УЗИ

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 16174 (2022) Цитировать эту статью

2522 Доступа

5 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Беспроводная передача энергии — одна из перспективных технологий для питания имплантируемых биомедицинских устройств. Биосовместимость и КМОП-совместимость устройств беспроводной передачи энергии крайне желательны из соображений безопасности и занимаемой площади. Что касается имплантируемых приложений, в этой статье представлен беспроводной источник питания, индуцированный ультразвуком, на основе пьезоэлектрического микромашинного ультразвукового преобразователя AlN (PMUT). Беспроводной источник питания объединяет функции беспроводной передачи энергии, управления питанием и хранения энергии. Массив PMUT используется в качестве пассивного беспроводного приемника энергии, за которым следуют сети согласования электрического импеданса и умножитель напряжения для эффективной передачи и выпрямления энергии. Интенсивность выходной мощности беспроводного приемника достигает 7,36 мкВт/мм2 при мощности падающего ультразвука ниже предела безопасности FDA. Выходная мощность беспроводного источника питания достигает 18,8 мкВт, а конденсатор емкостью 100 мкФ после управления питанием полностью заряжается до напряжения 3,19 В, которого достаточно для питания многих маломощных имплантируемых биомедицинских устройств, таких как устройства для нейронной электростимуляции, биосенсоры и внутрителесная связь. Приложения. Беспроводной блок питания реализован на печатной плате диаметром 1 см. Благодаря биосовместимости и КМОП-совместимости тонкой пленки AlN по сравнению с обычно используемым PZT, предлагаемое решение открывает путь к более безопасным и сверхминиатюрным беспроводным источникам питания с дальнейшей разработкой, включающей в будущем все функции на монолитном чипе.

Благодаря последним достижениям в области биомедицины, нанотехнологий и микроэлектроники спрос на беспроводные источники питания для имплантируемых биомедицинских устройств (IBD) быстро растет1. ВЗК широко применяются в повседневной жизни, например, нервно-мышечные стимуляторы, зрительные протезы, кардиостимуляторы, сердечные дефибрилляторы, кохлеарные имплантаты, pH-мониторы, тонометры и гастростимуляторы. Эти устройства могут обеспечивать функции диагностики, лечения и мониторинга в режиме реального времени, а также улучшать качество жизни пациентов. В настоящее время большинство имплантируемых биомедицинских устройств по-прежнему работают в организме человека от батареек. Хотя в последние годы аккумуляторная технология достигла впечатляющих успехов2,3, эта технология по-прежнему имеет очевидные недостатки. Батареи имеют ограниченный срок службы, относительно большой вес и объем, возможность утечки токсичных веществ и трудности с интеграцией. Частая замена батареи для поддержания ВЗК во время лечения может вызвать неудобства и возможные травмы пациентов.

Чтобы решить эти проблемы, были проведены исследования по удалению батарей из IBD или продлению срока службы батарей. Беспроводная передача энергии (WPT) является одной из технологий, обеспечивающих питание IBD. Для питания IBD было предложено несколько стратегий БПЭ, в основном включая метод индуктивной связи, акустический метод и метод электромагнитного излучения4. Электромагнитное излучение В БПЭ используются передающие и приемные антенны для передачи энергии посредством электромагнитных волн5. Однако электромагнитные волны могут легко вызвать чрезмерный нагрев тканей, и эти волны сильно ослабляются в тканях человека. Кроме того, большая длина волны электромагнитных волн приводит к относительно большому размеру приемника. Индуктивная связь БПЭ основана на двух связанных катушках6. Этот метод обеспечивает высокую эффективность в ближнем поле, но резко ухудшает эффективность в дальнем поле, что ограничивает полезную глубину IBD. В акустических БПЭ в качестве приемников энергии обычно используются ультразвуковые преобразователи. По сравнению с двумя другими методами он позволяет добиться меньших размеров приемников и более глубокого проникновения благодаря более коротким длинам волн и меньшему затуханию в организме соответственно4. Кроме того, задействованы минимальный нагрев тканей и электромагнитные помехи7.