基于氮化铝压电微机械超声换能器如何植入式生物医疗

随着生物医疗、纳米技术和微电子技术的不断演进,人们对植入式生物医疗设备(IBD)的需求正在迅速增长。无线电能传输(WPT)是为植入式生物医疗设备供电的一种赋能技术,由于安全性和占用空间问题,无线电能传输设备的生物相容性和CMOS兼容性至关重要。近年来,声学无线电能传输研究受到广泛关注,基于植入式生物医疗设备的声学无线电能传输也取得了巨大的进步,但仍存在一些问题和挑战。
据麦姆斯咨询报道,近期,天津大学庞慰教授、张孟伦助理教授研究团队针对植入式生物医疗应用,提出一种基于氮化铝压电微机械超声换能器(AlN-PMUT)的超声感应无线电源,集无线电能传输、电源管理和储能功能于一体,能够满足多种低功耗植入式生物医疗设备供电。该无线电源的全部功能有望集成在单颗芯片上,为将来开发更安全、超微型化的无线电源奠定了基础。相关研究成果已发表于Scientific Reports期刊。
目前,对AlN-PMUT的研究主要集中在超声测距和超声成像应用上,在无线电能传输方面的应用研究不多,尽管以往研究提出过一些可能的解决方案,但基于AlN-PMUT的植入式无线电源尚未实现。该项研究中,研究人员探讨了可行的解决方案。
该项研究工作提出的超声感应无线电源装置是在直径为1 cm的印刷电路板(PCB)上实现的,采用的制造工艺都不涉及铅。与常用的锆钛酸铅(PZT)相比,AlN薄膜具有更好的生物相容性和CMOS兼容性。该电源集无线电能传输、电源管理和储能功能于一体。该AlN-PMUT阵列的灵敏度约为1 V/MPa,电能传输效率约为0.236%。为了提高电能传输效率,研究人员引入了电阻抗匹配网络,经过整流和升压电路,输出功率强度达到7.36 μW/mm²,100 μF电容上的充电电压可达3.19 V。
基于氮化铝压电微机械超声换能器如何植入式生物医疗

超声感应无线电源框图
基于氮化铝压电微机械超声换能器如何植入式生物医疗

AlN-PMUT阵列
基于氮化铝压电微机械超声换能器如何植入式生物医疗

超声感应无线电源装置
该超声感应无线电源足以满足多种低功耗的植入式生物医疗设备供电需求,如神经电刺激、生物传感器和体内通信应用等。 研究人员称,未来将会继续专注优化AlN-PMUT阵列和电阻抗匹配网络,以实现更高的电源输出功率和电能传输效率。此外,将会使用封装好的电源装置植入生物体内进行实验,以验证实际应用效果。最后,由于AlN-PMUT阵列的CMOS兼容性,未来电路可通过ASIC方式实现,并与AlN-PMUT阵列集成为单颗芯片,其尺寸可以缩小到毫米级甚至更小。该项研究提出的解决方案为未来开发超微型化、生物相容和CMOS兼容的无线电源铺平了道路。
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