半导体生物和气体传感器

人们对开发新一代基于半导体的传感器非常感兴趣，这些传感器利用微电子制造技术来创建与无线数据传输系统集成的可靠传感器阵列。我们的工作开始于为NASA的一个项目开发基于氮化镓和氮化镓的氢传感器，这导致了在佛罗里达州奥兰多的一家汽车经销商安装基于铂或钯涂层的氮化镓/氮化镓晶体管结构的氢气传感器¹．

这些传感器已经运行了近两年，用于监测氢燃料示范车辆的排放。传感器的输出可以从远程位置进行检查，任何报警情况都可以发送到手机或个人数字助理。在含有其他废气且温度不受控制的大气中，有选择地检测氢的实际方面需要使用差分传感器对，一个用于氢检测，另一个密封防止气体吸附，但受设施中相同的温度变化的影响。传感器的差分输出可以抵消由于温度变化而引起的传感器电流的变化²．

同样的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)结构可以在门区通过选择性化学功能层功能化，从而产生生物标记分子。图1显示了肉毒杆菌毒素检测的示例。在这种情况下，镀金门区被巯基乙酸上的肉毒杆菌抗体功能化。肉毒杆菌分子与抗体的结合产生HEMT表面电荷的变化，导致在固定源漏电压下通道电流的变化。

图1.功能化的用于肉毒毒素检测的AlGaN/GaN HEMT传感器原理图。只有这些毒素分子会与抗体结合，产生传感器反应。

这种使用不同功能层来检测不同感兴趣的生物标志物的方法已经导致了DNA、肾损伤分子、前列腺癌特异性抗原、乳腺癌标志物、肉毒杆菌毒素、氢气、二氧化碳、氧气、汞离子的检测，并测量了呼出气体冷凝物的pH值^{3 - 7}．到目前为止已检测到的物种摘要见表1。检测灵敏度取决于物种，但通常在每毫升微-纳克范围内。

表1．到目前为止发现的物种摘要

检测	机制	表面功能化
HgydF4y2Ba2	催化分解	Pd, Pt
压力变化	极化	聚乙二烯二氟化物
肉毒杆菌毒素	抗体	巯基乙酸/抗体
蛋白质	结合/杂交	Aminopropylsilane /生物素
pH值	极性分子吸附	Sc2O3.,氧化锌
Hg2＋	螯合	巯基乙酸/非盟
KIM-1	抗体	KIM-1抗体
葡萄糖	去X固定	氧化锌纳米棒
前列腺特异抗原	前列腺特异性抗原抗体	羧酸琥珀酰酯/PSA抗体
乳酸	罗X固定	氧化锌纳米棒
氯离子	阳极处理	Ag / AgCl电极;酒店
乳腺癌	抗体	Thyioglycolic酸/ c-erbB抗体
有限公司2	吸收的水/费用	表面/淀粉
DNA	杂交	thiol-modified寡核苷酸
O2	氧化	InGaZnO
卵黄蛋白原	抗体	Anti-Vtg抗体
Perkinsus绿	抗体	P.Marinus抗体

他HEMT-based传感器产生一个快(< 1秒),明确的电信号是免费的从其他传感器方法的一些缺点,如荧光光漂白方法,需要电极电化学方法或缓慢的回车场和equipment-heavy需求在大多数实验室方法。2020欧洲杯下注官网hemt传感器很小(小于100平方微米)，不同的传感器可以很容易地集成到一块芯片上。

HEMT传感器是具有无线通信能力的手持、可编程的单芯片传感器的有前途的候选者。这种传感器可以通过实时监测病人的健康状况，彻底改变当前的临床实践。例如，这种传感器可以在医生的办公室里针对特定的医疗状况进行编程，然后交给病人在家里使用。加密的传感结果将直接传回给医生，以监测处方药物的有效性，为患者提供更好、更即时的医疗保健。

这种设备还可以减少不必要的急诊次数，以及由此给国家卫生系统带来的成本。类似的传感器将允许快速检测环境中的毒素，并大大提高我们的反应能力。环境安全监测将受益于现场部署传感器。

虽然传感器显示出了极好的潜力，但在测试实际样品、样品收集的稳健性、某些表面功能层的稳定性和实地试验的需要方面仍有大量工作要做。

参考文献

1.李春生，李春生等，“基于GaN/GaN高电子迁移率晶体管差分二极管传感器的无线氢传感器网络”，传感技术与执行器，13,18(2008)。
2.Wang, T.J. Anderson, et al.，“Differential AlGaN/GaN HEMT Sensing Diodes的鲁棒性检测”，applied . (sci)Phys.Lett。89、242111(2006)。
3.Wang H. T. et al.，“利用AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管检测前列腺特异性抗原”，应用电子学报。物理学报，91,pp. 112106, 2007。
4.Wang H. T. et al.，“AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管与Peltier元件集成的呼出-呼出检测”，电化学。固体材料Lett. 11, pp. J19, 2007。
5.Wang H. T. Wang, B. S. Kang, et al.，“AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管对肾脏损伤分子-1的电检测”，applied。理论物理。Lett. 91, pp. 222101, 2007。
6.Wang H. T. et al.，“ZnO纳米棒在GaN/GaN高电子迁移率晶体管栅区上的酶解葡萄糖检测”，应用电子学报。理论物理。Lett. 91, pp. 252103, 2007。
7.陈克华，康伯生等，“基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的c- erbb -2传感技术”，应用电子学报。理论物理。Lett. 92, pp. 192103, 2008。