目前，用于物理信息神经形态感知的人工振荡神经元/感受器研究进展迅速，但用于化学感知的生物拟真神经元的研究工作仍然有限。该类神经元通过仿生化学感受器或通道在湿件中对多种化学刺激（离子或生物分子）做出尖峰脉冲输出响应。现有的两种基于纳米流体通道和有机电化学晶体管(OECT)的化学感知振荡架构都展示出化学介导的尖峰编码功能、仿生结构等显著的生物拟真特性，但它们在材料稳定性、用于微型化和集成化的器件制造技术以及系统功耗方面都面临重大挑战。
传统的化学感知振荡架构发展相对滞后，其依靠离子敏感场效应晶体管(ISFET)进行离子检测，且需要基于晶体管的辅助电路再对信号进行编码。尽管这一架构与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容，但由于其神经元动态范围有限、结构复杂、需要额外的参考电极、生物相容性差以及缺乏生物现实特征，通常不适用于构建化学感知振荡神经元。在这方面，能与CMOS兼容的非线性器件——忆阻器提供了一种可行且有前景的替代方案。为了取代传统的复杂辅助电路，莫特(Mott)忆阻器已被用于化学感知振荡神经元，以对从ISFET获得的离子信号进行尖峰编码。然而，这种忆阻器基系统仍存在以下几点固有缺陷：额外且不稳定的参比电极端；仅对有限离子种类敏感的受限ISFET类型；莫特忆阻器的电流尖峰编码模式、高功耗与振荡频率等非生物拟真特性；两个平面器件单元之间额外的互连导致的能耗和制造成本增加。因此，设计和构建一种合适的化学感知振荡架构以实现器件微型化和晶圆级集成一直是难以克服的挑战，需同时兼具生物拟真的器件特性以及与CMOS兼容技术的制造优势。
近日，中国科学院半导体研究所半导体芯片物理与技术全国重点实验室王丽丽研究员团队将易失性忆阻器单元与电池单元进行三维集成，开发了直接且有效的化学感知振荡架构——CoM架构。该传感内处理架构具有两个端口且无需外部能量供给，用于原位地进行神经形态传感，并将外部化学刺激转化为内部电尖峰脉冲。基于该架构，结合合理的材料选择，团队开发了受离子调制的微尺寸 CoM 化学感受器，其呈现出生物拟真的双端器件结构和独特的振荡机制。该器件的具有一系列生物拟真的关键性能，包括5 μM~300 mM 的超宽离子感知范围、20~至200 mV的电压振荡幅值、1~70 Hz 的振荡频率、持续脉冲行为、仅为 1 pJ每尖峰的极低内部能量消耗（实际自驱动），以及高阶的随机脉冲编码行为。单个CoM 器件的总体直径在人工化学感受振荡神经元领域达百微米尺度(150 μm)，且仍具有进一步缩小的潜力。
图1：CoM架构的设计概念与实现
在单片集成的CoM化学感受器中，电池单元与忆阻器单元之间的动态性能匹配是产生电压振荡信号的必要条件。理论上，在积分阶段，器件中的电池单元就相当于与高阻态的忆阻器单元相连接，此时器件处于近乎断路状态，其电池单元的理论输出电压必须高于忆阻器的阈值电压才能为忆阻器充电直到开启器件。在“发放”阶段，电池单元就相当于与低阻态的忆阻器单元相连接，器件处于短路状态，电池单元通过忆阻器单元放电直到两端电压低于忆阻器的保持电压后器件重新断路为止。此时，电池的输出电流/功率不宜过大以至于忆阻器产生非易失行为。这种CoM器件的新型液相振荡机制实现了对一种二合一且自供电的泄漏积分与触发（LIF）神经元模型的有效模拟。为了验证提出的振荡机制，该团队通过有限元分析仿真得到了与理论猜想一致的振荡动力学行为。
基于CMOS兼容制造工艺，实现了CoM器件的晶圆级阵列制备，演示了该领域中首个高密度化学感受器阵列系统。阵列中的单器件可以在盐水溶液的离子刺激下，自发、原位地产生电压振荡信号，其振荡频率与离子浓度直接相关。性能表征测试表明，阵列上的CoM器件表现出包括亚阈值振荡、非周期性簇状放电、全有或无尖峰脉冲以及随机振荡等高阶神经元动力学行为。
图2：晶圆级集成系统上微尺寸CoM器件的神经形态感知特性
该成果以“Monolithic cell-on-memristor architecture enables wafer-scale integration of oscillatory chemoreceptors for bio-realistic gustatory chips”为题，在线发表于《自然·材料》(Nature Materials)。半导体所博士后钟博文为论文第一作者，娄正研究员、王丽丽研究员为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发项目的资助。
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