阅读说明：本技术 一种可调随机振荡器及其应用 (Adjustable random oscillator and application thereof ) 是由 王宗巍 鲍霖 蔡一茂 凌尧天 黄如 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明公布了一种可调随机振荡器及其应用,该可调随机振荡器由可调电阻与叠层器件串联形成,叠层器件包括金属顶电极,阈值开关材料层,阻变材料层和金属底电极,通过改变可调电阻的阻值以及阻变材料的电阻实现随机性和采样帧间隔的调节。本发明可调随机振荡器适用于压缩感知采样系统,可调随机振荡器输出的周期性电压信号作为传输门和数模转换器的使能信号,当可调随机振荡器的输出电压超过传输门和模数转换器的使能电压后,模数转换器开始采集外界信号；当可调随机振荡器的输出电压低于传输门和模数转换器的使能电压后,采集停止,压缩感知采样系统完成采样帧。本发明实现了低成本、高效率的信息采集,对搭建万物互联的信息网络有着重要意义。(The invention discloses an adjustable random oscillator and application thereof, the adjustable random oscillator is formed by connecting an adjustable resistor and a laminated device in series, the laminated device comprises a metal top electrode, a threshold switch material layer, a resistance change material layer and a metal bottom electrode, and the adjustment of randomness and sampling frame interval is realized by changing the resistance value of the adjustable resistor and the resistance of the resistance change material. The adjustable random oscillator is suitable for a compressive sensing sampling system, a periodic voltage signal output by the adjustable random oscillator is used as an enabling signal of a transmission gate and an analog-to-digital converter, and when the output voltage of the adjustable random oscillator exceeds the enabling voltage of the transmission gate and the analog-to-digital converter, the analog-to-digital converter starts to acquire an external signal; and when the output voltage of the adjustable random oscillator is lower than the enabling voltage of the transmission gate and the analog-to-digital converter, stopping acquisition, and completing a sampling frame by the compressed sensing sampling system. The invention realizes low-cost and high-efficiency information acquisition and has important significance for building information networks of interconnection of everything.)

一种可调随机振荡器及其应用

技术领域

本发明属于半导体(semiconductor)、压缩感知(compressed sensing)和互补型金属氧化物半导体(CMOS)混合集成电路技术领域，具体涉及一种适用于压缩感知采样的可调随机振荡器。

背景技术

随着数字化信息处理技术的发展，当今世界已经进入了大数据时代。数字化生活对信息处理系统感知信息的分辨率和精准性都提出了新的要求。早期工作已经证明，连续时间有限带宽信号可以在服从奈奎斯特定律的前提下经由离散采样方式得到。然而，新兴应用发展产生的大量数据仍然很容易耗尽采样系统的算力，这一问题在采样系统部署在边缘设备上时更为突出。

作为一种新型信息感知技术，压缩感知技术可以降低稀疏信号的采样率，使信号的采样和压缩同时完成。压缩感知技术与传统采样技术的一个重要区别在于其对随机间隔采样点的要求。通常情况下，压缩感知系统使用CMOS电路模块产生随机稀疏采样时钟以完成非等间隔采样。目前许多研究的关注点在于利用新型器件实现高性能传感器和计算单元，但对于采样控制模块的关注较少。能产生可调随机性触发信号的控制模块往往具有复杂的结构，不仅限制了采样设备的小型化，也会带来额外的功耗问题。利用新型器件的非理想效应产生随机性和稀疏性采样时钟信号能显著提升压缩感知系统的集成密度和能量使用效率。

过渡金属氧化物的阈值开关和电阻开关特性已在很多领域得到了应用。例如忆阻器的应用引领了类脑计算的发展，而基于绝缘体-金属转变的阈值开关器件则可作为选通管应用在阻变存储器阵列中。随着加工技术的进步，器件的非理想效应已被大幅缓解。然而由于材料存在内在随机性(如晶界以及导电通道的随机位置变化)，器件特性的随机涨落无法完全消除。通常情况下，这些开关参数的随机涨落会降低器件的性能，甚至破坏系统的功能。然而，有效控制地这些随机性则有可能实现结构简单的随机数发生器，从而产生随机采样信号，由此实现耗能效，小型化的压缩感知采样系统。

发明内容

为克服现有压缩感知采样电路中随机时钟发生器面积和功耗过大的问题，本发明提出了一种基于阈值开关材料/阻变材料叠层器件的可调随机振荡器和基于可调随机振荡器的压缩感知采样系统。可调随机振荡器的电压震荡信号作为采样电路的使能信号，通过改变可调电阻的阻值以及阻变材料的电阻实现随机性和采样帧间隔的调节，从而实现非等间隔采样的压缩感知系统。压缩感知系统采样所得的数据可由正交匹配追踪(orthogonalmatching pursuit,OMP)算法恢复成为原始信号。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种可调随机振荡器，其特征在于，由可调电阻与叠层器件串联形成，叠层器件包括金属顶电极，阈值开关材料层，阻变材料层和金属底电极，如图1所示。通过改变可调电阻的阻值以及阻变材料的电阻实现随机性和采样帧间隔的调节。即当在串联结构两端施加恒定电压时，电压源会经由可调电阻向叠层器件的寄生电容充电，串联节点电压抬升，节点电压超过叠层器件的阈值电压后，叠层器件开启，对串联节点放电，串联节点电压下降，串联节点的充电-放电循环形成电压振荡，通过调节可调电阻阻值，可以改变电容充放电的RC弛豫时间，从改变串联节点的电压振荡周期。改变叠层器件阻变层的电阻会改变器件的阈值电压，从而改变充放电时间，因此通过此方式改变串联节点的电压振荡周期。

优选地，所述金属顶、底电极材料为导体材料，包括Ti、TiN、TaN、Ta、Al、AlN、W、Cu等；

优选地，所述阻变材料层为由单层或多层复合材料薄膜组成，包括金属钽和金属氧化物的复合材料，包括钽和钽的氧化物(Ta/TaO_x)、钽和铪的氧化物(Ta/HfO_x)，或是金属钽、其它金属和金属氧化物的复合材料，包括钽和钛和钽的氧化物(Ta/Ti/TaO_x)、钽和钛和铪的氧化物(Ta/Ti/HfO_x)、钽和铱和钽的氧化物(Ta/Ir/TaOx)、钽和钨和钽的氧化物(Ta/W/TaO_x)、钽和铱和钛的氧化物(Ta/Ir/TiO_x)，在以上金属钽和金属氧化物的复合材料的金属氧化物端可以是多种金属材料，包括Cu、Ti、Ta、W、Pt、TiN、TaN、TiO_x、TaO_x、WO_x、HfO_x、AlO_x、ZrO_x等，形成金属/N层过渡金属氧化物/金属结构，N≥1。

优选地，所述阈值开关材料层为由单层或多层复合材料薄膜组成，包括VO_x、NbO_x等。

优选地，所述阻变材料层和阈值开关材料层的厚度分别为5nm-1000nm。

一种基于可调随机振荡器的压缩感知采样系统，包括可调随机振荡器，模数转换器(A/Dconverter)和传输门电路，可调随机振荡器输出的周期性电压信号作为传输门和数模转换器的使能信号，当可调随机振荡器的输出电压超过传输门和模数转换器的使能电压后，模数转换器开始采集外界信号；当可调随机振荡器的输出电压低于传输门和模数转换器的使能电压后，采集停止，由此，压缩感知采样系统完成一个采样帧。

本发明可调随机振荡器的振荡周期的随机性来源于阻变材料层中导电通路不同周期间的变化，如导电通路周围缺陷的电子填充状态等因素，均会影响阻变材料层的电阻，进而影响电容充电的RC弛豫时间，最终导致振荡周期的随机性。基于上述可调随机振荡器的压缩感知采样系统，由可调随机振荡器控制采样帧的长度实现非等间隔采样，采集到的数据可由正交匹配追踪方法恢复，进行后续分析处理，该压缩感知采样系统的采样方式显著地降低了采样点的个数，有效控制了边缘端设备的数据传输成本。相比于其它基于CMOS电路的伪随机时钟发生器，本发明可调随机振荡器在功耗和面积上具有较大优势，有利于集成在边缘端采样设备中，实现低成本、高效率的信息采集，对搭建万物互联的信息网络有着重要意义。

附图说明

图1为本发明叠层器件结构示意图；

图2为本发明具体实施例中叠层器件示意图，其中(a)为结构示意图；(b)为直流电学特性示意图；

图3为本发明具体实施例中基于可调随机振荡器的压缩感知采样系统的结构示意图；

图4为本发明具体实施例中可调随机振荡器受负载电阻控制示意图，其中，(a)为负载电阻R₁的电压波形示意图；(b)为负载电阻R₁+10KΩ的电压波形示意图；(c)为利用负载电导调节输出脉冲数目示意图；

图5为本发明具体实施例中可调随机振荡器采样帧与采样时间的定义示意图；

图6为本发明具体实施例中阻变材料层的电导对器件阈值电压的影响之示意图；

图7为本发明具体实施例中叠层器件的阈值电压的变化示意图，其中(a)为器件阈值电压对振荡器输出脉冲数目的影响之示意图；(b)为阻变材料层电阻对振荡器输出脉冲数目的影响之示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步描述。

本发明采用阻变材料/阈值转变材料叠层器件组成可调随机振荡器控制采样电路实现非等间隔采样，具体如下：

首先阈值开关材料/阻变材料叠层器件，包括金属顶电极，阈值开关材料介质层，阻变材料介质层，金属底电极。其制备方法包括如下步骤:

1)利用物理气相淀积(PVD)方法形成金属底电极材料；

2)利用光刻和刻蚀图形化金属底电极；

3)利用原子层沉积(ALD)方法形成阈值开关材料层；

4)利用物理气相淀积(PVD)方法形成阻变材料层；

5)退火使阈值开关材料结晶化；

6)利用物理气相淀积(PVD)方法形成金属顶电极材料。

其中，顶电极为TiN，底电极为Pt，阻变材料层和阈值转变材料层分别为TaO_x和VO₂的叠层器件，其结构和直流电学特性如图2所示；可调电阻与叠层器件串联形成可调随机振荡器。

本发明基于可调随机振荡器的压缩感知采样系统主要由可调随机振荡器，传输门和模数转换器组成，如图3所示。可调随机振荡器的输出端为A，输出端A的电压V_A呈现周期性振荡，作为传输门和模数转换器的使能信号。当V_A超过二者使能电压时，传输门打开，模数转换器进行采样。当V_A小于二者使能电压时，传输门关闭，模数转换器停止采样，一个采样帧结束。可调随机振荡器输出节点电压脉冲的数目受到负载电阻控制，电压波形和输出脉冲统计如图4所示；采样帧定义为可调随机振荡器输出端电压振荡的一个周期，其中采样时间ΔT为传输门开启、模数转换器采集外界信号的时间。通过调节可调电阻的阻值，可以调节采样帧的长度(采样时间的长度)，从而改变采样点的数目。采样帧与采样时间的定义如图5所示；阻变材料层的电阻可由电学方式调节，进而可以调节叠层器件的阈值电压，其变化关系如图6所示；叠层器件阈值电压的变化将影响可调随机振荡器的振荡状态，从而改变采样帧长度，实现采样模式的重新配置，如图7所示。在单个采样帧内，采样点间的时间间隔由模数转换器决定，为某一固定值。由于可调随机振荡器输出信号的周期具有随机性，因此采样帧的长度具有随机性(每个采样帧内的采样时间同样具有随机性)。基于可调随机振荡器的压缩感知采样系统通过引入随机长度的采样帧，实现非等间隔采样；通过控制采样帧的时间，控制采样点的数目。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。