组成图示
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传感器类型
场效应晶体管(FET)生物传感器
检测对象
氢离子（H+，pH）、链霉亲和素（streptavidin）；样品基质为磷酸盐缓冲液（PB，10 mM 或 50 mM，pH 6.2–8.2/7）
检测原理
EISFET 以溶液和 Ag/AgCl 参比电极替代金属栅，SiO2 栅介质与溶液界面形成双电层。pH 检测时，SiO2 表面 SiOH 与 APTMS 氨基 NH2 发生质子化/去质子化，改变表面电荷密度；生物分子检测时，生物素捕获链霉亲和素，链霉亲和素在 pH 7 带负电，结合后等效负栅偏置。表面电荷变化通过栅介质耦合到全耗尽 SOI 沟道，改变表面势和载流子浓度，从而调制漏极电流 IDS。FD SOI 前后界面电荷耦合增强表面电位灵敏度，亚阈值区高跨导 gm 提供电学放大。信号以 IDS 随 VREF/VDS/VGb 的变化读出，随被测物浓度或 pH 变化呈单调响应。
检测灵敏度
灵敏度斜率: 40 mV/pH
效应效果
器件在 pH 6.2–8.2 范围内线性响应，pH 灵敏度 40 mV/pH，低于 SiO2 理论值 47 mV/dec（pH 6）和 51 mV/dec（pH 8），但作者认为混合两性表面仍敏感；pH 灵敏度在电解液或干燥条件下可稳定数月。生物素-链霉亲和素模型中，加入 20 nm 链霉亲和素后漏极电流下降且稳定，归因于近共价结合 Ka~10^-15 M^-1；漂移约 3 mV/h^-1，15 min 内可忽略。AFM 显示活性区 RMS 粗糙度 0.62 nm，APTMS 单层 RMS 0.30–0.31 nm，接触角随修饰时间增加，表明 SAM 较均匀。测试结构 gm 约 29 µA/V，VT 约 0 V。作者认为标准 CMOS 工艺可高产量、低成本制造，适用于医疗和环境生物传感。
传感器的构成
- 基底/换能器：SOI 晶圆（SOITEC），埋氧 BOX 1000 nm，活性 SOI 层氧化/去氧化减薄至 10–30 nm，形成全耗尽（FD）n 沟道；砷（As）注入源漏区，Ti/Al/TiN 互连与 Au 焊盘提供电极。
- 栅介质：约 30 nm LPCVD SiO2，作为溶液/半导体界面，提供 pH 敏感表面。
- 钝化层：4500 Å PECVD Si3N4，保护互连并开活性栅窗口。
- 识别元件：氧等离子体/UVOCS 活化后 APTMS（aminopropyltrimethoxysilane）氨基自组装单分子层（SAM），用于固定生物素（biotin）捕获分子。
- 参比电极：自制 Ag/AgCl 线型参比电极，提供 VREF 栅偏置。
- 样品池：O-ring 密封流式池，样品体积 30 µL，黑色遮光，便于换片。
- 读出仪器：Agilent HP4062 模拟测试仪与 Electroglass EG2010 探针台，测量 IDS-VDS/VREF/VGb。
中文摘要
微纳半导体器件在生物与化学组分检测中日益重要，活性生物材料与敏感换能器集成有望获得高灵敏、特异、可靠且可批量制造的生物传感器。本文报道了一种基于标准 CMOS 工艺制造的全耗尽（FD）电解质-绝缘体-半导体场效应晶体管（EISFET）。器件采用 SOI 晶圆，通过多次氧化/去氧化将活性 SOI 层减薄至 10–30 nm，使沟道在给定掺杂下全耗尽，从而增强对表面电位变化的响应。工艺包括 MESA 隔离、砷注入源漏、PECVD 氧化/氮化、Ti/Al/TiN 互连、Au 焊盘及活性栅区开窗。作者设计了低体积流式池和 Ag/AgCl 参比电极进行湿态 I-V 测量，并用氧等离子体/UVOCS 活化及 APTMS 硅烷化形成氨基自组装单分子层。pH 测试显示 APTMS 修饰的 n 沟道器件在 pH 6.2–8.2 范围内具有 40 mV/pH 的灵敏度；生物素-链霉亲和素模型中，加入 20 nm 链霉亲和素后漏极电流下降，证明该平台可无标记检测生物分子结合。该工作为高产量、低成本 CMOS 生物传感器制造迈出第一步，面向医疗与环境传感应用。
英文摘要
Microfabricated semiconductor devices are becoming increasingly relevant for detection of biological and chemical components. The integration of active biological materials together with sensitive transducers offers the possibility of generating highly sensitive, specific, selective and reliable biosensors. This paper presents the fabrication of a sensitive, fully depleted (FD), electrolyte-insulator-semiconductor field-effect transistor (EISFET) made with a silicon-on-insulator (SOI) wafer of a thin 10-30 nm active SOI layer. Initial results are presented for device operation in solutions and for bio-sensing. Here we report the first step towards a high volume manufacturing of a CMOS-based biosensor that will enable various types of applications including medical and environmental sensing.