用于化学检测和(生物)分子诊断的表面声波RFID传感器的制作方法
一般来讲，本申请涉及基于表面声波(saw)换能器的电子传感器领域。具体地讲，本申请涉及基于gan/algan的零功率sawrfid传感器及其在化学检测和(生物)分子诊断中的应用。
背景技术：
化学感测可能是生命进化中出现的最原始的感觉形式。没有化学感测，地球上可能就不会存在生命。其用于检测营养物、避免威胁、寻找配偶以及动物之间各种形式的沟通和社交。
人工传感器的出现在化学检测和识别领域产生了大量问题，其应用于食品质量和污染控制、化学威胁检测、健康监测、机器人控制，甚至气味和味道合成。需要有效的算法来解决化学感测在这些领域所面临的许多挑战，包括(但不限于)灵敏度水平、传感器漂移、分析物标识的浓度不变性和复杂混合物。
例如，包括生物威胁因素在内的生物病原体是繁殖和维持种群的活的生物体，其扩增、生长和再感染，从而导致疫情。生物病原体代表了极其多样的微生物，除了感染人类和动物种群之外，它们似乎没有共同的属性。因此，问题是在入侵的最早阶段和最低浓度时检测和识别它们。
在dna测序之前，最高分辨率技术仅提供在蛋白质和肽水平上的结构作为分析和测定的目标。许多沿用已久的方案要求检测病原体的大小和形状，同时通过生化和免疫化学测定检测表达的蛋白质。dna测序技术的进步使得全世界的科学家能够快速有效地对完整的微生物基因组进行测序。最近，获取整个微生物基因组的dna序列为在分子水平上分析和理解病原体提供了新的机会。现代dna测序技术能够检测生物组织中的病原体，并且研究响应于病原体入侵的基因表达变化。这些响应有助于设计病原微生物检测和药物开发的新方法。将某些病原微生物识别为引起慢性疾病的病原体产生了对这些疾病的新的治疗和预防策略。
大多数用于病原体检测的现代化学传感器基于以下方面：dna的基于序列的识别、对病原体或病原体生物标记物的结构识别、或基于细胞的功能。然而，病原体生物标记物的选择在用于检测生物病原体的传感器的开发中带来了严重的挑战。这是因为大多数病原体生物标记物具有低选择性，并且能够区分微生物的一般类别，但是不能识别生物体的特定物种或品种。例如，吡啶二羧酸钙是内生孢子的独特组分。因此，吡啶二羧酸可用于表明内生孢子的存在，但其不能区分非常危险的炭疽芽孢杆菌(bacillusanthracis)孢子和其他无毒的芽孢杆菌(bacillus)孢子。dna作为附加指示物的存在将能够确定未知物质本质上是生物性的，但不能确定其来源(除非使用广泛的基于序列的分析)。此外，细胞代谢物通常对许多不同的细胞类型都很常见，因此很难用于区分特定微生物。鉴于上述情况，长期以来一直需要新的方法和装置来检测和识别生物病原体。
使用超灵敏和高选择性微电子传感器进行生物病原体检测是尚未开发的领域。导致这种情况的原因很多。检测多种病原体生物标记物的传感器阵列由于其低选择性而产生大量假警报。传感器阵列的概念已成功用于蒸气分析领域。在这种方法中，传感器阵列的每个特定传感器被设计成响应于蒸气的不同性质，随后通过统计方法从阵列的所有传感器生成的响应的指纹中具体识别特定蒸气。然而，由于每种病原体物种携带独特的dna或rna特征，使其与其他生物体区别开来，因此这种方法不能有效地用于病原体检测。换句话讲，阵列的每个传感器响应于病原体的不同性质(生物标记物)。因此，这种方法需要良好表征和已经识别的背景信号来确定将构成阳性信号的指纹。
实时感测的理想解决方案将是生物有机体的导致即时、特定和可重复识别的任何特定响应。然而，如上所述，在为所有这三个标准提供实时响应的传感器的开发中存在相当大的技术和实际困难。免疫测定技术可能会给出类似的特定分析。然而，除了响应时间长之外，其缺点是需要特殊的化学消耗品，这大大增加了物流负担和成本。这些可能会使每小时的运营成本增加数百美元。
光学技术本质上导致实时(生物)化学检测。基于这些技术的传感器已经用于军事和民防相当长的时间。然而，光学传感器的共同缺点是特异性低。传感器最多只能提供一般的检测能力，因为目标颗粒与良性、天然存在背景的光学相似性使得它们难以区分。存在一些目前使用的生物体检测策略。大多数代表了特异性、速度和成本之间的折衷。
定量聚合酶链式反应(qpcr)能够在30分钟内扩增和检测来自单个生物体细胞的dna样品。了解病原体核酸序列使得构建用于病原体检测的寡核苷酸成为可能。这些寡核苷酸是目前市场上许多高度特异性分析测试的基础。
基于微阵列的检测可以将强大的核酸扩增策略与微阵列技术的大规模筛选能力相结合，从而产生高水平的灵敏度、特异性和通量。除了前面提到的说明之外，为下游微阵列应用执行大量pcr反应的成本和组织复杂性使得这种选择可行但不具吸引力。这种限制严重降低了该技术的实用性，并且阻碍了下游应用的持续发展。
综上所述，准确可靠地识别病原体及其对应疾病的问题是当今生物体检测能力的最薄弱环节。针对新的分子检测技术开展了大量研究，这些技术可用于非常准确地检测现场应急人员所关注的病原体。其中包括在环境、法医和军事应用中对用于生物病原体检测的超灵敏和高选择性传感器的需求。特异性(准确)检测的益处包括通过减少对劳动力和国民经济的破坏并且通过改进正确保护对策的实施，每年节省数百万美元。
上述关于生物病原体检测的所有内容也涉及其他化学和生物化合物的检测，这些化合物可能构成威胁或者具有需要进行检测的医学原因。实例有很多并且可包括爆炸物、毒素、dna、蛋白质等。
表面声波(saw)传感器在化学和生物分子感测的许多领域中发挥着重要作用。一般来讲，表面声波是沿着某种(压电)材料的表面传播的声波。其由叉指换能器(idt)电极(或“指状物”)生成，叉指换能器电极是沉积在压电材料上的特殊周期性金属棒。当施加周期等于idt电极的周期的任何正弦波时，在idt电极下方发生机械振动，从而生成声波，该声波垂直于idt棒的几何形状。该声波在压电材料的表面上沿两个方向远离idt电极传播。
idt生成的声波局限在表面区中，并且只穿透块体压电材料到达波长深度区。这就是saw在表面具有非常高的能量密度的原因，也就有了“表面声波”的名称。saw在压电材料中的传播速度比常规电磁波慢约105倍。因此，压电材料中的saw波长比电磁波的波长小105倍，使得基于saw的传感器是非常紧凑的装置。
saw传感器的制造需要在压电材料上沉积或蚀刻金属idt，并且其使用允许大规模制造的cmos工艺技术。
可影响压电材料表面状况的因素包括压力、温度、湿度和质量负载。因此，saw传感器可以用作压力、温度、湿度传感器，以及能够检测表面质量变化或电场改变的传感器。mems-cmos技术有助于saw传感器及其数据处理电路的集成。如果对某种化学或生物目标分子敏感的化学或(生物)分子层沉积在saw传感器的延迟线区域，则其允许该特定的化学或生物目标分子或分析物与敏感层反应，并因此结合在延迟线区域。因此，通常观察到质量变化和/或电场变化，且可以检测目标化学或生物分子(分析物)的密度，并且进一步与其浓度相关。因此，saw传感器可以用作(生物)化学分子感测装置，这是本申请的主题。
专门设计的saw传感器也可以在无源模式下使用，而不需要电池。可以将rfid天线添加到输入idt电极，然后由天线接收的信号可以激励用于感测的saw，如前所述。这些是使用rfid标签的零功率saw传感器。超高灵敏度、紧凑的特性、易于制造和无线操作使得这些传感器对于(生物)化学检测和生物分子诊断非常有吸引力。
penza等人(1998)(m.penza，e.milella，v.i.anisimkin，“monitoringofnh3gasbylbpolypyrrole-basedsawsensor”(通过基于lb聚吡咯的saw传感器监测nh3气体)，sensorsandactuatorsb:chemical(传感器与执行器b辑：化学)，1998，47(1-3)，第218页)描述了一种基于saw的传感器，该传感器通过在saw表面沉积聚吡咯膜作为气体吸附层，在室温下对诸如nh3、co、ch4、h2和o2的气体表现出高灵敏度和高选择性。
lim等人(2011)(c.lim，w.wang，s.yang，“developmentofsaw-basedmulti-gassensorforsimultaneousdetectionofco2andno2”(用于同时检测co2和no2的基于saw的多气体传感器的发展)，sensorsandactuatorsb:chemical(传感器与执行器b辑：化学)，2011，154(1)，第9页)公开了一种反射延迟线saw传感器，其可以同时测量co2、no2和温度。通过利用saw传感器中的零功率技术，无需电池即可操作传感器，并且可以同时执行no2、co2和温度的感测。
raj等人(2013)(v.b.raj，h.singh，a.t.nimal，“oxidethinfilms(zno,teo2,sno2andtio2)basedsurfaceacousticwave(saw)e-noseforthedetectionofchemicalwarfareagents”(用于检测化学战剂的基于氧化物薄膜(zno、teo2、sno2和tio2)的表面声波(saw)电子鼻)，sensorsandactuatorsb:chemical(传感器与执行器b辑：化学)，2013，178，第636页)建议使用基于saw的传感器检测化学战剂，其中沉积zno、teo2、sno2和tio2用于分别检测甲基膦酸二甲酯、二丁基硫醚、氯乙基苯基硫醚和氯磷酸二乙酯。
cai等人(2105)(h.l.cai，y.yang，x.chen，“athird-ordermodehighfrequencybiosensorwithatomicresolution”(具有原子分辨率的三阶模式高频生物传感器)，biosensorsandbioelectronics(生物传感器与生物电子学)，2015，71，第261页)描述了用于检测dna序列和细胞的基于saw的传感器。将探针dna和目标dna附接在表面上，并且测量saw谐振器的所得频率变化。
zhang等人(2015)(f.zhang，s.li，k.cao，“amicrofluidiclove-wavebiosensingdeviceforpsadetectionbasedonanaptamerbeaconprobe”(一种基于适体信标探针的用于psa检测的微流体勒夫波生物感测装置)，sensors(传感器)，2015，15(6)，第13839页)公开了一种前列腺特异性抗原(psa)传感器。在该传感器中，将具有铝idt的钽酸锂(litao3)涂上二氧化硅波导层，然后沉积用于psa附着的金感测层。随后，使用pdms制造微流体沟道以确保液体可以在idt之间流动。
技术实现要素：
本申请描述了基于二维电子气(2deg)或二维空穴气(2dhg)导电结构和表面声波(saw)换能器的组合的微电子传感器或传感器芯片的实施方案。在一些实施方案中，该传感器可以包含可在其上沉积多层异质结结构的压电衬底。该异质结结构可包括至少两层即缓冲层和阻挡层，其中两层均由iii-v单晶或多晶半导体材料生长。转换表面声波的叉指换能器(idt)可以安装在阻挡层的顶部。
包括二维电子气(2deg)或二维空穴气(2dhg)的导电沟道形成在缓冲层和阻挡层之间的界面处，并且可以在源极和漏极之间的系统中提供电子或空穴电流。在特定实施方案中，该异质结结构可以是三层结构，其由两个缓冲层和像夹层一样挤压在所述缓冲层之间的一个阻挡层组成。这可能导致在阻挡层上方的顶部缓冲层中形成二维空穴气(2dhg)，这导致结构的极性反转。任选的电介质层可以沉积在异质结结构的顶部上。由于顶层凹陷或生长到特定厚度，因此在源极和漏极区域之间形成2deg/2dhg的开放栅极区域。
idt可以由gan/algan半导体材料以及由将idt转变成2deg/2dhg导电结构的金属制成。在特定实施方案中，压电衬底可任选地置于gan/algan自支撑薄膜上，从而产生saw-fbar(薄膜体声波谐振器)构型，以实现超灵敏度。在另外的特定实施方案中，传感器可以基于暴露于被测介质的常规硅压电衬底。在传感器表面发生任何化学或(生物)分子结合事件的情况下，压电gan/algan叠堆将受到应力或者甚至变形，从而改变saw传播参数。这是因为saw结构内的压电极化效应导致idt接收器上的s21传递参数的变化。
源极和漏极非欧姆(即电容耦合)触点被连接到2deg/2dhg沟道和电金属化层，后者置于传感器的顶部并将其连接到传感器的电路。由于源极和漏极接触是非欧姆的，因此不能执行dc读出。为了与下面的2deg/2dhg沟道(在金属化层以下大约5至20nm处)电接触，必须使用ac频率模式。换句话讲，应该在这种特定情况下执行流过2deg/2dhg沟道的电流的ac读出或阻抗测量。非欧姆金属接触与2deg/2dhg沟道的电容耦合通常在高于30khz的频率下感应。
在由gan/algan生长的衬底的特定情况下，通过实验并且令人惊讶地发现，当源极和漏极接触之间的开放栅极区域中的顶部凹陷层(gan缓冲层或algan阻挡层)的厚度为5至9nm，优选6至7nm，更优选6.2至6.4nm时，传感器达到最高灵敏度。该凹陷层厚度对应于2deg/2dhg导电沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围。另外，源极和漏极接触之间的开放栅极区域内的顶部凹陷层的表面粗糙度为约0.2nm或更小的粗糙度，优选0.1nm或更小，更优选0.05nm。因此，在一些实施方案中，压电衬底的重要特征是：
(i)源极和漏极接触之间的开放栅极区域中的顶部凹陷层(gan缓冲层或algan阻挡层)的厚度为5至9nm，优选为6至7nm，更优选为6.2至6.4nm，其对应于2deg/2dhg导电沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围；
(ii)源极和漏极接触之间的开放栅极区域中的顶部凹陷层的表面粗糙度为约0.2nm或更小，优选0.1nm或更小，更优选0.05nm；以及
(iii)在idt之间的saw路径区域中或在2deg/2dhg沟道区域内的压电衬底表面涂覆有用于感测的化学或(生物)分子层。
此外，在一些实施方案中，本申请提供了基于gan/algan异质结构的零功率sawrfid传感器，及其在(生物)化学检测和(生物)分子诊断中的用途。在另一个实施方案中，传感器是零功率传感器，其通过rf能量远程供电并且经由正交频率编码(ofc)方法进行rfid编码。
各种实施方案可实现各种有益效果，并且可以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。所描述的技术的其他特征、目标和优点从具体实施方式和附图以及权利要求中将是显而易见的。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，将更全面地理解和认识所公开的实施方案。这里包括和描述的附图是示意性的，而不限制本公开的范围。还需注意，在附图中，一些元件的尺寸可能被夸大，并因此出于说明的目的，没有按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定对应于实施本公开的实际缩小尺寸。
图1示意性地示出了三种不同偏置条件下的量子阱：
图1a：正栅极电位(+vg)远高于阈值电压(vt)，
图1b：0v栅极电位，以及
图1c：负栅极电位(-vg)低于阈值电压(vt)。
图2示意性地示出了在gan/alganhemt的2deg沟道内部感应的源极-漏极电流(电荷载流子密度)对在开放栅极区域中凹陷的algan阻挡层的厚度的依赖性。
图3示出了在导带中断处形成2deg(电荷中性结合最低能级)背后的理论。
图4a示出了正常生长然后凹陷到6至7nm的22-nmalgan阻挡层的随时间变化的电阻曲线。
图4b示出了生长到6至7nm然后向下凹陷到5至6nm的超薄algan阻挡层的随时间变化的电阻曲线。
图5a示意性地示出了ga面三层algan/ganpc-hemt结构中2deg和2dhg导电沟道的形成。
图5b示意性地示出了n面三层algan/ganpc-hemt结构中2deg和2dhg导电沟道的形成。
图6示意性地示出了具有超薄al(gan)n层的n面三层algan/ganpc-hemt结构中的2deg导电沟道的形成，用于改善的限制。
图7a示意性地示出了基于输入叉指换能器(idt)的saw装置。
图7b示意性地示出了idt及其特性参数：长度(l)、宽度(w)和声波波长(λ)。
图7c示出了作为idt的数量和频率(f)的函数的saw的带宽(b)，其中f0是中心频率。
图8示意性地示出了在gan/algan异质结构上具有2degidt的实施方案的sawrfid传感器。
图9示意性地示出了实施方案的传感器的基本拓扑，其中蓝线被分配给金属结构诸如金属idt，浅绿线代表2deg/2dhg结构，深绿线示出了类pc-hemt结构，橙色带示意性地示出了用于感测的(生物)分子特定层，并且黄色区域代表algan/gan衬底。
图10示意性地示出了实施方案的另一基本拓扑2deg-saw传感器构型。金属条(示出为蓝色)置于saw传播路径内的两侧(正和负saw充电位置)。
图11示意性地示出了实施方案的传感器的另一种构型，其中反射saw衰减(和调制)元件具有与saw的不同相互作用，并且提供特殊的正交频率编码rfid图案。在该构型中，添加了若干个相同或不同的(生物)分子层。
图12示意性地示出了在传感器的一侧(图中左侧)上具有发射器/接收器idt的实施方案的传感器构型，其部分地由类pc-hemt结构制成。
图13示意性地示出了具有经由欧姆接触连接到大型类pc-hemt结构的信号部分idt电极(指状物)的实施方案的传感器构型。
图14示意性地示出了实施方案的另一基本拓扑2deg-saw传感器构型。在左侧，类pc-hemt结构包含伪导电2deg结构和非凹陷2deg结构，以保持最小saws21稳定性。
图15示意性地示出了实施方案的2deg-saw传感器的又一种构型。在这种构型中，用于信号和接地电荷的曲折天线部分经由所示布局顶部和底部的寄生2deg线彼此反向短接而分开。
图16示意性地示出了2deg-saw传感器的又一种构型。在这种最简单的构型中，伪导电2deg区域覆盖所有发射器-接收器idt区域。
图17a至图17c示意性地示出了具有自支撑薄膜的实施方案的传感器构型。
图18示出了使用具有两个对称idt结构(指状物)的标准构型的基于2deg的saw谐振器的光刻布局掩模。
图19示出了经由剥离和/或离子铣削图案化技术制造的saw谐振器的若干种不同idt布局的sem图像。
图20示出了图18至图19的所制造的saw谐振器在具有未结构化2deg(具有去除dire的si衬底)的自支撑algan/gan薄膜上的显微镜图像。
图21示出了对于具有700nm距离的idt指状物，在1280mhz的saw谐振频率下，通过使用矢量网络分析仪的实施方案的传感器测得的实验s21传递参数。
图22示出了来自图21的s21传递参数(红色)，该参数用实施方案的基于2deg的saw谐振传感器测得，其中具有700nmidt指状物宽度。
图23示意性地示出了在与saw相互作用的不同2deg沟道中的电子速度差异和2deg电子密度的时间分辨变化的原理。
图24示意性地示出了具有远程读出的用于分子诊断的实施方案的零功率sawrfid传感器。
图25示意性地示出了具有远程读出的用于分子诊断的实施方案的光电传感器。
具体实施方式
在以下说明中，将描述本申请的各个方面。出于解释的目的，阐述了具体构型和细节，以便提供对本申请的充分理解。然而，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在没有本文提出的具体细节的情况下实践本申请。此外，可以省略或简化公知的特征，以免混淆本申请。
在权利要求中使用的术语“包括”是“开放式的”并且表示所列举的元件，或者它们在结构或功能上的等同物，以及未列举的任何其他元件。不应将其解释为限于随后所列的装置；不排除其他元件或步骤。应该被解释为如所涉及的那样指定所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤或部件，或者它们的组。因此，表述“包括x和z的装置”的范围不应限于仅由部件x和z组成的装置。另外，表述“包括步骤x和z的方法”的范围不应限于仅由这些步骤组成的方法。
除非特别说明，否则如本文所用，术语“约”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的两个标准偏差内。在一个实施方案中，术语“约”是指在使用该术语的数字的所报告数值的10％以内，优选在所报告数值的5％以内。例如，术语“约”可以立即理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％以内。在其他实施方案中，术语“约”可以表示更高的变异公差，具体取决于例如所用的实验技术。指定值的所述变异是本领域技术人员可理解的并且在本发明的范围内。作为例示，“约1至约5”的数值范围应被解释为不仅包括明确列举的约1至约5的值，而且还包括该指定范围内的各个值和子范围。因此，该数值范围包括各个值，诸如2、3和4；以及子范围，例如1-3、2-4和3-5；以及单独的1、2、3、4、5或6。同样的原理还适用于仅将一个数值列举为最小值或最大值的范围。除非从上下文另有说明，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。其他类似的术语诸如“基本上”、“大致”、“高达”等等应被视为对术语或值进行修饰，使其不是绝对的。此类术语将由环境和它们所修饰的术语来定义，因为本领域技术人员理解这些术语。这至少包括用于测量某个值的给定实验、技术或仪器的预期实验误差、技术误差和仪器误差的程度。
如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任意和所有组合。除非另外定义，否则本文所用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。应当进一步理解，诸如在常用词典中定义的那些术语应被解释为具有与其在说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且除非本文明确定义，否则不应以理想化或过于正式的含义解释。为简洁和/或清楚起见，可能未详细描述众所周知的功能或构造。
应当理解，当一个元件被称为“在...之上”、“附接到”、“连接到”、“耦合到”、“接触”等另一个元件时，它可以直接处于另一元件之上，附接到、连接到、耦合到或接触该另一元件，或者也可存在中间元件。相反，当一个元件被称为例如“直接在...上”、“直接附接到”、“直接连接到”、“直接耦合到”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应当理解，对与另一特征“相邻”设置的结构或特征的引用可具有与相邻特征重叠或位于相邻特征之下的部分。
极化掺杂的高电子迁移率晶体管(hemt)是场效应晶体管(fet)，其中两层不同的带隙和极化场在彼此之上生长，从而形成异质结结构。在一个方面，本申请的传感器包含压电衬底，该压电衬底包括类hemt多层异质结结构。该结构基本上基于至少两层iii-v半导体材料诸如氮化镓(gan)和氮化铝镓(algan)。由于极化场的中断，在异质结结构的层之间的界面处产生表面电荷。如果感应的表面电荷为正，则电子将倾向于补偿导致沟道形成的感应电荷。由于沟道电子被限制在层间界面处的无限窄空间区域中的量子阱中，因此这些电子被称为二维电子气(2deg)。量子阱中沟道电子的这种特殊限制实际上赋予了它们二维特征，这大大提高了它们的迁移率，超过了电子在其中流动的材料的块体迁移率。
图1a至图1c示意性地示出了在三种不同偏置条件下的量子阱，这些条件从比阈值电压(vt)高得多的正栅极电位(vg)开始，下降到0v栅极电位，并且进一步下降到低于阈值电压的负值。vt定义为在gan层和algan层之间的界面处填充电子所需的电压，从而产生2deg沟道的导电性。由于2deg沟道电子占据低于费米能级的能级，因此当vg>>vt时(图1a)，量子阱中的费米能级位于若干个能级之上。这使得沟道电子的数量很大，从而实现高导电率。在这种情况下，2deg沟道导通。然而，当vg降低到0v时(图1b)，费米能级也相对于量子阱下降。因此，填充少得多的电子能级，并且2deg沟道电子的量显著减少。当vg远小于vt时(图1c)，所有电子能级均高于费米能级，并且栅极下方没有2deg电子。这种情况称为“沟道耗尽”，并且沟道关断。
许多基于iii-v半导体材料层的可商购获得的hemt具有负vt值，导致在0v栅极电位下的“常开”操作模式。它们被称为“耗尽型”半导体晶体管，并且当必须在栅极上施加负电压以阻断电流时，将其用于各种功率开关应用中。然而，要在高电压或高功率密度下安全操作，为了降低电路复杂性并消除待机功耗，优选具有“常闭”特性的晶体管。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、通信器材和汽车。为了控制2deg沟道中电子的密度并接通和断开hemt，通常调节晶体管栅极处的电压。
已经报道了几种制造常闭半导体结构的技术。burnham等人(2010)提出了凹陷栅极型的常闭结构。在该结构中，蚀刻algan阻挡层并使栅极更靠近algan阻挡层和gan缓冲层之间的界面。当栅极接近层之间的界面时，vt增加。因此，一旦耗尽区到达界面并且在零栅极电压下耗尽2deg沟道，就实现2deg导电沟道的常闭操作。这些结构的主要优点是相对较低的功耗、较低的噪声和较简单的驱动电路。它们目前用于例如微波和毫米波通信、成像和雷达。
chang等人(2009)提出使用非常薄的algan阻挡层代替蚀刻相对厚的阻挡层以接近algan/gan界面。该结构还通过朝向algan/gan界面接近栅极实现2deg沟道的常闭操作。chen等人(2010)提出使用氟基等离子体处理方法。尽管许多公布采用了各种方法来实现对漏极电流影响最小的常闭装置，但不幸的是，它们牺牲了装置的导通性能。
图2示出了源极-漏极电流(电荷载流子密度)对凹陷阻挡层厚度的依赖性。从图中可以看出，具有大于9nm的阻挡层厚度的结构形成常开2deg沟道。在此类结构中，由于iii-v材料中存在固有的极化效应，在阻挡层界面的顶部和底部感应电荷薄片。因此，在阻挡层中感应出高电场，并且顶部界面处的表面施主态开始贡献电子以在异质结界面附近形成2deg沟道而不施加栅极偏置。因此，这些结构构成常开装置。另一方面，具有低于约5nm的阻挡层厚度的结构构成常闭装置。
本申请描述了基于二维电子气(2deg)或二维空穴气(2dhg)结构和表面声波(saw)换能器的组合的微电子传感器或传感器芯片的实施方案。在一些实施方案中，传感器可包含可在其上沉积多层异质结结构的压电衬底。该异质结结构可包括至少两层即缓冲层和阻挡层，其中两层均由上述iii-v单晶或多晶半导体材料生长。转换表面声波的叉指换能器(idt)可以安装在阻挡层的顶部。
在一些实施方案中，本申请的多层异质结结构可以由任何可用的iii-v单晶或多晶半导体材料生长，诸如gan/algan、gan/aln、gan/inn、gan/inaln、inn/inaln、gan/inalgan、gaas/algaas和laalo3/srtio3。在由gan/algan生长的衬底的特定情况下，通过实验发现，当源极和漏极接触之间的开放栅极区域中的顶部凹陷层(gan缓冲层或algan阻挡层)的厚度为5至9nm，优选6至7nm，更优选6.2至6.4nm时，传感器达到最高灵敏度。另外，还发现当顶部凹陷层的表面粗糙度为约0.2nm或更小，优选0.1nm或更小，更优选0.05nm时，传感器表现出最高灵敏度。
因此，必须优化在开放栅极区域中凹陷或生长到5至9nm的顶层，以显著增强传感器的灵敏度。令人惊讶地发现，阻挡层的该特定厚度对应于2deg沟道的常开和常闭操作模式之间的“伪导电”电流范围，并且需要进一步说明。
2deg沟道的“伪接触”(区别于常通)电流范围被定义为沟道在其常开和常闭操作模式之间的操作范围。“陷阱状态”是半导体的带隙中的状态，其陷阱载流子直到其重新结合。“表面状态”是由于由一些晶体缺陷、位错或杂质的存在引起的表面张力而由局部晶体的表面重建引起的状态。这种表面重建通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其能级在带隙内部的相对位置。具有高于费米能级的能量的表面陷阱状态是类受主的，在被占用时获得负电荷。然而，具有低于费米能级的能量的表面陷阱状态是类施主的，当为空时带正电并且当被占用时不带电荷。这些类施主的表面陷阱状态被认为是形成2deg沟道的电子源。它们可能在带隙内具有广泛的电离能量分布，并且是由表面层中的氧化还原反应、悬空键和空位引起的。在2deg沟道密度和电离表面施主的数量之间总是存在平衡，其由电荷中性和界面处电场的连续性控制。
因此，阻挡层表面上的类施主的表面陷阱是沟道中2deg的最重要来源之一。然而，这仅适用于特定的阻挡层厚度。在相对薄的阻挡层中，表面陷阱状态低于费米能级。然而，随着阻挡层厚度增加，表面陷阱状态的能量接近费米能量，直到与其重合。对应于这种情况的阻挡层的厚度被定义为“临界”厚度。此时，填充表面陷阱状态的电子被势垒中发现的强极化感应电场拉向沟道，立即形成2deg。
如果表面陷阱状态完全耗尽，则阻挡层厚度的进一步增加将不会增加2deg密度。实际上，如果2deg沟道层不能拉伸阻挡层，则后者将简单地松弛。在阻挡层松弛时，在缓冲层和阻挡层之间的界面处产生许多晶体缺陷，并且压电极化立即消失，导致2deg密度的劣化。
为了说明伪导电电流的上述现象，现在参考图2和图3。如上所述，图2示出了源极-漏极电流(电荷载流子密度)对凹陷algan阻挡层厚度的依赖性。施主表面陷阱状态和algan隧道势垒之间的能量平衡导致导带中断处的2deg形成(电荷中性结合最低能级)。如上所述，阻挡层厚度的减小导致能量势垒的增加。因此，负责电子从表面隧穿到2deg的可电离类施主表面陷阱状态漂移到费米能级以下，从而最小化向2deg沟道的电子供给。这种理论情况在图3中进一步示出。因此，algan层从9nm到5nm的凹陷导致二维电子气的电导率大幅下降6个数量级。
因此，基于使阻挡层凹陷的2deg耗尽机制强烈地依赖于类施主表面陷阱状态(或总表面电荷)。随着阻挡层的厚度减小，需要较少的额外外部电荷施加到阻挡层表面以耗尽2deg沟道。当2deg沟道大部分耗尽但由于能量势垒和施主表面陷阱状态能量的结合仍具有高导电性时，存在临界(最小)势垒厚度。在该临界厚度，即使是表面上经由任何外部影响(例如沿表面传播的声波)的最小能量偏移，也会立即导致非常强的2deg耗尽。因此，在该临界厚度处的阻挡层表面对周围环境的电场的任何最小变化极其敏感。
因此，阻挡层从9nm到5nm的凹陷显著降低了2deg密度，使传感器达到“接近阈值”操作并导致高度增加的表面电荷灵敏度。导致2deg沟道伪导电行为的阻挡层的特定5至9nm厚度赋予传感器极佳的灵敏度。
另外，具有22nm生长的algan层、经受短等离子体活化(60s)并且凹陷到6至7nm的异质结结构与具有凹陷到5至6nm并用等离子体蚀刻450s的algan阻挡层的超薄生长的6至7nm异质结结构进行比较。在第一种情况下，algan阻挡层最初没有凹陷，而是2到3nmsin层(称为“gan盖层”)破裂并且表面状态电离。第二种情况的algan阻挡层向下凹陷至6.3nm并用等离子体蚀刻450s。如图4a和图4b所示，发现两种结构之间的灵敏度差异几乎是103倍，有利于凹陷结构。
除了凹陷或生长的顶部阻挡层厚度之外，阻挡层表面的粗糙度是另一个之前未公开的非常重要的参数。令人惊讶地发现，algan阻挡层表面的粗糙度低于0.2nm防止了类施主表面陷阱状态的分散。因此，这两个特征的组合：5至9nm的algan阻挡层厚度以及大幅减小其表面粗糙度使传感器异常敏感。
在另外的方面，异质结结构可以是三层结构，其由两个缓冲层和像夹层一样挤压在所述缓冲层之间的一个阻挡层组成，其中顶层是缓冲层。这可能导致在阻挡层上方的顶部缓冲层中形成二维空穴气(2dhg)，与上面讨论的两层结构相比，这导致晶体管的极性反转。
一般来讲，iii-v族氮化物半导体材料的极性强烈地影响基于这些半导体的晶体管的性能。纤锌矿gan材料的质量可以根据其极性而变化，因为杂质的掺入和缺陷的形成两者都与生长机制有关，而生长机制又取决于表面极性。2deg/2dhg的出现和氮化物基材料的异质结结构的光学性质受到由自发和压电极化引起的内部场效应的影响。所有iii-v族氮化物材料中的装置都在极性{0001}表面上制造。因此，它们的特性取决于gan层呈现ga面正极性还是n面负极性。换句话讲，由于纤锌矿gan材料极性，任何gan层具有两个具有不同极性的表面，ga极性表面和n极性表面。ga极性表面在本文中定义为终止于ga原子层的表面，每个ga原子层具有垂直于该表面的一个未占据的键。每个表面ga原子在远离表面的方向上与三个n原子键合。相反，n极性表面定义为终止于n原子层的表面，每个n原子层具有垂直于该表面的一个未占据的键。每个表面n原子在远离表面的方向上与三个ga原子键合。因此，n面极性结构具有与ga面极性结构相反的极性。
如上所述，对于两层异质结结构，阻挡层总是位于缓冲层的顶部。因此凹陷的层是阻挡层，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位于阻挡层的稍下方(在gan缓冲层的较厚区域中)，因此异质结结构沿{0001}方向生长，或者换句话讲，具有ga面极性。然而，如上所述，导致形成2deg的物理机制是algan/gan界面处的极化中断，这由极化诱导的固定界面电荷的形成所反映，该电荷吸引自由载流子以形成二维载流子气。正是algan/gan界面处的正极化电荷吸引电子以在该界面稍下方的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取向，即ga面对n面极性，以及异质结结构中相应algan/gan界面的位置(界面上方或下方)。因此，在实施方案的异质结结构中可以存在不同类型的累积载流子。
在三层异质结结构的情况下，存在四种可能的构型：
ga面极性
1)ga面极性的特征在于在algan阻挡层下方的gan层中形成2deg。这实际上是与上述相同的两层构型，但添加了顶部gan层。在该构型中，algan阻挡层和两个gan缓冲层必须是名义上未掺杂或n型掺杂的。
2)在图5a所示的另一种ga面构型中，为了在该构型中的algan阻挡层上方的顶部gan层中形成包括二维空穴气(2dhg)的导电沟道，algan阻挡层应该是p型掺杂的(例如，以mg或be作为受主)，并且gan缓冲层也应该是掺杂有mg、be的p型掺杂的或本征的。
n面极性
3)n面极性的特征在于在algan阻挡层上方的顶部gan层中形成2deg，如图5b所示。在这种情况下，algan阻挡层和两个gan缓冲层必须是名义上未掺杂或n型掺杂的。
4)最后的构型假设2dhg导电沟道形成在algan阻挡层下方的缓冲gan层中。在这种情况下，顶部gan层可以存在(三层结构)或不存在(两层结构)。algan阻挡层必须是p型掺杂的(例如，mg或be作为受主)，并且底部gan层也应该是掺杂有mg、be的p型掺杂的或本征的。
因此，基于以上构型，在实施方案的晶体管中实现了四个异质结三层结构：
a.ga面gan/algan/gan异质结构，其中在algan阻挡层下方的gan缓冲层中形成2deg。在这种情况下，可以省略顶部gan层以获得两层结构。对于三层结构，顶部gan层必须在开放栅极区域中凹陷至1至9nm厚度或者以这种低厚度生长，粗糙度低于0.2nm，并且可以在生成期间适当地调节algan势垒的厚度。
b.ga面gan/algan/gan异质结构，其中在algan阻挡层上方的顶部gan层中形成2dhg导电沟道。顶部gan层必须在开放栅极区域中凹陷至5至9nm厚度，粗糙度低于0.2nm，并且可以适当地调节algan阻挡层的厚度。必须调节gan层和algan势垒的p型掺杂浓度；必须接触2dhg(在理想情况下通过欧姆接触)。
c.n面gan/algan/gan异质结构，其中在algan阻挡层上方的顶部gan层中具有2deg。顶部gan层必须在开放栅极区域中凹陷至5至9nm厚度，粗糙度低于0.2nm。可以在生长期间调节algan势垒的厚度。必须调节gan缓冲层和algan阻挡层的n型掺杂水平；必须接触2deg(在理想情况下通过欧姆接触)。
d.n面gan/algan/gan异质结构，其中在algan阻挡层下方的gan缓冲层中具有2dhg。在这种情况下，可以省略顶部gan层以获得两层结构。在两层和三层构型两者中，顶部gan层必须在开放栅极区域中凹陷至1至9nm厚度，粗糙度低于0.2nm，并且可以适当地调节algan势垒的厚度。
在所有上述结构中，在顶部沉积电介质层对于获得更好的限制可能是有益的或者甚至是必要的(如在n面结构的情况下)。如图6所示，对于上述“c”结构，在2deg沟道顶部包括具有高al含量的超薄(约1nm)aln或algan阻挡层以改善限制甚至更有利。
实施方案的优选结构是结构“b”和“c”。在结构“b”中，2dhg导电沟道形成在顶部gan层中，该层具有比algan层更高的化学稳定性(特别是朝向表面氧化)。关于结构“c”，2deg导电沟道可能更接近表面。因此，电子迁移率可能低于具有ga面极性的2deg结构。一般来讲，可以通过选择衬底(例如，c面sic)或生长条件调节异质结构的极性。
本申请的传感器的另一个重要特征是异质结结构与2deg或2dhg沟道的电连接是通过肖特基势垒接触经由与电金属化层的电容耦合实现的。“电容耦合”被定义为通过由电路/节点之间的现有电场感应的位移电流在同一电路内或不同电路之间的能量传递。一般来讲，欧姆接触是遵循欧姆定律的接触，表示流经它们的电流与电压成正比。然而，非欧姆接触不遵循欧姆定律的相同线性关系。换句话讲，通过非欧姆接触的电流与电压不成线性比例。相反，其给出了具有增加梯度的陡峭曲线，因为在这种情况下，电阻随着电流的增加而增加，从而导致非欧姆接触两端的电压增加。这是因为电子携带更多能量，当它们与导电沟道中的原子碰撞时，它们传递更多能量，从而产生新的高能振动状态，从而增加电阻和温度。
当电金属化层置于单晶或多晶半导体材料上时，发生金属和半导体之间的“肖特基接触”或“肖特基势垒接触”。肖特基-莫特定律涵盖了这种接触的能量，该定律预测金属和半导体之间的能量势垒与金属-真空功函数和半导体-真空电子亲和势只差成正比。然而，这是一种理想的理论行为，而实际上金属和半导体之间的大多数界面只在一定程度上遵循这一定律。由金属突然打断的半导体晶体的边界在其带隙内产生新的电子态。这些由金属诱导的新电子态及其占据将带隙的中心推向费米能级。由于金属-半导体接触而将带隙中心移动到费米能级的这种现象被定义为“费米能级钉扎”，这在不同半导体之间是不同的。如果费米能级在能量上远离能带边缘，则优选形成肖特基接触。然而，如果费米能级接近能带边缘，则优选形成欧姆接触。肖特基势垒接触是整流非欧姆接触，其实际上几乎与半导体或金属功函数无关。
因此，非欧姆接触允许电流仅在一个方向上流动，具有看起来像二极管的非线性电流-电压曲线。相反，欧姆接触允许电流在正常装置操作范围内沿两个方向大致相等地流动，具有接近电阻器的几乎线性的电流-电压关系(因此称为“欧姆”)。
由于源极和漏极接触是非欧姆的(即电容耦合的)，因此不能执行dc读出。为与下面的2deg/2dhg沟道(在金属化层以下大约5至20nm处)电接触，必须使用ac频率模式。换句话讲，应该在这种特定情况下执行流过2deg/2dhg沟道的电流的ac读出或阻抗测量。只有当高于30khz的足够高的ac频率施加到金属化层时，非欧姆金属接触与2deg/2dhg沟道的电容耦合才变得可能。综上所述，电容耦合到2deg/2dhg沟道的电金属化层利用了通过位移电流进行能量传递的已知现象。如上所述，这些位移电流是由电金属化层和以ac频率模式操作的2deg/2dhg导电沟道之间的现有电场通过肖特基接触感应的。
表面声波(saw)谐振器是基于表面声波调制的一类mems。saw谐振器的检测机制利用了由于传播路径特性的变化而引起的沿衬底传播的saw的振幅、速度或相位的变化。一般来讲，saw的能量通常集中在厚度小于其波长的1.5倍的表面区域。因此，saw谐振器对其环境极其敏感。
一般来讲，用于检测工业气体产品、化学战剂、神经毒气和其他毒剂的基于saw的分子、生物分子和气体传感器对于传统工业、国防工业、安全和环境监管非常重要。压电微量天平或saw谐振器可用于例如电子化学鼻中的空气感测。神经网络型模式识别方法可以结合到设计中，以提供早期预警分子、生物分子和气体传感器系统，这些系统可以内置在移动车辆、移动装置和可穿戴设备中，用于检测液体介质和外部空气中的一系列化学和生物化学物质。
如上所述，saw谐振器已经成功用作气体、温度、湿度、粘度和压力传感器。通过在saw谐振器表面上使用特殊的化学和生物化学涂层，可以检测各种化学品、气体和生物材料。
由于利用了基于gan的装置诸如led和hemt的成熟技术，结合短的工艺顺序(与普通硅基mems相比)，saw传感器不仅相对便宜、灵敏且可靠，而且它们也不需要针对某些操作的dc电源，这使它们成为自主应用的理想选择。
基于叉指换能器(idt)的saw传感器的原理如图7a至图7c所示。saw传感器的制造包括材料选择、图案化、切割、功能化和最终封装。saw传感器由压电材料制成，通常为石英。其依赖于两个idt——一个用于发射，另一个用于检测从压电衬底的一端传播到另一端的波。在gan/algan衬底上制造的一对idt用作信号的输入和输出端口。每个换能器由多对光刻图案化限定的指状物构成，并且每个指状物只有几微米宽。
saw对微小的质量变化非常敏感，并且能够检测少至100pg/cm2的分析物，这对应于小于0.01单层碳的灵敏度。声波的速度和衰减是由saw装置中表面质量的变化引起的。同时测量这两个性质有助于确定传感器响应的性质和原因。一般来讲，saw传感器是通过选择所需的操作频率和带宽设计的。
saw可以表示为复值γ＝α+iβ，其中给定或计算的衰减常数α和传播常数β＝2π/λ是saw传感器的重要设计参数(λ是声波长)。另一个重要的设计参数是机电耦合系数k2，其是将所施加的微波信号转换成机械能的效率的量度。这些参数将确定观察到的saw相速度变化的幅度和saw强度的衰减。
如图7b至图7c所示，可以通过适当选择叉指指状物间隔d选择saw传感器的操作频率f0，使得f0＝v/d，其中v是特定衬底中的波传播速度。因此，设计的saw传感器的尺寸取决于所选择的操作频率，该尺寸可以从1至10ghz的微米变化到khz至mhz操作的毫米。在ghz范围操作的saw传感器可以很容易地设计，并且可以与rf、各种mmic以及微带电路轻松集成，用于低功率无线遥感。声波的带宽由b＝ν/2nd给出，其中n是叉指指状物的数量，如图7b中所示。
上述基于gan/algan的系统几乎是saw传感器的理想材料，因为它们具有约4000m/s的高saw传播速度、高机电耦合系数及其与rf电子集成的兼容性。这些材料还表现出优异的耐湿性和耐化学蚀刻性。上述gan/algan异质结构表现出很强的压电效应，并且利用质量累积对saw传播的影响，已用于制造超灵敏saw微量天平。gan/algan衬底的高机电耦合系数(k2eff＝0.001-0.002)结合低声学损耗和saw高速，使其能够用于高频和各种低损耗rf应用。因此，可以设计在高至10ghz范围操作的基于gan/algan的saw谐振器和传感器并将其集成到任何无线遥感应用中。
因此，使用gan/algan异质结构作为saw传感器的压电衬底将导致检测极限的显著提高和高选择性。如上所述，这是2deg/2dhg对任何近侧表面电荷的灵敏度和高质量灵敏度的结果。因此，gan/algan异质结构和肖特基二极管可以与saw传感器集成，以创建具有低声学损耗、低损耗rf性能和高频率的相当独特的谐振saw调谐装置。gan/algan结构中和saw传播路径中的2deg/2dhg与横向电场相互作用，导致欧姆损耗，这衰减和减慢saw。该机制可用于调节saw传播速度。
然而，为了将2deg/2dhg与saw相结合以获得最大传感效果，必须考虑一些物理方面。2deg/2dhg与saw的实际功能组合要求完全或部分去除、耗尽或适当图案化声波传播区域中量子阱沟道中的2deg/2dhg。导电2deg/2dhg沟道中的高电荷电导率可以屏蔽电场并且降低idt中的声电转换。
金属idt引入固有的质量负载效应和三次行程干扰(tti)，降低了信噪比。在传统saw传感器中，金属idt下方的平均saw传播速度将从自由表面值降低，并且由于金属idt的信号反射，将导致其中心频率降低，并且带通上的振幅和相位波动增大。
可以通过使用基于类pc-hemt结构的idt指状物克服上述问题，同时还增加传感器灵敏度。在这种情况下，具有平面2deg/2dhgidt的saw装置的rf特性几乎等于使用具有肖特基接触的金属idt的那些。此外，当使用基于2deg/2dhg的换能器而非金属idt时，抑制了所得的质量负载效应和tti。另外，saw传感器或谐振器的检测区域可以恰好位于平面2deg/2dhgidt的顶部，而不是位于idt之间的单独saw传播区域中。图8示意性地示出了在gan/algan异质结构的顶部上具有这种2deg/2dhgidt的传感器。
一般来讲，当金属idt置于半导体材料上时，如上所述(关于非欧姆接触)，在金属和半导体之间形成肖特基接触。考虑到基于2deg/2dhg的saw装置中的电荷灵敏度机制，可以添加在谐振中心频率或在其他谐振模式下操作的其他电荷敏感的2deg/2dhg区域。这些附加的图案化2deg/2dhg区域将通过其电荷选通进一步增强主saw传感器中的谐振变化。通过研究不同谐振模式的不同信号形状，可以引入选择性感测。
除了电荷敏感的2deg/2dhgidt之外，其他基于2deg/2dhg导电沟道的功能性元件诸如2deg/2dhg肖特基二极管和2deg/2dhg平面非对称二极管、纳米线和高电子迁移率晶体管可以置于以谐振滤波器模式操作的输入和输出idt之间并与其相连，如图8所示。这种功能性元件的电特性由于声电转换而被调制，声电转换是时间相关的(与idt同步)。这导致saw谐振的最小电损耗和指定的信号形状。通过静电场选通例如通过在表面上发生的氧化还原过程，该谐振saw滤波器模式容易受到影响(频率、振幅)。
因此，由于其压电性质，algan/gan异质结结构可用作自支撑algan/gan薄膜上的saw传感器。众所周知，saw传感器对发射器和接收器指状电极或idt之间的saw传播路径中的表面电荷非常敏感。另外，saw传感器在谐振频率下具有非常高的q因子。此外，saw传感器可以容易地由具有对应频率的rf场供电，该rf场具有基于曲折结构的天线。saw传感器通过使用正交频率编码提供固有rfid集成。另一方面，基于2deg/2dhg的传感器通过2deg/2dhg密度电荷响应性增加短暂近场声电效应，然后急剧增加对近侧电荷的灵敏度。
图9示意性地示出了一个实施方案的传感器的功能基本拓扑。2deg/2dhg-saw传感器拓扑的目的是在不牺牲传感器稳定性的情况下实现saw换能器s21传递参数的最大影响。图9中的蓝线被分配给idt金属结构(100)，浅绿色带显示常开或常闭类hemt结构(101)，深绿色带显示类pc-hemt结构(102)，其实际上是凹陷至5至9nm厚度以实现伪导电效应的2deg/2dhg结构，黄色区域(103)代表gan/algan压电衬底，并且橙色带(104)示意性地示出了用于感测的(生物)分子特定层。
因此，在一个方面，本申请的sawrfid传感器芯片包括：
压电衬底(103)，所述衬底包括压电层以及多层异质结结构，所述结构由iii-v单晶或多晶半导体层制成，沉积在所述压电层上并且包括至少一个缓冲层和至少一个阻挡层，所述层交替堆叠；
至少一对安装在所述压电衬底(103)上的金属叉指换能器(idt)(100)，用于接收射频(rf)输入信号，将所述输入信号转换成表面声波(saw)，沿着所述压电衬底(103)的表面传播所述表面声波并将所述传播的表面声波转换成输出rf信号；
沉积在所述压电衬底(103)上的至少一个常开或常闭的类hemt结构(101)，用于在所述缓冲层和所述阻挡层之间的界面处的所述异质结结构中形成常开或常闭2deg或2dhg导电沟道；
沉积在所述压电衬底(103)上的至少一个类pc-hemt状结构(102)，用于在所述缓冲层和所述阻挡层之间的界面处的所述异质结结构中形成伪导电2deg或2dhg沟道；
固定在传播saw路径内的所述压电衬底(103)上的至少一个(生物)分子层(104)，用于感测目标(分析物)化合物或(生物)分子；以及
电容耦合到所述idt(100)并且耦合到所述类hemt结构(101)和/或类pc-hemt结构(102)的电金属化层(图中未示出)，用于感应位移电流，从而产生非欧姆源极和漏极接触，用于将所述传感器芯片连接到电路。
(生物)分子特定层(104)允许结合或吸附例如气体分子然后对其进行检测。该(生物)分子层可以进一步提高基于pc-hemt的传感器的灵敏度和选择性。(生物)分子层可以由聚合物、氧化还原活性分子(诸如酞菁)、金属有机骨架(诸如金属卟啉，例如氯化血红素)、生物分子(例如受体、抗体、dna、适体或蛋白质)、水分子等制成，例如形成水蒸气层(诸如边界表面水层)、氧化物、半导电层或催化金属层。(生物)分子层(104)可以固定在2deg/2dhg结构表面的一部分上或基本上固定在2deg/2dhg区域或类pc-hemt区域的整个表面上，以进一步提高传感器检测目标分子或分析物的灵敏度。
一般来讲，(生物)化学特定层(104)可以是吸附环境中存在的所选化学品的任何涂层。随着saw在压电衬底上从一个idt电极传播到另一个，吸附在涂层上的分子的存在改变saw的速度和衰减。这些变化的测量可用于指示环境中特定化合物的特性和浓度。通过使用具有选择性吸附性质的涂层，可以开发出能够检测气相和液相环境两者的特定(生物)化学物种的传感器。通常，使用经过化学改性以提供所需吸附特性的耐用氧化物基涂层。这些涂层可选择性地从溶液中吸附离子物种，用于监测电镀过程或废物流的毒性金属诸如铬、镉或铅的应用。
吸附各种化学品的聚合物涂层非常适合监测严格管制的臭氧消耗型氯化烃。同时测量波速和衰减可用于识别化合物及其浓度。实施方案的saw传感器的应用之一是有机磷酸盐的选择性检测，有机磷酸盐是化学战剂的常见种类。这些化学品的检测是由自组装单层的薄膜构成的活性化学层(104)完成的。这些膜对传感器压电衬底的灵敏度使传感器免受水蒸气和普通有机溶剂的干扰，同时提供十亿分之一有机磷酸盐浓度的灵敏度。因此，具有适当涂层的此类传感器的阵列可用于检测化学武器的生产。
实施方案的传感器的另一个应用是环境毒性化合物和毒素的化学检测和分析，诸如食物毒素(例如黄曲霉毒素)、神经毒性化合物(例如铅、甲醇、谷氨酸锰、氧化氮、肉毒杆菌毒素、破伤风毒素或河豚毒素)、贝类中毒毒素(例如蛤蚌毒素或微囊藻毒素)、双酚a、氧苯酮和丁基化羟基苯甲醚。一般来讲，毒性化合物的化学检测和分析可用于确定这些化合物在排放样品(毒性化合物在暴露于人体前掺入所述排放样品中，例如工业废液中)、传输介质(例如，空气、废水、土壤、皮肤、血液或尿液)以及在人体暴露点例如饮用水中的水平或活性。感测排放样品、传输介质和人体暴露点可能是被设计用于检测毒性化合物、对其进行分析并对毒性化合物的排放进行控制以减少危害的综合方案所必需的。对于给定的毒性分析物，实施方案的化学传感器在灵敏度、选择性或其他特性方面将是不同的，这可能是监测排放样品、传输介质和个体暴露所需的。排放样品中的毒性化合物浓度通常大于在传输介质中扩散后的浓度，并且变化非常大。分析物及其直接环境的物理和化学性质(空气中的蒸气，包含在固体或液体气溶胶中，化学或光化学反应，以及分解成具有不同毒性、放射性、离子性、酸性或亲脂性的化合物)也影响到实施方案的传感器的合适构型设计。
实施方案的传感器的又一个应用是爆炸物的化学检测。一般来讲，利用实施方案的传感器可以检测大范围的爆炸物。散装爆炸物和痕量爆炸物之间存在区别。在痕量爆炸物的情况下，传感器能够检测爆炸化学品的蒸气，从而检测直接从环境中的爆炸材料或从已经收集并随后在实验室分析仪器内蒸发的爆炸材料颗粒中释放的痕量。实施方案的传感器既可以通过直接取样含有痕量爆炸性蒸气的空气进行操作，也可以通过蒸发通过刮擦被爆炸颗粒污染的表面收集的样品进行操作。
除了简单地能够检测爆炸材料之外，实施方案的传感器还能够识别和量化爆炸物。一般来讲，用作机场安全措施的传感器将具有除军事任务期间将在现场使用的传感器之外的其他要求。因此，传感器的构型可以根据具体应用而变化。对通量有着不同的要求，并且由于军事环境中背景水平的提高，对动态范围也存在着不同要求。此外，与实验室或机场中的固定传感器相比，用于检测和分析爆炸物的军用传感器应该是便携式的。另一个考虑因素是检测和识别之间的差异。在一些情况下，将使用装置感测是否存在某种爆炸材料，而在其他情况下，还需要确定其是哪种爆炸化合物。此外，考虑一种装置必须能够检测或识别多少种不同的化合物或化合物组可能很重要。下面描述的不同传感器构型满足不同类型传感器的上述要求。
除了检测爆炸化合物本身之外，实施方案的传感器还可以用于检测可以指示存在爆炸材料的其他材料。这些“其他”材料实际上是倾向于当存在爆炸物时存在的关联化合物，诸如分解气体或甚至爆炸物示踪剂，这些关联化合物是在爆炸物生产过程中为便于检测而添加的。这种方法的一个优点是爆炸物示踪剂和一些关联化合物具有比爆炸化合物本身更高的蒸气压，因此更容易检测。除灵敏度外，还应考虑传感器的选择性。通过在阵列中使用它们，可以增加实施方案的传感器对痕量爆炸物的蒸气的选择性。通过使用阵列中的传感器，当组合多个传感器的响应以给出类指纹信号时，可以获得类似于鼻子的人工嗅觉系统的信号。在这种情况下，图案识别方法诸如多轴雷达图可用于分析信号，将其与来自数据库的已知响应进行匹配，从而识别爆炸物。
由实施方案的传感器在水介质中检测到的爆炸材料的实例是苦味酸盐、硝酸盐、三硝基衍生物诸如2,4,6-三硝基甲苯(tnt)、1,3,5-三硝基-1,3,5-三嗪(rdx)、n-甲基-n-(2,4,6-三硝基苯基)硝酰胺(硝胺或特屈儿)、季戊四醇四硝酸酯(petn)、三硝基甘油、硝酸酯、氯和高氯酸衍生物、叠氮化物和其他各种能产生爆炸物的化合物诸如雷酸盐、乙炔化物和富氮化合物诸如四氮烯、八氢-1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮辛(hmx)、过氧化物(诸如三丙酮三氧化物)、c4塑胶炸药和臭氧化物。除爆炸物外，还测试了2,4-二硝基甲苯、硝基苯和其他若干种有机化合物，其是tnt或一些常见水污染物的伴生化学品。生物分子层(104)可以是例如针对特定爆炸化合物固定的抗体层。替代性地，分子层(104)可以是具有2,2,3,3-四氟丙氧基取代基的酞菁体系、或环糊精，作为用于检测含水介质中的不同爆炸物特别是含硝基的有机化合物的敏感材料。
如上所述，对某些目标生物分子诸如特定病原体敏感的生物分子层(104)可以沉积在saw传播路径内的压电衬底上。因此，在结合特定病原体时，通常观察到质量变化和/或电场变化，并且可以检测目标(生物)分子的密度并进一步与其浓度相关。换句话讲，实施方案的传感器起到微型分析天平的作用，对与其表面结合的生物病原体进行称重。例如，生物病原体可以由生物分子层(104)非常选择性地捕获，所述生物分子层由特定生物受体分子诸如抗体、短肽链或单链dna组成，其能够区分密切相关的病原体。实际上，可以将实施方案的传感器视为一端具有较小重量弹跳的弹簧。随着(生物)分子附着在传感器上，弹簧上的重量增加，这导致弹簧振荡的速度显著降低。通过测量振荡速度或等效地振荡相移，可以确定已经捕获了多少(生物)分子。
实施方案的传感器的进一步应用是包括dna和蛋白质检测的生物分子诊断。在这种情况下，生物分子特定层(104)允许结合或吸附蛋白质和dna分子然后对其进行检测。该生物分子层进一步提高了实施方案的传感器的灵敏度和选择性。生物分子层可由各种捕获分子制成，诸如针对某些待检测的蛋白质的一抗、二抗或其片段，或者其对应的抗原、酶或其底物、与待检测的dna互补的特定dna序列、适体、受体蛋白质或分子印迹聚合物。生物分子层(104)可以固定在凹陷的2deg/2dhg结构的一部分的表面上或类pc-hemt区域的整个表面上，以进一步提高传感器检测特定蛋白质或dna分子的灵敏度。
蓝色idt结构(100)接收约0.5至2.5ghz的rf信号，并且表现出压电效应，在谐振器的表面上产生声波。这些表面声波沿着衬底传播，具有来自输入和输出idt两者的相长干涉。2deg/2dhg结构(101)和类pc-hemt结构(102)以这样的方式放置和图案化(连接)，使得电短接运行saw产生的正负电荷，从而显著改变或最小化经由直接压电效应在两个idt上接收的信号振幅。
2deg/2dhg结构(101)和类pc-hemt结构(102)两者置于saw双向传播路径中。saw由连接到两个idt(100)的零功率曲折天线(这里未示出)生成。如果取样用于分析的样品中存在目标(分析物)分子，其将被吸附或附着在(生物)分子层(104)上，从而产生某种质量负载效应，这将改变saw振幅和相位。因此，传播通过该2deg/2dhg区域的saw衰减，由于(生物)分子层中的分子相互作用而改变其振幅和相位。该效应强烈依赖于(生物)分子层的电荷与2deg/2dhg沟道耗尽之间的声电相互作用。因此，在类pc-hemt结构(102)的表面上或区域中，电荷负载效应将导致具有独特质荷负载组合的显著2deg/2dhg沟道密度变化。然而，在常规2deg/2dhg(非凹陷)结构(101)的表面上或区域中，质荷负载效应将不同，这使得可以选择性地识别(生物)分子目标或化学分析物。
因此，使实施方案的传感器成为特别有用和独特的感测装置的原因是组合使用置于同一压电衬底上的saw和类pc-hemt结构。
图10示出了另一种拓扑2deg/2dhg-saw传感器构型。金属条(106)(示出为蓝色)置于saw传播路径内的两侧(正和负saw电荷位置)，从而通过类pc-hemt结构(102)的伪导电2deg/2dhg沟道短接和衰减saw。触点(105)示出为红色带。(生物)分子层(104)对类pc-hemt结构(102)进行选通。在从周围介质吸附目标分子时，来自该特定层(栅极)的电荷效应可导致2deg/2dhg沟道耗尽，从而降低基于电短接的传播saw衰减效应。
(生物)分子层(104)不仅可以置于类pc-hemt结构(102)的开放栅极区域中，还可以置于saw传播路径内的压电衬底(103)上，用于获得质量负载效应信息。两种效应的组合(伪导电2deg沟道中的电荷负载和压电衬底上的质量负载)可以极大地增加传感器的选择性。
图11示出了实施方案的传感器芯片的另一种构型，该构型类似于图10的构型，但不同之处在于反射性saw衰减(和调制)元件具有与saw的不同相互作用，并且提供了特殊的正交频率编码的rfid图案。在该构型中，可以添加一个或多个相同或不同(生物)分子层，从而提供传感器的优异选择性。
图12示意性地示出了在传感器的一侧(图中左侧)具有idt发射器/接收器(110)的实施方案的传感器芯片构型，该idt发射器/接收器部分地由伪导电2deg/2dhg结构(102)制成。该混合idt(110)实际上是连接到触点(105)的单极(示出为红色)。(生物)分子层(104)在类pc-hemt结构(102)上表现出强电荷调制/负载，并且强烈地改变来自saw谐振器的q因子。因此，结合质量负载效应，该构型可提供高选择性。
在又一种构型中，图13示意性地示出了信号部分idt电极(指状物)(101)经由触点(105)电连接到大型类pc-hemt结构(102)。这可能导致非常强的saw衰减。通过(生物)分子层(104)的电荷负载相互作用，其在类pc-hemt结构(102)的伪导电2deg/2dhg沟道上进行选通，传感器可以变得非常灵敏且具有非常高的选择性。
图14中示意性地示出的传感器芯片构型是另一种基本拓扑2de/2dg-saw传感器构型。在左侧，类pc-hemt结构包含伪导电2deg/2dhg结构(102)以及非凹陷2deg/2dhg部分(101)，以保持最小saws21稳定性。触点(105)由红线表示。在该构型中，通过置于伪导电2deg/2dhg结构(102)的栅极区域中的(生物)分子层(104)对s21传递参数的最大影响实现最大灵敏度。(生物)分子层(104)也可以置于saw路径内以获得额外的质量负载效应，以提高选择性。
图15示出了本申请的实施方案的2deg/2dhg-saw传感器芯片的又一种构型。在这种构型中，用于信号和接地电荷的曲折天线部分经由所示布局顶部和底部的寄生2deg/2dhg线(111)彼此反向短接分开。该线由(生物)分子层(104)在凹陷(伪导电)2deg/2dhg区域(102)上进行选通。在该选通期间，寄生2deg/2dhg线(101)被中断，使得s21传递参数大大增加。选通动态直接代表最终s21振幅动态并且与分子诊断有关。(生物)分子层(104)还置于saw路径内以获得额外的质量负载效应，以提高选择性。
图16中示出了实施方案的最后拓扑构型。在这种最简单的构型中，伪导电2deg/2dhg区域(102)可以完全覆盖所有发射器-接收器idt区域。一个或多个(生物)分子层(104)可以置于saw路径内以获得额外的质量负载效应，以提高选择性。触点(105)用红线示出。来自(生物)分子层(104)的电荷然后可以耗尽位于肖特基金属表面下方的伪导电2deg/2dhg区域(102)，从而最小化寄生短接效应并极大地增加对s21传递参数的影响。
在所有上述构型中，压电衬底(103)包括用于形成阻挡层的合适材料，并且例如由蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或氮化铝构成。由algan/gan制成的异质结结构例如通过金属有机化学气相沉积(mocvd)的方法沉积在该压电衬底层上。非凹陷的常通2deg/2dhg结构(101)紧邻gan缓冲层和algan阻挡层之间的界面形成。可以通过在可控工艺中以每1至2分钟1nm的蚀刻速率干蚀刻层(即开放栅极区域中的凹陷层)的半导体材料，或者通过用额外的超薄algan材料层涂覆缓冲algan层，从而实现开放栅极区域中algan阻挡层的特定厚度。为了增加传感器的电荷灵敏度，凹陷的超薄algan层的表面可以用等离子体(氯化物)外延蚀刻工艺进行后处理。因此，通过等离子体蚀刻激活自然钝化的表面，以产生未补偿的(即电离的)表面能键或状态，其在mocvd生长后被中和。
然后，阻挡层可以凹陷或生长为薄层，以获得实际上是类pc-hemt结构的凹陷伪导电2deg结构(102)。因此，在缓冲gan层和阻挡algan层之间的界面处形成的2deg/2dhg导电沟道用作传感器对表面电荷和电势起反应的主要敏感元件。2deg/2dhg导电沟道可以被构造成与表面或近侧电荷的非常小的改变或电场变化相互作用，其中所述变化是由于saw产生压电效应造成的，并且因此与algan阻挡层的类施主表面陷阱状态相互作用。
图17a至图17c示意性地示出了具有自支撑薄膜的实施方案的传感器构型。在这种构型中，压电衬底(103)在自支撑薄膜(107)上生长。(生物)分子层(104)固定在idt指状物(100)之间的saw路径内的伪导电2deg/2dhg结构(102)的顶部，用于质量负载效应。使用这种构型使得有可能通过增加(生物)分子层的机械应力(质量负载效应)作为传感器的附加参数从而增加传感器的选择性。在传感器的所有构型中，非常柔性的类自支撑衬底柱薄膜(107)可由与压电衬底层(103)相同的材料制成。在特定实施方案中，自支撑衬底薄膜(107)例如由蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或氮化铝优选氮化镓(gan)构成，具有0.5至2μm的厚度。在气体或空气分子化学吸附到多层异质结结构的表面期间，自支撑衬底薄膜对(生物)化学层中的任何拉伸/压缩/机械应力变化非常敏感。这导致质量负载效应，这将在下面讨论。
一般来讲，与压力传感器非常相似，机械传感器基于异质结构中外部引起的应变的测量。第iii族氮化物诸如氮化镓(gan)的热电性质允许两种应变转换机制：压电式和压阻式。直接压电效应用于动态压力感测。对于静压的测量，由于在恒定条件下的一些电荷泄漏，此类传感器不合适。对于静态操作，更优选压阻式转换。
使用宽带隙材料的压阻式传感器先前已经使用六方碳化硅块体材料用于高温操作。gan和algan结构的压阻率与碳化硅相当。然而，压阻率可以通过任何hemt结构进一步放大，如eickhoff等人(2001)在“piezoresistivityofalxga1-xnlayersandalxga1-xn/ganheterostructures”(alxga1-xn层和alxga1-xn/gan异质结构的压阻率)，journalofappliedphysics(应用物理学杂志)，2001，90(7)，3383-3386中教导的那样。对于在相对较低的压力(或压力差)下的压阻式应变感测，应使用隔膜或薄膜，其中外部压力转移到由弯曲引起的变化的内部应变中，如图17c所示。由此产生的极化变化改变了测量的2deg/2dhg沟道电流。
eickhoff等人(2001)对其中2deg沟道限制在上部gan和algan阻挡层之间的algan/gan异质结构进行了首次实验，并且证明了2deg沟道电阻率与所施加的应变的线性相关性。此外，与立方sic和单个algan层的直接比较清楚地证明了后者的优越的压阻性质。从这些结果可以清楚地看出，压电和压阻性质的相互作用通过使用由2deg沟道限制的gan/algan异质结构改善了压力传感器的灵敏度。
图17a至图17b所示的传感器构型包括压电耦合的、电荷和质量敏感的自支撑gan薄膜，其例如根据美国专利no.8,313,968制备，并且提供了一种同时实现缩减和集成全电低功率感测致动的简洁和有效的解决方案。如上所述，gan表现出可在功能上组合的压电和热电性质两者。由于压电性能够实现集成耦合机制，2deg/2dhg另外提供对机械应力和电荷的显著灵敏度，这允许传感器使用热电效应。2deg/2dhg电导率的动态变化也是由压电极化的变化引起的。
图18示出了使用具有两个对称idt结构(指状物)的标准构型的基于2deg的saw谐振器的光刻布局掩模。idt指状物可以由cr10/60au金属合金制成，并且具有200、300、400、500或700nm的优选宽度。它们在一个电子束步骤中制造，作为剥离双层抗蚀剂系统叠堆或负性抗蚀剂和离子铣削。在这种情况下可以不对2deg/2dhg进行结构化并且其可以与周围介质相互作用。中间的较暗(蓝色)区域表示自支撑区域(601)，其中通过深反应离子蚀刻(drie)工艺去除(硅)衬底。
图19示出了图18所示实施方案的saw谐振器的sem图像。该saw谐振器经由剥离/或离子铣削图案化技术制造。图20示出了这些saw谐振器在自支撑gan/algan薄膜上的显微镜图像，该薄膜具有经由dire工艺去除硅衬底的未结构化的2deg/2dhg区域。这里示出的sawidt具有范围从200nm到700nm的不同idt周期，并且因此反射光的方式不同。一般来讲，漏波由于其相对较大的机电耦合系数而经常用于这些类型的衬底中，这使得它们能够形成发射和接收移动装置信号所需的相对较宽的通带。例如，在具有2ghz工作频率的本saw谐振器中，波长λ由λ×2×109＝4000m/s计算得出，得到λ＝2μm。该计算波长应等于用于激励的电极间距的两倍，并且假设电极之间的间隔与电极宽度相同，电极宽度估计为0.5μm。如图19所示，电极之间的实际间隔约为0.7μm。
图21示出了对于具有700nm距离的idt指状物，在1280mhz的saw谐振频率下，通过使用矢量网络分析仪的实施方案的传感器测得的实验s21传递参数。在测量s21传递参数期间，实施方案的传感器暴露于额外加湿的空气，rh增加20％(蓝线)。s21传递参数显示在加湿空气中长暴露5秒钟期间振幅、频率和相位的瞬间变化。
图22示出了来自图19的s21传递参数(红色)，该参数用实施方案的不同的基于2deg的saw谐振传感器测量，其中具有700nmidt指状物宽度。在测量s21传递参数期间，将传感器暴露于加湿空气(+20％rh)(粉红色线)，然后暴露于10％(异丙醇蒸气，深黄色线)，反之亦然，持续5秒。传感器清楚地显示了s21振幅、频率和相位明显变化的即时响应。在5秒暴露之后，传感器的s21参数显示立即恢复(黑线)。
图23示意性地示出了在与saw相互作用的不同2deg/2dhg沟道中的电子速度差异和2deg/2dhg电子密度的时间分辨变化的原理。该图所示的构型实际上说明了伪导电2deg/2dhg沟道中的电子流与saw传播之间的速度差异。与saw传播速率相比，2deg/2dhg沟道内的2deg/2dhg电子具有横向速度。另外，在saw效应中存在电子俘获(捕获)的效果。实际上，saw在由传播saw产生的流动正和负压电电荷中捕获电子。
在上述构型中(图23)，存在若干个2deg/2dhg沟道置于idt之间并传导电流。这些伪导电沟道具有不同的(生物)分子层。取决于电荷负载并且部分地取决于质量负载，不同2deg/2dhg沟道中的电子速度将不同，导致saw辅助电荷传输中的时间差异。因此，取决于作为目标(或分析物)分子与周围介质中的(生物)分子层的(生物)分子相互作用结果的2deg/2dhg沟道耗尽水平，每个伪导电2deg/2dhg沟道可以具有不同的电子速度，这将被传播通过(生物)分子层的saw识别和检测。
另外，如果用uv-vis光激发，传感器的电荷传输效应可能急剧增加，导致选择性增加。实际上，如上所述，光将这种效应增强多倍，增加了表面陷阱状态的量。
图24示意性地示出了具有远程读出的用于化学检测和(生物)分子诊断的实施方案的感测装置，该感测装置包括以下部件：
本申请的saw传感器芯片(120)，具有在传播saw路径内固定在其表面上的(生物)分子层(129)，并且经由触点(123)连接到电路(122)；
一个或两个输出-输入saw-rfid零功率分形天线(130)，每个经由电路(122)连接到所述触点(123)，用于接收或发射信号；
延迟线saw换能器(118)产生的输出-输入分离；
集成电路(112)，用于存储和处理所述信号，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)，其向所述saw传感器芯片(120)和所述一个或两个天线(130)供应电流；
b)集成或cmos电流放大器(115)，用于放大从所述saw传感器芯片(120)获得的电流；
c)模数转换器(adc)，其具有连接到所述电流放大器(115)的无线输入/输出模块(116)，用于将转换的信号无线输出到用户接口或外部存储器；
d)微控制器单元(mcu)(113)，用于处理接收的信号并将其转换为可在所述用户接口或外部存储器中读取的数据；以及
e)无线连接模块(117)，用于将所述传感器无线连接到所述用户接口或外部存储器。
电压源(114)可以是任何合适且可商购获得的锂离子型电池、具有ac-dc或dc-dc转换器的任何能量采集器、或光伏元件。adc卡(116)是任何合适的模数转换器数据记录卡，其可以例如从national
在特定实施方案中，无线连接模块(117)可以是短程
如本申请所示，本申请的传感器用于化学检测和(生物)分子诊断。在一些实施方案中，本申请的传感器可用于基于云的远程诊断中的便携式长时间操作解决方案。实施方案的便携式传感器应具有非常小的功耗，从而节省电池寿命以延长使用时间。在这种情况下，将传感器电容连接到电路的非欧姆高电阻接触是优选的。非欧姆接触实际上通过具有比2deg/2dhg沟道的电阻高3至4倍的电阻限制流过2deg/2dhg沟道的电流，从而在不牺牲传感器灵敏度和功能的情况下降低电功耗。因此，在本申请的传感器的一些实施方案中使用非欧姆接触是允许最小化装置的功耗的硬件解决方案。在另一个实施方案中，可以使用管理传感器必要记录时间和电池节能模式的软件算法最小化装置的功耗，该软件算法限制背景数据并且仅在需要时切换无线连接。
替代性地，实施方案的传感器可以基于结合类pc-hemt结构(凹陷的基于2deg/2dhg的结构)以用于(生物)分子诊断的压电电光晶体换能器(eoc)。与所有其他种类的衬底相比，基于eoc压电衬底的传感器在电能和机械能之间表现出最高耦合。另外，这种衬底还具有高速度移位系数和非常高机电耦合系数k2的优点，与任何其他压电衬底上的相同常规saw装置相比，其产生更大的质量灵敏度。eoc可以是与用户身体上的单个点物理接触的任何合适的电光晶体材料诸如linbo3。然后用偏振光照射eoc。
在linbo3晶体材料的情况下，偏振光的波长为约400至600nm。来自光源的调制光照射eoc，然后落在基于2deg/2dhg的结构上。基于2deg/2dhg的结构对入射光超灵敏，从而在algan阻挡层中产生p-n对并因此强烈影响2deg/2dhg导电性。一般来讲，用光照射基于2deg/2dhg的结构将2deg/2dhg沟道从常闭切换到伪导电或常开状态。因此，通过与身体接触，eoc能够改变其强烈影响2deg/2dhg沟道中的电流流动的吸光度，从而分辨来自eoc换能器的任何最小光强度变化。取决于激发光波长，可以改变传感器相对于入射光束的位置。例如，在ir光(700至1500nm)的情况下，传感器应垂直于光束放置，以实现最高灵敏度。eoc的寄生充电经由附接到晶体的电极进行补偿。另外，可以利用传感器前面的各种滤光器。
在又一个实施方案中，图25示意性地示出了具有远程读出的用于化学检测和(生物)分子诊断的实施方案的光电感测装置，该光电感测装置包括以下部件：
实施方案的saw传感器芯片(120)，具有在传播saw路径内固定在其表面上的(生物)分子层(129)，并且连接到电路；
调制光源(125)，诸如表面安装器件发光二极管(smdled)或uv-vis-ir激光二极管，用于照射传感器芯片上的伪导电2deg/2dhg结构的algan阻挡层表面(126)；
光耦合器开关(124)，用于将所述调制光源(125)与传感器芯片上的所述伪导电2deg/2dhg结构(126)耦合；
电压源(104)，其连接到所述电路用于向所述saw传感器芯片(120)供应电流；
锁定放大器(119)，其连接到所述电压源(104)，用于通过从所述saw传感器芯片获得的已知载波放大信号并且增加信噪比；以及
模数转换器(adc)，其具有连接到所述锁定放大器(119)的内置数字输入/输出卡(106)，用于将转换的信号输出到用户接口或外部存储器。
因此，saw-eoc构型的使用使得可以显著增加传感器对电荷的灵敏度，经由沿晶体表面的基于saw的电荷传输对eoc进行放电，有效调制来自光源的偏振光，并且用相速度信号控制saw延迟线效应。光耦合器开关(124)能够将基于伪导电2deg/2dhg的结构(126)与saw-eoc耦合，使得发射器(左)idt电极处的初始saw致动信号与调制光源(125)同步，并且与基于伪导电2deg/2dhg的结构处的vds同步。接收器(右)idt电极处的信号经由光耦合器(124)耦合回vds，光耦合器与初始信号并且与光源(125)调制产生谐振。由于saw-eoc通过空间图案化电极与身体单点物理电连接，eoc改变其光吸收和调制性质。这强烈影响五个初始信号源(vds、发射器idt、光源、接收器idt和saw调制光源)的谐振模式。因此，由于基于光源的相互作用，谐振系统变得非常稳定并且还对外部电荷非常敏感。
在一些实施方案中，用于化学检测和(生物)分子诊断的方法包括以下步骤：
1)将待测样品置于实施方案的感测装置下；
2)用所述装置记录从样品接收的信号，其形式为随时间变化的装置的s21传递参数动态(定义为s21传递动态)；
3)将记录的信号从所述装置传输到外部存储器以进行进一步处理；以及
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，将所述s21传递动态与存储在外部存储器中的预校准的化学或(生物)分子s21传递波形相关联，并且以可读数据的形式从所述波形中提取化学或(生物)分子信息，从而检测和/或识别样品中的特定化学或生物化合物(分析物)并且/或者测量其浓度。
概括地说，使本发明实施方案的传感器成为特别有用和独特的感测装置的原因是同一压电衬底上的saw和类pc-hemt结构的组合。非凹陷的2deg/2dhg结构(101)和类pc-hemt结构(102)两者置于saw双向传播路径中。saw由连接到idt(100)的零功率曲折天线生成。吸附在(生物)分子层(104)上的(生物)分子产生质量负载效应，从而改变传播saw振幅和相位。因此，传播通过2deg/2dhg区域的saw变得衰减，由于(生物)分子层中吸附的(生物)化学目标或分析物的分子相互作用而改变其振幅和相位。该效应强烈依赖于(生物)分子层的电荷与2deg/2dhg沟道的耗尽状态之间的声电相互作用。因此，在类pc-hemt结构(102)的表面上或区域中，电荷负载效应将导致2deg/2dhg密度的非常强的变化，该变化具有独特质荷负载组合。然而，在正常(非凹陷或未凹陷至5至9nm的厚度)2deg/2dhg结构(101)的表面上或区域中，质荷负载效应将不同，这使得有可能选择性地识别化学和生物目标(化合物、分析物)并检测微小的质量差异。
虽然本文已经说明和描述了本申请的某些特征，但是对于本领域的普通技术人员来说，许多修改、替换、改变和等同物将是显而易见的。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本申请的真正实质内的所有这些修改和变化。
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