基于氮化鋁壓電微機(jī)械超聲換能器如何植入式生物醫(yī)療

隨著生物醫(yī)療、納米技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷演進(jìn)，人們對(duì)植入式生物醫(yī)療設(shè)備（IBD）的需求正在迅速增長(zhǎng)。無(wú)線電能傳輸（WPT）是為植入式生物醫(yī)療設(shè)備供電的一種賦能技術(shù)，由于安全性和占用空間問(wèn)題，無(wú)線電能傳輸設(shè)備的生物相容性和CMOS兼容性至關(guān)重要。近年來(lái)，聲學(xué)無(wú)線電能傳輸研究受到廣泛關(guān)注，基于植入式生物醫(yī)療設(shè)備的聲學(xué)無(wú)線電能傳輸也取得了巨大的進(jìn)步，但仍存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，天津大學(xué)龐慰教授、張孟倫助理教授研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)植入式生物醫(yī)療應(yīng)用，提出一種基于氮化鋁壓電微機(jī)械超聲換能器（AlN-PMUT）的超聲感應(yīng)無(wú)線電源，集無(wú)線電能傳輸、電源管理和儲(chǔ)能功能于一體，能夠滿(mǎn)足多種低功耗植入式生物醫(yī)療設(shè)備供電。該無(wú)線電源的全部功能有望集成在單顆芯片上，為將來(lái)開(kāi)發(fā)更安全、超微型化的無(wú)線電源奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。

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

該項(xiàng)研究工作提出的超聲感應(yīng)無(wú)線電源裝置是在直徑為1 cm的印刷電路板（PCB）上實(shí)現(xiàn)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(wú)線電能傳輸、電源管理和儲(chǔ)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(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)整流和升壓電路，輸出功率強(qiáng)度達(dá)到7.36 μW/mm2，100 μF電容上的充電電壓可達(dá)3.19 V。

超聲感應(yīng)無(wú)線電源框圖

AlN-PMUT陣列

超聲感應(yīng)無(wú)線電源裝置

該超聲感應(yīng)無(wú)線電源足以滿(mǎn)足多種低功耗的植入式生物醫(yī)療設(shè)備供電需求，如神經(jīng)電刺激、生物傳感器和體內(nèi)通信應(yīng)用等。

研究人員稱(chēng)，未來(lái)將會(huì)繼續(xù)專(zhuān)注優(yōu)化AlN-PMUT陣列和電阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)更高的電源輸出功率和電能傳輸效率。此外，將會(huì)使用封裝好的電源裝置植入生物體內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證實(shí)際應(yīng)用效果。最后，由于AlN-PMUT陣列的CMOS兼容性，未來(lái)電路可通過(guò)ASIC方式實(shí)現(xiàn)，并與AlN-PMUT陣列集成為單顆芯片，其尺寸可以縮小到毫米級(jí)甚至更小。該項(xiàng)研究提出的解決方案為未來(lái)開(kāi)發(fā)超微型化、生物相容和CMOS兼容的無(wú)線電源鋪平了道路。