近年来，人工振荡神经元在物理信息的神经形态感知方面取得了巨大进展。然而，模拟用于化学感受（通过仿生化学受体或通道响应多种化学刺激产生脉冲输出）的生物逼真神经元的研究仍然有限。现有稀少的化学感受振荡神经元仅由三种器件类型实现，且面临材料稳定性、器件微型化集成制造技术以及系统功耗等共同挑战。传统的化学感受振荡架构发展相对滞后，通常依赖于离子敏感场效应晶体管进行离子感知和基于晶体管的辅助电路进行信号编码，但其神经元动力学有限、结构复杂、缺乏生物逼真特性，难以满足需求。因此，设计和构建一种兼具生物逼真特性和CMOS兼容制程优势的合适化学感受振荡架构，以实现器件微型化和晶圆级集成，一直是一个持续的挑战。

成果简介

针对以上难题，中国科学院半导体研究所王丽丽、娄正团队等人提出了一种“单元上忆阻器”的一体化架构，通过将挥发性扩散忆阻器与锌银原电池三维集成，实现了化学刺激的自供电感知与原位脉冲编码。该架构采用全无机CMOS兼容工艺，成功制备出晶圆级10×10阵列，单个器件直径仅150微米。

该器件模仿生物咸味受体细胞的结构与机制，在离子刺激下产生类生物动作电位的电压振荡，频率范围为1–70 Hz，单次脉冲能耗低至1皮焦耳。基于该阵列的味觉芯片能实现静态与动态咸味图谱构建，并利用脉冲神经网络算法对五种盐度进行分类，准确率达99.4%。该架构为高集成度、低功耗的仿生化感系统提供了新的设计范式。

相关研究成果以“Monolithic cell-on-memristor architecture enables wafer-scale integration of oscillatory chemoreceptors for bio-realistic gustatory chips”为题，发表Nature Materials上。

图1.CoM架构的基本概念与实现方式

图1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，形成一种双端、无外供能的化学感知振荡单元。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。

图2.CoM器件的振荡机制分析与仿真验证

图2展示了CoM器件的振荡机制分析与仿真验证。作者通过构建Zn-Ag电池与Ta₂O₅忆阻器的等效电路模型，阐明二者在动态匹配下实现“积分-放电”类神经元行为的原理。仿真与实验结果表明，忆阻器在电池输出电压达到阈值时快速开启，随后电池放电至维持电压时忆阻器自发关断，形成周期性电压振荡。有限元分析进一步揭示了Ag导电细丝在忆阻器中的循环生长与断裂过程，其驱动源为电池的等效电路。该机制使得CoM器件在无需外供能的情况下，实现频率与离子浓度相关的自持振荡，为后续阵列化与味觉编码奠定基础。

图3.晶圆级集成的CoM阵列在离子感知方面的神经形态特性

图3展示了晶圆级集成的CoM阵列在离子感知方面的神经形态特性。作者采用CMOS兼容工艺在两英寸晶圆上制备了高密度CoM阵列，并测试了微米级器件在NaCl溶液中的电响应。单个CoM器件在100 mM NaCl刺激下可稳定产生超过10⁵次脉冲，平均振荡频率为43 Hz，且频率随离子浓度升高而增加（6.25–200 mM）。脉冲间隔分析显示器件具有一定随机性，变异系数约0.87，类生物神经元。性能对比图表明，CoM器件在尺寸（150 μm）与能耗（~1 pJ/脉冲）方面均优于现有化感神经元，接近生物传感神经元水平。

图4.晶圆级CoM阵列芯片在仿生咸味感知中的应用

图4展示了晶圆级CoM阵列芯片在仿生咸味感知中的应用。作者将制备的10×10阵列芯片封装至定制PCB，通过多路复用器与半导体分析仪同步读取100个像素的振荡信号。阵列中所有忆阻器均表现出良好的阈值开关均匀性与100%良率。在50 mM NaCl刺激下，芯片可输出静态咸味频率分布图，各像素频率变异系数约0.18，与生物味觉响应变异度相当。集成规模发展图显示，该工作首次实现了化感振荡器件的高密度晶圆级集成，为后续动态味觉图谱与分类应用提供硬件基础。

图5.基于CoM味觉芯片的动态咸味图谱构建与分类应用

图5展示了基于CoM味觉芯片的动态咸味图谱构建与分类应用。作者设计了像素并行读出电路，实时采集芯片上CoM器件在蒸发盐滴刺激下的振荡频率时空变化。随着液滴蒸发与离子浓度升高，各像素频率整体上升且空间分布趋于非均匀。利用芯片输出的脉冲序列，作者构建了时空反向传播脉冲神经网络，对五种盐度（6.25–300 mM NaCl）进行分类。网络仅使用10×10像素输入即实现99.4%的分类准确率，t-SNE可视化结果清晰显示五类盐度的分离。该结果表明CoM芯片在集成仿生味觉系统中具备高精度、高能效的信息处理能力。

结论展望

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），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。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。