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MOM壓力傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案解析

發(fā)布時(shí)間:2021-05-06 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】人腦根據(jù)神經(jīng)元的活動(dòng)來協(xié)調(diào)我們的感知,思想和行動(dòng)。神經(jīng)科學(xué)家正在努力通過采用能夠在行為過程中以單神經(jīng)元和單峰分辨力分離,識別和操縱神經(jīng)元的方法來理解大腦的功能。
  
人腦根據(jù)神經(jīng)元的活動(dòng)來協(xié)調(diào)我們的感知,思想和行動(dòng)。神經(jīng)科學(xué)家正在努力通過采用能夠在行為過程中以單神經(jīng)元和單峰分辨力分離,識別和操縱神經(jīng)元的方法來理解大腦的功能。神經(jīng)探針已經(jīng)在細(xì)胞外記錄,腦機(jī)接口(BMI)和深部腦刺激(DBS)中取得了成功,但在一些新的應(yīng)用中也取得了成功,例如腦圖繪制,神經(jīng)元功能的恢復(fù)以及腦部疾病的研究。理想情況下,神經(jīng)探針陣列應(yīng)具有良好的生物相容性,具有高信噪比的高密度電極,通過柔性電纜的互連能力,高度集成的電子架構(gòu),
 
為了允許在大腦的多個(gè)區(qū)域中大規(guī)模記錄單個(gè)神經(jīng)元,在神經(jīng)探針中需要高密度和大量電極。不幸的是, 的高密度CMOS神經(jīng)探針具有很大的“柄”,這是探針植入大腦區(qū)域的一部分。“小腿”部分需要盡可能薄,以免干擾或損害正常的大腦功能?,F(xiàn)在,它們還不像神經(jīng)科學(xué)家想要的那么小。另外,當(dāng)前的電子設(shè)計(jì)架構(gòu)不是 的。探頭設(shè)計(jì)包括大量的小有源電極,可放大和緩沖神經(jīng)信號。CMOS像素放大器(PA)在很小的空間中位于電極下方;由于空間不足,信號處理被迫在探頭底部進(jìn)行。
 
MOM壓力傳感器
 
讓我們從壓力傳感器設(shè)計(jì)開始。有MEMS壓力傳感器,它們是電容式和壓電式的,體積小且性能相當(dāng)好。還有一些光纖傳感器,具有超靈敏性和低噪聲的特性,但是在集成度較低的設(shè)計(jì)架構(gòu)中是 的。
 
現(xiàn)在,讓我們將以上兩個(gè)傳感器特性組合到一個(gè)集成的傳感器中,該傳感器稱為微光機(jī)械(MOM)壓力傳感器。與壓電式和電容式傳感器設(shè)計(jì)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,但占地面積卻相同。
 
用Mach-Zehnder干涉儀(MZI)系統(tǒng)或環(huán)形諧振器演示了MOM設(shè)備(圖1)。
 
MOM壓力傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案解析
圖1具有光柵耦合器,多模干涉儀(MMI)分離器和螺旋波導(dǎo)臂的不平衡馬赫曾德爾干涉儀布局(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(gè)波導(dǎo)臂和MMI組合器組成,如圖1所示。該設(shè)計(jì)采用MZI臂之一并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(shè)計(jì)中,就螺旋中的回路數(shù)而言,存在一個(gè)折衷方案:增加回路數(shù)會減小壓力范圍,同時(shí)會增加靈敏度,反之亦然。
 
在功能上,從MZI發(fā)出的光強(qiáng)度取決于臂之間的相位差和它所承受的壓差。MZI是“不平衡的”,因?yàn)槠渲幸槐坶L于另一臂。
 
在制造該裝置的過程中,形成了感測膜。當(dāng)該膜片撓曲時(shí),波導(dǎo)的位置發(fā)生變化,進(jìn)而引起光路伸長,從而導(dǎo)致該特定臂中的相移(圖2)。
 
MOM壓力傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案解析
圖2在此微光學(xué)壓力傳感器的橫截面中,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(gè)關(guān)鍵參數(shù),會極大地影響激光器的靈敏度。實(shí)施平衡的MZI將解決此問題。
 
由于量子噪聲和激光腔的變化,激光輸出將產(chǎn)生噪聲。兩種重要的噪聲是強(qiáng)度噪聲和波長漂移。可以通過添加一個(gè)功率抽頭來校正強(qiáng)度噪聲,該功率抽頭將直接從信號中減去噪聲。通過在電路輸入端增加一個(gè)濾波器,例如環(huán)形諧振器,可以減少波長漂移。
 
修改后的設(shè)計(jì)
 
MOM壓力傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)現(xiàn)在具有平衡的MZI; 個(gè)是用于大范圍測量的單個(gè)環(huán)路,第二個(gè)將敏感螺旋的信號分成兩個(gè)去相位的輸出,因此我們將始終對每個(gè)壓力進(jìn)行敏感測量(圖3)。
 
MOM壓力傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案解析
圖3修改后的MOM壓力傳感器(圖片由參考2提供)
 
神經(jīng)探針
 
一個(gè)好的有源神經(jīng)探頭盡可能地緩沖/放大輸入信號,使其盡可能靠近源/電極,以便增強(qiáng)信號以獲得 記錄質(zhì)量。這種方法將降低源阻抗,并 地減少附近長柄電線耦合效應(yīng)引起的串?dāng)_。
 
PA的面積受電極尺寸的限制。其功率受到可接受的組織加熱極限的限制。與 信號幅度相比,它的噪聲要求要低一些, 信號幅度可以達(dá)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(shí)現(xiàn)更高的更高的帶寬。
 
神經(jīng)探頭的信號帶寬約為7.5 kHz,PA輸出可以15 kHz采樣。設(shè)計(jì)人員看到時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)可以嵌入到柄中(圖4a)。這將允許在每條 的柄線上有M個(gè)PA輸出。如果不使用抗混疊濾波器來限制PA帶寬,則會由于折疊而產(chǎn)生帶內(nèi)噪聲。在進(jìn)行采樣之前,無法將低通濾波器安裝到較小的PA區(qū)域中。設(shè)計(jì)人員選擇使用一種架構(gòu),該架構(gòu)將在Ti的時(shí)間段內(nèi)對信號進(jìn)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)。
 
MOM壓力傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案解析
圖44a顯示了在沒有濾波器的情況下多路復(fù)用電路時(shí)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(gòu)設(shè)計(jì)(圖5)中的信號流從8個(gè)多路復(fù)用PA的陣列的輸出通過一根共享的柄線流向基座。然后,信號進(jìn)入探頭底部的積分器,并且積分器的輸出通過八個(gè)指定為Vo的采樣保持電路多路分解。接下來,八個(gè)單獨(dú)的Vo中的每個(gè)進(jìn)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(gè)通道復(fù)用并數(shù)字化到10位逐次逼近寄存器(SAR)A / D轉(zhuǎn)換器(ADC)中,并發(fā)送到提供ADC和MUX / DEMUX時(shí)鐘的數(shù)字控制模塊,在這里,所有ADC的并行輸出僅被串行化為6條數(shù)據(jù)線。
 
MOM壓力傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案解析
圖5探頭的架構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)師在其PA體系結(jié)構(gòu)(分為兩個(gè)區(qū)域)中很有創(chuàng)造力。該P(yáng)A本質(zhì)上是一個(gè)電壓-電流轉(zhuǎn)換器(圖6)。
 
MOM壓力傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案解析
圖6像素放大器架構(gòu)(圖片由參考2提供)
 
圖6顯示,電壓-電流轉(zhuǎn)換器流出的電流在電容器Ci上經(jīng)過2.5 us的積分,然后在解復(fù)用器上進(jìn)行采樣和移動(dòng)。有關(guān)信號鏈的更多詳細(xì)信息,請參見參考文獻(xiàn)2。
 
終,這種設(shè)計(jì)架構(gòu)的結(jié)果是,與當(dāng)今現(xiàn)有的 技術(shù)相比,同時(shí)記錄通道的數(shù)量至少增加了2倍。
 
預(yù)計(jì)未來在該電子領(lǐng)域?qū)⒂懈嗟募軜?gòu)方面的進(jìn)步。醫(yī)療電子將極大地受益于MEMS和傳感器以及其他建筑技術(shù)的進(jìn)步,以及半導(dǎo)體的創(chuàng)新,以幫助改善患有醫(yī)療狀況以及健康和健身領(lǐng)域人士的生活。通過工程技術(shù),讓世界變得更美好,更健康。
(來源:維庫電子市場網(wǎng))
 
 
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