无需校准且抗漂移的AlGaN/GaN HEMT传感器阵列，用于智能pH值检测

《Analytica Chimica Acta》：Calibration-Free and Drift-Robust AlGaN/GaN HEMT Sensor Arrays for Intelligent pH Detection

AlGaN/GaN HEMT传感器阵列通过集成芯片级参考电极和多层金属化技术实现电隔离与并行信号采集，结合数据驱动的ANN模型有效抑制传感器间差异、芯片间不均和重复测量漂移，分类准确率达95%，并通过XPS和KPM验证表面态随时间演化，注意力增强ANN进一步缓解存储导致的性能衰减。

　　

Jiang Zhu|Heqiu Zhang|Dawei Guo|Guanbing Ji|Jialin Wang|Shupeng Sun|Hongwei Liang

大连理工大学集成电路学院，中国大连，116620

摘要

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）结合了表面电荷耦合和优异的化学稳定性，使其在液相生物传感中极具吸引力。然而，在扩展到阵列级应用时，传感器之间的差异、芯片间的不一致性以及重复测量时的响应变化可能会共同影响重复性。在这项工作中，我们报告了一个硬件-算法协同优化的传感平台，该平台集成了单片嵌入的芯片参考电极和多层金属化结构，以确保电气隔离和矩阵式信号采集。为了解决阵列级变异性问题，我们采用了数据驱动的人工神经网络（ANN），从而在无需显式重新校准的情况下提高了传感器、芯片和重复测量之间的鲁棒性。该模型在不同芯片和测量条件下的识别性能表现出色，具有稳定的芯片内识别能力和有效的芯片间传输能力，在联合数据集上训练时，分类准确率达到了约95%。X射线光电子能谱和开尔文探针测量结果显示，在30天的存储期间，GaN覆盖层表面的状态逐渐发生变化。通过引入注意力增强型ANN，缓解了30天数据集上观察到的分类准确率下降问题，从而在不重新校准的情况下提高了预测准确性。

引言

现代生物传感正朝着高通量和智能传感系统发展，这些系统能够从复杂的液体环境中提供可靠的信息[1]、[2]、[3]。传感器阵列能够进行并行测量、空间分辨分析和统计平均，比传统的单传感器配置提供更丰富和更可靠的信息，因此成为下一代传感系统的重要方向[4]、[5]、[6]。然而，扩展到阵列级操作不可避免地放大了传感器之间的差异、芯片间的不一致性和响应不稳定性，这些因素共同降低了重复性和实际鲁棒性[7]、[8]。这些非理想现象在电传感平台上普遍存在，尤其是在液相操作中，界面状态的变化、表面吸附和电荷重新分布会不断干扰表面电势，导致信号逐渐退化。现有的漂移抑制方法通常需要频繁校准，或者无法在不同传感器和芯片之间通用，从而阻碍了在实际场景中的应用[9]、[10]、[11]。因此，开发一种可扩展且通用的漂移补偿策略对于实现稳定和智能的基于阵列的传感至关重要。

离子敏感场效应晶体管（ISFETs）由于其快速响应、无标记操作和高灵敏度而被广泛采用[12]、[13]。从硅到石墨烯和过渡金属硫属化合物的通道材料的持续发展进一步提高了基于ISFET的传感器的灵敏度和适用性[14]、[15]、[16]。在这种情况下，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）提供了额外的优势，包括表面电荷耦合、化学稳定性和与单片集成的兼容性，使其成为液相传感器阵列平台的有希望的基础[17]、[18]。然而，AlGaN/GaN HEMT传感器阵列也受到器件间变异性和非理想信号变化的影响，这限制了其重复性和实际鲁棒性。为了解决这些问题，我们提出了一个硬件-算法协同优化的传感框架。在硬件层面，开发了一个系统集成的AlGaN/GaN HEMT阵列，其中包含了芯片参考电极和多层金属化结构，以实现电气隔离、低串扰和矩阵式并行信号采集。在算法层面，采用了数据驱动的人工神经网络（ANN）直接从完整的传输特性中学习代表性特征。这种策略提高了对器件间、芯片间和重复测量变化的鲁棒性，同时在一致的测量条件下实现了pH值预测。该模型在不同部署场景下表现出可靠的泛化能力，在单个芯片内实现了持续的高识别准确率，并在跨芯片传输时保持了可靠的性能。在联合数据集上训练后，其分类准确率达到了约95%，表明在一个芯片上训练的模型可以无需重新校准即在新制造的芯片上部署。在多个存储时间点（第0天、第7天、第15天和第30天）进行的X射线光电子能谱（XPS）和开尔文探针测量（KPM）结果显示，GaN覆盖层的表面状态和电荷重新分布逐渐发生变化。在测试的存储条件下，注意力增强型模型在第30天数据集上的预测准确性得到了提高。这项工作为基于ANN的高通量生物传感提供了一个可扩展的框架，提高了对传感器不一致性和存储引起的响应变化的容忍度。

基于AlGaN/GaN HEMT传感器阵列的液相测试平台构建

图1展示了用于液相传感和信号处理的AlGaN/GaN HEMT传感器阵列平台的示意图。该系统包括三个关键模块：流体控制模块、传感器阵列和测量系统。如图1a所示，使用蠕动泵实现了液体样品向传感器单元的连续稳定输送。图1b显示了与聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道键合的AlGaN/GaN HEMT传感器阵列芯片。图1c

结论

在这项工作中，我们开发了一个智能且可扩展的AlGaN/GaN HEMT阵列传感平台，用于液相生物传感，旨在解决实际操作中长期以来存在的器件不一致性和存储后响应变化问题。该平台集成了单片嵌入的芯片参考电极、具有介电隔离的多层金属化结构和矩阵式寻址方式，从而实现了电气隔离和并行读出，显著提高了

材料

晶圆是在蓝宝石衬底上通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法制备的。晶圆包含2 μm厚的GaN缓冲层、250 nm厚的GaN通道层、0.5 nm厚的AlN间隔层、24 nm厚的非故意掺杂的Al_0.24Ga_0.76N势垒层以及2 nm厚的GaN覆盖层。室温下的霍尔效应测量显示，载流子密度为1.2 × 10¹³ cm^?3，迁移率为1846 cm² /(V?s)。

AlGaN/GaN HEMT传感器阵列的制备

AlGaN/GaN HEMT传感器阵列的制备过程是

CRediT作者贡献声明

Jialin Wang：验证、形式分析、数据管理。Dawei Guo：验证、形式分析、数据管理。Guanbing Ji：验证、形式分析、数据管理。Jiang Zhu：撰写——初稿、方法论、研究、形式分析。Heqiu Zhang：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、资金筹集。Shupeng Sun：验证、形式分析、数据管理。Hongwei Liang：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（授权号：12335011）的支持。