[发明专利]基于多侧栅突触器件的人工感觉神经元结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于多侧栅突触器件的人工感觉神经元结构及其制备方法，该人工感觉神经元结构，包括至少两个用作外力感应的压电纳米发电机以及用于处理至少两个电压输入信号的突触器件，突触器件为双电层晶体管，该双电层晶体管以电解质材料为栅介质、以氧化物半导体为沟道层，且其具有至少两个平面侧栅；每个压电纳米发电机分别电连接至双电层晶体管的一个侧栅上。本发明的人工感觉神经元结构充分发挥了双电层晶体管的平面多侧栅结构和双电层耦合特性，两个甚至两个以上的传感器可以同时连接至一个晶体管的不同侧栅，实现对多种外部信号的感应和处理，突破了传统的人工感觉神经元结构一个突触器件处理一种传感器件信号的局限性。

技术领域

本发明涉及一种人工感觉神经元结构及其制备方法，特别涉及一种基于多侧栅突触器件的人工感觉神经元器件及其制备方法，属于神经形态工程领域。

背景技术

皮肤是人体中最大的器官，具有保护、调节和感觉的功能，包含各种感觉受体，并提供诸如力，疼痛，形状和质地之类的感觉信息。皮肤感知外部刺激，并通过传入神经元将感觉信息传递给大脑，形成触觉记忆，让大脑记住施加在皮肤上的刺激。电子皮肤模拟、还原甚至取代机体皮肤，首先要具备触觉，即与人体皮肤一样感知不同外界力刺激，畅通传导触觉信号的基本功能。不再局限于对压力的研究，科学家也正在尝试将随意拉伸和变形的电路移植到透明的弹性硅胶上，力图赋予电子皮肤更多近似人体皮肤的物理特性，这种设计的电子皮肤可包裹四肢与手臂，有望应用于皮肤移植。

大数据时代，由于传统冯·诺依曼架构的计算机信息存储和计算单元的分离，在处理需要大量信息交换的复杂问题时效率很低。我们的大脑则具备存储和计算的并行性，低功耗，高效，容错性，鲁棒性，以及自主学习等特点。人类大脑的神经网络由大约10¹¹个神经元和10¹⁵个突触组成，为人类感知、情感、思想和行为的基础，因此从硬件层面实现神经形态计算首先需要实现对突触和神经元的模拟。

人工感觉神经元结构应运而生。人工感觉神经元结构通常由突触器件和传感器件电连接组成，其中突触器件多为传统的以忆阻器为代表的两端器件或以场效应晶体管为代表的三端器件，这也意味着这些器件只有一个输入端口。因此，现有的人工感觉神经元结构只能实现一个突触器件处理一个传感器件产生的电压信号，对外界刺激信号的种类选择存在单一性和局限性，不能有效模拟皮肤能同时感应多种形式外界刺激的生物功能。

基于上述技术问题，发明人进行了研究开发，形成了本发明技术，旨在推动人工智能机器人和康复学中神经形态电子皮肤的设计和使用，对人工智能自供电电子皮肤，人机交互等领域具有重要的意义。

发明内容

发明目的：针对现有人工感觉神经元结构只能实现一个突触器件处理一个传感器件产生的电压信号的问题，本发明提供一种基于多侧栅突触器件的人工感觉神经元结构，能够实现一个突触器件与两个以上传感器的连接及信号处理；同时，本发明还提供了一种该人工感觉神经元结构的制备方法。

技术方案：本发明所述的一种基于多侧栅突触器件的人工感觉神经元结构，包括至少两个用作外力感应的压电纳米发电机以及用于处理至少两个电压输入信号的突触器件；突触器件为双电层晶体管，该双电层晶体管以电解质材料为栅介质、以氧化物半导体为沟道层，且其具有至少两个平面侧栅；每个压电纳米发电机分别电连接至突触器件的一个侧栅上。

其中，双电层晶体管的栅介质采用的电解质材料可为壳聚糖、壳聚糖氧化石墨烯复合材料、聚乙烯醇氧化石墨烯复合材料或豌豆蛋白生物材料。沟道层采用的氧化物半导体可为铟镓锌氧、氧化铟锌或铟钨氧。

较优的，压电纳米发电机为电极/压电材料/电极的三明治结构，其中，压电材料可为聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯—三氟乙烯。

本发明所述的一种基于多侧栅突触器件的人工感觉神经元结构的制备方法，包括如下步骤：

(1)在覆有底电极的衬底上旋涂压电材料作为压电纳米发电机的功能层；