神經探針不僅在細胞外記錄、腦機接口（BMI）和深部腦刺激（DBS）方麵取得了成功

，而且在腦電圖、神經元功能恢複和腦部疾病研究等一些新的應用中也成績斐然。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、通過柔性電纜實現的互連功能、高度集成的電子架構，以及集成型微執行器，從而驅動電極柄實現神經元運動跟蹤。

 

為了能夠在大腦的多個區域內大規模記錄單個神經元
，神經探針需要高密度、大數量的電極。遺憾的是，最新的高密度CMOS神經探針有一個很大的“柄”，它是探針的一部分
，會植入到大腦區域。這個“柄”部分需要做到盡可能薄
，以避免幹擾或損害正常的大腦功能，眼下
，它們還達不到神經科學家希望的那麼小。

 

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
，用於放大和緩衝神經信號。CMOS像素放大器（PA）位wei於yu電dian極ji下xia方fang極ji小xiao的de空kong間jian內nei
，由you於yu空kong間jian不bu足zu，信xin號hao處chu理li被bei迫po在zai探tan針zhen的de底di座zuo完wan成cheng。想xiang象xiang一yi下xia這zhe種zhong非fei理li想xiang信xin號hao路lu由you中zhong的de噪zao聲sheng問wen題ti，理li想xiang情qing況kuang下xia希xi望wang信xin號hao處chu理li緊jin挨ai著zhePA進行。

 

 

我們從壓力傳感器設計開始。MEMSyalichuanganqiyoudianrongshiheyadianshi
，tamentijixiao

，xingnengxiangdanghao。zaijiushiguangxianchuanganqi，tamenjuyouchaominganxinghedizaoshengtexing，danzaijichengdujiaodideshejijiagouzhongshiyongzuijia。

 

現在，我們將上述兩種傳感器特性合並為一個集成傳感器，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-曾德耳幹涉儀（MZI）係統或環形諧振器進行演示（圖1）。

 

圖1：帶有光柵耦合器
、多模幹涉儀（MMI）分離器和螺旋波導臂的不平衡馬赫-曾德耳幹涉儀布局。

 

如圖1所示
，典型的MZI MOM壓力傳感器由1個MMI分離器、2個波導臂和1個MMI組合器構成。該設計將其中一個MZI臂置於柔性膜上（圖2）以承受差壓；另一個MZI臂用作固定參考。在設計中確定螺旋中的環路數量時要做出權衡：增加環路數量會提高靈敏度，但卻會降低壓力範圍；反之亦然。

 

在功能上

，從MZI發出的光強取決於兩個臂之間的相位差及其所承受的差壓。由於其中一個臂比另一個長得多，MZI是“不平衡的”。

 

在製造該器件的過程中
，創製了一個傳感膜。當膜彎曲時，波導的位置發生變化，從而引起光路延伸，導致該特定臂發生相移（圖2）。

 

圖2：在這個微型光學壓力傳感器橫截麵中，下半部分顯示了壓力下的彎曲。

 

 

光譜帶寬是個重要參數，它極大地影響了激光的靈敏度。平衡MZI的實現會考慮這種影響。

 

由(you)於(yu)量(liang)子(zi)噪(zao)聲(sheng)和(he)激(ji)光(guang)腔(qiang)體(ti)的(de)變(bian)化(hua)，激(ji)光(guang)輸(shu)出(chu)會(hui)產(chan)生(sheng)噪(zao)聲(sheng)。強(qiang)度(du)噪(zao)聲(sheng)和(he)波(bo)長(chang)漂(piao)移(yi)是(shi)兩(liang)種(zhong)重(zhong)要(yao)噪(zao)聲(sheng)。強(qiang)度(du)噪(zao)聲(sheng)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)添(tian)加(jia)一(yi)個(ge)電(dian)源(yuan)分(fen)接(jie)頭(tou)來(lai)校(xiao)正(zheng)
，該(gai)抽(chou)頭(tou)會(hui)直(zhi)接(jie)將(jiang)信(xin)號(hao)中(zhong)的(de)噪(zao)聲(sheng)減(jian)掉(diao)。波(bo)長(chang)漂(piao)移(yi)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)在(zai)電(dian)路(lu)輸(shu)入(ru)端(duan)添(tian)加(jia)濾(lv)波(bo)器(qi)（如環形諧振器）來減少。

 

 

改進後的MOM壓力傳感器設計
，MZI是平衡的；第一個是大範圍測量用單回路，第二個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行靈敏測量（圖3）。

 

圖3：改進的MOM壓力傳感器。

 

 

一個好的有源神經探針會盡可能靠近源/電極來緩衝/放大輸入信號，從而增強信號，獲取最佳記錄質量。這種方法可減少源阻抗，並最小化附近長柄線耦合效應引起的串擾。

 

PA的麵積受到電極大小的限製。其功率受限於可接受的組織加熱限製。噪聲需要比最小信號幅度（可能低至幾十微伏）更低。通常
，降低噪聲的簡單方法是為PA晶體管提供更多電流
，這也將帶來更高帶寬。

 

神經探針的信號帶寬約為7.5kHz，可以采用15kHz對PA輸出采樣。設計人員發現可以將時分複用技術嵌入柄中（圖4a）。這樣做可以使每個獨特的柄線上有M個PA輸出。如果沒有加抗混疊濾波器進行限製
，則PA帶寬會由於折疊而產生帶內噪聲。在采樣發生之前，將低通濾波器裝入這個小PA區域是不可能的。設計人員選擇使用能夠在Ti時間段對信號進行積分的架構（圖4b）來衰減超出采樣頻率fi的信號，從而提高信噪比（SNR）。

 

圖4：（a）顯示了在沒有濾波器的情況下，電路多路複用時發生的情況
；（b）顯示通過積分對信號進行濾波，降低了帶外噪聲電平。

 

探針架構設計（圖5）中的信號流
，通過一條共享柄線從8個多路複用PA陣列的輸出流向底座。然後，該信號進入探針底座中的積分器，積分器的輸出通過8個標記為Vo的采樣保持電路進行解複用。接下來，8個單獨的Vo中的每一個都進入自己的信道模塊，它們對信號進行放大和濾波，使得輸出僅有感興趣的頻帶。接下來，所有20個通道經過多路複用並由10位逐次逼近寄存器式（SAR）模數轉換器（ADC）進行數字化，並發送至為ADC和多路複用/多路解複用器（MUX/DEMUX）提供時鍾的數字控製模塊。在此，所有ADC的並行輸出經串行化後僅有6條數據線。

 

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。

 

 

設計人員將其PA架構設計成兩個區域很有創意。PA本質上是個電壓電流轉換器（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，然後經過采樣並移動到解複用器上。

 

最終
，與現有頂尖水準的探針相比，這種設計架構實現的同時記錄信道數量至少增加了2倍。

 

我充分預計，未來該電子領域的架構進步將會層出不窮。醫療電子將極大地受益於MEMShechuanganqiyijiqitajiagoujinbu，jiazhibandaotichuangxin
，jiangbangzhugaishanhuanzhejijiankanghejianshenrenqundeshenghuo。rangwomenyonggongchengjishulingshijiebiandegengmeihao
，renmengengjiankang。