理想情況下,神經探針陣列應具有良好的生物相容性、具有高訊噪比(SNR)的高密度電極、利用軟性電纜實現的互連功能、高度整合的電子架構,以及整合型微致動器(micro-actuators),從而驅動電極柄實現神經元運動追蹤。

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」的部分需要做到盡可能的薄,以避免干擾或損害正常的大腦功能,現在,它們還達不到神經科學家期望的那麼小。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主動電極組成,用於放大和緩衝神經訊號;CMOS畫素放大器(PA)位於電極下方極小的空間內,由於空間不足,訊號處理被迫在探針的底座完成。想像一下這種非理想訊號路由中的雜訊問題,理想情況下希望訊號處理緊接著PA進行。

微型光機械(MOM)壓力感測器

從壓力感測器設計開始。MEMS壓力感測器有電容式和壓電式,它們體積小,性能相當好。再來就是光纖感測器,它們具有超高靈敏度和低雜訊特性,但在整合度較低的設計架構中使用最佳。

現在,我們將上述兩種感測器特性合併為一個整合感測器,即MOM壓力感測器。與壓電和電容感測器設計相比,這種元件可帶來更高的靈敏度和更好的抗雜訊特性,但封裝尺寸卻相同。

MOM元件採用馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)系統或環形諧振器進行設計(圖1)。

20180516NT01P1 圖1 帶有光閘耦合器、多模干涉儀(MMI)分離器和螺旋波導臂的不平衡馬赫-曾德爾干涉儀設計。

如圖1所示,典型的MZI MOM壓力感測器由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臂置於軟性薄膜上(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。

20180516NT01P2 圖2 在這個MOM壓力感測器橫截面中,下半部分顯示了壓力下的彎曲。

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」。

在製造該裝置的過程中,一個感測薄膜被開發。當薄膜彎曲時,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)。

雷射

光譜頻寬是個重要參數,它極大地影響了雷射的靈敏度。平衡MZI的實現會考慮這種影響。

由於量子雜訊和雷射腔體的變化,雷射輸出會產生雜訊。強度雜訊和波長漂移是兩種重要雜訊,強度雜訊可以利用添加一個電源分接頭校正,該抽頭會直接將訊號中的雜訊減掉;波長漂移可以透過在電路輸入端添加濾波器(如環形諧振器)減少。

修改後的設計

改進後的MOM壓力感測器設計,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訊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)。

20180516NT01P3 圖3 改進的MOM壓力感測器。

神經探針

一個好的主動神經探針會盡可能靠近源電極來緩衝放大輸入訊號,從而增強訊號,獲取最佳記錄品質。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的面積受到電極大小的限制。其功率受限於可接受的組織加熱限制。雜訊需要比最小訊號幅度(可能低至幾十微伏)更低。通常,降低雜訊的簡單方法是為PA電晶體提供更多電流,這也將帶來更高頻寬。

神經探針的訊號頻寬約為7.5kHz,可以採用15kHz對PA輸出採樣。設計人員發現可以將分時多工(TDM)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制,則PA頻寬會因折疊而產生頻帶內雜訊,在採樣發生之前,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時間段對訊號進行積分的架構(圖4b)來衰減超出採樣頻率fi的訊號,從而提高訊噪比。

20180516NT01P4 圖4 (a)顯示了在沒有濾波器的情況下,電路多工時發生的情況;(b)顯示透過積分對訊號進行濾波,降低了頻帶外雜訊電平。

探針架構設計(圖5)中的訊號流,利用一條共用柄線從8個多工PA陣列的輸出流向底座。然後,該訊號進入探針底座中的積分器,積分器的輸出透過8個標記為Vo的採樣保持電路進行解多工。接下來,8個單獨的Vo中的每一個都進入自己的通道模組,它們對訊號進行放大和濾波,使得輸出僅有感興趣的頻帶。接下來,所有20個通道經過多工並由10位元逐次逼近寄存器型(SAR)類比數位轉換器(ADC)進行數位化,並發送至為ADC和多工/解多工器(MUX/DEMUX)提供時脈的數位控制模組。在此,所有ADC的平行輸出經序列化後僅有6條數據線。

20180516NT01P5 圖5 探針架構設計和訊號流具有從輸入到輸出的偽差分訊號路徑。

畫素PA

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)。

20180516NT01P6 圖6 畫素PA架構。

圖6顯示電壓電流轉換器的輸出電流由電容Ci積分2.5μs,然後經過採樣並移動到解多工器上。訊號鏈的更多細節可參見《Double MZI Micro-Opto-Mechanical Pressure Sensors for increased sensitivity and pressure range(用於提高靈敏度和壓力範圍的雙MZI MOM壓力感測器)》一文。

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通道數量至少增加了2倍。

可預計,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和感測器,以及其他架構進步,加之半導體創新,將幫助改善患者及健康和健身人群的生活。讓我們用工程技術令世界變得更美好,讓人們更健康。

(參考原文: Micro opto mechanical pressure sensor design: Developing a gentler brain analysis neural probe,by Steve Taranovich)