CN115942863A - 一种基于软物质界面的忆阻器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软物质界面的忆阻器及其使用方法，包括单通道PDMS块、复合通道PDMS块和中间层；复合通道PDMS块上开设有交叉结构通道和第二单直通道，交叉结构通道与第二单直通道连通，交叉结构通道的一端至少包括两个入口，复合通道PDMS块上覆盖有中间层，中间层上开设有通孔，中间层上覆盖有单通道PDMS块，单通道PDMS块上开设有第一单直通道，单通道PDMS块、中间层和复合通道PDMS块层封装为整体结构，所述第一单直通道和交叉结构通道另一端交叉重合，交叉重合位置与中间层的通孔位置对应。基于通道宽度调节的器件，产生的电信号与生物突触信号相似度极高，结合生物亲和的特性，使得器件在脑机交互、仿生学、智能穿戴等领域具有广阔的使用前景。

Description

一种基于软物质界面的忆阻器及其使用方法

技术领域

本发明属于忆阻器领域，尤其是一种基于软物质界面的忆阻器及其使用方法。

背景技术

忆阻器，全称记忆电阻器(Memristor)，是由蔡少棠于1971年提出的构建电子器件体系中磁通量和电荷量的第四种基本器件。忆阻器的电阻值随过去一段时间流经该器件的电荷量而改变，由于这种特性和生物突触间传递电信号的特点类似，忆阻器也能提供构建人工智能和神经网络的新思路。忆阻器作为一种无源器件(独立器件，不需要电源)具有尺寸小、能耗低的特点，它的记忆行为可以被应用到高密度存储领域和信号处理领域。忆阻器具有天然的多电阻非线性特点，可以产生混沌电路，能被应用到保密通讯领域。

自2008年惠普实验室提出了一种微米级氧化钛二维固体忆阻器件以来，许多固态忆阻器被提出，原理包括金属氧化物氧空位移动，半导体参杂离子迁移等。一些流体忆阻器也被发明出来，原理基于流体和电极间氧化还原反应、离子液体在电极表面的吸附和解吸附、溶液离子浓度极化、纳米通道双电层中离子运输受限等。

忆阻器作为仿生突触或神经网络体系进而构建人机交互渠道，则需要忆阻器具有生物相容性且是一种与生物突触信号高度一致的独立器件(而非庞大的电路组合)而存在。现有的忆阻器有很大部分都需要一个这样的能耗和体积以及操控难度让额外的能量源(如额外热源、电源、光源等)，这是种电路组合而非器件。一些流体忆阻器虽然运用了液体环境，但器件内部保留了固体组成部分，并非完全柔性，也因为其生物相容性较差会与生物体产生排异反应，且因为这类忆阻器的原理不涉及通道的电控调节它们的信号与生物产生的信号差异大，并不适合于脑机交互领域。

忆阻器的应用广泛，但大部分忆阻器器件的工作核心需要的加工工艺在纳米量级或亚纳米量级，这一级别的加工对加工工艺要求非常苛刻，造价成本也及其昂贵，这将限制忆阻器的广泛使用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于软物质界面的忆阻器及其使用方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于软物质界面的忆阻器，包括单通道PDMS块、复合通道PDMS块和中间层；

所述复合通道PDMS块上开设有交叉结构通道和第二单直通道，所述交叉结构通道与第二单直通道连通，所述交叉结构通道的一端至少包括两个入口，所述复合通道PDMS块上覆盖有中间层，所述中间层上开设有通孔，所述中间层上覆盖有单通道PDMS块，所述单通道PDMS块上开设有第一单直通道，所述单通道PDMS块、中间层和复合通道PDMS块层封装为整体结构，所述第一单直通道和交叉结构通道另一端交叉重合，所述交叉重合位置与中间层的通孔位置对应。

进一步的，所述中间层包括单孔高聚物膜和多孔高聚物膜，所述多孔高聚物膜覆盖于复合通道PDMS块上，所述单孔高聚物膜覆盖于多孔高聚物膜上。

进一步的，所述单孔高聚物膜上开设有第一通孔，所述第一通孔的位置与第一单直通道和交叉结构通道的交叉重合位置对应，所述第一通孔的孔径小于第一单直通道和交叉结构通道的半径。

进一步的，所述单孔高聚物膜为激光刻蚀膜。

进一步的，所述多孔高聚物膜上开设有若干第二通孔，部分所述第二通孔与第一通孔位置对应，所述第二通孔的孔径小于1微米。

进一步的，所述多孔高聚物膜为核径迹加化学刻蚀膜。

进一步的，所述交叉结构通道为“Y”型、“T”型或“十”型通道。

进一步的，所述第一单直通道、第二单直通道和交叉结构通道的内壁均为亲水性表面。

一种所述基于软物质界面的忆阻器的使用方法，包括以下步骤：

从交叉结构通道的入口处分别接入不同相的流体；

在不同相的流体相交的位置通过挤压产生气泡或液滴，将气泡或液滴推至第一单直通道与交叉结构通道相交的位置；

在第一单直通道和交叉结构通道上分置外接电压源的阴阳电极，使受电场调制气泡或液滴的界面远离或靠近附近通道壁面，忆阻器器件电阻随之改变。

进一步的，所述不同相的流体之间不相溶。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种基于软物质界面的忆阻器，通过将单通道PDMS块、复合通道PDMS块和中间层整体封装，通过调整微米气泡和通道壁面之间的纳米通道宽度来改变器件的工作阻值状态。器件无需激励能量源，可以直接接入电场使用。开创了基于柔性物质界面的存算一体忆阻器，形成了一种基于电场下气液界面波动的软物质界面器件，器件在不做其它调整的情况下可以只通过调整输入扫描信号的频率完成欧姆电阻、二极管、忆阻器三种状态的转变。

本发明利用连续相和分散相的特性影响忆阻器的性质，具有很大的操作空间。非极性的和极性的分散相均能够在外场作用下形成形变，从而实现动态阻态转变效应，最终形成基于电解液体系的柔性界面的忆阻器。

本发明的基于软物质界面的忆阻器具有良好生物相容性，整个器件的组成部分都是柔性、无毒、具有较好的生物惰性的材料，且器件可以使用完全生物相容的与生理盐水浓度接近的氯化钠溶液和空气。利用柔性物质界面，如气液、液液界面，在外加场(如电场)的作用下，分散相产生极化和电场静电力作用下，产生形变造成动态组态变化，产生忆阻行为。

本发明的基于软物质界面的忆阻器整体可弯曲，可穿戴。器件组成材料造价低，制备工艺选择多，成本可控为较低水平。基于通道宽度调节的器件，产生的电信号与生物突触信号相似度极高，结合生物亲和的特性，使得器件在脑机交互、仿生学、智能穿戴等领域具有广阔的使用前景。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的器件结构俯视图。

图2为本发明的器件各层结构图。

其中：1-第一单直通道，2-第二单直通道，3-交叉结构通道，4-第一通孔，5-第二通孔，A-单孔高聚物膜，B-多孔高聚物膜，C-单通道PDMS块，D-复合通道PDMS块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图2，本发明提供一种基于软物质界面的忆阻器，包括单通道PDMS块C、复合通道PDMS块D和中间层，单通道PDMS块C、复合通道PDMS块D和中间层封装为整体结构，中间层包括单孔高聚物膜A和多孔高聚物膜B。忆阻器器件分为四层结构：上层为单通道PDMS块C、二层为单孔高聚物膜A、三层为多孔高聚物膜B、底层为复合通道PDMS块D。器件有两个功能区域：产气泡区域和气泡液膜加电场区域。单通道PDMS块C和复合通道PDMS块D上开设的通道内壁均为亲水性表面。

如图1和图2所示，单通道PDMS块C上开设有第一单直通道1，提供交叉窗口构成电路回路。复合通道PDMS块D上开设有产气泡或液滴的交叉结构通道3和一段第二单直通道2，交叉结构通道3与第二单直通道2连通，交叉结构通道3的一端包括两个入口，交叉结构通道3可以选用“Y”型、“T”型或“十”型通道，第一单直通道1和交叉结构通道3的另一端交叉重合，为生产输送气泡或液滴提供交叉窗口。单孔高聚物膜A为激光刻蚀通孔膜，单孔高聚物膜A上开设有一个第一通孔4，第一通孔4位于竖直对齐后第一单直通道1和交叉结构通道3的交叉处，孔径小于第一单直通道1和交叉结构通道3的半径，孔径控制器件的开窗面积，单孔高聚物膜A为多孔高聚物膜B提供支撑。多孔高聚物膜B为核径迹加化学刻蚀多孔膜，多孔高聚物膜B上开设有多个第二通孔5，第二通孔5的孔径小于1微米，部分第二通孔5与第一通孔4的位置对应，多孔高聚物膜B紧贴复合通道PDMS块D。第二通孔5的小孔径防止气泡或液滴通过窗口进入另一层，在合理范围内选择尽量大孔径来减小器件无效电阻。

本发明的基于软物质界面的忆阻器器件封装过程为：

给PDMS通道层的单通道PDMS块C和复合通道PDMS块D的通道以及高聚物膜单孔高聚物膜A和多孔高聚物膜B预留液体的出入口；

将高聚物膜和PDMS通道层用顺序为丙酮、乙醇、水分别为溶剂的方式放入容器中超声清洗各5分钟，清洗完捞出后用纯度为99％的氮气吹干表面，放入加热设备烘干；

将烘干的高聚物膜放入等离子清洗机中，清洗0.5～2分钟，取出后泡入体积浓度为6％的3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTES)溶液中，浸泡时间大于20分钟；

将烘干的PDMS通道层放入等离子清洗机中，清洗0.5～2分钟；

将PDMS通道层和高聚物膜在放大镜下按设计结构排列对齐并贴紧，用适量重量的重物压制或采用夹持结构，放入烘箱在65℃下烘烤2～5小时，等待键合完成并加固。

本发明的基于软物质界面的忆阻器中的PDMS通道层的通道内壁表面亲水处理过程为：

a)超声清洗器件；

b)给通道中通入1wt％的聚乙烯醇溶液(PVA)保留10分钟；

c)去除溶液吹干通道，在110℃的热台上烘烤15分钟；

d)重复b)，c)三次。

本发明的基于软物质界面的忆阻器的使用方法，包括以下步骤：

将不相溶的流体通过流体泵分别接入交叉结构通道3的入口，在不同相相交的位置通过挤压产生气泡或液滴，将通道中的其它气泡或液滴排净；

将单独的气泡或液滴推至第一单直通道1与交叉结构通道3相交的位置，这个位置第一单直通道1与交叉结构通道3相通，使气泡或液滴停留在该位置；

在第一单直通道1与交叉结构通道3上分置外接电压源的阴阳电极，使受电场调制气泡或液滴的界面远离或靠近附近通道壁面，器件电阻随之改变。

本发明的基于软物质界面的忆阻器中接入的流体，可以是对光、电磁、热等响应的特殊流体，以及具有流变性质的流体，这些特殊流体加入后用外加场调控，可使忆阻器产生不同的性质变化。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于软物质界面的忆阻器，其特征在于，包括单通道PDMS块(C)、复合通道PDMS块(D)和中间层；

所述复合通道PDMS块(D)上开设有交叉结构通道(3)和第二单直通道(2)，所述交叉结构通道(3)与第二单直通道(2)连通，所述交叉结构通道(3)的一端至少包括两个入口，所述复合通道PDMS块(D)上覆盖有中间层，所述中间层上开设有通孔，所述中间层上覆盖有单通道PDMS块(C)，所述单通道PDMS块(C)上开设有第一单直通道(1)，所述单通道PDMS块(C)、中间层和复合通道PDMS块(D)层封装为整体结构，所述第一单直通道(1)和交叉结构通道(3)另一端交叉重合，所述交叉重合位置与中间层的通孔位置对应。

2.根据权利要求1所述的一种基于软物质界面的忆阻器，其特征在于，所述中间层包括单孔高聚物膜(A)和多孔高聚物膜(B)，所述多孔高聚物膜(B)覆盖于复合通道PDMS块(D)上，所述单孔高聚物膜(A)覆盖于多孔高聚物膜(B)上。

3.根据权利要求2所述的一种基于软物质界面的忆阻器，其特征在于，所述单孔高聚物膜(A)上开设有第一通孔(4)，所述第一通孔(4)的位置与第一单直通道(1)和交叉结构通道(3)的交叉重合位置对应，所述第一通孔(4)的孔径小于第一单直通道(1)和交叉结构通道(3)的半径。

4.根据权利要求2所述的一种基于软物质界面的忆阻器，其特征在于，所述单孔高聚物膜(A)为激光刻蚀膜。

5.根据权利要求2所述的一种基于软物质界面的忆阻器，其特征在于，所述多孔高聚物膜(B)上开设有若干第二通孔(5)，部分所述第二通孔(5)与第一通孔(4)位置对应，所述第二通孔(5)的孔径小于1微米。

6.根据权利要求2所述的一种基于软物质界面的忆阻器，其特征在于，所述多孔高聚物膜(B)为核径迹加化学刻蚀膜。

7.根据权利要求1所述的一种基于软物质界面的忆阻器，其特征在于，所述交叉结构通道(3)为“Y”型、“T”型或“十”型通道。

8.根据权利要求1所述的一种基于软物质界面的忆阻器，其特征在于，所述第一单直通道(1)、第二单直通道(2)和交叉结构通道(3)的内壁均为亲水性表面。

9.一种权利要求1～8任一项所述基于软物质界面的忆阻器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

从交叉结构通道(3)的入口处分别接入不同相的流体；

在不同相的流体相交的位置通过挤压产生气泡或液滴，将气泡或液滴推至第一单直通道(1)与交叉结构通道(3)相交的位置；

在第一单直通道(1)和交叉结构通道(3)上分置外接电压源的阴阳电极，使受电场调制气泡或液滴的界面远离或靠近附近通道壁面，忆阻器器件电阻随之改变。

10.根据权利要求9所述的基于软物质界面的忆阻器的使用方法，其特征在于，所述不同相的流体之间不相溶。

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