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一文了解微型光機(jī)械(MOM)壓力傳感器

發(fā)布時(shí)間:2018-05-10 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】人類的大腦通過(guò)其神經(jīng)元活動(dòng)來(lái)協(xié)調(diào)我們的感知、想法和行動(dòng)。神經(jīng)科學(xué)家正努力通過(guò)采用能夠在行為期間以單神經(jīng)元和單峰分辨率分離、識(shí)別和操縱神經(jīng)元的方法來(lái)理解大腦的功能。
 
神經(jīng)探針不僅在細(xì)胞外記錄、腦機(jī)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(jī)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(guò)柔性電纜實(shí)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(dòng)電極柄實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元運(yùn)動(dòng)跟蹤。
 
為了能夠在大腦的多個(gè)區(qū)域內(nèi)大規(guī)模記錄單個(gè)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(gè)很大的“柄”,它是探針的一部分,會(huì)植入到大腦區(qū)域。這個(gè)“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(dá)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(jì)架構(gòu)也不是最佳。探針設(shè)計(jì)由大量小型有源電極組成,用于放大和緩沖神經(jīng)信號(hào)。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(hào)處理被迫在探針的底座完成。想象一下這種非理想信號(hào)路由中的噪聲問(wèn)題,理想情況下希望信號(hào)處理緊挨著PA進(jìn)行。
 
微型光機(jī)械(MOM)壓力傳感器
 
我們從壓力傳感器設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)集成傳感器,即微型光機(jī)械(MOM)壓力傳感器。與壓電和電容傳感器設(shè)計(jì)相比,這種器件可帶來(lái)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(jìn)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(gè)MMI分離器、2個(gè)波導(dǎo)臂和1個(gè)MMI組合器構(gòu)成。該設(shè)計(jì)將其中一個(gè)MZI臂置于柔性膜上(圖2)以承受差壓;另一個(gè)MZI臂用作固定參考。在設(shè)計(jì)中確定螺旋中的環(huán)路數(shù)量時(shí)要做出權(quán)衡:增加環(huán)路數(shù)量會(huì)提高靈敏度,但卻會(huì)降低壓力范圍;反之亦然。
 
在功能上,從MZI發(fā)出的光強(qiáng)取決于兩個(gè)臂之間的相位差及其所承受的差壓。由于其中一個(gè)臂比另一個(gè)長(zhǎng)得多,MZI是“不平衡的”。
 
在制造該器件的過(guò)程中,創(chuàng)制了一個(gè)傳感膜。當(dāng)膜彎曲時(shí),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(gè)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(gè)重要參數(shù),它極大地影響了激光的靈敏度。平衡MZI的實(shí)現(xiàn)會(huì)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(huì)產(chǎn)生噪聲。強(qiáng)度噪聲和波長(zhǎng)漂移是兩種重要噪聲。強(qiáng)度噪聲可以通過(guò)添加一個(gè)電源分接頭來(lái)校正,該抽頭會(huì)直接將信號(hào)中的噪聲減掉。波長(zhǎng)漂移可以通過(guò)在電路輸入端添加濾波器(如環(huán)形諧振器)來(lái)減少。
 
修改后的設(shè)計(jì)
 
改進(jìn)后的MOM壓力傳感器設(shè)計(jì),MZI是平衡的;第一個(gè)是大范圍測(cè)量用單回路,第二個(gè)將敏感螺旋臂中的信號(hào)分成兩路去相位輸出,這樣就能始終對(duì)每一壓力進(jìn)行靈敏測(cè)量(圖3)。
 
圖3:改進(jìn)的MOM壓力傳感器。
 
神經(jīng)探針
 
一個(gè)好的有源神經(jīng)探針會(huì)盡可能靠近源/電極來(lái)緩沖/放大輸入信號(hào),從而增強(qiáng)信號(hào),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(zhǎng)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(hào)幅度(可能低至幾十微伏)更低。通常,降低噪聲的簡(jiǎn)單方法是為PA晶體管提供更多電流,這也將帶來(lái)更高帶寬。
 
神經(jīng)探針的信號(hào)帶寬約為7.5kHz,可以采用15kHz對(duì)PA輸出采樣。設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)可以將時(shí)分復(fù)用技術(shù)嵌入柄中(圖4a)。這樣做可以使每個(gè)獨(dú)特的柄線上有M個(gè)PA輸出。如果沒(méi)有加抗混疊濾波器進(jìn)行限制,則PA帶寬會(huì)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(gè)小PA區(qū)域是不可能的。設(shè)計(jì)人員選擇使用能夠在Ti時(shí)間段對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分的架構(gòu)(圖4b)來(lái)衰減超出采樣頻率fi的信號(hào),從而提高信噪比(SNR)。
 
圖4:(a)顯示了在沒(méi)有濾波器的情況下,電路多路復(fù)用時(shí)發(fā)生的情況;(b)顯示通過(guò)積分對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,降低了帶外噪聲電平。
 
探針架構(gòu)設(shè)計(jì)(圖5)中的信號(hào)流,通過(guò)一條共享柄線從8個(gè)多路復(fù)用PA陣列的輸出流向底座。然后,該信號(hào)進(jìn)入探針底座中的積分器,積分器的輸出通過(guò)8個(gè)標(biāo)記為Vo的采樣保持電路進(jìn)行解復(fù)用。接下來(lái),8個(gè)單獨(dú)的Vo中的每一個(gè)都進(jìn)入自己的信道模塊,它們對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波,使得輸出僅有感興趣的頻帶。接下來(lái),所有20個(gè)通道經(jīng)過(guò)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(jìn)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(shí)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(jì)和信號(hào)流具有從輸入到輸出的偽差分信號(hào)路徑。
 
像素放大器(PA)
 
設(shè)計(jì)人員將其PA架構(gòu)設(shè)計(jì)成兩個(gè)區(qū)域很有創(chuàng)意。PA本質(zhì)上是個(gè)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(guò)采樣并移動(dòng)到解復(fù)用器上。
 
最終,與現(xiàn)有頂尖水準(zhǔn)的探針相比,這種設(shè)計(jì)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的同時(shí)記錄信道數(shù)量至少增加了2倍。
 
我充分預(yù)計(jì),未來(lái)該電子領(lǐng)域的架構(gòu)進(jìn)步將會(huì)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(jìn)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。
 
 

 
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