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

近日，中科院半導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 化學感知架構，通過將Zn–Ag 原電池與Ta?O? 閾值型憶阻器在同一像素內進行單片集成，實現了自供能、離子調制、電壓振蕩輸出的仿生化學感受器。該成果以“Monolithic cell-on-memristor architecture enables wafer-scale integration of oscillatory chemoreceptors for bio-realistic gustatory chips"為題發表于《Nature Materials》期刊，小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3在CoM 化學感受器陣列芯片的制備中發揮關鍵作用。

【進展概述】

神經形態計算在物理信息傳感領域取得了顯著進展，人工振蕩神經元已成功應用于觸覺、視覺等感知模擬。然而，在化學感受這一關鍵生物感知維度上，模擬生物逼真神經元的研究仍面臨巨大挑戰。

化學感受神經元需直接響應溶液中離子或生物分子等化學刺激，并產生脈沖輸出，這對器件的材料穩定性、生物兼容性、集成密度及功耗提出了苛刻要求。現有基于離子敏感場效應晶體管、有機電化學晶體管或納米流體通道的化學感受振蕩神經元架構，普遍存在結構復雜、難以小型化與大規模集成、功耗高且缺乏生物逼真動態特性等問題。

中科院半導體所王麗麗研究員和婁正研究員提出了一種Cell-on-Memristor 化學感知架構，是一種兼具生物仿生特性、可擴展制造和高效能的新型化學感受振蕩架構，是實現下一代仿生感知芯片與人機生物集成的關鍵瓶頸技術。

晶圓級 CoM 化學感受器陣列采用小型臺式無掩膜直寫光刻系統- 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涉及多個關鍵加工步驟：在ITO 層上制作缺口環形圖案，形成缺口環形鋅陽極；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，實現器件間的電隔離；在鋅陽極表面制備保護層，防止后續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 化學感受器陣列表面制備反應限制層與器件封裝層等。

MicroWriter ML3 之所以成為該前沿研究的優選設備，主要得益于其三大技術優勢：一是高直寫精度與高穩定性并重，擁有超高的加工重現性，有效直寫精度可達0.4um，為實驗數據的可靠性提供堅實保障；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體光源，可適配各種商業化正膠和負膠的要求，比如本文中的AR-P 5350和SU-8，正好體現了雙波長光源的靈活；三是高效率加工能力，加工速度可達180 mm²/min，顯著提升了微納結構制備效率，有效保障了科研與研發進程。正是憑借上述綜合性能優勢，MicroWriter ML3 已成為眾多科研實驗室開展微納加工研究的關鍵設備之一。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

【精彩圖文展示】

下圖展示了CoM架構的基本概念與實現方式，該架構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、無外供能的化學感知振蕩單元。原電池作為驅動源使憶阻器能夠響應化學刺激，憶阻器則非線性調制原電池的輸出行為產生電壓振蕩。當憶阻器處于高阻態時，電池輸出電壓上升至閾值；切換到低阻態后電池快速放電，這種周期性開關產生了1-70 Hz的自持續振蕩。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51 PPI。該器件模仿生物味蕾中咸味受體細胞的結構與電生理機制，在NaCl溶液中可自發產生電壓振蕩，其振蕩波形與基于Hodgkin-Huxley模型的仿真結果高度一致。性能對比雷達圖表明，CoM器件在終端數量、尺寸、功耗等方面均優于現有化感振蕩神經元。該圖從概念到實物系統闡述了CoM架構的生物擬真性與集成可行性。

a. 基礎架構設計：使憶阻器具備仿生化學調控電壓振蕩這一新功能。

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

b. 單元與憶阻器經優勢互補的集成后，所呈現的新穎且仿生性能的示意圖。

c. 基于 CoM 架構的單片集成味覺芯片三維示意圖。

附圖：陣列芯片上單顆 CoM 化學感受器的結構圖（左）及 CoM 陣列芯片實物照片（右）。比例尺：1.2 毫米。

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

g. 經改進的霍奇金 - 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。咸味感受細胞的膜電壓（Vm）與 CoM 化學感受器的輸出電位（Vout）呈現相似的脈沖發放特征。

h. 用于綜合對比 CoM 器件與其他代表性化學感受振蕩神經元性能的雷達圖^9,10,11,26。標注：非理想電流振蕩模式。器件各項指標數值越小，仿生逼真度越高。

【結論】

該項研究提出的CoM架構將化學刺激同時作為感知信號與能量源，實現了原位感知與脈沖編碼的同步進行。通過全無機材料選擇與CMOS兼容工藝，成功制備出具有生物真實性的微型離子調制化感振蕩器件，其感知范圍寬（5 μM–300 mM）、能耗極低（1 pJ/脈沖，實際自驅動），且器件直徑僅為150微米，具備進一步微縮潛力。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展制造能力，并成功應用于靜態/動態咸味圖譜構建與高精度味覺分類。在離子感知范圍、能耗、尺寸及仿生神經動力學特性方面均達到了接近甚至超越生物神經元的水平。該架構在材料匹配、柔性集成與尋址策略方面的進一步優化，有望推動其在機器人、假體等人機生物集成系統中的化學驅動感知應用。