阅读说明：本技术 一种神经形态输出的压阻型触觉传感单元 (Piezoresistive tactile sensing unit for nerve form output ) 是由 刘卫华 苑菀彬 韩传余 张嘉贺 贾瑞强 李昕 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种神经形态输出的压阻型触觉传感单元,压阻电桥电路、前端调理电路和脉冲编码器电路原位集成,当按压操作发生时压敏电阻阻值变化引起电桥失衡,电桥两端电压产生差异并进一步由前端调理电路经求差运算输出至脉冲编码器电路,脉冲编码器电路将电压信号转换为脉冲信号输出,从而实现神经形态的触觉信息输出,脉冲编码器中晶体管输出电流IDS作为触觉信号,由一个Mott忆阻器和一个电容原位转换成频率与IDS大小相关的脉冲信号,从而实现神经形态的触觉信息输出；该神经形态输出的压阻型触觉传感单元具有高灵敏度、低功耗、易于集成和良好的生物兼容性特征,具有一定应用前景。(The invention discloses a piezoresistive tactile sensing unit for neural form output, which is characterized in that a piezoresistive bridge circuit, a front end conditioning circuit and a pulse encoder circuit are integrated in situ, when pressing operation occurs, the resistance value of a piezoresistor changes to cause bridge unbalance, voltages at two ends of a bridge generate difference and are further output to the pulse encoder circuit through difference calculation by the front end conditioning circuit, the pulse encoder circuit converts a voltage signal into a pulse signal to be output, so that neural form tactile information is output, transistor output current IDS in the pulse encoder is used as a tactile signal, and a Mott memristor and a capacitor are converted into a pulse signal with frequency related to IDS in situ, so that neural form tactile information is output; the piezoresistive tactile sensing unit for the nerve morphology output has the characteristics of high sensitivity, low power consumption, easiness in integration and good biocompatibility, and has a certain application prospect.)

一种神经形态输出的压阻型触觉传感单元

技术领域

本发明涉及柔性电子的触觉传感器技术领域，具体涉及是一种神经形态输出的压阻型触觉传感单元。

背景技术

面对人工智能的快速推广和人机交互需求的日益提升，作为机械设备与外界环境交互的重要窗口，触觉传感技术在仿生机器人、医疗器械等领域都具有重要的应用前景。压阻式触觉传感器以电阻作为敏感参量，具有结构简单，线性度好和工艺成熟等优势，触觉传感中取得了非常广泛的应用。

通过平面工艺将触觉传感单元阵列化集成，从而获得触觉的空间分布信息，是提高触觉判断能力的重要策略。但是由于受限于数据采集速度和电路计算资源等因素，触觉传感单元阵列规模受到很大限制，极大限制了这类触觉传感器的触觉感知判断能力的提升。

发明内容

针对现有触觉传感器的触觉感知判断能力受限问题，本发明提供一种神经形态输出的压阻型触觉传感单元，实现了触觉传感器的触觉感知判断能力的提升。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种神经形态输出的压阻型触觉传感单元，包含依次连接的压阻电桥电路、前端调理电路和脉冲编码器电路；

压阻电桥电路，用于采集触觉信息并输出至前端调理电路；

前端调理电路，用于对输入的触觉信息进行运算后输出至脉冲编码器电路；

脉冲编码电路，用于将输入的触觉信息转换为神经形态的触觉脉冲序列信号并输出。

优选的，所述压阻电桥电路包括惠斯通电桥和与其连接的稳压源，惠斯通电桥中的压敏电阻为触觉感受器。

优选的，所述惠斯通电桥为单臂工作电桥、双臂工作电桥或全臂工作电桥。

优选的，所述惠斯通电桥包括四个电阻，其中至少一个为压敏电阻，其余为固定电阻；

电阻R_a、电阻R_b、电阻R_c和电阻R_d依次首尾连接；

所述电阻R_a和电阻R_b的连接端，以及电阻R_d和电阻R_c的连接端连接恒流源的正负极；

所述电阻R_a和电阻R_d的连接端为输出端V₁，电阻R_c和电阻R_b的连接端为输出端V₂。

优选的，所述前端调理电路包括3个运算放大器和4个电阻；

运算放大器A₁和运算放大器A₂的输入端分别与压阻电桥电路的输出端连接，用于作为电压跟随器，实现前后级隔离，所述运算放大器A₁和运算放大器A₂的输出端与运算放大器A₃的输入端连接；

所述运算放大器A₃和4个电阻组成减法电路，用于对触觉信息进行减法运算并输出。

优选的，所述前端调理电路包括3个运算放大器和4个电阻；

运算放大器A₁的正相与压阻电桥电路的输出端V₁连接，运算放大器A1的反相和输出端与电阻R₁的一端连接，电阻R₁另一端与电阻R₄的一端和运算放大器A₃的反相连接，电阻R₄的另一端与运算放大器A₃的输出端连接。

运算放大器A₂的正相与压阻电桥电路的输出端V₂连接，运算放大器A2的反相和输出端与电阻R₂的一端连接，电阻R₂另一端电阻R₃的一端和运算放大器A₃的正相连接，运算放大器A₃的另一端接地。

优选的，所述脉冲编码器电路包括晶体管、电容C和Mott忆阻器；

晶体管，用于根据输入的触觉信息输出触角控制信号对电容充电；

电容，用于根据充电时的电压值控制Mott忆阻器导通；

Mott忆阻器，用于根据阻态变化输出脉冲信号。

优选的，所述脉冲编码器电路包括晶体管、电容C、电阻R₅和Mott忆阻器；

其中，晶体管的栅极与前端调理电路的输出端连接，源级分别与电容C和Mott忆阻器的一端连接，电容C的另一端接地，Mott忆阻器的另一端与电阻R₅的一端连接，电阻R₅的另一端接地，晶体管的漏极接电源。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种神经形态输出的压阻型触觉传感单元，压阻电桥电路、前端调理电路和脉冲编码器电路原位集成，当按压操作发生时压敏电阻阻值变化引起电桥失衡，电桥两端电压产生差异并进一步由前端调理电路经求差运算输出至脉冲编码器电路，脉冲编码器电路将电压信号转换为脉冲信号输出，从而实现神经形态的触觉信息输出。

压阻电桥电路将压阻型触觉传感器输出整理成与ΔRR相关的电压信号，改变了电阻信号不易测量和无驱动能力的特点，同时该结构具有测量精度高、灵敏度高和电路简单等优点，与调理电路配合可实现无按压情况不产生输出的特征，从而降低编码器电路静态功耗。

脉冲编码器中晶体管输出电流IDS作为触觉信号，由一个Mott忆阻器和一个电容原位转换成频率与IDS大小相关的脉冲信号，从而实现神经形态的触觉信息输出。

Mott脉冲编码器将触觉信号以脉冲序列形式输出，这与生物神经元导电离子通道开关释放的脉冲信号特征相似，因此称为神经形态输出。神经形态输出回避了ADC采样转换电路及其采样频率限制，从而在保证触觉信号时域解析度的同时，大幅降低传感数据量，方便阵列规模扩展，保证空间解析度更大提升空间。脉冲序列输出的触觉传感器同时具有生物兼容性，从短期出发是发展基于脉冲神经网络(SNN)神经形态计算体系的迫切需要，从长远角度出发也是生物神经科学和智能脑机接口研究的需求。

附图说明

图1为本发明神经形态输出的压阻型触觉传感单元的结构示意图；

图2为本发明压阻电桥电路图；

图3为本发明前端调理电路；

图4为本发明脉冲编码器电路；

图5为本发明脉冲编码器电路仿真结果；

其中，图a为Mott忆阻器回滞曲线图，图b为电容C充放电电流图，图c为SA脉冲信号图，图d为SA脉冲信号频率与最大充电电流关系图，图e为SA脉冲信号频率与电容C关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参照图1，一种神经形态输出的压阻型触觉传感单元，包含压阻电桥电路、前端调理电路和脉冲编码器电路。

压阻电桥电路，用于采集触觉信息并输出至前端调理电路；压阻电桥电路由电阻构成的惠斯通电桥和稳压源组成，惠斯通电桥中的压敏电阻作为触觉感受器。

前端调理电路，用于对输入的触觉信息进行运算后输出至脉冲编码器；前端调理电路由运算放大器和电阻构成，根据负反馈运放虚短虚断原理进行信号前端处理。

脉冲编码器电路，将输入的触觉信息转换为神经形态的触觉脉冲序列信号并输出；脉冲编码器电路由晶体管、电容、电阻和Mott忆阻器组成，晶体管与前端调理电路的输出连接，控制脉冲编码器工作，Mott忆阻器是神经拟态器件，用于模拟神经元离子通道开关，是实现神经形态触觉信号输出的核心元件。

当发生按压时，压阻电桥电路的压敏电阻阻值波动导致电桥的四个臂阻值不再相等，进而引起电桥失衡，压阻电桥电路的电桥两端电压产生变化并输入前端调理电路，信号在经过隔离传输后由调理电路求差运算输出至脉冲编码器电路，由于脉冲编码器电路中晶体管栅极与调理电路输出直接连接，因此晶体管工作状态受压敏电阻阻值控制，晶体管输出电流I_DS作为触觉控制信号，对电容进行充电，由于Mott忆阻器具有阻变特性，即在特定压差条件下可在高阻态和低阻态之间变化，因此晶体管沟道电流I_DS对电容C充电过程中，当电容上端电压升高达到一定阈值时，可使Mott忆阻器导通，此时电路完成一次放电，即产生一个脉冲输出，随后Mott忆阻器关闭，I_DS重新对电容C充电直至Mott忆阻器再次导通；I_DS大小由接触压力决定，并通过决定充放电快慢改变脉冲频率，从而实现触觉信号的神经形态脉冲编码。

参照图2所示，压阻电桥电路由4个电阻和1个稳压源组成，4个电阻中至少一个为压敏电阻，其余为固定电阻，4个电阻组成惠斯通电桥，稳压源与惠斯通电桥连接，惠斯通电桥输出电压V₁和V₂。

4个电阻分别是，电阻R_a、电阻R_b、电阻R_c和电阻R_d，电阻R_a的一端与电阻R_b的一端连接，电阻R_b的另一端与电阻R_c的一端连接，电阻R_c的另一端与电阻R_d的一端连接，电阻R_d的另一端与电阻R_a的另一端连接。

电阻R_a和电阻R_b的连接端，以及电阻R_d和电阻R_c的连接端连接恒流源的正负极，电阻R_a和电阻R_d的连接端为输出端V₁，电阻R_c和电阻R_b的连接端为输出端V₂。

图1中所列出电桥输出电压V₁和V₂可由式(1)表示，其中V_bri为稳压源电压。

参照图3所示，前端调理电路包括3个运算放大器和4个电阻构成，运算放大器A₁和运算放大器A₂分别与压阻电桥电路的输出端连接做电压跟随器，实现前后级隔离，运算放大器A₃和4个电阻构成减法电路实现电桥输出运算。

运算放大器A₁的正相与压阻电桥电路的输出端V₁连接，运算放大器A₁的反相和输出端与电阻R₁的一端连接，电阻R₁另一端与电阻R₄的一端和运算放大器A₃的反相连接，电阻R₄的另一端与运算放大器A₃的输出端连接。

运算放大器A₂的正相与压阻电桥电路的输出端V₂连接，运算放大器A₂的反相和输出端与电阻R₂的一端连接，电阻R₂另一端电阻R₃的一端和运算放大器A₃的正相连接，运算放大器A₃的另一端接地。

应注意的是，图1中所列出电阻应满足R₁＝R₄，R₂＝R₃，前端调理电路输出如式(2)所示，无按压条件下电桥桥臂比满足时电桥平衡，即调理电路输出电压V₃＝0。

本发明实施方案压阻电桥电路中电阻有多种组合方式，不同组合下电桥具有不同的工作特性。

实施例1，压阻电桥电路中的惠斯通电桥包括1个压敏电阻和3个固定电阻构成单臂工作电桥。

单臂工作电桥工作时，参照图1所示，R_a为压敏电阻，R_b,R_c,R_d为固定电阻，其输出电压V₃可表示为式(3)。

若的桥臂比关系仍存在，可近似简化式(3)为(4)式。可以观察到当η＝1时电桥获得最大灵敏度为

实施例2，惠斯通电桥包括2个压敏电阻和2个固定电阻构成双臂工作电桥。

双臂工作电桥工作时，参照图1所示，R_a和R_b为压敏电阻，R_c和R_d为固定电阻。其输出电压V₃可表示为式(5)。同样在关系存在的前提下，且近似假设可近似简化时将式(5)转化为式(6)。应注意的是R_a需为正应变电阻，R_b需为负应变电阻。可以观察到当η＝1时电桥获得最大灵敏度为

实施例3，惠斯通电桥包括4个压敏电阻构成全臂工作电桥。

全臂工作电桥工作时，参照图1所示，R_a、R_b、R_c和R_d均为压敏电阻，其输出电压V₃可表示为式(7)。同样在关系存在的前提下，且近似假设可近似简化时将式(7)转化为式(8)。可以观察到当η＝1时电桥获得最大灵敏度为V_bri。四臂模式工作的压阻电桥灵敏度时单臂工作的4倍，是双臂工作的2倍。

参照图4所示，脉冲编码器电路包括1个晶体管、1个电容C、1个电阻R₅和1个Mott忆阻器。

其中，晶体管的栅极与运算放大器A₃的输出端连接，源级分别与电容C和Mott忆阻器的一端连接，电容C的另一端接地，Mott忆阻器的另一端与电阻R₅的一端连接，电阻R₅的另一端接地，晶体管的漏极接电源。

晶体管与前端调理电路输出连接控制脉冲编码器电路，作为无源器件，Mott忆阻器由于其独特的易失性和阈值开关特性，由于阈值开关特性，Mott忆阻器模拟神经元突触离子通道开关具有天然优势，因此常用作神经拟态器件。基于Mott忆阻器的仿突触电路通常将电容接于忆阻器前，利用电容的储电特性模拟突触细胞膜内电位变化，忆阻器模拟突触上的离子通道开关。当电容上极板电位达到阈值后，忆阻器由高阻态切换到低阻态导致电容放电，随后电容上极板电位降低，忆阻器再次回到高阻状态，从而形成一次脉冲放电输出。本发明所提的基于Mott忆阻器的脉冲编码电路与这一原理相似，通过压阻电桥和前端调理电路对晶体管栅压的控制可实现在不同按压条件下晶体管漏源电流I_DS变化。参考场效应晶体管平方率模型，近似得到晶体管栅压与电容电压关系式(9)：

其中k为常数，由晶体管栅极电容、宽长比和沟道迁移率参量决定；V_C表示电容上极板电压；V_th表示晶体管阈值电压；C表示电容的值。解方程可以近似得到V_c(t)的解析表达式(10)：

假定当Mott忆阻器阈值为V_T，即两端压差为时V_T发生阻值变化，则输出脉冲信号频率f_SA可由式(11)近似表示：

上述内容主要为本发明提出的神经形态输出的传感单元理论描述，压阻电桥电路和前端调理电路详细进行了三种不同工作状态下输出的分析，脉冲编码器电路详细列举了脉冲信号产生过程及信号频率与输入的关系。

图5a所示仿真中采用正向开启电压为5V，反向关断电压为2.62V的Mott忆阻器。在晶体管以最高5.98uA电流对1nF电容充电时情况下进行仿真，充电过程和输出脉冲序列如图5b和图5c所示。图5d和图5e给出了SA脉冲的频率与最大充电电流和电容的关系。当电容为1nF时充电电流大小与SA脉冲频率呈近似正比关系。图5e给出了电容与SA脉冲频率关系，通过调节电容值大小，可在较大范围内调节编码频率，为器件设计提供了较大空间。以上仿真结果表明本发明提出的神经形态输出的传感单元在0.5nF-3.5nF储电电容条件下可实现100-1000HZ频率的脉冲序列输出，这一特性与生物电信号基本一致。

以上内容表明，本发明在不改变压阻型触觉传感器自身特性前提下，提出新的神经形态信号调理方式，实现了触觉传感单元脉冲序列的输出，提高了触觉传感单元阵列化集成和数据读取的便利性，为触觉传感器阵列与脉冲神经网路等神经拟态计算硬件电路直接相连提供潜在条件。本发明应用方式简单，理论清晰，具有一定实用性。

本发明公开了一种神经形态输出的压阻型触觉传感单元，该单元包括压阻电桥，前端调理电路和脉冲编码器。当压敏电阻受压是电桥失衡，电桥两端输出经调理电路求差运算后输入脉冲编码器。基于Mott忆阻器的脉冲编码器受前级电路控制下通过循环充放电释放脉冲信号，实现神经形态输出。传统压阻型触觉传感器大规模阵列化集成时受ADC采样转换电路及其采样频率限制，存在数据量巨大进而导致处理电路计算资源分配有限的问题。本发明通过压阻电桥进行敏感检测，采用脉冲编码器电路实现触觉信息神经形态输出，保证触觉信号时域解析度的同时，大幅降低传感数据量，方便阵列规模扩展，保证空间解析度更大提升空间。

综上所述，本发明提出的一种神经形态输出的压阻型触觉传感单元具有高灵敏度、低功耗、易于集成和良好的生物兼容性特征，具有一定应用前景。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。