微型光学机械压力传感器设计：开发一个温和的大脑分析神经探头---凯利讯半导体

　　人类的大脑通过神经元的活动协调我们的感知，想法和行动。神经科学家正努力通过使用能够在行为期间以单神经元和单钉解决方案分离，识别和操纵神经元的方法来理解大脑的功能。神经探针在细胞外记录，脑机接口(BMI)和深部脑刺激(DBS)方面已经取得了成功，但是在一些新的应用中，例如脑图，神经元功能的恢复以及脑疾病的研究也是成功的。理想情况下，神经探针阵列应该具有良好的生物相容性，具有高信噪比的高密度电极，通过柔性电缆的互连能力，高度集成的电子架构，

　　为了能够在大脑的多个区域中大规模记录单个神经元，神经探针中需要高密度和大量的电极。不幸的是，最新的高密度CMOS神经探头有一个大的“小腿”，这是探针的一部分植入大脑区域。这个“小腿”部分需要尽可能薄，以免干扰或损害正常的大脑功能; 现在，它们并不像神经科学家所希望的那么小。另外，目前的电子设计架构并不是最优的。探头设计由大量的放大和缓冲神经信号的小型有源电极组成。CMOS像素放大器(PA)在极小的空间内位于电极之下，由于空间不足，信号处理被强制在探针的底部处理。

　　MOM压力传感器

　　我们从压力传感器设计开始。有MEMS压力传感器，电容式和压电式，体积小，性能相当好。还有光纤传感器，具有超敏感性和低噪声的特点，但是在一个不太集成的设计结构中是最佳的。

　　现在，让我们将上述两种传感器特性结合到一个称为微型光机械(MOM)压力传感器的集成传感器中。与压电式和电容式传感器设计相比，这种设备为我们带来了更高的灵敏度和更好的噪声特性，但占用空间相同。

　　MOM设备用Mach-Zehnder干涉仪(MZI)系统或环形谐振器(图1)进行演示。

　　

　　图1带光栅耦合器，多模干涉仪(MMI)分束器和螺旋波导臂的不平衡Mach Zehnder干涉仪布局(图片由参考文献2提供)

　　如图1所示，一个典型的MZI MOM压力传感器由一个MMI分配器，两个波导臂和一个MMI组合器组成，如图1所示。设计采用MZI臂之一，并将其​​放在一个柔性膜上(图2)，该膜经受差压; 另一个MZI臂作为一个固定的参考。在设计中有一个折衷方案：螺旋圈的数量增加：增加圈数会减小压力范围，同时提高灵敏度，反之亦然。

　　在功能上，从MZI发出的光强取决于臂之间的相位差以及它所承受的压差。MZI是“不平衡的”，因为其中一个武器比另一个长得多。

　　在制造这个装置的过程中，产生一个传感膜。当这个薄膜发生偏转时，波导的位置发生变化，从而引起光路延伸，导致该特定的臂发生相移(图2)。

　　

　　图2在这个微型光学压力传感器的横截面中，下图显示了压力下的偏转。(图片由参考文献2提供)

　　激光1

　　光谱带宽是一个重要的参数，极大地影响了激光的灵敏度。平衡MZI的实施将照顾这个效果。

　　由于量子噪声和激光腔变化，激光输出将会产生噪声。这两种重要的噪声是强度噪声和波长漂移。强度噪声可以通过添加一个功率抽头来纠正，这个抽头可以直接从信号中减去噪声。通过在电路输入端添加一个滤波器，如环形谐振器，可以减少波长漂移。