絲網印刷型自參比-石墨烯場效應晶體管生化傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明創造屬于生物化學傳感器領域，尤其是涉及一種器件結構及工藝設計。
【背景技術】
[0002] 場效應晶體管時電子產品中應用最多的元器件，這些器件的產生和應用都具有劃 時代的意義。它的出現引發了電子工業的一場巨大革命，這種元器件的在電子產品中的應 用及其發展使集成電路成為可能，是電子元器件小型化成為趨勢。第一代可應用的場效應 晶體管是基于單晶硅的金屬-氧化物-半導體場效應晶體管，被稱作金屬-氧化物半導體場 效應晶體管（metal-oxide-semiconductor field effect transistor,簡稱M0SFET)。貝爾 實驗室于1960年制造出第一個M0SFETJ0SFET在現代記憶元件、集成電路記憶計算機的處 理器中都有著至關重要的作用。比如:M0SFET可用于數字電路與邏輯電路中的加法器、轉移 器、換流器、算法邏輯單元以及用于構造序列邏輯電路等。將空穴傳輸的MOSFET(PFET)與電 子傳輸的MOSFET(NFET)結合起來作用制作在同一塊晶片上，就組成了互補型金屬氧化物半 導體場效應晶體管（complementary metal-oxide-semiconducor，簡稱CMOS) <X0MS是各類 邏輯電路的基本單元，它時電路中元器件的尺寸變小、功耗降低、穩健性提高、噪音減小。
[0003] 由于量子效應的存在，發展到納米尺寸的硅場效應晶體管若要再進一步地微型 化，就會非常困難并且要付出昂貴代價，一般認為小于10納米后不太可能生產出性能穩定、 集成度更高的產品。然而石墨烯場效應晶體管的出現將延長摩爾定律的壽命。石墨烯場效 應晶體管的出現在生物檢測領域也有著重要意義，下面主要介紹生化量檢測中常用的液柵 石墨烯場效應晶體管的兩種結構以及它們的工作原理。
[0004] 液柵的結構被廣泛使用在聚合物型場效應晶體管中[1，2]，也被成功應用于碳納 米管場效應晶體管中[3,4]。現在，隨著對石墨烯材料研究的深入以及其在生物傳感器中的 廣泛應用，基于液柵的石墨烯場效應晶體管開始引起科研人員的興趣。液柵石墨烯場效應 晶體管的結構如圖1所示。在這種結構中，溶液3充當晶體管的介質層，當通過參比電極4給 晶體管施加偏壓VRE時，在石墨烯薄膜2與溶液3的界面處形成雙電層，其厚度分別約為 〇, 和幾個A[5];該雙電層的厚度特別小，電容很大，所以液柵石墨烯場效應晶體管可以 在較低的偏壓下在石墨烯薄膜2中產生大量導電載流子；當源極5和漏極6之間施加穩定源 漏電壓VDS時，可形成穩定的源漏電流IDS。
[0005] 這種液柵石墨烯場效應晶體管生化傳感器最主要的一個功能就是作為生物檢測 元件，其生化敏感機制可以簡述如下:首先，當被測生化物質通過一定方式附著到石墨烯表 面時，會對石墨烯薄膜2與溶液3的雙電層產生影響;其次，當界面雙電層隨被測生化物質改 變時，將導致在相同參比電極4的偏壓VRE作用下，石墨烯薄膜中載流子濃度隨之改變;最 終，石墨烯薄膜2中載流子濃度的變化將導致，相同源漏電壓VDS時，源漏電流IDS隨被測生 化物質而變化。
[0006] 液柵石墨烯場效應晶體管的制備方法，以早期的機械剝離法[6,7,8]、化學氣相沉 積法[9]及外延生長法[10,11]為主，此類方法得到的石墨烯薄膜2純度高、結構理想，因此 采用此類方法制備的石墨烯場效應晶體管性能較好，在科研領域廣泛使用，但其成本高、不 適于量產;近年來又出現了基于化學液相工藝的旋涂法和微成型法[12,13]，此類方法以改 進Hummers法[14]為基礎，具有工藝簡單、成本低廉、適于工業化生產的優勢，但是此類工藝 制備的石墨烯場效應晶體管性能不高、存在石墨烯薄膜2與絕緣襯底1粘附性差的問題。
[0007] 綜上所述，檢索文獻發現現有液柵石墨烯場效應晶體管制備方法均存在一個重要 問題:液柵石墨烯場效應晶體管中的參比電極4無法與石墨烯薄膜2、源極5、漏極6即成為一 體，從而導致在實際生化檢測中參比電極4與石墨烯薄膜2之間的距離不固定，影響測量結 果。
【發明內容】
[0008] 有鑒于此，本發明創造旨在提出一種絲網印刷型自參比-石墨烯場效應晶體管生 化傳感器，該石墨烯場效應晶體管傳感器采用絲網印刷技術制備，既具有石墨烯場效應晶 體管的器件優勢，又可滿足液體環境中生物化學傳感器三電極檢測的需求，工藝簡單、成本 低廉;此外，自參比的結構設計，不同于現有液柵石墨烯場效應晶體管，采用了將參比電極、 石墨烯場效應晶體管集成為一體的設計方案，具有全固態、易操作的優勢;最后，由于采用 了對石墨烯材料和襯底分別進行羧基化和氨基化處理，有利于提高器件的穩定性。
[0009] 為達到上述目的，本發明創造的技術方案是這樣實現的：
[0010] -種絲網印刷型自參比-石墨烯場效應晶體管生化傳感器，包括源極5、漏極6、絕 緣保護層7、Ag/AgCl箱片8、底部PET絕緣膜片9、羧基化石墨烯薄膜10、導電銀漿印制11、頂 部PET絕緣膜片12、壓焊點13、接觸窗口 14，其特征為，羧基化石墨烯薄膜10、源極5、漏極6位 于底部PET絕緣膜片9上表面，且源極5和漏極6分立于羧基化石墨烯薄膜10兩側；絕緣保護 層7分別與源極5和漏極6的上表面相連，且在羧基化石墨烯薄膜10的上表面中間區域設置 有接觸窗口 14;羧基化石墨烯薄膜10的上部懸置有Ag/AgCl箱片8，Ag/AgCl箱片8的上表面 與導電銀漿導線11相連;導電銀漿導線11的上表面與頂部PET絕緣膜片12的下表面相連，下 表面的遠離Ag/AgCl箱片8-側與絕緣絕緣保護層7相連。
[0011] 本發明的技術特點：
[0012] (1 )Ag/AgCl箱片8作為參比電極懸置于羧基化石墨烯薄膜10上部，具有自參比的 結構、全固態生化傳感器的特點。
[0013] (2)本發明中的底部PET絕緣膜片9的上表面被氨基化處理，同時采用了羧基化石 墨烯薄膜10，替代傳統液柵石墨烯場效應晶