅片的大小以能全部穩(wěn)定貼靠表皮并覆蓋多個(gè)毛孔為宜，其厚度為采用普通的出廠硅片厚度即可，本實(shí)施例采用邊長(zhǎng)為3cm，厚度0.8mm的方形硅片。在硅片的另一個(gè)與電源輸入端相對(duì)的點(diǎn)(所謂對(duì)等點(diǎn)即位于方塊硅片的兩條平行邊上的兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，如圖中的a點(diǎn)和b點(diǎn)，或a1點(diǎn)和b1點(diǎn)，或其它相對(duì)應(yīng)的點(diǎn))輸出電流信號(hào)Iin，電極接入點(diǎn)和信號(hào)輸出點(diǎn)的探針接觸區(qū)域內(nèi)半導(dǎo)體摻雜濃度為1×1020/CM3，目的在于使探針和半導(dǎo)體N型硅片形成有效歐姆接觸。此處恒壓源電壓大小應(yīng)根據(jù)所選硅片的歐姆電阻決定，保證回路電流在毫安量級(jí)，實(shí)施例中采用分壓后的10毫伏；若采用精密恒流電源電流大小也應(yīng)根據(jù)所選硅片的歐姆電阻決定，一般可選擇在毫安~安培量級(jí)，如圖5所示，采用恒流源時(shí)，兩個(gè)電極接入點(diǎn)即為信號(hào)輸出端，但此時(shí)輸出的電壓隨毛孔的孔徑增大而增大。圖中K為控制開關(guān)。
將該半導(dǎo)體硅片貼在實(shí)驗(yàn)者的皮膚上，在該半導(dǎo)體硅片的輸出端依次連接微小信號(hào)放大電路和示波器。閉合開關(guān)K，實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行輕度有規(guī)律地?fù)习W刺激，使得人體毛孔孔徑隨時(shí)間線性增大，在此過程中，流過半導(dǎo)體硅片的電流將受控于人體毛孔孔徑位移的變化，從示波器上得到了如圖6所示的波形。可以看出，在人體毛孔增大的過程中，半導(dǎo)體硅片輸出的電壓在逐漸降低。若直流回路中采用精密恒流電源，則輸出的電壓隨毛孔孔徑的增大而增大。
本發(fā)明提出的傳感器能夠反映生物體包括人體的毛孔孔徑變化，它具有廣闊的應(yīng)用前景，例如1.傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究中，部分病情如腫瘤不可能長(zhǎng)時(shí)間用CT等系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；而目前對(duì)于一些復(fù)雜的病情甚至無法直接通過生物或電子儀器進(jìn)行跟蹤探測(cè)。若能從人體外部生物參數(shù)比如毛孔徑向位移變化獲得信號(hào)，長(zhǎng)期、有效、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到相關(guān)健康信息，將是較有創(chuàng)新價(jià)值和應(yīng)用前景的醫(yī)學(xué)研究及應(yīng)用方法。
2.傳統(tǒng)溫控設(shè)備如空調(diào)、電熱毯等并非根據(jù)人體感覺而真正實(shí)現(xiàn)智能控制。其通常的做法是在電路中事先設(shè)定溫度范圍，當(dāng)外界環(huán)境溫度超出范圍時(shí)則給出中斷信號(hào)。然而對(duì)于同一設(shè)定的溫度，感覺卻因人而異。通過毛孔徑向位移變化傳感信號(hào)輸出，進(jìn)而實(shí)時(shí)自動(dòng)地控制相應(yīng)設(shè)備，更能夠?qū)嶋H反應(yīng)人體的需要。
3.為了在各類體育比賽中取得好成績(jī)，運(yùn)動(dòng)員的有效訓(xùn)練是必不可少的。然而目前通常都需要教練員親自在場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)督，或者使用攝像監(jiān)控裝置。這種監(jiān)督方法只停留在視覺上，并非從人體本身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)出發(fā)，而且其涵蓋范圍比較有限。運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)毛孔孔徑變化能夠反應(yīng)新陳代謝的情況，因此利用毛孔孔徑半導(dǎo)體傳感器就能夠隨時(shí)查詢各運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練狀態(tài)和過程。
本發(fā)明提出的傳感技術(shù)不僅適用于人體，還可能應(yīng)用于其他生物體上；在其它生物體上運(yùn)用本發(fā)明提出的傳感方案時(shí)，同樣屬于本發(fā)明的專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.生物體毛孔孔徑半導(dǎo)體傳感器，其特征在于，它是一片串接在直流回路中的可穩(wěn)定貼在皮膚上的摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體片。
2.如權(quán)利要求1所述的生物體毛孔孔徑半導(dǎo)體傳感器，其特征在于，當(dāng)所述直流回路中采用恒定電流源時(shí)，該半導(dǎo)體片的兩個(gè)電源輸入點(diǎn)即為信號(hào)輸出端；當(dāng)回路中采用恒定電壓源時(shí)，流過半導(dǎo)體片內(nèi)的電流為待檢測(cè)輸出信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的生物體毛孔孔徑半導(dǎo)體傳感器，其特征在于，所述半導(dǎo)體片是規(guī)則的具有幾何對(duì)稱形狀的半導(dǎo)體片。
4.如權(quán)利要求2所述的生物體毛孔孔徑半導(dǎo)體傳感器，其特征在于，所述半導(dǎo)體片是矩形半導(dǎo)體片，當(dāng)直流回路中采用恒定電壓源時(shí)，所述電源接入點(diǎn)和電流信號(hào)輸出點(diǎn)是分別位于任意兩條平行邊上的兩個(gè)對(duì)等點(diǎn)；當(dāng)直流回路中采用恒定電流源時(shí)，所述兩個(gè)電源接入點(diǎn)是分別位于任意兩條平行邊上的兩個(gè)對(duì)等點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求1所述的生物體毛孔孔徑半導(dǎo)體傳感器，其特征在于，所述半導(dǎo)體片為半導(dǎo)體硅片，其中摻入的施主雜質(zhì)濃度ND為1018＜ND＜1019/CM3，在該濃度范圍內(nèi)，所述傳感器輸出的電壓隨毛孔孔徑的變化而單調(diào)變化。
6.如權(quán)利要求1或2所述的生物體毛孔孔徑半導(dǎo)體傳感器，其特征在于，在所述半導(dǎo)體片的電源接入點(diǎn)和信號(hào)輸出點(diǎn)處，半導(dǎo)體的施主摻雜濃度ND＞1019/CM3。
全文摘要
生物體毛孔孔徑半導(dǎo)體傳感器屬于生物電子學(xué)的半導(dǎo)體智能傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。該傳感器的特征在于，它是一片串接在直流回路中的可穩(wěn)定貼在生物體皮膚上的摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體。當(dāng)所述直流回路中采用恒定電流源時(shí)，該半導(dǎo)體片的兩個(gè)電源輸入點(diǎn)即為信號(hào)輸出端；當(dāng)回路中采用恒定電壓源時(shí)，流過半導(dǎo)體片的回路電流為待檢測(cè)輸出信號(hào)。當(dāng)半導(dǎo)體片為硅片時(shí)，其摻入的施主雜質(zhì)濃度N
文檔編號(hào)H01L49/00GK1537506SQ20031010188
公開日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2003年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月23日
發(fā)明者劉自鴻 申請(qǐng)人:劉自鴻