面向事件驱动有毒气体报警的全集成人工嗅觉忆阻神经元

《Chinese Journal of Electronics》：Fully Integrated Artificial Olfactory Memristive Neuron for Event-Driven Toxic Gas Alarm

本文报道了一种创新的全集成人工嗅觉神经元，成功将ZnO气体传感器与NbO2忆阻器集成于单一芯片，解决了传统CMOS气体检测系统存在的模块分离、面积大、功耗高等问题。该器件具备事件驱动特性，仅在CO浓度超阈值时输出脉冲信号，并能通过调节源电压适配不同场景报警阈值（10-20 ppm）。实验测得静态/动态功耗低至243.8 μW/327.8 μW，为智能嗅觉系统提供了紧凑高效的解决方案。

　　

在工业生产和日常生活中，有毒气体泄漏可能引发慢性呼吸系统和心血管疾病，其中一氧化碳（CO）因其无色无味的特性尤为危险。传统气体检测系统采用分离式设计：气体传感器负责检测浓度，比较器判断是否超过阈值，再由模数转换器（ADC）转换为数字信号。这种基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的方案存在明显缺陷——传感与处理模块分立导致系统面积庞大、功耗高，难以满足大规模传感器网络对紧凑性和能效的苛刻要求。

自然界生物嗅觉系统为突破技术瓶颈提供了灵感。生物嗅觉神经元采用事件驱动机制：仅当气味分子激活受体时才产生动作电位，极大提升了能量利用效率。受此启发，研究者尝试将传感器与新型神经形态器件（如忆阻神经元、突触器件）异质集成。然而，气体传感器与忆阻神经元的单片集成此前尚未实现，其应用于低功耗有毒气体报警系统的潜力也缺乏系统研究。

针对这一空白，由张旭蒙通讯作者领衔的研究团队在《Chinese Journal of Electronics》发表论文，提出了一种全集成人工嗅觉忆阻神经元（AON）。该器件通过异质集成氧化锌（ZnO）气体传感器和二氧化铌（NbO₂）忆阻器，构建出具备事件驱动特性的CO气体监测报警系统。核心创新在于：通过调节源电压（V_S）即可灵活配置报警阈值（10 ppm医院/15 ppm餐厅/20 ppm矿区），且能将模拟气体浓度信息实时编码为脉冲频率。

关键技术方法包括：采用磁控溅射与水热法结合制备ZnO纳米片气体传感器；通过精确控制氧流量分层沉积NbO_y/NbO₂忆阻结构；利用Keithley源表与Keysight示波器构建气体浓度动态测试系统；通过等效电路分析阐明神经元振荡机制。

器件特性分析

ZnO气体传感器呈现纳米片结构，有效增大活性表面积。在1-10 ppm CO浓度范围内，传感器电阻（R_S）随浓度升高而降低，响应系数（R₀/R_S）达1.47-3.00，变异系数小于4.6%，显示优异稳定性。NbO₂忆阻器展现典型阈值开关特性：阈值电压（V_th）为1.32 V，保持电压（V_hold）为1.05 V，50次循环测试保持良好一致性。

工作原理验证

等效电路包含充电回路（CL）和放电回路（DL）。当CO浓度达5 ppm时，传感器电阻下降使忆阻器电压（V_M）升至V_th，触发脉冲电流。随着浓度从5 ppm升至25 ppm，脉冲频率从2.0 kHz增至4.8 kHz，实现浓度-频率实时编码。

阈值配置与能效评估

通过调节V_S可精确设定报警阈值：V_S=4.2 V时阈值10 ppm，V_S=3.6 V时阈值15 ppm。在20 ppm阈值下，系统静态功耗仅243.8 μW，动态功耗327.8 μW，较传统系统显著降低。

该研究首次实现气体传感器与忆阻神经元的全集成，创建出具备生物启发事件驱动特性的智能嗅觉单元。器件通过脉冲频率编码气体浓度，且报警阈值可编程适配多场景需求。低功耗特性与紧凑结构使其特别适合大规模传感器网络部署。未来研究方向包括构建大规模AON阵列实现复杂气味识别，乃至动态环境中的气体源追踪。这项工作为发展仿生智能嗅觉系统提供了关键技术路径，在工业安全、环境监测等领域具有广阔应用前景。