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    基于AlN-PUMT的超聲感應無線電源,可用于植入式生物醫療

    2022-10-13 09:00 MEMS

    導讀:隨著生物醫療、納米技術和微電子技術的不斷演進,人們對植入式生物醫療設備(IBD)的需求正在迅速增長。

    隨著生物醫療、納米技術和微電子技術的不斷演進,人們對植入式生物醫療設備(IBD)的需求正在迅速增長。無線電能傳輸(WPT)是為植入式生物醫療設備供電的一種賦能技術,由于安全性和占用空間問題,無線電能傳輸設備的生物相容性和CMOS兼容性至關重要。近年來,聲學無線電能傳輸研究受到廣泛關注,基于植入式生物醫療設備的聲學無線電能傳輸也取得了巨大的進步,但仍存在一些問題和挑戰。

    據麥姆斯咨詢報道,近期,天津大學龐慰教授、張孟倫助理教授研究團隊針對植入式生物醫療應用,提出一種基于氮化鋁壓電微機械超聲換能器(AlN-PMUT)的超聲感應無線電源,集無線電能傳輸、電源管理和儲能功能于一體,能夠滿足多種低功耗植入式生物醫療設備供電。該無線電源的全部功能有望集成在單顆芯片上,為將來開發更安全、超微型化的無線電源奠定了基礎。相關研究成果已發表于Scientific Reports期刊。

    目前,對AlN-PMUT的研究主要集中在超聲測距和超聲成像應用上,在無線電能傳輸方面的應用研究不多,盡管以往研究提出過一些可能的解決方案,但基于AlN-PMUT的植入式無線電源尚未實現。該項研究中,研究人員探討了可行的解決方案。

    該項研究工作提出的超聲感應無線電源裝置是在直徑為1 cm的印刷電路板(PCB)上實現的,采用的制造工藝都不涉及鉛。與常用的鋯鈦酸鉛(PZT)相比,AlN薄膜具有更好的生物相容性和CMOS兼容性。該電源集無線電能傳輸、電源管理和儲能功能于一體。該AlN-PMUT陣列的靈敏度約為1 V/MPa,電能傳輸效率約為0.236%。為了提高電能傳輸效率,研究人員引入了電阻抗匹配網絡,經過整流和升壓電路,輸出功率強度達到7.36 μW/mm2,100 μF電容上的充電電壓可達3.19 V。

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    超聲感應無線電源框圖

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    AlN-PMUT陣列

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    超聲感應無線電源裝置

    該超聲感應無線電源足以滿足多種低功耗的植入式生物醫療設備供電需求,如神經電刺激、生物傳感器和體內通信應用等。

    研究人員稱,未來將會繼續專注優化AlN-PMUT陣列和電阻抗匹配網絡,以實現更高的電源輸出功率和電能傳輸效率。此外,將會使用封裝好的電源裝置植入生物體內進行實驗,以驗證實際應用效果。最后,由于AlN-PMUT陣列的CMOS兼容性,未來電路可通過ASIC方式實現,并與AlN-PMUT陣列集成為單顆芯片,其尺寸可以縮小到毫米級甚至更小。該項研究提出的解決方案為未來開發超微型化、生物相容和CMOS兼容的無線電源鋪平了道路。


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