仿生味覺(jué)芯片取得突破：?jiǎn)纹皯涀杵魃霞?xì)胞”架構(gòu)實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)振蕩化學(xué)感受器集成

近年來(lái)，人工振蕩神經(jīng)元在物理信息的神經(jīng)形態(tài)感知方面取得了巨大進(jìn)展。然而，模擬用于化學(xué)感受（通過(guò)仿生化學(xué)受體或通道響應(yīng)多種化學(xué)刺激產(chǎn)生脈沖輸出）的生物逼真神經(jīng)元的研究仍然有限?，F(xiàn)有稀少的化學(xué)感受振蕩神經(jīng)元僅由三種器件類型實(shí)現(xiàn)，且面臨材料穩(wěn)定性、器件微型化集成制造技術(shù)以及系統(tǒng)功耗等共同挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的化學(xué)感受振蕩架構(gòu)發(fā)展相對(duì)滯后，通常依賴于離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行離子感知和基于晶體管的輔助電路進(jìn)行信號(hào)編碼，但其神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué)有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、缺乏生物逼真特性，難以滿足需求。因此，設(shè)計(jì)和構(gòu)建一種兼具生物逼真特性和CMOS兼容制程優(yōu)勢(shì)的合適化學(xué)感受振蕩架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)器件微型化和晶圓級(jí)集成，一直是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。

在此背景下，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所王麗麗研究員、婁正研究員提出了一種名為“單片憶阻器上細(xì)胞”的新型神經(jīng)形態(tài)化學(xué)感受振蕩架構(gòu)。該架構(gòu)通過(guò)將揮發(fā)性擴(kuò)散憶阻器與原電池三維集成，形成了一個(gè)簡(jiǎn)潔高效的雙端、無(wú)需外部能量的傳感器內(nèi)處理架構(gòu)，能夠?qū)⑼獠炕瘜W(xué)刺激原位轉(zhuǎn)換為內(nèi)部電脈沖。利用全無(wú)機(jī)CMOS兼容工藝，團(tuán)隊(duì)成功演示了空間分辨率達(dá)51 PPI、像素尺寸小至150微米的晶圓級(jí)10×10陣列，并基于其離子調(diào)制的電壓振蕩特性，開(kāi)發(fā)出能復(fù)現(xiàn)咸味感知、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)咸味分類的味覺(jué)芯片。這項(xiàng)工作為面向人機(jī)生物集成應(yīng)用的化學(xué)感受振蕩系統(tǒng)提供了一種通用且可擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)途徑。相關(guān)論文以“Monolithic cell-on-memristor architecture enables wafer-scale integration of oscillatory chemoreceptors for bio-realistic gustatory chips”為題，發(fā)表在Nature Materials上。

這項(xiàng)研究的核心是圖1所展示的CoM架構(gòu)概念與實(shí)現(xiàn)。該架構(gòu)將原電池與憶阻器單塊集成，共享電極，使兩者以高度互補(bǔ)、互利的方式運(yùn)作。電池驅(qū)動(dòng)憶阻器響應(yīng)水環(huán)境中的化學(xué)刺激，而憶阻器則非線性地調(diào)制電池的輸出行為，產(chǎn)生電壓振蕩?；诖烁拍?，團(tuán)隊(duì)選擇高性能Ta?O?憶阻器與易制備的Zn-Ag原電池，通過(guò)合理的材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用可擴(kuò)展的CMOS兼容工藝，制備出了像素直徑150微米、密度為100器件/0.5 cm2的晶圓級(jí)10×10 CoM器件陣列，其尺度與生物味蕾相當(dāng)。單個(gè)CoM器件被設(shè)計(jì)用于模擬味蕾中咸味受體細(xì)胞的生物結(jié)構(gòu)與機(jī)制，其輸出電位振蕩的脈沖特性與基于霍奇金-赫胥黎理論的計(jì)算模型模擬的咸味受體細(xì)胞動(dòng)作電位高度相似。性能對(duì)比雷達(dá)圖顯示，CoM化學(xué)感受器在終端數(shù)量、器件尺寸、自供電、功耗、電壓幅度及離子感知限等方面，均優(yōu)于現(xiàn)有先進(jìn)的振蕩神經(jīng)元。

圖1 | CoM架構(gòu)的概念與實(shí)現(xiàn)。 a，使憶阻器獲得仿生化學(xué)調(diào)制電壓振蕩新能力的基本架構(gòu)設(shè)計(jì)。ECM，電化學(xué)金屬化。AE，憶阻器中的活性電極；IE，憶阻器中的惰性電極；RRAM，電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，特指我們架構(gòu)中的閾值開(kāi)關(guān)憶阻器。 b，互補(bǔ)互利集成后，電池和憶阻器新穎且生物逼真的性能示意圖。 c，基于CoM架構(gòu)的單片味覺(jué)芯片三維示意圖。插圖：陣列芯片上單個(gè)CoM化學(xué)感受器的結(jié)構(gòu)圖（左）和CoM陣列芯片照片（右）。比例尺，1.2毫米。 d，片上高密度CoM器件陣列照片。比例尺，500微米。 e，CoM器件的掃描電子顯微鏡圖像。比例尺，50微米。 f，離子刺激下CoM化學(xué)感受器的仿生振蕩機(jī)制，包含一個(gè)簡(jiǎn)化等效電路。 g，修改的霍奇金-赫胥黎模型模擬的動(dòng)作電位序列與陣列芯片上CoM化學(xué)感受器在100 mM NaCl離子刺激下測(cè)量的脈沖序列比較。咸味受體細(xì)胞的膜電位（Vm）和CoM化學(xué)感受器的輸出電位（Vout）表現(xiàn)出相似的脈沖特性。 h，CoM器件性能雷達(dá)圖，用于與其他代表性化學(xué)感受振蕩神經(jīng)元進(jìn)行全面比較。#，非理想的電流振蕩模式。器件指標(biāo)越小表示生物可解釋性能越好。

圖2深入揭示了CoM化學(xué)感受器的振蕩機(jī)制。在集成器件中，Zn-Ag電池與Ta?O?憶阻器之間的動(dòng)態(tài)性能匹配是產(chǎn)生電壓振蕩的前提。該器件模擬了一種二合一、自供電的泄漏積分發(fā)放神經(jīng)元模型。在“積分”階段，電池向處于高阻態(tài)的憶阻器充電，直至其輸出電壓超過(guò)憶阻器的閾值電壓；在“發(fā)放”階段，憶阻器切換至低阻態(tài)，電池通過(guò)其放電，直至電壓降至保持電壓以下，憶阻器自發(fā)斷開(kāi)恢復(fù)高阻態(tài)，完成一個(gè)振蕩周期。通過(guò)有限元分析耦合模型模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，驗(yàn)證了這一機(jī)制：憶阻器中的銀導(dǎo)電細(xì)絲在電池驅(qū)動(dòng)下經(jīng)歷生長(zhǎng)、形成、降解和破裂的循環(huán)，從而非線性地調(diào)制電池輸出電壓，產(chǎn)生周期性的電壓振蕩脈沖。

圖2 | CoM器件振蕩機(jī)制分析與模擬。 a，原型CoM器件示意圖及其在濕件中的性能測(cè)量裝置。 b，在1 μA合規(guī)電流下，Ag-Ta?O?-ITO憶阻器單元連續(xù)5000個(gè)周期的閾值開(kāi)關(guān)特性。 c，Zn-Ag電池單元在12.5 mM NaCl鹽溶液中的輸出性能。虛線是根據(jù)等效電路電池模型在相同條件下模擬的輸出性能結(jié)果。 d，展示單片集成CoM器件等效電路的示意圖。CoM器件中的兩個(gè)集成單元在等效電路中串聯(lián)，構(gòu)建了一個(gè)內(nèi)部電閉合回路，以實(shí)現(xiàn)自供電和自持的電壓脈沖行為。Rs指溶液電阻。電池單元中的Rp和Cp分別指極化電阻和電容。 e，有限元分析模擬結(jié)果，展示電池驅(qū)動(dòng)下憶阻器中銀導(dǎo)電細(xì)絲的循環(huán)揮發(fā)性開(kāi)關(guān)行為。結(jié)果以憶阻器中銀原子的有效直徑分布形式呈現(xiàn)。1，生長(zhǎng)；2，形成；3，降解；4，破裂。 f，在離子刺激（12.5 mM NaCl）下，CoM器件的模擬和測(cè)量電壓振蕩比較。 g，基于電池控制的憶阻器閾值開(kāi)關(guān)行為，直觀說(shuō)明CoM器件自振蕩機(jī)制的數(shù)據(jù)圖。0，自匹配；1，電池恢復(fù)；2，憶阻器開(kāi)啟；3，電池放電；4，憶阻器關(guān)閉。步驟0之后，電池內(nèi)部電流不再與整個(gè)等效電路的電流同步。 h，自供電CoM化學(xué)感受器通過(guò)其內(nèi)部閉合回路產(chǎn)生電振蕩的放大機(jī)制示意圖。Ioc，開(kāi)路電流；Isc，短路電流。

實(shí)現(xiàn)高密度集成的關(guān)鍵在于可擴(kuò)展的制備工藝。如圖3所示，基于完全CMOS兼容的流程和優(yōu)化的薄膜沉積參數(shù)，研究人員成功將單個(gè)CoM化學(xué)感受器直徑縮小至150微米，并展示了晶圓級(jí)10×10陣列的制造與片上集成。在離子刺激下，陣列上每個(gè)CoM器件都能原位自發(fā)產(chǎn)生電壓振蕩信號(hào)。微型化的CoM器件在恒定離子刺激下表現(xiàn)出持續(xù)的強(qiáng)直脈沖行為，振蕩頻率隨離子濃度增加而升高（6.25-200 mM NaCl范圍內(nèi)為8-70 Hz），感知濃度范圍與哺乳動(dòng)物咸味受體細(xì)胞相當(dāng)，且最低感知極限可達(dá)5 μM。此外，器件還展示了閾下振蕩、非周期性簇狀發(fā)放等高級(jí)神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)行為。性能基準(zhǔn)測(cè)試表明，150微米直徑的CoM器件在人工化學(xué)感受神經(jīng)元中屬于極小尺度，且每次脈沖的自供能耗低至約1皮焦耳，與生物感覺(jué)神經(jīng)元相當(dāng)甚至更優(yōu)。

圖3 | 晶圓級(jí)集成芯片上微型CoM化學(xué)感受器的神經(jīng)形態(tài)離子感知特性。 a，使用CMOS兼容技術(shù)在兩英寸晶圓上制造的CoM陣列芯片照片。插圖：CoM陣列局部的相應(yīng)放大照片。比例尺，150微米。 b，截面透射電子顯微鏡圖像，顯示具有延伸Ag頂電極的單片集成CoM結(jié)構(gòu)。 c, d，微型CoM化學(xué)感受器在100 mM NaCl恒定離子刺激下的強(qiáng)直脈沖行為及其通過(guò)短時(shí)傅里葉變換進(jìn)行的時(shí)頻分析。 e，c中脈沖序列的聯(lián)合峰間間隔散點(diǎn)圖及其在小ISI范圍內(nèi)的詳細(xì)圖，以及相應(yīng)的核密度圖。用于生成直方圖和ISI圖的脈沖數(shù)量為10,418個(gè)。大多數(shù)脈沖的ISI值位于平均值附近。 f，在生物咸味范圍內(nèi)不同NaCl濃度的各種離子刺激下，CoM脈沖響應(yīng)的代表性波形。 g，本研究中的CoM化學(xué)感受器與其他先進(jìn)人工化學(xué)感受神經(jīng)元在單個(gè)器件整體直徑和能耗方面的基準(zhǔn)比較。每種器件類型括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示端子數(shù)量，*表示自供電運(yùn)行能力。詳細(xì)參考文獻(xiàn)見(jiàn)擴(kuò)展數(shù)據(jù)表1。

圖4展示了用于仿生味覺(jué)感知的高密度CoM陣列芯片。通過(guò)劃片和引線鍵合將晶圓上的陣列芯片封裝到定制印刷電路板上，構(gòu)成一個(gè)自供電的有源矩陣，作為人工電子舌用于高分辨率空間咸味感知。陣列中100個(gè)憶阻器顯示出100%的良率和良好的性能均勻性。在鹽刺激下，多像素CoM陣列能夠以電壓振蕩頻率的神經(jīng)形態(tài)輸出形式執(zhí)行靜態(tài)咸味圖譜繪制。陣列內(nèi)器件間的振蕩頻率存在一定的變異系數(shù)，這與生物對(duì)NaCl刺激的味覺(jué)響應(yīng)變異性相當(dāng)。這項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)的10×10化學(xué)感受器陣列集成規(guī)模，在基于傳統(tǒng)振蕩架構(gòu)的人工化學(xué)感覺(jué)神經(jīng)元中難以達(dá)到。

圖4 | 用于神經(jīng)形態(tài)咸味感知的晶圓級(jí)片上CoM陣列。 a，通過(guò)CMOS兼容技術(shù)制造的晶圓級(jí)片上CoM陣列照片。列出了其主要優(yōu)點(diǎn)。比例尺，5毫米。 b，連接到印刷電路板的10×10 CoM陣列芯片照片以及用于陣列測(cè)量的組裝讀出系統(tǒng)照片。插圖：濕件操作期間封裝好的味覺(jué)芯片照片。比例尺，1.2厘米。 c，帶有列和行索引的CoM陣列芯片離子感知區(qū)域示意圖。 d，CoM陣列芯片上100個(gè)憶阻器的閾值開(kāi)關(guān)特性。 e，100個(gè)憶阻器的Vth、Vhold和Ioff分布圖。 f，陣列芯片響應(yīng)50 mM NaCl離子刺激進(jìn)行靜態(tài)咸味感知的振蕩頻率響應(yīng)模式。 g，CoM陣列芯片振蕩頻率響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)直方圖。 h，在集成規(guī)模水平方面比較現(xiàn)有先進(jìn)人工化學(xué)感覺(jué)神經(jīng)元與我們CoM化學(xué)感受器的發(fā)展圖。虛線代表神經(jīng)形態(tài)振蕩化學(xué)感受器集成規(guī)模的時(shí)間趨勢(shì)。

圖5進(jìn)一步展現(xiàn)了該味覺(jué)芯片在動(dòng)態(tài)咸味圖譜繪制和咸味分類中的應(yīng)用。研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)緊湊的信號(hào)讀出電路，支持10×10 CoM陣列的像素并行讀出，能夠動(dòng)態(tài)獲取時(shí)空脈沖信息。作為功能演示，味覺(jué)芯片利用該電路成功映射了芯片上蒸發(fā)鹽液滴引起的離子濃度時(shí)空變化所導(dǎo)致的振蕩頻率實(shí)時(shí)調(diào)制。更重要的是，借助CoM器件將離子濃度概率性編碼為電壓脈沖序列的能力，團(tuán)隊(duì)采用一種生物可解釋、高效的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)五種不同咸度（6.25-300 mM NaCl）進(jìn)行分類。以前端感官層的形式集成，該味覺(jué)芯片結(jié)合STBP-SNN算法，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)集的分類準(zhǔn)確率高達(dá)99.4%。分類準(zhǔn)確性隨著陣列中器件數(shù)量的增加而顯著提升，表明更大規(guī)模的陣列芯片在未來(lái)復(fù)雜味覺(jué)分類應(yīng)用中具有潛力。

圖5 | 味覺(jué)芯片的動(dòng)態(tài)圖譜繪制與咸味分類。 a，集成CoM陣列及支持電路的味覺(jué)系統(tǒng)示意圖，用于仿生味覺(jué)感知。ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 b，液滴蒸發(fā)的動(dòng)態(tài)咸味圖譜繪制過(guò)程中味覺(jué)系統(tǒng)的照片。插圖：不同時(shí)間點(diǎn)的頻率分布照片。比例尺，6厘米。 c，50 mM NaCl液滴蒸發(fā)過(guò)程中，味覺(jué)芯片頻率響應(yīng)分布的時(shí)間演化。插圖：初始狀態(tài)和6分鐘后狀態(tài)頻率分布的對(duì)比。 d，在對(duì)應(yīng)五種鹽度程度的五種不同離子濃度刺激下，味覺(jué)芯片編碼的時(shí)空脈沖信息。插圖：用于脈沖序列降維的峰值定位。 e，用于咸味分類的STBP-SNN算法框架示意圖。 f，使用t分布隨機(jī)鄰域嵌入方法對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行的三維可視化。該結(jié)果驗(yàn)證了神經(jīng)形態(tài)味覺(jué)芯片與神經(jīng)啟發(fā)算法生物逼真集成所實(shí)現(xiàn)的仿生咸味分類的可靠性和魯棒性。 g，分類準(zhǔn)確度與味覺(jué)芯片上CoM器件數(shù)量的關(guān)系。

總之，這項(xiàng)研究提出的一體化CoM架構(gòu)能夠利用化學(xué)刺激同時(shí)作為感知和能量來(lái)源，實(shí)現(xiàn)原位感知與同步脈沖編碼，為人工化學(xué)感覺(jué)神經(jīng)元中復(fù)雜的傳感器內(nèi)處理提供了新的設(shè)計(jì)范式。通過(guò)單塊集成和合理的全無(wú)機(jī)材料選擇，研發(fā)的微型離子調(diào)制CoM化學(xué)感受器展示了生物逼真的器件結(jié)構(gòu)和新穎的振蕩機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了超寬離子感知范圍、生物合理的脈沖行為、超低能耗和隨機(jī)脈沖特性。器件尺寸達(dá)到150微米，并在該領(lǐng)域首次演示了利用可擴(kuò)展CMOS兼容工藝制成的高密度化學(xué)感受器陣列芯片。該味覺(jué)芯片成功實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)咸味圖譜繪制，并憑借其離子調(diào)制的時(shí)空脈沖信號(hào)，通過(guò)脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)了高精度的咸味分類。CoM架構(gòu)的可擴(kuò)展性為未來(lái)構(gòu)建大規(guī)模集成神經(jīng)形態(tài)化學(xué)感受系統(tǒng)鋪平了道路，有望在機(jī)器人、假肢等化學(xué)事件驅(qū)動(dòng)的人機(jī)生物集成感知應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。