為了消除多分析物診斷 ELISA 方法的缺點(diǎn)，通過使用具有集成互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 ( CMOS ) 讀出功能的傳感器陣列，在單芯片上實(shí)現(xiàn)了更先進(jìn)的解決方案。CMOS 讀出技術(shù)的潛在優(yōu)勢包括低成本、密集陣列形成、較低功耗、無標(biāo)簽檢測、讀出集成和較小的設(shè)備尺寸，使其成為 PoC 診斷應(yīng)用的理想選擇。
　FET是與 CMOS 等技術(shù)一起用于多分析物檢測的基本生物傳感器。不同的基于 FET 的技術(shù)，例如碳納米管 FET (CNTFET)、離子選擇性 FET (ISFET)、擴(kuò)展柵極 FET (EGFET) 和薄膜體聲波諧振器 (FBAR) 以及硅納米線 FET (SiNWFET)，均與但CMOS也有一些局限性?！?br>　基于化學(xué)氣相沉積 (CVD) 石墨烯的 GFET 傳感器是目前理想的解決方案，因?yàn)榕c其他傳感器相比，它們經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確。與 CNTFET 和 SiNWFET 相比，GFET 具有相似的靈敏度，并且更容易制造，使其成為高靈敏度無標(biāo)記生物傳感器的經(jīng)濟(jì)高效的方法。ISFET 和 EGFET 很容易在 CMOS 之上采用標(biāo)準(zhǔn)工藝制造，但它們存在器件穩(wěn)定性和漂移問題。
　GFET 的晶圓級(jí) CMOS 集成

　用于多分析物檢測的 GFET 集成到 CMOS 多路復(fù)用器平臺(tái)中，可同時(shí)測量數(shù)百個(gè) GFET。采用 0.35μm 模擬工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集成的 200mm CMOS 是使用 X-Fab 提供的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)制造的?？偣矞y試了 512 個(gè) GFET，可進(jìn)一步擴(kuò)展到 4,096 個(gè)器件。全局?jǐn)?shù)字控制用于通過觸發(fā)像素級(jí)本地 CMOS 開關(guān)來測量 GFET 的電阻讀數(shù)來選擇 GFET。GFET 值的測量是通過在切割晶圓上選擇五個(gè)傳感器芯片來進(jìn)行的。將芯片引線鍵合到芯片載體上以進(jìn)行電氣測量。

　(a) 具有引線接合在芯片載體上的 CMOS 集成 GFET 的芯片； (b) GFET 的電測量配置。
　圖 2：(a) 帶有引線鍵合在芯片載體上的 CMOS 集成 GFET 的芯片；(b) GFET 的電氣測量配置（Soikkeli 等人，2023 2）

　參數(shù)分析儀與芯片上的 CMOS 多路復(fù)用器一起使用，用于器件的測量和偏置。液體柵極電壓 (V g ) 通過使用全局片上 Pt 液體柵極進(jìn)行控制。下圖顯示了在沒有選通的環(huán)境條件下測量的電阻值，以及五個(gè)芯片的測量電阻值的直方圖。每個(gè)芯片的平均電阻值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

　512 GFET的電阻值； (b) 五個(gè)芯片測量的電阻直方圖。
　圖3：512個(gè)GFET的電阻值；(b) 五個(gè)芯片測量的電阻直方圖（Soikkeli 等人，2023 2）
　GFET 的性能和穩(wěn)定性通過去離子水 (DIW) 中的電氣測量來衡量。GFET 在 DIW 中暴露兩次，以獲得器件的電阻與 V g的函數(shù)關(guān)系。Vg _使用片上 Pt 電極將其應(yīng)用于所有 GFET。結(jié)果顯示狄拉克峰值電壓具有良好的穩(wěn)定性和較低的變化。狄拉克峰值電壓是石墨烯通道電荷中性點(diǎn)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，低變化表明 GFET 均勻且具有一致的電性能，從而實(shí)現(xiàn)一致的測量，這對(duì)于生物傳感器及其應(yīng)用非常重要。同樣，GFET 也暴露于不同濃度的氯化鈉 (NaCl) 溶液中。這樣做是為了獲得器件的電阻和跨導(dǎo)值，作為每個(gè) NaCl 濃度的柵極電壓的函數(shù)。
　測量結(jié)果顯示，由于柵極電容變化引起石墨烯溝道中的摻雜變化，狄拉克峰值電壓位置發(fā)生了偏移。盡管峰值電壓值發(fā)生了變化，但狄拉克峰值處的平均電阻值保持恒定，這表明 GFET 的主要傳感機(jī)制是靜電門控。NaCl 濃度測試后，再次使用 DIW 測試 GFET，以確保器件返回到 DIW 表征中建立的基線。