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。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)。