浮思特 | 晶圓級石墨烯場效應(yīng)晶體管生物傳感器陣列的集成與應(yīng)用研究

近年來，生物傳感器的發(fā)展已成為一個重要的研究重點，具有改革醫(yī)療和診斷的潛力。簡單來說，生物傳感器是通過生成與反應(yīng)中分析物濃度成正比的信號來測量生物反應(yīng)的設(shè)備。隨著對高精度設(shè)備需求的增加，生物傳感器在臨床檢測(Point-of-Care，PoC)中找到了廣泛的應(yīng)用。PoC 檢測是在靠近患者的地方進(jìn)行的臨床實驗室測試，旨在減少周轉(zhuǎn)時間并確保及時的臨床決策。技術(shù)進(jìn)步，包括電子設(shè)備的小型化和改進(jìn)的儀器，促進(jìn)了越來越小且更加準(zhǔn)確的 PoC 設(shè)備的發(fā)展。

PoC 檢測正在從單一分析物檢測轉(zhuǎn)向多重分析物檢測，后者可以進(jìn)行更多的測試，這增加了可靠統(tǒng)計分析的重要性。進(jìn)行遠(yuǎn)程多重分析物檢測需要在篩選樣品時對多個分析物具有高精度，同時還需要足夠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以排除單個虛假信號源。傳統(tǒng)的方法，如酶聯(lián)免疫吸附測定(ELISA)，需要單獨測量每對分析物和受體，耗時較長。本文介紹了一些先進(jìn)的多重分析物診斷解決方案，并深入探討了用于生物傳感器的石墨烯場效應(yīng)晶體管(GFET)的晶圓級 CMOS 集成。

先進(jìn)的多重分析物診斷解決方案

為了消除 ELISA 方法在多重分析物診斷中的缺陷，正在通過使用集成互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)讀出的傳感器陣列在單個芯片上實現(xiàn)更先進(jìn)的解決方案。CMOS 讀出技術(shù)的潛在好處包括低成本、高密度陣列形成、低功耗、無標(biāo)記檢測、讀出集成和更小的設(shè)備尺寸，這使其成為 PoC 檢測應(yīng)用的理想選擇。

場效應(yīng)晶體管(FET)是與 CMOS 技術(shù)一起用于多重分析物檢測的基本生物傳感器。不同的基于 FET 的技術(shù)，如碳納米管場效應(yīng)晶體管(CNTFET)、離子選擇性場效應(yīng)晶體管(ISFET)、擴展門場效應(yīng)晶體管(EGFET)、薄膜體聲諧振器(FBAR)和硅納米線場效應(yīng)晶體管(SiNWFET)，與 CMOS 兼容，但存在一些局限性。

基于化學(xué)氣相沉積(CVD)石墨烯的 GFET 傳感器目前是最理想的解決方案，因為與其他傳感器相比，它們被發(fā)現(xiàn)是最經(jīng)濟和準(zhǔn)確的。GFET 提供與 CNTFET 和 SiNWFET 相似的靈敏度和更易于制造的特性，使其成為高靈敏度無標(biāo)記生物傳感器的成本效益方法。盡管 ISFET 和 EGFET 可以在 CMOS 上使用標(biāo)準(zhǔn)工藝輕松制造，但它們會受到設(shè)備穩(wěn)定性和漂移問題的影響。

GFET 的晶圓級 CMOS 集成

用于多重分析物檢測的 GFET 集成到一個 CMOS 多路復(fù)用平臺中，使數(shù)百個 GFET 的同時測量成為可能。采用 0.35 微米模擬工藝節(jié)點的 200 毫米 CMOS 集成已使用 X-Fab 提供的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)制造?？偣矞y試了 512 個 GFET，并且可以進(jìn)一步擴展到 4096 個設(shè)備。使用全球數(shù)字控制選擇 GFET，通過觸發(fā)像素級局部 CMOS 開關(guān)來測量 GFET 的電阻讀數(shù)。GFET 值的測量通過選擇切割晶圓上的五個傳感器芯片進(jìn)行。芯片被電線鍵合到芯片載體上以進(jìn)行電氣測量。

使用參數(shù)分析儀與芯片上的 CMOS 多路復(fù)用器一起進(jìn)行設(shè)備的測量和偏置。液體柵極電壓(Vg)通過使用片上 Pt 液體柵極進(jìn)行控制。在無柵極的環(huán)境條件下測量的電阻值如下圖所示，并附有五個芯片的電阻值直方圖。對于每個芯片，報告了平均電阻值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

GFET 的性能和穩(wěn)定性通過在去離子水(DIW)中進(jìn)行電氣測量進(jìn)行評估。GFET 在 DIW 中暴露兩次，以獲取設(shè)備的電阻隨 Vg 的變化。Vg 是通過片上 Pt 電極施加到所有 GFET 上的。結(jié)果顯示出良好的穩(wěn)定性和低變化的 Dirac 峰電壓。Dirac 峰電壓是石墨烯通道的電荷中性點的度量，低變化表明 GFET 具有均勻性和一致的電氣特性，從而能夠進(jìn)行一致的測量，這對生物傳感器及其應(yīng)用至關(guān)重要。類似地，GFET 還暴露于不同濃度的氯化鈉(NaCl)溶液中。這樣做是為了獲得每種 NaCl 濃度下，設(shè)備的電阻和跨導(dǎo)值隨柵壓的變化。

測量顯示，由于柵電容的變化，Dirac 峰電壓位置發(fā)生了位移，平均電阻值在 Dirac 峰處保持不變，盡管峰電壓值發(fā)生了變化，這表明 GFET 的主導(dǎo)傳感機制是靜電柵極。在 NaCl 濃度測試后，GFET 再次使用 DIW 進(jìn)行測試，以確保設(shè)備恢復(fù)到在 DIW 特性測量中建立的基線。

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