MOM壓力傳感器的改進設計方案解析

人腦根據神經元的活動來協調我們的感知，思想和行動。神經科學家正在努力通過采用能夠在行為過程中以單神經元和單峰分辨力分離，識別和操縱神經元的方法來理解大腦的功能。神經探針已經在細胞外記錄，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，神經元功能的恢復以及腦部疾病的研究。理想情況下，神經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域中大規模記錄單個神經元，在神經探針中需要高密度和大量電極。不幸的是，最新的高密度CMOS神經探針具有很大的“柄”，這是探針植入大腦區域的一部分?！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在，它們還不像神經科學家想要的那么小。另外，當前的電子設計架構不是最佳的。探頭設計包括大量的小有源電極，可放大和緩沖神經信號。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最佳的。

現在，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）系統或環形諧振器演示了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，就螺旋中的回路數而言，存在一個折衷方案：增加回路數會減小壓力范圍，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，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，激光輸出將產生噪聲。兩種重要的噪聲是強度噪聲和波長漂移?？梢酝ㄟ^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在具有平衡的MZI；第一個是用于大范圍測量的單個環路，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）

神經探針

一個好的有源神經探頭盡可能地緩沖/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最佳記錄質量。這種方法將降低源阻抗，并最大程度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。與最小信號幅度相比，它的噪聲要求要低一些，最小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。這也將實現更高的更高的帶寬。

神經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）。這將允許在每條唯一的柄線上有M個PA輸出。如果不使用抗混疊濾波器來限制PA帶寬，則會由于折疊而產生帶內噪聲。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個通道復用并數字化到10位逐次逼近寄存器（SAR）A / D轉換器（ADC）中，并發送到提供ADC和MUX / DEMUX時鐘的數字控制模塊，在這里，所有ADC的并行輸出僅被串行化為6條數據線。

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（分為兩個區域）中很有創造力。該PA本質上是一個電壓-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。

最終，這種設計架構的結果是，與當今現有的最新技術相比，同時記錄通道的數量至少增加了2倍。

我完全預計未來幾天在該電子領域將有更多的架構方面的進步。醫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，以及半導體的創新，以幫助改善患有醫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。

參考

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

雙重MZI微光機械壓力傳感器，可提高靈敏度和壓力范圍，V.Rochus，R.Jansen，B.Figeys，F.Verhaegen，R.Rosseel，P.Merken，S.Lenci和X.Rottenberg，2017年第19屆固態傳感器，執行器和微系統國際會議。

具有678個平行記錄位點的時分復用有源神經探針，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 ，Fabian Kloosterman，Chris van Hoof，Srinjoy Mitra，IEEE 2016。

Steve Taranovich是EDN的高級技術編輯，在電子行業擁有45年的經驗。

編輯：hfy