迈向基于离子的大规模集成电路：离子电子元件的电路级设计、仿真和集成
离子电子学将离子作为电荷载体与类电子操作相结合，实现了独特的信息处理、化学调节和增强的生物可整合性。标准仿真工具在有效模拟集成离子电子元件的行为方面遇到了困难，这突显了对专门设计和仿真方法的需求。介绍了一种离子电子集成电路的设计方法，其灵感来自成熟的电子设计方法，并通过开发离子电子双极二极管的紧凑模型而成为可能。基于二极管的物理特性和观察到的行为，该模型提供了一个概念框架，可以应用于其他离子电子元件。它使用标准的VLSI（超大规模集成电路）电子设计工具实现，能够进行演示基于二极管的离子电子电路行为的模拟，并为集成电子和离子电子电路的混合系统的设计和模拟奠定基础。所提出的离子电子电路仿真方法能够探索元件均匀性如何影响电路行为，以及二极管参数的影响，并从电路角度更深入地了解二极管特性。这些见解有望有助于开发更复杂、更高效的离子电子电路，使我们更接近该领域的实际和突破性应用。
图1 （a）集成电路设计过程中的抽象层次。图的底部显示了电子设计中的传统抽象级别，从器件级、电路设计、逻辑设计和系统级设计开始。顶部部分建议如何将类似的抽象级别应用于离子电子系统。A和B是输入，Y和Q是输出，Vdd和Vss分别是正和负电源电压。本文重点介绍这一过程中的基础步骤，即创建一个紧凑的模型来实现离子电子电路设计。（b）电子设备的紧凑建模方法。电子MOSFET晶体管紧凑模型方法如图所示（转载自），将简单模型与众多实际器件模型相结合，以确保高精度。以离子电子二极管为例，提出了一种类似的方法。（c）离子电子二极管的基本结构，其中二极管由界面阳离子交换（pAMPSA）和阴离子交换（pDADMAC）聚电解质组成，通过微通道连接到电极。
图2 （a）基于SPICE模型的电子PN二极管紧凑型模型，该模型是所提出的离子电子二极管模型的灵感来源。（b）提出的离子电子二极管紧凑型模型。（c）用于分析电化学阻抗谱（EIS）测量值的等效电路。（d）离子电子二极管的电流-电压（IV）特性，由准稳态电压扫描（黑线）确定。红色实心方块表示500秒后恒定施加电压下电流测量的稳态响应。（e）从IV曲线中提取的二极管在稳态条件下的总电阻（
），作为施加电压（
）的函数。（f）EIS等效电路元件值随施加直流电压（
）的变化。
图3 （a）阶跃响应测量和模拟：对于输入电压的4个不同转变
=（0，-1，1），离子电子二极管电流随时间的变化行为。红线表示实验结果，蓝线表示使用Matlab和Spectre两种不同工具的模拟结果。（b）9个制造二极管的图像：可以看到聚电解质结区域（标记为红色）物理参数的变化。溶液中的微通道标记为蓝色（c）IV变化：9个二极管的电特性中观察到的变化。这些差异是由芯片制造过程中的变化引起的。
和
分别是施加等于-1V和1V的
时测量的二极管电流。在右边，可以看到
和
的分布。（d）蒙特卡罗离子电子电路模拟的基本概念：对于电路中的每个二极管，根据指定的统计分布生成Rp+的随机值。该图还显示了在单个MC运行中为构成OR门的3个不同二极管选择的任意Rp+值的示例。（e）由3个离子电子二极管（标记为红色）和相互连接的微通道（标记为蓝色）组成的离子电子手术室门的图像。
图4：（a）逻辑门模拟和测量：使用离子电子紧凑模型对and和OR门进行测量和5点蒙特卡罗模拟。（b）级联或门：五个级联或门的200点蒙特卡洛模拟，其中每个模拟点由于统计变化而产生不同的电路输出。链中每个栅极的最终输出电压被总结为分布。上图显示了链中第一个门的分布，下图显示了最后一个门。测量结果表示为叠加在这些分布上的虚线，允许在测量数据和模拟数据之间进行直接比较。（c）具有5个集成OR门的制造离子电子芯片的图像（d）逻辑链长度与整流比：分析最大操作逻辑链长度随整流比的变化。x轴表示整流比，即反向稳态电阻与正向稳态电阻之间的比率，y轴显示了识别的最长操作逻辑链。蓝线表示在制造的芯片上测量的标准偏差，而橙线表示变化减少的情况；这里，
和
的标准偏差小10倍（std/10）。
图5：（a）3-to-8解码器：将3位二进制输入（a、B、C）从八个可能的输出（D0-7）转换为单个活动输出的3-to-8译码器示意图。离子电子解码器设计有2输入双轨AND门，总共包括24个离子电子逻辑门。
（b） Iotronic解码器模拟：显示高低裕度的波形；即选定输出（高）和非选定输出（低）之间的电压差。该裕度表示解码器在区分活动和非活动输出方面的性能。
（c） 质量指标：离子电子解码器的各种性能指标图：（从左到右）操作期间的平均功耗（包括切换和静态时段）、输入变化后输出信号的稳定时间以及高低裕度。
所有这些都是在不同的解码器参数下进行评估的。（d） 二极管桥电路：连接到电阻器的二极管桥的电路图，该电阻器将交流输入转换为脉动直流输出。通过添加电容器，这种脉动直流电可以平滑为直流电。（e） 基于（d）在0.1Hz（蓝线）的振荡输入电压下改变
值（橙线和绿线）的离子电子二极管电桥模拟（f）频率响应：显示离子电子二极管的最大工作频率与
倍增因子的函数关系的图，其中
=倍增因子×
。
