CN111585562A - 一种神经形态输出的电容型触觉传感单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种神经形态输出的电容型触觉传感单元，将振荡器、反相器和脉冲编码器原位集成。当压敏电容受压引起容值变化时，振荡器产生方波信号频率发生变化，经反相器输入脉冲编码器，脉冲编码器电路将电压信号转换为脉冲信号输出。脉冲编码器受前级反相器中晶体管输出电流I_DS控制，由一个Mott忆阻器、一个电容和一个电阻原位转换成频率与振荡器输出频率一致的脉冲序列，从而实现神经形态的触觉信息输出；该神经形态输出的电容型触觉传感单元具有高灵敏度、低功耗、易于集成和良好的生物兼容性特征，具有一定应用前景。

Description

一种神经形态输出的电容型触觉传感单元

技术领域

本发明涉及柔性电子的触觉传感器技术领域，具体涉及是一种神经形态输出的电容型触觉传感单元。

背景技术

近年来，随着以机器学习算法和人工神经网络为背景的人工智能技术和人机交互设备的日益成熟，作为机械装置与外界环境交互的重要窗口，触觉传感技术在仿生机器人、医疗器械等领域都具有重要的应用前景。电容式触觉传感器以电容作为敏感参量，具有灵敏度高、便于柔性化和性质稳定等特点，在触觉传感领域有重要的应用前景和研究价值。

通过平面工艺将触觉传感单元阵列化集成，从而获得触觉的空间时间分布信息，是提高触觉判断能力的重要方法。但是由于受限于数据采集能力和控制电路计算资源等因素，触觉传感单元阵列规模受到很大限制，极大限制了这类触觉传感器的触觉感知判断能力的提升。

发明内容

针对现有触觉传感器的触觉感知判断能力受限问题，本发明提供一种神经形态输出的电容型触觉传感单元，提高触觉传感器的触觉感知判断能力。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种神经形态输出的电容型触觉传感单元，包括振荡器、反相器和脉冲编码器；

振荡器，用于采集触觉信息并转化为频率信号；

反相器，用于根据频率信号控制脉冲编码器的充放电状态；

脉冲编码器，用于将频率信号转换为神经形态的触觉脉冲序列信号并输出。

优选的，所述振荡器包括多个电阻、电容C_S和运算放大器A₁；

所述运算放大器A₁的负相分别接电阻R₁和电阻R₃的一端，电阻R₁的另一端与稳压源V_in连接，电阻R₃另一端与运算放大器输出端连接，运算放大器输出端连接电阻R₄的一端，电阻R₄的另一端与运算放大器正相输入端和压敏电容C_s连接。

优选的，所述反相器为CMOS反相器。

优选的，所述包括PMOS晶体管PM₁和NMOS晶体管NM₁；

所述PMOS晶体管PM₁和NMOS晶体管NM₁的栅极分别与振荡器电路输出相接，PMOS晶体管PM₁和NMOS晶体管NM₁的漏极分别与脉冲编码器输入相接。

优选的，所述脉冲编码器包括电容C₁和Mott忆阻器；

电容，用于根据充电时的电压值控制Mott忆阻器导通；

Mott忆阻器，用于根据阻态变化输出触觉脉冲序列信号；

当电容的电压值到阈值后，忆阻器由高阻态切换到低阻态使Mott忆阻器导通，电容放电，Mott忆阻器输出触觉脉冲序列信号。

优选的，所述脉冲编码器包括电容C₁、电阻R₅、R₆和Mott忆阻器；

所述电阻R₅一端与反相器相连，另一端与电容C₁和Mott忆阻器相连；电容C₁另一端接地，Mott忆阻器的另一端与电阻R₆相连，电阻R₆另一端接地。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种神经形态输出的电容型触觉传感单元，振荡电路和脉冲编码器电路原位集成，当按压操作发生时压敏电容容值变化引起振荡电路输出方波信号频率变化，并经反相器提供隔离后输入编码器电路，脉冲编码器电路将方波信号转换为脉冲信号输出，从而实现神经形态的触觉信息输出。

振荡电路将电容型触觉传感器输出整理成与频率相关的电压信号，改变了电容信号不易测量和无驱动能力的特点，同时该结构具有测量精度高、灵敏度高和电路简单等优点，实际应用中可通过调节电路中电阻大小改变触觉检测灵敏度和范围。

脉冲编码器采用前级反相器内部晶体管控制输出电流I_DS作为驱动信号，通过一个电阻、一个电容和一个Mott忆阻器循环充电放电，从而将触觉信息转换成频率与振荡电路频率大小相关的脉冲信号，从而实现神经形态的触觉信息输出。

Mott脉冲编码器将触觉信号以脉冲序列形式输出，这与生物神经元导电离子通道开关释放的脉冲信号特征相似，因此称为神经形态输出。神经形态输出回避了ADC采样转换电路及其采样频率限制，从而在保证触觉信号时域解析度的同时，大幅降低传感数据量，方便阵列规模扩展，保证空间解析度更大提升空间。脉冲序列输出的触觉传感器同时具有生物兼容性，从短期出发是发展基于脉冲神经网络(SNN)神经形态计算体系的迫切需要，从长远角度出发也是生物神经科学和智能脑机接口研究的需求。

附图说明

图1为本发明神经形态输出的电容型触觉传感单元的结构示意图；

图2为本发明振荡器电路图；

图3为本发明反相器电路；

图4为本发明脉冲编码器电路；

图5为本发明仿真结果，其中，图a为Mott忆阻器回滞曲线图，图b为振荡器电路电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝500KΩ的仿真图，图c为振荡器电路电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝100KΩ的仿真图，图d为振荡器电路电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝10KΩ的仿真图，图e运算放大器反相输入端仿真图，图f为振荡器输出仿真图，图g为脉冲编码器输出仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参照图1，一种神经形态输出的电容型触觉传感单元，包含振荡器、反相器和脉冲编码器。

振荡器，用于采集触觉信息并转化为频率信号，随后输出至脉冲编码器电路。

振荡器包括运算放大器、压敏电容、电阻和输入稳压源。

其中，压敏电容作为触觉感受器，用于控制电路充放电，形成振荡信号的输出。

反相器，用于根据频率信号控制脉冲编码器的充放电状态。

反相器为常用的CMOS反相器，有一只NMOS晶体管和一只PMOS晶体管组成，反相器实现前后级电流隔离，同时在受振荡器电路控制下为脉冲编码器电路提供充放电功能。

脉冲编码器，将频率信号转换为神经形态的触觉脉冲序列信号并输出。

脉冲编码器包括电容、电阻和Mott忆阻器，脉冲编码器电路直接与前级电路中的反相器相连，反相器的驱动电流用于控制脉冲编码器工作。Mott忆阻器是神经拟态器件，用于模拟神经元离子通道开关，是实现神经形态触觉信号输出的核心元件。

当发生按压时，振荡器电路的压敏电容容值波动引起其储电能力变化，从而导致振荡器电路输出信号频率变化。由于振荡器电路产生方波信号，因此经过反相器后只发生相位偏移而不引起信号形状和频率变化。反相器为常见的CMOS结构，由PMOS晶体管控制上拉，NMOS晶体管控制下拉。脉冲编码器电路与前级电路的反相器输出直接连接，因此其工作状态受压敏电容容值控制，反相器输出电流I_DS为触觉控制信号，对电阻和电容组成的RC网络进行充电和放电，由于Mott忆阻器具有阻变特性，即在特定压差条件下可在高阻态和低阻态之间变化，因此当振荡器产生低电平时，反相器PMOS晶体管导通，输出电流I_DS对电容C充电，当电容上端电压升高达到一定阈值时，可使Mott忆阻器导通，此时电路完成一次放电，即产生一个脉冲输出。随后Mott忆阻器保持常开状态，电流I_DS两个电阻上分压，可通过调控两只电阻的阻值实现极小的输出电压。当振荡器产生高电平时，反相器NMOS晶体管导通，RC网络向反相器放电，进而Mott忆阻器恢复高阻值。RC网络充放电频率由接触压力决定，每个周期实现一次脉冲信号输出，从而实现触觉信号的神经形态脉冲编码。

参照图2所示，振荡器由4个电阻、1个电容、1个运算放大器和1个稳压源组成。

电路具体连接方式为：电阻R₁的一端与稳压源V_in连接，另一端与电阻R₂的一端和运算放大器负相连接；电阻R₃的一端与运算放大器负相连接，另一端与运算放大器输出端连接；电阻R₄的一端与运算放大器输出端连接，另一端与运算放大器正相输入端和压敏电容C_s连接。

需注意电路工作过程中不满足“虚短”条件，需根据基尔霍夫电压和电流定律列写方程，如果假设运算放大器正相输入端电压为V₊，反相输入端电压为V_-，则可以得到式(1)(2)所示的方程组：

V₊解析表达式也可整理为(3)式所示：

振荡器电路输出为方波信号，该信号只存在两种情况，即高电平V_in和低电平0。每当满足V₊＝V_-时输出发生一次跳转。因此输出高电平状态下和低电平状态下V₊不同，分别为(4)和(5)式表示，其中V₊₁表示输出高电平状态，V₊₂表示输出低电平状态

此时可以计算电路振荡周期。当电路处于高电平输出周期时，初始条件为V_-＝V₊₂，则解方程(2)可得V_-随时间变化的表达式(6)，当V_-增大到满足V_-＝V₊₁时输出发生从高电平向低电平跳转：

当电路处于低电平输出周期时，初始条件为V_-＝V₊₁，则解方程(2)可得V_-随时间变化的表达式(7)，当V_-减小到满足V_-＝V₊₂时输出发生从低电平向高电平跳转：

因此分别对(6)和(7)式求解V_-＝V₊₁和V_-＝V₊₂的方程，可得两段时间t₁和t₂，并将其就和后可得方波信号的周期。

本发明实施方案可通过调整电阻R₁～R₄的大小组合实现不同灵敏度和量程需求的触觉信息采集。

实施例1，选取振荡器电路中电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝500KΩ，则式(8)可简化为：

T＝5×10⁵ln4×C_s (9)

如图5b所示的仿真结果，此时选取压敏电容值在0.002uF-0.2uF范围内变化可实现10HZ-1000HZ的方波信号输出，该频率与生物神经系统电信号频率基本一致，可满足使用需求。且在该范围内压力测量灵敏度和量程可以取得较为理想的折中。

实施例2，选取振荡器电路中电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝100KΩ，则式(8)可简化为：

T＝10⁵ln4×C_s (10)

如图5c所示的仿真结果，此时选取压敏电容值在0.01uF-1uF范围内变化可实现10HZ-1000HZ的方波信号输出，该频率与生物神经系统电信号频率基本一致，可满足使用需求。且在该范围内压力测量灵敏度和量程可以取得较为理想的折中。

实施例3，选取振荡器电路中电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝10KΩ，则式(8)可简化为：

T＝10⁴ln4×C_s (11)

如图5d所示的仿真结果，此时选取压敏电容值在0.1uF-10uF范围内变化可实现10HZ-1000HZ的方波信号输出，该频率与生物神经系统电信号频率基本一致，可满足使用需求。且在该范围内压力测量灵敏度和量程可以取得较为理想的折中。

参照图3所示，反相器为常见的CMOS反相器，采用1个PMOS晶体管PM₁和1个NMOS晶体管NM₁组成。

其中，PMOS晶体管PM₁和1个NMOS晶体管NM₁栅极共同与振荡器电路输出相接；漏极共同与脉冲编码器输入相接。

参照图4所示，脉冲编码器电路包括1个电容C₁、2个电阻R₅和R₆以及1个Mott忆阻器。

其中，电阻R₅一端与反相器相连，另一端与电容C₁和Mott忆阻器相连；电容C₁另一端接地；Mott忆阻器的另一端与电阻R₆相连；电阻R₆另一端接地。

脉冲编码器电路在工作中受振荡器和反相器控制。作为无源器件，Mott忆阻器由于其独特的易失性和阈值开关特性，由于阈值开关特性，Mott忆阻器模拟神经元突触离子通道开关具有天然优势，因此常用作神经拟态器件。基于Mott忆阻器的仿突触电路通常将电容接于忆阻器前，利用电容的储电特性模拟突触细胞膜内电位变化，忆阻器模拟突触上的离子通道开关。当电容上极板电位达到阈值后，忆阻器由高阻态切换到低阻态导致电路导通，随后电容放电导致上极板电位降低，忆阻器再次回到高阻状态，从而形成一次脉冲放电输出。本发明所提的基于Mott忆阻器的脉冲编码电路与这一原理相似，在不同按压条件下振荡器产生方波频率不同，进而通过反相器对脉冲编码器电路实现不同频率的充放电操作。参考场效应晶体管平方率模型，近似得到在振荡器输出为低电平时反相器中晶体管PM₁栅压与电容电压关系式(12)：

其中k为常数，由晶体管栅极电容、宽长比和沟道迁移率参量决定；V_dd为电源电压；V_C表示电容上极板电压；V_th表示晶体管阈值电压；C₁表示电容的值。随着充电的进行，电容上极板电压V_C逐渐升高，进而引起V₂升高。而且V₂升高会导致PM₁电流减小，从而导致变化V_C逐渐减缓。当V_C高于Mott忆阻器阈值为V_T时，忆阻器发生阻态切换，将其等效为0阻值状态，可依据电阻分压近似得出稳态时的输出电压V_OUT。应注意为满足实际应用，振荡器输出为低电平时只产生一个脉冲信号，而其后输出的直流电平应尽可能小，需满足条件R₅＞＞R₆，同时使用中应注意电阻R₆的发热问题。

振荡器输出为高电平时，反相器的NMOS晶体管导通，V₂被拉为接地状态。脉冲编码器的RC网络通过NMOS晶体管放电，随后Mott忆阻器切换回高阻态。

上述内容主要为本发明提出的神经形态输出的传感单元理论描述，振荡器电路在三种不同工作状态下输出的分析，脉冲编码器电路详细列举了脉冲信号产生过程。

图5a所示仿真中采用正向开启电压为5V，反向关断电压为2.62V的Mott忆阻器。图中仿真结果采用电路参数为R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝100KΩ；R₅＝5KΩ；R₆＝100Ω；C₁＝100pF；输入电压V_in＝10V。图5e为放大器负相输入端电压变化曲线。可以看到在V_in＝10V情况下，V_-在3.3V-6.6V间变化，与前面理论分析完全吻合。图5f为振荡电路输出的方波信号，图5g为脉冲编码器输出的脉冲序列，这些信号特征均与理论分析中的特性一致。

以上内容表明，本发明在不改变电容型触觉传感器自身特性前提下，提出新的神经形态信号调理方式，实现了触觉传感单元脉冲序列的输出，提高了触觉传感单元阵列化集成和数据读取的便利性，为触觉传感器阵列与脉冲神经网路等神经拟态计算硬件电路直接相连提供潜在条件。本发明应用方式简单，理论清晰，具有一定实用性。

本发明公开了一种神经形态输出的电容型触觉传感单元，该单元包括振荡器、反相器和脉冲编码器。当压敏电容受压引起容值变化时，振荡器产生方波信号频率发生变化，经反相器输入脉冲编码器。基于Mott忆阻器的脉冲编码器受前级电路控制下通过循环充放电释放脉冲信号，实现神经形态输出。传统电容型触觉传感器大规模阵列化集成时受ADC采样转换电路及其采样频率限制，存在数据量巨大进而导致处理电路计算资源分配有限的问题。本发明通过压敏电容振荡器进行敏感检测，采用脉冲编码器电路实现触觉信息神经形态输出，保证触觉信号时域解析度的同时，大幅降低传感数据量，方便阵列规模扩展，保证空间解析度更大提升空间。

综上所述，本发明提出的一种神经形态输出的电容型触觉传感单元具有高灵敏度、低功耗、易于集成和良好的生物兼容性特征，具有一定应用前景。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种神经形态输出的电容型触觉传感单元，其特征在于，包括振荡器、反相器和脉冲编码器；

振荡器，用于采集触觉信息并转化为频率信号；

反相器，用于根据频率信号控制脉冲编码器的充放电状态；

脉冲编码器，用于将频率信号转换为神经形态的触觉脉冲序列信号并输出。

2.根据权利要求1所述的一种神经形态输出的电容型触觉传感单元，其特征在于，所述振荡器包括多个电阻、电容C_S和运算放大器A₁；

所述运算放大器A₁的负相分别接电阻R₁和电阻R₃的一端，电阻R₁的另一端与稳压源V_in连接，电阻R₃另一端与运算放大器输出端连接，运算放大器输出端连接电阻R₄的一端，电阻R₄的另一端与运算放大器正相输入端和压敏电容C_s连接。

3.根据权利要求1所述的一种神经形态输出的电容型触觉传感单元，其特征在于，所述反相器为CMOS反相器。

4.根据权利要求3所述的一种神经形态输出的电容型触觉传感单元，其特征在于，所述包括PMOS晶体管PM₁和NMOS晶体管NM₁；

所述PMOS晶体管PM₁和NMOS晶体管NM₁的栅极分别与振荡器电路输出相接，PMOS晶体管PM₁和NMOS晶体管NM₁的漏极分别与脉冲编码器输入相接。

5.根据权利要求1所述的一种神经形态输出的电容型触觉传感单元，其特征在于，所述脉冲编码器包括电容C₁和Mott忆阻器；

电容，用于根据充电时的电压值控制Mott忆阻器导通；

Mott忆阻器，用于根据阻态变化输出触觉脉冲序列信号；

当电容的电压值到阈值后，忆阻器由高阻态切换到低阻态使Mott忆阻器导通，电容放电，Mott忆阻器输出触觉脉冲序列信号。

6.根据权利要求1所述的一种神经形态输出的电容型触觉传感单元，其特征在于，所述脉冲编码器包括电容C₁、电阻R₅、R₆和Mott忆阻器；

所述电阻R₅一端与反相器相连，另一端与电容C₁和Mott忆阻器相连；电容C₁另一端接地，Mott忆阻器的另一端与电阻R₆相连，电阻R₆另一端接地。

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