MOM壓力傳感器的改進設計方案解析
發布時間:2021-05-06 責任編輯:lina
【導讀】人ren腦nao根gen據ju神shen經jing元yuan的de活huo動dong來lai協xie調tiao我wo們men的de感gan知zhi,思si想xiang和he行xing動dong。神shen經jing科ke學xue家jia正zheng在zai努nu力li通tong過guo采cai用yong能neng夠gou在zai行xing為wei過guo程cheng中zhong以yi單dan神shen經jing元yuan和he單dan峰feng分fen辨bian力li分fen離li,識shi別bie和he操cao縱zong神shen經jing元yuan的de方fang法fa來lai理li解jie大da腦nao的de功gong能neng。
人ren腦nao根gen據ju神shen經jing元yuan的de活huo動dong來lai協xie調tiao我wo們men的de感gan知zhi,思si想xiang和he行xing動dong。神shen經jing科ke學xue家jia正zheng在zai努nu力li通tong過guo采cai用yong能neng夠gou在zai行xing為wei過guo程cheng中zhong以yi單dan神shen經jing元yuan和he單dan峰feng分fen辨bian力li分fen離li,識shi別bie和he操cao縱zong神shen經jing元yuan的de方fang法fa來lai理li解jie大da腦nao的de功gong能neng。神經探針已經在細胞外記錄,腦機接口(BMI)和深部腦刺激(DBS)中(zhong)取(qu)得(de)了(le)成(cheng)功(gong),但(dan)在(zai)一(yi)些(xie)新(xin)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)也(ye)取(qu)得(de)了(le)成(cheng)功(gong),例(li)如(ru)腦(nao)圖(tu)繪(hui)製(zhi),神(shen)經(jing)元(yuan)功(gong)能(neng)的(de)恢(hui)複(fu)以(yi)及(ji)腦(nao)部(bu)疾(ji)病(bing)的(de)研(yan)究(jiu)。理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)下(xia),神(shen)經(jing)探(tan)針(zhen)陣(zhen)列(lie)應(ying)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)生(sheng)物(wu)相(xiang)容(rong)性(xing),具(ju)有(you)高(gao)信(xin)噪(zao)比(bi)的(de)高(gao)密(mi)度(du)電(dian)極(ji),通(tong)過(guo)柔(rou)性(xing)電(dian)纜(lan)的(de)互(hu)連(lian)能(neng)力(li),高(gao)度(du)集(ji)成(cheng)的(de)電(dian)子(zi)架(jia)構(gou),
為了允許在大腦的多個區域中大規模記錄單個神經元,在神經探針中需要高密度和大量電極。不幸的是, 的高密度CMOS神經探針具有很大的“柄”,這是探針植入大腦區域的一部分。“小腿”部分需要盡可能薄,以免幹擾或損害正常的大腦功能。現在,它們還不像神經科學家想要的那麼小。另外,當前的電子設計架構不是 的。探頭設計包括大量的小有源電極,可放大和緩衝神經信號。CMOS像素放大器(PA)在很小的空間中位於電極下方;由於空間不足,信號處理被迫在探頭底部進行。
MOM壓力傳感器
讓我們從壓力傳感器設計開始。有MEMSyalichuanganqi,tamenshidianrongshiheyadianshide,tijixiaoqiexingnengxiangdanghao。haiyouyixieguangxianchuanganqi,juyouchaolingminxinghedizaoshengdetexing,danshizaijichengdujiaodideshejijiagouzhongshi 的。
現在,讓我們將以上兩個傳感器特性組合到一個集成的傳感器中,該傳感器稱為微光機械(MOM)壓力傳感器。與壓電式和電容式傳感器設計相比,該器件為我們帶來了更高的靈敏度和更佳的噪聲特性,但占地麵積卻相同。
用Mach-Zehnder幹涉儀(MZI)係統或環形諧振器演示了MOM設備(圖1)。

圖1具有光柵耦合器,多模幹涉儀(MMI)分離器和螺旋波導臂的不平衡馬赫曾德爾幹涉儀布局(圖片由參考2提供)
如圖1所示,典型的MZI MOM壓力傳感器由MMI分離器,兩個波導臂和MMI組合器組成,如圖1所示。該設計采用MZI臂之一並將其放在承受壓差的柔性膜片上(圖2)。MZI的另一臂用作固定參考。在設計中,就螺旋中的回路數而言,存在一個折衷方案:增加回路數會減小壓力範圍,同時會增加靈敏度,反之亦然。
在功能上,從MZI發出的光強度取決於臂之間的相位差和它所承受的壓差。MZI是“不平衡的”,因為其中一臂長於另一臂。
在製造該裝置的過程中,形成了感測膜。當該膜片撓曲時,波導的位置發生變化,進而引起光路伸長,從而導致該特定臂中的相移(圖2)。

圖2在此微光學壓力傳感器的橫截麵中,下視圖顯示了在壓力下的撓度。(圖片由參考2提供)
激光1
光譜帶寬是一個關鍵參數,會極大地影響激光器的靈敏度。實施平衡的MZI將解決此問題。
由you於yu量liang子zi噪zao聲sheng和he激ji光guang腔qiang的de變bian化hua,激ji光guang輸shu出chu將jiang產chan生sheng噪zao聲sheng。兩liang種zhong重zhong要yao的de噪zao聲sheng是shi強qiang度du噪zao聲sheng和he波bo長chang漂piao移yi。可ke以yi通tong過guo添tian加jia一yi個ge功gong率lv抽chou頭tou來lai校xiao正zheng強qiang度du噪zao聲sheng,該gai功gong率lv抽chou頭tou將jiang直zhi接jie從cong信xin號hao中zhong減jian去qu噪zao聲sheng。通tong過guo在zai電dian路lu輸shu入ru端duan增zeng加jia一yi個ge濾lv波bo器qi,例li如ru環huan形xing諧xie振zhen器qi,可ke以yi減jian少shao波bo長chang漂piao移yi。
修改後的設計
MOM壓力傳感器的改進設計現在具有平衡的MZI; 個是用於大範圍測量的單個環路,第二個將敏感螺旋的信號分成兩個去相位的輸出,因此我們將始終對每個壓力進行敏感測量(圖3)。

圖3修改後的MOM壓力傳感器(圖片由參考2提供)
神經探針
一個好的有源神經探頭盡可能地緩衝/放大輸入信號,使其盡可能靠近源/電極,以便增強信號以獲得 記錄質量。這種方法將降低源阻抗,並 地減少附近長柄電線耦合效應引起的串擾。
PA的麵積受電極尺寸的限製。其功率受到可接受的組織加熱極限的限製。與 信號幅度相比,它的噪聲要求要低一些, 信號幅度可以達到幾十微伏。降低噪聲的一種簡便方法通常是向PA晶體管提供更多電流。這也將實現更高的更高的帶寬。
神經探頭的信號帶寬約為7.5 kHz,PA輸出可以15 kHz采樣。設計人員看到時分多路複用技術可以嵌入到柄中(圖4a)。這將允許在每條 的柄線上有M個PA輸出。如果不使用抗混疊濾波器來限製PA帶寬,則會由於折疊而產生帶內噪聲。在進行采樣之前,無法將低通濾波器安裝到較小的PA區域中。設計人員選擇使用一種架構,該架構將在Ti的時間段內對信號進行積分(圖4b),以衰減超出采樣頻率fi的信號,這將改善信噪比(SNR)。

圖44a顯示了在沒有濾波器的情況下多路複用電路時的情況。圖4b示出了通過積分對信號的濾波降低了帶外噪聲水平。(圖片由參考2提供)
探頭架構設計(圖5)中的信號流從8個多路複用PA的陣列的輸出通過一根共享的柄線流向基座。然後,信號進入探頭底部的積分器,並且積分器的輸出通過八個指定為Vo的采樣保持電路多路分解。接下來,八個單獨的Vo中的每個進入其自己的通道塊,在該通道塊中信號被放大和濾波,因此輸出僅是感興趣的頻帶。接下來,將所有20個通道複用並數字化到10位逐次逼近寄存器(SAR)A / D轉換器(ADC)中,並發送到提供ADC和MUX / DEMUX時鍾的數字控製模塊,在這裏,所有ADC的並行輸出僅被串行化為6條數據線。

圖5探頭的架構設計和信號流具有從輸入到輸出的偽差分信號路徑。(圖片由參考2提供)
像素放大器(PA)
設計師在其PA體係結構(分為兩個區域)中很有創造力。該PA本質上是一個電壓-電流轉換器(圖6)。

圖6像素放大器架構(圖片由參考2提供)
圖6顯示,電壓-電流轉換器流出的電流在電容器Ci上經過2.5 us的積分,然後在解複用器上進行采樣和移動。有關信號鏈的更多詳細信息,請參見參考文獻2。
終,這種設計架構的結果是,與當今現有的 技術相比,同時記錄通道的數量至少增加了2倍。
預計未來在該電子領域將有更多的架構方麵的進步。醫療電子將極大地受益於MEMShechuanganqiyijiqitajianzhujishudejinbu,yijibandaotidechuangxin,yibangzhugaishanhuanyouyiliaozhuangkuangyijijiankanghejianshenlingyurenshideshenghuo。tongguogongchengjishu,rangshijiebiandegengmeihao,gengjiankang。
(來源:維庫電子市場網)
(來源:維庫電子市場網)
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