碳纳米管场效应管生物传感器：从制造到临床应用

MEMS 2022-12-29 00:00

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12月3日-12月7日，第68届国际电子器件大会（IEDM 2022）在美国旧金山隆重召开。湖南元芯传感科技有限责任公司董事长张志勇教授、技术总监肖梦梦团队受邀在会议上进行口头报告，报告题目为“Wafer-scale biologically sensitive carbon nanotube transistors: from fabrication to clinical applications”。这是碳纳米管晶体管生物传感器领域首次在IEDM上的邀请报告。

01 意义与突破

在基因测序、生物威胁识别和早期医学诊断等领域，超灵敏的生物分子传感器至关重要。由大数据、物联网和移动健康等概念驱动的便携式即时诊断设备研究成为生物医学检测的新兴热点领域。传统的基于光学和磁性标签的检测方法使用笨重和昂贵的设备，不能满足日益增长的便携式床旁检测(PoC)诊断系统对高灵敏度和集成度的智能生物传感器芯片的需求。因此开发具有无标签、快速、低成本等特点的生物传感器具有重要意义。

碳纳米管具有原子级厚度和良好的生物相容性，通过可控的生物化学功能化实现超低生物检测限和高选择性是场效应晶体管生物传感器的重要应用领域。同时CNT FET生物传感器的制备工艺与Si基互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容良好，满足高集成度、多功能和低成本便携式生物传感系统的要求。近年来，湖南元芯传感科技有限责任公司在董事长张志勇带领下，在碳纳米管场效应管生物化学传感器的大规模制备工艺及其在各种生物标志物超敏检测的应用取得了突破，现已有产品小批量向客户供货。

湖南元芯传感科技有限责任公司使用批量制备的在四寸晶圆上均匀分布的网络状碳管薄膜，制备了浮栅晶体管（FGFET）型生物传感器结构，以提升传感器件的一致性及抗干扰能力。浮栅(FG)场效应管器件结构采用超薄栅介质覆盖整个CNT通道，然后将Au纳米颗粒组装在其上作为连接剂连接生物探针，从而构成通用的场效应晶体管传感平台。使用晶圆尺度的均匀CNT薄膜材料，采用与碳基CMOS工艺兼容的加工工艺过程，在4英寸晶圆上制备了性能优越且均匀性良好的CNT FET生物传感平台器件，为高可靠性和高灵敏的生物分子检测提供了保障。

传感器结构示意图

传感器阵列流片

利用制成的碳基生物传感器平台，通过可控的特异性生物修饰，实现了对核酸分子、蛋白质（多肽）、微囊泡等一系列生物标志物的高灵敏、高特异性检测，呈现了在产前基因筛查、肝癌癌症早筛、阿尔兹海默症血清筛查方面的巨大潜力。更重要的是，文章采用批量化封装的碳管生物传感芯片及便携式检测装置，实现了对新冠病毒的超快速临床检验，并对多例健康人和感染者进行了有效分辨。

03 未来机遇

碳纳米管场效应管生物传感器的未来机遇包括开发多目标和多功能碳纳米管生物传感器阵列，以及通过集成微流体和碳纳米管信号处理电路对疾病进行自适应诊断。得益于碳纳米管的低温制造工艺使其更易实现包括多功能传感阵列、模拟、存储等多功能电路的单片三维集成，从而具有高通量的传感数据处理能力。成为一种高度集成化的高通量多功能智能微系统。湖南元芯传感科技有限责任公司将在张志勇董事长的带领下，瞄准有潜力的应用市场开发碳基生物传感器产品，与产业界一道共同推动下一代碳基生物智能微系统尽早进入市场，造福人类社会。

芯片及检测设备

智能传感系统

03 公司介绍

湖南元芯传感科技有限责任公司是由来自北京大学的科研团队在湖南省湘潭市孵化的研发型高科技创业公司，成立于2022年5月30日，主要从事碳基高端半导体传感芯片及其应用系统的研发与制造。

公司创业团队技术来自彭练矛院士团队专门为碳基传感芯片进行科技成果转化平台，彭练矛院士团队主要研究方向为纳米结构、物性和相关器件，团队四次担任国家973计划和重点研发计划项目，相关工作分获2010年度和2016年度国家自然科学二等奖，2000年度和2017年度“中国高等学校十大科技进展”，团队在碳基集成电路基础和应用研究方面处于国际领先，在传感器方面也积累了一系列相对成熟的应用技术，该技术已被湖南省政府工作报告列为2021年十大科技攻关项目，其中气体传感器、生物传感器已进入中试、小试，初步具备了量产能力。

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