神經(jīng)元芯片中電路與MEA的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、神經(jīng)系統(tǒng)是人體內(nèi)起主導(dǎo)作用的功能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。探索神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理機(jī)制，揭示高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)的本質(zhì)，是人類最為重大的自然科學(xué)命題之一。神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成單位，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的研究離不開(kāi)對(duì)神經(jīng)元及神經(jīng)元集群間信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制的研究。神經(jīng)元之間電信號(hào)的傳遞機(jī)制，如外界刺激信號(hào)的幅度、頻率會(huì)如何影響神經(jīng)元電信號(hào)的產(chǎn)生和傳遞，至今還不是很清楚。因此有必要利用微電子學(xué)的方法探索神經(jīng)元集群間電信號(hào)的傳遞機(jī)制，進(jìn)一步揭示整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)的功能。
　

2、　 神經(jīng)元芯片技術(shù)作為一種對(duì)神經(jīng)元放電信號(hào)進(jìn)行胞外探測(cè)和激勵(lì)的一種方法，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文在課題組前期研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于神經(jīng)元芯片中的MEA、通道選擇控制電路和探測(cè)激勵(lì)電路。
　　 本文采用CSMC公司的0.5μmCMOS工藝設(shè)計(jì)了用于電極通道選擇電路的移位寄存器（四位），用于實(shí)現(xiàn)串行通道控制信號(hào)到并行信號(hào)的轉(zhuǎn)換，降低神經(jīng)芯片外圍焊盤(pán)數(shù)量以降低神經(jīng)芯片整體面積。該芯片的核心電路是D觸發(fā)器的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成后采用四位二

3、進(jìn)制編碼（16種）對(duì)移位寄存器進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明電路能正確地實(shí)現(xiàn)串行信號(hào)到并行信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
　　 此外，同樣采用CSMC0.5μmCMOS工藝設(shè)計(jì)了用于神經(jīng)元及集群電信號(hào)探測(cè)和激勵(lì)電路，用來(lái)對(duì)微弱神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行放大探測(cè)和對(duì)神經(jīng)元及集群進(jìn)行電激勵(lì)。電路的核心單元是兩種高性能運(yùn)算放大器:低噪聲、低功耗運(yùn)算放大器和恒跨導(dǎo)、軌到軌運(yùn)算放大器。流片完成后使用不同幅度、不同頻率和不同波形的信號(hào)對(duì)電路進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，電路能正確地

4、對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，有望用于神經(jīng)芯片系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)。
　　 另外，本文采用硅基微加工工藝設(shè)計(jì)十種不同的MEA，其中有五種不同整體尺寸，包括:5mm×5mm、4mm×4mm、3mm×3mm、2.5mm×2.5mm和2mm×2mm，和采用較小尺寸的電極設(shè)計(jì)的兩種規(guī)格的電極間距配置。設(shè)計(jì)的MEA采用清華大學(xué)微電子研究所的硅基微加工工藝制作。
　　 采用課題組自主研制的硅基MEA進(jìn)行了四種實(shí)驗(yàn):四種介質(zhì)下硅基MEA電極間信號(hào)傳遞特性