【導讀】人類(lèi)的大腦通過(guò)其神經(jīng)元活動(dòng)來(lái)協(xié)調我們的感知、想法和行動(dòng)。神經(jīng)科學(xué)家正努力通過(guò)采用能夠在行為期間以單神經(jīng)元和單峰分辨率分離、識別和操縱神經(jīng)元的方法來(lái)理解大腦的功能。
神經(jīng)探針不僅在細胞外記錄、腦機接口（BMI）和深部腦刺激（DBS）方面取得了成功，而且在腦電圖、神經(jīng)元功能恢復和腦部疾病研究等一些新的應用中也成績(jì)斐然。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(guò)柔性電纜實(shí)現的互連功能、高度集成的電子架構，以及集成型微執行器，從而驅動(dòng)電極柄實(shí)現神經(jīng)元運動(dòng)跟蹤。
為了能夠在大腦的多個(gè)區域內大規模記錄單個(gè)神經(jīng)元，神經(jīng)探針需要高密度、大數量的電極。遺憾的是，最新的高密度CMOS神經(jīng)探針有一個(gè)很大的“柄”，它是探針的一部分，會(huì )植入到大腦區域。這個(gè)“柄”部分需要做到盡可能薄，以避免干擾或損害正常的大腦功能，眼下，它們還達不到神經(jīng)科學(xué)家希望的那么小。
另外，目前的電子設計架構也不是最佳。探針設計由大量小型有源電極組成，用于放大和緩沖神經(jīng)信號。CMOS像素放大器（PA）位于電極下方極小的空間內，由于空間不足，信號處理被迫在探針的底座完成。想象一下這種非理想信號路由中的噪聲問(wèn)題，理想情況下希望信號處理緊挨著(zhù)PA進(jìn)行。
微型光機械（MOM）壓力傳感器
我們從壓力傳感器設計開(kāi)始。MEMS壓力傳感器有電容式和壓電式，它們體積小，性能相當好。再就是光纖傳感器，它們具有超敏感性和低噪聲特性，但在集成度較低的設計架構中使用最佳。
現在，我們將上述兩種傳感器特性合并為一個(gè)集成傳感器，即微型光機械（MOM）壓力傳感器。與壓電和電容傳感器設計相比，這種器件可帶來(lái)更高的靈敏度和更好的噪聲特性，但封裝尺寸卻相同。
MOM器件采用馬赫-曾德耳干涉儀（MZI）系統或環(huán)形諧振器進(jìn)行演示（圖1）。
圖1：帶有光柵耦合器、多模干涉儀（MMI）分離器和螺旋波導臂的不平衡馬赫-曾德耳干涉儀布局。
如圖1所示，典型的MZI MOM壓力傳感器由1個(gè)MMI分離器、2個(gè)波導臂和1個(gè)MMI組合器構成。該設計將其中一個(gè)MZI臂置于柔性膜上（圖2）以承受差壓；另一個(gè)MZI臂用作固定參考。在設計中確定螺旋中的環(huán)路數量時(shí)要做出權衡：增加環(huán)路數量會(huì )提高靈敏度，但卻會(huì )降低壓力范圍；反之亦然。
在功能上，從MZI發(fā)出的光強取決于兩個(gè)臂之間的相位差及其所承受的差壓。由于其中一個(gè)臂比另一個(gè)長(cháng)得多，MZI是“不平衡的”。
在制造該器件的過(guò)程中，創(chuàng )制了一個(gè)傳感膜。當膜彎曲時(shí)，波導的位置發(fā)生變化，從而引起光路延伸，導致該特定臂發(fā)生相移（圖2）。
圖2：在這個(gè)微型光學(xué)壓力傳感器橫截面中，下半部分顯示了壓力下的彎曲。
激光
光譜帶寬是個(gè)重要參數，它極大地影響了激光的靈敏度。平衡MZI的實(shí)現會(huì )考慮這種影響。
由于量子噪聲和激光腔體的變化，激光輸出會(huì )產(chǎn)生噪聲。強度噪聲和波長(cháng)漂移是兩種重要噪聲。強度噪聲可以通過(guò)添加一個(gè)電源分接頭來(lái)校正，該抽頭會(huì )直接將信號中的噪聲減掉。波長(cháng)漂移可以通過(guò)在電路輸入端添加濾波器（如環(huán)形諧振器）來(lái)減少。
修改后的設計
改進(jìn)后的MOM壓力傳感器設計，MZI是平衡的；第一個(gè)是大范圍測量用單回路，第二個(gè)將敏感螺旋臂中的信號分成兩路去相位輸出，這樣就能始終對每一壓力進(jìn)行靈敏測量（圖3）。
圖3：改進(jìn)的MOM壓力傳感器。
神經(jīng)探針
一個(gè)好的有源神經(jīng)探針會(huì )盡可能靠近源/電極來(lái)緩沖/放大輸入信號，從而增強信號，獲取最佳記錄質(zhì)量。這種方法可減少源阻抗，并最小化附近長(cháng)柄線(xiàn)耦合效應引起的串擾。
PA的面積受到電極大小的限制。其功率受限于可接受的組織加熱限制。噪聲需要比最小信號幅度（可能低至幾十微伏）更低。通常，降低噪聲的簡(jiǎn)單方法是為PA晶體管提供更多電流，這也將帶來(lái)更高帶寬。
神經(jīng)探針的信號帶寬約為7.5kHz，可以采用15kHz對PA輸出采樣。設計人員發(fā)現可以將時(shí)分復用技術(shù)嵌入柄中（圖4a）。這樣做可以使每個(gè)獨特的柄線(xiàn)上有M個(gè)PA輸出。如果沒(méi)有加抗混疊濾波器進(jìn)行限制，則PA帶寬會(huì )由于折疊而產(chǎn)生帶內噪聲。在采樣發(fā)生之前，將低通濾波器裝入這個(gè)小PA區域是不可能的。設計人員選擇使用能夠在Ti時(shí)間段對信號進(jìn)行積分的架構（圖4b）來(lái)衰減超出采樣頻率fi的信號，從而提高信噪比（SNR）。
圖4：（a）顯示了在沒(méi)有濾波器的情況下，電路多路復用時(shí)發(fā)生的情況；（b）顯示通過(guò)積分對信號進(jìn)行濾波，降低了帶外噪聲電平。
探針架構設計（圖5）中的信號流，通過(guò)一條共享柄線(xiàn)從8個(gè)多路復用PA陣列的輸出流向底座。然后，該信號進(jìn)入探針底座中的積分器，積分器的輸出通過(guò)8個(gè)標記為Vo的采樣保持電路進(jìn)行解復用。接下來(lái)，8個(gè)單獨的Vo中的每一個(gè)都進(jìn)入自己的信道模塊，它們對信號進(jìn)行放大和濾波，使得輸出僅有感興趣的頻帶。接下來(lái)，所有20個(gè)通道經(jīng)過(guò)多路復用并由10位逐次逼近寄存器式（SAR）模數轉換器（ADC）進(jìn)行數字化，并發(fā)送至為ADC和多路復用/多路解復用器（MUX/DEMUX）提供時(shí)鐘的數字控制模塊。在此，所有ADC的并行輸出經(jīng)串行化后僅有6條數據線(xiàn)。
圖5：探針架構設計和信號流具有從輸入到輸出的偽差分信號路徑。
像素放大器（PA）
設計人員將其PA架構設計成兩個(gè)區域很有創(chuàng )意。PA本質(zhì)上是個(gè)電壓電流轉換器（圖6）。
圖6：像素放大器架構。
圖6顯示電壓電流轉換器的輸出電流由電容器Ci積分2.5μs，然后經(jīng)過(guò)采樣并移動(dòng)到解復用器上。
最終，與現有頂尖水準的探針相比，這種設計架構實(shí)現的同時(shí)記錄信道數量至少增加了2倍。
我充分預計，未來(lái)該電子領(lǐng)域的架構進(jìn)步將會(huì )層出不窮。醫療電子將極大地受益于MEMS和傳感器以及其他架構進(jìn)步，加之半導體創(chuàng )新，將幫助改善患者及健康和健身人群的生活。讓我們用工程技術(shù)令世界變得更美好，人們更健康。
