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应用于神经通路研究的微机电系统探针与低功耗低噪声单集成芯片系统
  • ISSN号:0253-3820
  • 期刊名称:《分析化学》
  • 时间:0
  • 分类:TN407[电子电信—微电子学与固体电子学]
  • 作者机构:[1]山东师范大学物理与电子科学学院,济南240014, [2]中国科学院电子学研究所传感技术联合国家重点实验室生物电子(北方基地),北京100190, [3]山东师范大学山东省医学物理图像处理技术重点实验室生命与健康研究院物理与电子科学学院,济南240014, [4]Department of Electrical and Computer Engineering, North Dakota State University,Fargo, ND 58102 USA, [5]山东师范大学心理学院实验心理学实验室,济南240014
  • 相关基金:本文系国家自然科学基金项目(Nos.61527815,31500800,61501426,61471342),国家重点基础研究发展计划(No.2014CB744600),北京市科技计划(No.Z141100000214002),中科院重点部署项目(No.KJZD-EW-Lll-2)资助
中文摘要:

针对神经内海马区谷氨酸化学递质与神经电生理信号的并行双模检测需要,设计了8通道电化学递质与电生理双模并行检测传感芯片微系统,系统组件包括:基于SOI(Silicon-on-insulator)工艺衬底制备的微机电系统MEMS(Micro-electro-mechanicalsystem)神经信息检测探针、低噪声颅内神经电小信号放大器、低功耗中速SAR(Successiveapproximationregister)-ADC(Analog/DigitalConverter)模/数转换器、精简低能耗OOK(On-Off-Keying)/FSK(Frequency-Shift-Keying)调制射频发射器。本微型神经信息传感芯片系统具有体积小、抗干扰、化学递质与电生理信号并行检测、灵敏性好、线性度髙等特点。对电生理裸探针的4个电生理位点表面沉积祐黑,电极阻抗优化为35.0k赘;通过酶固定技术在谷氨酸检测位点上纳米定向修饰酶复膜结构(Pt-mPD-GluOx)以形成具有特异选择性的生物识别点,实现神经化学递质谷氨酸的检测;在6~35滋mo^L谷氨酸浓度范围内线性度是0.97,单位面积灵敏度是0.0069pA/(滋mo^L),电流响应误差<3.0pA,表明此探针可以实现特异选择功能。同时,基于数模混合180nm的ASIC(Applicationspecificintegratedcircuit)芯片制造工艺(SmicRF180nmlPoly6M)制造的神经电生理传感后端信息调理单芯片,其内部关键测试指标:微弱小信号低噪系电压放大器(等效输人噪声电压臆0.7滋Vrms,增益>70dB,电源/共模抑制比>100dB等)、SAR-ADC(有效量化位数是12bits,功耗1.2mW,最大转换速率1Msps,信噪比为60.9dB)、ASK/FSK调制的射频发射器(功放PA4~5dBm,输出功率满足10m辐射距离)。此微型神经信息感知处理芯片集成检测系统,可为海马区神经通路的研究提供便携、普适性的无线可穿戴设备。

英文摘要:

A8-channel neural signal's simultaneous transducer detection micro system was developed toresearch the neural loop located at the brain hippocampus zone.The components of the system contained theneural probe manufactured with the Micro-electro-mechanical-systems(MEMS)technique based on silicon-oninsulator(SOI)substrate,biological low noise chopper-stabilization amplifier,low noise and intermediatespeed SAR-ADC converter,reduced and low power ASK/FSK modulation radio transmitter.The micro systemwas applicable with the characters of small volume,interferences free,neural electrophysiology andneurotransmitter simultaneous detection,high sensitivity,high linearity,etc.The electrode resistance wasoptimized to35.0k赘after depositing nanometer platinum black on the4electrophysiological sites on the Ptelectrode.With the modification enzyme technique,nanomaterial enzyme membrane(Pt-mPD-GluOx)was directly fixed on the glutamate detection locus for selectively detecting special neural neurotransmitter matter.In addition,the electrochemistry measurement results indicated that the linear range of glutamate was6-35滋mol/L with correlation coefficient of0.97,the sensitivity was0.0069pA/(滋mol/L).The currentresponse error was less than3.0pA,which showed that the neural needle satisfied differential selection.Also,the logic/analog mixed signal180-nm Application specific integrated circuit(ASIC)technique(SmicRF180nm1Poly6M)was used to manufacture the transducer back-end disposing IC chip,and the testresults provided some key parameters such as chopper-stabilization amplifier(equivalent in putting noisevoltage臆0.7滋V rms@1kHz,gain of71-82dB,CMRR/PSRR>100dB),SAR-ADC(ENOB is12bits,power consumption is1.2mW when maxmium conversion speed is1Msps,signal-noise-ratio is60.9dB,e tc),and ASK/FSK modulation radio transmitter(the PArs outputting power of4-5dBm,the radiation rangeof10meters).The micro neural transducer integrated system was convenient and wireless wearable for theresearch of brain hippocampus region.

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期刊信息
  • 《分析化学》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国化学会 中国科学院长春应用化学研究所
  • 主编:杨秀荣
  • 地址:长春市人民大街5625号
  • 邮编:130022
  • 邮箱:fxhx@ciac.ac.cn
  • 电话:0431-85262017
  • 国际标准刊号:ISSN:0253-3820
  • 国内统一刊号:ISSN:22-1125/O6
  • 邮发代号:12-6
  • 获奖情况:
  • 1999获首届国家期刊奖,2000年获中国科学院优秀期刊特别奖,2001年入选中国期刊方阵“双高”期刊
  • 国内外数据库收录:
  • 俄罗斯文摘杂志,美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国乌利希期刊指南,美国剑桥科学文摘,美国科学引文索引(扩展库),日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),英国英国皇家化学学会文摘,中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:52455