一种感存算一体化微纳电子器件及其制备方法转让专利
申请号 : CN202110591077.0
文献号 : CN113325040B
文献日 : 2022-05-13
发明人 : 张小栓 , 傅轶凡 , 汪学沛 , 刘峰 , 张文峰 , 杜佳诚 , 刘鹏飞 , 冯欢欢
申请人 : 中国农业大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种感存算一体化微纳电子器件,其特征在于,包括:基底以及由上向下依次敷设在所述基底上的气体感知模块、信号判定模块、信号存算模块和工作阵列复位模块;
所述气体感知模块为多金属氧化物复合材料,且含有载流子异质结构;所述气体感知模块用于吸附待检测气体,并根据参与粒子迁移的载流子浓度变化确定电流变化值和电压变化值;
所述信号判定模块用于根据所述电压变化值确定所述信号存算模块中参与工作的计算单元的模式;
所述信号存算模块用于存储所述电流变化值,并根据所述电流变化值计算所述待检测气体的浓度;
所述工作阵列复位模块用于当所述信号存算模块中所有的计算单元均参与工作时进行逐行复位操作;
所述气体感知模块包括布设在不同方向的多个感知单元,所述感知单元用于吸附对应方向上的待检测气体,以得到对应方向上参与粒子迁移的载流子浓度变化,从而确定对应方向上的电流变化值和电压变化值;
所述感知单元,具体包括:
载流子浓度变化确定子单元,用于确定参与粒子迁移的载流子浓度变化;所述载流子浓度变化包括吸附的待检测气体的气体分子数占敏感材料的百分比以及参与载流子迁移的气体分子数占敏感材料的百分比;
所述吸附的待检测气体的气体分子数占敏感材料的百分比的计算公式为CX%=S1exp(‑ai)+M1exp(‑bi);其中,S1为吸附的待检测气体的气体分子数占敏感材料的百分比的静态参数,M1为吸附的待检测气体的气体分子数占敏感材料的百分比的混合参数,a为载流子吸附参数,b为载流子迁移参数,i为电流值;a+b=p′1+v1+v′1,a·b=v′1(p′1+c),p′1为敏感材料吸附气体分子的过程中的逆向反应占比,v1为待检测气体参与的载流子迁移过程中的正向反应速率,v′1为待检测气体参与的载流子迁移过程中的逆向反应速率,c为吸附的气体能够侵入至电极内部的侵入分子数占比;
所述载流子迁移的气体分子数占敏感材料的百分比的计算公式为Cz%=S2exp(‑ai)+M2exp(‑bi);S2为载流子迁移的气体分子数占敏感材料的百分比的静态参数,M2为载流子迁移的气体分子数占敏感材料的百分比的混合参数;
电流计算子单元,用于计算电流变化值;所述电流变化值的计算公式为其中,I为电流变化值,n为同时投入工作的感知单元数量,sq为由n决定的单元系数,A为电流‑运行载流子的三级相关系数,B为电流‑运行载流子的二级相关系数,D为电流‑运行载流子的一级相关系数,F为电流‑运行载流子的常数项;
电压计算子单元,用于由所述电流变化值得到电压变化值。
2.根据权利要求1所述的一种感存算一体化微纳电子器件,其特征在于,所述信号判定模块包括多个阈值比较模块和一个多元信号处理模块;
一个所述阈值比较模块连接一个所述感知单元;每个所述阈值比较模块均与所述多元信号处理模块连接;所述阈值比较模块用于对所述电压变化值取反,得到电平信号;所述多元信号处理模块用于根据所有阈值比较模块的电平信号确定所述信号存算模块中参与工作的计算单元的模式。
3.根据权利要求2所述的一种感存算一体化微纳电子器件,其特征在于,所述多元信号处理模块包括叠加单元和比较单元;
叠加单元,用于将所有阈值比较模块的电平信号进行叠加;
比较单元,分别与1T1R结构和1T4R结构连接,用于判断叠加后的电平信号是否大于设定阈值,当叠加后的电平信号小于或等于所述设定阈值时,输出高电平信号,1T1R结构工作,否则1T4R结构工作。
4.根据权利要求1所述的一种感存算一体化微纳电子器件,其特征在于,所述信号存算模块,具体包括:
叠加计算单元,用于逐层得加运算计算浓度;所述浓度的计算公式为其中, 勾一个采样周期的浓度,C=α1exp(‑β1·I)+α2(‑β2·I)+α3,C为电流变化值为I的采样时刻的浓度,I0表示采样开始时的电流值,I1表示元件采样结束时的电流值,p1为吸附气体分子的过程中的正向反应占比;
环境浓度计算单元,用于根据多个方向的浓度确定环境中待检测气体的气体浓度。
5.一种感存算一体化微纳电子器件的制备方法,其特征在于,包括:将基材剥离为薄膜,并对薄膜进行涂布,得到基底;
将Pt材料以溅射沉积的方式覆盖到所述基底上并在550℃下进行7分钟的退火处理得到底部电极;
将乙酸铅溶解在乙酸中得到第一溶液,将正丙醇锆溶解在乙二醇甲基醚中得到第二溶液,将所述第一溶液与所述第二溶液混合并搅拌10min,并在混合后的胶状溶液中加入设定
2+
量的pb 前驱体溶液,得到前体溶液;
将所述前体溶液以3000rpm的速度旋涂到所述Pt层上并持续25s,得到初步成品;
将所述初步成品置于150℃下进行10分钟的预处理后,将温度提升至300℃并进行8分钟的烧结,之后进行15分钟的老化,再将老化后得到的膜在620℃下进行15min热处理,之后老化5分钟,得到0.01mm厚的成品膜;
将Au材料以溅射沉积的方式沉积到所述成品膜上并在550℃下进行7分钟的退火处理得到顶部电极;
在所述顶部电极上由底向上依次生成工作阵列复位模块、信号存算模块、信号判定模块和气体感知模块,所述底部电极和所述顶部电极作为所述信号存算模块的电极;
所述气体感知模块包括布设在不同方向的多个感知单元,所述感知单元用于吸附对应方向上的待检测气体,以得到对应方向上参与粒子迁移的载流子浓度变化,从而确定对应方向上的电流变化值和电压变化值;
所述感知单元,具体包括:
载流子浓度变化确定子单元,用于确定参与粒子迁移的载流子浓度变化;所述载流子浓度变化包括吸附的待检测气体的气体分子数占敏感材料的百分比以及参与载流子迁移的气体分子数占敏感材料的百分比;
所述吸附的待检测气体的气体分子数占敏感材料的百分比的计算公式为CX%=S1exp(‑ai)+M1exp(‑bi);其中,S1为吸附的待检测气体的气体分子数占敏感材料的百分比的静态参数,M1为吸附的待检测气体的气体分子数占敏感材料的百分比的混合参数,a为载流子吸附参数,b为载流子迁移参数,i为电流值;a+b=p′1+v1+v′1,a·b=v′1(p′1+c),p′1为敏感材料吸附气体分子的过程中的逆向反应占比,v1为待检测气体参与的载流子迁移过程中的正向反应速率,v′1为待检测气体参与的载流子迁移过程中的逆向反应速率,c为吸附的气体能够侵入至电极内部的侵入分子数占比;
所述载流子迁移的气体分子数占敏感材料的百分比的计算公式为Cz%=S2exp(‑ai)+M2exp(‑bi);S2为载流子迁移的气体分子数占敏感材料的百分比的静态参数,M2为载流子迁移的气体分子数占敏感材料的百分比的混合参数;
电流计算子单元,用于计算电流变化值;所述电流变化值的计算公式为其中,I为电流变化值,n为同时投入工作的感知单元数量,sq为由n决定的单元系数,A为电流‑运行载流子的三级相关系数,B为为电流‑运行载流子的二级相关系数,D为电流‑运行载流子的一级相关系数,F为为电流‑运行载流子的常数项;
电压计算子单元,用于由所述电流变化值得到电压变化值。
6.根据权利要求5所述的一种感存算一体化微纳电子器件的制备方法,其特征在于,所述气体感知模块为CuO和WO3构成的多金属氧化物复合材料,且具有纳米级封闭曲面结构。
7.根据权利要求5所述的一种感存算一体化微纳电子器件的制备方法,其特征在于,所述将乙酸铅溶解在乙酸中得到第一溶液,将正丙醇锆溶解在乙二醇甲基醚中得到第二溶液,将所述第一溶液与所述第二溶液混合搅拌10min,并在混合后的溶液中加入设定量的
2+
Pb 前驱体溶液,得到前体溶液,具体为:将乙酸铅和乙酸以2∶1的比例混合得到第一溶液,将正丙醇锆和乙二醇甲基醚以1∶4的比例混合得到第二溶液,将所述第一溶液与所述第二溶液混合,并在混合后的溶液中加入
2+
10mol%的设定量Pb 前驱体溶液,得到前体溶液。
8.根据权利要求5所述的一种感存算一体化微纳电子器件的制备方法,其特征在于,所述基材为柔性的含氟无机云母材料。
说明书 :
一种感存算一体化微纳电子器件及其制备方法
技术领域
背景技术
的兴起,数据与信息成为了大数据时代中的必争资源。传统冯·诺伊曼体系结构的计算方
式(串行和迭代处理)是基于时钟周期的集中式顺序操作,且采用了存储、计算单元分离式
的模块框架设计,数据需要在感知节点(传感器)、处理节点(处理器)和存储节点(存储器)
之间通过数据总线频繁、高密度地存储与调运。随着信息维度、计算任务和数据集容量的激
增,传统冯·诺伊曼计算系统中低计算效率、高数据传输延迟和高能耗等缺陷开始日益凸
显,这无疑限制了后摩尔时代电子信息等行业的发展。因此,如何设计一种计算效率高、能
耗低的非冯·诺伊曼计算系统的微纳电子器件成为目前亟待解决的问题。
发明内容
电压变化值;
从而确定对应方向上的电流变化值和电压变化值。
述多元信号处理模块用于根据所有阈值比较模块的电平信号确定所述信号存算模块中参
与工作的计算单元的模式。
工作,否则1T4R结构工作。
迁移的气体分子数占敏感材料的百分比;
的静态参数,M1为吸附的待检测气体的气体分子数占敏感材料的百分比的混合参数,a为载
流子吸附参数,b为载流子迁移参数,i为电流值;a+b=p'1+v1+v'1,a·b=v'1(p'1+c),p'1为
敏感材料吸附气体分子的过程中的逆向反应占比,v1为待检测气体参与的载流子迁移过程
中的正向反应速率,v'1为待检测气体参与的载流子迁移过程中的逆向反应速率,c为吸附
的气体能够侵入至电极内部的侵入分子数占比;
子迁移的气体分子数占敏感材料的百分比的混合参数;
流‑运行载流子的一级相关系数,F为为电流‑运行载流子的常数项;
值,p1为吸附气体分子的过程中的正向反应占比;
2+
设定量的Pb 前驱体溶液,得到前体溶液;
之后老化5分钟,得到0.01mm厚的成品膜;
2+
中加入设定量的Pb 前驱体溶液,得到前体溶液,具体为:
2+
加入10mol%的设定量Pb 前驱体溶液,得到前体溶液。
和基底;其中,信号判定模块根据气体感知模块吸附的待检测气体确定的电压变化值来确
定信号存算模块中参与工作的计算单元的模式,这样通过对上一级电压强度的判定来决定
下一级信号存算模块中投入工作的计算单元的模式,在提高存算效率的同时降低了器件能
耗。
附图说明
例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图
获得其他的附图。
具体实施方式
本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
感知单元、存储单元、计算单元融合在一起的非冯·诺伊曼体系构架,可以进一步缩短数据
传输延迟和降低数据传输能耗,并且支持执行大规模并行计算,实现时变数据的识别、预
测、分类等功能。
和电压变化值。所述信号判定模块3用于根据所述电压变化值确定所述信号存算模块2中参
与工作的计算单元的模式。所述信号存算模块2用于根据所述电流变化值计算所述待检测
气体的浓度,并存储待检测气体浓度值。所述工作阵列复位模块5用于当所述信号存算模块
2中所有的计算单元均参与工作时进行逐行复位操作。在实际应用中,所述气体感知模块4
可以为CuO和WO3构成的多金属氧化物复合材料,且具有纳米级封闭曲面结构。
元阵列化结构,一个能实现完整功能的基础工作单元由一个位于第一层的气体感知基本单
元、位于第二层的信号判定基本单元、位于第三层的信号存算基本单元构成,工作阵列复位
功能由电路提供的反向抗噪声信号实现,因此无基础单元结构。该器件的工作模式为逐行
工作模式,即某行的全部模块都参与新鲜度气体监测后再启用下一行模块。当该层的行模
块第一次全部使用完成后,需要对该工作阵列的第一行进行复位,并将第一行的单元再次
投入存算工作,当第一行再次全部使用完成后会将第二行数据进行清零,以此类推。
模块4。所述气体感知模块4中的敏感材料应能对于相应气体浓度变化而做出相应的模块参
数改变,例如表面微结构、总质量、多数载流子种类与浓度等,并反应为电路的电流电压值,
最终由存算一体逻辑模块将数值转化为浓度值。所述气体感知模块4为多金属氧化物复合
材料构成的载流子异质结构,用于冷链物流中产品特征气体的吸附捕捉,并将气体浓度信
号转化为电路的基础电流、电压信号。具体的,所述气体感知模块4为掺杂1.77mol%的CuO
和WO3构成的多金属氧化物复合材料,且具有纳米级封闭曲面结构。其中的载流子异质结构
可以显著提升迁移载流子浓度,且金属氧化物的相互催化作用可以降低分子表面附着能量
的消耗。通过对特定气体分子的吸附并参与粒子迁移实现电路中电流、电压参数的改变,并
将相关参数用于后续浓度计算。
的载流子浓度变化,从而确定对应方向上的电流变化值和电压变化值。
6均与所述多元信号处理模块连接;所述阈值比较模块6用于对所述电压变化值取反,得到
电平信号,以初步表征气体浓度;所述多元信号处理模块用于根据所有阈值比较模块6的电
平信号确定所述信号存算模块2中参与工作的计算单元的模式。具体的,所述信号判定模块
3包括四个阈值比较模块6和一个多元信号处理模块。由四个感知单元构成的四个阵列进行
四个方向的气体信息收集,得到该气体信息后,与对应的阈值比较模块6连接,并最终与一
个多元信号处理模块相连。四个感知单元可以从四个方向搜集气体信息,且模块电流(电
压)与气体浓度呈反比关系,因此需要阈值比较模块6的取反功能将电压信号转化为与电流
(电压)相反的高、低电平信号以初步表征待测气体的浓度。阈值比较模块6由阈值可调的反
相器构成,工作值可以根据实际需求进行设定。当模块施加电压超过设定值,即微环境中新
鲜度特征气体浓度较低,输出低电平信号,通路关断;若低于设定值,则说明气体浓度达到
了需要进行监测的范围,输出高电平信号,多元信号处理模块进入工作状态。最终输出结果
需通过加法器对四个基本单元的输出值进行叠加处理,因此阈值可以设置较低。多元信号
处理模块通过对阈值比较模块6传递的叠加后的电平信号强度进行处理,最终决定信号存
算模块2中基本工作单元的工作模式。
平信号是否大于设定阈值,若是,则确定所述信号存算模块2中参与工作的计算单元的模式
为1T1R结构,若否,则确定所述信号存算模块2中参与工作的计算单元的模式为1T4R结构。
具体的,若阈值比较模块6全部输出高电平,则比较单元7输出高电平,表明该时间段气体浓
度为高变异系数状态,使用1T4R结构;若阈值比较模块6的输出不全为高电平,则比较单元7
输出低电平,表明该时间段气体浓度为高变异系数状态,使用1T1R结构。
未达到设定阈值时输出高电平信号,1T1R结构工作;反之则1T4R结构工作。
型。其中,1T1R存储结构为传统低存储密度模式,应对于低浓度微环境;而1T4R存储结构为
一个顶部电极连接四个存储单元、底部Pt电极连接后续逻辑功能层的高密度结构,应用于
高浓度微环境。所述存算单元包括计算单元和存储单元。
通过叠加计算得到感知模块表面附着分子浓度进而得到微环境中气体浓度。相比于传统方
法中通过对时间表征气体浓度的方法可以免去对时间参数的计量,进一步减少功率损耗。
具体的,当四个阈值比较模块6全部输出高电平信号时,表明浓度值达到设定的高浓度水
平,选择1T4R工作模式,其余情况都选择1T1R工作模式。
出高电平,当工作阵列中一行的工作单元全部投入存算工作后下一行顺次执行存算工作。
当最后一行工作单元电平变为高电平时,通过总线对第一行记忆模块施加反向抗噪声高电
平信号,将信号存算一体逻辑模块复归为电流低导通状态重新工作,并在第一行工作单元
全部输出高电平时复归第二行,完成信息的弹性覆盖与删除。
迁移的气体分子数占敏感材料的百分比。
的静态参数,M1为吸附的待检测气体的气体分子数占敏感材料的百分比的混合参数,a为载
流子吸附参数,b为载流子迁移参数,i为电流值;a+b=p'1+v1+v'1,a·b=v'1(p'1+c),p'1为
敏感材料吸附气体分子的过程中的逆向反应占比,v1为待检测气体参与的载流子迁移过程
中的正向反应速率,v'1为待检测气体参与的载流子迁移过程中的逆向反应速率,c为吸附
的气体能够侵入至电极内部的侵入分子数占比。
子迁移的气体分子数占敏感材料的百分比的混合参数。
流‑运行载流子的一级相关系数,F为为电流‑运行载流子的常数项,U为电压变化值,σ1、σ2、K
均为转换系数。
为吸附气体分子的过程中的正向反应占比。
材料,例如,所述无机柔性基底为无机含氟云母晶体薄膜。
极材料为Au材料。
作的具有纳米结构的信号存算一体逻辑元件。
2、工作阵列复位模块5。新鲜度特征气体感知模块4通过判断投入工作的感知单元数量将特
征气体的化学信号转化为电路的电流、电压信号;信号判定模块3可以根据判断上一级信号
电流强度以决定投入存算任务的基本单元的工作模式;信号存算模块2用于对感知信号进
行处理,包括基流电压信号的存储和累计幅值计算操作;工作复位模块用于判定存算单元
是否全部已投入使用,并在缺少存算单元的情况下进行复位处理,实现信息的弹性化删除,
从而保证器件的长时间工作持续性。该感存算一体化器件具有体积小、结构简单、功耗低等
特点,并且在断电情况下也可以保证最终感知信息的有效存储。本实施例针对使用对象及
环境为冷链物流中的冰鲜食品包装中,介于使用环境、对象以及包装的限定,微纳器件的功
耗不宜过高、柔性、无源且能应对突然断电下的数据线性破坏的场景,能够实现冷链物流中
的产品微环境关键气体成分的即时监测、计算与存储。
占敏感材料百分比为CZ%。电极表面吸附气体分子的过程为动态可逆过程,设正向反应占比
为p1,逆向反应占比为p'1;被测气体参与的载流子迁移过程也为可逆过程,设正向反应速率
为v1,逆向反应速率为v1’;吸附在识别材料薄膜表面的气体能够侵入至电极内部,侵入分子
数占比为c,则:
流。
有滞后性且达到稳定工作态需要65s的延迟,因此在响应时间内运行载流子的数量呈现震
荡变化规律,而电流强度可以表征运行载流子的数量,因此在模块中选择用电流同时反映
时间与运行载流子浓度两个参量的变化。
单元在阻值发生变化时输出高电平,并且当一行中所有存算单元均输出高电平时总线输出
高电平。当最后一行总线输出高电平时,通过工作阵列复归模块5向第一行总线施加抗噪声
高电平信号,将第一行存算单元复归为电流低导通状态重新工作,并在第一行存算单元全
部输出高电平时复归第二行,以此类推。在发生断电并恢复供电后,工作阵列复位模块5会
逐行巡检并确认最后一个输出高电平的存算单元,并继续进行存算工作,保证断电状态下
的数据存储。
达到最佳响应效果,即不适用于鲜食肉类、鱼类等产品的冷链物流运输环节。本发明中为了
找到最佳掺杂浓度点而特意进行了增设试验,最终确定了最佳掺杂浓度1.77mol%,确保了
精确性和低功耗性。
Pt材料9,含过量Pb 的前体溶液10,Au材料11。如图3所示,该制备方法具体包括:
2+
定量的Pb 前驱体溶液,得到前体溶液10。
化5分钟,得到0.01mm厚的成品膜。
2+
并在混合后的溶液中加入设定量的Pb 前驱体溶液,得到前体溶液,具体为:
2+
加入10mol%的过量的Pb 前驱体溶液,得到前体溶液。
力。
1和1:4,并添加10mol%过量的乙酸铅溶液使Pb 浓度为0.4M,添加适量的乙酰丙酮作为制
备过程中的稳定剂。将溶液以化学溶液沉积方法旋涂到基底上,并进行老化与退火处理。
成的成品置于150℃下进行10分钟的预处理后,将温度提升至300℃并进行8分钟的烧结,之
后进行15分钟的老化过程,然后将膜在620℃的环境下进行15min热处理,最后老化5分钟,
将薄膜厚度控制在0.01mm。
量的消耗。通过对特定气体分子的吸附并参与粒子迁移实现电路中电流、电压参数的改变,
并将相关参数用于后续浓度计算。一个完整的气体感知模块由四个感知单元构成。
气体信息,且模块电流(电压)与气体浓度呈反比关系,并通过阈值比较模块的取反功能将
电压信号转化为与之相反的高、低电平信号以初步表征待测气体的浓度。最终输出结果通
过加法器对四个基本单元的输出值进行叠加处理并传递给多元信号处理模块。多元信号处
理模块通过对阈值判定模块传递的叠加后的电平信号强度进行处理,最终决定信号存算模
块中基本单元的工作模式。当阈值判定模块输出高电平时,说明四个阈值比较模块均输出
高电平,气体处于高变异系数状态,选用1T4R工作状态,反之选择1T1R工作状态。
得到微环境中气体浓度,实现由气体信息向产品新鲜度信息的最终转化。
加反向抗噪声高电平信号,将信号存算一体逻辑模块复归为电流低导通状态重新工作。
程度高的优势,适用于冷链物流中食品新鲜度的实时监测与新鲜度表征。
而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说
明即可。
本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不
应理解为对本发明的限制。