Nature Materials重要成果！无掩膜光刻直写系统加持，“忆阻器-电池” 架构解锁仿生味觉芯片新可能

近日，中科院半导体所王丽丽研究员和娄正研究员提出了一种单片式 Cell-on-Memristor 化学感知架构，通过将Zn–Ag 原电池与Ta₂O₅ 阈值型忆阻器在同一像素内进行单片集成，实现了自供能、离子调制、电压振荡输出的仿生化学感受器。该成果以“Monolithic cell-on-memristor architecture enables wafer-scale integration of oscillatory chemoreceptors for bio-realistic gustatory chips”为题发表于《Nature Materials》期刊，小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3在CoM 化学感受器阵列芯片的制备中发挥关键作用。

【进展概述】

神经形态计算在物理信息传感领域取得了显著进展，人工振荡神经元已成功应用于触觉、视觉等感知模拟。然而，在化学感受这一关键生物感知维度上，模拟生物逼真神经元的研究仍面临巨大挑战。

化学感受神经元需直接响应溶液中离子或生物分子等化学刺激，并产生脉冲输出，这对器件的材料稳定性、生物兼容性、集成密度及功耗提出了苛刻要求。现有基于离子敏感场效应晶体管、有机电化学晶体管或纳米流体通道的化学感受振荡神经元架构，普遍存在结构复杂、难以小型化与大规模集成、功耗高且缺乏生物逼真动态特性等问题。

中科院半导体所王丽丽研究员和娄正研究员提出了一种Cell-on-Memristor 化学感知架构，是一种兼具生物仿生特性、可扩展制造和高效能的新型化学感受振荡架构，是实现下一代仿生感知芯片与人机生物集成的关键瓶颈技术。

晶圆级 CoM 化学感受器阵列采用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3在表面覆盖 500 nm 厚二氧化硅（SiO₂）层的硅（Si）晶圆上制备而成，MicroWriter ML3涉及多个关键加工步骤：在ITO 层上制作缺口环形图案，形成缺口环形锌阳极；在晶圆表面制作直径 50 μm 的图形沉积Ta₂O₅阻变层；在晶圆表面制备绝缘层，实现器件间的电隔离；在锌阳极表面制备保护层，防止后续工艺中锌阳极被刻蚀；制备带引脚的延伸银电极；在制备完成的 CoM 化学感受器阵列表面制备反应限制层与器件封装层等。

MicroWriter ML3 之所以成为该前沿研究的优选设备，主要得益于其三大技术优势：一是高直写精度与高稳定性并重，拥有超高的加工重现性，最高有效直写精度可达0.4um，为实验数据的可靠性提供坚实保障；二是加工灵活性突出，兼具 405nm波长和365nm双波长的长寿命半导体光源，可适配各种商业化正胶和负胶的要求，比如本文中的AR-P 5350和SU-8，正好体现了双波长光源的灵活；三是高效率加工能力，^{加工速度最高可达180 mm2/min}，显著提升了微纳结构制备效率，有效保障了科研与研发进程。正是凭借上述综合性能优势，MicroWriter ML3 已成为众多知名科研实验室开展微纳加工研究的关键设备之一。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

【精彩图文展示】

下图展示了CoM架构的基本概念与实现方式，该架构通过将忆阻器与原电池三维集成并共享电极端子，形成一种双端、无外供能的化学感知振荡单元。原电池作为驱动源使忆阻器能够响应化学刺激，忆阻器则非线性调制原电池的输出行为产生电压振荡。当忆阻器处于高阻态时，电池输出电压上升至阈值；切换到低阻态后电池快速放电，这种周期性开关产生了1-70 Hz的自持续振荡。作者采用CMOS兼容工艺在晶圆上制备了10×10的高密度CoM阵列，单个器件直径150微米，空间分辨率达51 PPI。该器件模仿生物味蕾中咸味受体细胞的结构与电生理机制，在NaCl溶液中可自发产生电压振荡，其振荡波形与基于Hodgkin-Huxley模型的仿真结果高度一致。性能对比雷达图表明，CoM器件在终端数量、尺寸、功耗等方面均优于现有化感振荡神经元。该图从概念到实物系统阐述了CoM架构的生物拟真性与集成可行性。

a. 基础架构设计：使忆阻器具备仿生化学调控电压振荡这一新功能。

缩略词说明：ECM = 电化学金属化；AE = 忆阻器活性电极；IE = 忆阻器惰性电极；RRAM = 阻变随机存取存储器（在本架构中特指阈值开关型忆阻器）。

b. 单元与忆阻器经优势互补的集成后，所呈现的新颖且仿生性能的示意图。

c. 基于 CoM 架构的单片集成味觉芯片三维示意图。

附图：阵列芯片上单颗 CoM 化学感受器的结构图（左）及 CoM 阵列芯片实物照片（右）。比例尺：1.2 毫米。

d. 片上高密度 CoM 器件阵列的实物照片。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. CoM 化学感受器在离子刺激下的仿生振荡机制，含简化等效电路图。

g. 经改进的霍奇金 - 赫胥黎模型仿真动作电位序列，与阵列芯片上 CoM 化学感受器在 100 毫摩尔氯化钠离子刺激下测得的脉冲序列对比图。咸味感受细胞的膜电压（Vm）与 CoM 化学感受器的输出电位（Vout）呈现相似的脉冲发放特征。

h. 用于综合对比 CoM 器件与其他代表性化学感受振荡神经元性能的雷达图^9,10,11,26。标注：非理想电流振荡模式。器件各项指标数值越小，仿生逼真度越高。

【结论】

该项研究提出的CoM架构将化学刺激同时作为感知信号与能量源，实现了原位感知与脉冲编码的同步进行。通过全无机材料选择与CMOS兼容工艺，成功制备出具有生物真实性的微型离子调制化感振荡器件，其感知范围宽（5 μM–300 mM）、能耗极低（1 pJ/脉冲，实际自驱动），且器件直径仅为150微米，具备进一步微缩潜力。晶圆级集成的10×10阵列芯片首次展示了高密度化感振荡器件的可扩展制造能力，并成功应用于静态/动态咸味图谱构建与高精度味觉分类。在离子感知范围、能耗、尺寸及仿生神经动力学特性方面均达到了接近甚至超越生物神经元的水平。该架构在材料匹配、柔性集成与寻址策略方面的进一步优化，有望推动其在机器人、假体等人机生物集成系统中的化学驱动感知应用。