MOM壓力傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案解析

人腦根據(jù)神經(jīng)元的活動(dòng)來(lái)協(xié)調(diào)我們的感知，思想和行動(dòng)。神經(jīng)科學(xué)家正在努力通過(guò)采用能夠在行為過(guò)程中以單神經(jīng)元和單峰分辨力分離，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)探針已經(jīng)在細(xì)胞外記錄，腦機(jī)接口（BMI）和深部腦刺激（DBS）中取得了成功，但在一些新的應(yīng)用中也取得了成功，例如腦圖繪制，神經(jīng)元功能的恢復(fù)以及腦部疾病的研究。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)柔性電纜的互連能力，高度集成的電子架構(gòu)，

為了允許在大腦的多個(gè)區(qū)域中大規(guī)模記錄單個(gè)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，最新的高密度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?！靶⊥取辈糠中枰M可能薄，以免干擾或損害正常的大腦功能?，F(xiàn)在，它們還不像神經(jīng)科學(xué)家想要的那么小。另外，當(dāng)前的電子設(shè)計(jì)架構(gòu)不是最佳的。探頭設(shè)計(jì)包括大量的小有源電極，可放大和緩沖神經(jīng)信號(hào)。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(hào)處理被迫在探頭底部進(jìn)行。

MOM壓力傳感器

讓我們從壓力傳感器設(shè)計(jì)開(kāi)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(dāng)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(shè)計(jì)架構(gòu)中是最佳的。

現(xiàn)在，讓我們將以上兩個(gè)傳感器特性組合到一個(gè)集成的傳感器中，該傳感器稱為微光機(jī)械（MOM）壓力傳感器。與壓電式和電容式傳感器設(shè)計(jì)相比，該器件為我們帶來(lái)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(shè)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(dǎo)臂的不平衡馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x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(gè)波導(dǎo)臂和MMI組合器組成，如圖1所示。該設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，就螺旋中的回路數(shù)而言，存在一個(gè)折衷方案：增加回路數(shù)會(huì)減小壓力范圍，同時(shí)會(huì)增加靈敏度，反之亦然。

在功能上，從MZI發(fā)出的光強(qiáng)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?yàn)槠渲幸槐坶L(zhǎng)于另一臂。

在制造該裝置的過(guò)程中，形成了感測(cè)膜。當(dāng)該膜片撓曲時(shí)，波導(dǎo)的位置發(fā)生變化，進(jìn)而引起光路伸長(zhǎng)，從而導(dǎo)致該特定臂中的相移（圖2）。

圖2在此微光學(xué)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)，會(huì)極大地影響激光器的靈敏度。實(shí)施平衡的MZI將解決此問(wèn)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(qiáng)度噪聲和波長(zhǎng)漂移?？梢酝ㄟ^(guò)添加一個(gè)功率抽頭來(lái)校正強(qiáng)度噪聲，該功率抽頭將直接從信號(hào)中減去噪聲。通過(guò)在電路輸入端增加一個(gè)濾波器，例如環(huán)形諧振器，可以減少波長(zhǎng)漂移。

修改后的設(shè)計(jì)

MOM壓力傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)現(xiàn)在具有平衡的MZI；第一個(gè)是用于大范圍測(cè)量的單個(gè)環(huán)路，第二個(gè)將敏感螺旋的信號(hào)分成兩個(gè)去相位的輸出，因此我們將始終對(duì)每個(gè)壓力進(jìn)行敏感測(cè)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(gè)好的有源神經(jīng)探頭盡可能地緩沖/放大輸入信號(hào)，使其盡可能靠近源/電極，以便增強(qiáng)信號(hào)以獲得最佳記錄質(zhì)量。這種方法將降低源阻抗，并最大程度地減少附近長(zhǎng)柄電線耦合效應(yīng)引起的串?dāng)_。

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。與最小信號(hào)幅度相比，它的噪聲要求要低一些，最小信號(hào)幅度可以達(dá)到幾十微伏。降低噪聲的一種簡(jiǎn)便方法通常是向PA晶體管提供更多電流。這也將實(shí)現(xiàn)更高的更高的帶寬。

神經(jīng)探頭的信號(hào)帶寬約為7.5 kHz，PA輸出可以15 kHz采樣。設(shè)計(jì)人員看到時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)可以嵌入到柄中（圖4a）。這將允許在每條唯一的柄線上有M個(gè)PA輸出。如果不使用抗混疊濾波器來(lái)限制PA帶寬，則會(huì)由于折疊而產(chǎn)生帶內(nèi)噪聲。在進(jìn)行采樣之前，無(wú)法將低通濾波器安裝到較小的PA區(qū)域中。設(shè)計(jì)人員選擇使用一種架構(gòu)，該架構(gòu)將在Ti的時(shí)間段內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分（圖4b），以衰減超出采樣頻率fi的信號(hào)，這將改善信噪比（SNR）。

圖44a顯示了在沒(méi)有濾波器的情況下多路復(fù)用電路時(shí)的情況。圖4b示出了通過(guò)積分對(duì)信號(hào)的濾波降低了帶外噪聲水平。（圖片由參考2提供）

探頭架構(gòu)設(shè)計(jì)（圖5）中的信號(hào)流從8個(gè)多路復(fù)用PA的陣列的輸出通過(guò)一根共享的柄線流向基座。然后，信號(hào)進(jìn)入探頭底部的積分器，并且積分器的輸出通過(guò)八個(gè)指定為Vo的采樣保持電路多路分解。接下來(lái)，八個(gè)單獨(dú)的Vo中的每個(gè)進(jìn)入其自己的通道塊，在該通道塊中信號(hào)被放大和濾波，因此輸出僅是感興趣的頻帶。接下來(lái)，將所有20個(gè)通道復(fù)用并數(shù)字化到10位逐次逼近寄存器（SAR）A / D轉(zhuǎn)換器（ADC）中，并發(fā)送到提供ADC和MUX / DEMUX時(shí)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(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。（圖片由參考2提供）

像素放大器（PA）

設(shè)計(jì)師在其PA體系結(jié)構(gòu)（分為兩個(gè)區(qū)域）中很有創(chuàng)造力。該P(yáng)A本質(zhì)上是一個(gè)電壓-電流轉(zhuǎn)換器（圖6）。

圖6像素放大器架構(gòu)（圖片由參考2提供）

圖6顯示，電壓-電流轉(zhuǎn)換器流出的電流在電容器Ci上經(jīng)過(guò)2.5 us的積分，然后在解復(fù)用器上進(jìn)行采樣和移動(dòng)。有關(guān)信號(hào)鏈的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn)2。

最終，這種設(shè)計(jì)架構(gòu)的結(jié)果是，與當(dāng)今現(xiàn)有的最新技術(shù)相比，同時(shí)記錄通道的數(shù)量至少增加了2倍。

我完全預(yù)計(jì)未來(lái)幾天在該電子領(lǐng)域?qū)⒂懈嗟募軜?gòu)方面的進(jìn)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(shù)的進(jìn)步，以及半導(dǎo)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(lǐng)域人士的生活。通過(guò)工程技術(shù)，讓世界變得更美好，更健康。

參考

工具，用于探測(cè)本地電路：高密度硅探針與光遺傳學(xué)組合，捷爾吉Buzsáki，葉蘭斯塔克，安塔爾Berényi，翁Khodagholy，達(dá)里爾R. Kipke，Euisik尹，Kensall D.懷斯，神經(jīng)元，86卷，第1期，2015年4月，Ps 92-105，Elsevier。

雙重MZI微光機(jī)械壓力傳感器，可提高靈敏度和壓力范圍，V.Rochus，R.Jansen，B.Figeys，F(xiàn).Verhaegen，R.Rosseel，P.Merken，S.Lenci和X.Rottenberg，2017年第19屆固態(tài)傳感器，執(zhí)行器和微系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議。

具有678個(gè)平行記錄位點(diǎn)的時(shí)分復(fù)用有源神經(jīng)探針，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 ，F(xiàn)abian Kloosterman，Chris van Hoof，Srinjoy Mitra，IEEE 2016。

Steve Taranovich是EDN的高級(jí)技術(shù)編輯，在電子行業(yè)擁有45年的經(jīng)驗(yàn)。

編輯：hfy