用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器

1.本实用新型涉及碳基场效应管技术领域，尤其是在中医脉象复现领域的应用，具体而言涉及一种用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器。


背景技术：

2.把脉又称为切脉，是中医师用手按病人的动脉（寸关尺），根据脉象，以了解疾病内在变化的诊断方法。人体大致有28种脉象，每一种脉象都是对人体机能的反映，都有所对应的病症范围。
3.医学研究和临床诊断上对脉搏的监测是十分重要的。由于外界环境微不足道的变化，在脉象上都可能会出现明显的变化。如果在生理的调节范围内，是正常的脉象；超过生理范围，就是病态的脉象。有了干扰，脉象有时就不准确可靠。在这时，经验显得尤其重要，诊脉技艺高超、经验丰富的中医大夫可以较准确地发现病变，而一般的中医大夫就可能诊断不清，甚至诊断失误。
4.同时，经验丰富的中医师在切脉过程中所获得的脉象以及根据脉象进行的诊断，是基于其自身的经验积累以及脉象来进行判断的，脉象众多，不同的脉象以及其变化，有时很难用直观的文字和语言来准确表达，因此导致在针对实习/见习中医师的岗前培训以及实践过程中，难以获得直接的直观、客观的脉搏、脉象数据进行学习和实践，也无法通过可视化的方式进行教学和实践仿真。
5.目前，中医院用来监测脉象的仪器非常庞大，也难以对脉象持续的监测。


技术实现要素：

6.本实用新型目的在于提供一种用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器及其制备，旨在实现中医脉象的复现，得到可视化结果，既有利于作为临床诊断参考或者日常健康诊断，同时基于可视化的表达，更利于中医诊断和教学，促进中医传承。
7.根据本实用新型目的的第一方面，提出一种微纳加工的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器，达到微米级水平，能够实现对脉搏信号高灵敏度、低功耗、便携、安全的实时监测，同时，能够复现脉象，得到可视化结果，促进中医传承。
8.作为一个示例的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器，包括三个独立的脉象复现通道，每个脉象复现通道由一个脉搏感应组件以及对应设置的一个cnt-fet型传感组件构成；
9.每个脉象复现通道的cnt-fet型传感组件通过导电介质与直接作用于人体皮肤表面的脉搏感应组件电连接，脉搏感应组件具有一手指模拟通道，用于感应脉象及其变化，手指模拟通道的感应输出通过导电介质传输至对应的cnt-fet型传感组件，基于三个脉象复现通道的cnt-fet型传感组件的响应输出，获得脉象数据。
10.作为可选的示例，所述脉搏感应组件由压电材料、下电极、上电极、手指模拟通道以及气管构成；
11.所述cnt-fet型传感组件由硅基衬底、cnt沟道层、介电层、源极电极、漏极电极以及顶栅电极构成。
12.作为可选的示例，所述硅基衬底限定了第一表面和相对的第二表面，以第一表面作为后续制备的生长表面；
13.cnt沟道层位于硅基衬底的第一表面，并位于源极电极与漏极电极之间的位置；
14.位于源极电极和漏极电极之间的cnt薄膜通过刻蚀在沟道区域形成cnt沟道层；
15.介电层位于cnt沟道层的上表面；
16.源极电极与漏极电极位于介电层、cnt沟道层的两侧位置，源极电极与漏极电极相对地设置并隔开布置；
17.顶栅电极位于介电层远离硅基衬底的一侧，并且顶栅电极与源极电极、漏极电极及cnt沟道层均不接触。
18.作为可选的示例，每个脉象复现通道中，所述压电材料限定了上表面和下表面；
19.下电极和上电极分别位于压电材料的下表面和上表面；下电极和上电极均为薄层结构；
20.下电极与源极电极之间，可通过第一介质进行电连接；
21.上电极与顶栅电极之间，可通过第二介质进行电连接；
22.手指模拟通道位于上电极的表面；
23.气管通入手指模拟通道内，用于向手指模拟通道内通入气体，或者从手指模拟通道内排出气体；
24.其中，在每个脉象复现通道中，通过气管向手指模拟通道通入气体的流量与体积控制，以实现对手指模拟通道的内部压力控制，向下施加到压电材料、下电极，从而作用于人体表面的把脉位置。
25.作为可选的示例，每个手指模拟通道均独立且相互隔离开，使得每一个手指模拟通道均被独立地进行气压控制。
26.作为可选的示例，所述压电材料、下电极和上电极均被pet包裹，其中pet的厚度在25-50um。其中，上电极、压电材料、下电极整体被pet封装后，pet直接与人体表面接触。
27.作为可选的示例，所述手指模拟通道包括薄层结构的第一层pdms和凹微结构的第二层pdms，薄层结构的第一层pdms位于上电极的上表面，凹微结构的第二层pdms位于第一层pdms的上表面，第一层pdms与第二层pdms键合在一起形成手指模拟通道，其内部形成空腔；
28.通过向手指模拟通道的内部的空腔通入气体使其压力发生变化，从而模拟中医把脉。
29.由以上本实用新型的技术方案，其显著的有益效果在于：
30.本实用新型提出的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器，解决了传统中医把脉因经验不足、主观性强而导致诊断不正确以及无法利用可视化的脉搏体现的脉象变化来教学和实践的问题，通过本实用新型的微纳加工的制备工艺，可与cmos半导体制备工艺兼容，抛弃采用传统的庞大的设备去监测脉搏，通过本实用新型的设计可实现微米级器件的制备和集成，实现器件的小型化和实时便携检测，结合cnt-fet传感器的高灵敏度、低功耗的优点，可实现对脉象的实时监测复现，达到可视化的脉象复现；
31.本实用新型提出的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器，通过压电材料将脉搏信号转化为电压信号，由于压电材料两端的电极通过导线连接到场效应晶体管的栅极和源极，因此压电材料电压的变化表现为栅极上电压的变化，从而引起场效应晶体管沟道电流的变化。因此可以将脉象转化为可视化结果，提高了中医把脉效率和诊断的准确率，促进中医传承。
32.同时，高性能的场效应晶体管与压电材料结合后，可以高灵敏度、低功耗的进行实时监测，与现有技术采用传统的庞大的设备去监测脉搏，本实用新型能够集成化、小型化，更加便携和轻巧，可实现对脉搏信号的高灵敏度、低功耗、便携、安全的实时监测，实现实时、高灵敏的脉象复现。
33.应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。
34.结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
35.附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：
36.图1是本实用新型示例性实施例的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器的示意图。
37.图2是本实用新型示例性实施例的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器的独立脉象复现通道的示意图。
38.图3是本实用新型示例性实施例的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器的脉搏感应组件的示意图。
39.图4是本实用新型示例性实施例的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器的cnt-fet型传感组件的制备过程示意图。
40.图5是本实用新型图1实施例的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器的动态力测试结果示意图。
41.图6是本实用新型图1实施例的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器的灵敏度测试结果示意图。
42.图7是本实用新型图1实施例的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器的对压力的电流响应示意图。
43.图8a是本实用新型图1实施例的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器的对压力的电压响应示意图。
44.图8b是本实用新型图1实施例的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器的转移曲线示意图。
45.图9是本实用新型图1实施例的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感
器的脉搏测试结果示意图。
具体实施方式
46.为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
47.在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。
48.用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器
49.结合图1、2所示的示例性实施例，用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器包括三个独立的脉象复现通道100，每个脉象复现通道100由一个脉搏感应组件110以及对应设置的一个cnt-fet型传感组件120构成。
50.其中，每个脉象复现通道包括硅基衬底10、cnt沟道层20、介电层30、源极电极40、漏极电极41、顶栅电极42、压电材料60、下电极50、上电极51、手指模拟通道72以及气管80。
51.如图1、2所示，压电材料60、下电极50、上电极51、手指模拟通道72以及气管80构成脉搏感应组件110。
52.如图1、2所示，硅基衬底10、cnt沟道层20、介电层30、源极电极40、漏极电极41、顶栅电极42构成一个cnt-fet型传感组件120。
53.结合图1、2所示，每个脉象复现通道的传感组件通过导电介质与直接作用于人体皮肤表面的脉搏感应组件电连接，每个脉搏感应组件具有一手指模拟通道，用于感应脉象及其变化，手指模拟通道的感应输出通过导电介质传输至对应的一个传感组件，通过三个脉象复现通道的传感组件的响应输出，获得脉象数据。
54.传感组件
55.结合图1，硅基衬底10限定了第一表面和相对的第二表面，结合图1所示，为了便于说明，以第一表面作为后续制备的生长表面。硅基衬底10可采用p型硅衬底。
56.结合图1，cnt沟道层20位于硅基衬底10的第一表面，并位于源极电极40与漏极电极41之间的位置。cnt沟道层20采用网状碳纳米管，具有一定的厚度，其厚度控制在0.5-2nm。
57.在可选的示例中，在硅基衬底10的第一表面沉积一定厚度的cnt薄膜，然后在cnt薄膜上制备出源极电极40和漏极电极41。
58.位于源极电极40和漏极电极41之间的cnt薄膜通过刻蚀，在沟道区域形成cnt沟道层20。
59.如图1的示例，介电层30位于cnt沟道层20的上表面。作为可选的示例，介电层30采用氧化钇等金属氧化物介电层，或者其他材质的介电层，其厚度在6-10nm。
60.如图1的示例，源极电极40与漏极电极41位于介电层30、cnt沟道层20的两侧位置，源极电极40与漏极电极41相对地设置并隔开布置。
61.如图1的示例，顶栅电极42位于介电层远离硅基衬底10的一侧，并且，顶栅电极42
与源极电极40、漏极电极41及cnt沟道层20均不接触。
62.如图1所示，位于cnt沟道层20上表面的介电层30覆盖了cnt沟道层20的部分表面，其形状和尺寸可被设置成与其上方的顶栅电极42相适配。
63.在一些实施例中，顶栅电极42与介电层30还可以被配置成更大或者更小的尺寸，并且顶栅电极42位于源极电极40、漏极电极41之间，并且与源极电极40、漏极电极41均不接触。
64.在可选的实施例中，源极电极40与漏极电极41均为一定厚度的条状电极，例如条状金电极。源极电极与漏极电极的厚度相同，厚度在60-80nm，长度在30μm以上，宽度在5μm以上。
65.在可选的实施例中，顶栅电极42为条状金电极，与源极电极40与漏极电极41间隔开，并且垂直地布置在介电层30上。在一些示例中，顶栅电极42的厚度在30-50nm，长度1200um以上。
66.脉搏感应组件
67.结合图1、2、3，压电材料60、下电极50、上电极51、手指模拟通道72以及与手指模拟通道72对应设置的气管80构成脉搏感应组件。
68.手指模拟通道72，构成独立的脉搏感应通道，用于在给定的压力条件下，模拟中医把脉。
69.压电材料60限定了上表面和下表面。压电材料的厚度在40-60nm。
70.在可选的实施例中，压电材料60可以采用pvdf、pzt等压电材料，做成薄膜形状。
71.下电极50和上电极51分别位于压电材料60的下表面和上表面。下电极50和上电极51均被设置成薄层。
72.在一些实施例中，下电极50和上电极51的厚度相同，厚度在5-20nm。
73.在可选的实施例中，压电材料60、下电极50和上电极51均被pet包裹，其中pet的厚度在25-50um。
74.其中，上电极、压电材料、下电极整体被pet封装后，pet直接与人体表面接触。
75.下电极50与源极电极40之间，可通过第一介质90进行电连接，例如导电线或者导电金属引线等。
76.上电极51与顶栅电极42之间，可通过第二介质91进行电连接，例如导电线或者导电金属引线等。
77.每个脉象复现通道中，气管80通入手指模拟通道72内，用于向手指模拟通道72内通入气体，或者从手指模拟通道72内排出气体。
78.在可选的实施例中，可每个气管80可通过配置的气泵以及对气泵的控制，实现气体的流量与体积控制，以实现对每个手指模拟通道72的内部压力控制，向下施加到压电材料60、下电极50，从而作用于人体表面的把脉位置。而人体脉搏在对应的压力下的反馈，则作为感应信号，通过脉搏感应组件输出至传感组件，实现对脉象的模拟与重现。
79.每个手指模拟通道72均独立且相互隔离开，使得每一个手指模拟通道72均可独立地进行气压控制。
80.作为可选的实施例，手指模拟通道72由绝缘材料制作成型，例如pdms。
81.作为可选的实施例，每个手指模拟通道72包括薄层结构的第一层pdms 70和凹微
结构的第二层pdms 71，薄层结构的第一层pdms 70位于上电极51的上表面，凹微结构的第二层pdms 71位于第一层pdms 70的上表面，两层键合在一起，形成手指模拟通道72，其内部形成空腔。通过向手指模拟通道72的内部的空腔通入气体使其压力发生变化，从而模拟中医把脉。
82.在可选的实施例中，第一层pdms的厚度为10-50um；第二层pdms的厚度为4000-6000um。
83.结合图2、3所示，第二层pdms的凹微结构为条形凹陷结构，外部尺寸的长度为1-1.2cm，宽度为0.5-1cm。
84.在不同的脉象对应的压力控制条件下，通过脉搏感应组件感应人体的脉象，脉象反馈的压力信号通过脉搏感应组件输出至传感组件，由于脉搏感应组件的每个手指模拟通道72均独立且单独地控制，由此可实现对脉象的复现。
85.在可选的实施例中，三个脉象复现通道中，对应的压力的施加，可结合中医二十八种脉象进行控制。
86.作为可选的实施例，三个脉象复现通道可进行集成设计，将三个脉搏感应组件进行集成，利于整体接触和贴合到人体表面。对应地，cnt-fet型传感组件以有利的方式集成为一体。
87.制备方法
88.在本实用新型的示例中，三个独立的脉象复现通道采用相同的配置，作为可选的方式，cnt-fet型传感组件可采用微纳加工的工艺来制备。
89.作为可选的示例，每个脉象复现通道中的cnt-fet型传感组件以及对应设置的脉搏感应组件的制备过程，包括以下步骤：
90.步骤1、准备硅基衬底10并在其上表面沉积cnt薄膜，厚度控制在0.5-2nm；可选地，硅基衬底10采用si/sio2衬底；
91.步骤2、使用光刻机将源极电极（s）、漏极电极（d）以及金属引线进行曝光，使用电子束工艺沉积一定厚度的金属，形成源极电极（s）、漏极电极（d）以及金属引线；
92.步骤3、通过匀胶机对沉积有cnt薄膜的si/ sio2结构表面进行匀胶，利用光刻工艺曝光相应图形，对cnt薄膜进行刻蚀，获得cnt沟道层；
93.步骤4、使用光刻机将介电层曝光，使用电子束工艺沉积一定的金属，形成介电层；
94.步骤5、再次进行匀胶、曝光，对顶栅电极（top-g）以及金属引线进行曝光，使用电子束工艺沉积一定厚度的金属，形成顶栅电极（top-g）以及金属引线；
95.步骤6、使用电子束镀膜仪在压电材料的上下表面沉积一定厚度的金属，形成压电材料的上电极和下电极；
96.步骤7、使用pet封装压电材料及其对应的上电极和下电极；
97.步骤8、在阳模上浇注pdms，固化后脱模，形成具有凹微结构的pdms；
98.步骤9、然后在si衬底上浇注pdms，固化后脱模，形成平整的薄层结构的pdms；
99.步骤10、将两层pdms键合，形成手指模拟通道；
100.步骤11、使用导线分别连接源极电极和压电材料的下电极，连接顶栅电极和压电材料的上电极。
101.作为一个具体的示例，用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器的一个
脉象复现通道的具体制备过程，包括：
102.首先，在硅基衬底上表面沉积一定厚度的cnt薄膜；再使用紫外光刻机将器件的源极电极、漏极电极、金属引线进行曝光，使用电子束工艺沉积80nm厚度的金属，形成源极、漏极和金属引线；
103.使用lor和s1813光刻胶在匀胶机上对沉积有cnt薄膜的si/sio2二层结构的表面进行匀胶，然后通过光刻和氧等离子体刻蚀(rie)对cnt薄膜进行刻蚀形成cnt沟道层；
104.使用紫外光刻机将介电层进行曝光，使用电子束工艺沉积6nm厚度的金属，形成栅介质层；
105.然后，使用紫外光刻机将器件的顶栅电极和金属引线进行曝光，使用电子束工艺沉积40nm厚度的金属，形成顶栅电极和金属引线；
106.使用电子束镀膜仪在压电材料的上下表面沉积100nm厚度的金属，形成压电材料的上电极和下电极；
107.使用pet封装压电材料，可选地，包括对压电材料、上电极和下电极的封装；
108.在阳模上浇注pdms，固化后脱模，形成具有凹微结构的pdms；其中，可预先使用su8制备阳模，以备使用；
109.然后在硅基衬底上浇注pdms，固化后脱模，形成平整薄层结构的pdms，可通过适当的方式结合到包裹pet的上电极的表面；
110.将两层pdms键合，例如，通过将两层pdms使用氧等离子体结合，形成手指模拟通道；
111.最后，使用银胶将导线分别连接场效应晶体管的源极电极和压电材料的下电极，顶栅电极连接压电材料的上电极。
112.本实用新型的实施例中，以图3、4所示示例的方法制备的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器，设计尺寸如下：
113.源极电极：长150um、宽18um、厚度80nm；
114.漏极电极：长150um、宽18um、厚度80nm；
115.顶栅电极：长1200um、宽10um、厚度40nm；
116.输出电极（pad）尺寸为300μm *300μm 以上，厚度为800nm；
117.压电材料：长2.5cm、宽1.5cm、厚度50um；
118.上电极和下电极：长2.3cm、宽1.4cm、厚度10nm；
119.第一层pdms：长203cm、宽1.4cm、厚度40um；
120.第二层pdms: 长2cm、宽1cm、厚度5000um。
121.脉搏检测
122.结合图1、2、3所示，通过三个气管向手指模拟通道72内通入气体，模拟把脉医生的三根手指，通入不同体积的气体，所产生的的气压不同。
123.在检测时，人的手指用力不同，监测到的脉象也不一样。
124.在某一个特定气压下，压电材料将脉搏跳动转化为电压信号，压电材料通过导线与场效应晶体管即cnt-fet型传感组件相连，等效电路为压电材料的电容与场效应晶体管的栅电容串联，因此，压电材料电压的变化表现为栅极上电压的变化，从而引起场效应晶体管沟道电流的变化。当压电材料两端产生负电势，即在栅源两端施加负电压，作为导电通道
的碳纳米管里形成空穴积累，沟道电流增大。当压电材料两端产生正电势，即在栅源两端施加正电压，作为导电通道的碳纳米管里的空穴载流子会耗尽，沟道电流减小。
125.基于此原理，我们在使用本实用新型实施例的压力传感器测试脉象时，在传感器的源极电极和漏极电极之间施加一定大小的电压v
ds
，顶栅电极施加0v电压，根据脉搏跳动的强弱和快慢，源极电极和漏极电极间流过的电流大小不同。其中压力传感器的灵敏度定义为：取每一个压力下，同样的vgs，那么ids会有不同，因此，不同的ids是压电势的改变的结果，由此可以得到ids值与压力数值之间的函数，而函数的斜率就是灵敏度。
126.如图6所示的示例中，我们以vgs=0v为例，测试获得ids的值为基础获得的灵敏度曲线。
127.在一些实施例中，测试的沟道电流，可采用samping模式。例如，在施加0v电压时，随着脉搏的跳动，源极电极和漏极电极间流过的电流也随着变化，与时间成关系，以每0.04秒采集一个电流值，在6秒时间周期内，一共采集245个ids点，即可脉压检测的曲线，反映出在不同的脉象下的脉搏及其波动。
128.测试对比
129.以前述实施例制备的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器为基础进行测试与分析。
130.使用电动位移平台和keithley 2636测试动态力，在施加不同压力的条件下，源极电极和漏极电极间流过的电流也不同。通过压力传感器在室温下检测压力，压力值分别为0.5、1、1.8、2.9、4.7n，如图5所示。
131.我们绘制了相同栅电压下，所需要的源极电极和漏极电极间流过的电流ids，并将沟道电流ids与压力值绘制曲线，如图6所示，横坐标为压力值，纵坐标为沟道电流ids，所成曲线斜率即为传感器检测响应灵敏度。
132.如图6所示，压力传感器的灵敏度达到0.176/n，并且在宽压力范围内表现出了高灵敏度，同时表现出良好的线性度和宽范围的稳定性。在压力值为2.9n时，测试得到的源极电极和漏极电极间流过的电流ids为213na，如图7所示。在转移曲线中，每一个电压都有对应的一个电流值，在压力值2.9n时，测试得到的电压为-0.97v，如图8a所示。通过等效电路分析可得栅电压变化-0.75v，在转移曲线中对应的源极电极和漏极电极间流过的电流ids为213na，如图8b所示。
133.结合图7所示的持续实时检测结果的示意图，在同一个压力值的连续检测过程中表现出高度的稳定性。
134.在图9所示的示例中，在平静状态下，对脉搏进行测试，约一秒脉搏跳动一次，放大脉冲信号清楚地显示了外周动脉波形的特征峰，这些特征峰包含动脉硬化等重要的生物医学和生理信息、冠状动脉疾病、心肌梗死等。
135.由此可见，基于本实用新型的示例实施例的用于中医脉象复现的碳基场效应晶体管压力传感器，一方面采用脉搏感应组件与cnt-fet型传感组件构成多个独立通道来模拟把脉过程，实现脉象模拟和脉象复现，解决了传统中医把脉诊断可能出现误诊和效率低的问题，实现了脉象复现，得到可视化结果，方便中医诊断和教学，同时促进了中医传承。同时，本实用新型采用半导体工艺来制备的压力传感器，实现高度小型化和集成化，避免了使用庞大的仪器带来的无法持续监测脉搏的问题。
136.虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。