神经元芯片中电路与MEA的设计及实验研究

摘要

神经系统是人体内起主导作用的功能调节系统。探索神经系统的结构和信号处理机制，揭示高级神经活动的本质，是人类最为重大的自然科学命题之一。神经元是神经系统的基本构成单位，对神经系统的研究离不开对神经元及神经元集群间信号传导机制的研究。神经元之间电信号的传递机制，如外界刺激信号的幅度、频率会如何影响神经元电信号的产生和传递，至今还不是很清楚。因此有必要利用微电子学的方法探索神经元集群间电信号的传递机制，进一步揭示整个神经系统的功能。
　　 神经元芯片技术作为一种对神经元放电信号进行胞外探测和激励的一种方法，具有其独特的优势。本文在课题组前期研究的基础上，设计了应用于神经元芯片中的MEA、通道选择控制电路和探测激励电路。
　　 本文采用CSMC公司的0.5μmCMOS工艺设计了用于电极通道选择电路的移位寄存器（四位），用于实现串行通道控制信号到并行信号的转换，降低神经芯片外围焊盘数量以降低神经芯片整体面积。该芯片的核心电路是D触发器的设计。设计完成后采用四位二进制编码（16种）对移位寄存器进行了测试，测试结果表明电路能正确地实现串行信号到并行信号的转换。
　　 此外，同样采用CSMC0.5μmCMOS工艺设计了用于神经元及集群电信号探测和激励电路，用来对微弱神经信号进行放大探测和对神经元及集群进行电激励。电路的核心单元是两种高性能运算放大器:低噪声、低功耗运算放大器和恒跨导、轨到轨运算放大器。流片完成后使用不同幅度、不同频率和不同波形的信号对电路进行了测试，测试结果表明，电路能正确地对信号进行放大，有望用于神经芯片系统的集成设计。
　　 另外，本文采用硅基微加工工艺设计十种不同的MEA，其中有五种不同整体尺寸，包括:5mm×5mm、4mm×4mm、3mm×3mm、2.5mm×2.5mm和2mm×2mm，和采用较小尺寸的电极设计的两种规格的电极间距配置。设计的MEA采用清华大学微电子研究所的硅基微加工工艺制作。
　　 采用课题组自主研制的硅基MEA进行了四种实验:四种介质下硅基MEA电极间信号传递特性实验、硅基MEA上PC12细胞单路电极与单路电信号探测实验、硅基MEA上PC12细胞单路电极与多路电信号探测实验以及硅基MEA上PC12细胞乙酰胆碱化学激励与电激励联合实验，并对实验结果进行了分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 神经细胞基础

1．2 细胞电信号测量方法

1．2．1 MEA(Microeleetrode Array)技术

1．2．2 基于CMOS工艺的神经芯片技术

1．3 本论文研究内容和目标

1．4 本论文的章节结构

参考文献

第二章 通道选择电路设计

2．1 引言

2．2 集成电路简介及工艺选择

2．2．1 集成电路简介

2．2．2 工艺选择

2．3 移位寄存器电路原理

2．4 相关基本门电路

2．4．1 CMOS传输门(TG，Transmission Gate)

2．4．2 CMOS反相器

2．5 移位寄存器电路设计与分析

2．5．1 D触发器的设计

2．5．2 移位寄存器及其仿真

2．6 开关逻辑控制电路版图设计

2．7 开关逻辑控制电路芯片测试

2．8 本章总结

参考文献

第三章 神经元集群电信号探测与激励电路设计

3．1 引言

3．2 神经电信号探测、激励性能要求

3．3 神经电信号探测、激励电路设计

3．4 单元电路设计

3．4．1 低噪声、低功耗运算放大器设计

3．4．2 轨到轨、恒跨导运算放大器设计

3．4．3 偏置电路设计

3．5 整体电路仿真结果

3．6 版图设计与后仿真

3．7 芯片测试

3．8 本章总结

参考文献

第四章 硅基MEA设计

4．1 引言

4．2 平面电极记录细胞电信号及电激励的原理

4．3 硅基MEA设计

4．3．1 电极点尺寸设计

4．3．2 电极点间距的设计

4．3．3 引线的设计

4．3．4 整体尺寸及焊盘的设计

4．3．5 十种MEA版图

4．4 本章总结

参考文献

第五章 生物学实验

5．1 引言

5．2 四种介质下硅基MEA电极问信号传递特性试验

5．2．1 实验材料与方法

5．2．2 实验结果分析

5．3 硅基MEA上PC12细胞的单路电激励与单路电信号探测实验

5．3．1 实验材料与方法

5．3．2 实验结果分析

5．4 硅基MEA上PC12细胞的单路电激励与多路电信号探测实验

5．4．1 实验材料与方法

5．4．2 实验结果分析

5．5 硅基MEA上PC12细胞电信号激励与乙酰胆碱激励联合实验

5．5．1 实验材料与方法

5．5．2 实验结果分析

5．6 本章总结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

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