用于肠道和肠诊断以及肠动力监测的微电子传感器制造技术

在一些实施方案中，本申请提供了一种可吞服胶囊以及其在肠道和肠诊断以及肠动力监测中的用途，该可吞服胶囊包括伪导电高电子迁移率晶体管(PC‑HEMT)。

Microelectronic Sensors for Intestinal and Intestinal Diagnosis and Intestinal Dynamics Monitoring

In some implementations, the application provides a swallowing capsule and its use in intestinal and intestinal diagnosis and intestinal motility monitoring, which includes a pseudoconductive high electron mobility transistor (PC_HEMT).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于肠道和肠诊断以及肠动力监测的微电子传感器
本申请涉及微电子传感器领域以及微电子传感器在人体生理参数监测中的用途。具体地讲，本申请涉及开栅伪导电高电子迁移率晶体管及其在肠道和肠诊断以及肠动力监测中的用途。
技术介绍
各种肠道和肠紊乱，包括食管返流，是众所周知且令人烦恼的症况，并且通常表现为许多人都患有的慢性胃灼热。胃灼热的特征表现为若干症状，包括每周超过两次的胸痛、消化不良或喉咙或口苦反酸。这些慢性症状可能干扰日常活动，并且可能与胃食管返流疾病有关，这种疾病可能损坏食道并导致更严重的问题，诸如在结肠、小肠和胃部内生长肿瘤继而发展为致癌性肿瘤。这些恶性瘤局部导致蠕动和神经元信号传递功能失调。由于胃食管返流疾病以及其他食道症况难以仅通过症状来诊断，因此返流和肠压力监测可能是让医生能够评估这些症状的一种良好方法。通过识别返流的频率和持续时间，医生能够决定正确的治疗。因此，对肠道和肠的持续且实时的感测，包括确定肠压力以及返流的频率和持续时间，是非常重要的。当今，体内肠道和肠诊断中最先进的解决方案是使用自主胶囊装置来捕捉图像。这些胶囊通常包含小电池以及用于捕捉肠道图像的各种照相能力。此类胶囊的一种类型在美国专利5,604,531中进行了描述。出于示例的目的，典型胶囊具有细长的形状，并且大约为大药物胶囊或药丸的尺寸。在吞服之后，自主胶囊行进通过胃肠道，将图像传输到安装在主体所佩戴的带状装置中的记录器。该胶囊能够每半秒捕捉一次图像，并为医生提供实时诊断解决方案。图像可视需要在日后审查。此类胶囊的一个实例是GivenImagingLtd公司出售的PILLCAMTM。本申请是上述成像胶囊的一步迈进，它提议将胶囊的成像功能替代为对肠道和肠的超灵敏感测以及对食道以及直肠和肛门括约肌中的内部压力的测量。它是一个不寻常的解决方案，这仅是因为到目前为止尚未知晓或公开此类无目的传感型自主胶囊。为了使用本申请的胶囊开展此类超灵敏诊断，本专利技术的专利技术人提出将基于GaN/AlGaN伪导电高电子迁移率晶体管的传感器封装在胶囊中。这将允许内科医生在不需要成像的情况下监测肿瘤生长，从而评估胃返流、吞咽障碍、功能性胸痛的原因，包括开展其他术前评估。极化掺杂高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种场效应晶体管(FET)，其中两层不同的带隙和极化场生长在彼此之上，形成异质结结构。由于极化场中的不连续性，在异质结结构的所述层之间的界面处形成表面电荷。如果感应表面电荷为正，则电子将倾向于补偿感应电荷，从而形成沟道。由于在HEMT中，沟道电子被限制在量子阱中所述层之间界面处的无限狭窄空间区域中，因此这些电子被称为二维电子气(2DEG)。沟道电子在量子阱中的这种特殊限制实际上赋予了它们二维特征，这些特征极大地增强了它们的迁移率，胜过电子于其中流动的材料的体迁移率。基于III-V半导体材料(诸如氮化镓(GaN)和氮化铝镓(AlGaN))层的HEMT近来被开发用于高电压和高功率开关应用。高电压和高开关速度允许制造更小、更高效的装置，诸如家用电器、通信装置和汽车。为了控制2DEG沟道中的电子密度并且打开和关闭HEMT，应调节晶体管栅极处的电压。图1a至图1c示意性地示出了三个不同偏压条件下的量子阱，这三个条件从比阈值电压(VT)高出许多的正栅极电位(VG)开始，向下达到0V栅极电位，再继而达到低于阈值电压的负值。VT被定义为为了将电子布居在GaN层与AlGaN层之间的界面处从而形成2DEG沟道的电导率而所需的电压。由于2DEG沟道电子占用的能级低于费米(Fermi)能级，因此当VG＞＞VT(图1a)时，量子阱中的费米能级高出若干能级。这就使得2DEG沟道电子具有高布居，并且因此具有高电导率。在这种情况下，HEMT被打开。然而，当VG降至0V(图1b)时，费米能级也相对于量子阱下降。因此，较少的电子能级被占用，2DEG沟道电子的量显著减少。当VG＜＜VT(图3c)时，所有电子能级都高于费米能级，并且在栅极下面不存在2DEG电子。这种情形被称为“沟道耗尽”，并且HEMT关闭。许多可商购的基于AlGaN/GaN的HEMT结构都具有负VT，从而导致在0V栅极电位时为“常开”工作模式。它们被称为“耗尽模式晶体管”，并且当必须在栅极上施加负电压以便阻断电流时，它们用在各种电力开关应用中。然而，出于高电压或高功率密度下的安全操作，为了降低电路复杂度并消除备用功耗，优选具有“常闭”特性的HEMT。若干用于制造常闭HEMT的技术已被报道。Burnham等人(2010)提出了凹陷栅极类型的常闭结构。在该结构中，AlGaN势垒层被蚀刻，并且栅极被放置得较靠近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，VT增大。一旦耗尽区到达界面处并且在零栅极电压下耗尽2DEG沟道，便实现了晶体管的常闭工作。这些HEMT的主要优点在于相对较低的功耗、较低的噪声以及较简单的驱动电路。这些HEMT当前用在例如微波和微米波通信、成像和雷达中。Chang等人(2009)提出使用一种非常薄的AlGaN势垒，而不是蚀刻相对较厚的势垒层来接近AlGaN/GaN界面。这种结构通过使栅极朝着AlGaN/GaN界面接近，也实现了常闭工作。Chen等人(2010)提出使用基于氟的等离子处理法。尽管许多出版物采用各种方法来实现对漏极电流具有最小影响的常闭装置，但遗憾的是，它们牺牲了装置的接通性能。
技术实现思路
本申请描述了用于使用基于开栅伪导电高电子迁移率晶体管(PC-HEMT)的微电子传感器来监测人体主体的生理参数的方法的实施方案。在一些实施方案中，晶体管包括衬底，在衬底上沉积有多层异质结结构。该异质结结构可包括至少两个层，即缓冲层和势垒层，所述层由III-V单晶或多晶半导体材料生长。导电沟道形成在缓冲层与势垒层之间的界面处并在系统中源极电极与漏极电极之间提供电子或空穴电流，该导电沟道就双层配置而言包含二维电子气(2DEG)，或者就三层配置而言包含二维空穴气(2DHG)。源极和漏极欧姆或电容耦合(非欧姆)触点连接到所形成的2DEG/2DHG沟道以及电金属化层，后者放置在晶体管之上并将其连接到传感器系统。可选的电介质层沉积在异质结结构之上。由于将顶层凹陷或生长到特定的厚度，因此晶体管的开栅区形成在源极区与漏极区之间。如果源极触点和漏极触点是非欧姆(电容耦合)的，那么为了电接触下方的比金属化层低大约5-20nm的2DEG/2DHG沟道，会使用AC频率机制。非欧姆金属触点与2DEG/2DHG沟道的电容耦合通常在高于30kHz的频率下产生。对于非欧姆触点，无法执行DC读出。相反，会对流过2DEG/2DHG沟道的电流执行AC读出或阻抗测量。在一些实施方案中，PC-HEMT结构的显著特征是：(i)源极触点与漏极触点之间开栅区中顶层的厚度为5-9nm，优选地为6-7nm，更优选地为6.3nm，并且对应于晶体管的常开工作模式与常闭工作模式之间的伪传导电流范围，(ii)源极触点与漏极触点之间开栅区中顶层的表面的粗糙度为大约0.2nm或更少，优选地为0.1nm或更少，更优选地为0.05nm或更少，以及(iii)用于与导电2DEG/2DHG沟道电容耦合的非欧姆源极和漏极触点可选地替代欧姆触点。在一些实施方案中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于肠道和肠诊断以及肠动力监测的可吞服胶囊，其包括：1)荷敏伪导电高电子迁移率晶体管(以下定义为“荷敏晶体管”)，或其阵列，其用于检测由神经元信号传递或由肌肉蠕动组织电位产生的肠组织电位，所述荷敏晶体管包括：a)由III‑V单晶或多晶半导体材料制成的多层异质结结构，所述结构包括至少一个缓冲层和至少一个势垒层，所述层交替堆叠，并且所述结构沉积在衬底层上；b)包括二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道，所述导电沟道形成在所述缓冲层与所述势垒层之间的界面处并在所述晶体管中源极触点与漏极触点之间提供电子或空穴电流；c)所述源极触点和所述漏极触点，所述源极触点和所述漏极触点连接到所述2DEG导电沟道或所述2DHG导电沟道并且连接到用于将所述晶体管连接到电路的电金属化层；以及d)位于所述源极触点与所述漏极触点之间的开栅区；以及2)压敏伪导电高电子迁移率晶体管(以下定义为“压敏晶体管”)，或其阵列，其用于检测肠压力变化，所述压敏晶体管包括：a)由III‑V单晶或多晶半导体材料制成的多层异质结结构，所述结构包括至少一个缓冲层和至少一个势垒层，所述层交替堆叠，并且所述结构放置在无支撑薄膜上；b)包含二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道，所述导电沟道形成在所述缓冲层与所述势垒层之间的界面处并在所述晶体管中源极触点与漏极触点之间提供电子或空穴电流；c)所述源极触点和所述漏极触点，所述源极触点和所述漏极触点连接到所述2DEG导电沟道或所述2DHG导电沟道并且连接到用于将所述晶体管连接到电路的电金属化层；以及d)位于所述源极触点与所述漏极触点之间的开栅区；并且其中：(i)在所述荷敏晶体管或所述压敏晶体管中任一者的所述开栅区中的所述多层异质结结构的顶层(势垒层或缓冲层)的厚度为5‑9纳米(nm)，对应于所述晶体管的常开工作模式与常闭工作模式之间的伪传导电流范围，并且(ii)所述荷敏晶体管或所述压敏晶体管中任一者中的所述多层异质结结构的所述顶层的表面具有大约0.2nm或更少的粗糙度。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.10 US 15/067,093;2016.05.17 US 15/157,285;1.一种用于肠道和肠诊断以及肠动力监测的可吞服胶囊，其包括：1)荷敏伪导电高电子迁移率晶体管(以下定义为“荷敏晶体管”)，或其阵列，其用于检测由神经元信号传递或由肌肉蠕动组织电位产生的肠组织电位，所述荷敏晶体管包括：a)由III-V单晶或多晶半导体材料制成的多层异质结结构，所述结构包括至少一个缓冲层和至少一个势垒层，所述层交替堆叠，并且所述结构沉积在衬底层上；b)包括二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道，所述导电沟道形成在所述缓冲层与所述势垒层之间的界面处并在所述晶体管中源极触点与漏极触点之间提供电子或空穴电流；c)所述源极触点和所述漏极触点，所述源极触点和所述漏极触点连接到所述2DEG导电沟道或所述2DHG导电沟道并且连接到用于将所述晶体管连接到电路的电金属化层；以及d)位于所述源极触点与所述漏极触点之间的开栅区；以及2)压敏伪导电高电子迁移率晶体管(以下定义为“压敏晶体管”)，或其阵列，其用于检测肠压力变化，所述压敏晶体管包括：a)由III-V单晶或多晶半导体材料制成的多层异质结结构，所述结构包括至少一个缓冲层和至少一个势垒层，所述层交替堆叠，并且所述结构放置在无支撑薄膜上；b)包含二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道，所述导电沟道形成在所述缓冲层与所述势垒层之间的界面处并在所述晶体管中源极触点与漏极触点之间提供电子或空穴电流；c)所述源极触点和所述漏极触点，所述源极触点和所述漏极触点连接到所述2DEG导电沟道或所述2DHG导电沟道并且连接到用于将所述晶体管连接到电路的电金属化层；以及d)位于所述源极触点与所述漏极触点之间的开栅区；并且其中：(i)在所述荷敏晶体管或所述压敏晶体管中任一者的所述开栅区中的所述多层异质结结构的顶层(势垒层或缓冲层)的厚度为5-9纳米(nm)，对应于所述晶体管的常开工作模式与常闭工作模式之间的伪传导电流范围，并且(ii)所述荷敏晶体管或所述压敏晶体管中任一者中的所述多层异质结结构的所述顶层的表面具有大约0.2nm或更少的粗糙度。2.根据权利要求1所述的可吞服胶囊，其中所述荷敏晶体管和所述压敏晶体管，或其阵列，安装在柔性印刷电路板(PCB)上，其中所述荷敏晶体管和所述压敏晶体管中的每一者经由印制在所述PCB上的其专用电接触线连接到微控制器。3.根据权利要求2所述的可吞服胶囊，其进一步包括：1)至少一对发光二极管(LED)，所述至少一对发光二极管安装在所述PCB上以使用两种不同波长的光辐照肠道和肠的周围组织，从而刺激组织细胞的神经元活动，所述荷敏晶体管感测神经元活动；2)微控制器，其具有数模(DAC)和模数(ADC)转换器以记录和处理从所述荷敏晶体管和所述压敏晶体管接收的信号；3)电池单元，其经由电路连接到所述电接触线以向所述PCB供应电流；4)集成或CMOS电流放大器，其连接到所述电池单元以放大从所述荷敏晶体管和所述压敏晶体管获得的电流；5)连接模块，其用于将所述可吞服胶囊无线且远程地连接到接收器单元；以及6)圆柱形透光外壳，其用于将所述可吞服胶囊的部件包裹起来，其中所述外壳由离子渗透型生物兼容薄膜制成。4.根据权利要求1所述的可吞服胶囊，其中所述荷敏晶体管和所述压敏晶体管，或其阵列，安装在柔性PCB上，其中所述荷敏晶体管和所述压敏晶体管中的每一者经由印制在所述PCB上的其专用电接触线连接到DAC。5.根据权利要求4所述的可吞服胶囊，其进一步包括：1)至少一对LED，所述至少一对LED安装在所述PCB上以使用两种不同波长的光辐照肠道和肠的周围组织，从而刺激组织细胞的神经元活动，所述荷敏晶体管感测所述神经元活动；2)所述DAC，其用于将从所述荷敏晶体管和所述压敏晶体管接收的AC信号转换成DC信号；3)ADC，其用于处理从所述DAC接收的模拟信号并将所述模拟信号转换成数字信号以便将所述数字信号传输到接收器单元；4)至少一对天线，所述至少一对天线用于将所述数字信号无线地传输到所述接收器单元；以及5)圆柱形透光外壳，其用于将所述可吞服胶囊的部件包裹起来的，其中所述外壳由离子渗透型生物兼容薄膜制成；其中所述DAC连同所述ADC和所述天线构成用于与所述接收器单元无线通信的零功率数字近场通信(NFC)模块。6.根据权利要求1所述的可吞服胶囊，其中所述荷敏晶体管和所述压敏晶体管，或其阵列，安装在柔性PCB上，其中所述荷敏晶体管和所述压敏晶体管中的每一者由电池单元经由印制在所述PCB上的其专用电接触线进行供电。7.根据权利要求6所述的可吞服胶囊，其进一步包括：1)至少一对LED，所述至少一对LED安装在所述PCB上以使用两种不同波长的光辐照肠道和肠的周围组织，从而刺激组织细胞的神经元活动，所述荷敏晶体管感测所述神经元活动；2)所述电池单元，其经由电路连接到所述电接触线以向所述可吞服胶囊的部件供应电流；3)ADC，其用于处理由所述可吞服胶囊接收的模拟信号并将所述模拟信号转换成数字信号以将所...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿亚尔·拉姆，阿米尔·利希滕斯坦，
申请(专利权)人：艾皮乔尼克控股有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG