人類的大腦通過其神經(jīng)元活動來協(xié)調(diào)我們的感知、想法和行動。神經(jīng)科學(xué)家正努力通過采用能夠在行為期間以單神經(jīng)元和單峰分辨率分離、識別和操縱神經(jīng)元的方法來理解大腦的功能。神經(jīng)探針不僅在細胞外記錄、腦機接口（BMI）和深部腦刺激（DBS）方面取得了成功，而且在腦電圖、神經(jīng)元功能恢復(fù)和腦部疾病研究等一些新的應(yīng)用中也成績斐然。理想情況下，神經(jīng)探針陣列應(yīng)具有良好的生物相容性、具有高信噪比的高密度電極、通過柔性電纜實現(xiàn)的互連功能、高度集成的電子架構(gòu)，以及集成型微執(zhí)行器，從而驅(qū)動電極柄實現(xiàn)神經(jīng)元運動跟蹤。

 

為了能夠在大腦的多個區(qū)域內(nèi)大規(guī)模記錄單個神經(jīng)元，神經(jīng)探針需要高密度、大數(shù)量的電極。遺憾的是，最新的高密度CMOS神經(jīng)探針有一個很大的“柄”，它是探針的一部分，會植入到大腦區(qū)域。這個“柄”部分需要做到盡可能薄，以避免干擾或損害正常的大腦功能，眼下，它們還達不到神經(jīng)科學(xué)家希望的那么小。另外，目前的電子設(shè)計架構(gòu)也不是最佳。探針設(shè)計由大量小型有源電極組成，用于放大和緩沖神經(jīng)信號。CMOS像素放大器（PA）位于電極下方極小的空間內(nèi)，由于空間不足，信號處理被迫在探針的底座完成。想象一下這種非理想信號路由中的噪聲問題，理想情況下希望信號處理緊挨著PA進行。

 

微型光機械（MOM）壓力傳感器

 

我們從壓力傳感器設(shè)計開始。MEMS壓力傳感器有電容式和壓電式，它們體積小，性能相當(dāng)好。再就是光纖傳感器，它們具有超敏感性和低噪聲特性，但在集成度較低的設(shè)計架構(gòu)中使用最佳。

 

現(xiàn)在，我們將上述兩種傳感器特性合并為一個集成傳感器，即微型光機械（MOM）壓力傳感器。與壓電和電容傳感器設(shè)計相比，這種器件可帶來更高的靈敏度和更好的噪聲特性，但封裝尺寸卻相同。

 

MOM器件采用馬赫-曾德耳干涉儀（MZI）系統(tǒng)或環(huán)形諧振器進行演示（圖1）。

 

圖1：帶有光柵耦合器、多模干涉儀（MMI）分離器和螺旋波導(dǎo)臂的不平衡馬赫-曾德耳干涉儀布局。

 

如圖1所示，典型的MZI MOM壓力傳感器由1個MMI分離器、2個波導(dǎo)臂和1個MMI組合器構(gòu)成。該設(shè)計將其中一個MZI臂置于柔性膜上（圖2）以承受差壓；另一個MZI臂用作固定參考。在設(shè)計中確定螺旋中的環(huán)路數(shù)量時要做出權(quán)衡：增加環(huán)路數(shù)量會提高靈敏度，但卻會降低壓力范圍；反之亦然。

 

在功能上，從MZI發(fā)出的光強取決于兩個臂之間的相位差及其所承受的差壓。由于其中一個臂比另一個長得多，MZI是“不平衡的”。

 

在制造該器件的過程中，創(chuàng)制了一個傳感膜。當(dāng)膜彎曲時，波導(dǎo)的位置發(fā)生變化，從而引起光路延伸，導(dǎo)致該特定臂發(fā)生相移（圖2）。

 

圖2：在這個微型光學(xué)壓力傳感器橫截面中，下半部分顯示了壓力下的彎曲。

 

激光

 

光譜帶寬是個重要參數(shù)，它極大地影響了激光的靈敏度。平衡MZI的實現(xiàn)會考慮這種影響。

 

由于量子噪聲和激光腔體的變化，激光輸出會產(chǎn)生噪聲。強度噪聲和波長漂移是兩種重要噪聲。強度噪聲可以通過添加一個電源分接頭來校正，該抽頭會直接將信號中的噪聲減掉。波長漂移可以通過在電路輸入端添加濾波器（如環(huán)形諧振器）來減少。

 

修改后的設(shè)計

 

改進后的MOM壓力傳感器設(shè)計，MZI是平衡的；第一個是大范圍測量用單回路，第二個將敏感螺旋臂中的信號分成兩路去相位輸出，這樣就能始終對每一壓力進行靈敏測量（圖3）。

 

圖3：改進的MOM壓力傳感器。

 

神經(jīng)探針

 

一個好的有源神經(jīng)探針會盡可能靠近源/電極來緩沖/放大輸入信號，從而增強信號，獲取最佳記錄質(zhì)量。這種方法可減少源阻抗，并最小化附近長柄線耦合效應(yīng)引起的串?dāng)_。

 

PA的面積受到電極大小的限制。其功率受限于可接受的組織加熱限制。噪聲需要比最小信號幅度（可能低至幾十微伏）更低。通常，降低噪聲的簡單方法是為PA晶體管提供更多電流，這也將帶來更高帶寬。

 

神經(jīng)探針的信號帶寬約為7.5kHz，可以采用15kHz對PA輸出采樣。設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)可以將時分復(fù)用技術(shù)嵌入柄中（圖4a）。這樣做可以使每個獨特的柄線上有M個PA輸出。如果沒有加抗混疊濾波器進行限制，則PA帶寬會由于折疊而產(chǎn)生帶內(nèi)噪聲。在采樣發(fā)生之前，將低通濾波器裝入這個小PA區(qū)域是不可能的。設(shè)計人員選擇使用能夠在Ti時間段對信號進行積分的架構(gòu)（圖4b）來衰減超出采樣頻率fi的信號，從而提高信噪比（SNR）。

 

圖4：（a）顯示了在沒有濾波器的情況下，電路多路復(fù)用時發(fā)生的情況；（b）顯示通過積分對信號進行濾波，降低了帶外噪聲電平。

 

探針架構(gòu)設(shè)計（圖5）中的信號流，通過一條共享柄線從8個多路復(fù)用PA陣列的輸出流向底座。然后，該信號進入探針底座中的積分器，積分器的輸出通過8個標(biāo)記為Vo的采樣保持電路進行解復(fù)用。接下來，8個單獨的Vo中的每一個都進入自己的信道模塊，它們對信號進行放大和濾波，使得輸出僅有感興趣的頻帶。接下來，所有20個通道經(jīng)過多路復(fù)用并由10位逐次逼近寄存器式（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進行數(shù)字化，并發(fā)送至為ADC和多路復(fù)用/多路解復(fù)用器（MUX/DEMUX）提供時鐘的數(shù)字控制模塊。在此，所有ADC的并行輸出經(jīng)串行化后僅有6條數(shù)據(jù)線。

 

圖5：探針架構(gòu)設(shè)計和信號流具有從輸入到輸出的偽差分信號路徑。

 

像素放大器（PA）

 

設(shè)計人員將其PA架構(gòu)設(shè)計成兩個區(qū)域很有創(chuàng)意。PA本質(zhì)上是個電壓電流轉(zhuǎn)換器（圖6）。

 

圖6：像素放大器架構(gòu)。

 

圖6顯示電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流由電容器Ci積分2.5μs，然后經(jīng)過采樣并移動到解復(fù)用器上。信號鏈的更多細節(jié)可參見《Double MZI Micro-Opto-Mechanical Pressure Sensors for increased sensitivity and pressure range（用于提高靈敏度和壓力范圍的雙MZI微型光機械壓力傳感器）》一文。

 

最終，與現(xiàn)有頂尖水準(zhǔn)的探針相比，這種設(shè)計架構(gòu)實現(xiàn)的同時記錄信道數(shù)量至少增加了2倍。

 

我充分預(yù)計，未來該電子領(lǐng)域的架構(gòu)進步將會層出不窮。醫(yī)療電子將極大地受益于MEMS和傳感器以及其他架構(gòu)進步，加之半導(dǎo)體創(chuàng)新，將幫助改善患者及健康和健身人群的生活。讓我們用工程技術(shù)令世界變得更美好，人們更健康。

 

本文轉(zhuǎn)載自EDN電子技術(shù)設(shè)計。

 

 

推薦閱讀：