一种基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪的制作方法

本发明涉及纳米薄膜光电技术领域，尤其涉及的是一种基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪。

背景技术：

二维材料（如石墨烯、二硫化钼、黑磷等）因其具有超高电子迁移率、宽光谱的广泛吸收性、柔韧性和突破尺寸极限等优点，具有成为应用于可穿戴设备的下一代新型光电传感器材料的潜力。然而，目前对二维材料光响应原理的研究仍集中在二维面内，很少考虑二维边缘的低配位原子在光电响应中所起的作用。在很大程度上妨碍了高输出、快响应、多光谱成像的新型光电传感器的实用化进程。目前广泛应用的可穿戴式光电脉搏仪的光响应率低，脉搏光电信号微弱，稳定性差的问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，旨在解决现有技术中可穿戴式光电脉搏仪的光响应率低，脉搏光电信号微弱，稳定性差的问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，其中，包括：

红外光源单元，用于固定待检测的用户手指、并发射指定波长的红外光以透射待检测的用户手指；

光电传感单元，用于采集红外光信号，并根据所述红外光信号产生光电信号；所述光电传感单元的硅基板表面通过ecr等离子照射生长有石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜；其中，所述红外光源单元发出的指定波长的红外光透射过待检测的用户手指后，通过所述石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜的石墨烯边界量子势阱的光电子俘获效应产生光电信号；

整流放大单元，用于将光电信号进行整流放大，得到整流放大信号；

信号采集单元，用于采集所述整流放大信号进行采集并保存。

所述基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，其中，所述光电传感单元具体包括：

p型硅基板；

石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜，所述石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜通过ecr等离子照射p型硅基板上表面而生长在p型硅基板的上表面；

设置在所述石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜的表面上的疏指状金钛合金电极，所述疏指状金钛合金电极作为光电传感单元的负极；

设置在所述p型硅基板的下表面上的金钛合金电极，所述金钛合金电极作为光电传感单元的正极；

所述金钛合金电极、及所述疏指状金钛合金电极均通过键合导电引线与整流放大单元连接。

所述基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，其中，所述红外光源单元具体包括：

红外光源，用于发射指定波长的红外光；

透射式手指固定夹具，用于固定待检测的用户手指。

所述基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，其中，所述整流放大单元具体包括：

隔直电容，所述隔直电容通过键合导电引线与所述疏指状金钛合金电极连接；

三级整流运算放大器，所述三级整流运算放大器与所述隔直电容连接，还通过键合导电引线与所述金钛合金电极连接。

所述基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，其中，所述信号采集单元具体包括：

模拟信号输出电路，所述模拟信号输出电路与所述三级整流运算放大器连接；

模/数转换电路，所述模/数转换电路与所述模拟信号输出电路连接；

数字信号输出电路，所述数字信号输出电路与所述模/数转换电路连接；

波形k值分析电路，所述波形k值分析电路与所述模拟信号输出电路连接；

指标输出装置，用于输出包括心率、全血粘度、外周阻力、动脉顺应性、房颤警报的心血管健康指标信息，所述指标输出装置与所述波形k值分析电路连接。

所述基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，其中，所述红外光源发射的红外光的波长为805nm。

所述基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，其中，所述疏指状金钛合金电极的厚度为50nm、宽度为60μm、间距为256μm。

所述基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，其中，所述金钛合金电极的厚度为50nm。

所述基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，其中，所述光电传感单元的硅基板表面以50-200ev的低能电子诱导，在硅基板的表面上生长出100nm厚的石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜。

本发明所提供的基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，包括：红外光源单元，用于固定待检测的用户手指、并发射指定波长的红外光以透射待检测的用户手指；光电传感单元，用于采集红外光信号，并根据红外光信号产生光电信号；光电传感单元的硅基板表面通过ecr等离子照射生长有石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜；其中，红外光源单元发出的指定波长的红外光透射过待检测的用户手指后，通过石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜的石墨烯边界量子势阱的光电子俘获效应产生光电信号；整流放大单元，用于将光电信号进行整流放大，得到整流放大信号；信号采集单元，用于采集整流放大信号进行采集并保存。本发明利用边界量子势阱对光生电子的俘获，可以大大地减少了光生电子-空穴对的复合，提高光响应率，对人体指尖脉搏信号的测量更精确稳定。

附图说明

图1为本发明所述基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪较佳实施例的结构示意图。

图2a为本发明中石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜的光电响应原理示意图。

图2b为本发明中石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜的性能测试示意图。

图3为脉搏波形的k值指标分析示意图。

图4a为心率为88次/秒的中年女性的脉搏模拟信号输出波形图。

图4b为心率为88次/秒的中年女性的脉搏数字信号输出波形图。

图4c为心率为61次/秒的青年男性的脉搏模拟信号输出波形图。

图4d为心率为61次/秒的青年男性的脉搏数字信号输出波形图。

具体实施方式

本发明提供一种基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参考图1，其为本发明所述基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪较佳实施例的结构示意图。如图1所示，所述基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，包括：

红外光源单元100，用于固定待检测的用户手指、并发射指定波长的红外光以透射待检测的用户手指；

光电传感单元200，用于采集红外光信号，并根据所述红外光信号产生光电信号；所述光电传感单元200的硅基板表面通过ecr等离子照射生长有石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜220；其中，所述红外光源单元发出的指定波长的红外光透射过待检测的用户手指后，通过所述石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜的石墨烯边界量子势阱的光电子俘获效应产生光电信号；

整流放大单元300，用于将光电信号进行整流放大，得到整流放大信号；

信号采集单元400，用于采集所述整流放大信号进行采集并保存。

本发明的实施例中，利用等离子体低能电子照射技术在硅基板（如空穴型导电硅基板）上诱导生长出石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜，利用紫外光刻和多靶材溅射技术获得光电传感单元200；所述的红外光源单元100与所述的光电传感单元200的波长相匹配；红外光源单元100发射指定波长的红外光透过指尖被光电传感单元200采集，光电传感单元200利用石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜中的石墨烯边界量子势阱的光电子俘获效应产生光电信号，该光电信号经整流放大单元300处理后，由信号采集单元400采集保存，从而实现对人体指尖脉搏信号的精确稳定测量和对心血管健康指标的输出。

具体的，所述光电传感单元200的硅基板表面以50-200ev的低能电子诱导，在硅基板的表面上生长出100nm厚的石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜220。也即利用ecr等离子体低能电子照射技术，以50ev到200ev的低能电子诱导，在0.5mm厚的硅基板上生长出100nm厚的石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜220；所述的石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜220是在非晶碳膜中嵌入生长大量的石墨烯纳晶，因而具有超高密度的石墨烯边缘，形成石墨烯边界量子势阱。由于石墨烯边界量子势阱对电子的俘获能力，石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜220与硅基板形成无需外加电场的天然p-n结。

更具体的，以ecr氩气等离子体为照射电子源，通过直流溅射在硅基板表面生长石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜220，利用低能电子照射在碳膜中诱导生长石墨烯纳晶。改变ecr氩气等离子体中氩气气压在0.01pa~0.1pa之间(电子密度109~1010cm^-3)，基片偏压在+30v~+300v之间，在硅基板表面进行石墨烯嵌层诱导生长。通过调节氩气气压和基片偏压改变电子照射密度和动能，改变石墨烯纳晶的尺寸和边缘密度。利用透射电镜和拉曼光谱研究分析石墨烯纳晶键合方式平均层内尺寸和堆叠层数等形态。

在调制信号的红外光源单元100下，由于石墨烯边界量子势阱俘光电子，大大地减少了光生电子-空穴对的复合，包括石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜220的光电传感单元200产生周期性的电信号。

优选的，如图1所示，所述光电传感单元200具体包括：

p型硅基板210；

石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜220，所述石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜220通过ecr等离子照射p型硅基板210上表面而生长在p型硅基板210的上表面；

设置在所述石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜220的表面上的疏指状金钛合金电极230，所述疏指状金钛合金电极230作为光电传感单元200的负极；

设置在所述p型硅基板210的下表面上的金钛合金电极240，所述金钛合金电极240作为光电传感单元200的正极；

所述金钛合金电极240、及所述疏指状金钛合金电极230均通过键合导电引线500与整流放大单元300连接。

具体的，利用紫外光刻技术和磁控溅射技术，在石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜220上表面镀上的疏指状金钛合金电极230用作负极，在p型硅基板210下面镀上50nm厚金钛合金电极240用作正极。所述疏指状金钛合金电极240的厚度为50nm、宽度为60μm、间距为256μm。

由于电子诱导生长的薄膜本身具有n型半导体的导电特性，故选用p型硅基板作为接触材料。利用光刻和真空蒸镀在石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜220的表面上的疏指状金钛合金电极230、及镀在p型硅基板210下表面镀上的金钛合金电极240构成光电传感器单元200（如图1所示）。光电传感器单元200的光电响应的有效面积为5mm×5mm，光子能量使得p型硅和石墨烯嵌层内部的价带电子激发到导带，由于石墨烯边界量子阱的引入，在电子-空穴对复合之前，p型硅和石墨烯嵌层内部的光电子迅速被石墨烯边界量子阱俘获（如图2a所示），生成开路电压。石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜220能够产生光电流，并能迅速地对光开和光闭进行快速响应。测量在不同波长的入射光的照射下测量光电传感器的开路电压、光生电流以及对光信号的反应时间。如图2b所示，本发明的石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜传感芯片可达到对805nm近红外光0.2a/w的响应率和4微秒的响应时间。

优选的，如图1所示，所述红外光源单元100具体包括：

红外光源110，用于发射指定波长的红外光；

透射式手指固定夹具120，用于固定待检测的用户手指。

优选的，如图1所示，所述整流放大单元300具体包括：

隔直电容310，所述隔直电容310通过键合导电引线500与所述疏指状金钛合金电极230连接；

三级整流运算放大器320，所述三级整流运算放大器320与所述隔直电容310连接，还通过键合导电引线500与所述金钛合金电极240连接。

具体的，利用隔直电容310去除光电信号中的直流本底，利用三级整流运算放大器320对脉搏产生的模拟交流信号进行放大，并对模拟信号的波形进行输出。更具体的，所述隔直电容310为10μf电解电容；所述三级整流运算放大器320的型号为microchipmcp6004。

优选的，如图1所示，所述信号采集单元400具体包括：

模拟信号输出电路410，所述模拟信号输出电路与所述三级整流运算放大器连接；

模/数转换电路420，所述模/数转换电路420与所述模拟信号输出电路410连接；

数字信号输出电路430，所述数字信号输出电路430与所述模/数转换电路420连接；

波形k值分析电路440，所述波形k值分析电路440与所述模拟信号输出电路410连接；

指标输出装置450，用于输出包括心率、全血粘度、外周阻力、动脉顺应性、房颤警报的心血管健康指标信息，所述指标输出装置450与所述波形k值分析电路440连接。

具体的，所述模拟信号输出电路410的型号为analogdevicesop07；所述模/数转换电路420的型号为analogdevicesad7091；所述数字信号输出电路430的型号为analogdevicesadm483；所述波形k值分析电路440的型号为texasinstrumentstms320f2802xmcu；所述指标输出装置450的型号为analogdevicesad2403。

利用触发器电路（如texasinstrumentscd40106bm）将模拟交流信号转换为数字脉冲信号，进行输出。利用脉搏波形k值分析电路对心血管健康指标进行输出。心心血管健康指标信息包括心率、全血粘度、外周阻力、动脉顺应性、房颤警报。

如图3所示，脉搏k值的算法与脉搏舒张压力（pm），脉搏收缩压力（ps）和平均脉搏压力（pn）有关。k值实际上是一个无量纲量，反应的是脉搏曲线的形状特征。研究显示，脉搏曲线越扁平，成馒头状，k值越大在0.35~0.5，心血管状态越老化；运动可以帮助脉搏曲线形状变得陡直，k值到0.3以下。

脉搏信号主要由动脉血的充盈引起，而血液中还原血红蛋白（hb）和氧合血红蛋白（hbo2）含量变化将造成透光率的变化，当氧合血红蛋白和还原血红蛋白对光的吸收量相等时，透射光的强度将主要由动脉血管的收缩和舒张引起的，此时能够比较准确地反映出脉搏信号。因此，脉搏电压v与指尖动脉血管压力p呈线性关系：

p=a*v+b（1）

经过测量，得出本发明中的a和b值分别为6.15和75.8mmhg。通过脉搏信号测量，可以获得k值。根据k值，可得心率（pr）、全血粘度(v)、外周阻力(tpr)、动脉顺应性(ac)等指标。由此，根据脉搏波形k值分析，我们可以得到相应的心血管参数。心房颤动（简称房颤）是最常见的持续性心律失常，房颤时心房激动的瞬时频率变化率达200%。本发明本着预警作用，当心率瞬时变化率超过50%时，便会给于房颤警报。

本发明的脉搏信号输出实例如图4a和图4b所示。实例1为一个心率为88次/秒的中年女性（图4a和图4b），身高为164cm，体重为61kg，模拟信号（上）和数字信号（下）都测量到了稳定的脉搏信号。实例2为一个心率为61次/秒的青年男性（图4c和图4d），身高为182cm，体重为70kg。模拟信号和数字信号都测量到了稳定的脉搏信号。可以得到两人的心血管指标、和一般人平均值范围分别为：

k值：0.343、0.314、0.28-0.35

心率（pr）：88、61、60-100

全血粘度(v)：3.92、3.59、3.5-4.5

房颤警报：无、无、小于50%

外周阻力(tpr)：0.0156、0.0127、0.01-0.018

动脉顺应性(ac)：1.64、2.77、大于1.2

以上心血管指标由单片机进行运算，由指标输出装置450进行显示。

综上所述，本发明所提供的基于石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜光电传感器的脉搏仪，包括：红外光源单元，用于固定待检测的用户手指、并发射指定波长的红外光以透射待检测的用户手指；光电传感单元，用于采集红外光信号，并根据红外光信号产生光电信号；光电传感单元的硅基板表面通过ecr等离子照射生长有石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜；其中，红外光源单元发出的指定波长的红外光透射过待检测的用户手指后，通过石墨烯边缘嵌入式纳米薄膜的石墨烯边界量子势阱的光电子俘获效应产生光电信号；整流放大单元，用于将光电信号进行整流放大，得到整流放大信号；信号采集单元，用于采集整流放大信号进行采集并保存。本发明利用边界量子势阱对光生电子的俘获，可以大大地减少了光生电子-空穴对的复合，提高光响应率，对人体指尖脉搏信号的测量更精确稳定。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。