CN1538141A - 人体毛孔孔径位移传感器及其信号处理电路 - Google Patents

Abstract

人体毛孔孔径位移传感器及其信号处理电路属于生物电子学的半导体智能传感器设计技术领域。该传感器的特征在于，它是一片串接在直流回路中的可稳定贴在人体皮肤上的掺有杂质的半导体。当所述直流回路中采用恒流源时，该半导体片的两个电源输入点即为信号输出端；当回路中采用恒压源时，流过半导体片的回路电流为待检测输出信号。当半导体片为硅片时，其掺入的施主杂质浓度N_D为：10¹⁸＜N_D＜10¹⁹/CM³；在半导体片的电源接入点和信号输出点处，掺入的杂质浓度N_D＞10¹⁹/CM³。该信号处理电路包括依次串接在传感器输出端的微小信号放大电路、对数运算电路和开方运算电路。本传感器能够感知人体毛孔孔径的变化，该信号处理电路能使输出信号线性、直观地体现毛孔孔径的变化。

Description

人体毛孔孔径位移传感器及其信号处理电路

技术领域

人体毛孔孔径位移传感器及其信号处理电路属于生物电子学的半导体智能传感器设计技术领域。

背景技术

毛孔孔径是人体生理变化的重要信息窗口，它不仅可以作为一种外形表观参数，还能反映人体内部冷热适宜度、新陈代谢程度甚至部分病情的发展状况等等。经检索，国内外文献中还没有查阅到能够反应人体毛孔孔径变化的传感器及其信号处理电路方面的文献。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种能够有效反应人体毛孔孔径变化的传感器，该传感器利用半导体片感应阵列毛孔，运用温热效应将毛孔径向位移转变为电信号传感输出。并提出了其检测信号的处理方法，最终获得的电压(电流)能够线性、直观地反应毛孔孔径大小的变化情况。本发明所提出的人体毛孔孔径位移传感器的工作原理如下：

本发明所提出的人体毛孔孔径位移半导体传感器的工作原理如下：

人体皮肤毛孔会随着人体生理状态变化而产生变化，例如体温上升时，毛孔孔径会增大，剧烈运动时，毛孔孔径也会相应变化。将一种掺有杂质的半导体片稳定贴于人体有毛孔的皮肤上时，该半导体与人体皮肤接触面的侧面如图1所示，其中1为半导体片，2为毛孔周围表皮，3为毛孔对应的半导体处，半导体与皮肤接触处温度较毛孔处偏高，其正面温度分布示意图如图2所示，其中颜色浅处表示与皮肤接触处，温度较高，颜色深处表示与毛孔接触的半导体部分，温度较低，由于汗毛在毛孔中所占的面积很小，其影响可忽略不计，实验证明该忽略是可行的。

当人体毛孔径向位移发生变化，例如毛孔增大，那么温度偏低的半导体部位面积也增大，相应地，与人体表皮直接接触即温度偏高的半导体面积减小，使得半导体中整体载流子浓度变化。如果在该半导体的两端接上恒定电压源(或电流源)，当半导体表面的温度分布随毛孔大小的变化而发生变化时，接入恒定电压源的该半导体所在回路就会产生变化的电流；如果在该半导体的两端接上恒定电流源，当半导体表面的温度分布随毛孔大小的变化而发生变化时，该半导体接入恒定电流源的两端就会产生变化的电压；从而体现了毛孔的变化。即，对半导体选取适当的施主掺杂浓度N_D(或受主掺杂浓度N_A)时，可以使半导体电导率σ_n＝μ_nqn₀(或σ_p＝μ_pqp₀)单调地反映毛孔孔径变化导致的半导体高低温度面积差的变化，此时就能直接将毛孔孔径变化转化为半导体电导的变化。

本发明所提出的毛孔孔径位移传感器的特征在于，它是一片串接在直流回路中的可稳定贴在人体皮肤上的掺有杂质的半导体片。当所述直流回路中采用恒定电流源时，该半导体片的两个电源输入点即为信号输出端；当回路中采用恒定电压源时，流过半导体片的回路电流为待检测输出信号。

所述半导体片可以是规则的具有几何对称形状的半导体片。所述半导体片是矩形半导体片时，若直流回路中采用恒定电压源，所述电源接入点和信号输出点是分别位于任意两条平行边上的两个对等点(对等点是指该两点连线能与矩形半导体的其中一边平行)；若直流回路中采用恒定电流源，所述两个电源接入点是分别位于任意两条平行边上的两个对等点。

所述半导体片可以为半导体硅片，其中掺入的施主杂质浓度N_D为：10¹⁸＜N_D＜10¹⁹/CM³，在该浓度范围内，所述传感器输出的电压随毛孔孔径的变化而单调变化。在所述半导体片的电源接入点和信号输出点处，半导体的施主掺杂浓度应满足N_D＞10¹⁹/CM³，以促使接入电极与所述半导体形成有效欧姆接触。

人体毛孔孔径位移传感器的信号处理电路，其特征在于，它含有依次串联在所述传感器输出端的微小信号放大电路、对数运算电路和开方运算电路。

实验证明，本发明所提出的传感器能够感知人体毛孔孔径的变化，所提出的信号处理电路能够使输出信号线性地、直观地体现毛孔孔径的变化情况，达到了预期目的。

附图说明

图1是传感阵列毛孔孔径位移时的半导体侧面示意图；

图2是传感阵列毛孔孔径位移时的半导体表面温度分布示意图；

图3是本发明实施例的半导体硅中，多子迁移率μ_n与温度T的关系曲线图；

图4是本发明采用恒定电压源时的方案示意图；

图5是本发明采用恒定电流源时的方案示意图；

图6是本发明采用恒定电压源时未经线性处理的实验波形图。

图7是信号处理电路的原理框图；

图8是本发明实施例(采用恒定电压源时)的微小电流-电压转换并放大电路原理图；

图9是对半导体硅片取条形区域验证输出电压与毛孔孔径呈高斯函数关系的取样图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

本发明所提出的传感器的形状和大小没有特殊的规定，但尽量使半导体片能够覆盖多个毛孔为宜。若采用规则形状的半导体片则有利于确定输出电压与毛孔孔径变化之间的函数关系，以便将来实际应用。例如本发明实施例中采用矩形半导体硅片时，可以探测到高斯函数关系。本发明所使用的半导体材料包括通常使用的硅，锗，砷化镓等等材料，而掺入的杂质包括通常使用的硼，磷等等。

本发明以矩形的半导体硅片为例进行说明。在该半导体中掺入的杂质是磷，回路中采用的是恒定电压源，见图4。当施主杂质浓度N_D的范围为10¹⁸＜N_D＜10¹⁹/CM³时，可以使半导体电导率σ_n＝μ_nqn₀(或σ_p＝μ_pqp₀)单调地反映半导体高低温度面积差的变化，因而就能更直接地将毛孔径向位移变化转化为电导的变化。掺入施主杂质浓度10¹⁸＜N_D＜10¹⁹/CM³的推导过程如下：

此时主要分析多子(电子)决定的电导率σ_n＝μ_nqn₀，其中μ_n为半导体中电子迁移率，n₀为半导体中电子浓度。对于掺杂受主杂质的P型半导体，原理与此完全相同。

对于σ_n＝μ_nqn₀，其中q为常数(q＝1.60*10^-19c)。分析另外两个参数μ_n，n₀的影响。

对于常用的半导体例如锗Ge、硅Si，影响迁移率的主要作用是电离杂质散射和声学波形变势散射。它们决定的迁移率与电离杂质浓度N和温度T的关系分别为：

μ_I∝N^-1T^3/2(电离杂质散射)

                              (1)

μ_s∝^T-3/2(声学波形变势散射)

图3是在各种影响因素的综合作用下，半导体(实施例为N型半导体硅)多子(实施例中为电子)迁移率与温度T的实验关系曲线。

从图3可以看出，在300K左右，掺杂浓度小于10¹⁸/CM³时，温度上升导致迁移率下降；只有在掺杂浓度为10¹⁸～10¹⁹/CM³时，迁移率才随温度近似不变。

进一步分析半导体中多子浓度(实施例为电子浓度)n₀的影响。

在毛孔对应的半导体部位，由于温度T相对较低，费米能级E_F偏离导带底能级E_C较远，因而n_0毛孔处＜n_{0毛孔周围}；当毛孔增大时，对应的低温部分面积增多，高温部分面积减小，n_0毛孔处↑，n_{0毛孔周围}↓，整块半导体的n₀↓。

在经典玻尔兹曼(Boltzman)分布条件下，电子占据施主能级E_D的几率为：

$f_n^{\′}\left(E\right)=\frac{1}{1+\frac{1}{g_D}{e}^{\frac{E_D-E_F}{\mathrm{KT}}}}---\left(2\right)$

其中g_D为施主基态能级简并度(g_A为受主基态能级简并度)，对于锗Ge、硅Si、砷化镓GaAs，g_D＝2，g_A＝4.在忽略本征激发的温度范围，导带电子主要由电离施主提供，于是，由电中性有：n₀＝p_D             (3)

即： $N_C{e}^{-\frac{E_C-E_F}{\mathrm{KT}}}=\frac{N_D}{1+g_D{e}^{\frac{E_F-E_D}{\mathrm{KT}}}}---\left(4\right)$

由(4)式解得： $n_0=\frac{N_C}{2g_D}{e}^{-\frac{E_C-E_D}{\mathrm{KT}}}[{(1+\frac{4g_D{N}_D}{N_C}{e}^{\frac{E_C-E_D}{\mathrm{KT}}})}^{1/2}-1]---\left(5\right)$

其中N_C为导带底等效态密度。从上式可以发现，本发明应用的正常温度范围内，浓度与温度之间具有单调变化的指数关系，微小的温度变化可以引起较大的半导体多子载流子浓度变化。这很有利于传感检测。

综合以上分析说明，当阵列毛孔孔径R变化例如增大时，整个半导体低温部分面积变大(相应表示为T↓)，决定半导体电导率σ_n＝μ_nqn₀的参数n₀·μ_n情况如下：

当半导体掺杂浓度N_D＜10¹⁸/CM³时，

当半导体掺杂浓度10¹⁸＜N_D＜10¹⁹/CM³时，

因此，当半导体掺杂浓度10¹⁸＜N_D＜10¹⁹/CM³时，半导体电导率σ_n＝μ_nqn₀是随着温度T的变化而单调递减的，即在该浓度范围下，输出电压更易于体现毛孔的增大和减小的变化。

上述原理说明是以掺入磷为实施例进行的。实际上，本发明也同样可以采用其它施主杂质。

若回路中采用电源为恒定电流源时，输出信号电压将随毛孔孔径单调递增。

本发明在人体上进行实验如下：

仍然利用图4所示的恒压源为电源，传感器采用的是一块掺入磷的半导体硅片，掺磷的浓度为N_D＝6.0×10¹⁸/CM³。半导体硅片的大小以能全部稳定贴靠表皮并覆盖多个毛孔为宜，其厚度为采用普通的出厂硅片厚度即可，本实施例采用边长为3cm，厚度0.8mm的方形硅片。在硅片的另一个与电源输入端相对的点(所谓对等点即位于方块硅片的两条平行边上的两个相对应的点，如图中的a点和b点，或a1点和b1点，或其它相对应的点)输出电流信号I_in，电极接入点和信号输出点的探针接触区域内半导体掺杂浓度为1×10²⁰/CM³，目的在于使探针和半导体N型硅片形成有效欧姆接触。此处恒压源电压大小应根据所选硅片的欧姆电阻决定，保证回路电流在毫安量级，实施例中采用分压后的10毫伏；若采用精密恒流电源电流大小也应根据所选硅片的欧姆电阻决定，一般可选择在毫安~安培量级，如图5所示，采用恒流源时，两个电极接入点即为信号输出端，但此时输出的电压随毛孔的孔径增大而增大。图中K为控制开关。

将该半导体硅片贴在实验者的皮肤上，在该半导体硅片的输出端依次连接微小信号放大电路(如图8所示)和示波器。闭合开关K，实验分析测试时，对实验者进行轻度有规律地挠痒刺激，使得人体毛孔孔径随时间线性增大，在此过程中，流过半导体硅片的电流将受控于人体毛孔孔径位移的变化，从示波器上得到了如图6所示的波形。可以看出，在人体毛孔增大的过程中，半导体硅片输出的电压在逐渐降低。若直流回路中采用精密恒流电源，则输出的电压随毛孔孔径的增大而增大。

利用频谱分析和MATLAB对本发明的系列实验测试曲线进行模拟后发现，输出信号电压V_out与毛孔孔径R之间近似存在负平方指数的高斯函数关系，其数学表达式为：

$V_{\mathrm{out}}=k_0{e}^{-a{R}^n}---\left(6\right)$

(其中k₀，a均为常数，R代表毛孔孔径，该常数对于本次测试过程为定值，即对于任何一次使用毛孔径向位移变化测试数据的过程而言，k₀，a在该次测试过程中均为定值，但在两个不同的测试过程中，这两个数据不一定完全保持对应相同；n≈1.93～2.08，即n≈2)因此，可以将输出后的信号电压V_out通过处理电路进一步进行转换，进而使得最终输出信号能直观、精确、线性地反映毛孔孔径R的变化，即变为I＝k₁R，其中k₁为常数。具体处理方法采用下式：

基于上式，可将测得，并经过放大的电压信号进行取对数处理和开方处理，就可得到一个与毛孔孔径R成正比的量，将该数据输入到计算机或示波器，就可直观地观察毛孔孔径的变化状况。

本发明所采用的信号处理装置是依次串联在传感器输出端的微小信号放大电路、对数运算电路和开方运算电路，见图7，这几个电路均是公知电路，在开方电路的输出端连接计算机或示波器等终端显示器，就能够直观观察毛孔的变化状况了。图8所示的微小电流-电压转换并放大电路中，译码器6(型号为74LS138)是用来选择不同放大倍数的。通过S1、S2、S3三个码的输入可以导通D1～D8其中一个输出，从而使对应的模拟开关5(型号为AD公司的AD7503jn/sQ)接通；此时输入的由传感器传来的微小信号电流(在运算放大器SF4558的“+”端)由于运算放大器的“虚短”特性而流经电阻R，因此运算放大器输出端的输出电压V_out为微小输入电流与电阻R的乘积，即V_out＝I_inR，R可以取所需数值的大电阻，如此达到微小电流信号转换并放大的目的。

本发明还从理论上进一步验证了传感器所测得的电压与毛孔孔径之间呈高斯函数关系，仍以上述实施例的半导体硅片进行说明，如下：

半导体硅片的电导率为σ_n＝μ_nqn₀    (7)

其中：毛孔对应处半导体温度偏低，毛孔周围表皮对应处温度偏高，而在所选择的施主掺杂浓度10¹⁸～10¹⁹/CM³条件下，根据前面的分析说明，两者温度差异对多子载流子迁移率μ_n的影响可以忽略。对μ_n影响较大的因素是毛孔对应处与毛孔周围表皮对应处多子载流子浓度n₀的差异。

对选定的方形硅片其中划定的一个小条形块进行分析，如图9所示。由于几何对称，小条形区域的分析结果完全代表了整个半导体区域。

对小条形区域内部有：I＝n₀qsv，其中I为体内电流，S为电流流过半导体的横截面积，v为电子速度。

于是：dI/I＝d(n₀qsv)/n₀qsv  (8)

在这段小条形区域内，q，s，v保持不变为常量，因而dI/I＝d(n₀)/n₀    (9)

设原来某单个毛孔对应处(即温度偏低处)的体积为：V＝πR²D    (10)，其中D为人体表皮及阵列毛孔接触半导体表面时，在温度分布上所能影响到的半导体硅片厚度。

当毛孔孔径增大dR时，该处体积增大为：

              V′＝π(R+dR)²D    (11)

其间毛孔所对应与皮肤对应的半导体处变化的载流子数目为：

dN＝N′-N＝K*2πRdR(K＜0)  (12)

于是对应多子载流子浓度变化为：

dn₀＝N′/V′-N/V≈(N′-N)/V＝dN/V    (13)

将(10)(12)代入(13)可得：

在毛孔对应处的圆形区域，毛孔孔径位移变化dR时，

dn₀＝n₀*(-a·2πRdR)                                 (14)

由(9)(14)两式可得：dI/I＝-a·2πRdR                  (15)

对(15)式进行积分后得：lnI＝-a·R²(上式a，K均为常数)  (16)

比较(6)(16)两式可以发现，本发明中实验测试证明的规律(6)与理论分析结果(16)是基本一致的。

本发明提出的传感器能够反映毛孔孔径的变化，它具有广阔的应用前景，例如：

1.传统医学研究中，部分病情如肿瘤不可能长时间用CT等系统实时监测；而目前对于一些复杂的病情甚至无法直接通过生物或电子仪器进行跟踪探测。若能从人体外部生物参数比如毛孔径向位移变化获得信号，长期、有效、实时监测到相关健康信息，将是较有创新价值和应用前景的医学研究及应用方法。

2.传统温控设备如空调、电热毯等并非根据人体感觉而真正实现智能控制。其通常的做法是在电路中事先设定温度范围，当外界环境温度超出范围时则给出中断信号。然而对于同一设定的温度，感觉却因人而异。通过毛孔径向位移变化传感信号输出，进而实时自动地控制相应设备，更能够实际反应人体的需要。

3.为了在各类体育比赛中取得好成绩，运动员的有效训练是必不可少的。然而目前通常都需要教练员亲自在场进行监督，或者使用摄像监控装置。这种监督方法只停留在视觉上，并非从人体本身的运动状态出发，而且其涵盖范围比较有限。运动员训练时毛孔孔径变化能够反应新陈代谢的情况，因此利用毛孔孔径位移传感器就能够随时查询各运动员的训练状态和过程。

需要特别说明的是，本发明提出的传感技术不仅适用于人体，还可能应用于其他各种生物体上；在其它生物体上运用本发明提出的传感方案时，同样属于本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1、人体毛孔孔径位移传感器，其特征在于，它是一片串接在直流回路中的可稳定贴在人体皮肤上的掺有杂质的半导体片。

2、如权利要求1所述的人体毛孔孔径位移传感器，其特征在于，当所述直流回路中采用恒定电流源时，该半导体片的两个电源输入点即为信号输出端；当回路中采用恒定电压源时，流过半导体片内的电流为待检测输出信号。

3、如权利要求1所述的人体毛孔孔径位移传感器，其特征在于，所述半导体片是规则的具有几何对称形状的半导体片。

4、如权利要求2所述的人体毛孔孔径位移传感器，其特征在于，所述半导体片是矩形半导体片，当直流回路中采用恒定电压源时，所述电源接入点和电流信号输出点是分别位于任意两条平行边上的两个对等点；当直流回路中采用恒定电流源时，所述两个电源接入点是分别位于任意两条平行边上的两个对等点。

5、如权利要求1所述的人体毛孔孔径位移传感器，其特征在于，所述半导体片为半导体硅片，其中掺入的施主杂质浓度N_D为：10¹⁸＜N_D＜10¹⁹/CM³，在该浓度范围内，所述传感器输出的电压随毛孔孔径的变化而单调变化。

6、如权利要求1或2所述的人体毛孔孔径位移传感器，其特征在于，在所述半导体片的电源接入点和信号输出点处，半导体的施主掺杂浓度N_D＞10¹⁹/CM³。

7、人体毛孔孔径位移传感器的信号处理电路，其特征在于，它含有依次串接在所述传感器输出端的微小信号放大电路、对数运算电路和开方运算电路。

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