CMOS兼容忆阻器电化学生物传感器：实现阈值感知功能的 transduction 新策略

《Nature Communications》：Demonstration of CMOS-compatible memristor-based electrochemical biosensor transducer with threshold-sensing functionality

本刊推荐一项创新性研究：为解决传统电化学生物传感器依赖高功耗信号处理模块实现阈值检测的问题，研究团队开发了一种基于忆阻器的生物电转换器，其内置阈值感知功能。该器件采用CMOS兼容的TaOx/Ta2O5忆阻器，通过调控氧空位层厚度和气体比例，实现了高开关比（>30）和长脉冲稳定性（>10 μs）。实验证明，该转换器可在特定pH阈值下实现电阻态切换，并可通过参考电压灵活调节检测阈值。这一技术为便携式诊断设备提供了低功耗、高集成度的解决方案，有望推动即时检测技术的发展。

　　

随着人口老龄化与慢性疾病负担加剧，便携式健康监测设备的需求日益增长。电化学生物传感器作为核心工具，可通过检测生物标志物浓度辅助疾病诊断。然而，传统传感器依赖信号处理模块或计算机进行阈值判断，导致系统功耗高、体积大，难以满足即时检测对便携性与能效的苛刻要求。如何将阈值感知功能直接嵌入传感器 transduction 环节，成为突破技术瓶颈的关键。

为解决这一问题，韩国嘉泉大学、国家纳米Fab中心等机构的研究团队在《Nature Communications》发表论文，提出了一种基于忆阻器的电化学生物传感器转换器。该器件利用忆阻器的电阻突变特性，将阈值感知功能集成于转换器内部，取代了传统依赖外部电路的处理方式。研究人员通过优化忆阻器材料与结构，实现了器件性能与系统需求的精准匹配，为微型化、低功耗诊断设备开发提供了新思路。

关键技术方法

研究采用8英寸硅基CMOS工艺制备TaO_x/Ta₂O₅忆阻器，通过调节反应溅射中O₂/Ar气体比例（3%-9%）和氧空位层厚度（20-40 nm）调控器件开关特性；利用扩展栅场效应晶体管构建传感器电极，避免直接暴露忆阻器于 analyte 溶液；通过并联忆阻器结构抑制器件差异，并集成ADC、MCU和OLED显示模块实现系统级验证。

研究结果

CMOS兼容TaO_x/Ta₂O₅忆阻器的电学特性

通过调控TaO_x层的氧含量与厚度，S5型器件（20 nm厚TaO_x，O₂/Ar=6%）表现出最优性能：开关比达35.2，高阻态电阻6525 Ω，低阻态电阻185 Ω。脉冲测试表明，其在50 μs脉冲宽度下循环5000次后仍保持开关比>30，满足传感器对稳定性的要求。

忆阻器电化学生物传感器转换器的实现与验证

研究构建了包含传感器电极、忆阻器阵列、信号处理模块的完整系统。实验表明，当溶液pH值降至阈值点（如pH=5）时，忆阻器电阻从高阻态（>600 Ω）突变为低阻态（<90 Ω），输出电压从<140 mV跳变至>260 mV，实现阈值响应。通过调节参考电压V_REF（1.64-2.2 V），阈值pH可在2-10范围内线性调控（Pearson相关系数0.981）。

系统简化与功耗优化

通过用比较器、保持电路和LED替代ADC与显示器，系统体积缩小至1/4，功耗降低12.4倍，仍能准确识别阈值点，验证了技术在资源受限场景下的适用性。

结论与展望

本研究首次将阈值感知功能直接嵌入忆阻器转换器，突破了传统传感器依赖外部处理的局限。通过材料与结构协同优化，实现了高开关比、长脉冲稳定性的CMOS兼容器件，并完成从器件到系统的全链条验证。该技术为开发微型化、低功耗即时诊断设备提供了新路径，未来在可穿戴健康监测、植入式胶囊传感器等领域具有广阔应用前景。后续研究需进一步优化器件抗干扰能力，并探索在复杂生物流体中的实际性能。