先进的传感器技术：即使在液体环境中也具有高响应性和多功能性

安德鲁·科塞利

该团队将采用新型场效应晶体管设计构建的传感器安装到集成电路板上（如图所示），以测试传感精度和灵敏度。他们发现，他们的方法使传感器不仅具有响应能力，而且能够高度抵抗以前设计中遇到的信号漂移问题。 （图片来源：Jaydyn Isiminger / 宾夕法尼亚州立大学）

准确测量生物标志物（如蛋白质和神经递质）或供水中的有害化学物质的微小变化，可以在关键问题影响患者或环境之前识别出它们。虽然一些现有的传感器可以监测这些问题背后的微观物质，但它们通常有局限性。一个主要的例子是一种称为场效应晶体管的设备——一种控制系统中电流流动的微小元件——当暴露在液体中时，它很难保持稳定。

宾夕法尼亚州立大学的研究人员设计了一种新型场效应晶体管，即使在人体等富含液体的环境中，也可以促进响应灵敏且多功能的传感。使用该团队的晶体管构建的传感器对各种化学和生物信号（例如水中的危险化学物质或大脑中的多巴胺水平）的敏感度比使用类似晶体管设计构建的其他传感器高出 20 倍。该团队在npj 2D Materials and Applications上发表了他们的研究成果 .

这是独家技术简介 采访，为篇幅和清晰度进行了编辑，分别是该论文的通讯作者和第一作者 Aida Ebrahimi 和 Vinay Kammarchedu。

技术简介 ：您在开发这种传感技术时遇到的最大技术挑战是什么？

Ebrahimi 和 Kammarchedu ：我们遇到的主要障碍是当双栅极传感器浸入液体环境中时栅极泄漏。虽然使用局部高 k 背栅成功地降低了有效氧化物厚度并抑制了干燥环境中的漏电，但液体环境会带来严重的并发症。必须小心地最小化背栅电极面积，以避免由氧化物缺陷引起的法拉第电流。微观加工缺陷在空气中充当无害的绝缘体，一旦放入溶液中，就会突然成为离子的主动泄漏路径。此外，介电材料本身容易受到电化学降解和偏压下水辅助蚀刻的影响，从而导致器件故障。我们认为，这一严峻的技术挑战是双栅石墨烯场效应晶体管迄今为止尚未在研究或工业中广泛采用的关键原因。为了最终克服这个问题，我们优化了氧化层并完善了制造协议，以消除尽可能多的微观缺陷。最重要的是，我们成功地最小化了背栅面积。通过大幅减少这一足迹，我们有效地切断了离子的主动泄漏路径并抑制了法拉第电流，最终使我们能够在液体环境中实现稳定、可靠的传感器运行。

Aida Ebrahimi（左）和 Vinay Kammarchedu 开发了一种改进的场效应晶体管设计，可以为极其灵敏和弹性的传感器提供动力。 （图片来源：Jaydyn Isiminger / 宾夕法尼亚州立大学）

技术简介 :能简单解释一下它是如何工作的吗？

E&K ：将标准场效应晶体管想象成水槽中的水龙头。当水龙头（我们在电子学中称之为门）打开时，电流自由流过系统。当闸门关闭时，水流停止。要使用传统传感器进行测量，您必须不断地上下调整水龙头，这会导致不稳定并导致读数不准确。为了解决这个问题，我们设计了一个具有两个门而不是一个门的系统，使我们能够独立控制流经系统的电流量。使用两个栅极使我们能够保持电流恒定运行，从而消除了信号漂移的主要原因。然后，我们在其中一个门上添加了一个反馈系统，以精确跟踪分子如何影响传感器的电压。由于顶栅的电容是底栅的 10 倍，因此它对环境非常敏感，而底栅则充当刚性电子平衡装置。这种关系放大了信号。如果传感器表面发生微小的化学变化，我们会在测量中看到它乘以 10，从而使我们能够清楚地识别非常微小的化学读数。

技术简介 ：您有什么最新消息可以分享吗？

E&K ：我们已成功测试了该平台对气相挥发性有机化合物的响应。具体来说，我们利用差分模式固定 (DMF) 配置来检测异丙醇。关于商业化，宾夕法尼亚州立大学已提交一份临时专利申请，涵盖这种反馈驱动的双门传感平台。至于未来的材料，我们使用可扩展的材料和简单的电子设备，使该平台可以轻松适应未来的其他 2D 材料。目前，我们正在设计实验以实现这一目标，其中包括优化传感器以识别与帕金森病相关的挥发性有机化合物，并探索我们的系统如何与不同的二维材料一起运行。

技术简介 ：对于那些希望将自己的想法变成现实的研究人员，您有什么建议吗？

E&K ：我们的研究证明了跨学科合作和适应性的力量。我们通过融合电气工程、生物医学工程和材料科学的专业知识，克服单门传感器长期存在的局限性，成功地实现了这一想法。我最大的建议是保持灵活性并跳出框框思考：最初，我们将这些设备用于另一种传感机制，但我们必须转向这种新颖的反馈机制，以实现我们所需的稳定性和灵敏度。

技术简介 ：还有什么我没有提到的你想补充的吗？

E&K ：我们很乐意强调我们的系统的可扩展性和实用性。我们的架构成功地弥合了纳米级材料和实用的便携式诊断工具之间的差距。我们已成功将多个传感器直接集成到定制电路板中。我们可以集成数十个传感器并独立测量每个传感器，而不会受到任何电气干扰。通过堆叠这些电路板阵列，我们可以轻松地扩大系统中传感器的数量，同时保持设备本身非常小。我们还想补充一点，几十年来，联邦政府对研究的支持推动了这种类型的创新，而最近联邦资金的削减威胁着我们在解决影响人类健康和安全的实际问题方面取得的进展。