【導讀】人腦根據(jù)神經(jīng)元的活動來協(xié)調(diào)我們的感知，思想和行動。神經(jīng)科學家正在努力通過采用能夠在行為過程中以單神經(jīng)元和單峰分辨力分離，識別和操縱神經(jīng)元的方法來理解大腦的功能。
人腦根據(jù)神經(jīng)元的活動來協(xié)調(diào)我們的感知，思想和行動。神經(jīng)科學家正在努力通過采用能夠在行為過程中以單神經(jīng)元和單峰分辨力分離，識別和操縱神經(jīng)元的方法來理解大腦的功能。神經(jīng)探針已經(jīng)在細胞外記錄，腦機接口（BMI）和深部腦刺激（DBS）中取得了成功，但在一些新的應用中也取得了成功，例如腦圖繪制，神經(jīng)元功能的恢復以及腦部疾病的研究。理想情況下，神經(jīng)探針陣列應具有良好的生物相容性，具有高信噪比的高密度電極，通過柔性電纜的互連能力，高度集成的電子架構，
為了允許在大腦的多個區(qū)域中大規(guī)模記錄單個神經(jīng)元，在神經(jīng)探針中需要高密度和大量電極。不幸的是， 的高密度CMOS神經(jīng)探針具有很大的“柄”，這是探針植入大腦區(qū)域的一部分。“小腿”部分需要盡可能薄，以免干擾或損害正常的大腦功能。現(xiàn)在，它們還不像神經(jīng)科學家想要的那么小。另外，當前的電子設計架構不是 的。探頭設計包括大量的小有源電極，可放大和緩沖神經(jīng)信號。CMOS像素放大器（PA）在很小的空間中位于電極下方；由于空間不足，信號處理被迫在探頭底部進行。
MOM壓力傳感器
讓我們從壓力傳感器設計開始。有MEMS壓力傳感器，它們是電容式和壓電式的，體積小且性能相當好。還有一些光纖傳感器，具有超靈敏性和低噪聲的特性，但是在集成度較低的設計架構中是 的。
現(xiàn)在，讓我們將以上兩個傳感器特性組合到一個集成的傳感器中，該傳感器稱為微光機械（MOM）壓力傳感器。與壓電式和電容式傳感器設計相比，該器件為我們帶來了更高的靈敏度和更佳的噪聲特性，但占地面積卻相同。
用Mach-Zehnder干涉儀（MZI）系統(tǒng)或環(huán)形諧振器演示了MOM設備（圖1）。
圖1具有光柵耦合器，多模干涉儀（MMI）分離器和螺旋波導臂的不平衡馬赫曾德爾干涉儀布局（圖片由參考2提供）
如圖1所示，典型的MZI MOM壓力傳感器由MMI分離器，兩個波導臂和MMI組合器組成，如圖1所示。該設計采用MZI臂之一并將其放在承受壓差的柔性膜片上（圖2）。MZI的另一臂用作固定參考。在設計中，就螺旋中的回路數(shù)而言，存在一個折衷方案：增加回路數(shù)會減小壓力范圍，同時會增加靈敏度，反之亦然。
在功能上，從MZI發(fā)出的光強度取決于臂之間的相位差和它所承受的壓差。MZI是“不平衡的”，因為其中一臂長于另一臂。
在制造該裝置的過程中，形成了感測膜。當該膜片撓曲時，波導的位置發(fā)生變化，進而引起光路伸長，從而導致該特定臂中的相移（圖2）。
圖2在此微光學壓力傳感器的橫截面中，下視圖顯示了在壓力下的撓度。（圖片由參考2提供）
激光1
光譜帶寬是一個關鍵參數(shù)，會極大地影響激光器的靈敏度。實施平衡的MZI將解決此問題。
由于量子噪聲和激光腔的變化，激光輸出將產(chǎn)生噪聲。兩種重要的噪聲是強度噪聲和波長漂移。可以通過添加一個功率抽頭來校正強度噪聲，該功率抽頭將直接從信號中減去噪聲。通過在電路輸入端增加一個濾波器，例如環(huán)形諧振器，可以減少波長漂移。
修改后的設計
MOM壓力傳感器的改進設計現(xiàn)在具有平衡的MZI； 個是用于大范圍測量的單個環(huán)路，第二個將敏感螺旋的信號分成兩個去相位的輸出，因此我們將始終對每個壓力進行敏感測量（圖3）。
圖3修改后的MOM壓力傳感器（圖片由參考2提供）
神經(jīng)探針
一個好的有源神經(jīng)探頭盡可能地緩沖/放大輸入信號，使其盡可能靠近源/電極，以便增強信號以獲得 記錄質(zhì)量。這種方法將降低源阻抗，并 地減少附近長柄電線耦合效應引起的串擾。
PA的面積受電極尺寸的限制。其功率受到可接受的組織加熱極限的限制。與 信號幅度相比，它的噪聲要求要低一些， 信號幅度可以達到幾十微伏。降低噪聲的一種簡便方法通常是向PA晶體管提供更多電流。這也將實現(xiàn)更高的更高的帶寬。
神經(jīng)探頭的信號帶寬約為7.5 kHz，PA輸出可以15 kHz采樣。設計人員看到時分多路復用技術可以嵌入到柄中（圖4a）。這將允許在每條 的柄線上有M個PA輸出。如果不使用抗混疊濾波器來限制PA帶寬，則會由于折疊而產(chǎn)生帶內(nèi)噪聲。在進行采樣之前，無法將低通濾波器安裝到較小的PA區(qū)域中。設計人員選擇使用一種架構，該架構將在Ti的時間段內(nèi)對信號進行積分（圖4b），以衰減超出采樣頻率fi的信號，這將改善信噪比（SNR）。
圖44a顯示了在沒有濾波器的情況下多路復用電路時的情況。圖4b示出了通過積分對信號的濾波降低了帶外噪聲水平。（圖片由參考2提供）
探頭架構設計（圖5）中的信號流從8個多路復用PA的陣列的輸出通過一根共享的柄線流向基座。然后，信號進入探頭底部的積分器，并且積分器的輸出通過八個指定為Vo的采樣保持電路多路分解。接下來，八個單獨的Vo中的每個進入其自己的通道塊，在該通道塊中信號被放大和濾波，因此輸出僅是感興趣的頻帶。接下來，將所有20個通道復用并數(shù)字化到10位逐次逼近寄存器（SAR）A / D轉換器（ADC）中，并發(fā)送到提供ADC和MUX / DEMUX時鐘的數(shù)字控制模塊，在這里，所有ADC的并行輸出僅被串行化為6條數(shù)據(jù)線。
圖5探頭的架構設計和信號流具有從輸入到輸出的偽差分信號路徑。（圖片由參考2提供）
像素放大器（PA）
設計師在其PA體系結構（分為兩個區(qū)域）中很有創(chuàng)造力。該PA本質(zhì)上是一個電壓-電流轉換器（圖6）。
圖6像素放大器架構（圖片由參考2提供）
圖6顯示，電壓-電流轉換器流出的電流在電容器Ci上經(jīng)過2.5 us的積分，然后在解復用器上進行采樣和移動。有關信號鏈的更多詳細信息，請參見參考文獻2。
終，這種設計架構的結果是，與當今現(xiàn)有的 技術相比，同時記錄通道的數(shù)量至少增加了2倍。
預計未來在該電子領域將有更多的架構方面的進步。醫(yī)療電子將極大地受益于MEMS和傳感器以及其他建筑技術的進步，以及半導體的創(chuàng)新，以幫助改善患有醫(yī)療狀況以及健康和健身領域人士的生活。通過工程技術，讓世界變得更美好，更健康。
（來源：維庫電子市場網(wǎng)）
（來源：維庫電子市場網(wǎng)）
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