[发明专利]一种人工嗅觉纤维及其制备方法

说明书

本发明属于半导体器件与集成系统技术领域，公开了一种人工嗅觉纤维及其制备方法，该人工嗅觉纤维包括至少一个嗅觉感受单元、以及通过导电纤维与嗅觉感受单元相连的忆阻功能单元；以量子点材料作为嗅觉受体包覆柔性纤维制备嗅觉感受单元；将导电纳米材料修饰于柔性纤维上制备导电纤维；采用忆阻功能材料修饰柔性纤维制备忆阻功能单元；忆阻功能单元用于作为人工突触完成嗅觉信息的传导和存储。本发明通过对人工嗅觉纤维的结构、组成等进行改进，设计制备集成气体传感器、导电纤维和忆阻器功能的人工嗅觉纤维，能够分别模拟人工嗅觉感受器、嗅觉传导纤维和人工突触实现嗅觉信息的感知、传输和存储功能。

技术领域

本发明属于半导体器件与集成系统技术领域，更具体地，涉及一种人工嗅觉纤维及其制备方法。

背景技术

伴随着人工智能和物联网的不断发展，信息量暴增的大数据时代对信息获取、存储和处理的需求提出了新的挑战。一方面，随着集成电路发展过程中集成度的不断提升，基础器件特征尺寸逐步缩小至其物理极限，能耗效应和量子效应等诸多问题使得摩尔定律的延续性存疑。另一方面，传统的计算体系和系统依托于冯·诺依曼架构，存储和计算功能的分离极大限制了计算能力的提升，冯·诺依曼瓶颈问题亟待解决。人类神经元及其中枢神经系统具有高效的信息获取、存储和处理能力，类神经或仿生神经元的开发是实现信息高效获取、传输、存储和计算的一种潜在方式。

生物体通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等方式感知外界信息，继而通过神经传输和中枢系统完成信息的传输和处理，并做出相应响应，这一闭环系统的构建有效实现了信息交互。近些年来，对生物视、听、触、嗅等感知能力的结构仿生和功能模拟方面的研究取得了重要进展，性能方面可比拟甚至超越生物体。文献A bioinspired flexible organicartificial afferent nerve(Science 2018,360,998)：斯坦福大学鲍哲南等人采用柔性有机电子器件模仿生物触觉神经元设计了触觉受体、传导轴突和突触的分布式网络架构，开发了一种人工触觉传入神经元，采用触觉传感器获取压力(1-80kPa)信息，接着采用环形振荡器(0-100Hz)将压力信息转换为动作电位，最后将动作电位与突触晶体管整合在一起，可完成对微动作信息的探测，有效地实现了复杂触觉信息的获取、传输和处理。文献Bio-inspired flexible artificial synapses for pain perception and nerve injuries(NPJ Flexible Electronics,2020,4(1):1-8.)受生物体痛觉机制启发，采用半导体单壁碳纳米管和聚环氧乙烷/高氯酸锂复合材料构建了一种柔性双层忆阻器，质子和锂离子存在于复合材料载体中，模仿生物体中钠离子和钾离子的功能，轻度痛觉刺激可引起后突触信号的增强，实现了仿生痛觉神经元的构建。随着信息科学、材料科学的发展，从物理机制和功能上模拟神经元和突触的器件逐渐出现，并用于开发信息获取、传输、存储和计算于一体的仿生神经系统。参考国内外对仿生神经元和人工突触的研究进展，当前研究主要集中于单一突触类器件和触觉仿生神经元的开发，作为获取客观世界极其重要的化学信息—气体信息的嗅觉感知发展相对滞后。综上所述，发展人工嗅觉纤维可模拟生物嗅觉机制实现嗅觉信息的获取、传输、存储和计算，对于构建新型嗅觉感知系统具有重要意义，符合嗅觉感知系统集成化、微型化、智能化的发展趋势。