專利名稱：微型人類呼吸傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種傳感器技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)品，具體的說，是涉及一種微型人類呼吸傳感器。
背景技術(shù)：
監(jiān)測人類呼吸的成分和動態(tài)特征(強(qiáng)度和頻率)變化是一種本質(zhì)上安全的監(jiān)測人類新陳代謝變化的方法。目前人類呼吸傳感器技術(shù)的發(fā)展方向是研發(fā)高安全穩(wěn)定性、高靈敏性、高選擇性、低能耗的人類呼吸代謝靜態(tài)檢測和動態(tài)監(jiān)測相結(jié)合的傳感器系統(tǒng)，作為分析監(jiān)控人類一系列生理、病理和心理狀況的可靠依據(jù)。在靜態(tài)統(tǒng)計(jì)特征檢測上，自1992年M.Phillips在《科學(xué)美國人》刊中載文稱可以通過檢測氣體含量對人類生理、病理狀況進(jìn)行分析以來，已經(jīng)取得了一些長足進(jìn)步。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Joon-Boo Yu等人在Sensors and Actuators B(傳感器與執(zhí)行器B)2005年第108卷，第262-271頁上的文章“Analysis ofdiabetic patient’s breath with conducting polymer sensor array(用導(dǎo)電有機(jī)傳感器陣列分析糖尿病人的呼吸)”。文章使用傳感器陣列檢測人類呼吸中的成分信息作為診斷糖尿病的依據(jù)，但該技術(shù)并不能實(shí)現(xiàn)對人類呼吸的動態(tài)特征進(jìn)行監(jiān)測。用于監(jiān)測人類呼吸的動態(tài)特性的傳感器，雖早已用于對病人的病理變化的長時間監(jiān)測分析和護(hù)理技術(shù)中，而且用于測謊儀等人類心理狀況的監(jiān)測分析中，但是目前，此類傳感器均基于對人類呼吸過程中向周圍環(huán)境釋放出的潮氣、熱量、氣流或者胸部運(yùn)動作為傳感器的輸入量實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，它們屬于壓電、熱電原理或者氣壓計(jì)、氣流計(jì)原理，多數(shù)基于以上原理的傳感器很難實(shí)現(xiàn)利用半導(dǎo)體加工技術(shù)進(jìn)行制造，因此難于高精度、低成本地實(shí)現(xiàn)微型化、陣列化，進(jìn)而難于提高性價(jià)比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出一種微型人類呼吸傳感器，使其提高對人類呼吸強(qiáng)度和頻率變化等動態(tài)信息的監(jiān)測精度、敏感度、安全性、穩(wěn)定性和降低能耗與成本。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括襯底、微電極或者其陣列層，微電極或者其陣列層設(shè)置在襯底上，微電極或者其陣列層中，微電極或者其陣列的陰陽兩極由空氣間隔相互隔離。
所述的襯底，其表面具有高絕緣性能，它可以是玻璃，也可以是上層帶有絕緣層的硅片，絕緣層材料可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是其它絕緣襯底。
所述的微電極或者其陣列，可以是單層或者多層薄膜，為金屬微電極或者其陣列層或者表面覆蓋一維納米材料層的金屬微電極或者其陣列層。
所述的微電極陣列，包括陽極陣列和陰極陣列，每對相鄰電極條之間均有一定的間隔，間隔中存在空氣。
所述的一維納米材料層，位于陽極陣列和陰極陣列電極條的部分或者全部表面。
本發(fā)明提出利用強(qiáng)電場對呼出氣中所含有的帶電粒子進(jìn)行漂移采集作為呼吸量傳感原理，并利用帶電粒子在電場中的運(yùn)動所造成的雪崩放大現(xiàn)象作為信號本征放大方式的呼吸量傳感器。該傳感器靈敏度高，信噪比高，不需要接觸人體，安全性、穩(wěn)定性高，根據(jù)應(yīng)用場合工作電壓可以控制在幾伏到幾十伏，敏感單元核心能耗在小于10-5瓦特?cái)?shù)量級，結(jié)構(gòu)簡單，適于量產(chǎn)，易于陣列化且制造成本低?？梢杂糜卺t(yī)療、心理分析等領(lǐng)域。本發(fā)明的重要特性還在于，當(dāng)沒有人類呼吸出現(xiàn)的常規(guī)條件下，傳感器陰陽電極間所加電壓遠(yuǎn)小于空氣擊穿電壓，因此空氣處于絕緣狀態(tài)，傳感器外電路由于處于斷路狀態(tài)，因此理論能耗為零，實(shí)際能耗可以小于10-11瓦特?cái)?shù)量級，而當(dāng)人類呼吸在其工作響應(yīng)范圍(1厘米到50厘米)內(nèi)出現(xiàn)時，就可以輸出傳感信號，因此該傳感器還適用于一些自動裝置和安全領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的一個具體實(shí)施例的二維結(jié)構(gòu)簡圖；圖2是未使用一維納米材料的傳感器在正常居室環(huán)境中檢測某被測人甲呼吸時的脈沖信號輸出曲線；
圖3是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)的二維結(jié)構(gòu)簡圖；圖4是使用一維納米材料的傳感器在正常居室環(huán)境中檢測某被測人甲呼吸時的脈沖信號輸出曲線。
具體實(shí)施例方式
如圖1、圖3所示，本發(fā)明包括襯底1、微電極或者其陣列層6，微電極或者其陣列層6設(shè)置在襯底上，微電極或者其陣列層6中，微電極或者其陣列的陰陽兩極由空氣間隔相互隔離。
所述的微電極或者其陣列層6，其成分是單層或者多層的金屬或合金薄膜，是一種位于襯底1之上的若干金屬微梁形成的梳狀交叉陣列結(jié)構(gòu)。
所述的微電極陣列層6，包括陽極陣列5和陰極陣列3，每對相鄰電極條之間均有的間隔，間隔中存有空氣。
所述的微電極或者其陣列6，為金屬微電極或者其陣列層2或者為表面覆蓋一維納米材料層4的金屬微電極或者其陣列層2。
所述的一維納米材料層4，它位于陽極陣列5和陰極陣列3電極條的部分或者全部表面。
所述的襯底1，為絕緣襯底。
實(shí)施例1如圖1所示，本發(fā)明包括襯底1、微電極或者其陣列層6，所述的微電極或者其陣列層6為金屬微電極或者其陣列層2，設(shè)置在襯底1上。金屬微電極或者其陣列層2中，金屬微電極或者其陣列由空氣間隔相互隔離。
襯底1的表面具有高絕緣性能，它可以是玻璃，也可以是上層帶有絕緣層的硅片，絕緣層材料可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是其它絕緣襯底。
實(shí)施例2如圖3所示，本發(fā)明包括襯底1、微電極或者其陣列層6，所述的微電極或者其陣列層6為表面覆蓋一維納米材料層4的金屬微電極或者其陣列層2，金屬微電極或者其陣列層2設(shè)置在襯底1上，微電極或者其陣列層6中，金屬微電極或者其陣列由空氣間隔相互隔離。
當(dāng)工作時，陽極陣列5和陰極陣列3分別與電源正極和負(fù)極相連，從而使兩極之間存在電勢降，進(jìn)而在每兩個陰陽極單元的間隙中以及每個單元的鄰近區(qū)域形成靜電場，當(dāng)該電場強(qiáng)度小于空氣的擊穿場強(qiáng)時，傳感器電路處于斷路狀態(tài)；當(dāng)人類呼出氣體中的帶電粒子通過氣流運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動等方式到達(dá)微電極陣列響應(yīng)范圍之內(nèi)時(鼻呼吸約為1-30厘米；口呼吸約為1-60厘米)，帶正電荷和負(fù)電荷的粒子分別被陰極陣列3和陽極陣列5鄰近區(qū)域的強(qiáng)電場“捕獲”并向電極漂移，形成輸出電流信號。當(dāng)一維納米材料層4被覆蓋于金屬微電極或者其陣列層2表面時，由于一維納米材料層4的大電場增強(qiáng)因子的作用，在相同電壓之下，其鄰近區(qū)域的電場強(qiáng)度大大增強(qiáng)，因此使得帶電粒子運(yùn)動速度加快，使電流密度加大，從而可以提高信號輸出強(qiáng)度。另一方面，帶電粒子的漂移也會在電場中產(chǎn)生碰撞電離等過程，從而形成雪崩增益進(jìn)而提高信號輸出強(qiáng)度，而電場強(qiáng)度的增強(qiáng)可以提高增益的程度，因此一維納米材料層4的使用利于提高信號強(qiáng)度。
圖2和圖4分別表示未使用一維納米材料層4覆蓋的圖1所示器件和使用一維納米材料層4覆蓋圖3所示器件兩種情況下，傳感器對被測者呼吸的相應(yīng)信號輸出，所使用的一維納米材料為多壁碳納米管，陰陽電極陣列的均勻電極間距約35微米，器件的工作環(huán)境為環(huán)境大氣壓下的空氣，濕度約為80％，溫度約為18℃。其中，未使用一維納米材料層4的傳感器距離被測者鼻孔朝向的距離為2厘米，工作電壓為50伏直流電源提供，而使用一維納米材料層4的傳感器距離被測者鼻孔朝向的距離為15厘米，工作電壓為10伏直流電源提供。
由圖2、圖4可見，兩種傳感器均可以敏感地反應(yīng)被測者呼吸強(qiáng)度和頻率等動態(tài)信息的細(xì)微變化，而其平均能耗均在10-5瓦特?cái)?shù)量級，但使用一維納米材料層4的傳感器可以在距離更遠(yuǎn)處得到更強(qiáng)的信號輸出，因此具有更好的性能。而未使用一維納米材料層4的傳感器則有一定的價(jià)格優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.一種微型人類呼吸傳感器，包括襯底(1)、微電極或者其陣列層(6)，其特征在于，微電極或者其陣列層(6)設(shè)置在襯底上，微電極或者其陣列層(6)中，微電極或者其陣列的陰陽兩極由空氣間隔相互隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型人類呼吸傳感器，其特征是，所述的微電極或者其陣列層(6)，其成分是單層或者多層的金屬或合金薄膜，是一種位于襯底(1)之上的若干金屬微梁形成的梳狀交叉陣列結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的微型人類呼吸傳感器，其特征是，所述的微電極陣列層(6)，包括陽極陣列(5)和陰極陣列(3)，每對相鄰電極條之間均有的間隔，間隔中存有空氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的微型人類呼吸傳感器，其特征是，所述的微電極或者其陣列(6)，為金屬微電極或者其陣列層(2)或者為表面覆蓋一維納米材料層(4)的金屬微電極或者其陣列層(2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型人類呼吸傳感器，其特征是，所述的一維納米材料層(4)，它位于陽極陣列(5)和陰極陣列(3)電極條的部分或者全部表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型人類呼吸傳感器，其特征是，所述的襯底(1)，為絕緣襯底。
全文摘要
一種傳感器技術(shù)領(lǐng)域的微型人類呼吸傳感器。本發(fā)明包括襯底、微電極或者其陣列層，微電極或者其陣列層設(shè)置在襯底上，微電極或者其陣列層中，微電極或者其陣列的陰陽兩極由空氣間隔相互隔離。本發(fā)明靈敏度高，信噪比高，不需要接觸人體，安全性、穩(wěn)定性高，根據(jù)應(yīng)用場合工作電壓可以控制在幾伏到幾十伏，敏感單元核心能耗處于10
文檔編號H01L49/00GK1792326SQ20051011221
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者侯中宇, 張亞非, 蔡炳初, 徐東, 魏星 申請人:上海交通大學(xué)