用于肠道和肠诊断以及肠动力监测的微电子传感器的制作方法

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。

背景技术：

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pillcam^tm。

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，本发明的发明人提出将基于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。

技术实现要素：

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，本申请的pc-hemt多层异质结结构由任何可用的iii-v单晶或多晶半导体材料生长，所述材料诸如为gan/algan、gan/aln、gan/inn、gan/inalgan、gaas/algaasgan/inaln、inn/inaln和laal03/srti03。对于gan/alganpc-hemt，已令人意外地发现，在pc-hemt的开栅区中，与pc-hemt的常开工作模式与常闭工作模式之间的伪传导电流范围对应的顶层厚度为大约6-7nm。

在一个具体的实施方案中，异质结结构可为三层结构，该三层结构由两个缓冲层和像三明治一样挤压在所述缓冲层之间的一个势垒层组成。这可引起在势垒层上方的顶部缓冲层中形成二维空穴气(2dhg)，从而导致晶体管的极性反转。

在一些实施方案中，多层异质结结构放置在无支撑薄膜上，所述薄膜在传感器表面上提供额外的质量加载效应并允许传感器的压力感测模式。在一些实施方案中，本申请提供用于肠道和肠诊断以及肠动力监测的呈可吞服胶囊或药丸形式的基于pc-hemt的微电子传感器。

各种实施方案可提供不同的有益效果，并且可与各种应用结合使用。在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施方案的细节。通过这些描述和附图以及通过权利要求，所描述的技术的其他特征、目的和优点将显而易见。

附图说明

通过结合附图进行的以下详细描述，将更全面地理解和领会所公开的实施方案。

图1示出了导带不连续时2deg形成(电荷中性与最低能级的组合)背后的理论，并示意性地示出了三个不同偏压条件下的量子阱：

图1a示出了比阈值电压(vt)高出许多的正栅极电位(+vg)，

图1b示出了零栅极电位，以及

图1c示出了低于阈值电压(vt)的负栅极电位(-vg)。

图2示意性地示出了在gan/alganhemt的2deg沟道内部感应的源-漏电流(载荷子密度)对凹陷在开栅区中的algan势垒层的厚度的依赖关系。

图3示出了导带不连续时2deg形成(电荷中性与最低能级的组合)背后的理论。

图4a示出了pc-hemt对用于22nmalgan势垒层的离子液体的灵敏度，该势垒层正常生长并且然后凹陷至6-7nm。

图4b示出了pc-hemt对用于超薄algan势垒层的离子液体的灵敏度，该势垒层生长至6-7nm并且然后向下凹陷至5-6nm并用等离子蚀刻。

图5a示意性地示出了一个实施方案的不具有电介质层的pc-hemt的侧面(xz)横截面视图。

图5b示意性地示出了一个实施方案的不具有电介质层的pc-hemt的顶部(xy)横截面视图。

图5c示意性地示出了一个实施方案的具有电介质层的pc-hemt的横截面视图。

图6a示意性地示出了2deg和2dhg导电沟道在ga面三层algan/ganpc-hemt结构中的形成。

图6b示意性地示出了2deg和2dhg导电沟道在n面三层algan/ganpc-hemt结构中的形成。

图6c示意性地示出了2deg导电沟道在n面三层algan/ganpc-hemt结构中的形成，该n面三层algan/ganpc-hemt结构具有超薄al(gan)n层以用于改善限制。

图7a示意性地示出了一个实施方案的具有电容耦合非欧姆源极和漏极触点并且不具有电介质层的pc-hemt的横截面视图。

图7b示意性地示出了一个实施方案的具有电容耦合非欧姆源极和漏极触点并且具有电介质层的pc-hemt的横截面视图。

图7c示意性地示出了一个实施方案的具有高掺杂源极区和漏极区的pc-hemt的横截面视图。

图8a示意性地示出了在一个实施方案的传感器暴露于正电荷期间的形成有双层的algan势垒层/液体界面、简化的等效界面电路和离子电动态。

图8b示意性地示出了在传感器暴露于负电荷期间的形成有双层的algan势垒层/液体界面、简化的等效界面电路和离子电动态。

图9a示意性地示出了一个实施方案的具有无支撑薄膜的pc-hemt的横截面视图。

图9b示出了当将外部压力(质量效应)施加在包含图8a的pc-hemt的传感器上并且转移到因弯曲导致改变的内部应变中时的情形。

图10a示意性地示出了用于肠道和肠的体内感测的自主胶囊的设计。

图10b示意性地示出了具有零功率数字近场通信(nfc)模块的自主胶囊的设计，该模块用于肠道和肠的体内感测。

图10c示意性地示出了具有电池供电数字近场通信(nfc)模块的自主胶囊的设计，该模块用于肠道和肠的体内感测。

图11示出了安装在一个实施方案的胶囊内的压敏pc-hemt如何对导致液体压力发生小局部μ变异(在仅数帕斯卡的范围内)的肠组织的任何物理运动做出反应。

图12示出了荷敏pc-hemt检测由神经元信号传递或肌肉蠕动组织运动产生的肠组织电位的最细微变化的操作。

图13示出了一个实施方案的胶囊随着肠的蠕动泵送运动沿肠道和肠的运动，以及肠组织细胞的光学神经刺激。

图14示出了用于小鼠肠肿瘤诊断的基于pc-hemt的传感器实验布置。

图15示意性地示出了图14的基于pc-hemt的传感器布置。

图16a示出了在不供应药物的情况下小鼠肠的单点非侵入式测量的结果。

图16b示出了在供应药物的情况下小鼠肠的单点非侵入式测量的结果。

图17a示出了在不添加药物的情况下使用一个实施方案的基于pc-hemt的传感器从小鼠的肠记录的傅里叶(fourier)谱。

图17b示出了在添加硝苯吡啶和利多卡因以使肌肉和神经元活动去激活的情况下使用一个实施方案的基于pc-hemt的传感器记录的傅里叶谱。

具体实施方式

在以下描述中，将描述本申请的各个方面。出于说明的目的，阐述了具体的配置和细节，以便提供对本申请的透彻理解。然而，对于本领域技术人员还将显而易见的是，本申请可在不使用本文所提供的具体细节的情况下实施。此外，熟知的特征可能被省去或简化，以使本申请不会难以理解。

权利要求中所使用的术语“包括”不应被理解为局限于其后所列出的途径；它不排除其他元件或步骤。它需要被理解为说明所述的特征、整数、步骤或部件像所述的那样存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤或部件、或它们的组。因此，“包括x和z的装置”这一表达的范围不应局限于仅由部件x和z组成的装置。如本文所用，术语“大约”意指相对于所提及或所声称的值存在10％容差。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任意和全部组合。除非另有说明，否则本文所使用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同。还应理解的是，术语，诸如常用字典中定义的那些，应被理解为具有与其在本说明书及相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过度正式的意义来理解，除非本文中明确有此规定。为了简洁和/或清晰起见，熟知的功能或构造可能不会详细描述。

应当理解，当某个元件与另一元件的关系被描述为“位于其上”、“附接到”、“连接到”、“与其耦合”、“接触”，等等时，它可以直接位于该另一元件上、附接到该另一元件、连接到该另一元件、与该另一元件耦合或接触该另一元件，或者也可以存在中间元件。相比之下，当某个元件与另一元件的关系被描述为，例如，“直接位于其上”、“直接附接到”、“直接连接到”、“直接与其耦合”、“直接接触”，等等时，不存在中间元件。本领域技术人员还应明白的是，在提及与另一特征“相邻”设置的结构或特征时，可能具有叠加在该相邻特征之上或位于在该相邻特征之下的部分。

简言之，pc-hemt传感器的工作原理基于传感器表面处的超高电荷敏感度，如共同未决的专利申请u.s.15/067,093和u.s.15/157,285中详细所述，本申请要求这些专利申请的优先权。例如，肠道或肠在物理上代表在人体所代表的容积电解导体内作用的电偶极子场的容积源。利用极高的电荷敏感度，能够将肠道和肠的运动记录为传感器表面处电荷循环的特定波(动态分布)。

图2示出了源-漏电流(载荷子密度)对凹陷的势垒层厚度的依赖关系。从曲线图中可以看到，势垒层厚度大于大约9nm的结构形成常开2deg沟道。在此类结构中，由于iii-v材料中存在的内在极化效应，因此在势垒层界面的顶部和底部感应出薄电荷层。因此，在势垒层中感应出高电场，并且顶部界面处的表面施体状态开始施予电子以在不施加栅极偏压的情况下靠近异质结界面形成2deg沟道。这些结构因此构成常开装置。相比之下，势垒层厚度小于大约5nm的结构构成常闭装置。

凹陷或生长至5-9nm的势垒层被优化以用于显著增强传感器的敏感度。势垒层的这个厚度对应于2deg沟道的常开工作模式与常闭工作模式之间的“伪传导”电流范围，并且需要进一步说明。

2deg沟道的“伪传导”电流范围被定义为沟道的介于其常开工作模式与常闭工作模式之间的工作范围。“陷阱状态”是半导体的带隙中的俘获载荷子直到其重新组合的状态。“表面状态”是由以下原因引起的状态：由于因某些晶体缺陷、位错或存在杂质导致的表面张力而引起局部晶体发生表面重构。此类表面重构通常形成与表面重组速度对应的“表面陷阱状态”。表面陷阱状态的分类取决于其能级在带隙中的相对位置。能量高于费米能级的表面陷阱状态类似于受体，当被占用时获得负电荷。然而，能量低于费米能级的表面陷阱状态类似于施体，当为空时带正电荷，并且当被占用时为中性。这些类似于施体的表面陷阱状态在2deg沟道的形成中被视为电子源。它们在带隙内可拥有广泛的离子化能量分布，并且由表面层中的氧化还原反应、悬空键和空位导致。在2deg沟道密度与离子化表面施体的数量之间始终存在一种平衡，这种平衡通过电荷中性以及界面处电场的连续性来控制。

因此，势垒层表面处的类似于施体的表面陷阱是沟道中2deg的最重要来源之一。然而，这仅适用于特定的势垒层厚度。在相对较薄的势垒层中，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会接近费米能级，直到与费米能级重合。对应于此类情形的势垒层厚度被定义为“临界”。在这个位置，填充表面陷阱状态的电子通过势垒中发现的强极化感应电场被拉向沟道以立即形成2deg。

如果表面陷阱状态完全耗尽，势垒层厚度的进一步增加将不会增大2deg密度。实际上，如果2deg沟道层无法使势垒层延展，则后者将仅会驰豫。在势垒层驰豫后，在缓冲层与势垒层之间的界面处形成许多晶体缺陷，并且压电极化立即消失，导致2deg密度退化。

为了例示伪传导电流的上述现象，现在参见图3。施体表面陷阱状态与algan隧道势垒之间的能量平衡导致在导带不连续时形成2deg(电荷中性与最低能级的组合)。如上所述，势垒层厚度的减小导致能量势垒增大。因此，对从表面到2deg的电子隧穿负责的可离子化的类似于施体的表面陷阱状态漂移至低于费米能级，从而最大程度降低对2deg沟道的电子供应。这个理论情形在图3中示出。因此，algan层从9nm到5nm的凹陷引起二维电子气的电导率极大地下降六个量级阶次。

因此，基于凹陷势垒层的2deg耗尽机制极大地依赖于类似于施体的表面陷阱状态(或总表面电荷)。随着势垒层的厚度减小，为耗尽2deg沟道而需要施加到势垒层表面的额外外部电荷减少。当2deg沟道大部分耗尽但仍由于能量势垒与施体表面陷阱状态能量的组合而具有高导电性时，存在一个临界(最小)势垒厚度。在该临界厚度处，即使表面的经由任何外部影响(例如，沿表面传播的声波)所致的最小能量偏移，也会立即引起非常强的2deg耗尽。因此，该临界厚度下的势垒层的表面对周围电场的任何最小的变化都极为敏感。

鉴于以上原因，可以总结出，势垒层从9nm向下至5nm的凹陷使2deg密度极大地降低，使传感器达到“近阈值”工作并导致表面电荷敏感度大幅提高。势垒层的对2deg沟道的伪导电行为负责的具体的5-9nm厚度让传感器具有极高的敏感度。

例如，将经历短暂等离子激活(60s)并且凹陷至6-7nm的具有22nmalgan生长层的异质结结构与algan势垒层凹陷至5-6nm且用等离子蚀刻450s的超薄生长的6-7nm异质结结构进行比较。如图4a和图4b所示，经发现，这两种结构之间的敏感度相差几乎10倍，以超薄生长的结构优胜。在图4a中，algan势垒层一开始不凹陷，但2-3nm的sin层(已知为“gan帽层”)破裂，且表面状态被离子化。图4b中的algan势垒层被立即向下凹陷至5-6nm并且随后用等离子蚀刻450s。

除凹陷或生长的势垒层厚度之外，势垒层表面的粗糙度是先前尚未公开的另一个非常重要的参数。已令人意外地发现，algan势垒层表面的低于0.2nm的粗糙度可防止分散类似于施体的表面陷阱状态。因此，这两个特征的组合：algan势垒层的5-9nm厚度以及其表面的大幅降低的粗糙度，使传感器非常敏感。

在一个实施方案中，图5a和图5b示出了本申请的pc-hemt配置的两个横截面视图(侧面和顶部)，该pc-hemt配置包括：

■由iii-v单晶或多晶半导体材料制成的多层异质结结构，所述结构包括一个缓冲层(11)和一个顶部势垒层(12)并沉积在衬底层(10)上；

■二维电子气(2deg)导电沟道(13)，其形成在所述缓冲层(11)与所述顶部势垒层(12)之间的界面处并在所述晶体管中源极和漏极欧姆触点(15)之间提供电子电流；

■源极和漏极欧姆触点(15)，所述触点连接到所述2deg导电沟道(13)并且连接到用于将所述晶体管连接到电路的电金属化层(14)；以及

■位于所述源极和漏极欧姆触点(15)之间的开栅区(17)；

其中：

(i)所述开栅区(17)中的所述势垒层(12)的厚度(d)在5-9nm的范围内，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，并且

(ii)所述势垒层(12)的表面的粗糙度为大约0.2nm或更少。

图5c中示意性地示出了与图5a和图5b所示相同的晶体管，但该晶体管进一步包括沉积在所述势垒层(12)之上的电介质层(16)。用于装置钝化的可选电介质层(16)由例如厚度为100-100-100nm的sio-sin-sio(“ono”)叠层或者具有相同厚度的sin-sio-sin(“non”)叠层制成。该电介质层(16)通过等离子增强化学气相沉积(pecvd)法(其为一种无应力沉积技术)来沉积在势垒层之上。

电金属化层(14)将pc-hemt连接到电路，并使电流能够在欧姆触点(15)之间流动。电金属化层(14)由金属叠层(诸如cr/au、ti/au、ti/w、cr/al和ti/al)制成。金属叠层的cr或ti层的厚度为例如5-10nm，而第二金属层(诸如au、w和al)的厚度为100-400nm。电金属化层根据特定洁净室制造设备处的所确定的技术和组装线来选择。在另一个实施方案中，源极和漏极欧姆触点(15)由厚度为15-50nm的金属叠层(诸如ti/al/mo/au、ti/al/ni/au、ti/au和ti/w)制成。

在另一个实施方案中，衬底层(10)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。异质结结构(11、12)例如通过金属有机物化学气相沉积(mocvd)法沉积在衬底层(10)上，并且紧靠缓冲层(11)与势垒层(12)之间的界面形成二维电子气(2deg)沟道(13)。势垒层(12)然后可作为薄层凹陷或生长在欧姆触点(15)之间，从而形成开栅区。

在另一方面，异质结结构可为三层结构，该三层结构由两个缓冲层和像三明治一样挤压在所述缓冲层之间的一个势垒层组成，其中顶层是缓冲层。这可引起在势垒层上方的顶部缓冲层中形成二维空穴气(2dhg)，从而导致晶体管相比上文所述的双层结构具有反转的极性。

一般来讲，iii-v氮化物半导体材料的极性极大地影响着基于这些半导体的晶体管的性能。纤维锌矿gan材料的质量可因其极性而异，因为杂质的包含和缺陷的形成与生长机制相关，生长机制继而又取决于表面极性。2deg/2dhg的出现以及基于氮化物的材料的异质结结构的光学特性受到由自发极化和压电极化导致的内部场效应影响。所有iii-v氮化物材料的装置都在极性{0001}表面上制作。因此，它们的特性取决于gan缓冲层是表现出ga面正极性还是n面负极性。因此，由于纤维锌矿gan材料的极性，任何gan层都具有两个拥有不同极性的表面，即，ga极性表面和n极性表面。ga极性表面在本文中被定义为终止于ga原子层的表面，每个所述ga原子具有一个与该表面垂直的未占用键。每个表面ga原子在远离该表面的方向上键合到三个n原子。相比之下，n极性表面被定义为终止于n原子层的表面，每个所述n原子具有一个与该表面垂直的未占用键。每个表面n原子也在远离该表面的方向上键合到三个ga原子。因此，n面极性结构具有与ga面极性结构相反的极性。

如上文对双层异质结结构的描述，势垒层始终放置在缓冲层之上。由此凹陷的层是势垒层，具体地讲，是algan层。因此，由于2deg用作导电沟道并且该导电沟道被定位得略低于势垒层(在gan缓冲层的较厚的区域中)，因此异质结结构沿{0001}方向生长，或者换言之，具有ga面极性。然而，如上所述，引起2deg形成的物理机制是algan/gan界面处的极化不连续性，这由极化感应的固定界面电荷的形成来反映，所述固定界面电荷吸引游离载荷子以形成二维载荷子气。正是algan/gan界面处的正极化电荷吸引电子以在略低于该界面的gan层中形成2deg。

如上所述，界面电荷的极性取决于异质结结构的晶格定向，即，ga面与n面的极性，以及取决于相应algan/gan界面在异质结结构中的位置(界面上方或下方)。因此，在本发明实施方案的异质结结构中可存在不同类型的累积载荷子。

对于三层异质结结构，有四种可能的配置：

ga面极性

1)ga面极性的特征在于在algan势垒层下方的gan层中形成有2deg。这实际上与上述的双层配置相同，但是增加了顶部gan层。在这种配置中，algan势垒层和两个gan缓冲层必须被非故意掺杂或n型掺杂。

2)在图6a所示的另一种ga面配置中，为了在该配置中algan势垒层上方的顶部gan层中形成包含二维空穴气(2dhg)的导电沟道，algan势垒层应被p型掺杂(例如，以mg或be为受体)，并且gan缓冲层也应使用mg或be进行p型掺杂或进行固有p型掺杂。

n面极性

3)n面极性的特征在于在algan势垒层上方的顶部gan层中形成有2deg，如图6b所示。在这种情况下，algan势垒层和两个gan缓冲层必须被非故意掺杂或n型掺杂。

4)最后一种配置假设2dhg导电沟道形成在algan势垒层下方的gan缓冲层中。在这种情况下，顶部gan层可存在(三层结构)或不存在(双层结构)。algan势垒层必须被p型掺杂(例如，以mg或be为受体)，并且底部gan层也应使用mg或be进行p型掺杂或进行固有p型掺杂。

因此，基于上述配置，有四种异质结三层结构被注入在本发明实施方案的晶体管中：

a.在algan势垒层下方的gan缓冲层中形成有2deg的ga面gan/algan/gan异质结构。在这种情况下，顶部gan层可省去以获得双层结构。对于三层结构，顶部gan层必须在开栅区中凹陷至1-9nm厚度，或者以该低厚度生长，具有低于0.2nm的粗糙度，并且algan势垒的厚度可在生长期间正确调节。

b.在algan势垒层上方的顶部gan层中形成有2dhg导电沟道的ga面gan/algan/gan异质结构。顶部gan层必须在开栅区中凹陷至5-9nm厚度，具有低于0.2nm的粗糙度，并且algan势垒层的厚度可正确调节。必须调节gan层和algan势垒层的p型掺杂浓度；必须接触2dhg(在理想情况下，由欧姆触点来接触)。

c.在algan势垒层上方的顶部gan层中具有2deg的n面gan/algan/gan异质结构。顶部gan层必须在开栅区中凹陷至5-9nm厚度，具有低于0.2nm的粗糙度。algan势垒的厚度可在生长期间调节。必须调节gan缓冲层和algan势垒层的n型掺杂水平；必须接触2deg(在理想情况下，由欧姆触点来接触)。

在algan势垒层下方的gan缓冲层中具有2dhg的n面gan/algan/gan异质结构。在这种情况下，顶部gan层可省去以获得双层结构。在双层配置和三层配置中，顶部gan层都必须在开栅区中凹陷至1-9nm厚度，具有低于0.2nm的粗糙度，并且algan势垒的厚度可正确调节。

在上述所有结构中，为了获得更好的限制(对于n面结构)，电介质层在顶部的沉积可能是有益的或者甚至必需的。如图6c所示，对于上述“c”结构，可能甚至更有益的是，在2deg沟道顶部包含具有高al含量的超薄(大约1nm)aln或algan势垒层以改善限制。

本发明实施方案的优选的结构是结构“b”和“c”。在结构“b”中，2dhg导电沟道形成在相比algan层具有更高化学稳定性(尤其是对于表面氧化)的顶部gan层中。对于结构“c”，2deg导电沟道可较靠近表面。因此，相比具有ga面极性的2deg结构，电子迁移率可能较低。一般来讲，异质结构的极性可通过对衬底的选择(例如，c面sic)或者通过生长条件来调节。

靠近缓冲层(11)与势垒层(12)之间的界面形成的2deg/2dhg沟道(13)构成晶体管的对表面电荷和电位做出反应的主敏感元件。2deg/2dhg沟道(13)因此被配置为与表面或近侧电荷的非常小的变化相互作用或与algan势垒层/液体或势垒层/金属/液体界面上的电场变化相互作用，所述电场变化与势垒层的类似于施体的表面陷阱状态相互作用。这将在下文详细定义和讨论。

以下描述和权利要求中所提及的术语“2deg”不应被理解或解释为局限于二维电子气。如上所述，二维空穴气也可以是特定异质结结构中可行的载流子。因此，在不参考任何具体的pc-hemt配置的情况下，术语“2deg”可等同地替代为术语“2dhg”。

本发明的pc-hemt结构的显著特征在于：

(i)algan势垒层(12)在开栅区中介于欧姆触点(15)之间的厚度(d)为5-9nm，优选地为6-7nm，更优选地为6.3nm，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，并且

(ii)该势垒层(12)在开栅区中的表面的粗糙度为0.2nm或更少，优选地为0.1nm或更少，更优选地为0.05nm。

pc-hemt的“开栅区”被定义为位于晶体管的源极和漏极欧姆触点之间的区域，该区域直接暴露于导电介质，诸如能够传导电流的液体或气体。导电液体的一个实例是电解液盐溶液。在这种情况下，经由浸入到电解液中的可选参比电极将参比电位施加到电解液-半导体系统，而不是使用通常施加到栅极电极的固定栅极电压。因此，在没有物理栅极的情况下，电解液自身变成晶体管的开栅。这将在下文更详细地说明。

开栅区中的algan势垒层(12)的具体厚度通过以下任一种方式来实现：干法蚀刻algan层(12)的半导体材料，即，以每1-2分钟1nm的蚀刻速率使用可控的工艺在开栅区中凹陷该层；或者为开栅区中的gan缓冲层(11)涂覆algan微晶材料的超薄层。为了提高晶体管的电荷敏感度，使用等离子(氯化物)epi蚀刻工艺对凹陷的超薄势垒层的表面进行后处理。因此，原生钝化的表面就通过等离子蚀刻激活，以形成未补偿(离子化)的表面能量键或状态，所述表面能量键或状态在mocvd生长后被中和。

在一个具体的实施方案中，传感器包括本发明的pc-hemt，或其阵列，所述pc-hemt或其阵列印制在柔性印刷电路板(pcb)上，并且每个所述pc-hemt经由其欧姆触点连接到其同样印制在所述pcb上的专用电接触线。然后将任何合适的电压源，诸如锂离子型电池，经由电路连接到所述电接触线以向所述晶体管供应电流。传感器的安装在所述pcb上的其他元件有：互补金属氧化物半导体(cmos)电流放大器，其连接到所述电压源以放大从所述晶体管获得的电流；模数转换器(adc)，其具有连接到所述电流放大器以将转换的信号输出到用户接口的内置数字量输入/输出卡；以及用于将传感器远程连接到用户接口的连接模块。

传感器的所有上述部件可位于晶体管外部或内部(即，内置到晶体管中)。本申请的原型传感器的每个pc-hemt现在制作在衬底上，衬底包含6英寸硅晶圆、gan缓冲层和超薄生长的algan势垒层，如上所述。该特定pc-hemt中使用的algan/gan异质结参数针对algan势垒层进行了如下优化：algan层之上的3.5nmsin帽层、6nmal0.25ga0.75n以及沉积在si晶圆衬底上的2μmgan层。使用该传感器进一步例证的所有测量都在所制作的样本上开展，在基于离子注入的2deg/2dhg图案化步骤之后不进行任何额外的表面处理。

由于本申请的基于pc-hemt的传感器在尺寸上非常小，并且应封装在小胶囊或药丸内以便在肠道或肠内部远程操作，因此它们必须具有非常小的功耗，从而节省电池寿命以延长使用。在这种情况下，传感器芯片的欧姆触点必须替代为将传感器电容性地连接到其电路的非欧姆高电阻触点。替代欧姆触点的非欧姆触点通过具有比2deg/2dhg沟道的电阻高3-4倍的电阻来有效限制流过2deg/2dhg沟道的电流，从而在不牺牲传感器的敏感度和功能性的情况下降低电力消耗。因此，非欧姆触点在本申请的传感器的一些实施方案中的使用是允许最大程度降低可吞服胶囊或药丸的功耗的硬件解决方案。

图7a示出了本发明的一个实施方案的开栅伪导电高电子迁移率晶体管(pc-hemt)的横截面视图，该晶体管包括：

■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(11)和至少一个势垒层(12)，所述层交替堆叠，并且所述结构沉积在衬底层(10)上；

■包含二维电子气(2deg)或二维空穴气(2dhg)的导电沟道(13)，该导电沟道形成在所述至少一个缓冲层(11)与所述至少一个势垒层(12)之间的界面处并在所述晶体管中提供电子或空穴电流；

■电金属化层(14)，其电容耦合到所述2deg/2dhg沟道(13)以用于感应出位移电流(19)，从而形成将所述晶体管连接到电路的源极和漏极非欧姆触点；以及

■位于所述源极和漏极非欧姆触点(19)之间的开栅区(17)；

其中：

(i)所述开栅区(17)中的所述势垒层(12)的厚度(d)在5-9nm的范围内，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，并且

(ii)所述势垒层(12)的表面的粗糙度为大约0.2nm或更少。

图7a上所示的pc-hemt可进一步包括厚度为1-10nm的电介质层(16)。该电介质层(16)如图7b示意性地示出那样沉积在势垒层(12)之上，并且其特性与上文针对具有欧姆触点的pc-hemt所述的电介质层相同。

“电容耦合”被定义为同一电路内或者不同电路之间通过由电路节点之间的现有电场感应出的位移电流产生的能量转移。一般来讲，欧姆触点是遵循欧姆定律的触点，这就意味着，流过它们的电流与电压成正比。然而，非欧姆触点不遵循欧姆定律的这个线性关系。换言之，流过非欧姆触点的电流不与电压成线性比例。相反，它提供梯度逐渐增大的陡曲线，因为在这种情况下，电阻随着电流增大而增大，从而导致非欧姆触点上的电压增大。这是因为，电子承载了更多能量，并且当它们与导电沟道中的原子碰撞时，它们会转移更多能量，从而形成新的高能量振动状态，进而使电阻和温度增加。

当在微晶半导体材料上面放置有电金属化层时，在金属与半导体之间会发生“肖特基接触”或“肖特基势垒接触”。在肖特基-莫特规则中考虑了这种接触的能量，该规则将金属与半导体之间的能量势垒预测为跟金属-真空功函数与半导体-真空电子亲和势之间的差成比例。然而，这是一种理想的理论行为，而在实践中，金属与半导体之间的大多数界面仅在一定程度上遵循此规则。半导体晶体与金属突然相接的边界在其带隙内形成新电子状态。由金属感应出的这些新电子状态及其布居将带隙的中心推向费米能级。这种因金属-半导体接触导致的使带隙的中心向费米能级偏移的现象被定义为“费米能级钉扎”，它因不同的半导体而异。如果费米能级在能量上远离带边缘，则将优选形成肖特基接触。然而，如果费米能级接近带边缘，则将优选形成欧姆接触。肖特基势垒接触是一种整流非欧姆接触，其在实践中几乎与半导体或金属功函数无关。

非欧姆接触允许电流仅在一个方向上流动，其具有看起来与二极管的电流-电压曲线相似的非线性电流-电压曲线。相反，欧姆接触允许电流在两个方向上在正常装置工作范围内以大致等同的方式流动，其具有与电阻器的电流-电压关系相近的几乎线性的电流-电压关系(因此称为“欧姆”)。

图7a和图7b示出了当2deg/2dhg沟道的晶体管的电连接经由通过肖特基势垒接触电容耦合到电金属化层来实现时的情形。只有在将足够高的ac频率(高于30khz)施加到金属化层的情况下，才可能发生这种耦合。电容耦合到2deg沟道的电金属化层利用了通过位移电流使能量转移的已知现象。电金属化层与在ac频率模式下工作的导电沟道之间的通过如上所述的肖特基接触产生的现有电场感应出这些位移电流。

现在参见图7c，其示意性地示出了本申请的一个实施方案的具有高掺杂源极区和漏极区的pc-hemt的横截面视图。在这种情况下，源极区和漏极区的高度掺杂可导致带边缘失配。然而，如果半导体的掺杂度足够高，则它将形成一电位势垒，该电位势垒足够低以致于能够传导电子从而具有穿过此势垒的高隧穿概率，从而将电流传导通过导电2deg沟道。

到图7c所示的2deg沟道的电连接使用叠加在2deg沟道上并且具有非常低的电阻的高掺杂半导体区(18)来实现。掺杂物离子，诸如硼(b+)、磷(p+)或砷(as+)，大体上由气体源形成，使得该源的纯度可以非常高。当注入到半导体中时，在退火后，每个掺杂物原子在半导体材料中形成电荷势垒。针对p型掺杂物形成空穴，并针对n型掺杂物形成电子，从而修改半导体附近的电导率。as+可用于n型掺杂，而b+和p+离子可用于p型掺杂。例如，对于algan/gan结构，硅结构的源极区和漏极区用b+或p+重掺杂以形成到2deg沟道的电连接。在这种情况下，硅层彼此之间具有非常低的结电阻，并且为了在2deg沟道中感应出电流，将金属化层放置在源极区和漏极区之上并连接到电路。

最大程度降低传感器功耗的第三选项将是，使用同样可在2deg沟道中感应出电流的光子效应。为了将光激励与2deg沟道中的电子效应相结合，应在硅层中形成光子效应。关于直接的光子效应，众所周知的是，只有在所吸收的光子的能量(被定义为e＝hv)足够大以致于电子能够被激励到价带中时，光才能被吸收。在这种情况下，h是普朗克(planck)常数，v是光子频率。该频率通过光的恒定速度结合到光的波长λ，c＝λν。通常，硅在室温下的带隙为1.12.ev，这就意味着，对于大于1240nm的波长(其为近红外范围)，硅会变得透明。

对于较小的波长(即，较大的光子能)，会产生电子/空穴对，从而导致产生光电流。在完全耗尽的固有掺杂硅结构中，这会导致较高的载荷子密度，并且因此导致较高的敏感度。对于这些结构，整个可见光范围内的光都被吸收，从而使得此类装置成为理想的光检测器。允许硅半导体变得对光辐射具有光敏性的机构在文献中已有描述。在直接的光子效应中，它可以通过尺寸、晶体方向和表面终止状态来调整。这些效应源于纳米级2deg结构中电子的二维量子限制。

尽管使用波长较大且光子能低于带隙的光对硅结构进行的辐照不具有足够的能量来将载荷子从块状硅中的价带激励到导带，但在价带与表面状态之间也可产生电子/空穴对，并且仍可形成类似于施体的表面陷阱状态(表面陷阱状态的定义和说明见下文)。电子实际上耗尽在表面处俘获的空穴，并且因此调制栅极电场。光生空穴被栅极电场限制在硅结构的中心，由于带弯曲，它们在此处增大2deg沟道的导电。空穴使沟道电导率在特定寿命期内增大，直至空穴被俘获(再次捕捉)在表面处。如果这个再俘获寿命期比空穴传导时间长得多，则晶体管的增益可以极大。

上文所述的pc-hemt配置可以可选地包括电光(eo)晶体材料，诸如铌酸锂(linbo3)或钽酸锂(litao3)。激励光束以400-600nm波长范围的偏振光辐照eo晶体，然后辐照基于pc-hemt的传感器。如上所述，pc-hemt也对激励光超敏感，从而在algan层中形成p-n对并且极大地影响2deg电导率。在pc-hemt的超敏感状态下，非常少量的光子即可使2deg沟道从常闭模式切换为常开模式，从而引起pc-hemt的强伪导电行为，进而使晶体管的敏感度提升至少三个量级阶次。

通过与身体电荷接触，eo晶体改变其吸光度。超敏感的pc-hemt因此能够解析传输穿过eo晶体的激励光的最小强度变化。由于pc-hemt从肠道和肠的液体环境中记录的信号相对缓慢，因此该晶体管能够感测并记录这些器官的所有动态。因此，使用根据一个实施方案的具有集成eo晶体的pc-hemt，能够将pc-hemt与源于人体的任何寄生电荷完全分离。根据光波长，传感器相对于入射光束的位置会改变。对于波长范围为大约700-1500nm的ir光，传感器应安装在胶囊内部垂直于从安装在同一胶囊中的光源发射的光束，以实现最高的敏感度。eo晶体的寄生充电经由附接到晶体的电极来补偿。此外，晶体管可与各种滤光器组合以实现特定的激励波长。

由于源极触点和漏极触点是非欧姆(电容耦合)的，因此为了电接触形成在金属化层下方大约5-20nm处的2deg沟道，应使用ac频率机制。如上所述，非欧姆金属触点与2deg沟道的电容耦合通常在高于30khz的频率下产生。在这种情况下，无法执行dc读出。相反，会对流过导电2deg沟道的电流执行ac读出或阻抗测量。

在另一个实施方案中，还可使用管理传感器的必要记录时间的软件算法和限制后台数据并且仅在需要时切换无线连接的电池省电模式，来最大程度降低装置的功耗。

上文所述的本发明的基于pc-hemt的传感器能够通过仅感测胶囊周围液体环境中的电荷分布来诊断肠道和肠症况。这些传感器可因此被定义为“荷敏传感器”。它们的传感机制在下文进行说明。

图8a至图8b示意性地示出了在传感器暴露于正电荷(图8a)和负电荷(图8b)期间的形成有双层的algan势垒层/液体界面、简化的等效界面电路和离子电动态。放入液体中时，任何表面电位都会导致在接触界面自然形成电化学双层，以在固态与离子导电液体之间保持电荷平衡。在图8a和图8b中，该双层与界面处的简化的等效电路一起被示意性地示出。该双层被大部分形成为在负离子空间电荷区域c2-r2与正离子空间电荷区域c3-r3之间具有1-3nm厚的清晰分隔，这导致二级空间电荷平衡区域c4-r4(10nm至1μm)和电荷梯度区域c5-r5在大块液中消失。当从固体和从液体没有更多电位偏移时，则在c1/r1-c5/r5元件拥有准恒定值的情况下保持电荷平衡。

在图8a和图8b中用矢量箭头示意性地示出了在电动态重排期间当外部电荷被引入到平衡的电解液中时的离子流。图8a示出了使用外部正电荷的电动态重排，而图8b示出了使用外部负电荷的电动态重排。当离子对施加在液体中的外部电场做出反应时，反映空间电荷的等效电路相应地变化。由于本发明的基于pc-hemt的传感器对任何表面电荷变化(cl/rl)都极为敏感，因此空间电荷区域中从c5/r5到c2/r2的梯度离子重排也能够调制2deg电导率。新平衡的动态和量级与液体电解液电导率、离子迁移率以及定义所得到的电解液电荷的外部电荷值成正比。一般来讲，由于朝着势垒层/电解液界面的出色的直接电荷转移，任何电解液都可极大增强传感器电荷响应。肠道和肠液体的离子与超薄势垒层的高度敏感的表面陷阱状态直接相互作用。

因此，当包含基于pc-hemt的“荷敏传感器”的胶囊被吞服并进入肠道和肠的离子导电液体时，液体离子开始通过其运动电动态地对任何外部电荷做出反应。通过直接接触到algan势垒层表面，电荷敏感性因此得到极大增强。肠道和肠液体在这种情况下充当完美地匹配到2deg换能器的虚拟液体天线。这些器官产生电荷，并且电荷的叠加偶极子被投影到已封装的传感器所浸没的液体天线。由于胶囊与肠道和肠液体物理接触，因此所检测到的信号急剧增大，因为肠道和肠内的电场被以极少的损失转移到液体中。

如上所述，在任何固态/电解液界面处，传感器的电容性和电阻性元件都形成源于表面陷阱状态与双层容量之间的相互作用的电化学表面电位，而2deg与表面陷阱状态之间的相互作用源于隧穿和静电。现已令人意外地发现，不需要pc-hemt传感器作为开栅场效应晶体管来工作，也能够调制algan势垒层/液体电解液系统内的表面电化学电位。

根据一个实施方案的集成在胶囊或药丸内部的基于pc-hemt的传感器的第二种类型是“压敏传感器”，这些传感器能够测量肠压力。这些传感器使用无支撑薄膜来产生质量加载效应。图9a示出了一个实施方案的具有无支撑薄膜的pc-hemt配置的横截面视图，该pc-hemt配置包括：

■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(11)和至少一个势垒层(12)，所述层交替堆叠，并且所述结构放置在无支撑薄膜(23)上；

■包含二维电子气(2deg)或二维空穴气(2dhg)的导电沟道(13)，该导电沟道形成在所述缓冲层(11)与所述势垒层(12)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；

■电金属化层(14)，其电容耦合到所述2deg或2dhg导电沟道(13)以用于感应出位移电流(19)，从而形成将所述晶体管连接到电路的源极和漏极非欧姆触点；以及

■位于所述源极和漏极非欧姆触点(19)之间的开栅区(17)；

其中：

(i)所述势垒层(12)的介于所述源极和漏极非欧姆触点之间的厚度(d)为大约5-9nm，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；并且

(ii)所述势垒层(12)的表面的粗糙度为大约0.2nm或更少。

使用具有无支撑薄膜的上述配置，能够通过将机械应力(质量加载效应)添加作为基于pc-hemt的传感器的额外参数来提高传感器的选择性。无支撑薄膜(23)是非常柔韧的无支撑衬底柱，所述衬底柱由蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或氮化铝组成，优选地由氮化镓组成，具有0.5-2μm的厚度。无支撑衬底薄膜对多层异质结结构的表面上的任何拉伸/压缩/机械应力变化非常敏感。这就导致质量加载效应，下文将对其加以讨论。

一般来讲，机械传感器，与压力传感器非常相似，基于对异质结构中外部产生的应变的测量。iii族氮化物(诸如氮化镓)的热电特性允许两种应变换能机制：压电式和压电电阻式。直接压电效应用于动态压力感测。对于测量静态压力，此类传感器不适合，因为在恒定条件下会发生电荷泄漏。对于静态工作，更优选压电电阻式换能。

以前已通过为高温工作使用六角形碳化硅块体材料，来采用使用宽带隙材料的压电电阻式传感器。gan和algan结构的压电电阻率堪比碳化硅；然而，它可以通过hemt结构进一步放大，如eickhoff等人(2001)所教导的那样。对于相对较低压力(或压力差)下的压电电阻式应变感测，应使用膜片或薄膜，其中外部压力被传递到因弯曲导致改变的内部应变中，如图9b所示。所得到的极化变化使受测量的2deg沟道电流改变。

eickhoff等人(2001)对2deg沟道限制在上gan层与algan势垒层之间的algan/gan异质结构开展了第一实验，并且显示了2deg沟道电阻率对所施加的应变的线性依赖关系。此外，与立方体sic层和单个algan层的直接比较明确显示后者具有出色的压电电阻特性。从这些结果中可清楚地看到，通过使用藉由2deg沟道限制的gan/algan异质结构，压电特性与压电电阻特性的相互作用改善了压力传感器的敏感度。

图9a和图9b示意性示出的传感器配置涉及压电耦合的对电荷和质量敏感的无支撑gan薄膜，所述薄膜(例如)根据美国专利8,313,968制备并且为同时实现精简和集成全电低功率感测激励提供了简炼且有效的解决方案。如上所述，gan兼具压电特性和热电特性，这些特性可在功能上组合。虽然压电允许实现集成耦合机制，但2deg额外提供了对机械应力和电荷的显著敏感度，从而允许传感器使用热电效应。2deg电导率的动态变化还由压电极化的变化导致。

图10a示意性地示出了用于肠道和肠的体内感测的自主胶囊或药丸的设计。如上文所详述的那样，有两种主要类型的以一个实施方案的pc-hemt为基础的传感器安装在该胶囊或药丸中：荷敏传感器(21)和压敏传感器(22)。此外，可将组合的荷敏-压敏传感器安装在胶囊内以增强工作性能。如图10a所示，这些基于pc-hemt的传感器与光源(23、24)一起集成在阵列中以刺激神经元活动，所述光源诸如为发光二极管(led)。因此，在本申请的一个具体方面，用于肠道和肠诊断的可吞服胶囊包括以下部件：

■根据一个实施方案的“荷敏”pc-hemt(21)(图5a至图5c以及图7a至图7c中示出)，或其阵列，所述pc-hemt或其阵列安装在柔性印刷电路板(pcb)上以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，其中每个所述pc-hemt经由其印制在所述pcb上的专用电接触线连接到微控制器(25)；

■至少一对光源(23、24)，所述光源安装在所述pcb上以用于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”pc-hemt(21)感测所述神经元活动；

■根据一个实施方案的“压敏”pc-hemt(22)(图9a中示出)，或其阵列，所述pc-hemt或其阵列安装在柔性印刷电路板(pcb)上以用于检测肠压力变化，其中每个所述pc-hemt经由其印制在所述pcb上的专用电接触线连接到微控制器(25)；

■微控制器(25)，其具有数模(dac)和模数(adc)转换器以用于记录和处理从所述“荷敏”pc-hemt(21)和所述“压敏”pc-hemt(22)接收的信号；

■电池单元(26)，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；以及

■用于将所述可吞服胶囊的所述部件包裹起来的圆柱形且透光的外壳，其中所述外壳由离子渗透型生物兼容薄膜(20)制成。

在另一个具体的实施方案中，如图10b所示的用于肠道和肠诊断的可吞服胶囊包括以下部件：

■根据一个实施方案的“荷敏”pc-hemt(21)(图5a至图5c以及图7a至图7c中示出)，或其阵列，所述pc-hemt或其阵列安装在柔性印刷电路板(pcb)上以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，其中每个所述pc-hemt经由其印制在所述pcb上的专用电接触线连接到数模(dac)转换器(25)；

■至少一对光源(23、24)，所述光源安装在所述pcb上以用于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”pc-hemt(21)感测所述神经元活动；

■根据一个实施方案的“压敏”pc-hemt(22)(图9a中示出)，或其阵列，所述pc-hemt或其阵列安装在柔性印刷电路板(pcb)上以用于检测肠压力变化，其中每个所述pc-hemt经由其印制在所述pcb上的专用电接触线连接到数模(dac)转换器(25)；

■数模(dac)转换器(25)，其用于将从所述“荷敏”pc-hemt(21)和所述“压敏”pc-hemt(22)接收的ac信号转换成dc信号；

■模数(adc)转换器(27)，其用于处理从dac转换器(25)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；

■用于将所述数字信号无线地传输到所述接收器单元的至少一对天线(28)；以及

■用于将所述可吞服胶囊的所述部件包裹起来的圆柱形且透光的外壳，其中所述外壳由离子渗透型生物兼容薄膜(20)制成。

因此，上述配置中的dac转换器(25)连同adc转换器(27)和至少两个天线(28)构成数字nfc零功率模块。在另一个实施方案中，图10c所示的用于肠道和肠诊断的可吞服胶囊包括以下部件：

■根据一个实施方案的“荷敏”pc-hemt(21)(图5a至图5c以及图7a至图7c中示出)，或其阵列，所述pc-hemt或其阵列安装在柔性印刷电路板(pcb)上以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，其中每个所述pc-hemt经由其印制在所述pcb上的专用电接触线由电池(26)供电；

■至少一对光源(23、24)，所述光源安装在所述pcb上以用于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”pc-hemt(21)感测所述神经元活动；

■根据一个实施方案的“压敏”pc-hemt(22)(图9a中示出)，或其阵列，所述pc-hemt或其阵列安装在柔性印刷电路板(pcb)上以用于检测肠压力变化，其中每个所述pc-hemt经由其印制在所述pcb上的专用电接触线由电池(26)供电；

■电池单元(26)，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；

■模数(adc)转换器(27)，其用于处理由所述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便将所述数字信号传输到接收器单元；

■用于将所述数字信号无线地传输到所述接收器单元的至少一对天线(28)；以及

■用于将所述可吞服胶囊的所述部件包裹起来的圆柱形且透光的外壳，其中所述外壳由离子渗透型生物兼容薄膜(20)制成。

上述胶囊配置基本上构成一个实施方案的胶囊的电池供电数字nfc无线配置。因此，在以上全部三个配置中，经编码的数字信号用于唤醒胶囊发起数据传输，其被内部记录并且/或者作为实际数据加以记录。pc-hemt内部的电流调制被adc转换成数字代码并进一步发送到计数器单元，诸如智能手机、卡片手机、智能手表或任何其他类似的支持nfc的装置。接收器单元也可以是台式计算机、服务器、远程存储设备、互联网存储设备或远程医学云。

在一个具体的实施方案中，“荷敏”pc-hemt(21)可暴露于液体周围环境(与肠道或肠液体具有开放式接触)，或者可用薄离子渗透型生物兼容薄膜(20)覆盖。

设置在无支撑薄膜上的压敏pc-hemt(22)使用放置在晶体管的腔体内部的多孔膜帽来保护。如图11示意性地示出那样，具有无支撑薄膜的压敏或荷敏-压敏pc-hemt对导致液体压力发生小局部μ变异(在仅数帕斯卡的范围内)的肠组织的任何物理运动做出反应。由于这些pc-hemt的热电无支撑薄膜的显著的超高压力敏感度，在每秒大约1帧(fps)的快速感测模式下，可解析此类小变化。在这种情况下，沿肠快速变化的压力梯度将被记录。

现在参见图12，其示意性地说明了荷敏pc-hemt(21)的操作。由于它们具有大得多的机械稳健性以及完全的生物兼容性，因此不必采取额外的保护，并且它们能够暴露于肠道和肠液体。这些pc-hemt(21)正在检测由神经元信号传递或肌肉蠕动组织运动产生的肠组织电位的最细微变化。如图12所示，肠壁组织通过局部神经元信号传递或肌肉蠕动而极化。因此，除单点电荷感测能力之外，这些荷敏pc-hemt还能够检测差分信号，但前提是这些pc-hemt中任两者之间的电位差在胶囊内测量。

如图13所示，胶囊随着肠的蠕动泵送运动沿整个肠道和肠自然移动。同一胶囊内的不同pc-hemt以不同方式暴露于肠壁组织电荷以及它们的神经元信号传递，从而沿整个肠映射功能性神经蠕动活动。为了与肠神经元细胞相互作用并激活这些细胞，胶囊包含至少一对发光二极管(led)，所述发光二极管以不同的波长(例如黄光和蓝光)辐照肠。不同的波长可有效刺激肠壁上较高的神经元电位。

在另一个实施方案中，pc-hemt的表面可用不同的生物标记功能化，从而使得能够通过跟踪表观遗传(营养遗传)变化来基于肠组织的光遗传活动探究肠组织。

在另一个实施方案中，用于胃肠道诊断和肠动力监测的方法包括以下步骤：

1)将实施方案的可吞服胶囊引入到患者的未改性的胃肠道中；

2)使用荷敏晶体管和压敏晶体管随时间推移记录从患者的胃肠道接收的电信号，所述电信号为所述晶体管的源-漏电流形式(被定义为ids动态)；

3)处理所述信号并将其转换成数字信号；

4)将所述数字信号无线地传输到接收器单元；以及

5)在接收器单元中处理所传输的信号，将所述ids动态与蠕动组织循环相关联，并且获取神经蠕动活动谱，从而提供有关肠动力和胃肠道症况的医疗信息。

在一些实施方案中，所述神经蠕动活动谱和相应的医疗信息进一步以ids动态的视觉、图形或数学表示的形式或任何其他可读形式显示。在一个具体的实施方案中，将所述数字信号无线地传输到接收器单元的步骤由零功率数字nfc模块或由电池供电数字nfc模块执行。

实例

小鼠的肠肿瘤诊断

结肠、小肠和胃部内的致癌性肿瘤和恶性瘤导致蠕动和神经元信号传递功能失调。因此，可以使用本申请的一些实施方案的pc-hemt传感器来对它们进行单点诊断。使用本申请的原型传感器对小鼠肠进行了一系列测量，以证实基于胶囊的肠诊断的可行性。这些实验包括在针对可能导致增生的不同药物(诸如利多卡因、硝苯吡啶、尼古丁和谷氨酸酯)进行肠动脉输入控制的情况下对小鼠的经手术处理的肠进行测量。

如图14所示，将从小鼠提取的肠放置在培养皿中的营养液中，该培养皿在内部具有进药口。将pc-hemt传感器放入装有水且经由针连接到肠的烧杯中。将针插入培养皿中并靠近肠，以非侵入方式接触肠。将ag/agcl参比电极放入同一烧杯中并靠近传感器。使用1-20hz带通滤波器执行读出。图15示意性地示出了这种传感器布置。

图16a示出了在不供应药物的情况下小鼠肠的单点非侵入式测量的结果，而图16b示出了在供应药物的情况下相同测量的结果。药物导致类似于致癌作用的功能失调。在不供应药物的情况下进行的测量显示健康的蠕动组织循环，指示健康的神经蠕动活动。然而，一旦将药物供应到培养皿中，测量便显示无形状的局部肠颤动，指示类似于致癌的神经蠕动活动功能失调。

图17a示出了在不添加药物的情况下使用pc-hemt传感器从小鼠的肠记录的傅里叶谱。图17b示出了在添加硝苯吡啶和利多卡因以使肌肉和神经元活动去激活的情况下得到的相同傅里叶谱。在使用药物的情况下和不使用药物的情况下得到的谱的差异是显而易见的。

虽然本文示出并描述了本申请的某些特征，但对于本领域的普通技术人员而言，许多修改、替代、更改和等效形式将显而易见。因此，应当理解，随附的权利要求意在涵盖属于本申请的真实精神范围内的所有此类修改和更改。