CN113008414A - 一种基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统，其特征在于：包括电容器、压力传感器、忆阻器和集成系统电路；所述电容器，用于为所述击打记忆系统提供电流；所述压力传感器，用于接收击打压力并产生相应的响应电流；所述忆阻器，用于接收压力传感器的响应电流并发生电阻变化，记录击打信号；在所述集成系统电路中，所述电容器的正极与压力传感器的一端相连，所述压力传感器的另一端与忆阻器的一端相连，所述忆阻器的另一端与电容器的负极相连。本发明的击打记忆系统通过简单的系统集成即可成功搭建，且可重复使用，搭建出来的系统在各大领域可以得到广泛的应用。
Description
技术领域
本发明属于系统集成领域，具体涉及一种基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统。
背景技术
随着半导体集成技术的不断发展，新型存储器件成功地吸引了半导体人的注意，其中阻变存储器(RRAM)由于其简单的结构、与COMS工艺兼容、功耗低、更强的微缩能力和更简单的工艺基础等优势被视为最有发展前景的存储器件。目前对阻变存储器的研究主要包括其自身多功能的应用和与其它器件的集成。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。
本发明的一种基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统，包括电容器、压力传感器、忆阻器和集成系统电路；
所述电容器，用于为所述击打记忆系统提供电流；
所述压力传感器，用于接收击打压力并产生相应的响应电流；
所述忆阻器，用于接收压力传感器的响应电流并发生电阻变化，记录击打信号；
在所述集成系统电路中，所述电容器的正极与压力传感器的一端相连，所述压力传感器的另一端与忆阻器的一端相连，所述忆阻器的另一端与电容器的负极相连。
所述基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统，还包括忆阻器恢复电源，用于使忆阻器恢复初始状态。
所述电容器为超级电容器，通过下述方法制备：首先通过丝网印刷工艺在碳纸上印刷一层电极材料得到超级电容器电极，然后在两个电极中间加上凝胶电解质，最后使用塑料膜进行封装，即得到所述超级电容器。
在本发明的一个实施例中，所述电极材料为使用超声波辅助切割石墨而制备的二维类石墨烯材料；所述凝胶电解质为硫酸凝胶电解质，通过4g PVA、6g 98％的浓硫酸、60mL的去离子水制备。
所述压力传感器由压阻材料组成，所述压阻材料通过下述方法制备：首先将棉布在碳浆中浸泡48～60h，然后取出棉布，在70～80℃烘干箱中烘干，用手揉搓掉未附着在棉布上的碳浆渣，即得到所述压阻材料，即为压力传感器。
在本发明的一个实施例中，所述棉布的面积为5cm×5cm，将棉布在碳浆中浸泡48h，然后在80℃烘干箱中烘干。
所述忆阻器自下而上由下电极、中间层和上电极依次叠加设置而成，所述下电极为导电金属、金属合金、导电金属化合物或其他导电材料中的一种；所述中间层为Ga2O3薄膜，所述上电极为导电金属、金属合金、导电金属化合物或其他导电材料中的一种；所述下电极厚度为50-200nm，所述中间层厚度为10-100nm，所述上电极厚度为50-200nm。
所述导电金属为Ta、Cu、Ag、W、Ni、Al或Pt的一种；所述金属合金为Pt/Ti、Ti/Ta、Cu/Ti、Cu/Au、Cu/Al或Al/Zr合金的一种；所述导电金属化合物为TiN或ITO；所述其他导电材料如AZO、FTO、石墨烯或者纳米银线的一种。
在本发明的一个实施例中，使用磁控溅射在硅片上溅射一层Pt作为下电极，磁控溅射条件为：室温、压强为0.5Pa、射频功率为80W、氩气流量30sccm、时间7min、厚度200nm；再使用磁控溅射在下电极Pt上溅射一层Ga2O3作为中间层，磁控溅射条件为：室温、压强为1Pa、射频功率为40W、氩气流量30sccm、生长时间10min、厚度15nm；最后使用磁控溅射在掩膜版(规格：10×10共100个直径为300μm的孔)的作用下在中间层Ga2O3上溅射一层Ta作为上电极，磁控溅射条件为：室温、压强为1Pa、射频功率为50W、氩气流量30sccm、时间20min、厚度200nm。
本发明的击打记忆系统的集成系统电路通过下述方法制备：首先通过绘图软件画出集成系统的电路图，然后根据电路图做出丝网印刷网版，最后使用丝网印刷技术将电路图转移在A4打印纸上。
在本发明的一个实施例中，由于忆阻器体积太小，将其放在探针台上，通过探针接入集成系统电路，超级电容器的正极与压力传感器的一端连接，压力传感器的另一端与忆阻器的一端的探针相连，忆阻器的另一端的探针与超级电容器的负极相连，即得到本发明的基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统。
本发明还公开了基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统在记录击打信号中的应用：击打压力传感器后，压力传感器的电阻变小，经压力传感器到达忆阻器的电流变大，忆阻器两端的电阻由高阻变为低阻，从而通过忆阻器两端电阻的变化记录击打信号；击打压力传感器且忆阻器记录击打信号后，通过忆阻器恢复电源使忆阻器恢复初始状态，以记录下一次的击打信号，从而实现重复循环使用。
本发明的有益效果是：本发明的基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统通过简单的系统集成即可成功搭建，且可重复使用；另外，本发明的击打记忆系统中的压阻材料的制备工艺简单，忆阻器的制备工艺新颖，且整个击打记忆系统的性能优异；本发明的基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统集成方法简便，搭建出来的系统在各大领域可以得到广泛的应用。
附图说明
图1是本发明的击打记忆系统的超级电容器的照片；
图2是本发明的击打记忆系统的压阻材料的照片与SEM图；
图3是本发明的击打记忆系统的支持电路图；
图4是本发明的击打记忆系统未接入忆阻器时的电路照片；
图5是本发明的击打记忆系统的忆阻器的照片；
图6是本发明的击打记忆系统的等效电路图；
图7是本发明的击打记忆系统的照片；
图8是本发明的击打记忆系统的压力传感器性能测试结果图；
图9是本发明的击打记忆系统性能测试结果图；
图10是本发明击打记忆系统的忆阻器充电恢复后的性能测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明实施例所使用的超级电容器依照文献(①Effective boron doping inthree-dimensional nitrogen-containing carbon foam with mesoporous structurefor enhanced all-solid-state supercapacitor performance,Zhengchun Yang etal.,Applied Surface Science,2019.11.1,Vol.493:1205-1214；②Facile large scaledfabrication of graphene like materials by ultrasonic assisted shearexfoliation method for enhanced performance on fexible supercapacitorapplications,Liqiang Xie et al.,Applied Nanoscience,Available online:2019.10)加以制备。
本发明实施例所使用的忆阻器参考申请号为201910271281.7、申请日为2019年4月4日、发明名称为“基于氧化镓薄膜的阻变存储器及其制备方法”的中国发明专利申请加以制备。
实施例1
本发明的一种基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统，包括超级电容器、压力传感器、忆阻器和集成系统电路，通过下述步骤制备、搭建得到：
步骤1，超级电容器的制备：首先通过丝网印刷工艺在碳纸上印刷一层使用超声波辅助切割石墨而制备的二维类石墨烯材料得到超级电容器电极，然后在两个电极中间加上硫酸凝胶电解质(通过4g PVA，6g 98％的浓硫酸，60mL的去离子水制备)，最后使用塑料膜进行封装，即得到如图1所示的超级电容器；
步骤2，压力传感器的制备：首先将面积大小为5cm×5cm的棉布在碳浆中浸泡48小时，然后取出棉布，在80℃烘干箱中烘干，用手揉搓掉未附着在棉布上的碳浆渣，即得到如图2所示的压阻材料，即为压力传感器；
步骤3，忆阻器的制备：使用磁控溅射，在硅片上溅射一层Pt作为下电极，溅射条件为：室温、压强为0.5Pa、射频功率为80W、氩气流量30sccm，时间7min，厚度200nm；再使用磁控溅射，在Pt上溅射一层Ga2O3作为中间层，溅射条件为：室温、压强为1Pa，射频功率为40W，生长时间10min、厚度15nm；最后使用磁控溅射，在掩膜版(规格：10×10共100个直径为300μm的孔)的作用下在Ga2O3上溅射Ta作为上电极，溅射条件为：室温、压强为1Pa，射频功率为50W，时间20min，厚度200nm，即得到如图5所示结构的忆阻器；
步骤4，集成系统电路的制备：首先通过绘图软件画出集成系统的电路图，然后根据电路图做出丝网印刷网版，最后使用丝网印刷技术将电路图转移在A4打印纸上，即得到如图3所示的集成系统电路；
步骤5，击打记忆系统搭建：将上述步骤制得的超级电容器、压力传感器和忆阻器按如图6所示连接方式放置于集成系统电路中，其中：忆阻器由于体积太小，将其放在探针台上，通过探针接入电路，超级电容器的正极与压力传感器的一端连接，压力传感器的另一端与忆阻器的一端的探针相连，忆阻器的另一端的探针与超级电容器的负极相连，即得到如图7所示的击打记忆系统。
本发明使用电化学工作站在如图4所示电路(即未接入忆阻器的电路)中对压力传感器的性能进行了检测。首先在8mA的电流下，将超级电容器电压充到1.5V，然后再将电化学工作站接到如图4所示电路缺口两端用于记录电路中的实时电流，最后在压力传感器上放置不同重量的物品(12.3g，24.7g，29.9g)，不同重量的物品压在压力传感器上时，会产生不同的响应电流，结果如图8所示，放置在压力传感器上的物品质量越大，即施加在压力传感器上的压力越大，产生的响应电流越大。
本发明使用b1500半导体器件参数分析仪在如图7所示的击打记忆系统电路中对忆阻器在受到击打后的电阻变化进行检测。探针台一端连接忆阻器另一端连接b1500，首先在8mA的电流下，将超级电容器电压充到1.5V，然后设置b1500参数(电压1.5v，限流5mA)，设置完成后开始实时记录忆阻器两端电阻；如图9所示，击打压力传感器，忆阻器两端电阻由高阻变成了低阻，这说明忆阻器成功地记录了击打信号。
实施例2
本发明的一种基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统，包括超级电容器、压力传感器、忆阻器、集成系统电路和忆阻器恢复电源，通过下述步骤制备、搭建得到：
步骤一，超级电容器的制备：首先通过丝网印刷工艺在碳纸上印刷一层使用超声波辅助切割石墨而制备的二维类石墨烯材料得到超级电容器电极，然后在两个电极中间加上硫酸凝胶电解质(通过4g PVA，6g 98％的浓硫酸，60mL的去离子水制备)，最后使用塑料膜进行封装，即得到如图1所示的超级电容器；
步骤二，压力传感器的制备：首先将面积大小为5cm×5cm的棉布在碳浆中浸泡48小时，然后取出棉布，在80℃烘干箱中烘干，用手揉搓掉未附着在棉布上的碳浆渣，即得到如图2所示的压阻材料，即为压力传感器；
步骤三，忆阻器的制备：使用磁控溅射，在硅片上溅射一层Pt作为下电极，溅射条件为：室温、压强为0.5Pa、射频功率为80W、氩气流量30sccm，时间7min，厚度200nm；再使用磁控溅射，在Pt上溅射一层Ga2O3作为中间层，溅射条件为：室温、压强为1Pa，射频功率为40W，生长时间10min、厚度15nm；最后使用磁控溅射，在掩膜版(规格：10×10共100个直径为300μm的孔)的作用下在Ga2O3上溅射Ta作为上电极，溅射条件为：室温、压强为1Pa，射频功率为50W，时间20min，厚度200nm，即得到如图5所示结构的忆阻器；
步骤四，集成系统电路的制备：首先通过绘图软件画出集成系统的电路图，然后根据电路图做出丝网印刷网版，最后使用丝网印刷技术将电路图转移在A4打印纸上，即得到如图3所示的集成系统电路；
步骤五，击打记忆系统搭建：将上述步骤制得的超级电容器、压力传感器和忆阻器按如图6所示连接方式放置于集成系统电路中，其中：忆阻器由于体积太小，将其放在探针台上，通过探针接入电路，超级电容器的正极与压力传感器的一端连接，压力传感器的另一端与忆阻器的一端的探针相连，忆阻器的另一端的探针与超级电容器的负极相连，即得到如图7所示的击打记忆系统。
本发明使用b1500半导体器件参数分析仪在如图7所示的击打记忆系统电路中对忆阻器在受到击打后的电阻变化进行检测。首先在8mA的电流下，将超级电容器电压充到1.5V，然后设置b1500参数(电压1.5v，限流5mA)，设置完成后开始实时记录忆阻器两端电阻，如图10所示，首次击打压力传感器，发现忆阻器两端电阻由高阻变成了低阻，这说明忆阻器成功地记录了击打信号；然后改变b1500参数(电压-1.5v，限流100mA，此参数设置下的b1500即为忆阻器恢复电源)实现电擦除，忆阻器由低阻变为高阻，即通过忆阻器恢复电源使忆阻器恢复初始状态，然后再设置b1500参数(电压1.5v，限流5mA)，设置完成后开始实时记录忆阻器两端电阻，如图10所示，再次击打压力传感器，发现忆阻器两端电阻再次由高阻变成了低阻，这说明忆阻器可在恢复电源的作用下恢复初始状态，重复使用。
本发明的基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统通过简单的系统集成，即成功搭建了击打记忆系统，且可重复使用；其中，本发明中压阻材料的制备工艺简单，忆阻器的制备工艺新颖，且整个击打记忆系统的性能优异。
在具体说明实施方式之后，对该项技术熟悉的人士可清楚的了解，在不脱离上述申请专利范围下可进行各种变化与修改，且本发明亦不受限于说明书中所举实施例的实施方式。
Claims (10)
1.一种基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统，其特征在于：包括电容器、压力传感器、忆阻器和集成系统电路；
所述电容器，用于为所述击打记忆系统提供电流；
所述压力传感器，用于接收击打压力并产生相应的响应电流；
所述忆阻器，用于接收压力传感器的响应电流并发生电阻变化，记录击打信号；
在所述集成系统电路中，所述电容器的正极与压力传感器的一端相连，所述压力传感器的另一端与忆阻器的一端相连，所述忆阻器的另一端与电容器的负极相连。
2.根据权利要求1所述的基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统，其特征在于：还包括忆阻器恢复电源，用于使忆阻器恢复初始状态。
3.根据权利要求1或2所述的基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统，其特征在于：所述电容器为超级电容器，通过下述方法制备：首先通过丝网印刷工艺在碳纸上印刷一层电极材料得到超级电容器电极，然后在两个电极中间加上凝胶电解质，最后使用塑料膜进行封装，即得到所述超级电容器。
4.根据权利要求1或2所述的基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统，其特征在于：所述压力传感器由压阻材料组成，所述压阻材料通过下述方法制备：首先将棉布在碳浆中浸泡48～60h，然后取出棉布，在70～80℃烘干箱中烘干，用手揉搓掉未附着在棉布上的碳浆渣，即得到所述压阻材料，即为压力传感器。
5.根据权利要求1或2所述的基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统，其特征在于：所述忆阻器自下而上由下电极、中间层和上电极依次叠加设置而成，所述下电极为导电金属、金属合金、导电金属化合物或其他导电材料中的一种；所述中间层为Ga2O3薄膜，所述上电极为导电金属、金属合金、导电金属化合物或其他导电材料中的一种。
6.根据权利要求5所述的基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统，其特征在于：所述下电极厚度为50-200nm，所述中间层厚度为10-100nm，所述上电极厚度为50-200nm。
7.根据权利要求1或2所述的基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统，其特征在于：所述集成系统电路通过下述方法制备：首先通过绘图软件画出集成系统的电路图，然后根据电路图做出丝网印刷网版，最后使用丝网印刷技术将电路图转移在A4打印纸上。
8.权利要求1或2所述的基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统在记录击打信号中的应用，其特征在于：击打压力传感器后，忆阻器两端的电阻由高阻变为低阻，通过电阻的变化记录击打信号。
9.根据权利要求8所述的基于电容器、压力传感器和忆阻器的击打记忆系统在记录击打信号中的应用，其特征在于：击打压力传感器且忆阻器记录击打信号后，通过忆阻器恢复电源使忆阻器恢复初始状态，以记录下一次的击打信号，重复循环使用。
10.阻变存储器作为忆阻器的应用。
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