专利名称：有源神经微电极的制作方法
技术领域：
本发明属于生物医学工程技术领域，特别涉及 一 种可以与生物体 的神经系统进行交流和沟通的有源神经微电极。
背景技术：
自1950年第一个金属电极问世至今，半个世纪以来，神经微电 极一直是被神经生理学家用作探索神经系统的重要手段。它是一种可 以与生物体的神经系统进行交流和沟通的传感系统。伴随着集成传感 器和微机电技术(MEMS)的迅猛发展，性能优良，稳定性好的神经微 电极的生产渐渐变为可能，这样就为神经信号的釆集及刺激提供了强 大的工具。在某种意义上甚至改变了神经科学的研究方向。国内外神经微电极的研制已具有一定的基础，如美国的MIT大学 釆用钼，利用光阻和氮化硅等不同的介质作密封，使得微电极探针厚 度减为18微米；斯坦福大学釆用硅，利用等离子蚀刻确定探针结构， 但结果信噪比过低，缺乏蚀刻终止技术，降低探针物理特性，二者皆 属于无源微电极。在中国专利文献CN 1060219A所披露的环状神经电 极中，釆用一种环状记忆材料，制成了在给定工作温度范围中保证与 神经周围的电接触以便在那里产生电刺激的环状神经电极；此发明应 用于肌肉的电刺激，不具备神经电信号的釆集功能，因此也属于无源 电极。目前，神经微电极的研究已取得一定的进展，但无源神经微电极 有一定局限(1)首先，典型的神经信号的幅值为几百微伏,环境噪声通过耦 合到传输原始信号的连接端，使原始信号的幅度相对变小，使后续信 号处理变得更加困难。(2) 其次，神经信号是在高阻抗条件下记录的，寄生电容所引 起的衰减非常大。(3) 最后，电极与人体组织液之间会产生高达一百毫伏的极化 电压，且这个电压随时间变化，如果它进入后续放大电路，将影响被 测神经信号。要解决这些问题，单从微电极的结构和材料上改进收效甚微，因 此，将后续信号调理电路与微电极集成的方法便应运而生，即有源神 经微电极。有源神经微电极釆用微电极与微电子信号调理控制芯片微装配 办法，将信号的釆集，处理以及刺激功能集成在一个前置信号处理芯 片上，不仅减少了因为环境噪声的干扰，而且很好的抑制了寄生电容 引起的衰减，滤除了极化电压，大大增强了整个微电极的信噪比和稳 定性。同时，将数字逻辑控制和刺激电路也集成在此芯片上，减少了 输出引线的数目，简化了后续电路的复杂性。发明内容为了克服了现有技术中无源微电极存在的信噪比小，克服环境干 扰能力差，系统复杂等问题，本发明提供一种将后续信号调理电路与 微电极集成在一起的有源神经微电极。本发明所述的有源神经微电极包括硅基微电极，片上信号调理 模块，片上控制及多路选择模块，信号后处理模块，刺激信号生成模 块，数字控制模块。本发明釆用图1所示的结构框图来实现有源神经微电极的釆集及 刺激。有源神经微电极工作在两种模式图1中第1路所示的是采集模 式，将神经细胞作为主要的信号源，通过微电极对神经信号釆集提取， 再在集成的芯片上进行信号调理，滤除极化电压，并对神经信号进行 约IOO倍的放大，然后根据片上控制决定是否向将此神经信号传输到 用户界面。第2路刺激模式，用户发出刺激指令，经过数字控制模块和刺激信号生成模块，并通过片上模式选择，将刺激信号经过神经微 电极送入神经细胞，从而实现对神经细胞的刺激。上述硅基微电极包括基于微工艺的硅基探针和cmos工艺的集成电路芯片。上述片上信号调理模块是由依次串联连接的高通滤波、偏置电 路、放大电路及并联连接在放大电路两端的反馈网络组成。上述片上控制及多路选择模块包括控制电路，用于实现对微电极工作模式的控制，完成釆集模式和刺激模式的切换；多路选择器，用于完成对不同测点的选择，这对实现神经信号的多点测量从而能够研究完整的神经信号体系有着至关重要的作用；门控开关，用于控制信号的执行电路，实现对釆集的神经信号和外加刺激信号通断的控 制。上述刺激信号生成模块是利用DSP产生类似于神经信号的微电 流信号，并通过芯片控制和探针传输到神经细胞。上述数字控制模块，利用cmos传输门和与非门协同控制釆集和 刺激模式。本发明相对于现有技术具有如下突出特点(1) 有源神经微电极将信号的釆集，处理以及刺激功能集成在 一个前置信号处理芯片上，不仅减少了因为环境噪声的干扰，而且很 好的抑制了寄生电容引起的衰减，滤除了极化电压，大大增强了整个 微电极的信噪比和稳定性；(2) 同时，将数字逻辑控制和刺激电路也集成在此芯片上，减 少了输出引线的数目，简化了后续电路的复杂性。(3 )将自主设计的硅基微电极与基于微电子工艺设计的专用调理控制芯片微装配为有源神经微电极，使用该有源微电极釆集神经信号并刺激神经组织，克服了无源微电极在信号釆集上的局限。釆用有源神经微电极的方案有效的克服了无源微电极信噪比小， 克服环境干扰能力差，系统复杂等问题，对硅基微电极与基于微电子 工艺所设计的专用调理与控制芯片的集成进行了探索研究，为神经信 号的釆集和对神经组织的刺激提供了有效的途径，为神经生理学，神 经假肢的发展提供了必要的工具。它可以使我们更好地理解中枢神经 系统神经元之间复杂的相互关系，和为开发实用的神经假体提供所需 的高度保真的知觉和控制信息，使治疗与中枢神经系统有关的疾病变 得更为切实可行。
图1有源神经微电极的釆集及刺激模式;图2生物信号釆集系统；图3微电极结构示意图；图4片上信号调理模块电路示意图；图5高通滤波电路；图6偏置电路；图7釆集模式控制模块电路；图8釆集模式控制模块电路。
具体实施方式
有源神经微电极工作在两种模式下，即釆集模式和刺激模式。 (1)釆集模式下(i)系统先通过硅微电极对神经信号进行釆集。 对照图2、图3,图2 (a)是硅微电极穿过神经组织细胞测量其 细胞膜电位的情况，图2 (b)中Re代表双电层上的泄漏电阻，Ce 代表铂铱合金测点与电解液面双电层所表现的电容性；Resp代表细胞内电解液的电阻，Rl和Cl为电极互连线电阻及互连线外部隔离层与组织液之间的分布电容；Ra和Ca代表放大器的输入阻抗。与电极 的阻抗Re和Ce来比，其他几个参数在神经信号的频率范围内一般可 以忽略。为了抑制输入信号中的直流电压，使交流信号衰减很小，需 要在放大器的前端加一个输入负载R,它和Ce构成高通滤波。R的阻 值由希望的得到的截止频率，直流衰减和电极的阻抗决定。(ii)然后，由微电极釆集到的信号进入到与之集成的片上信号 调理模块。对照图4，神经信号先经过无源高通滤波电路，将高达一百毫伏 的极化电压滤除，只留下幅值约在50-500微伏，频率在100Hz-10kHz 的神经信号。对照图5，利用两级电流镜比例缩小id，使并联的4个mos管处 于亚阈值范围，从而形成很高的输入阻抗，和探针的等效电容构成高 通滤波电路读。此信号是无偏置的，即零点为零电势，但片上放大电 路釆用单电源3. 3伏设计，对输入的神经信号，只能放大正半波，使 输出波形严重失真。因此为了获得不失真的神经信号交流波形，就必 须将神经信号偏置到电源电势的中值附近，即1.65伏才能实现放大 器的轨对轨输出，确保输出信号的摆幅在供电电源范围内。对照图6，本设计的偏置电路虛地釆用MOS管源跟随器实现。源跟随器(也叫做共漏级放大器)本身可以起到一个电压缓冲器的作用， 使信号的损失小到可以忽略不计。通过偏置电路后的神经信号进入放 大器，放大器釆用差分输入的两级放大结构，此具有约80dB的共模 抑制比和高达20G欧姆的输入阻抗，能够有效的实现电阻匹配，抑制 寄生电容造成的衰减，并由反馈网络构成闭环结构，闭环增益达"dB， 相位裕度约为65度，能够很好的实现对神经信号的放大。输出电压 也包含VDD/2的直流分量，这可以通过在输出端加隔直电容滤除直流 偏压。整个调理模块将滤波，偏置，放大，反馈集成在一块芯片里， 不但减少了电路面积，也控制了功率消耗。(iii)经过片上调理电路的信号将进入片上控制及多路选择模块。对照图7，此模块是由门控开关，控制电路，多路选择器构成。控制电路可以实现对微电极工作模式的控制，完成采集模式和刺激模 式的切换。多路选择器完成对不同测点的选择，这对实现神经信号的 多点测量从而能够研究完整的神经信号体系有着至关重要的作用。门 控开关是控制信号的执行电路，实现对釆集的神经信号和外加刺激信号通断的控制。釆集模式控制模块电路如图7。 (2)刺激模式下对照图8，用户发出刺激指令，经过数字控制模块和刺激信号生 成模块，并通过片上模式选择，将刺激信号经过神经微电极送入神经 细胞，实现对神经细胞的刺激。釆集模式控制模块电路如图8。微电子工艺所设计的专用调理与控制芯片引出8个功能管脚，分 别是5个地址信号(输入)，l个模式控制信号(输入)，l个刺激信 号(输入)，l个釆集信号(输出)。其中5个地址信号可以控制32 路信号的选通，模式控制信号控制采集和刺激模式的切换，刺激信号 是模拟神经信号的微电流输入，釆集信号是神经微电极的输出。输入 信号由用户界面通过数字控制模块产生，输出的釆集信号经过后处理 和模数转换显示在用户界面上。
权利要求
1. 一种有源神经微电极，包括硅基微电极，片上信号调理模块，片上控制及多路选择模块，信号后处理模块，刺激信号生成模块，数字控制模块。
2、 如权利要求1所述一种有源神经微电极，其特征在于，所述硅 基微电极包括基于微工艺的硅基探针和cmos工艺的集成电路芯片。
3、 如权利要求1所述一种有源神经微电极，其特征在于，所述片 上信号调理模块是由依次串联连接的高通滤波、偏置电路、放大电路及 并联连接在放大电路两端的反馈网络组成。
4、 如权利要求1所述一种有源神经微电极，其特征在于，所述片 上控制及多路选择模块包括控制电路，用于实现对微电极工作模式的控制，完成釆集模式和刺 激模式的切换；多路选择器，用于完成对不同测点的选择，这对实现神经信号的多 点测量从而能够研究完整的神经信号体系有着至关重要的作用；门控开关，用于控制信号的执行电路，实现对釆集的神经信号和外 加刺激信号通断的控制。
5、 如权利要求1所述一种有源神经微电极，其特征在于，所述刺 激信号生成模块是利用DSP产生类似于神经信号的微电流信号，并通过 芯片控制和探针传输到神经细胞。
6、 如权利要求1所述一种有源神经微电极，其特征在于，所述数 字控制模块，利用cmos传输门和与非门协同控制釆集和刺激模式。
全文摘要
本发明涉及一种可以与生物体的神经系统进行交流和沟通的有源神经微电极，属于生物医学工程技术领域。本发明所述的有源神经微电极包括硅基微电极，片上信号调理模块，片上控制及多路选择模块，信号后处理模块，刺激信号生成模块，数字控制模块。本发明相对于现有技术具有如下突出特点(1)将信号的采集，处理以及刺激功能集成在一个前置信号处理芯片上，不仅减少了因为环境噪声的干扰，而且很好的抑制了寄生电容引起的衰减，滤除了极化电压，大大增强了整个微电极的信噪比和稳定性；(2)同时，将数字逻辑控制和刺激电路也集成在此芯片上，减少了输出引线的数目，简化了后续电路的复杂性。
文档编号A61B5/0478GK101248994SQ200710061400
公开日2008年8月27日 申请日期2007年10月10日 优先权日2007年10月10日
发明者斐 孙, 李洪宇, 李醒飞, 盼 王, 莹 钟, 雪 韩 申请人:天津大学