CN109690945A - 用于血流动力学穿戴式装置的表面声波rfid感测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面声波(SAW)传感器和二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)传导结构的组合的射频识别(RFID)感测器的实施例以及其在血流动力学穿戴式装置中的使用。所述SAW RFID感测器芯片包含压电结构，其上沉积有多层异质结构。所述异质结构包括至少两层：缓冲层和势垒层，其中所述层由III‑V单晶或多晶半导体材料生长而成，例如Ga N/Al Ga N。交叉指形传感器(IDT)转换SAW安装在所述势垒层的顶部。2DEG或2DHG导通道形成于所述缓冲层与所述势垒层之间的界面处并且在连接于所形成通道的非欧姆(电容耦合)源极和漏极触点之间的系统中提供电子或空穴电流。

Description

用于血流动力学穿戴式装置的表面声波RFID感测器

技术领域

一般而言，本申请案涉及基于表面声波(SAW)传感器以及其在人类所产生的电场的检测和连续监测中的使用的领域。尤其，本申请案涉及GaN/AlGaN零功率SAW RFID感测器以及其在血流动力学穿戴式装置中的使用。

背景技术

归因于穿戴式感测器的发展，其能够在保持不显眼、合适、低成本并且容易操作及解释同时无线地提供必要的医疗信息，近年来个性化移动医疗一直持续推进。数字化创新正在改变医学，而血流动力学监测并非例外。在不久的将来，我们可以预想这样一个世界，临床医生将监测带有血流动力学穿戴式装置或可植入感测器的病人，这些装置或感测器能够与诊断云通信并且集成用于诊断和预测不良事件的历史、临床、生物及生理信息，选择最合理的治疗并且确保其被适当提供。本申请案示范了这些理念和包括用于血流动力学监测的个人装置和穿戴式装置的产品中的一些成为现实。

Frederic Michard(“数字健康时代的血流动力学监测”，重症监护年鉴，2016，6:15)评估了用于血流动力学监测的现代技术和装置。大部分这些技术和装置都基于脉搏曲线算法，例如，其允许计算来自动脉血压曲线的心博量和心输出量。其可靠性主要取决于压力信号的信噪比(质量)以及血管紧张度的变化。由此而论，DeBacker等人(“基于动脉血压的心输出量监测：感染病人的第三代软件的多中心验证”，重症监护医学2011，37:233-40)和Slagt等人(“对测定心输出量和心博量变化的未校正动脉血压波形分析的系统性回顾”，英国麻醉学杂志，2014，112:626-37)对分别将热稀释法或超声心动图用作参考方法的这些技术和装置的准确度和精密度提出质疑。

可以从动脉导管无创性地记录动脉血压，或者从手指动脉、桡动脉和臂套非侵袭性地记录。还可以通过手机相机从任何其它监测仪获取动脉血压波形，并且可以由OlivierDesebbe通过可下载应用程序(例如CaptesiaTM(可用于安卓))计算血流动力学参数。这种app尚未被批准用于临床应用，但其说明数字技术使用来自监测仪的动脉波形的数码像片并且选择动脉异母的峰值和波谷来自动计算脉压变化(PPV)的能力。

微电子和纳米电子机械系统(MEMS和NEMS)是将要彻底改革世界的基于压电性和压电现象的小型化压力感测器。所述机械系统能够以高准确度和高信噪比感测血流动力学参数。因为所述机械系统制造相对便宜，较小、非侵入性并且无线，这种感测器可以进行连续血流动力学监测，这是超越手术室和重症监护病房的现实。这些感测器可由许多人使用，从有血流动力学恶化风险的人到慢性高血压门诊病人。

此外，日常生活中的连续ECG检测的可能性对于现代社会中预测卫生保健而言极为重要和无价的，其中可尽早检测心脏压力信号。近来，使用光学体积描记术(脉搏血氧仪)从手腕上的单一点测量心率的脉搏表已经被商业化。Runner Cardio和Alpha表使用光学体积描记术来连续地测量血流动力学血波和心率。其工作原理是基于脉搏传导时间法，使用额外的ECG信号来计算血压。

通常，ECG按照定义是差分测量。根据生物电体积导体本质和表示心脏偶极函数的动态电场体积源，沿手臂存在梯度电场分布。此心脏偶极电场在皮肤上产生动态体表等电位图，其至少在表示ECG信号的两个皮肤点处有区别地测量。使用源自心脏源的数值方法来计算电场的分布。当参考电极放在病患的靠近心脏的胸部，而第二电极沿从心脏到指尖的路线逐渐移向不同点之间的指尖方向时，使用标准Ag/AgCl凝胶ECG电极测量差分ECG信号。一般，差分信号在肘部达到最大值并且保持恒定直至指尖。这种实验观测源自体内的电场分布的本质。因为在肘部下方和手腕区域中特性ECG峰(Q-to-R峰值)振幅不会改变，所以信号分布明显影响使用任何穿戴式肘部和腕部装置进行的实际ECG检测。

因此，需要一种新型的基于不同检测原理的穿戴式感测器。现仅有两种非差分感测技术，最近被开发用于胸部甚或下肢上的心血管监测。Nakayama等人(2011)和An等人(2012)描述了一种基于微电子CMOS的磁场感测器，其基于巨磁阻抗。这些类型的微电子装置能够从胸部检测到心磁图检查单点信号(MCG)但不能从手腕处检测到MCG信号。

Kado等人(2010)描述了光电子检测器，其使得光学性质(如反射比)根据电场振幅改变。这些传感器已经应用于个人RFID系统，例如NTT。然而，基于非差分皮肤电位的下肢ECG信号检测或远程心血管监测仍然未经证实并且具有挑战性。

发明内容

本申请案描述一种基于二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)传导结构和表面声波(SAW)传感器的组合的微电子感测器的实施例。在一些实施例中，感测器可包含压电结构，其上可沉积有多层异质结构。此异质结构可包括至少两层：缓冲层和势垒层，其中这两层皆由III-V单晶或多晶半导体材料生产而成。交叉指形传感器(IDT)转换表面声波可以安装在所述势垒层的顶部。

包括二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导通道形成于缓冲层与势垒层之间的界面处，并且可在源极和漏极触点之间的系统中提供电子或空穴电流。在具体实施例中，异质结构可为三层结构，包含两层缓冲层和像三明治一样挤压在所述缓冲层之间的一层势垒层。这可能导致在势垒层上方的顶部缓冲层中形成二维空穴气(2DHG)，导致了结构的反极性。

电容耦合(非欧姆)源极和漏极触点可连接到所形成的2DEG/2DHG通道和电气金属镀层，其中所述金属镀层可放在结构的顶部并且连接到感测器的电路处。可选介电层可沉积在异质结构顶部。由于顶部开槽或生长至特定厚度，2DEG/2DHG结构的开放栅极区层形成于源极区域与漏极区域之间。

因为源极和漏极触点是非欧姆的(即，电容耦合)，所以DC读出无法实现。为了在金属镀层以下约5-20nm下电气接触2DEG/2DHG通道，必须使用AC频率状态。换句话说，应在此具体案例中执行流经2DEG/2DHG通道的电流的AC读出或阻抗测量。通常在高于30kHz的频率下诱导非欧姆金属触点与2DEG/2DHG通道的电容耦合。

在一些实施例中，本申请案的多层异质衬底可由任何可购得的III-V单晶或多晶半导体材料生长而成，例如，GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlN、InN/InAlN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAs和LaA1O₃/SrTiO₃。在由GaN/AlGaN生长而成的衬底的特定案例中，经实验，令人惊讶地发现，当源极和漏极触点之间的开放栅极区域中顶部凹入层(GaN缓冲层或AlGaN势垒层)的厚度为5-9nm，优选6-7nm，更优选6.2-6.4nm时，感测器实现最高灵敏度。这种凹入层厚度对应于2DEG/2DHG导通道的常开型和常关型操作模式之间的伪传导电流范围。另外，源极和漏极触点之间的开放栅极区域内顶部凹入层的表面粗糙度为约0.2nm或更小，优选为0.1nm或更小，更优选为0.05nm的粗糙度。

此外，在一些实施例中，本申请案提供基于GaN/AlGaN异质结构的零功率SAW RFID感测器，以及其在血流动力学穿戴式装置中的使用。在另一实施例中，感测器是零功率感测器，由RF能量远程供电并且经由正交频率编码(OFC)法进行RFID编码。

各种实施例可实现各种益处，并且可结合各种应用程序使用。下文在附图和说明书中阐述一个或多个实施例的细节。从说明书和图以及权利要求书中将明显看出所描述技术的其它特征、主题和优势。

附图说明

结合所附图式，从以下详细说明将更充分地理解和认识所公开的实施例。本文中所包括和描述的图式是示意性的，而非限制本公开案的范围。还应注意，在图式中，出于说明目的，可能扩大并且不按比例绘制一些元件的大小。尺寸和相对尺寸不一定对应于本公开案实践中的实际缩减。

图1示意性地展示三个不同偏压条件下的量子井：

图1a：正栅极电势(+V_G)远高于阈值电压(V_T)，

图1b：0V栅极电势，和

图1c：负栅极电势(-V_G)低于阈值电压(V_T)。

图2示意性地展示GaN/AlGaN HEMT的2DEG通道内诱导的源极-漏极电流(电荷势垒密度)对开放栅极区域中凹入的AlGaN势垒层的厚度的依赖。

图3说明以导带阶跃的2DEG形成理论(电中性与最低能级结合)。

图4a展示PC-HEMT对用于22-nm AlGaN势垒层(正常生长并且接着凹入至6-7nm)的离子流体的灵敏度。

图4b展示PC-HEMT对用于超薄AlGaN势垒层(其生长至6-7nm，接着向下凹入至5-6nm并用等离子蚀刻)的离子流体的灵敏度。

图5a示意性地展示在面向Ga的三层AlGaN/GaN PC-HEMT结构中形成2DEG和2DHG导通道。

图5b示意性地展示在面向N的三层AlGaN/GaN PC-HEMT结构中形成2DEG和2DHG导通道。

图6示意性地展示使用超薄Al(GaN)N层在面向N的三层AlGaN/GaN PC-HEMT结构中形成2DEG导通道以用于改善的约束。

图7a示意性地展示基于输入交叉指形传感器(IDT)的SAW装置。

图7b示意性地展示IDT和及特性参数：长度(L)、宽度(W)和声学波长(λ)。

图7c展示SAW的随IDT数目和频率(f)变化的带宽(B)，其中f₀为中心频率。

图8示意性地展示在GaN/AlGaN异质结构上具有2DEG IDT的实施例的SAW RFID感测器。

图9示意性地展示实施例的感测器的基本拓扑，其中将蓝色线条指派给金属结构，如金属IDT，淡绿色线条表示2DEG结构，棕色线条展示PC-HEMT结构，并且橙色区域代表AlGaN/GaN衬底。

图10示意性展示实施例的另一基本地形2DEG-SAW感测器配置。在左侧，PC-HEMT结构包含主要伪传导2DEG部分和非凹入2DEG部分。欧姆触点由红色线条表示。

图11示意性展示实施例的2DEG-SAW感测器的又一配置。在此配置中，在所示布局的顶部和底部处，经由寄生2DEG线条通过反向缩减使用于信号和接地电荷的曲折臂天线部分彼此分离。

图12示意性地展示2DEG-SAW感测器的又一配置。在此最简单配置中，伪传导2DEG区域覆盖所有发射器接收器IDT区域，并且可选地通过欧姆触点连接到栅电极，所述栅电极进而连接到IDT。

图13示意性地展示具有远程读出的实施例的零功率SAW RFID感测器。

图14示意性地展示用于远程读出的实施例的光电感测器。

具体实施方式

在以下说明中，将描述本申请案的各种方面。出于解释目的，阐述特定配置和细节以便提供对本申请案的透彻理解。然而，对所属领域技术人员而言明显的是，可在脱离本文中所呈现的特定细节的情况下实践本申请案。此外，可省略或简化已知特征，以免模糊本申请案。

权利要求书中使用的术语“包括”是“开放的”，是指所列举的元件或结构或功能中的等效物，加上任何其它元件或未被列举的元件。不应被解释为限于后文所列出的构件；不排除其它元件或步骤。需要被解释为限定所提及的所述特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤或组件或其组合。因此，表述“装置包括x和z”的范围不应限于只由组件x和组件z组成的装置。另外，表述“方法包括步骤x和z”的范围不应限于只由这些步骤组成的方法。

除非特别声明，本文中使用的术语“约”被理解为在本领域中的正常公差范围内，例如，构件的两个标准偏差内。在一个实施例中，术语“约”是指所使用的数目的所报告数值的10％以内，优选为所报告数值的5％以内。例如，术语“约”可直接被理解为在所陈述的值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。在其它实施例中，术语“约”可能是指根据(例如)所使用的实验技术的变化的更高公差。技术人员理解规定值的所述变化，并且所述变化在本发明的上下文中。作为例证，“约1到约5”的数值范围应被解释为不仅包括约1到约5的明确阐述的值，还包括个别值和所指示的范围内的子范围。因此，包括在此数值范围内的是个别值，如2、3和4，和子范围，如1-3、2-4和3-5，以及分别为1、2、3、4、5或6。这种相同原理适用于阐述仅一个数值为最小值或最大值的范围。除非另外从上下文清晰得出，本文中提供的所有数值都被术语“约”修饰。其它类似术语，如“其本上”、“通常”、“相当于”等，被翻译为修饰术语或值，以便它不是绝对的。在这样的术语被本领域的普通技术人员理解时，这些术语将由其修饰的情况和术语限定。这至少包括对于用于测量值的给定实验、技术或仪器的预期实验误差、技术误差和仪器误差。

本文中所使用的术语“和/或”包括一或多个相关联的列出的项目的任何及所有组合。除非另外定义，否则本文中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属的领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。应进一步了解，应将术语，如常用词典中所定义的术语，解释为具有与其在说明书的上下文中和相关领域的含义一致的含义，并且，除非本文中明确如此定义，否则不应在理想化或过度正式的含义上对其进行解释。为了简洁和/或清楚，可能不会详细描述公知的功能或结构。

应该理解的是，当元件被称为“在...上”、“附接到”、“连接到”、“耦合到”、“接触”等另一元件时，所述元件可以直接在另一个元件上、附接到、连接到、耦合到或接触另一个元件，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为例如“直接在...上”、“直接附接到”、“直接连接到”、“直接耦合”或“直接接触”另一个元件时，不存在中间元件。本领域的技术人员还将认识到，对与另一个特征“相邻”设置的结构或特征的提及可以具有与相邻特征重叠或位于其下面的部分。

极化掺杂高电子迁移率晶体管(HEMT)是场效应晶体管(FET)，其中两层不同能带隙和极化场在彼此之上生长，从而形成异质结构。一方面，本申请案的感测器包含包括HEMT多层异质结构的压电衬底。此结构基本上基于至少两层III-V半导体材料，例如氮化镓(GaN)和氮化镓铝(AlGaN)。由于极化场的不连续性，在异质结构层之间的界面处产生表面电荷。如果所诱导的表面电荷为正，电子将趋向于补偿所诱导的电荷，从而形成通道。因为在所述层之间的界面处，在无限窄的空间区域中的量子井中限定通道电子，这些电子被称为二维电子气(2DEG)。量子井中的通道电子的这种特殊限定赋予其二维特征，这大大增强了其迁移率，超过电子在其中流动的材料的大多数迁移率。

图1a-1c示意性地展示在从正栅极电势(V_G)开始的三种不同偏压条件下的量子井，所述电势远高于阈值电压(V_T)，并且降至0V栅极电势且还降至低于阈值电压的负值。V_T被定义为电压，需要电压来在GaN层和AlGaN层之间的界面处填入电子，从而产生2DEG通道的导电性。因为2DEG通道电子占据低于费米能级的能级，所以在V_G>>V_T时，量子井中的费米能级位于若干能级上方(图1a)。这实现了通道电子的密集群体，因此实现高导电率。在这种情况下，2DEG通道是打开的。然而，当V_G减少为0V(图1b)时，费米能级相对于量子井也降低。因此，填入更少的电子能级，并且2DEG通道电子的数量显著减少。当V_G远小于V_T(图1c)时，所有电子能级高于费米能级，并且栅极以下不存在2DEG电子。这种情况被称为“通道损耗”，并且通道被关闭。

许多基于III-V半导体材料层的商用HEMT具有负值V_T，导致0V栅极电势下的“常开”操作模式。其被称为“损耗模式”半导体晶体管，并且在负电压必须用于栅极以便阻挡电流时在各种功率切换应用中使用。然而，针对高电压或高功率密度下的安全操作，为了降低电路复杂度和消除备用功率消耗，优选用具有“常关”特性的晶体管。高电压和高切换速度允许制造更小更有效率的装置，例如家电、通信系统和汽车。为了控制2DEG通道中电子的密度和开关HEMT，晶体管的栅极处的电压被正常调整。

已报告制造常关半导体结构的若干技术。Burnham等人(2010)推荐凹入栅极类型的常关结构。在这个结构中，AlGaN势垒层被蚀刻，并且使栅极更接近AlGaN势垒层与GaN缓冲层之间的界面。随着栅极接近所述层之间的界面，V_T增加。因此，一旦损耗层到达界面并且在零栅极电压下损耗2DEG通道，2DEG导通道的常关操作得以实现。这些结构的主要优势在于相对低的功耗、低噪音和更简单的驱动电路。例如，它们目前被用于微波和毫米波通信、成像和雷达中。

替代地，Chang等人(2009)推荐蚀刻相对厚的势垒层以接近AlGaN/GaN界面，以便使用非常薄的AlGaN势垒层。这种结构通过朝向AlGaN/GaN界面接近栅极还实现了2DEG通道的常关操作。Chen等人(2010)推荐使用基于氟的等离子体处理方法。虽然许多出版物已采用各种实现常关装置的方法，其对漏极电流具有最小影响，但它们不幸地牺牲了设备打开性能。

图2展示源极-漏极电流(电荷势垒密度)对开放栅极区域中凹入的势垒层的厚度的依赖。从图式中可见，在开放栅极区域中具有大于9nm的厚度的势垒层的结构形成常开2DEG通道。在这些结构中，由于III-V材料中存在的固有极化效应，在势垒层的界面的顶部和底部处诱导电荷薄片。因此，在势垒层中诱导高电场，并且顶部界面处的表面施主态开始赠予电子以在不施加栅极偏压的情况下在异质界面附近形成2DEG通道。因此这些结构充当常开装置。另一方面，在开放栅极区域中具有低于约5nm的厚度的势垒层的结构充当常关装置。

本申请案描述一种基于二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)结构和表面声波(SAW)传感器的组合的微电子感测器或感测器芯片的实施例。在一些实施例中，感测器可包含压电结构，其上可沉积有多层异质结构。此异质结构可包括至少两层：缓冲层和势垒层，其中这两层皆由前述III-V单晶或多晶半导体材料生产而成。交叉指形传感器(IDT)转换表面声波可以安装在所述势垒层的顶部。在一些实施例中，本申请案的多层异质结构可由任何可购得的III-V单晶或多晶半导体材料生长而成，例如，GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlN、InN/InAlN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAs和LaA1O₃/SrTiO₃。在由GaN/AlGaN生长而成的衬底的特定案例中，经实验发现，当源极和漏极触点之间的开放栅极区域中顶部凹入层(GaN缓冲层或AlGaN势垒层)的厚度为5-9nm，优选6-7nm，更优选6.2-6.4nm时，感测器实现最高灵敏度。另外，还发现在顶部凹入层的表面粗糙度为约0.2nm或更小，优选为0.1nm或更小，更优选为0.05nm时，感测器展示其最高灵敏度。

因此，在开放栅极区域中凹入或生长至5-9nm的顶层必须经最优化以用于显著地增强感测器的灵敏度。令人惊讶地发现，势垒层的特定厚度对应于2DEG通道的常开和常关操作模式之间的“伪传导”电流范围，并且需要进一步解释。

2DEG通道的“伪传导”(与正常导通区分开来)电流范围被定义为其常开和常关操作模式之间的通道的操作范围。“陷阱状态”为半导体中的带隙状态，其俘获势垒直至其重组。“表面状态”是由于一些晶体缺陷、错位或杂质的存在引起的表面张力而由本地晶体的表面重建引起的状态。这种表面重建常常产生对应于表面复合速度的“表面陷阱状态”。表面陷阱状态的分类取决于能级在能隙内的相对位置。具有高于费米能级的能量的表面陷阱状态为类似受体的，在占据时获得负电荷。然而，具有低于费米能级的能量的表面陷阱状态为类似供体的，在为空时是带正电，并且在被占据时为中性的。这些供体类表面陷阱状态被视为形成2DEG通道时的电子源。其在带隙内可具有广泛分布的电离能，并且是由表面层中的氧化还原反应、自由键和缺位引起的。在2DEG通道密度与电离表面供体之间始终存在平衡，这受界面处的电场的电荷中性及连续性支配。

因此，势垒层的表面处的供体类表面陷阱是通道中的2DEG的最重要来源之一。然而，这仅适用于特定势垒层厚度。在相对薄的势垒层中，表面陷阱状态低于费米能级。然而，随着势垒层厚度增加，表面陷阱状态的能量接近费米能量直至与其达到一致。对应于此情形，势垒层的厚度被定义为“临界的”。此时，填充表面陷阱状态的电子被势垒中发现的强极化诱导的电场拉到通道以便立即形成2DEG。

如果表面陷阱状态被完全耗尽，势垒层厚度的进一步增加将不会使2DEG密度增加。实际上，如果2DEG通道层不能使势垒层伸展，后者将简单地松弛。在势垒层松弛后，缓冲层与势垒层之间的界面处会产生许多晶体缺陷，并且压电极化立即消失，导致2DEG密度减小。

为了说明伪传导电流的以上现象，现参考图2、3。如上所述，图2展示源极-漏极电流(电荷势垒密度)对凹入AlGaN势垒层厚度的依赖。供体表面陷阱状态与AlGaN隧道势垒之间的能量平衡导致以导带阶跃的2DEG形成理论(电中性与最低能级结合)。如上所述，势垒层的厚度减小导致能量势垒增加。因此，电离供体类表面陷阱状态(此为电子从表面掘进到2DEG的原因)漂移至低于费米能级，从而将供应到2DEG通道的电子减至最少。进一步在图3中说明这种理论情形。因此，AlGaN层9nm至5nm的凹入导致二维电子气的导电性有了六个能量级的巨大下降。

因此，基于凹入势垒层的2DEG损耗的机制完全取决于供体类表面陷阱状态(或总表面电荷)。随着势垒层的厚度减小，需要向势垒层表面供应的额外外部电荷减少，以便损耗2DEG通道。当由于能量势垒和供体表面陷阱状态能量的组合2DEG通道大部分被损耗但仍然具有高导电性时，存在临界(最小)势垒厚度。以这个临界厚度，即使是表面处通过任何外部影响(例如，沿表面传播的声波)的最小能量移动都立即导致极强的2DEG损耗。因此，在此临界厚度下势垒层的表面对周围电场中的任何最小改变都极敏感。

因此，势垒层9nm到5nm的凹入显著减小2DEG密度，使感测器进行“近阈值”操作并且导致表面电荷灵敏度明显增加。势垒层的特定5-9nm厚度(其为2DEG通道的伪传导行为的原因)使感测器具有极好的灵敏度。

举例来说，具有22nm的生长AlGaN层的异质结构受到短时等离子激活(60s)并凹入到6-7nm，具有AlGaN势垒层的超薄生长6-7nm异质结构凹入到5-6nm并使用等离子蚀刻450s，两者进行比较。在第一案例中，AlGaN势垒层最初并不凹入，相反，2-3nm的SiN层(被称为“GaN覆盖层”)破裂，并且表面状态被电离。第二案例中的AlGaN势垒层凹入到低至6.3nm并且使用等离子蚀刻450s。如图4a、4b中所示，发现两个结构之间的灵敏度差异达到凹入结构的几乎10³倍。

除外凹入或生长顶部势垒层的厚度之外，势垒层表面的粗糙度是之前尚未公开的另一极其重要的参数。令人惊讶地发现，顶部AlGaN势垒层表面(开放栅极第三区域中)的低于0.2nm的粗糙度防止供体类表面陷阱状态的分散。因此，这两个特征：开放栅极区域中的顶部AlGaN势垒层5-9nm的厚度和其表面的大幅减小的粗糙度的组合使得感测器难以置信地敏感。

另一方面，异质结构可为三层结构，包含两层缓冲层和像三明治一样挤压在所述缓冲层之间的一层势垒层，其中顶层是缓冲层。这可能导致在势垒层上方的顶部缓冲层中形成二维空穴气(2DHG)，与上述的两层结构相比，这导致了结构的反极性。

通常，III-V氮化物半导体材料的极性严重影响晶体管基于这些半导体的性能。纤维锌矿GaN材料的质量可因其极性而变化，因为杂质的掺入和缺陷的形成两者都与生长机构相关，进而取决于表面极性。基于氮化物的材料的异质结构的2DEG/2DHG和光学特性的存在被由自发压电极化所引起的内部场效应所影响。所有III-V氮化物材料的装置都是在极性{0001}表面上制造的。所以，其特性取决于GaN层是否展现面向Ga的正极性或面向N的负极性。换句话说，由于纤维锌矿GaN材料的极性，任何GaN层都具有两个极性不同的表面：正极性表面和反极性表面。正极性表面在本文中被定义为终止于Ga原子层上的表面，每一个原子具有垂直于表面的一个空化学键。每一表面Ga原子在远离表面的方向上被键合到三个N原子。相反，反极性表面在本文中被定义为终止于N原子层上的表面，每一个原子具有垂直于表面的一个空化学键。每一表面N原子在远离表面的方向上被键合到三个Ga原子。因此，反向极性极性结构具有与面向Ga的极性结构相反的极性。

针对两层异质结构，如上所述，势垒层总是放在缓冲层顶部。由此而凹入的层是势垒层，尤其是AlGaN层。因此，由于2DEG被用作导通道，并且这个导通道位于略低于势垒层(在GaN缓冲层的较厚区域中)，异质结构沿{0001}方向生长或换句话说，具有面向Ga的极性。然而，如上所述，导致形成2DEG的物理机制是AlGaN/GaN界面处的极化不连续，反映在形成了极化诱导的固定界面电荷，所述电荷使得自由势垒形成二维势垒气。AlGaN/GaN界面处使得电子在GaN层中略低于界面处形成2DEG的是正极化电荷。

如上所述，界面电荷的极性取决于异质结构的晶格定向，即面向Ga的极性比面向N的极性，以及异质结构中各自的AlGaN/GaN界面的位置(界面上方或下方)。因此，不同类型的累积的势垒可能出现在实施例的异质结构中。

至于三层异质结构，存在四种可能的配置：

面向Ga的极性

1).面向Ga的极性特征在于在GaN层低于AlGaN势垒层处形成2DEG。这实际上是与上述相同的两层配置，但是添加有顶部GaN层。在这个配置中，AlGaN势垒层和两个GaN缓冲层名称上必须未掺杂或n型掺杂。

2).在图5a中所示的另一面向Ga的配置中，为了在所述配置中的顶部GaN层中高于AlGaN势垒层处形成包括二维空穴气(2DHG)的导通道，AlGaN势垒层应为p型参杂(例如，使用Mg或Be作为受体)，并且GaN缓冲层也应使用Mg、Be进行p型掺杂或为本征的。

面向N的极性

3).面向N的极性特征在于在顶部GaN层中高于AlGaN势垒层处形成2DEG，如图5b中所示。在这种情况下，AlGaN势垒层和两个GaN缓冲层名称上必须被未掺杂或n型掺杂。

4).最后一个配置假定为，在缓冲GaN层中低于AlGaN势垒层处形成2DHG导通道。在此情况下可能存在(三层结构)或不存在(两层结构)顶部GaN层。AlGaN势垒层必须被p型掺杂(例如，使用Mg或Be作为受体)，并且顶部GaN层也应使用Mg、Be进行p型掺杂或为本征的。

因此，基于以上的配置，实施例的晶体管中实现了四个异质三层结构：

A.面向Ga的GaN/AlGaN/GaN异质结构，具有在GaN缓冲层中低于AlGaN势垒层处形成的2DEG。在这种情况下，可以省略顶部GaN层以获得两层结构。至于三层结构，顶部GaN层必须在开放栅极区域中凹入到1-9nm的厚度或者生长为具有最低厚度，具有低于0.2nm的粗糙度，并且AlGaN势垒的厚度可在生长期间适当调整。

B.面向Ga的GaN/AlGaN/GaN异质结构，具有在顶部GaN层中高于AlGaN势垒层处形成的2DHG导通道。顶部GaN层必须在开放栅极区域中凹入到5-9nm的厚度，具有低于0.2nm的粗糙度，并且AlGaN势垒层的厚度可适当调整。必须调整GaN层和AlGaN层的P型掺杂浓度，必须接触2DHG(理想情况下是通过欧姆触点)。

C.面向N的GaN/AlGaN/GaN异质结构，具有在顶部GaN层中高于AlGaN势垒层处形成的2DEG。顶部GaN层必须在开放栅极区域中凹入到5-9nm的厚度，具有低于0.2nm的粗糙度。可在生长期间调整AlGaN势垒的厚度。必须调整GaN缓冲层和AlGaN势垒层的N型掺杂水平，必须接触2DEG(理想情况下是通过欧姆触点)。

D.面向N的GaN/AlGaN/GaN异质结构，具有在GaN缓冲层中低于AlGaN势垒层处形成的2DHG。在这种情况下，可以省略顶部GaN层以获得两层结构。在两层和三层两种配置中，顶部GaN层必须在开放栅极区域中凹入到1-9nm的厚度，具有低于0.2nm的粗糙度，并且AlGaN势垒层的厚度可适当调整。

在所有以上结构中，将介电层安置在顶部可能是有利的，或甚至对获得更好的限定是有必要的(如面向N的结构的情况一样)。如图6中所示，对于以上的“C”结构，可能更有利于包括超薄(约1nm)AlN或AlGaN势垒层，其在2DEG通道顶部具有高Al含量以改善所述限定。

实施例的优选结构为结构“B”和“C”。在结构“B”中，形成于顶部GaN层中的2DHG导通道具有比AlGaN层更高的化学稳定性(尤其是对于表面氧化而言)。关于结构“C”，2DEG导通道可能更接近表面。因此，电子迁移率可能比具有面向Ga的极性的2DEG结构低。通常，异质结构的极性可能因衬底(例如，面向C的SiC)或因生长条件而调整。

本申请案的感测器的另一重要特征为，经由通过Schottky势垒触点电容耦合到电气金属镀层来释放异质结构与2DEG或2DHG的电气连接。“电容耦合”被定义为相同电路内或不同电路之间的借助于电路节点之间的现有电场诱导的位移电流实现的能量传递。通常，欧姆触点是遵循欧姆定律的触点，意味着流经所述触点的电流与电压直接成正比。然而，非欧姆触点不遵循欧姆定律的相同线性关系。换句话说，通道非欧姆触点的电流与电压并非成线性正比。替代地，形成了具有增大的梯度的陡曲线，因为所述情况下的电阻随着电流增加而增加，导致穿过非欧姆触点的电压增加。这是因为电子携带更多能量，并且当其与导通道中的原子碰撞时，其传递产生新的高能量振动状态的更多能量，从而使电阻和温度增加。

当电气金属镀层放在单晶或多晶半导体材料上方时，金属与半导体之间发生“Schottky触点”或“Schottky势垒触点”。Schottky-Mott规则覆盖了此触点的能量，所述规则预测了金属与半导体之间的能量势垒与金属真空功函数与半导体真空电子亲合性的差异成比例。然而，这是理想的理论行为，而在现实中，大部分金属与半导体之间的界面仅在一定程度上遵循此规则。半导体晶体的陡峭金属边界在其带隙内产生新的电子态。由金属诱导的这些新电子态与其占据数将带隙的中心推到费米能级。使带隙的中心因金属-半导体触点而移动到费米能级的这种现象被定义为“费米能级钉扎”，这在半导体之间不同。如果费米能级在能量上远离带缘，将优选地形成Schottky触点。然而，如果费米能级接近带缘，将优选地形成欧姆触点。Schottky势垒触点为整流非欧姆触点，现实中几乎依赖半导体或金属功函。

因此，非欧姆触点允许电流仅在一个方向上以非线性电流-电压曲线(看似是二极管的曲线)流动。相反，欧姆触头允许电流在两个方向上在正常装置操作范围内大致相等地流动，其间几乎为线性的电流-电压关系与电阻器的相近(因此，为“欧姆”)。

因为源极和漏极触点是非欧姆的(即，电容耦合)，所以DC读出无法实现。为了在金属镀层以下约5-20nm下电气接触2DEG/2DHG通道，必须使用AC频率状态。换句话说，应在此具体案例中执行流经2DEG/2DHG通道的电流的AC读出或阻抗测量。非欧姆金属触点与2DEG/2DHG通道的电容耦合仅在将足够高的AC频率(高于30kHz)施加于金属镀层时可能。总之，电容耦合到2DEG/2DHG通道的电气金属镀层利用以位移电流进行的能量传递的已知现象。如上所述，这些位移电流因通过Schottky触点在AC频率模式下操作的电气金属镀层与2DEG/2DHG导通道之间的现有电场而被诱导。

表面声波(SAW)共振器是一类基于表面声波的调制的MEMS。用于SAW其振器的检测机制利用振幅、速度或SAW沿衬底传播的相位由于传播路径的特性变化而产生的变化。通常，SAW的能量通常集中在厚度小于其波长1.5倍的表面区域中。因此，SAW共振器对其环境尤其敏感。

图7a-7c中展示基于交叉指形传感器(IDT)的SAW感测器的原理。在GaN/AlGaN衬底上制造的一对IDT用作信号的输入输出端口。SAW感测器的制造包括材料选择、图案化、分割、功能化和最终的包装。

通常，SAW感测器是通过选择所需频率和操作带宽来设计的。SAW可被表示为复值γ＝α+iβ，其中衰减常数α和传播常数β＝2π/λ为SAW感测器和重要设计参数(λ是声波长)。另一重要设计参数是电机耦合系数K²，所述系数是用于将应用微波信号转换为机构能量的系数的度量。这些参数将决定SAW相位速度和SAW密度的所观测到的变化的量级。

如图7b-7c中所示，SAW感测器f₀的操作频率可通过适当地选择交叉指形间隔d来选定，这样f₀＝v/d，其中v是特定衬底中的波传播速度。因此，所设计的SAW感测器的尺寸取决于所选定的操作频率，所述操作频率可能从一微米1-10GHz变化至一毫米kHz-MHz操作。在GHz范围操作的SAW感测器可被容易地设计并且与易于与RF、多样的MMIC和微带电路集成以用于低功率无线远程感测。声波的带宽由B＝v/2Nd给定，其中N为交叉指的数目，如图7b所示。

由于约4000m/s的高SAW传播速度、高电机耦合系数和其与RF电子集成的兼容性，前述基于GaN/AlGaN的系统为用于SAW感测器的几乎理想的材料。这些材料还展示出极好的耐湿性和耐化学蚀刻性。上文所述的GaN/AlGaN异质结构展现出强压电效应，并且一直用于制造超灵敏的SAW微量天平，开发了大量累积对SAW传播的影响。GaN/AlGaN衬底(K² _eff＝0.001-0.002)的高电机耦合系数与低声损耗和高SAW速度结合实现其在高频率和多样的低损耗RF应用中的使用。因此，在高达10GHz的范围中操作的基于GaN/AlGaN的SAW共振器和感测器可被设计并且与任何无线远程感测应用集成。

因此，将GaN/AlGaN异质结构用作用于SAW感测器的压电衬底可能导致检测极限的相当大的改善以及高灵敏度。如上所述，这是因为2DEG/2DHG对任何邻接表面电荷的灵敏度和高质量灵敏度。因此，GaN/AlGaN异质结构和Schottky二极管可与SAW感测器集成以产生具有低声损耗、低损耗RF性能和高频率的十分独特的共振SAW调谐装置。GaN/AlGaN结构和SAW传播路径中的2DEG/2DHG与横向电场相互作用，导致欧姆损耗，这使得SAW减弱并且变慢。这种机制可用于调谐SAW传播速度。

然而，为了使2DEG/2DHG与SAW结合而实现最大感测效能，必须考虑到一些物理性质。2DEG/2DHG与SAW的实际功能组合需要在声波传播区域中的量子井通道中部分移除、损耗或适当图案化2DEG/2DHG。2DEG/2DHG导通道的高电荷电导率可屏蔽电场并且减小IDT的声光-电转导。

金属IDT引起内在的质量加载效应以及三重行程干扰(TTI)，从而降低信噪比。在常规SAW感测器中，在金属IDT下的平均SAW传播速度将从自由表面值降低，并且由于从金属IDT反射的信号，将导致中心频率减小增加的幅值并且减小跨越带通的相位波。

前述问题实际上可通过使用基于2DEG或2DHG的IDT指状物来克服，同时还增加了感测器灵敏度。具有平面2DEG/2DHG IDT的SAW装置的射频(RF)特性几乎等于使用具有Schottky触点的金属IDT的特性。此外，质量加载效应和TTI在使用基于2DEG/2DHG的传感器代替金属IDT时得以抑制。另外，SAW感测器或共振器的检测区域可能正好在平面2DEG/2DHGIDT的顶部上而非IDT之间的单独SAW传播区域中。图8示意性地展示GaN/AlGaN异质结构上具有2DEG/2DHG IDT的感测器。

通常，当将金属IDT放在微晶半导体材料上时，在金属与半导体之间形成Schottky触点，如上所述(关于非欧姆触点)。考虑到基于2DEG/2DHG的SAW中电荷灵敏度机制，可添加其它电荷灵敏2DEG/2DHG区域，其在共振中心频率或其它共振模式中其一下操作。这些额外的经图案化2DEG/2DHG区域将通过电荷选通进一步增加了主要SAW感测器的共振变化。通过研究不同共振模式的不同信号波形，可以引入选择性的感测。除了电荷敏感的2DEG/2DHGIDT，可将其他功能2DEG/2DHG元件(如，2DEG/2DHG-Schottky二极管和2DEG/2DHG平面非对称二极管)、纳米线和高电子迁移率晶体管放在共振滤波器模式中操作在输入与输出IDT之间并与之连接，如图8中所示。由于时间相关(与IDT同步)的声电转导，这类功能元件的电气特性得以调制。这导致SAW共振的最小电损耗和指定信号波形。通过静电场选通，例如，通过表面上发生的氧化还原过程，很容易影响这个共振SAW滤波器模式(频率、振幅)。

因此，由于其压电性质，AlGaN/GaN异电结构可成功地被用作独立式AlGaN/GaN膜上的SAW感测器。SAW配置内基于2DEG/2DHG的感测器的使用实现了超高灵敏度与极好的信号稳定性的组合。众所周知，SAW感测器对发射器与接收器指状电极或IDT之间的SAW传播路径中的表面电荷极其敏感。另外，SAW感测器在共振频率下具有极高的Q因子。基于2DEG/2DHG的感测器通过2DEG/2DHG密度电荷响应率使得短暂近场声电效应增加，接踵而来的是对近端电荷的灵敏度的急剧增加。此外，可通过对应频率下具有适当曲折臂天线的RF场容易地对SAW感测器进行供电。SAW感测器通过使用正交频率编码提供内在RFID集成。

2DEG/2DHG-SAW RFID感测器拓扑和布局存在较大的功能多样性。2DEG/2DHG-SAW感测器拓扑的目的在于实现在不牺牲感测器稳定性的情况下SAW传感器S21传递参数的最大影响。图9中示意性地展示本发明的感测器的基础拓扑。图9中的蓝色线条被分配为金属结构，如金属IDT(100)，浅绿线条表示常规2DEG/2DHG结构(101)(常开或常关HEMT类结构)，所述结构并非伪传导(根据定义来说)，黑色线条展示伪传导2DEG/2DHG结构(或PC-HEMT类结构)(102)，并且橙色区域表示AlGaN/GaN衬底(103)。

因此，一方面，本申请案的SAW RFID感测器芯片包括：

压电衬底(103)，所述衬底包括压电层和沉积在所述压电层上的多层异质结构，所述结构由Ⅲ-V单晶或多晶半导体材料制成并且包括至少一个缓冲层和至少一个势垒层，所述层交替层叠；

至少一对金属交叉指形(IDT)(100)，安装在所述压电衬底(103)上用于接收射频(RF)输入信号，将所述输入信号转换为表面声波(SAW)，沿所述压电衬底(103)的表面传播所述表面声波并且将所述传播的表面声波转换为输出RF信号；

至少一个常开或常关HEMT类结构(101)，沉积在所述压电衬底(103)上用于在所述缓冲层和所述势垒层之间的界面处的所述异质结构中形成常开或常关2DEG或2DHG导通道；

至少一个PC-HEMT类结构(102)，沉积在所述压电衬底(103)上用于在所述缓冲层和所述势垒层之间的界面处的所述异质结构中形成伪传导2DEG或2DHG通道；及

电气金属镀层(图中未展示)，电容耦合到所述IDT(100)和所述HEMT类结构(101)和/或PC-HEMT类结构(102)用于诱导位移电流，从而产生非欧姆源和漏极源，以用于将所述感测器芯片连接到电路。

蓝色IDT结构(100)接收约0.5-2.5GHz的RF信号并且展现压电效应，从而在共振器的表面上方产生声波。这些表面声波在来自输入和输出IDT的相长干涉下沿衬底传播。按以下方式放置并且图案化(连接)常规2DEG/2DHG结构(101)：电气地从运行SAW缩减正负电荷，并因此大大改变或最小化经由下拉压电效应在两个IDT上接收的信号的振幅。连接到身体单一点的金属栅极电极(104)是按以下方式放置的：展现对AlGaN/GaN结构的2DEG/2DHG导通道的选通效应。为了增加选通效应，金属栅极下方的区域凹入到伪传导状态。通过选通这个2DEG/2DHG结构，通过身体负电荷中断电气连接(主要经由自然静电)。如果中断了2DEG/2DHG结构内的电气连接，那么缩短SAW电荷的寄生效应不再存在，这改变了S21传递参数，所述参数被测量为接收器天线装置(其可为手机NFC芯片)的振幅变化。

图10说明另一基础拓扑2DEG/2DHG-SAW感测器芯片配置。集成相互连接来为IDT(100)供应射频功率。在左侧，PC-HEMT类结构包含主要伪传导2DEG/2DHG部分(102)以及常规(非凹入)2DEG/2DHG部分(103)，以保持最小SAW S21稳定性。电容耦合触点(105)由红色线条表示。在这个配置中，通过单点体电荷实现了最大灵敏度，对S21传递参数的影响最大。进而，借助于连接到单一身体点的相同栅电极，通过IDT的RF天线电力线的额外选通实现此情形。

图11展示本申请案的实施例的2DEG/2DHG-SAW感测器芯片的又一配置。在此配置中，在所示布局的顶部和底部处，经由寄生2DEG/2DHG线条(103)通过反向缩减使用于信号和接地电荷的曲折臂天线部分彼此分离。在伪传导2DEG/2DHG区域(102)上通过栅电极(104)选通这些线条，进而连接到单一身体点(总为负)。在此选通期间，中断寄生2DEG/2DHG线条(103)，从而实现S21传递参数的大幅增加。选通动态表示最终S21振幅动态，并且涉及单一身体点处测量的血液动力学心血管系统和肺活性。

图12中展示实施例的最后的示例性配置。在此最简单配置中，伪传导2DEG/2DHG区域(102)覆盖所有发射器接收器IDT区域，并且可选地通过非欧姆触点(105)连接到栅电极(104)，所述栅电极进而连接到IDT(100)。来自身体的负电荷将选通(损耗)伪传导2DEG/2DHG区域(102)，其位于Schottky金属表面下方，藉此最小化寄生缩减效应并且大大地增加了对S21传递参数的影响。

在所有以上配置中，衬底(101)包括用于形成势垒层的合适材料，并且由，例如，蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或氮化铝组成。举例来说，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法将AlGaN/GaN异质结构沉积在这个衬底层上。非凹入2DEG/2DHG衬底(103)在GaN缓冲层与AlGaN势垒层之间的界面附近产生。通过对层的半导体材料进行干式蚀刻，即，在可控过程中以每1-2分钟1nm的蚀刻速率使开放栅极区域中的层凹入，或者使用AlGaN半导体材料的超薄层涂布AlGaN缓冲层，实现开放栅极区域中AlGaN势垒层的特定厚度。为了使感测器的电荷灵敏度增加，使用等离子(氯化物)epi蚀刻法对凹入超薄AlGaN层的表面进行后处理。因此，通过等离子蚀刻实现自然钝化表面，以产生未补偿(即，电离)表面能键或能态，其在MOCVD生长之后被中性化。

接着势垒层可被凹入或生长为薄层，以获得凹入2DEG/2DHG结构(102)。举例来说，在GaN缓冲层与AlGaN势垒层之间的界面处形成的2DEG通道充当感测器的主要敏感元件，其对开放栅极区域中的表面电荷和电势作出反应。2DEG通道被设置为与表面或近端电荷的极小变化或电场的变化相互作用，这是由于SAW产生压电效应，并且因此与AlGaN势垒层的供体类表面陷阱状态相互作用。

图13示意性地展示本发明的基于用于远程读出的零功率SAW RFID感测器芯片的穿戴式装置或配件，包括以下组件：

■本申请案的SAW感测器芯片(120)，插入到穿戴式(配件)框架中并且经由触点(123)连接到电路(122)；

■一或两个输出输入SAW-RFID零功率分形天线(130)，各自经由电路(122)连接到所述触点(123)用于接收或传输信号；

■延迟线分隔的输出输入SAW传感器(118)；

■集成电路(112)，用于储存并处理所述信号，并且用于调制和解调射频(RF)信号，所述电路包括：

a).电压源(114)，将电流供应至所述SAW感测器芯片(120)和所述一或两个天线(130)；

b).集成或CMOS电流放大器(115)，用于放大从所述SAW感测器芯片(120)获得的电流；

c).具有输入/输出模块(116)的模数转换器(ADC)，连接到所述电流放大器(115)用于将所述转换的信号无线输出到用户界面或外部存储器；

d).微控制器单元(MCU)(113)，用于处理和将所述接收到的信号转换为在所述用户界面或外部存储器中可读的数据；和

e).无线连接模块(117)，用于将所述感测器无线连接到所述用户界面或外部存储器。

电压源(114)可为任何合适的商用锂离子型电池或任何具有AC-DC或DC-DC转换器的能量采集器。ADC卡(116)是可从(例如)National或购得的任何合适的模数转换器数据记录卡。电流放大器(115)被同轴连接，并且可能是任何商用毫微微安放大器，例如，SR570、DLPVA-100-F-S、电流放大器DDPCA-300或TexasINA826EVM。可选地，电流放大器可直接以经由2DEG结构的2DEG通道流入放大器的电流操作，所述放大器具有在高于10⁴的增益下为1MΩ并且在低于200的增益下仅为1Ω的小输入电阻。这种设置可直接放大2DEG通道中的来源于外部体电荷的电流调制。所有读出组件为电池，被驱动以避免接地回路寄生电流。

在特定实施例中，无线连接模块(117)可为短程蓝牙或NFC，在穿戴式装置或配件与手机之间提供高达20m的无线通信。如果这个模块是WiFi，可使用网络建立高达200nm的连接，而GSM实现对血流动力学监测云或医学诊断远距医学云的全球通信。外部存储器可为移动装置(例如，手机)、台式电脑、服务器、远程存储器、网络存储器、血流动力学监测云或医学诊断远距医学云。

在本申请案中的另一方面，感测器芯片可插入到应用于用户身体上的任何可用感测点(手臂、前臂、手腕、手掌、手指、耳垂、胸或颈部)的穿戴式目标或配件，例如，手链、戒指、颈带、项链、坠饰、臂环、护腕或耳环上的夹子。在具体实施例中，本申请案的感测器可用于从用户身体上任何单一点并且具体是从手腕进行的血流动力学监测。

如本申请案中所示，本申请案的感测器的一些实施例可用于血流动力学监测，即，检测、测量和监测心脏信号和中央静脉压。本申请案的感测器的一些实施例还能够记录心音图。还能够进行呼吸监测和肺活性诊断，并且因此可用于肺和呼吸相关应用中。

在一些实施例中，本申请案的穿戴式装置和系统可用于在呼吸、健康和远程远距医学云诊断内的便携式长时间操作方案。因为装置用于血流动力学监测，应具有极小的功耗，为延长使用而节省电池寿命。在这种情况下，感测器芯片的欧姆触点可用将芯片电容连接到电路的非欧姆高电阻触点替代。非欧姆触点实际上因具有比2DEG/2DHG通道的电阻高3-4倍的电阻限制了流经2DEG/2DHG通道的电流，从而在不牺牲感测器的灵敏度和功能性的电功耗。因此，在本申请案的感测器的一些实施例中使用非欧姆触点是允许最小化装置的功耗的硬件方案。在另一实施例中，可使用控制感测器和电池保护模式的必要记录时间的软件算法来最小化装置的功耗，这限制了背景数据并且仅在需要时切换无线连接。

在又一实施例中，图14示意性地展示本发明的用于远程读出的光电感测器，包括以下组件：

■本申请案的SAW感测器芯片(120)，连接到电路；

■经调制光源(125)，如表面安装装置发光二极管(SMD LED)或UV-VIS-IR激光二极管，用于照射感测器芯片上的伪传导2DEG结构(126)的AlGaN势垒层表面；

■光耦合器开关(124)，用于使所述经调制光源(125)与感测器芯片上的所述伪传导2DEG结构(126)耦合；

■电压源(104)，连接到所述电路用于向所述SAW感测器芯片(120)供应电流；

■锁定放大器(119)，连接到所述电压源(104)用于放大从所述SAW感测器芯片获得的具有已知载波的信号并且增加信噪比；和

■具有内置数字输入/输出卡(106)的模数转换器(ADC)，连接到所述锁定放大器(119)用于将所述转换的信号无线输出到用户界面。

或者，SAW感测器可基于与用于血流动力学监测的伪传导基于2DEG的结构组合的压电电光晶体传感器(EOC)。基于EOC压电衬底的SAW装置与所有其它种类的衬底相比展现出电能与机械能之间的最高耦合。另外，这样的衬底还具有高速度移位系数和极高电机耦合系数K2的优点，与任何其它压电衬底上的相同常规SAW装置相比产生了更大的质量灵敏度。EOC可为任何适合的电光晶体材料，如LiNbO₃，与用户身体上的单一点物理接触。接着使用偏振光照亮EOC。至于LiNbO₃晶体材料，偏振光的波长为约400-600nm。来自光源的调制光照亮EOC，接着照在基于2DEG/2DHG的结构。基于2DEG/2DHG的结构对于入射光极其敏感，从而在AlGaN势垒层中产生p-n对，并且因此严重影响2DEG/2DHG导电性。通常，使用光照射基于2DEG/2DHG的结构将2DEG/2DHG通道从常关切换为伪传导或常开状态。因此，通过接触身体，EOC能够改变其光吸收率，严重影响了在2DEG/2DHG通道中流动的电流，从而解决了来自EOC传感器的任何最小光强度变化。

由于血流动力学信号相当低并且需要时间记录的事实，实施例的SAW感测器能够追踪血流动力学。通过使用基于EOC的配置，可使传导2DEG/2DHG结构从来自人体的任何寄生电荷完全脱离。取决于激发光波长，感测器相对于入射光束的位置可能改变。举例来说，至于IR光(700-1500nm)，感测器应放置为垂直于光束以用于实现最高灵敏度。通过附接到晶体的电极来补偿EOC的寄生充电。另外，可使用感测器前方的各种滤光器。

因此，使用SAW-EOC配置使得感测器对电荷的灵敏度大大增加，经由沿晶体表面传送的基于SAW的电荷来使EOC放电，有效地调制来自光源的偏振光并且使用相速度信号来控制SAW延迟线影响。光耦合器开关(124)使伪传导基于2DEG的结构(126)与SAW-EOC耦合，这样发射器(左边)IDT电极处的初始SAW激励信号与调制光源(125)和伪传导基于2DEG/2DHG的结构处的V_DS同步。经由光耦合器(124)将接收器(右边)IDT电极处的信号耦合回V_DS，引起与初始信号和光源(125)调制的共振。由于SAW-EOC通过空间上经图案化的电极与身体单一点的物理电流连接，EOC改变了其光吸收率和调制性质。这严重影响了五个初始信号源(V_DS、发射器IDT、光源、接收器IDT和SAW调制光源)的共振模式。因此，疏于基于光源的相互作用，共振系统变得非常稳定并且对外部电荷极其敏感。

在一些实施例中，用于使用的血流动力学监测的方法包括以下步骤：

1).将实施例的穿戴式装置应用于用户的身体；

2).使用所述装置随着时间以所述装置的S21传递参数动态形式(定义为S21传递动态)记录从用户的身体接收到的信号；

3).将来自所述装置的记录信号传输到外部存储器以用于进一步处理；和

4).将传输的信号转换为数字信号并且处理外部存储器中的数字信号，使所述S21传递动态与外部存储器中存储的预先校准的心电图和中央静脉压波形相关，并从所述波形提取可读取医学数据形式的用户心脏信号和中央静脉压，从而提供血流动力学医学信息。

S21传递动力学可进一步与所述外部存储器中存储的心音图波形相关联，从而提供肺和呼吸系统相关的呼吸和肺活性的额外血流动力学信息。

虽然本文中已说明并描述了本申请案的某些特征，许多修改、替代、变化和等效物将对本领域普通技术人员显而易见。因此，据了解，所附权利要求书旨在覆盖落入本申请案的真正精神范围内的所有此类修改和变化。

Claims (31)

1.一种表面声波(SAW)射频识别(RFID)感测器芯片，其包括：

压电衬底，所述衬底包括压电层和沉积在所述压电层上的多层异质结构，所述结构由Ⅲ-V单晶或多晶半导体层制成并且包括至少一个缓冲层和至少一个势垒层，所述层交替层叠；

至少一对金属交叉指形(IDT)，安装在所述压电衬底上用于接收射频(RF)输入信号，将所述输入信号转换为表面声波(SAW)，沿所述压电衬底的表面传播所述表面声波并且将所述传播的表面声波转换为输出RF信号；

至少一个常开或常关二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)结构，沉积在所述压电衬底用于在所述缓冲层和所述势垒层之间的界面处的所述多层异质结构中形成常开或常关2DEG或2DHG导通道；

至少一个伪传导2DEG或2DHG，沉积在所述压电衬底上用于在所述层与势垒层之间的界面处的所述多层异质结构中形成伪传导2DEG或2DHG通道；和

电气金属镀层，电容耦合到所述IDT、所述常开或常关2DEG或2DHG结构和所述伪传导2DEG或2DHG结构用于诱导位移电流，从而产生非欧姆源和漏极源，以用于将所述感测器芯片连接到电路。

2.根据权利要求1所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述压电层由氧化锌、蓝宝石、氮化铝、钽酸锂、铌酸锂、铌酸钾、硅酸镧镓、二氧化硅、碳化硅或石英。

3.根据权利要求1或2所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述多层异质结构包括一个缓冲层和一个势垒层，并且所述2DEG导通道形成于所述缓冲层与所述势垒层之间的界面处。

4.根据权利要求1或2所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述多层异质结构包括两个缓冲层和一个势垒层，所述势垒层放在所述缓冲层之间，并且所述2DEG导通道形成于所述势垒层上方的所述顶部缓冲层中，接近所述顶部缓冲层与所述势垒层之间的界面，从而导致所述结构的面向N的极性。

5.根据权利要求1或2所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述多层异质结构包括两个缓冲层和一个势垒层，所述势垒层放在所述缓冲层之间，并且所述2DHG导通道形成于所述势垒层上方的所述顶部缓冲层中，接近所述顶部缓冲层与所述势垒层之间的界面，从而导致所述结构的面向Ga的极性。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述III-V单晶或多晶半导体材料是选自GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlN、InN/InAlN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAs和LaAlO₃/SrTiO₃。

7.根据权利要求6所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述III-V单晶或多晶半导体材料为GaN/AlGaN。

8.根据权利要求3所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述多层异质结构包含底部处的一个GaN缓冲层和顶部处的一个AlGaN势垒层，所述AlGaN势垒层具有(i)5-9纳米(nm)的厚度，对应于所形成的2DEG通道的常开和常关操作模式之间的伪传导电流范围，和(ii)0.2nm或更小的表面粗糙度。

9.根据权利要求8所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述AlGaN势垒层的厚度为6-7nm，优选为6.2-6.4nm。

10.根据权利要求8或9所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述AlGaN势垒层具有约0.1nm或更小的表面粗糙度，优选为约0.05nm或更小。

11.根据权利要求4所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述多层异质结构是像三明治一样包含顶部的一个GaN缓冲层，底部的一个GaN缓冲层以及其间的一个AlGaN势垒层，所述2DEG导通道形成于所述AlGaN势垒层上方的所述顶部GaN缓冲层中，接近所述顶部GaN缓冲层与所述AlGaN势垒层之间的界面，从而导致所述结构的面向N的极性，所述顶部GaN缓冲层具有(i)5-9纳米(nm)的厚度，对应于所形成的2DEG通道的常开和常关操作模式之间的伪传导电流范围，和(ii)0.2nm或更小的表面粗糙度。

12.根据权利要求11所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层的厚度为6-7nm，优选为6.2-6.4nm。

13.根据权利要求11或12所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层具有约0.1nm或更小的表面粗糙度，优选为约0.05nm或更小。

14.根据权利要求5所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述多层异质结构是像三明治一样包含顶部的一个GaN缓冲层，底部的一个GaN缓冲层以及其间的一个AlGaN势垒层，所述2DHG导通道形成于所述AlGaN势垒层上方的所述顶部GaN缓冲层中，接近所述顶部GaN缓冲层与所述AlGaN势垒层之间的界面，从而导致所述结构的面向Ga的极性，所述顶部GaN缓冲层具有(i)5-9纳米(nm)的厚度，对应于所形成的2DHG通道的常开和常关操作模式之间的伪传导电流范围，和(ii)0.2nm或更小的表面粗糙度。

15.根据权利要求14所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层的厚度为6-7nm，优选为6.2-6.4nm。

16.根据权利要求14或15所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层具有约0.1nm或更小的表面粗糙度，优选为约0.05nm或更小。

17.根据权利要求1-16中任一项所述的SAW RFID感测器芯片，进一步包括激发光源，用于照射所述压电衬底，从而在所述2DEG或2DHG结构中诱导电流。

18.根据权利要求17所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述激发光源是表面安装装置发光二极管(SMD LED)或UV-VIS-IR激光二极管。

19.根据权利要求1-18中任一项所述的SAW RFID感测器芯片，其中所述金属IDT能够接收约0.5-2.5GHz的RF信号并且通过在所述压电衬底的表面上方产生声波来展示压电效应。

20.一种具有远程读出的穿戴式装置，包括：

如权利要求1-19中任一项所述的SAW RFID感测器芯片，插入于穿戴式装置框架并且连接到电路；

至少一个输出输入SAW-RFID零功率分形天线，连接到所述电路用于接收或传输信号；延迟线分隔的输出输入SAW传感器；

远程集成电路，用于储存并处理所述信号，并且用于调制和解调射频(RF)信号，所述远程集成电路包括：

a).电压源，其供应电流到所述SAW RFID感测器芯片和所述输出输入SAW-RFID零功率分形天线；

b).集成或CMOS电流放大器，用于放大从所述SAW RFID感测器芯片获得的电流；

c).具有输入/输出模块的模数转换器，连接到所述电流放大器用于将所述转换的信号无线输出到用户界面或外部存储器；

d).微控制器单元(MCU)，用于处理和将所述接收到的信号转换为在所述用户界面或外部存储器中可读的数据；和

e).无线连接模块，用于将所述穿戴式装置无线连接到所述用户界面或外部存储器。

21.根据权利要求20所述的穿戴式装置，其中所述外部存储器是移动装置、台式电脑、服务器、远程存储器、网络存储器或材料诊断云。

22.根据权利要求20所述的穿戴式装置，其中所述电压源是锂离子型电池或具有AC-DC或DC-DC转换器的能量采集器。

23.根据权利要求20所述的穿戴式装置，其中所述电流放大器被同轴连接。

24.根据权利要求20所述的穿戴式装置，其中所述无线连接模块是在所述感测装置与所述用户界面、移动装置或台式电脑之间提供无线通信的短程或NFC模块。

25.根据权利要求20所述的穿戴式装置，其中所述无线连接模块是在所述感测装置与所述用户界面、移动装置、台式电脑或服务器之间提供无线通信的Wi-Fi模块。

26.根据权利要求20所述的穿戴式装置，其中所述无线连接模块是在所述感测装置与服务器、远程存储器、网络存储器、血流动力学监测去或医学诊断远距医疗云之间提供世界范围无线通信的GSM模块。

27.根据权利要求1-26中任一项所述的穿戴式装置，其中所述穿戴式装置是以手链、戒指、颈带、项链、坠饰、臂环、护腕或耳环上的夹子的形式。

28.一种用于用户的血流动力学监测的方法，其包括：

1).将根据权利要求20-27中任一项中所述的穿戴式装置应用到用户的身体；

2).使用所述装置随着时间以所述装置的S21传递参数动态形式记录从用户的身体接收到的信号；

3).将来自所述装置的记录信号传输到外部存储器以用于进一步处理；和

4).将传输的信号转换为数字信号并且处理外部存储器中的数字信号，使所述S21传递动态与外部存储器中存储的预先校准的心电图和中央静脉压波形相关，并从所述波形提取可读取医学数据形式的用户心脏信号和中央静脉压，从而提供血流动力学医学信息。

29.根据权利要求28所述的方法，其中将所述穿戴式装置应用于用户的手臂、前臂、手腕、手掌、手指、耳洞、胸或颈部。

30.根据权利要求28所述的方法，其中所述S21传递动态进一步与所述外部存储器中存储的心音图波形相关联，从而提供肺和呼吸系统相关的呼吸和肺活性的额外血流动力学信息。

31.根据权利要求20-27中任一项所述的穿戴式装置在健康、健身和远程远距医疗云诊断内的便携式长时间操作方案中的使用。