浮思特 | 晶圆级石墨烯场效应晶体管生物传感器

近年来，生物传感器的发展已成为一个重要的研究重点，具有改革医疗和诊断的潜力。简单来说，生物传感器是通过生成与反应中分析物浓度成正比的信号来测量生物反应的设备。随着对高精度设备需求的增加，生物传感器在临床检测(Point-of-Care，PoC)中找到了广泛的应用。PoC 检测是在靠近患者的地方进行的临床实验室测试，旨在减少周转时间并确保及时的临床决策。技术进步，包括电子设备的小型化和改进的仪器，促进了越来越小且更加准确的 PoC 设备的发展。

PoC 检测正在从单一分析物检测转向多重分析物检测，后者可以进行更多的测试，这增加了可靠统计分析的重要性。进行远程多重分析物检测需要在筛选样品时对多个分析物具有高精度，同时还需要足够的统计数据以排除单个虚假信号源。传统的方法，如酶联免疫吸附测定(ELISA)，需要单独测量每对分析物和受体，耗时较长。本文介绍了一些先进的多重分析物诊断解决方案，并深入探讨了用于生物传感器的石墨烯场效应晶体管(GFET)的晶圆级 CMOS 集成。

先进的多重分析物诊断解决方案

为了消除 ELISA 方法在多重分析物诊断中的缺陷，正在通过使用集成互补金属氧化物半导体(CMOS)读出的传感器阵列在单个芯片上实现更先进的解决方案。CMOS 读出技术的潜在好处包括低成本、高密度阵列形成、低功耗、无标记检测、读出集成和更小的设备尺寸，这使其成为 PoC 检测应用的理想选择。

场效应晶体管(FET)是与 CMOS 技术一起用于多重分析物检测的基本生物传感器。不同的基于 FET 的技术，如碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)、离子选择性场效应晶体管(ISFET)、扩展门场效应晶体管(EGFET)、薄膜体声谐振器(FBAR)和硅纳米线场效应晶体管(SiNWFET)，与 CMOS 兼容，但存在一些局限性。

基于化学气相沉积(CVD)石墨烯的 GFET 传感器目前是最理想的解决方案，因为与其他传感器相比，它们被发现是最经济和准确的。GFET 提供与 CNTFET 和 SiNWFET 相似的灵敏度和更易于制造的特性，使其成为高灵敏度无标记生物传感器的成本效益方法。尽管 ISFET 和 EGFET 可以在 CMOS 上使用标准工艺轻松制造，但它们会受到设备稳定性和漂移问题的影响。

GFET 的晶圆级 CMOS 集成

用于多重分析物检测的 GFET 集成到一个 CMOS 多路复用平台中，使数百个 GFET 的同时测量成为可能。采用 0.35 微米模拟工艺节点的 200 毫米 CMOS 集成已使用 X-Fab 提供的标准技术制造。总共测试了 512 个 GFET，并且可以进一步扩展到 4096 个设备。使用全球数字控制选择 GFET，通过触发像素级局部 CMOS 开关来测量 GFET 的电阻读数。GFET 值的测量通过选择切割晶圆上的五个传感器芯片进行。芯片被电线键合到芯片载体上以进行电气测量。

使用参数分析仪与芯片上的 CMOS 多路复用器一起进行设备的测量和偏置。液体栅极电压(Vg)通过使用片上 Pt 液体栅极进行控制。在无栅极的环境条件下测量的电阻值如下图所示，并附有五个芯片的电阻值直方图。对于每个芯片，报告了平均电阻值和标准偏差。

GFET 的性能和稳定性通过在去离子水(DIW)中进行电气测量进行评估。GFET 在 DIW 中暴露两次，以获取设备的电阻随 Vg 的变化。Vg 是通过片上 Pt 电极施加到所有 GFET 上的。结果显示出良好的稳定性和低变化的 Dirac 峰电压。Dirac 峰电压是石墨烯通道的电荷中性点的度量，低变化表明 GFET 具有均匀性和一致的电气特性，从而能够进行一致的测量，这对生物传感器及其应用至关重要。类似地，GFET 还暴露于不同浓度的氯化钠(NaCl)溶液中。这样做是为了获得每种 NaCl 浓度下，设备的电阻和跨导值随栅压的变化。

测量显示，由于栅电容的变化，Dirac 峰电压位置发生了位移，平均电阻值在 Dirac 峰处保持不变，尽管峰电压值发生了变化，这表明 GFET 的主导传感机制是静电栅极。在 NaCl 浓度测试后，GFET 再次使用 DIW 进行测试，以确保设备恢复到在 DIW 特性测量中建立的基线。

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