CN110736575A - 一种人造突触传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种传感器，包括：第一电极(1)、第二电极(2)、电阻切换层(3)及有机感应层(4)；第一电极(1)与第二电极(2)之间存在沟道；电阻切换层(3)以及有机感应层(4)设置于沟道内，有机感应层(4)设置于电阻切换层(3)的表面。该传感器具有阈值电阻切换器件的明显特征，也即，在没有施加外部偏置的时候只有高电阻的状态能保持稳定。
Description
技术领域
本发明涉及柔性人造突触器件和柔性压力传感器领域，具体涉及一种人造突触传感器及其制备方法。
背景技术
随着电子科学技术的飞速发展，人们对于计算机有了更高的期望：功能智能化、器件轻量化以及能耗节能化，由此引得新型计算机需要具备自主学习能力，使之更加接近人类的大脑。在前人的研究工作中，通过对大鼠的大脑进行切片分析，并通过超级计算机和软件进行模拟已知的神经元结构和电生理特征，其产生的海量的电能消耗、复杂的建模结构使其应用受到极大限制，除此以外，计算机的逻辑功能密度远远达不到生物大脑所需的密度。
根据生物神经突触的工作原理和工作特性，突触前膜中的突触小泡传递着神经元之间的信息，在此背景下，产生了以突触可塑性为学习记忆的分子机制，也即，该机制为通过突触在收到刺激信号之后改变和调整自身形态。前人在此研究背景下提供了一种使用记忆切换原件的尖峰-时间依赖塑性的突触器件结构，但该器件结构复杂，且功耗不可控；在另一研究中还提供了一种忆阻器组成的神经阵列，但该器件仅限于对阻值的记忆，不具备对外界的实时感应功能，因此其在触觉上有所缺失。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种人造突触传感器及其制备方法，用于至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
一种传感器，包括：第一电极1、第二电极2、电阻切换层3及有机感应层4；第一电极1与第二电极2之间形成有一沟道8；电阻切换层3以及有机感应层4设置于沟道8内，有机感应层4设置于电阻切换层3的表面。
可选地，器件还包括衬底5，第一电极1、第二电极2，以及电阻切换层3均设置于衬底上。
可选地，衬底5为可弯曲的柔性薄膜材料。
可选地，电阻切换层3、有机感应层4均与第一电极1、第二电极2连接。
可选地，第一电极1与第二电极2均包括两层金属层。
可选地，两层金属层包括铬金属层6及金金属层7，其中，铬金属层6形成于衬底5上，金金属层7形成于铬金属层6上。
可选地，电阻切换层3为氧化锌半导体材料，有机感应层4为掺杂氯化钙的聚乙烯醇材料。
一种器件，该器件包括多个上述传感器，多个传感器之间通过第一电极1与第二电极2相互连接。
一种传感器的制备方法，方法包括：S1，在衬底5上蒸镀第一电极1与第二电极2，第一电极1与第二电极2之间存在沟道8；S2，在沟道8内旋涂金属硝酸盐溶液，煅烧后得到的金属氧化物即为电阻切换层3；S3，将聚乙烯醇水溶液旋涂在电阻切换层3上，聚乙烯醇水溶液固化后为有机感应层4，得到传感器。
可选地，步骤S1中，在衬底5上蒸镀第一电极1与第二电极2，包括：在衬底5上蒸镀铬金属层6；在铬金属层6上蒸镀金金属层7，得到第一电极1与第二电极2。
(三)有益效果
1、本申请中的传感器与现有的人造突触器件相比，结构更为简单，可用于神经网络领域；
2、本申请中的传感器采用柔性薄膜材料作为柔性衬底，保证了器件具有良好的弯曲性能，实现了可穿戴化的传感器；
3、本申请传感器中的有机感应层采用聚乙烯醇，能够实现人造电子神经突触的基础功能，同时该有机感应层也能在受到外界压力的作用时产生响应；
4、本申请传感器中的电阻切换层采用了半导体材料，制造柔性人造电子神经突触器件过程简单，有利于工业化生产；
5、本申请中的传感器具有体积小、质量轻、可弯曲、多功能的优点，可根据需要制备任意的m×n传感器阵列，进而实现大尺寸的压力感应和信息传输。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例中传感器结构的剖面图；
图2示意性示出了本发明实施例中人造突触传感器的离子机理分布图；
图3示意性示出了本发明实施例在固定的电压速率下测试电流和电压的循环相应曲线；
图4示意性示出了本发明实施例中人造突触传感器的兴奋性突触后电流曲线；
图5示意性示出了本发明实施例中传感器在外部压力下突触后电流的响应曲线；
图6示意性示出了本发明实施例中传感器制备方法的流程图。
附图标记说明：1-第一电极；2-第二电极；3-电阻切换层；4-有机感应层；5-衬底；6-铬金属层；7-金金属层；8-沟道；9-钙离子；10-氯离子。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1示意性示出了本发明实施例中传感器结构的剖面图。如图1所示，上述传感器例如可以包括：第一电极1、第二电极2、电阻切换层3、及有机感应层4；第一电极1与第二电极2之间形成有一沟道8；电阻切换层3以及有机感应层4设置于沟道内，有机感应层4设置于在电阻切换层3的表面；第一电极1、第二电极2以及电阻切换层3均设置于衬底5上，传感器的厚度用“h”表示。
首先，上述第一电极1与第二电极2例如可以包括铬金属层6以及金金属层7这两层金属层，该两层金属层形成的第一电极1以及第二电极2中，铬金属层6形成于衬底5上，金金属层7形成于铬金属层6上，这一结构能够使得第一电极1以及第二电极2与衬底5之间的接触更加紧密，难以脱落，并且，本发明实施例中，第一电极1与第二电极2中的金金属层7作为突触前金属电极和突触后金属电极。
关于上述提及的第一电极1以及第二电极2，其两电极的长度范围均例如可以为50μm-30mm、宽度范围均例如可以为100μm-5mm、厚度范围均例如可以为50-800nm；并且，第一电极1、第二电极2中的铬金属层6的厚度范围例如可以为5nm-50nm；第一电极1、第二电极2中的金金属层7的厚度范围例如可以为40nm-750nm。
其次，上述电阻切换层3、有机感应层4均与第一电极1、第二电极2连接，连接方式例如可以为电阻切换层3、有机感应层4通过第一电极1、第二电极2所引出的导线相连接，具体连接方式本发明不做具体限制。
其中，电阻切换层3的材料多采用金属氧化物半导体材料，此半导体材料设置在在上述提及的突触前金属电极和突触后金属电极中间的沟道8处，本发明实施例中，采用氧化锌作为半导体材料；有机感应层4为掺杂了氯化钙的聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)材料，参阅图2，图2示意性示出了本发明实施例中人造突触传感器的离子机理分布图，其中，氯化钙在聚乙烯醇水溶液中能够电离产生钙离子9和氯离子10。采用氧化锌以及PVA这两种材料是由于在外界传输的电压脉冲刺激下，有机感应层4发生氯离子10漂移从而产生电场，作用到由氧化锌组成的电阻切换层3上，电阻切换层3收到电场的诱导而发生氧空位的迁移，进而产生刺激电流。当经历下一次的电压脉冲刺激时，已经发生氯离子10漂移的电场进一步强化，使得由氧化锌组成的电阻切换层3产生更高的兴奋性突触后膜电流(Excitatorypostsynaptic current，EPSC)。同时，当受到外界压力的额外刺激时，由PVA组成的有机感应层4受力发生形变，局域的电子密度发生轻微的变化，作用到下方的电阻切换层3后，使得电阻切换层3的电场也相应的发生变化，反应出电阻切换层3中的电流就携带了压力的信息。
并且，在本发明实施例中，电阻切换层3的长度范围为50μm-30mm、宽度范围为600nm-400μm、厚度范围为20nm-300nm；有机感应层4的长度范围为60μm-35mm、宽度范围为1μm-500μm、厚度范围为1μm-10μm。
再者，上述衬底5为可弯曲的柔性薄膜材料，例如为聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，PET)，或者聚酰亚胺(Polyimide，PI)，具体材料本发明不做具体限制。本发明实施例中，衬底5采用了PI材料，衬底5的厚度范围为5μm-40μm。
最后，在本发明实施例中，衬底5的长宽比范围例如可以为1/50-1/200，优选长宽比为2/150。考虑到仿生生物突触的神经密度，该传感器的尺寸还可以大幅度的缩小，随着集成度更高可以实现更为密集的神经逻辑部署。
在本发明的一具体实施例中，采用上述传感器进行测试时，可将该传感器中的第一电极1、第二电极2分别连接测试仪器(测试仪器例如可以为吉时利4200.SCS)。参阅图3，图3示意性示出了本发明实施例在固定的电压速率下测试电流和电压的循环相应曲线(I-V曲线)。其中，当电压从-4V向-1V扫描时，此阶段在图3中标记为“a”，当初始电压为-4V时，有机感应层4由于受电压极化产生的氯离子10迁移，由于氯离子10迁移程度最大，因此产生最大的电场，该电场使得电阻切换层3受到电场诱导产生的氧空位最多，最终使得此阶段电流和电导权重始终保持一个较高的数量级。当电压达到-1V左右时，外接电压与有机感应层4产生的反向电场达到平衡，使得电阻切换层3中产生的电流达到最小值，当电压从-1V到接近零偏压的“b”阶段时，由于氯离子10的扩散速度远远小于初始电压-4V时的漂移速度，因此有机感应层4作用于电阻切换层3的电场强度大于外界电压产生的电场强度，从而产生反向的感应电流，在此阶段中，组成电阻切换层3的氧化锌材料中的氧空位开始缓慢的被陷阱捕获，使得电导率开始出现下降。当电压从零偏压开始向正偏压增大，直至增大到3V时，此阶段以“c”表示，“c”阶段为电场的重构期，外接电场强度在逐渐增大，并且有机感应层4内部的氯离子10在扩散作用和漂移作用的双重作用下开始加快形成新的反向电场，使得此阶段电阻切换层3内部的载流子变化最为复杂；当电场强度降低时，氧空位的自由移动导致载流子被俘获的概率大大增加，从电阻切换层3中经过的电流受电导减小的影响也逐渐减小，但是有机感应层4中开始加速漂移的氯离子10仍然保持着对一部分载流子的诱导，当正向偏压逐渐增大时，漂移氯离子10所感应的载流子产生的电流也在不断增加，从而表现出电流的缓慢增大。当施加的正向偏压大于3V时，此阶段以“d”表示，有机感应层4产生的电场继续激发组成电阻切换层3的氧化锌中的氧空位，使得电阻值重新回到低组态，反映在I-V曲线中即为“d”阶段的电流持续增大。
本发明还提供了另一具体实施，参阅图4，图4示意性示出了本发明实施例中人造突触传感器的兴奋性突触后电流曲线。在单方向的短脉冲(5ms)的刺激下，有机感应层4中的产生的反向电场中的氯离子10累积后在电阻切换层3中诱导出氧空位，使得权重从高阻态(High impedance state，HRS)转变为低阻态(Low impedance state，LRS)，并在脉冲波谷(45ms)处产生反向的突触后电流，这与生物突触的传导方式一致。当有机感应层4中积累的氯离子10逐渐增大至饱和时，电阻切换层3中诱导出的氧空位数量也趋于饱和，此时突触后电流稳定在某一固定的范围，并在突触前电压脉冲停止后逐渐恢复至初始状态，使得电导率从高导态恢复为低导态。说明在突触后电流受到突触前电压脉冲的刺激后，兴奋性突触后电流在突触权重由于突触可塑性变化而增加，并能在撤掉刺激后维持电导率保持在较高水平的短程可塑性。由于有机感应层4所具有的电容特性，导致循环电流的最小值并没有出现在零偏压的位置。但是从电阻变化的规律可以看出，本发明实施例中的传感器具有阈值电阻切换器件的明显特征，也即，在没有施加外部偏置的时候只有高电阻的状态能保持稳定。这对于用作选择器来解决高密度存储器的交叉开关潜行路径问题有着明显的优势。
本发明还提供一具体实施例，参阅图5，图5示意性示出了本发明实施例中在外部压力下突触后电流的响应曲线。在低电平0.1V，高电平5V，占空比为10％的持续脉冲刺激下，在有机感应层4中施加外部压力后突触后电流的响应表示于图6中，当压强从0.05Pa增加到20Pa时，突触后电流也随着产生明显的响应增加。这一曲线说明了有机感应层4在外界压力的作用下所发生的微弱形变实际上影响了氯离子10的分布情况，进而导致电阻切换层3中氧空位数目发生变化，使得电阻切换层3中的电阻值改变。
本发明实施例提供了一种器件，该器件包括多个上述传感器，多个传感器之间通过第一电极1与第二电极2相互连接。并且，本实施例中的传感器厚度“h”的范围例如可以为5μm-20μm、长度范围例如可以为5mm-30mm、宽度范围例如可以为2mm-10mm。
本实施例中的器件可以通过多个传感器组成m×n的传感器阵列，该m×n的传感器阵列可以随着受压面面积的改变而改变。例如，当受压面的面积较小时，通过第一电极1与第二电极2连接后组成该器件的传感器阵列可以适当减小；当受压面的面积较大时，为了充分的接触待测物质的受压面，组成该器件的传感器数量可以适当增加，进而测得大尺寸的压力感应，实现信息传输。
本发明实施例另提供了一种传感器的制备方法，参阅图6，图6示意性示出了本发明实施例中传感器制备方法的流程图。
该方法包括：S1，在衬底5上蒸镀第一电极1与第二电极2，第一电极1与第二电极2之间存在沟道8。
首先，本发明实施例中，步骤S1包括：在衬底5上蒸镀铬金属层6；在铬金属层6上蒸镀金金属层7，得到第一电极1与第二电极2。
S2，在沟道8内旋涂金属硝酸盐溶液，煅烧后得到的金属氧化物即为电阻切换层3。
其次，金金属层7作为突触前电极以及突触后电极，在金金属层7形成的突触前、后电极中间的沟道8处旋涂金属硝酸盐溶液，煅烧后得到的金属氧化物即为电阻切换层3，该金属氧化物为半导体材料。
其中，电阻切换层3的材料采用金属氧化物半导体材料，优选氧化锌薄膜作为传感器的电阻切换层3的材料。
S3，将聚乙烯醇水溶液旋涂在电阻切换层3上，聚乙烯醇水溶液固化后为有机感应层4，得到传感器。
最后，在电阻切换层3上旋PVA水溶液，固化后得到有机感应层4，上述由PVA制备得到的有机感应层4为能够感知压力的柔性电子突触器件。
制备方法中各结构的尺寸参数及材料类型等请参照上述结构实施例部分，此处不再赘述。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种传感器，包括：
第一电极(1)、第二电极(2)、电阻切换层(3)及有机感应层(4)；所述第一电极(1)与所述第二电极(2)之间形成有一沟道(8)；所述电阻切换层(3)以及所述有机感应层(4)设置于所述沟道(8)内，所述有机感应层(4)设置于所述电阻切换层(3)的表面。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述器件还包括衬底(5)，所述第一电极(1)、所述第二电极(2)，以及所述电阻切换层(3)均设置于所述衬底(5)上。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述衬底(5)为可弯曲的柔性薄膜材料。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述电阻切换层(3)、所述有机感应层(4)均与所述第一电极(1)、所述第二电极(2)连接。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第一电极(1)与所述第二电极(2)均包括两层金属层。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述两层金属层包括铬金属层(6)及金金属层(7)，其中，所述铬金属层(6)形成于所述衬底(5)上，所述金金属层(7)形成于所述铬金属层(6)上。
7.根据权利要求1所述的传感器，所述电阻切换层(3)为氧化锌半导体材料，所述有机感应层(4)为掺杂氯化钙的聚乙烯醇材料。
8.一种器件，所述器件包括多个权利要求1-7任一项所述的传感器，多个传感器之间通过所述第一电极(1)与所述第二电极(2)相互连接。
9.一种传感器的制备方法，所述方法包括：
S1，在衬底(5)上蒸镀第一电极(1)与第二电极(2)，所述第一电极(1)与所述第二电极(2)之间形成有一沟道(8)；
S2，在所述沟道(8)内旋涂金属硝酸盐溶液，煅烧后得到的金属氧化物即为电阻切换层(3)；
S3，将聚乙烯醇水溶液旋涂在所述电阻切换层(3)上，所述聚乙烯醇水溶液固化后为有机感应层(4)，得到所述传感器。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，步骤S1中，所述在衬底(5)上蒸镀第一电极(1)与第二电极(2)，包括：
在所述衬底(5)上蒸镀铬金属层(6)；
在所述铬金属层(6)上蒸镀金金属层(7)，得到所述第一电极(1)与所述第二电极(2)。
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