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仿生味觉芯片取得突破：单片“忆阻器上细胞”架构实现晶圆级振荡化学感受器集成

近年来，人工振荡神经元在物理信息的神经形态感知方面取得了巨大进展。然而，模拟用于化学感受（通过仿生化学受体或通道响应多种化学刺激产生脉冲输出）的生物逼真神经元的研究仍然有限。现有稀少的化学感受振荡神经元仅由三种器件类型实现，且面临材料稳定性、器件微型化集成制造技术以及系统功耗等共同挑战。传统的化学感受振荡架构发展相对滞后，通常依赖于离子敏感场效应晶体管进行离子感知和基于晶体管的辅助电路进行信号编码，但其神经元动力学有限、结构复杂、缺乏生物逼真特性，难以满足需求。因此，设计和构建一种兼具生物逼真特性和CMOS兼容制程优势的合适化学感受振荡架构，以实现器件微型化和晶圆级集成，一直是一个持续的挑战。

在此背景下，中国科学院半导体研究所王丽丽研究员、娄正研究员提出了一种名为“单片忆阻器上细胞”的新型神经形态化学感受振荡架构。该架构通过将挥发性扩散忆阻器与原电池三维集成，形成了一个简洁高效的双端、无需外部能量的传感器内处理架构，能够将外部化学刺激原位转换为内部电脉冲。利用全无机CMOS兼容工艺，团队成功演示了空间分辨率达51 PPI、像素尺寸小至150微米的晶圆级10×10阵列，并基于其离子调制的电压振荡特性，开发出能复现咸味感知、实现精准咸味分类的味觉芯片。这项工作为面向人机生物集成应用的化学感受振荡系统提供了一种通用且可扩展的实现途径。相关论文以“Monolithic cell-on-memristor architecture enables wafer-scale integration of oscillatory chemoreceptors for bio-realistic gustatory chips”为题，发表在Nature Materials上。

这项研究的核心是图1所展示的CoM架构概念与实现。该架构将原电池与忆阻器单块集成，共享电极，使两者以高度互补、互利的方式运作。电池驱动忆阻器响应水环境中的化学刺激，而忆阻器则非线性地调制电池的输出行为，产生电压振荡。基于此概念，团队选择高性能Ta₂O₅忆阻器与易制备的Zn-Ag原电池，通过合理的材料与结构设计，利用可扩展的CMOS兼容工艺，制备出了像素直径150微米、密度为100器件/0.5 cm²的晶圆级10×10 CoM器件阵列，其尺度与生物味蕾相当。单个CoM器件被设计用于模拟味蕾中咸味受体细胞的生物结构与机制，其输出电位振荡的脉冲特性与基于霍奇金-赫胥黎理论的计算模型模拟的咸味受体细胞动作电位高度相似。性能对比雷达图显示，CoM化学感受器在终端数量、器件尺寸、自供电、功耗、电压幅度及离子感知限等方面，均优于现有先进的振荡神经元。

图1 | CoM架构的概念与实现。 a，使忆阻器获得仿生化学调制电压振荡新能力的基本架构设计。ECM，电化学金属化。AE，忆阻器中的活性电极；IE，忆阻器中的惰性电极；RRAM，电阻随机存取存储器，特指我们架构中的阈值开关忆阻器。 b，互补互利集成后，电池和忆阻器新颖且生物逼真的性能示意图。 c，基于CoM架构的单片味觉芯片三维示意图。插图：阵列芯片上单个CoM化学感受器的结构图（左）和CoM阵列芯片照片（右）。比例尺，1.2毫米。 d，片上高密度CoM器件阵列照片。比例尺，500微米。 e，CoM器件的扫描电子显微镜图像。比例尺，50微米。 f，离子刺激下CoM化学感受器的仿生振荡机制，包含一个简化等效电路。 g，修改的霍奇金-赫胥黎模型模拟的动作电位序列与阵列芯片上CoM化学感受器在100 mM NaCl离子刺激下测量的脉冲序列比较。咸味受体细胞的膜电位（Vm）和CoM化学感受器的输出电位（Vout）表现出相似的脉冲特性。 h，CoM器件性能雷达图，用于与其他代表性化学感受振荡神经元进行全面比较。#，非理想的电流振荡模式。器件指标越小表示生物可解释性能越好。

图2深入揭示了CoM化学感受器的振荡机制。在集成器件中，Zn-Ag电池与Ta₂O₅忆阻器之间的动态性能匹配是产生电压振荡的前提。该器件模拟了一种二合一、自供电的泄漏积分发放神经元模型。在“积分”阶段，电池向处于高阻态的忆阻器充电，直至其输出电压超过忆阻器的阈值电压；在“发放”阶段，忆阻器切换至低阻态，电池通过其放电，直至电压降至保持电压以下，忆阻器自发断开恢复高阻态，完成一个振荡周期。通过有限元分析耦合模型模拟和实验测量，验证了这一机制：忆阻器中的银导电细丝在电池驱动下经历生长、形成、降解和破裂的循环，从而非线性地调制电池输出电压，产生周期性的电压振荡脉冲。

图2 | CoM器件振荡机制分析与模拟。 a，原型CoM器件示意图及其在湿件中的性能测量装置。 b，在1 μA合规电流下，Ag-Ta₂O₅-ITO忆阻器单元连续5000个周期的阈值开关特性。 c，Zn-Ag电池单元在12.5 mM NaCl盐溶液中的输出性能。虚线是根据等效电路电池模型在相同条件下模拟的输出性能结果。 d，展示单片集成CoM器件等效电路的示意图。CoM器件中的两个集成单元在等效电路中串联，构建了一个内部电闭合回路，以实现自供电和自持的电压脉冲行为。Rs指溶液电阻。电池单元中的Rp和Cp分别指极化电阻和电容。 e，有限元分析模拟结果，展示电池驱动下忆阻器中银导电细丝的循环挥发性开关行为。结果以忆阻器中银原子的有效直径分布形式呈现。1，生长；2，形成；3，降解；4，破裂。 f，在离子刺激（12.5 mM NaCl）下，CoM器件的模拟和测量电压振荡比较。 g，基于电池控制的忆阻器阈值开关行为，直观说明CoM器件自振荡机制的数据图。0，自匹配；1，电池恢复；2，忆阻器开启；3，电池放电；4，忆阻器关闭。步骤0之后，电池内部电流不再与整个等效电路的电流同步。 h，自供电CoM化学感受器通过其内部闭合回路产生电振荡的放大机制示意图。Ioc，开路电流；Isc，短路电流。

实现高密度集成的关键在于可扩展的制备工艺。如图3所示，基于完全CMOS兼容的流程和优化的薄膜沉积参数，研究人员成功将单个CoM化学感受器直径缩小至150微米，并展示了晶圆级10×10阵列的制造与片上集成。在离子刺激下，阵列上每个CoM器件都能原位自发产生电压振荡信号。微型化的CoM器件在恒定离子刺激下表现出持续的强直脉冲行为，振荡频率随离子浓度增加而升高（6.25-200 mM NaCl范围内为8-70 Hz），感知浓度范围与哺乳动物咸味受体细胞相当，且最低感知极限可达5 μM。此外，器件还展示了阈下振荡、非周期性簇状发放等高级神经元动态行为。性能基准测试表明，150微米直径的CoM器件在人工化学感受神经元中属于极小尺度，且每次脉冲的自供能耗低至约1皮焦耳，与生物感觉神经元相当甚至更优。

图3 | 晶圆级集成芯片上微型CoM化学感受器的神经形态离子感知特性。 a，使用CMOS兼容技术在两英寸晶圆上制造的CoM阵列芯片照片。插图：CoM阵列局部的相应放大照片。比例尺，150微米。 b，截面透射电子显微镜图像，显示具有延伸Ag顶电极的单片集成CoM结构。 c, d，微型CoM化学感受器在100 mM NaCl恒定离子刺激下的强直脉冲行为及其通过短时傅里叶变换进行的时频分析。 e，c中脉冲序列的联合峰间间隔散点图及其在小ISI范围内的详细图，以及相应的核密度图。用于生成直方图和ISI图的脉冲数量为10,418个。大多数脉冲的ISI值位于平均值附近。 f，在生物咸味范围内不同NaCl浓度的各种离子刺激下，CoM脉冲响应的代表性波形。 g，本研究中的CoM化学感受器与其他先进人工化学感受神经元在单个器件整体直径和能耗方面的基准比较。每种器件类型括号内的数字表示端子数量，*表示自供电运行能力。详细参考文献见扩展数据表1。

图4展示了用于仿生味觉感知的高密度CoM阵列芯片。通过划片和引线键合将晶圆上的阵列芯片封装到定制印刷电路板上，构成一个自供电的有源矩阵，作为人工电子舌用于高分辨率空间咸味感知。阵列中100个忆阻器显示出100%的良率和良好的性能均匀性。在盐刺激下，多像素CoM阵列能够以电压振荡频率的神经形态输出形式执行静态咸味图谱绘制。阵列内器件间的振荡频率存在一定的变异系数，这与生物对NaCl刺激的味觉响应变异性相当。这项工作实现的10×10化学感受器阵列集成规模，在基于传统振荡架构的人工化学感觉神经元中难以达到。

图4 | 用于神经形态咸味感知的晶圆级片上CoM阵列。 a，通过CMOS兼容技术制造的晶圆级片上CoM阵列照片。列出了其主要优点。比例尺，5毫米。 b，连接到印刷电路板的10×10 CoM阵列芯片照片以及用于阵列测量的组装读出系统照片。插图：湿件操作期间封装好的味觉芯片照片。比例尺，1.2厘米。 c，带有列和行索引的CoM阵列芯片离子感知区域示意图。 d，CoM阵列芯片上100个忆阻器的阈值开关特性。 e，100个忆阻器的Vth、Vhold和Ioff分布图。 f，阵列芯片响应50 mM NaCl离子刺激进行静态咸味感知的振荡频率响应模式。 g，CoM阵列芯片振荡频率响应的统计直方图。 h，在集成规模水平方面比较现有先进人工化学感觉神经元与我们CoM化学感受器的发展图。虚线代表神经形态振荡化学感受器集成规模的时间趋势。

图5进一步展现了该味觉芯片在动态咸味图谱绘制和咸味分类中的应用。研究人员设计了一个紧凑的信号读出电路，支持10×10 CoM阵列的像素并行读出，能够动态获取时空脉冲信息。作为功能演示，味觉芯片利用该电路成功映射了芯片上蒸发盐液滴引起的离子浓度时空变化所导致的振荡频率实时调制。更重要的是，借助CoM器件将离子浓度概率性编码为电压脉冲序列的能力，团队采用一种生物可解释、高效的脉冲神经网络算法对五种不同咸度（6.25-300 mM NaCl）进行分类。以前端感官层的形式集成，该味觉芯片结合STBP-SNN算法，对测试数据集的分类准确率高达99.4%。分类准确性随着阵列中器件数量的增加而显著提升，表明更大规模的阵列芯片在未来复杂味觉分类应用中具有潜力。

图5 | 味觉芯片的动态图谱绘制与咸味分类。 a，集成CoM阵列及支持电路的味觉系统示意图，用于仿生味觉感知。ADC，模数转换器。 b，液滴蒸发的动态咸味图谱绘制过程中味觉系统的照片。插图：不同时间点的频率分布照片。比例尺，6厘米。 c，50 mM NaCl液滴蒸发过程中，味觉芯片频率响应分布的时间演化。插图：初始状态和6分钟后状态频率分布的对比。 d，在对应五种盐度程度的五种不同离子浓度刺激下，味觉芯片编码的时空脉冲信息。插图：用于脉冲序列降维的峰值定位。 e，用于咸味分类的STBP-SNN算法框架示意图。 f，使用t分布随机邻域嵌入方法对分类结果进行的三维可视化。该结果验证了神经形态味觉芯片与神经启发算法生物逼真集成所实现的仿生咸味分类的可靠性和鲁棒性。 g，分类准确度与味觉芯片上CoM器件数量的关系。

总之，这项研究提出的一体化CoM架构能够利用化学刺激同时作为感知和能量来源，实现原位感知与同步脉冲编码，为人工化学感觉神经元中复杂的传感器内处理提供了新的设计范式。通过单块集成和合理的全无机材料选择，研发的微型离子调制CoM化学感受器展示了生物逼真的器件结构和新颖的振荡机制，实现了超宽离子感知范围、生物合理的脉冲行为、超低能耗和随机脉冲特性。器件尺寸达到150微米，并在该领域首次演示了利用可扩展CMOS兼容工艺制成的高密度化学感受器阵列芯片。该味觉芯片成功实现了静态和动态咸味图谱绘制，并凭借其离子调制的时空脉冲信号，通过脉冲神经网络算法实现了高精度的咸味分类。CoM架构的可扩展性为未来构建大规模集成神经形态化学感受系统铺平了道路，有望在机器人、假肢等化学事件驱动的人机生物集成感知应用中发挥重要作用。