黑龙江大学 博士学位论文 基于MEMS技术的硅脉象传感与检测系统的研究 姓名：王璐 申请学位级别：博士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：温殿忠 中文摘要 中文摘要 脉诊是中医学中最具特色的诊断方法，具有简便、可靠、无创伤等优点。随 着现代科学技术的飞速发展，用科学的方法采集、处理脉象信息，成为脉诊为患 者提供疾病客观信息的重要手段，而脉象传感器的设计和制作是脉诊客观化研究 的基础。 本文采用MEMS技术、CMOS工艺和激光加工技术，设计并制作了硅杯和悬 臂梁两种结构的以纳米硅／单晶硅异质结为源极和漏极的MOSFETs脉象传感器， 该脉象传感器具有体积小，重量轻、灵敏度高、温度特性好等优点，能够实现对 微小脉象信号的准确检测。作为脉象传感器的应用，本文研制了纳米硅／单晶硅异 质结MOSFETs脉象检测系统，并阐述了采用人工神经网络处理脉象检测结果的方 法。 在理论分析的基础上，本文设计了纳米硅／单晶硅异质结MOSFETs脉象传感 器的力敏结构，确定了衬底材料、硅膜厚度、MOSFET沟道电阻在硅膜和悬臂梁 上的位置。在硅杯的长方形硅膜上和悬臂梁上分别设计四个纳米硅／单晶硅异质结 电阻构成惠斯通电桥结构。当硅膜和悬臂梁受到脉搏压力作用时，其内部MOSFET 沟道电阻的改变使惠斯通电桥输出电压发生变化，可以实现对脉搏压力的检测。 本文在11型晶向双面抛光单晶硅片上，分别制作了硅杯和悬臂梁结构的 脉象传感器芯片照片。为了解决现有硅悬臂梁刻蚀工艺中存在的刻蚀速度和刻蚀 质量等问题，本文研究了激光加工技术与MEMS技术相结合制作硅悬臂梁的方法， 使硅悬臂梁的制备更加简洁、快速、精准，有效克服了传统悬臂梁释放时存在的 削角问题，也为其他微结构的制备提供了高质量的激光刻蚀方法。 本文对制备的纳米硅／单晶硅异质结P．MOSFET的特性、硅杯式纳米硅／单晶硅 异质结MOSFETs脉象传感器的静态特性、悬臂梁式纳米硅7单晶硅异质结 黑龙江大学博士学位论文 感器的温度特性等四个方面，给出实验结果如下： 在不受外加压力作用时，对纳米硅／单晶硅异质结p-MOSFET的电学特性进行 高低温实验。实验结果表明，纳米硅／单晶硅异质结p-MOSFET的沟道电流IDs随 温度变化很小，而且随着温度的升高沟道电流IDs的变化量减小。四个纳米硅／单晶 硅异质结P．MOSFET的沟道电阻都随着温度的增加而略有变小。 分别采用恒压源和恒流源两种供电方式对硅杯式纳米硅／单晶硅异质结 采用恒压源供电时，纳米硅／单晶硅异质结MOSFETs脉象传感器的灵敏度随着供 电电压的增加而增加，当供电电压为．5．0V时，灵敏度为0．6517mV／kPa，准确度为 敏度随着供电电流的增加而增加，当供电电流为1．000mA时，灵敏度为 0．638 1％F．S。 lmV／kPa，准确度为2．28 对悬臂梁式纳米硅／单晶硅异质结MOSFETs脉象传感器的特性进行测试，实 验结果给出，在一定的振动频率下，悬臂梁的加速度越大，传感器的输出电压越 大；在一定的加速度下，振动频率越高，传感器的输出电压越大。 在不同温度下，对硅杯式纳米硅／单晶硅异质结MOSFETs脉象传感器的温度特 性进行测试。实验结果表明，在恒压和恒流两种供电方式下，纳米硅／单晶硅异质 结MOSFETs脉象传感器的灵敏度都随着温度的降低而升高。 本文给出纳米硅／单晶硅异质结MOSFETs脉象传感器的应用实例，介绍了纳 米硅／单晶硅异质结MOSFETs脉象检测系统的总体设计方案和各功能模块的设计 方法，并给出MOSFETs脉象检测系统的实测结果。本文还阐述了利用人工神经网 络中的误差反向传播神经网络和概率神经网络对脉象检测结果进行分析，判别妇 女是否怀孕的方法。这种方法有别于单纯对脉形进行分类的分析方法，其优势在 于只凭借妇女的脉形特征参量，就能够准确判断该妇