長(zhǎng)期以來，科學(xué)家和工程師們一直大力推崇石墨烯在電子設(shè)備中的應(yīng)用，因?yàn)樗哂谐錾膶?dǎo)電性、光學(xué)透明度、機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和在高溫下保持穩(wěn)定性的能力。然而，石墨烯在商業(yè)層面的電子產(chǎn)品中的應(yīng)用仍然有限。部分原因是，制造和集成大多數(shù)（但不是全部）大規(guī)模電子產(chǎn)品所需的單層石墨烯要困難得多。這也是因?yàn)椋鳛橐环N新材料，石墨烯在使用前必須經(jīng)過嚴(yán)格的監(jiān)管和認(rèn)證要求，才能在許多高科技應(yīng)用中使用。盡管如此，包括傳感器在內(nèi)的許多先進(jìn)技術(shù)市場(chǎng)正開始更廣泛地使用這種材料。

全球許多公司都開發(fā)了石墨烯傳感器，但其中許多公司純粹圍繞生物傳感，許多公司在疫情期間試圖開發(fā)先進(jìn)的COVID 測(cè)試。但總部位于英國(guó)劍橋郡的Paragraf公司的目標(biāo)不僅僅是成為一家小規(guī)模的石墨烯傳感器批量生產(chǎn)商。相反，該公司的目標(biāo)是成為第一家為最終用戶提供“空白畫布”石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管(gFET) 傳感組件，代工廠可以根據(jù)不同行業(yè)的用戶的個(gè)性化需求進(jìn)行定制。

Paragraf 認(rèn)為，這種方法將使公司更容易擴(kuò)大其制造能力。這種方法消除了監(jiān)管限制，使工程師只需專注于核心技術(shù)，而不必考慮他們的傳感器可能用于哪些場(chǎng)景以及需要專門定制哪些場(chǎng)景。

構(gòu)建空白畫布gFET

可以說，Paragraf 的傳感器元件是一塊空白畫布。該公司正在通過在藍(lán)寶石基板上生長(zhǎng)石墨烯并在頂部添加兩個(gè)帶有柵極電極的觸點(diǎn)來構(gòu)建主要傳感表面（畫布）。然后由 Paragraf 的客戶根據(jù)他們的需要完成傳感器的最終設(shè)計(jì)：“我們出售的不是成品傳感器，” Paragraf 的生物傳感器總監(jiān)Mark Davis表示，他補(bǔ)充說，用戶可以將許多不同類型的受體添加到傳感器中。

通過讓用戶控制傳感受體，gFET 將更容易滿足各自行業(yè)的監(jiān)管和認(rèn)證要求。Paragraf 瞄準(zhǔn)了許多應(yīng)用和行業(yè)，包括醫(yī)療 診斷中的鉀離子傳感、農(nóng)業(yè)廢水徑流中的重金屬檢測(cè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和氫能行業(yè)中的氣體傳感應(yīng)用、細(xì)胞和基因治療中的 pH 傳感、食品和飲料監(jiān)測(cè)以及化學(xué)加工應(yīng)用。

gFET 在醫(yī)療診斷方面也具有很大的潛力，因?yàn)榭梢栽谕恍酒蠝y(cè)量多種不同的生物標(biāo)記或感興趣的化學(xué)成分。“許多 gFET 只包含 3 到 5 個(gè)通道，但 Paragraf 的 FET 尺寸意味著我們可以在一個(gè)芯片上安裝多達(dá) 100 個(gè)通道，”戴維斯說，這使得最終的芯片能夠檢測(cè)和區(qū)分給定樣本中的更多東西。

據(jù) Paragraf 公司稱，由于 gFET 具有高靈敏度，其用戶開始使用這些空白畫布傳感器開發(fā)醫(yī)療診斷平臺(tái)，用于單離子和 pH 傳感應(yīng)用。“對(duì)于大多數(shù)醫(yī)療保健應(yīng)用，我們正在尋找一次性使用的傳感器，每個(gè)傳感器的成本為 1 美元，”戴維斯說。“未來，只要我們每年能生產(chǎn)超過 100 萬個(gè) [傳感器]，并將晶圓尺寸保持在 3 x 3 毫米以下，我們就能夠?qū)⒊杀窘档偷竭@個(gè)水平——在現(xiàn)實(shí)世界中拓展石墨烯傳感器和石墨烯電子產(chǎn)品的潛力和能力。”

大規(guī)模開發(fā)gFET傳感器組件

Paragraf 正在開發(fā)的 gFET 是一種電解質(zhì)門控FET。FET的工作原理是將用戶想要分析的電解質(zhì)液滴放置在傳感器表面。電解質(zhì)的電導(dǎo)率會(huì)產(chǎn)生電偏壓，從而改變傳感器石墨烯片中電子的行為方式。這也會(huì)改變石墨烯片上可檢測(cè)的電阻——而且由于石墨烯的電性能非常好，因此可以檢測(cè)到電解質(zhì)樣品中極小濃度的離子（包括單個(gè)離子）。

Paragraf 正在批量生產(chǎn)傳感器，類似于半導(dǎo)體行業(yè)制造充滿芯片的晶圓的方式，并通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積將石墨烯直接沉積到晶圓上，并在頂部連接金屬觸點(diǎn)。

許多化學(xué)氣相沉積技術(shù)可以在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯，但隨后需要將石墨烯轉(zhuǎn)移到終端設(shè)備，這可能會(huì)導(dǎo)致石墨烯中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷和銅污染，從而影響設(shè)備的傳感能力。通過直接在晶圓上生長(zhǎng)石墨烯，Paragraf 避免了這種情況，從而提高了設(shè)備的傳感性能。戴維斯表示，Paragraf“以半導(dǎo)體方式制造傳感器元件，這樣我們就可以將傳感器元件小型化，并在每個(gè)芯片上安裝更多傳感器元件。Paragraf 的愿景是成為一家代工廠，成為最終診斷解決方案的傳感器組件制造商。”

戴維斯表示，Paragraf 目前可以在邊長(zhǎng) 51 毫米的晶圓上安裝多達(dá) 32 個(gè) gFET 。該公司正在劍橋郡亨廷頓建立一個(gè)大型制造工廠。Paragraf 最近還收購了位于圣地亞哥的另一家石墨烯傳感器公司 Cardea Bio 。

Paragraf 還在開發(fā)具有寬動(dòng)態(tài)范圍的石墨烯霍爾效應(yīng)傳感器，用于低場(chǎng)和高場(chǎng)磁測(cè)量應(yīng)用——從繪制CERN的高磁場(chǎng)圖和測(cè)量電磁場(chǎng)，到精確定位電池中的電流泄漏和測(cè)量量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部超小磁場(chǎng)的存在——但這些都是標(biāo)準(zhǔn)的傳感器元件架構(gòu)，不需要最終用戶進(jìn)行任何進(jìn)一步的輸入即可使用——它們已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。最終，Paragraf 押注于空白 gFET，希望能夠創(chuàng)建第一個(gè)石墨烯代工廠。