[發明專利]有源神經微電極的專用信號調理控制芯片

無效

• 申請號: 200710061399.4
• 申請日: 2007-10-10
• 公開（公告）號: CN101248993A
• 公開（公告）日: 2008-08-27
• 發明（設計）人: 李醒飛;鐘瑩;李洪宇;孫斐;韓雪;王盼
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: A61B5/0478
• 分類號: A61B5/0478
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司
• 代理人: 侯力

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，特別涉及一種有源神經微電極專用的針對生物體神經信號的調理控制芯片。

背景技術

隨著MEMS加工工藝的發展，神經微電極已經發展到多維陣列水平，與之對應所需要的信號調理控制電路也成幾何級數增加，芯片的尺寸，功耗，集成度就顯得越來越重要；加上神經信號本身具有幅值小，頻率低，高阻抗下紀錄以及受極化電壓干擾大的特點，所以有源神經微電極的專用信號調理控制芯片便成為了當今有源神經微電極技術中的重點和難點。

國內外目前的調理控制芯片多采用雙端輸入，一端接被測量神經信號，一端接參考信號。但是，由于測量電極和參考電極的極化電壓會由于插入方向的不同而產生較大的變化，以及神經組織各向異性的影響，會導致參考實效，造成測量的不穩定性。電源方面，多采用雙電源設計，這樣既增加了電源的復雜性和不穩定性，也不利于便攜式的應用。

增益方面，在論文“Sui?Xiaohong，Liu?Jinbin，Gu?Ming等，Simulationof?a?Monolithic?Integrated?CM?OS?Preamplifier?for?Neural?Recordings，半導體學報第26卷第12期”中公開了一種一級電容式的閉環結構，詳細結構見附圖1，這種結構只適用于雙端輸入的情況，且電容受頻率變化影響較大。在論文“王余峰王志功呂曉迎等，單片集成低功耗神經信號檢測CMOS放大器，半導體學報第27卷第8期”中公開了一種電流模式儀表放大器電路，詳細結構見附圖2，雖然增益，帶寬，以及共模抑制比較好，但是芯片尺寸和功耗也隨之提升，不利于多路檢測使用。

此外，這些芯片都是針對單路放大設計，沒有很好的把多維電極和多路放大器結合起來。

發明內容

本發明的任務是為有源神經微電極設計專用的信號調理控制芯片，使其裝配在硅基微電極上，構成有源微電極，實現采集神經信號并刺激神經組織的功能。

本發明所述有源神經微電極的專用信號調理控制芯片包括：高通濾波模塊，偏置電路，放大電路，反饋網絡，門控開關，多路選擇器，模式識別模塊，各個功能模塊之間順序串聯。

上述高通濾波模塊是由放大器前端的一個輸入負載，鉑銥合金測點與電解液面雙電層所形成的電容構成；上述輸入負載阻值大于30MΩ；上述輸入負載采用了MOS管結構；

上述高通濾波模塊包括：兩級電流鏡，一個亞閾值狀態的mos管；

第一級電流鏡：P溝道無源電流鏡結構，共柵共源連接，縮小比例20倍；

第二級電流鏡：N溝道無源電流鏡結構，共柵共源連接，縮小比例20倍。

上述偏置電路采用MOS管源跟隨器實現；nmos管1和pmos管2組成的分壓式基準電壓結構電流源，向由pmos管3和4組成無源電流鏡結構的電流鏡提供電流，電流鏡將此電流鏡像到由nmos管5和pmos管6，使兩管均處在飽和導通狀態，組成源跟隨器的結構。

上述放大電路采用兩級放大結構，具有約80dB的共模抑制比，高達20g歐姆的輸入阻抗，相位裕度約為65度。

上述反饋網絡采用電阻網絡結構，閉環增益達40dB。

上述模式識別模塊包括：順序串聯的反向器和與非門。

本系統采用圖3所示的結構框圖來實現有源神經微電極的采集及刺激。

有源神經電極的專用信號調理控制芯片的結構是由32路放大器和一個多路選擇器構成。其中每一個單路放大其中又分為模擬和數字兩大部分。模擬部分主要負責信號的濾波，偏置及放大，數字部分負責控制單路的選通和模式的識別。

本發明有兩種主要的工作狀態，采集模式和刺激模式。在采集模式中，通過地址信號和模式信號選通所需要的單路放大器，通過微電極對神經信號采集提取，再在芯片上進行信號調理，濾除極化電壓，并對神經信號進行約100倍的放大；刺激模式下，通過地址信號和模式信號選通所需要的微電極，將刺激信號經過神經微電極送入神經細胞，從而實現對神經細胞的信號采集及刺激。

本發明相對于現有技術，有如下優點：

(1)采用針對有源神經微電極的專用調理控制芯片的方案有效的克服了現有技術必須采用雙端輸入，雙電源，不能同時刺激神經組織等問題；

(2)對基于微電子工藝所設計的專用調理控制芯片的集成進行了探索研究，為神經信號的采集和對神經組織的刺激提供了有效的途徑，為神經生理學，神經假肢的發展提供了必要的工具。它可以使我們更好地理解中樞神經系統神經元之間復雜的相互關系，和為開發實用的神經假體提供所需的高度保真的知覺和控制信息，使治療與中樞神經系統有關的疾病變得更為切實可行。