半導(dǎo)體所研制出晶圓級集成的多模態(tài)仿生味覺傳感系統(tǒng)
目前，用于物理信息神經(jīng)形態(tài)感知的人工振蕩神經(jīng)元/感受器研究進展迅速，但用于化學感知的生物擬真神經(jīng)元的研究工作仍然有限。該類神經(jīng)元通過仿生化學感受器或通道在濕件中對多種化學刺激（離子或生物分子）做出尖峰脈沖輸出響應(yīng)?，F(xiàn)有的兩種基于納米流體通道和有機電化學晶體管（OECT）的化學感知振蕩架構(gòu)都展示出化學介導(dǎo)的尖峰編碼功能、仿生結(jié)構(gòu)等顯著的生物擬真特性，但它們在材料穩(wěn)定性、用于微型化和集成化的器件制造技術(shù)以及系統(tǒng)功耗方面都面臨重大挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)的化學感知振蕩架構(gòu)發(fā)展相對滯后，其依靠離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）進行離子檢測，且需要基于晶體管的輔助電路再對信號進行編碼。盡管這一架構(gòu)與互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)兼容，但由于其神經(jīng)元動態(tài)范圍有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要額外的參考電極、生物相容性差以及缺乏生物現(xiàn)實特征，通常不適用于構(gòu)建化學感知振蕩神經(jīng)元。在這方面，能與CMOS兼容的非線性器件——憶阻器提供了一種可行且有前景的替代方案。為了取代傳統(tǒng)的復(fù)雜輔助電路，莫特（Mott）憶阻器已被用于化學感知振蕩神經(jīng)元，以對從ISFET獲得的離子信號進行尖峰編碼。然而，這種憶阻器基系統(tǒng)仍存在以下幾點固有缺陷：額外且不穩(wěn)定的參比電極端；僅對有限離子種類敏感的受限ISFET類型；莫特憶阻器的電流尖峰編碼模式、高功耗與振蕩頻率等非生物擬真特性；兩個平面器件單元之間額外的互連導(dǎo)致的能耗和制造成本增加。因此，設(shè)計和構(gòu)建一種合適的化學感知振蕩架構(gòu)以實現(xiàn)器件微型化和晶圓級集成一直是難以克服的挑戰(zhàn)，需同時兼具生物擬真的器件特性以及與CMOS兼容技術(shù)的制造優(yōu)勢。
近日，中國科學院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體芯片物理與技術(shù)全國重點實驗室王麗麗研究員團隊將易失性憶阻器單元與電池單元進行三維集成，開發(fā)了直接且有效的化學感知振蕩架構(gòu)——CoM架構(gòu)。該傳感內(nèi)處理架構(gòu)具有兩個端口且無需外部能量供給，用于原位地進行神經(jīng)形態(tài)傳感，并將外部化學刺激轉(zhuǎn)化為內(nèi)部電尖峰脈沖?；谠摷軜?gòu)，結(jié)合合理的材料選擇，團隊開發(fā)了受離子調(diào)制的微尺寸 CoM 化學感受器，其呈現(xiàn)出生物擬真的雙端器件結(jié)構(gòu)和獨特的振蕩機制。該器件的具有一系列生物擬真的關(guān)鍵性能，包括5 μM~300 mM 的超寬離子感知范圍、20~至200 mV的電壓振蕩幅值、1~70 Hz 的振蕩頻率、持續(xù)脈沖行為、僅為 1 pJ每尖峰的極低內(nèi)部能量消耗（實際自驅(qū)動），以及高階的隨機脈沖編碼行為。單個CoM 器件的總體直徑在人工化學感受振蕩神經(jīng)元領(lǐng)域達百微米尺度（150 μm），且仍具有進一步縮小的潛力。
圖1?CoM架構(gòu)的設(shè)計概念與實現(xiàn)
在單片集成的CoM化學感受器中，電池單元與憶阻器單元之間的動態(tài)性能匹配是產(chǎn)生電壓振蕩信號的必要條件。理論上，在積分階段，器件中的電池單元就相當于與高阻態(tài)的憶阻器單元相連接，此時器件處于近乎斷路狀態(tài)，其電池單元的理論輸出電壓必須高于憶阻器的閾值電壓才能為憶阻器充電直到開啟器件。在“發(fā)放”階段，電池單元就相當于與低阻態(tài)的憶阻器單元相連接，器件處于短路狀態(tài)，電池單元通過憶阻器單元放電直到兩端電壓低于憶阻器的保持電壓后器件重新斷路為止。此時，電池的輸出電流/功率不宜過大以至于憶阻器產(chǎn)生非易失行為。這種CoM器件的新型液相振蕩機制實現(xiàn)了對一種二合一且自供電的泄漏積分與觸發(fā)（LIF）神經(jīng)元模型的有效模擬。為了驗證提出的振蕩機制，該團隊通過有限元分析仿真得到了與理論猜想一致的振蕩動力學行為。
基于CMOS兼容制造工藝，實現(xiàn)了CoM器件的晶圓級陣列制備，演示了該領(lǐng)域中首個高密度化學感受器陣列系統(tǒng)。陣列中的單器件可以在鹽水溶液的離子刺激下，自發(fā)、原位地產(chǎn)生電壓振蕩信號，其振蕩頻率與離子濃度直接相關(guān)。性能表征測試表明，陣列上的CoM器件表現(xiàn)出包括亞閾值振蕩、非周期性簇狀放電、全有或無尖峰脈沖以及隨機振蕩等高階神經(jīng)元動力學行為。
圖2?晶圓級集成系統(tǒng)上微尺寸CoM器件的神經(jīng)形態(tài)感知特性
?該10×10 CoM器件陣列味覺系統(tǒng)具有動靜態(tài)咸味覺圖譜繪制方面的能力。通過利用其具有時空特征的離子調(diào)制尖峰脈沖信號，結(jié)合像素并行讀出電路與端到端的時空反向傳播脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（STBP-SNN）算法進行信號讀取和處理，實現(xiàn)了99.4%的咸味程度分類準確率。
該成果以“Monolithic cell-on-memristor architecture enables wafer-scale integration of oscillatory chemoreceptors for bio-realistic gustatory chips”為題，在線發(fā)表于《自然·材料》（Nature Materials）。半導(dǎo)體所博士后鐘博文為論文第一作者，婁正研究員、王麗麗研究員為論文通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金和國家重點研發(fā)項目的資助。
https://www.nature.com/articles/s41563-025-02436-y
