用于血流动力学穿戴式装置的表面声波RFID感测器制造方法及图纸

本发明专利技术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。

Surface acoustic wave RFID sensor for hemodynamic wearable device

The invention discloses an embodiment of a radio frequency identification (RFID) sensor based on a combination of surface acoustic wave (SAW) sensor and two-dimensional electronic gas (2DEG) or two-dimensional hole gas (2DHG) conduction structure and its application in a hemodynamic wearable device. The SAW RFID sensor chip comprises a piezoelectric structure on which a multi-layer heterostructure is deposited. The heterostructure comprises at least two layers: a buffer layer and a barrier layer, which are grown from III_V single crystal or polycrystalline semiconductor materials, such as Ga N/Al Ga N. The cross finger sensor (IDT) conversion SAW is mounted at the top of the barrier layer. A 2DEG or 2DHG conduction channel is formed at the interface between the buffer layer and the barrier layer and provides an electron or hole current in a system connected between the non-ohmic (capacitively coupled) source and drain contacts of the formed channel.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于血流动力学穿戴式装置的表面声波RFID感测器
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SAWRFID感测器以及其在血流动力学穿戴式装置中的使用。
技术介绍
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。FredericMichard(“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。RunnerCardio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。
技术实现思路
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SAWRFID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编本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.11 US 62/360,7541.一种表面声波(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SAWRFID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SAWRFID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SAWRFID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SAWRFID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SAWRFID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SAWRFID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SAWRFID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SAWRFID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SAWRFID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SAWRFID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SAWRFID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SAWRFID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SAWRFID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...

【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