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忆阻器桥式突触结构神经网络的学习PPT

Memristor Bridge Synapse-Based Neural Network and Its Learning

· Act as nonvolatile analog memories,

they are programmable, and scalable

to nano dimensions

简要介绍&基础铺垫

神经网络的硬件实现问题

· 神经网络中用到的的BP算法成功应用于语音/手写/脸部识别以及机器人控制等

· 神经网络的硬件实现的成功与否，取决于accuracy,chip area, processing speed三者的权衡。· 优点：比起软件实现的神经网络

1.更快的processing speed

2.对chip area的更有效利用

· 缺点：1.limited accuracy due to spatial nonuniformity(空间的不均匀性) and nonideal responses

2.nonvolatile weight storage(非易失性存储)

硬件实现主要的两个困难

1.材料上的困难：

In analog hardware implementations, the weights are usually stored in

resistors, capacitors, and floating gate transistors(浮栅晶体管)

Floating gate transistors has been used successfully as synapses(突触) in conjunction with analog multipliers, but it suffers from high nonlinearity(非线性) in synaptic weightings.

2.学习算法上的困难：

与BP算法的software实现相比，BP算法的hardware实现较为困难，并且这些困难会因电子元件的imperfections and mismatch而加剧。

注：BP算法是一种最有效的多层神经网络学习方法，其主要特点是信号前向传递，而误差后向传播，通过不断调节网络权重值，使得网络的最终输出与期望输出尽可能接近，以达到训练的目的。

两个困难的解决办法

1.解决材料上的困难：

使用the memristor bridge synapse来解决nonvolatile weight storage（非易失性存储）的问题2.解决了学习算法上的困难：

利用the memristor bridge synapse先天优势的modified chip-in-the-loop learning method来解决BP算法实现困难问题

忆阻器的记忆特性

· Memristor act as a variable resistor whose value can be varied by varying the current passing through it

· 忆阻器可以“记忆”流过了它的电流总量，可用于非易失性存储

惠普实验室的忆阻器模型

· 由一个两层的TiO2薄膜（D为纳米级）组成，被夹在铂金触点之间。

· 掺入杂质的区域，导电性较强。未掺杂的区域，导电性较弱。

· 通过忆阻器的电量对掺杂区域的宽度进行调制。随着给定方向的电流流过，两区域间的边界也朝着同一方向移动。

忆阻器的电压与电流间的欧姆定律关系是适用的

忆阻器

无源电子器件忆阻器的特性分析及应用前景摘要：忆阻器被认为是除电阻、电感、电容外的第四种基本电路元件，是一种有记忆功能的非线性电阻。本文分析了忆阻器电路学特性，并且展望了其在未来各方面的应用前景。关键字：忆阻器；电路学特性；前景 Abstract ：Besides Resistors,Inductors and Capacitors ，which are three basic passive circuit elements ．Memristors are considered to be the fourth basic circuit element ．This element is a kind of non-1inear resistor which has the ability to remember ．This paper analyzed memristor’s circuit characteristics ，And its application foreground in all aspects of future are discussed ． Keywords ： Meristor ；memri stor’s circuit characteristics ；prospect 1 引言 2008年，Strokov [1]等成功实现了电路世界中的第四种基本无源二端电路元件----记忆电阻器，简称忆阻器(meristor)，证实了美国加州大学伯克利分校的华裔科学家蔡绍棠[2]于1971 年提出的忆阻器元件概念和1976年建立的忆阻器件与系统理论。忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻，通过控制流过忆阻器的电流，可以改变其阻值。忆阻器被认为是除电阻、电感、电容外的第四种基本电路元件，是一种有记忆功能的非线性电阻。目前，忆阻器原理及其应用是国际电路学研究的热点和前沿问题之一。忆阻器的出现将可能从根本上改变传统电路格局，“具有引发电路革命的潜质”。 2 忆阻器的电路学特性 2.1忆阻器存在的对称性依据忆阻器的发展经历了两个主要阶段，其中概念的提出与理论探索阶段是忆阻器发展的理论基础。这一阶段的发展经历了存在性预测、实验室有源模型搭建、理论电路特性、新奇应用的构想等主要步骤，之间环环相扣，前面的研究作为后面的基础。蔡绍棠在电路变量对称性得到了忆阻器存在的依据，为后续理论上的研究打下基础。如图1所示，五种已知电路变量关系中，由法拉第电磁感应定律及楞次定律得到的关系 ()()t q t i d ττ-∞=? (1) ()()t t d ?νττ-∞ =? (2) 上述两式分别表示电荷()q t 是电流关于时间的积分，磁通量()t ?是电压关于时间的积分。其余三种关系是已知电路基本元件的定义式，即理想电阻、电容、电感分别满足 d Rdi ν= (3) dq Cd ν= (4) d Ldi ?= (5) 电流电荷电压磁通量电阻未知电容电感dt ??dt ??

忆阻器桥式突触结构神经网络的学习PPT

Memristor Bridge Synapse-Based Neural Network and Its Learning · Act as nonvolatile analog memories, they are programmable, and scalable to nano dimensions

简要介绍&基础铺垫

神经网络的硬件实现问题 · 神经网络中用到的的BP算法成功应用于语音/手写/脸部识别以及机器人控制等 · 神经网络的硬件实现的成功与否，取决于accuracy,chip area, processing speed三者的权衡。· 优点：比起软件实现的神经网络 1.更快的processing speed 2.对chip area的更有效利用 · 缺点：1.limited accuracy due to spatial nonuniformity(空间的不均匀性) and nonideal responses 2.nonvolatile weight storage(非易失性存储)

硬件实现主要的两个困难 1.材料上的困难： In analog hardware implementations, the weights are usually stored in resistors, capacitors, and floating gate transistors(浮栅晶体管) Floating gate transistors has been used successfully as synapses(突触) in conjunction with analog multipliers, but it suffers from high nonlinearity(非线性) in synaptic weightings. 2.学习算法上的困难：与BP算法的software实现相比，BP算法的hardware实现较为困难，并且这些困难会因电子元件的imperfections and mismatch而加剧。注：BP算法是一种最有效的多层神经网络学习方法，其主要特点是信号前向传递，而误差后向传播，通过不断调节网络权重值，使得网络的最终输出与期望输出尽可能接近，以达到训练的目的。

压阻式压力传感器

压阻式压力传感器利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。压阻效应当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。压阻式压力传感器的结构这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。发展状况1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器（见单片微型计算机）。这种新型传感器的优点是:①频率响应高(例如有的产品固有频率达1.5兆赫以上),适于动态测量;②体积小（例如有的产品外径可达0.25毫米），适于微型化；③精度高，可

忆阻多层神经网络的设计及其应用

忆阻多层神经网络的设计及其应用人工神经网络理论发展至今,已经日趋成熟,其硬件上的实现有望构成非冯·诺伊曼结构的计算机系统。由于晶体管工艺的局限性,传统计算机系统中基于晶体管的集成电路体积已经缩小到了极限,很难再继续满足摩尔定律。用新型材料的电路设备取代晶体管已成为了研究热点。忆阻作为最有希望取代晶体管的新型设备之一,具有许多优良的性质,比如非易失性、高集成度、低功耗、良好的可扩展性等,被用于研发新型的存储器和神经计算系统。忆阻单层神经网络在芯片上的实现有望彻底改变计算机处理信息的方式,构建非冯·诺依曼计算机系统。而忆阻多层神经网络的设计仍然是一个难题,其应用前景十分广泛,可用于逻辑运算、图像处理、模式识别等领域。本论文首先根据某一特定材料制成的忆阻设备的测试结果,即忆阻真实设备两端施加正弦信号时电压电流变化的Ⅰ-Ⅴ曲线以及忆阻阻值在正负不同电压下随时间的变化曲线,以行为级建模为主,通过参数拟合的方式逼近忆阻真实设备所表现出来的特性。更进一步地,通过对相关模型参数的测试与优化,增加模型的兼容性使之可以模拟更多不同材料特性的忆阻设备。对单忆阻神经突触进行研究,用一个忆阻通过与固定的电阻连接到反相器,实现具有正负权值的神经突触。利用忆阻能通过控制所施加的脉冲数量来连续调整忆阻阻值的特性,突触权值由一个忆阻神经突触来表示并保存,在对突触权值调整过程中考虑到每一步的误差因素,构建对噪声容忍度高的忆阻神经网络电路。将对能用电路实现的忆阻神经网络算法进行研究,其中可以采用的算法有反

向传播(BP)算法、赢者通吃算法、随机调整算法等。根据不同的算法可以搭建不同的忆阻神经网络电路。根据具体电路设计基于忆阻的神经网络学习训练算法,使忆阻神经网络可以在硬件上实现相应的逻辑运算和模式识别功能。本文从四个方面对基于忆阻的多层神经网络的设计和应用进行了较深入的研究,主要的创新工作及研究成果如下:(1)根据最新的忆阻真实设备的测试数据,建立一种新型的更加符合忆阻本质特性的忆阻数学模型和电路模型,该模型可以模拟多种不同材料的真实忆阻器设备;(2)充分利用忆阻的记忆特性和内在阻值随施加电压变化而改变的特性,设计新型的忆阻神经元突触,该突触电路体积更小、功耗更低、不受漏电流影响、能持续多次正确调整权值;(3)利用忆阻的非易失性、纳米级尺寸、以及功耗低等特性,设计一种新型的具有容错性好、稳定性强等优点的忆阻多层神经网络电路;(4)根据具体突触电路,设计新型的基于忆阻多层神经网络的算法,为忆阻多层神经网络的应用打下基础。将稳定的能够容忍噪声的忆阻多层神经网络应用到逻辑运算和模式识别功能中,在考虑误差因素的忆阻神经网络中实现学习训练功能,正确的完成相应的逻辑运算和模式识别功能,且设计的忆阻神经网络学习训练速度更快、误差更小、噪声容忍性更好。本文的研究成果可以为硬件实现更大规模的忆阻多层神经网络电路奠定基础,实现更加复杂更加具有实践意义的功能, 比如图像识别中的人脸识别功能。将机器学习和深度学习最近的算法理论应用到忆阻神经网络的硬件中去,实现计算机视觉、语音识别、自然语言处理等其他领域的相关功能。

忆阻器综述

国内发展状况忆阻器的理论是于1971年由美国华裔科学家蔡少堂提出，并且在2008年被HP公司发现。虽说有关忆阻器的发言权在西方国家，但是无论是最新理论创新方面还是忆阻器应用方面，我国在这方面的研究并不比他们落后多少。早在上世纪九十年代（1991年），我国对气体放电灯的电压电流特性进行了深刻的研究，发现了气体放电灯的一些新性质，最后指出气体放电灯属于一种流控忆阻器，其特性不能用电路中的三个传统的基本元件来描述。同时，它们对气体放电灯的一些忆阻特性进行了大篇幅的分析探讨[1]。在1995年，他们又在原来的基础上发表了论文[2]，这篇论文主要研究气体放电灯在音频段至射频段的电压电流函数。他们采用了新型电子仪器设备，对气体放电灯在该频段的动态特性进行了实验测试，得到了一些新的实验结果，并且进一步说明了气体放电灯的流控忆阻器特性。借助于大量的实验，它们在音频段至射频段给出了气体放电灯的八组电压电流波形，波形显示，其形状如同一个分布在一三象限的八字形蝴蝶结，与惠普实验室的实验结果吻合的很好，这一发现比惠普实验室早了十多年，但是当时的科技发言权不再中国，使得我国的这一发现至今仍然鲜为人知。 2008年9月，我国清华大学校友陈怡然等人发表论文[3]，主要给出了基于纳米电子自旋效应的三种电子自旋忆阻器，属于世界领先水平。电子自旋是原子中普遍存在的现象。这篇论文根据纳米电子自旋产生的磁性效应，给出了三种电子自旋忆阻器，这三种忆阻器的原理不同于惠普实验室的二氧化钛双极开关模型，这种新型电子自旋忆阻器可以在从皮秒量级到微秒量级等不同的速率下进行电阻值的转换，以满足不同应用的需要，相信在不久的将来，这种忆阻器将会得到广泛的应用。国外发展状况早在1995年，惠普实验室接到了科研上层的任务，即：研究纳米级的电子器件。经过多年的研究与实验，在2006年就发现了用二氧化钛组成的忆阻器，并且在2008年第一个发表相关论文，同年5月份，惠普公司用两端纳米级电阻开关点阵器件实现了人工神经网络。 2008年6月1日，美国波士顿George Mason University研究生Victor Erokhin 和M.P.Fontana研制了一个聚合体忆阻器[4] 2008年7月15日，惠普实验室高级科研者Stanley Williams等人发表论文[5]，主要讲到了纳米级金属/氧化物/金属开关的忆阻特性，揭示了它属于一个双极开关，以及它的忆阻器开关特性与机制。 2008年8月26日，韩国三星公司在他们所研制的双层氧化物器件中发现了电流记忆特性，并且表明它也属于一种忆阻器，这个忆阻器的工作机理也与惠普实验室的有所不同。 2008年11月底，美国加州大学伯克利分校，美国半导体行业协会和美国国家科学基金会共同举办了忆阻器及忆阻系统研讨会，惠普实验室在会上展示了忆阻器的最新进展———世界首个3D忆阻器混合芯片。 2009年1月，Massimiliano Di Ventra,Yuriy V.Pershin,Leon O. Chua

压阻式压力传感器的压力测量实验

实验二压阻式压力传感器的压力测量实验一、实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。二、基本原理：扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。图一压阻式压力传感器压力测量实验三、需用器件与单元：主机箱、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。四、实验步骤： 1、将压力传感器安装在实验模板的支架上，根据图二连接管路和电路（主机箱内的气源部分，压缩泵、贮气箱、流量计已接好）。引压胶管一端插入主机箱面板上气源的快速接口中（注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压，则可轻松拉出），另一端口与压力传感器相连。压力传感器引线为4芯线： 1端接地线，2端为U0＋，3端接＋4V电源， 4端为Uo－，接线见图9-2。

2、实验模板上R W2用于调节放大器零位，R W1 调节放大器增益。按图9-2将实验模板的放大器输出V02接到主机箱(电压表)的Vin插孔，将主机箱中的显示选择开关拨到2V档，合上主机箱电源开关，R W1 旋到满度的1／3位置(即逆时针旋到底再顺时针旋2圈)，仔细调节R W2 使主机箱电压表显示为零。 3、输入气压，压力上升到4Kpa左右时调节调节Rw2（低限调节），，使电压表显示为相应的0.4V左右。再仔细地反复调节旋钮使压力上升到19Kpa左右时调节差动放大器的增益电位器Rw1（高限调节），使电压表相应显示1.9V左右。 4、再使压力慢慢下降到4Kpa，调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示为相应的0.400V。再仔细地反复调节汽源使压力上升到19Kpa时调节差动放大器的增益电位器，使电压表相应显示1.900V。 5、重复步骤4过程，直到认为已足够精度时仔细地逐步调节流量计旋钮，使压力在4－19KPa之间变化，每上升3KPa气压分别读取电压表读数，将数值列于表1。作业： 1、画出实验曲线，并计算本系统的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭所有电源。

忆阻器

忆阻器忆阻器，全称记忆电阻。最早提出忆阻器概念的人是华裔的科学家蔡少棠，时间是1971 年。2013年，比勒菲尔德大学物理学系的高级讲师安迪〃托马斯博士研制的忆阻器被内臵于比人头发薄600倍的芯片中，利用这种忆阻器作为人工大脑的关键部件，他的研究结果将发表在《物理学学报D辑：应用物理学》杂志上。基本介绍忆阻器，全称记忆电阻，从这两个字可以大致推敲出它的功用来。最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠，当时任教于美国的柏克莱大学。时间是1971 年，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，任教于加州大学伯克利分校的蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外，应该还有一种组件，代表着电荷与磁通量之间的关系。这种组件的效果，就是它的电阻会随着通过的电流量而改变，而且就算电流停止了，它的电阻仍然会停留在之前的值，直到接受到反向的电流它才会被推回去。用常见的水管来比喻，电流是通过的水量，而电阻是水管的粗细时，当水从一个方向流过去，水管会随着水流量而越来越粗，这时如果把水流关掉的话，水管的粗细会维持不变；反之当水从相反方向流动时，水管就会越来越细。因为这样的组件会「记住」之前的电流量，因此被称为忆阻器。由于忆阻器尺寸小、能耗低，所以能很好地储存和处理信息。一个忆阻器的

工作量，相当于一枚CPU芯片中十几个晶体管共同产生的效用。[1] 2发展过程提出蔡教授之所以提出忆阻器，只是因为在数学模型上它应该是存在的。为了证明可行性，他用一堆电阻、电容、电感和放大器做出了一个模拟忆阻器效果的电路，当时并没有找到什么材料本身就有明显的忆阻器的效果，也没有人在找，处于连集成电路刚起步不久的阶段，离家用电脑普及还有至少15年的时间，这时候HP 就登场了。研究

(完整版)四种压力传感器的基本工作原理及特点

四种压力传感器的基本工作原理及特点一：电阻应变式传感器 1 1电阻应变式传感器定义被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。 1.2 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 ?，通常为120 ?，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片也跟随变形。如下图所示。B 为栅宽，L 为基长。材料的电阻变化率由下式决定： d d d R A R A ρρ=+ （1）式中； R —材料电阻

由材料力学知识得； [(12)(12)]dR R C K μμεε=++-= (2) K —金属电阻应变片的敏感度系数式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得 R L K K R L ε??== (3) 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。 1.3电阻应变式传感器的分类及特点测低压用的膜片式压力传感器常用的电阻应变式压力传感器包括测中压用的膜片——应变筒式压力传感器测高压用的应变筒式压力传感器 1.3.1膜片——应变筒式压力传感器的特点该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。适于测量高频脉动压力，又加上强制水冷却。也适于高温下的动态压力测量，如火箭发动机的压力测量，内燃机、压气机等的压力测量。 1.3.2 膜片式应变压力传咸器的特点 A 这种膜片式应变压力传感器不宜测量较大的压力，当变形大时，非线性较大。但小压力测量中由于变形很小，非线性误差可小于0.5％，同时又有较高的灵敏度，因此在冲击波的测量中，国内外都用过这种膜片式压力传感器。 B 这种传感器与膜片—应变筒式压力传感器相比，自振频率较低，因此在低ρ—材料电阻率

什么是忆阻器

什么是忆阻器？忆阻器忆阻器的英文 Memristor 来自「Memory（记忆）」和「Resistor（电阻）」两个字的合并，从这两个字可以大致推敲出它的功用来。最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠，当时任教于美国的柏克莱大学。时间是 1971 年，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外，应该还有一种组件，代表着电荷与磁通量之间的关系。这种组件的效果，就是它的电阻会随着通过的电流量而改变，而且就算电流停止了，它的电阻仍然会停留在之前的值，直到接受到反向的电流它才会被推回去。用常见的水管来比喻，电流是通过的水量，而电阻是水管的粗细时，当水从一个方向流过去，水管会随着水流量而越来越粗，这时如果把水流关掉的话，水管的粗细会维持不变；反之当水从相反方向流动时，水管就会越来越细。因为这样的组件会「记住」之前的电流量，因此被称为忆阻器。忆阻器有什么用？在发现的当时...没有。蔡教授之所以提出忆阻器，只是因为在数学模型上它应该是存在的。为了证明可行性，他用一堆电阻、电容、电感和放大器做出了一个模拟忆阻器效果的电路，但当时并没有找到什么材料本身就有明显的忆阻器的效果，而且更重要的，也没有人在找 -- 那是个连集成电路都还刚起步不久的阶段，离家用电脑开始普及都还有至少 15 年的时间呢！于是这时候 HP 就登场了。事实上 HP 也没有在找忆阻器，当时是一个由 HP 的 Phillip J Kuekes 领军的团队，正在进行的一种称为Crossbar Latch 的技术的研究。Crossbar Latch 的原理是由一排横向和一排纵向的电线组成的网格，在每一个交叉点上，要放一个「开关」连结一条横向和纵向的电线。如果能让这两条电线控制这个开关的状态的话，

忆阻器

忆阻器(Memristor) 忆阻器被证实存在按照我们目前的知识，基本的无源电子元件只有3大类，即电阻器、电容器和电感器。而事实上，无源电路中有4大基本变量，即电流、电压、电荷和磁通量。早在1971年加州大学伯克利分校的蔡少棠(Leon Chua)教授就提出一种预测：应该有第四个元件的存在。他在其论文《忆阻器：下落不明的电路元件》提出了一类新型无源元件—记忆电阻器(简称忆阻器)的原始理论架构，推测电路有天然的记忆能力。忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。 2008年，美国惠普实验室下属的信息和量子系统实验室的研究人员在英国《自然》杂志上发表论文宣称，他们已经证实了电路世界中的第四种基本元件———忆阻器(Memristor)的存在，并成功设计出一个能工作的忆阻器实物模型。在该系统中，固态电子和离子运输在一个外加偏置电压下是耦合在一起的。这一发现可帮助解释过去50年来在电子装置中所观察到的明显异常的回滞电流—电压行为的很多例子。忆阻器器件的最有趣的特征是它可以记忆流经它的电荷数量。其电阻取决于多少电荷经过了这个器件，即让电荷以一个方向流过，电阻会增加；如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。简单地说，这种器件在任一时刻的电阻是时间的函数———多少电荷向前或向后经

目前已经可以通过一些技术途径实现忆阻器，但制约这类新硬件发展的主要问题是电路中的设计。目前还没有忆阻器的设计模型使其用于电路当中。有人预测，这种产品5年后才可能投入商业应用。忆阻器将有可能用来制造非易失性存储设备、即开型PC（个人电脑）、更高能效的计算机和类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机等，甚至可能会通过大大提高晶体管所能达到的功能密度，这将对电子科学的发展历程产生重大影响。忆阻器基础电子学教科书列出三个基本的被动电路元件：电阻器、电容器和电感器；电路的四大基本变量则是电流、电压、电荷和磁通量。任教于加州大学伯克利分校的蔡少棠（Leon Chua），37年前就预测有第四个元件的存在，即忆阻器（memristor）。简单说，忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，则这种电阻就可以实现存储数据的功能。实际上就是一个有记忆功能的非线性电阻器

压阻式压力传感器

第二节压阻式传感器固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。 1.基本工作原理根据式（2－3）式中，项，对金属材料，其值很小，可以忽略不计，对半导体材料，项很大，半导体电阻率的变化为 (2－22) 式中为沿某晶向的压阻系数，σ为应力，为半导体材料的弹性模量。如半导体硅材料，, ，则，此例表明，半导体材料的灵敏系数比金属应变片灵敏系数(1＋2μ)大很多。可近似认为。半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。其压阻效应是因在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。由于半导体（如单晶硅）是各向异性材料，因此它的压阻系数不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。所谓晶向，就是晶面的法线方向。晶向的表示方法有两种，一种是截距法，另一种是法线法。

1．截距法设单晶硅的晶轴坐标系为x、y、z，如图2－29所示，某一晶面在轴上的截距分别为r、s、t (2－23) 1/r、1/s、1/t为截距倒数，用r、s、t的最小公倍数分别相乘，获得三个没有公约数的整数a、b、c，这三个数称为密勒指数，用以表示晶向，记作〈a b c〉，某数（如a）为负数则记作〈 b c〉。例如图2－30(a)，截距为－2、－ 2、4，截距倒数为－、－、，密勒指数为〈1〉。图2－30(b)截距为 1、1、1，截距倒数仍为1、1、1，密勒指数为〈1 1 1〉。图2－30(c)中ABCD 面，截距分别为1、∞、∞，截距倒数为1、0、0，所以密勒指数为〈1 0 0〉。 2．法线法如图2－29所示，通过坐标原点O，作平面的法线OP，与x、y、z轴的夹角分别为α、β、γ。 (2－24)

忆阻器作业

忆阻器为基础的非易失性随机存取内存：混合架构的低功耗紧凑的存储器设计摘要在本文中，一种通过基于忆阻器的非易失性静态随机存取存储器（SRAM）单元采用忆阻器和金属氧化物半导体器件的组合的设计的新方法被提出。忆阻器与台湾半导体制造公司的180纳米的MOSFET 技术被用于构成一个单细胞。此单元的预测的区域显著地少，并且平均读写功率比相同的互补金属氧化物半导体技术的一个常规的6-T的SRAM单元少25倍。读时间比6-T的SRAM单元少得多。然而，写入时间是有一点高，但是可以通过增大忆阻器的流动性得到改善。非易失性特性细胞使得非易失性随机存取存储器设计有吸引力。关键词：CMOS，记忆元件，忆阻器，SPICE model，非易失性随机访问存储器引言 1971年蔡少堂[1]假设四分之一无源二端电路称为忆阻器元件（另外三个存在的元器件即电阻器，电容器，还有一个是电感）。在2008年，研究人员在惠普（HP）实验室报告说，忆阻器是采用物理双端钛- 二氧化钛（TiO2）纳米器件[2]。惠普实验室所描述的首次实验demo 证明了物理忆阻器的存在，终于验证了蔡少堂的理论，在电子和企业界引起了巨大的轰动[3]。基本上，忆阻器是一个有记忆的电阻，当有电压通过它的时候，它的阻值能够一直保持到那个值，直到电压移除或者改变。忆阻器与它们主要的不同是，其他三个传统的元器件都是线性的，而忆阻器是非线性的。惠普忆阻器利用了二氧化钛纳米级材料的薄膜性质。忆阻器的其他物理的实施方案也是可能的，最近一直提出的那个耦合流和自旋传输在纳米级尺寸，可用于实现忆阻器忆阻[4]，[5]。在许多文献中模拟电路和忆阻器的结合已经出现很多。Witrisal认为忆阻器在超宽带接收器，以减少信号的处理功率[6]。忆阻器也可用作可编程电阻负载运用在差分放大器[7]。Varghese 和Gandi使用忆阻器作为一个互补金属氧化物半导体（CMOS）的差分对和一个源极退化元件[8]。参考文献[9]可见各种基于模拟忆阻器内存包括运算放大器基于可变增益放大器（VGA）的可编程模拟功能块。脉冲编程手段在忆阻器用于模拟记忆的微分放大器中的应用被考虑在[10]. 由于忆阻器的可行性，它被众多的科学家们所研究，特别是作为未来的一种强有力的候选预备材料[11]，非易失性的属性和在交叉开关中高的堆积密度，特别能让研究者们兴奋，我们所提出的电路的的主要特点是他的非易失性，数据能够被存储在内存中特别是当在非特定的时间电源被关掉，另一个应用前景是相比传统的6T-SRAM，电路的尺寸能够被大幅度的消减由于只有三个晶体管所提出的电路的每个单元中使用时，其面积可以比常规的SRAM单元少得多。在建议的结构所消耗的功率是显着地低于常规的SRAM结构。所有这些功能都在本文中进一步讨论以后。本文通过引入忆阻器及其特性开始起飞。之后，一些相关工作进行了讨论。然后，它直接进入到提出的电路，其工作原理及其功能的结构，那么它讨论的角度，得出了一些比较，应受它与电路的可能的未来前景总结。

基于忆阻器的非线性电路系统建模与软件仿真

中国计量学院本科毕业设计（论文）基于忆阻器的非线性电路系统建模与软件仿真 The modeling and simulation software of nonlinear circuit system base on memristor 学生姓名邢聪聪学号 0900102204学生专业自动化班级 09自动化2班二级学院机电工程学院指导教师高坚副教授中国计量学院 2013年6月

诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文是本人在指导教师指导下独立完成的。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的材料，也不包含为获得中国计量学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。若经查实有抄袭行为，本人承担相应的责任，包括取消毕业设计成绩、直接取消毕业资格和学位授予资格的全部责任。学生签名：日期：

分类号：TP214 密级：公开UDC：62 学校代码：10356 中国计量学院本科毕业设计（论文）基于忆阻器的非线性电路系统建模与软件仿真 The modeling and simulation software of nonlinear circuit system base on memristor 作者邢聪聪学号0900102204 申请学位工学学士指导教师高坚副教授学科专业自动化培养单位中国计量学院答辩委员会主席卫东评阅人那文波 2013年6月

致谢通过这段时间的工作学习，这次毕业设计的任务快要完成了。本次毕业设计应该说是针对我在大学期间所学的知识的一种综合与实践考核。对于一个本科生的毕业设计肯定难免会有许多考虑不全的方面，如果没有导师的精心指导和同学们的帮助，独自去完成这个毕业设计是不大可能的。在这里我首先要感谢的是高坚老师。高老师平日里虽然很忙，但在每个设计阶段里都对我进行了仔细的指导。他科学研究的精神很值得我学习，也会对我今后的学习和工作产生非常积极的促进作用。我还要感谢帮助过我的同学和各位老师。正是你们给予我的帮助使我才能顺利地完成此次设计任务。最后，我还要感谢生我养我的父母，正是因为得到了你们给予我的鼓励和生活上的帮助，我才会有今日的收获。

忆阻器应用

突触的本质是一个两端器件，与忆阻器有惊人的相似之处，忆阻器的电导可以通过控制流过它的电荷和电流来改变。Jo等人描述了突触功能在纳米硅基忆阻器中的实现，特别是，他们证实了激励时间依赖的可塑性（STDP，一个重要的突触修饰竞争学习规则），可以在包含CMOS神经元和忆阻器突触的突触/神经元混合电路中实现。 Pershin等人利用忆阻器神经元模型的概念进行进一步的研究，其中忆阻器被用来模拟变形虫的学习行为。Pershin等人使变形虫经受温度的变化，发现变形虫会降低其在温度降低过程中的运动。接着，他们应用一个周期性的温度变化，其特征在于先将温度降低，然后返回正常状态。可以观察到，变形虫会学习温度变化时的频率，并且温度变化一旦停止，变形虫会在预期的降低温度下继续减缓其移动。一个简单的忆阻器电路可以用来建立变形虫学习行为的模型。在这种情况下，改变电压用来模拟温度的变化。有趣的是，实验表明如果温度变化不是周期性的，而是以某种方式被中断，变形虫（以基于忆阻器电路模型的变形虫）在刺激一旦停止的情况下不会预期到这种变化。研究人员采用忆阻器“仿真器”建立了一个神经网络。仿真器包含数字电位器、模拟/数字(A/D)转换器和一个可编程的微控制器，以提供忆阻器的I-V特性。神经网络被用来描述联想学习，它包含三个神经元，每一个都可用来作为食物的视景、声音和流涎。这样设计，是为了刺激视觉神经元能够导致流涎神经元的激发。最初，刺激声觉神经元没有导致唾液分泌。本研究的目的是培养基于忆阻器电路，以便声音可以与食物的视觉联系并因此触发流涎神经元。这个结果表明这确实是可能的，很像Pavlov的狗，在电路调试之后，当声觉神经被刺激时，流涎神经元也被激发，从而证明了采用一个非常简单的忆阻器为基础的电路的联想学习功能。 3.电路器件设计忆阻器以其独特的记忆性能和电路特性，在电路器件设计方面给人们提供了新的思路。如依赖其记忆性能的高密度非易失性存储器，基于忆阻器电学性能的参考接收机、调幅器。由于具有电阻转换功能，忆阻器也可能被用来制作多路信号分离器和复用器]。网状结构的忆阻器与互补金属氧化物（CMOS)的复合集成电路，即使在高缺陷度的情况下仍能够实现可重构逻辑功能，这将促成新型的晶体管-忆阻器复合电路结构的实现。此外，忆阻器也可用于组成具自降级、对内部变化自愈、高容错率等功能的适应性可重现网络。 3.4生物记忆行为仿真对生物记忆行为的电路仿真，是忆阻器另一个极具吸引力的用途。忆阻器参与组成的电路己被Pershin等用于对多头绒泡菌对环境刺激学习行为的电路仿真，他们成功地用电路对外加激励的电学响应模仿了生物对外界环境刺激的响应行为。因为具有与神经系统中神经键行为类似，忆阻器可以用于对大脑部分功能的模仿，由它和晶体管、纳米线等组成的系统将在桥梁道路的实时监控系统得到应用。可以相信，此类结构在对生物记忆、学习行为的电路仿真中将发挥更加重要的作用。

压阻式压力传感器的应用领域

压阻式压力传感器的应用领域压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。 70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器。这种新型传感器的优点是:频率响应高,适于动态测量;体积小，适于微型化；精度高，可达0.1～0.01％；灵敏高,比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。其缺点是温度影响较大、工艺较复杂和造价高等。压力传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片N型定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。压力传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。在航天和航空工业中压力是一个关键参数,对静态和动态压力,局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05％的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。

压阻式压力传感器测量压力特性实验

压阻式压力传感器测量压力特性实验一、实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和标定方法。二、基本原理：扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出P型或N 型电阻条）组成电桥。在压力（压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。图为压阻式压力传感器压力测量实验原理图。压阻式压力传感器压力测量实验原理三、需用器件与单元：主机箱中的气压表、气源接口、电压表、直流稳压电源±15V、±2V～±10V（步进可调）；压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。四、实验步骤： 1、按示意图安装传感器、连接引压管和电路：将压力传感器安装在压力传感器实验模板的传感器支架上；引压胶管一端插入主机箱面板上的气源的快速接口中（注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压，则可轻松拉出），另一端口与压力传感器相连；压力传感器引线为4芯线(专用引线)，压力传感器的 1端接地，2端为输出Vo＋，3端接电源＋4V，4端为输出Vo－。具体接线见下图。

压阻式压力传感器测压实验安装、接线示意图 2、将主机箱中电压表量程切换开关切到2V档；可调电源±2V～±10V调节到±4V档。实验模板上R W1用于调节放大器增益、R W2用于调零，将R W1调节到的1／3位置(即逆时针旋到底再顺时针旋3圈)。合上主机箱电源开关，仔细调节R W2使主机箱电压表显示为零。 3、合上主机箱上的气源开关，启动压缩泵，逆时针旋转转子流量计下端调压阀的旋钮，此时可看到流量计中的滚珠在向上浮起悬于玻璃管中，同时观察气压表和电压表的变化。 4、调节流量计旋钮，使气压表显示某一值，观察电压表显示的数值。 5、仔细地逐步调节流量计旋钮，使压力在2kPa～18kPa之间变化（气压表显示值），每上升1kPa气压分别读取电压表读数，将数值列于表8。压阻式压力传感器测压实验数据 P(kPa) V o(p-p) 6、画出实验曲线计算本系统的灵敏度和非线性误差。 7、如果本实验装置要成为一个压力计，则必须对电路进行标定，方法采用逼近法：输入4kPa气压，调节R w2（低限调节），使电压表显示0.3V(有意偏小)，当输入16kPa气压，调节Rw1（高限调节）使电压表显示1.3V(有意偏小)；再调气压为4kPa，调节Rw2（低限调节），使电压表显示0.35V(有意偏小)，调气压为16kPa，调节R w1（高限调节）使电压表显示1.4V(有意偏小)；这个过程反复调节直到逼近自己的要求(4kpa对应0.4V，16kpa对应 1.6V)即可。实验完毕，关闭电源。

压阻式压力传感器原理及其应用

压阻式压力传感器原理及其应用公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-

压阻式压力传感器利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制）。压阻效应当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化，而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。压阻式压力传感器的结构这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。