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大腦神經(jīng)探針?我看用MOM壓力傳感器蠻合適

發(fā)布時間:2018-05-09 來源:Steve Taranovich 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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。
 
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(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(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(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(jī)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(jìn)行演示(圖1)。
 
大腦神經(jīng)探針?我看用MOM壓力傳感器蠻合適
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(qiáng)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)。
 
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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(qiáng)度噪聲和波長漂移是兩種重要噪聲。強(qiáng)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(jìn)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(jìn)行靈敏測量(圖3)。
 
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圖3:改進(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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)。
 
大腦神經(jīng)探針?我看用MOM壓力傳感器蠻合適
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(jìn)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(jìn)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(jìn)行解復(fù)用。接下來,8個單獨的Vo中的每一個都進(jìn)入自己的信道模塊,它們對信號進(jìn)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(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。
 
大腦神經(jīng)探針?我看用MOM壓力傳感器蠻合適
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)。
 
大腦神經(jīng)探針?我看用MOM壓力傳感器蠻合適
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(xì)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(jī)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(jìn)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(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。
 
本文轉(zhuǎn)載自EDN電子技術(shù)設(shè)計。
 
 
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