Nature Materials！無掩膜光刻直寫系統(tǒng)助力解鎖仿生味覺芯片新可能

近日，中科院半導(dǎo)體所王麗麗研究員和婁正研究員提出了一種單片式 Cell-on-Memristor 化學(xué)感知架構(gòu)，通過將Zn–Ag 原電池與Ta?O? 閾值型憶阻器在同一像素內(nèi)進(jìn)行單片集成，實(shí)現(xiàn)了自供能、離子調(diào)制、電壓振蕩輸出的仿生化學(xué)感受器。該成果以“Monolithic cell-on-memristor architecture enables wafer-scale integration of oscillatory chemoreceptors for bio-realistic gustatory chips"為題發(fā)表于《Nature Materials》期刊，小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3在CoM 化學(xué)感受器陣列芯片的制備中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

【進(jìn)展概述】

神經(jīng)形態(tài)計算在物理信息傳感領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，人工振蕩神經(jīng)元已成功應(yīng)用于觸覺、視覺等感知模擬。然而，在化學(xué)感受這一關(guān)鍵生物感知維度上，模擬生物逼真神經(jīng)元的研究仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

化學(xué)感受神經(jīng)元需直接響應(yīng)溶液中離子或生物分子等化學(xué)刺激，并產(chǎn)生脈沖輸出，這對器件的材料穩(wěn)定性、生物兼容性、集成密度及功耗提出了苛刻要求。現(xiàn)有基于離子敏感場效應(yīng)晶體管、有機(jī)電化學(xué)晶體管或納米流體通道的化學(xué)感受振蕩神經(jīng)元架構(gòu)，普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以小型化與大規(guī)模集成、功耗高且缺乏生物逼真動態(tài)特性等問題。

中科院半導(dǎo)體所王麗麗研究員和婁正研究員提出了一種Cell-on-Memristor 化學(xué)感知架構(gòu)，是一種兼具生物仿生特性、可擴(kuò)展制造和高效能的新型化學(xué)感受振蕩架構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)下一代仿生感知芯片與人機(jī)生物集成的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)。

晶圓級 CoM 化學(xué)感受器陣列采用小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3在表面覆蓋 500 nm 厚二氧化硅（SiO?）層的硅（Si）晶圓上制備而成，MicroWriter ML3涉及多個關(guān)鍵加工步驟：在ITO 層上制作缺口環(huán)形圖案，形成缺口環(huán)形鋅陽極；在晶圓表面制作直徑 50 μm 的圖形沉積Ta?O?阻變層；在晶圓表面制備絕緣層，實(shí)現(xiàn)器件間的電隔離；在鋅陽極表面制備保護(hù)層，防止后續(xù)工藝中鋅陽極被刻蝕；制備帶引腳的延伸銀電極；在制備完成的 CoM 化學(xué)感受器陣列表面制備反應(yīng)限制層與器件封裝層等。

MicroWriter ML3 之所以成為該前沿研究的優(yōu)選設(shè)備，主要得益于其三大技術(shù)優(yōu)勢：一是高直寫精度與高穩(wěn)定性并重，擁有超高的加工重現(xiàn)性，有效直寫精度可達(dá)0.4um，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性提供堅實(shí)保障；二是加工靈活性突出，兼具 405nm波長和365nm雙波長的長壽命半導(dǎo)體光源，可適配各種商業(yè)化正膠和負(fù)膠的要求，比如本文中的AR-P 5350和SU-8，正好體現(xiàn)了雙波長光源的靈活；三是高效率加工能力，加工速度可達(dá)180 mm²/min，顯著提升了微納結(jié)構(gòu)制備效率，有效保障了科研與研發(fā)進(jìn)程。正是憑借上述綜合性能優(yōu)勢，MicroWriter ML3 已成為眾多科研實(shí)驗(yàn)室開展微納加工研究的關(guān)鍵設(shè)備之一。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

【精彩圖文展示】

下圖展示了CoM架構(gòu)的基本概念與實(shí)現(xiàn)方式，該架構(gòu)通過將憶阻器與原電池三維集成并共享電極的端子，形成一種雙端、無外供能的化學(xué)感知振蕩單元。原電池作為驅(qū)動源使憶阻器能夠響應(yīng)化學(xué)刺激，憶阻器則非線性調(diào)制原電池的輸出行為產(chǎn)生電壓振蕩。當(dāng)憶阻器處于高阻態(tài)時，電池輸出電壓上升至閾值；切換到低阻態(tài)后電池快速放電，這種周期性開關(guān)產(chǎn)生了1-70 Hz的自持續(xù)振蕩。作者采用CMOS兼容工藝在晶圓上制備了10×10的高密度CoM陣列，單個器件直徑150微米，空間分辨率達(dá)51 PPI。該器件模仿生物味蕾中咸味受體細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與電生理機(jī)制，在NaCl溶液中可自發(fā)產(chǎn)生電壓振蕩，其振蕩波形與基于Hodgkin-Huxley模型的仿真結(jié)果高度一致。性能對比雷達(dá)圖表明，CoM器件在終端數(shù)量、尺寸、功耗等方面均優(yōu)于現(xiàn)有化感振蕩神經(jīng)元。該圖從概念到實(shí)物系統(tǒng)闡述了CoM架構(gòu)的生物擬真性與集成可行性。

a. 基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計：使憶阻器具備仿生化學(xué)調(diào)控電壓振蕩這一新功能。

縮略詞說明：ECM = 電化學(xué)金屬化；AE = 憶阻器活性電極；IE = 憶阻器惰性電極；RRAM = 阻變隨機(jī)存取存儲器（在本架構(gòu)中特指閾值開關(guān)型憶阻器）。

b. 單元與憶阻器經(jīng)優(yōu)勢互補(bǔ)的集成后，所呈現(xiàn)的新穎且仿生性能的示意圖。

c. 基于 CoM 架構(gòu)的單片集成味覺芯片三維示意圖。

附圖：陣列芯片上單顆 CoM 化學(xué)感受器的結(jié)構(gòu)圖（左）及 CoM 陣列芯片實(shí)物照片（右）。比例尺：1.2 毫米。

d. 片上高密度 CoM 器件陣列的實(shí)物照片。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. CoM 化學(xué)感受器在離子刺激下的仿生振蕩機(jī)制，含簡化等效電路圖。

g. 經(jīng)改進(jìn)的霍奇金 - 赫胥黎模型仿真動作電位序列，與陣列芯片上 CoM 化學(xué)感受器在 100 毫摩爾氯化鈉離子刺激下測得的脈沖序列對比圖。咸味感受細(xì)胞的膜電壓（Vm）與 CoM 化學(xué)感受器的輸出電位（Vout）呈現(xiàn)相似的脈沖發(fā)放特征。

h. 用于綜合對比 CoM 器件與其他代表性化學(xué)感受振蕩神經(jīng)元性能的雷達(dá)圖^9,10,11,26。標(biāo)注：非理想電流振蕩模式。器件各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值越小，仿生逼真度越高。

【結(jié)論】

該項(xiàng)研究提出的CoM架構(gòu)將化學(xué)刺激同時作為感知信號與能量源，實(shí)現(xiàn)了原位感知與脈沖編碼的同步進(jìn)行。通過全無機(jī)材料選擇與CMOS兼容工藝，成功制備出具有生物真實(shí)性的微型離子調(diào)制化感振蕩器件，其感知范圍寬（5 μM–300 mM）、能耗極低（1 pJ/脈沖，實(shí)際自驅(qū)動），且器件直徑僅為150微米，具備進(jìn)一步微縮潛力。晶圓級集成的10×10陣列芯片展示了高密度化感振蕩器件的可擴(kuò)展制造能力，并成功應(yīng)用于靜態(tài)/動態(tài)咸味圖譜構(gòu)建與高精度味覺分類。在離子感知范圍、能耗、尺寸及仿生神經(jīng)動力學(xué)特性方面均達(dá)到了接近甚至超越生物神經(jīng)元的水平。該架構(gòu)在材料匹配、柔性集成與尋址策略方面的進(jìn)一步優(yōu)化，有望推動其在機(jī)器人、假體等人機(jī)生物集成系統(tǒng)中的化學(xué)驅(qū)動感知應(yīng)用。