廣東工業大學唐新桂/孫啟軍MSER: 基于一步制造異質結人工突觸器件的光電雙模傳感系統

研究背景：

在大數據時代，數據的規模和復雜性正以指數級增長。日常生活中，各種智能設備、工業控制系統和電子產品都需要高效的感知系統來實現智能化操作和決策。這些感知系統需要具備高靈敏度、高精度、快速響應以及多模態感知能力。因此，開發出傳感、記憶和處理功能的單片集成的器件對于當前時代的智能信息處理尤其重要。其中光電突觸器件對于光信號和電信號的雙模態感知能力，讓其成為下一代信息技術的關鍵器件。

?? 研究成果：

近日，廣東工業大學唐新桂研究團隊開發出一種融合傳感器與憶阻器的架構的多模態感知系統。研究成果以“Photoelectric dual mode sensing system based on one-step fabricated heterojunction artificial synapses device”為題發表在國際著名期刊Materials Science & Engineering R (IF 31.6) 上，廣東工業大學物理與光電工程學院博士研究生楊東平為本文的第一作者，廣東工業大學唐新桂研究員、孫啟軍副教授為論文共同通訊作者。

本研究提出了一種基于TiO₂-Nb：SrTiO₃異質結的光電人工突觸裝置，該裝置通過一步磁控濺射技術制造，實現了傳感、記憶和處理功能的單片集成。實驗結果顯示，該裝置在電刺激下表現出超過10,000秒的多級電阻狀態穩定性，并通過光學調制實現了超過七個非易失性電導狀態。此外，開發了一種融合傳感器與憶阻器的架構，通過光電協同調節，應用于智能交通和情緒識別領域。該系統成功實現了多維度車輛監控（動態、速度、方向），并通過整合面部特征和聲學信號，完成了三類情緒分類，驗證了多模態信息融合的有效性。該裝置通過光電協同作用實現了視聽雙模態融合感知，其CMOS兼容的制造工藝為神經形態傳感系統的發展提供了可擴展的途徑。

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3.創新點：

1. 電信號可編程調控機制 ?

采用動態電激勵調控策略，實現器件導電態連續可調功能，實驗器件表現出超過10,000秒的多級電阻狀態穩定性，展現出優異的環境適應性與穩定性。

2. 仿生神經突觸特性開發 ?

基于光脈沖可塑性調制，構建了包含短時程強化（STP）和長時程增強（LTP）的類腦記憶模型，通過光強-脈寬協同調控實現了類似人類經驗積累的強化學習機制，奠定了多模態傳感與存算一體化的硬件基礎。

3. 能態工程與載流子動力學表征

結合紫外光電子能譜（UPS）與吸收光譜解析技術，建立了完整能帶結構演化模型，闡明電/光雙場調控下界面電荷轉移機制與載流子弛豫規律，為器件工況優化提供理論支撐。

4. 車輛智能感知系統集成 ?

構建光-電信號異構融合平臺，通過多物理場協同反饋機制，同步汽車運動方向與位移速度動態參數，實現車輛運動狀態的多模態監測。

5. 情緒多模態識別系統創建

開發視覺-聽覺雙通道融合架構，利用特征提取卷積算法（面部表情特征+聲音頻率特征），使情感識別準確率在Epoch 6達到100%。同時可以識別出聲音和面部不匹配的虛假情緒，突破了傳統單一模態的情緒感知限制。

4.圖文導讀:

圖1. (A)雙脈沖促進行為的PPF指數。(B)在光學脈沖模擬下，薄膜器件的學習-再學習機制。(C)器件光響應電流的電壓依賴性。(D)薄膜器件在光開啟時，光響應電流隨光學脈沖寬度的變化。(E)薄膜器件在光關閉時，光響應電流隨光學脈沖寬度的變化。(F)在450 nm和650 nm光源下，器件的光響應行為。(G)薄膜器件光響應電流隨光學脈沖數量的變化。(H)在多次光學脈沖刺激下，薄膜器件的不同電導狀態。

圖2. (A)多模態感知系統用于實現車輛速度/動態/方向的感知。(B)從t0到t1的時間段內汽車的信息流場景。(C)靜態場景下幀差動態識別算法的照片輸出。(D)靜態場景下幀差動態識別算法的亮度輸出。(E)動態場景（汽車出現并移動）下幀差動態識別算法的照片輸出。(F)動態場景下幀差動態識別算法的亮度輸出。(G)不同速度下的汽車EPSC映射。(H)通過壓阻傳感器測量不同速度下車輛的輸出電壓。(I)輸入不同速度電壓脈沖后憶阻器的輸出電流。封閉路段上汽車的行駛方向(J)和薄膜器件對應的EPSC映射(K)。

圖3. (A)多模態感知系統用于實現人類情感識別。(B)不同人類情感下的電壓脈沖信號（傳感器）。(C)不同電壓脈沖信號下的輸出電流（憶阻器）。(D)通過捕捉面部特征獲得的光脈沖序列。(E)不同光脈沖序列下的EPSC響應。(F)不同情感下的綜合輸出電流。(G)基于面部特征和聲音特征的情感識別卷積神經網絡模型。(H)20個周期內情感識別的準確率和損失值。

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5.結論：

通過一步制備的磁控濺射工藝開發了一種新型異質結光電人工突觸器件，表現出優異的突觸可塑性和非易失性。這些特性通過光電信號脈沖調制得到了驗證。此外，利用該器件同時感知光信號和電信號的獨特能力，引入了一種壓阻式觸覺傳感器，構建了多模態傳感與計算系統。該系統不僅能夠實現視覺和聽覺的感知與計算，還通過點陣和神經網絡的構建，成功展示了其在車輛駕駛狀態和駕駛員情緒的多模態感知、存儲和計算中的應用。

文獻連接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.101021