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）weiyudianjixiafangjixiaodekongjiannei，youyukongjianbuzu
，xinhaochulibeipozaitanzhendedizuowancheng。xiangxiangyixiazhezhongfeilixiangxinhaoluyouzhongdezaoshengwenti，lixiangqingkuangxiaxiwangxinhaochulijinaizhePA進行。

 

 

我們從壓力傳感器設計開始。MEMS壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)有(you)電(dian)容(rong)式(shi)和(he)壓(ya)電(dian)式(shi)，它(ta)們(men)體(ti)積(ji)小(xiao)，性(xing)能(neng)相(xiang)當(dang)好(hao)。再(zai)就(jiu)是(shi)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)，它(ta)們(men)具(ju)有(you)超(chao)敏(min)感(gan)性(xing)和(he)低(di)噪(zao)聲(sheng)特(te)性(xing)，但(dan)在(zai)集(ji)成(cheng)度(du)較(jiao)低(di)的(de)設(she)計(ji)架(jia)構(gou)中(zhong)使(shi)用(yong)最(zui)佳(jia)。

 

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MEMS和he傳chuan感gan器qi以yi及ji其qi他ta架jia構gou進jin步bu，加jia之zhi半ban導dao體ti創chuang新xin，將jiang幫bang助zhu改gai善shan患huan者zhe及ji健jian康kang和he健jian身shen人ren群qun的de生sheng活huo。讓rang我wo們men用yong工gong程cheng技ji術shu令ling世shi界jie變bian得de更geng美mei好hao，人ren們men更geng健jian康kang。