人类的大脑通过其神经元活动来协调我们的感知、想法和行动。神经科学家正努力通过采用能够在行为期间以单神经元和单峰分辨率分离、识别和操纵神经元的方法来理解大脑的功能。神经探针不仅在细胞外记录、脑机接口(BMI)和深部脑刺激(DBS)方面取得了成功,而且在脑电图、神经元功能恢复和脑部疾病研究等一些新的应用中也成绩斐然。理想情况下,神经探针阵列应具有良好的生物相容性、具有高信噪比的高密度电极、通过柔性电缆实现的互连功能、高度集成的电子架构,以及集成型微执行器,从而驱动电极柄实现神经元运动跟踪。

为了能够在大脑的多个区域内大规模记录单个神经元,神经探针需要高密度、大数量的电极。遗憾的是,最新的高密度CMOS神经探针有一个很大的“柄”,它是探针的一部分,会植入到大脑区域。这个“柄”部分需要做到尽可能薄,以避免干扰或损害正常的大脑功能,眼下,它们还达不到神经科学家希望的那么小。另外,目前的电子设计架构也不是最佳。探针设计由大量小型有源电极组成,用于放大和缓冲神经信号。CMOS像素放大器(PA)位于电极下方极小的空间内,由于空间不足,信号处理被迫在探针的底座完成。想象一下这种非理想信号路由中的噪声问题,理想情况下希望信号处理紧挨着PA进行。

微型光机械(MOM)压力传感器

我们从压力传感器设计开始。MEMS压力传感器有电容式和压电式,它们体积小,性能相当好。再就是光纤传感器,它们具有超敏感性和低噪声特性,但在集成度较低的设计架构中使用最佳。

现在,我们将上述两种传感器特性合并为一个集成传感器,即微型光机械(MOM)压力传感器。与压电和电容传感器设计相比,这种器件可带来更高的灵敏度和更好的噪声特性,但封装尺寸却相同。

MOM器件采用马赫-曾德耳干涉仪(MZI)系统或环形谐振器进行演示(图1)。

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图1:带有光栅耦合器、多模干涉仪(MMI)分离器和螺旋波导臂的不平衡马赫-曾德耳干涉仪布局。

如图1所示,典型的MZI MOM压力传感器由1个MMI分离器、2个波导臂和1个MMI组合器构成。该设计将其中一个MZI臂置于柔性膜上(图2)以承受差压;另一个MZI臂用作固定参考。在设计中确定螺旋中的环路数量时要做出权衡:增加环路数量会提高灵敏度,但却会降低压力范围;反之亦然。

在功能上,从MZI发出的光强取决于两个臂之间的相位差及其所承受的差压。由于其中一个臂比另一个长得多,MZI是“不平衡的”。

在制造该器件的过程中,创制了一个传感膜。当膜弯曲时,波导的位置发生变化,从而引起光路延伸,导致该特定臂发生相移(图2)。

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图2:在这个微型光学压力传感器横截面中,下半部分显示了压力下的弯曲。

激光

光谱带宽是个重要参数,它极大地影响了激光的灵敏度。平衡MZI的实现会考虑这种影响。

由于量子噪声和激光腔体的变化,激光输出会产生噪声。强度噪声和波长漂移是两种重要噪声。强度噪声可以通过添加一个电源分接头来校正,该抽头会直接将信号中的噪声减掉。波长漂移可以通过在电路输入端添加滤波器(如环形谐振器)来减少。

修改后的设计

改进后的MOM压力传感器设计,MZI是平衡的;第一个是大范围测量用单回路,第二个将敏感螺旋臂中的信号分成两路去相位输出,这样就能始终对每一压力进行灵敏测量(图3)。

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图3:改进的MOM压力传感器。

神经探针

一个好的有源神经探针会尽可能靠近源/电极来缓冲/放大输入信号,从而增强信号,获取最佳记录质量。这种方法可减少源阻抗,并最小化附近长柄线耦合效应引起的串扰。

PA的面积受到电极大小的限制。其功率受限于可接受的组织加热限制。噪声需要比最小信号幅度(可能低至几十微伏)更低。通常,降低噪声的简单方法是为PA晶体管提供更多电流,这也将带来更高带宽。

神经探针的信号带宽约为7.5kHz,可以采用15kHz对PA输出采样。设计人员发现可以将时分复用技术嵌入柄中(图4a)。这样做可以使每个独特的柄线上有M个PA输出。如果没有加抗混叠滤波器进行限制,则PA带宽会由于折叠而产生带内噪声。在采样发生之前,将低通滤波器装入这个小PA区域是不可能的。设计人员选择使用能够在Ti时间段对信号进行积分的架构(图4b)来衰减超出采样频率fi的信号,从而提高信噪比(SNR)。

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图4:(a)显示了在没有滤波器的情况下,电路多路复用时发生的情况;(b)显示通过积分对信号进行滤波,降低了带外噪声电平。

探针架构设计(图5)中的信号流,通过一条共享柄线从8个多路复用PA阵列的输出流向底座。然后,该信号进入探针底座中的积分器,积分器的输出通过8个标记为Vo的采样保持电路进行解复用。接下来,8个单独的Vo中的每一个都进入自己的信道模块,它们对信号进行放大和滤波,使得输出仅有感兴趣的频带。接下来,所有20个通道经过多路复用并由10位逐次逼近寄存器式(SAR)模数转换器(ADC)进行数字化,并发送至为ADC和多路复用/多路解复用器(MUX/DEMUX)提供时钟的数字控制模块。在此,所有ADC的并行输出经串行化后仅有6条数据线。

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图5:探针架构设计和信号流具有从输入到输出的伪差分信号路径。

像素放大器(PA)

设计人员将其PA架构设计成两个区域很有创意。PA本质上是个电压电流转换器(图6)。

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图6:像素放大器架构。

图6显示电压电流转换器的输出电流由电容器Ci积分2.5μs,然后经过采样并移动到解复用器上。信号链的更多细节可参见《Double MZI Micro-Opto-Mechanical Pressure Sensors for increased sensitivity and pressure range(用于提高灵敏度和压力范围的双MZI微型光机械压力传感器)》一文。

最终,与现有顶尖水准的探针相比,这种设计架构实现的同时记录信道数量至少增加了2倍。

我充分预计,未来该电子领域的架构进步将会层出不穷。医疗电子将极大地受益于MEMS和传感器以及其他架构进步,加之半导体创新,将帮助改善患者及健康和健身人群的生活。让我们用工程技术令世界变得更美好,人们更健康。

《EDN电子技术设计》2018年5月刊版权所有,转载请注明来源及链接。