论文部分内容阅读
生物化学传感器与人们的健康检测、生态环境状况检测、食品药品安全等各方面息息相关。半导体传感器以其自身具备的特殊性能，能进一步促进其传播范围的不断深化，研究快速灵敏且便携低廉的半导体生物化学传感器对物联网的发展有着重要的意义。GaN作为第三代半导体材料的代表，以其高化学稳定性和生物兼容性，较宽的带隙、较高的电子迁移率、优异的抗辐照能力以及良好的耐高温能力，十分适合高可靠性的传感器应用。 本论文依托西安电子科技大学宽禁带半导体重点实验室的HEMT器件工艺，从版图设计、材料选择、器件制备、传感区域表面修饰和表征、传感器件封装、器件基本性能测试、传感性能测试等方面对基于无栅AlGaN/GaN HEMT器件的液体pH检测性能、微量蛋白质特异性检测性能和剪切力对细胞膜电位的影响三方面进行了研究。 论文根据无栅AlGaN/GaN HEMT传感器的结构及工作原理，结合AlGaN/GaN HEMT传感器件的源漏电流、跨导与传感区域结构尺寸之间的关系，以及后续封装测试的需要，设计了传感器的结构参数及制备工艺流程，成功制备得到了跨导最大值在0V左右的无栅AlGaN/GaN HEMT器件。采用PDMS对进行无栅AlGaN/GaN HEMT器件进行了封装。 无栅AlGaN/GaN HEMT的pH检测性能方面，本文得到了50.7mV/pH的检测灵敏度，符合能斯特理论限制的58.9mV/pH，且器件的源漏电流与溶液pH大小具有很好的线性关系。通过对比实验发现对传感区域进行APTES自组装膜修饰可提高器件的pH传感性能。进一步在不同pH溶液中对外加栅压从-5V到2V时器件的源漏泄漏电流进行了测量，结果表明本文选取薄势垒层材料制作的器件用于液体传感器具有漏电小、无需参比电极的优势，可实现pH传感器便携化。 无栅AlGaN/GaN HEMT的蛋白质检测性能方面，本文中的传感器件对IgG蛋白质的最小检测极限浓度为1pg/mL，小于临床诊断的一般依据浓度。结果显示以栅区感应液体为PBS时所测得的源漏电流为基准电流，随着抗原浓度不断增大，电流呈逐渐减小趋势。同一源漏电压下，源漏电流的大小与抗原浓度的对数值大小接近线性关系。经数据分析，本文中的实验结果基本符合能斯特公式的理论规律。因此本文认为无栅AlGaN/GaN HEMT在蛋白质检测方面是可行的，具有极大的应用潜能。 无栅AlGaN/GaN HEMT器件在剪切力下动态检测细胞膜电位方面，本文实验验证了该创新性测量方法具有一定可行性。通过分析剪切力大小与微流控通道尺寸及液体流速的关系，明确了利用无栅AlGaN/GaN HEMT器件在剪切力下检测细胞膜电位的测量依据，在无栅AlGaN/GaN HEMT器件传感区域成功孵化了人体脐带静脉贴壁细胞，并搭建了模拟剪切力环境的微流控装置。经动态测试，可大致看出随着剪切力的增大，源漏电流呈现不断上升的趋势。本文认为随着施加剪切力的增大，内皮细胞膜上的正电荷增多，引起源漏电流增大，而细胞膜电位与细胞膜内外的离子浓度有很大关系，具体检测原理和实验结果有待进一步验证。 本文所做的研究验证了AlGaN/GaN HEMT器件在生物化学传感方面的可行性和应用潜能，为实现AlGaN/GaN HEMT生物化学传感器件商用化奠定了基础。