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原文传递用于化学检测和(生物)分子诊断的表面声波RFID传感器

专利名称：	用于化学检测和(生物)分子诊断的表面声波RFID传感器
摘要：	本发明描述了基于表面声波(SAW)换能器和二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)导电结构的组合的射频识别(RFID)传感器的实施方案，及其在化学检测和(生物)分子诊断中的用途。SAW RFID传感器芯片包含在其上沉积多层异质结结构的压电衬底。所述异质结结构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诸如Ga N/Al Ga N生长。转换SAW的叉指换能器(IDT)安装在所述阻挡层的顶部。2DEG或2DHG导电沟道形成在所述缓冲层和所述阻挡层之间的界面处，并且在连接到所形成的沟道的非欧姆(电容耦合)源极和漏极接触之间的系统中提供电子或空穴电流。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	新加坡;SG
申请人：	艾皮乔尼克控股有限公司
发明人：	阿亚尔·拉姆;阿米尔·利希滕斯坦
专利状态：	有效
申请日期：	2017-07-10T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-16T00:00:00+0800
申请号：	CN201780063708.3
公开号：	CN110023748A
代理机构：	无锡市汇诚永信专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	顾一明
分类号：	G01N29/02(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	新加坡道拉实街100号100AM购物中心16-01室
主权项：	1.一种表面声波(SAW)射频识别(RFID)传感器芯片，其包括：压电衬底，所述衬底包括压电层和多层异质结结构，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上的金属叉指换能器(IDT)，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上的至少一个常开或常闭二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)结构，用于在所述缓冲层和所述阻挡层之间的界面处的所述多层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上的至少一个伪导电二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)结构，用于在所述缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面处的所述异质结结构中形成伪导电2DEG或2DHG沟道；至少一个(生物)分子层，其固定在传播SAW路径内的所述压电衬底上，并且能够从环境结合或吸附目标(分析物)化合物或(生物)分子；以及电容耦合到所述IDT、耦合到所述常开或常闭2DEG或2DHG结构并且耦合到所述伪导电2DEG或2DHG结构的电金属化层，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。 2.根据权利要求1所述的SAW RFID传感器芯片，其还包括至少一个(生物)分子层，所述至少一个(生物)分子层固定在所述伪导电2DEG或2DHG结构的所述开放栅极区域内并且能够从所述环境结合或吸附目标(分析物)化合物或(生物)分子。 3.根据权利要求1或2所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述压电衬底置于自支撑薄膜上。 4.根据权利要求3所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述自支撑薄膜由蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或氮化铝制成。 5.根据权利要求1所述的SAW RFID传感器芯片，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、硅、碳化硅或石英制成。 6.根据权利要求1至5中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构包含一个缓冲层和一个阻挡层，并且所述2DEG导电沟道形成在所述缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面处。 7.根据权利要求1至5中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构包含两个缓冲层和一个阻挡层，所述阻挡层置于所述缓冲层之间，并且所述2DEG导电沟道形成在所述阻挡层上方的顶部缓冲层中，靠近所述顶部缓冲层和所述阻挡层之间的界面，从而导致所述结构的N面极性。 8.根据权利要求1至5中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构包含两个缓冲层和一个阻挡层，所述阻挡层置于所述缓冲层之间，并且所述2DHG导电沟道形成在所述阻挡层上方的顶部缓冲层中，靠近所述顶部缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面，从而导致所述结构的Ga面极性。 9.根据权利要求1至8中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述III-V单晶或多晶半导体材料选自GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlN、InN/InAlN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAs和LaAlO3/SrTiO3。 10.根据权利要求9所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述III-V单晶或多晶半导体材料是GaN/AlGaN。 11.根据权利要求6所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构在底部包含一个GaN缓冲层，并且在顶部包含一个AlGaN阻挡层，所述AlGaN阻挡层具有(i)5至9纳米(nm)的厚度，对应于所形成的2DEG沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围，以及(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传感器芯片，其中所述AlGaN阻挡层的厚度为6至7nm，优选为6.2至6.4nm。 13.根据权利要求11或12所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述AlGaN阻挡层具有约0.1nm或更小，优选约0.05nm或更小的表面粗糙度。 14.根据权利要求7所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构是夹层状的，在顶部包含一个GaN缓冲层，在底部包含一个GaN缓冲层，并且在其之间包含一个AlGaN阻挡层，所述2DEG导电沟道形成在所述AlGaN阻挡层上方的顶部GaN缓冲层中，靠近所述顶部GaN缓冲层和所述AlGaN阻挡层之间的界面，从而导致所述结构的所述N面极性，所述顶部GaN缓冲层具有(i)5至9纳米(nm)的厚度，对应于所形成的2DEG沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围，以及(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传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层的厚度为6至7nm，优选为6.2至6.4nm。 16.根据权利要求14或15所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层具有约0.1nm或更小，优选约0.05nm或更小的表面粗糙度。 17.根据权利要求8所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构是夹层状的，在顶部包含一个GaN缓冲层，在底部包含一个GaN缓冲层，并且在其之间包含一个AlGaN阻挡层，所述2DHG导电沟道形成在所述AlGaN阻挡层上方的顶部GaN缓冲层中，靠近所述顶部GaN缓冲层和所述AlGaN阻挡层之间的界面，从而导致所述结构的所述Ga面极性，所述顶部GaN缓冲层具有(i)5至9纳米(nm)的厚度，其对应于所形成的2DHG沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围，以及(ii)0.2nm或更小的表面粗糙度。 18.根据权利要求17所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层的厚度为6至7nm，优选为6.2至6.4nm。 19.根据权利要求17或18所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层具有约0.1nm或更小，优选约0.05nm或更小的表面粗糙度。 20.根据权利要求1至19中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其还包括用于照射所述压电衬底的激发光源，从而在所述2DEG或2DHG结构中感应电流。 21.根据权利要求20所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述激发光源是表面安装器件发光二极管(SMD LED)或UV-VIS-IR激光二极管。 22.根据权利要求1至21中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述金属IDT能够接收约0.5至2.5GHz的RF信号，并且通过在所述压电衬底的所述表面上产生声波而表现出压电效应。 23.一种具有远程读出的用于化学检测和(生物)分子诊断的感测装置，其包括：根据权利要求1至22中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其插入感测装置框架中并连接到电路；连接到所述电路的至少一个输出-输入SAW-RFID分形天线，用于接收或发射信号；延迟线SAW换能器产生的输出-输入分离；以及远程集成电路，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，所述远程集成电路包括： a)电压源，其向所述SAW RFID传感器和所述输出-输入SAW-RFID分形天线供应电流； b)集成或CMOS电流放大器，用于放大从所述SAW RFID传感器芯片获得的电流； c)模数转换器，其具有连接到所述电流放大器的无线输入/输出模块，用于将所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)，用于处理所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，用于将所述感测装置无线连接到所述用户接口或外部存储器。 24.一种具有远程读出的用于化学检测和(生物)分子诊断的感测装置，其包括：根据权利要求1至22中任一项所述的SAW RFID传感器芯片，其插入感测装置框架中并连接到电路；调制光源，用于照射所述SAW RFID传感器芯片的所述伪导电2DEG或2DHG结构的所述表面；光耦合器开关，用于将所述调制光源与所述SAW RFID传感器芯片的所述伪导电2DEG或2DHG结构耦合；电压源，其连接到所述电路，用于向所述SAW RFID传感器芯片供应电流；锁定放大器，其连接到所述电压源，用于通过从所述SAW RFID传感器芯片获得的已知载波来放大信号并且用于增加信噪比；以及模数转换器(ADC)，其具有连接到所述锁定放大器的内置数字输入/输出卡，用于将所转换的信号输出到用户接口或外部存储器。 25.根据权利要求23或24所述的感测装置，其中所述外部存储器是移动装置、台式计算机、服务器、远程存储装置、互联网存储装置或材料诊断云。 26.根据权利要求23或24所述的感测装置，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。 27.根据权利要求23所述的感测装置，其中所述电流放大器为串联连接的。 28.根据权利要求23所述的感测装置，其中所述无线连接模块是短程或NFC模块，其在所述感测装置和所述用户接口、移动装置或台式计算机之间提供无线通信。 29.根据权利要求23所述的感测装置，其中所述无线连接模块是Wi-Fi模块，其在所述感测装置和所述用户接口、移动装置、台式计算机或服务器之间提供无线通信。 30.根据权利要求23所述的感测装置，其中所述无线连接模块是GSM模块，其在所述感测装置和服务器、远程存储装置、互联网存储装置或化学/(生物)分子诊断云之间提供全球无线通信。 31.根据权利要求24所述的感测装置，其中所述调制光源是表面安装器件发光二极管(SMDLED)或UV-VIS-IR激光二极管。 32.根据权利要求22至31中任一项所述的感测装置，其用于基于云的远程(生物)分子诊断中的便携式长时间操作解决方案。 33.一种用于化学品检测和(生物)分子诊断的方法，其包括： 1)将待测样品置于根据权利要求23至31所述的感测装置下； 2)用所述感测装置记录从所述样品接收的信号，其形式为随时间变化的所述感测装置的S21传递参数动态； 3)将所记录的信号从所述感测装置传输到外部存储器以进行进一步处理；以及 4)将所传输的信号转换为数字信号，处理所述外部存储器中的所述数字信号，将所述S21传递动态与存储在所述外部存储器中的预校准的化学品或(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品或(生物)分子信息，从而检测和/或识别所述样品中的特定化学品或生物化合物(目标，分析物)并测量其浓度。 34.根据权利要求33所述的方法，其中所述样品处于气相或液相。 35.根据权利要求33所述的方法，其中所述化学品是毒性金属，诸如铬、镉或铅。 36.根据权利要求33所述的方法，其中所述化学品是管制的臭氧消耗型氯化烃。 37.根据权利要求33所述的方法，其中所述化学品是食物毒素诸如黄曲霉毒素，或者贝类中毒毒素诸如蛤蚌毒素或微囊藻毒素。 38.根据权利要求33所述的方法，其中所述化学品是神经毒性化合物诸如甲醇、谷氨酸锰、氧化氮、肉毒杆菌毒素、破伤风毒素或河豚毒素、氧苯酮、双酚A或丁基化羟基苯甲醚。 39.根据权利要求33所述的方法，其中所述化学品是爆炸物或其相关联的化合物诸如分解气体或爆炸物示踪剂。 40.根据权利要求39所述的方法，其中所述化学品选自苦味酸盐、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)、三硝基甘油、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)、硝酸酯、叠氮化物、氯酸和高氯酸衍生物、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。 41.根据权利要求33所述的方法，其中所述生物化合物是生物病原体诸如呼吸道病毒或细菌病原体、空气传播病原体、植物病原体、来自感染动物的病原体或人类病毒病原体。 42.根据权利要求1或2所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述(生物)分子层(104)是环糊精、2,2,3,3-四氟丙氧基取代的酞菁或其衍生物。 43.根据权利要求1或2所述的SAW RFID传感器芯片，其中所述(生物)分子层(104)包括捕获生物分子，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、短肽、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。
所属类别：	发明专利