MOM压力传感器的改进设计方案解析

人脑根据神经元的活动来协调我们的感知，思想和行动。神经科学家正在努力通过采用能够在行为过程中以单神经元和单峰分辨力分离，识别和操纵神经元的方法来理解大脑的功能。神经探针已经在细胞外记录，脑机接口（BMI）和深部脑刺激（DBS）中取得了成功，但在一些新的应用中也取得了成功，例如脑图绘制，神经元功能的恢复以及脑部疾病的研究。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，通过柔性电缆的互连能力，高度集成的电子架构，

为了允许在大脑的多个区域中大规模记录单个神经元，在神经探针中需要高密度和大量电极。不幸的是，最新的高密度CMOS神经探针具有很大的“柄”，这是探针植入大脑区域的一部分。“小腿”部分需要尽可能薄，以免干扰或损害正常的大脑功能。现在，它们还不像神经科学家想要的那么小。另外，当前的电子设计架构不是最佳的。探头设计包括大量的小有源电极，可放大和缓冲神经信号。CMOS像素放大器（PA）在很小的空间中位于电极下方；由于空间不足，信号处理被迫在探头底部进行。

MOM压力传感器

让我们从压力传感器设计开始。有MEMS压力传感器，它们是电容式和压电式的，体积小且性能相当好。还有一些光纤传感器，具有超灵敏性和低噪声的特性，但是在集成度较低的设计架构中是最佳的。

现在，让我们将以上两个传感器特性组合到一个集成的传感器中，该传感器称为微光机械（MOM）压力传感器。与压电式和电容式传感器设计相比，该器件为我们带来了更高的灵敏度和更佳的噪声特性，但占地面积却相同。

用Mach-Zehnder干涉仪（MZI）系统或环形谐振器演示了MOM设备（图1）。

图1具有光栅耦合器，多模干涉仪（MMI）分离器和螺旋波导臂的不平衡马赫曾德尔干涉仪布局（图片由参考2提供）

如图1所示，典型的MZI MOM压力传感器由MMI分离器，两个波导臂和MMI组合器组成，如图1所示。该设计采用MZI臂之一并将其放在承受压差的柔性膜片上（图2）。MZI的另一臂用作固定参考。在设计中，就螺旋中的回路数而言，存在一个折衷方案：增加回路数会减小压力范围，同时会增加灵敏度，反之亦然。

在功能上，从MZI发出的光强度取决于臂之间的相位差和它所承受的压差。MZI是“不平衡的”，因为其中一臂长于另一臂。

在制造该装置的过程中，形成了感测膜。当该膜片挠曲时，波导的位置发生变化，进而引起光路伸长，从而导致该特定臂中的相移（图2）。

图2在此微光学压力传感器的横截面中，下视图显示了在压力下的挠度。（图片由参考2提供）

激光1

光谱带宽是一个关键参数，会极大地影响激光器的灵敏度。实施平衡的MZI将解决此问题。

由于量子噪声和激光腔的变化，激光输出将产生噪声。两种重要的噪声是强度噪声和波长漂移。可以通过添加一个功率抽头来校正强度噪声，该功率抽头将直接从信号中减去噪声。通过在电路输入端增加一个滤波器，例如环形谐振器，可以减少波长漂移。

修改后的设计

MOM压力传感器的改进设计现在具有平衡的MZI；第一个是用于大范围测量的单个环路，第二个将敏感螺旋的信号分成两个去相位的输出，因此我们将始终对每个压力进行敏感测量（图3）。

图3修改后的MOM压力传感器（图片由参考2提供）

神经探针

一个好的有源神经探头尽可能地缓冲/放大输入信号，使其尽可能靠近源/电极，以便增强信号以获得最佳记录质量。这种方法将降低源阻抗，并最大程度地减少附近长柄电线耦合效应引起的串扰。

PA的面积受电极尺寸的限制。其功率受到可接受的组织加热极限的限制。与最小信号幅度相比，它的噪声要求要低一些，最小信号幅度可以达到几十微伏。降低噪声的一种简便方法通常是向PA晶体管提供更多电流。这也将实现更高的更高的带宽。

神经探头的信号带宽约为7.5 kHz，PA输出可以15 kHz采样。设计人员看到时分多路复用技术可以嵌入到柄中（图4a）。这将允许在每条唯一的柄线上有M个PA输出。如果不使用抗混叠滤波器来限制PA带宽，则会由于折叠而产生带内噪声。在进行采样之前，无法将低通滤波器安装到较小的PA区域中。设计人员选择使用一种架构，该架构将在Ti的时间段内对信号进行积分（图4b），以衰减超出采样频率fi的信号，这将改善信噪比（SNR）。

图44a显示了在没有滤波器的情况下多路复用电路时的情况。图4b示出了通过积分对信号的滤波降低了带外噪声水平。（图片由参考2提供）

探头架构设计（图5）中的信号流从8个多路复用PA的阵列的输出通过一根共享的柄线流向基座。然后，信号进入探头底部的积分器，并且积分器的输出通过八个指定为Vo的采样保持电路多路分解。接下来，八个单独的Vo中的每个进入其自己的通道块，在该通道块中信号被放大和滤波，因此输出仅是感兴趣的频带。接下来，将所有20个通道复用并数字化到10位逐次逼近寄存器（SAR）A / D转换器（ADC）中，并发送到提供ADC和MUX / DEMUX时钟的数字控制模块，在这里，所有ADC的并行输出仅被串行化为6条数据线。

图5探头的架构设计和信号流具有从输入到输出的伪差分信号路径。（图片由参考2提供）

像素放大器（PA）

设计师在其PA体系结构（分为两个区域）中很有创造力。该PA本质上是一个电压-电流转换器（图6）。

图6像素放大器架构（图片由参考2提供）

图6显示，电压-电流转换器流出的电流在电容器Ci上经过2.5 us的积分，然后在解复用器上进行采样和移动。有关信号链的更多详细信息，请参见参考文献2。

最终，这种设计架构的结果是，与当今现有的最新技术相比，同时记录通道的数量至少增加了2倍。

我完全预计未来几天在该电子领域将有更多的架构方面的进步。医疗电子将极大地受益于MEMS和传感器以及其他建筑技术的进步，以及半导体的创新，以帮助改善患有医疗状况以及健康和健身领域人士的生活。通过工程技术，让世界变得更美好，更健康。

参考

工具，用于探测本地电路：高密度硅探针与光遗传学组合，捷尔吉Buzsáki，叶兰斯塔克，安塔尔Berényi，翁Khodagholy，达里尔R. Kipke，Euisik尹，Kensall D.怀斯，神经元，86卷，第1期，2015年4月，Ps 92-105，Elsevier。

双重MZI微光机械压力传感器，可提高灵敏度和压力范围，V.Rochus，R.Jansen，B.Figeys，F.Verhaegen，R.Rosseel，P.Merken，S.Lenci和X.Rottenberg，2017年第19届固态传感器，执行器和微系统国际会议。

具有678个平行记录位点的时分复用有源神经探针，Bogdan C. Raducanu，Refet F. Yazicioglu，Carolina M.Lopez，Marco Ballini，Jan Putzeys，Shishi Wang，Alexandru Andrei，Marleen Welkenhuysen，Nick van Helleputte，Silke Musa，Robert Puers ，Fabian Kloosterman，Chris van Hoof，Srinjoy Mitra，IEEE 2016。

Steve Taranovich是EDN的高级技术编辑，在电子行业拥有45年的经验。

编辑：hfy