基于聲學超構(gòu)材料的無源溫度傳感器提供mK級溫度分辨率

無線醫(yī)療傳感器通常利用電磁耦合或超聲波進行能量傳輸和傳感器詢問。能量傳輸和管理比較復雜，往往限制了植入式傳感器系統(tǒng)的適用性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）的研究人員報道了一種新的無源溫度傳感方案，該方案基于嵌入聚二甲基硅氧烷基質(zhì)的硅制成的聲學超構(gòu)材料（metamaterial）。與其它的方法相比，這一概念的實現(xiàn)不需要額外的原位電氣元件或定制的接收單元。研究人員在演示中使用標準的超聲波換能器來直接激勵和收集反射信號。超構(gòu)材料在接近典型醫(yī)用頻率（5 MHz）下共振，并表現(xiàn)出高質(zhì)量因子。將超構(gòu)材料的設計特點和聚二甲基硅氧烷基質(zhì)的高溫度靈敏度相結(jié)合，研究人員實現(xiàn)了30 mK的溫度分辨率。相關(guān)研究成果以“An in vitro demonstration of a passive, acoustic metamaterial as a temperature sensor with mK resolution for implantable applications”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

在這項工作中，研究人員提出了一種用于醫(yī)療領域的聲學溫度傳感器的概念驗證，該傳感器是純無源的，并且基于聲學超構(gòu)材料設計而成。超構(gòu)材料傳感器的聲學特性由溫度調(diào)制。外部超聲換能器的詢問是通過分析反射的聲學信號來執(zhí)行的，從而消除了能量傳輸、存儲和管理的需要。這種超構(gòu)材料由兩種對比鮮明的聲阻抗材料組成：排列在六邊形晶格中的硅微柱和由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的嵌入聚合物基質(zhì)。聲學超構(gòu)材料是由一個4英寸、500?μm厚的硅晶圓通過深反應離子蝕刻（DRIE）制成。其設計經(jīng)過優(yōu)化，表現(xiàn)出共振接近5 MHz的聲反射，這是醫(yī)用超聲探頭的典型中心頻率。

骨植入物中聲學溫度傳感器的概念設計

研究人員在29-43°C（~302-316 K）的溫度范圍內(nèi)研究了三種不同的體外設計：一種簡單的硅和PDMS雙層材料（簡稱Bilayer）和兩種硅聲學超構(gòu)材料，分別是無PDMS涂層（簡稱Si-Meta）和有PDMS涂層（簡稱PDMS-Meta）。PDMS-Meta和Bilayer的溫度靈敏度在數(shù)量級上相似，均顯著超過Si-Meta（>20倍）。有限元仿真的結(jié)果表明溫度靈敏度的來源是由于PDMS的體積模量的溫度依賴性，它決定了PDMS縱波（p-）的聲速。這解釋了Bilayer傳感器和PDMS-Meta傳感器具有相似的靈敏度值。

三種傳感器的溫度靈敏度和分辨率的平均值及其提取過程

在溫度分辨率方面，經(jīng)平均計算，PDMS-Meta比Bilayer高出近一個數(shù)量級（30 mK vs. 0.22 K），比Si-Meta高出近15倍。研究人員已經(jīng)證明，峰寬與殘差的標準偏差相關(guān)，這最終影響分辨率。研究人員解釋說，PDMS-Meta分辨率的提高是由于PDMS的高溫度靈敏度與硅微柱晶格的正協(xié)同作用，這導致了尖銳的聲學共振。

研究人員推測，共振的尖銳度是由于硅微柱的存在引起的聲學局域模式。但是，本地化機制需要通過進一步的分析來確認。盡管如此，PDMS聲學模式的共振頻率在很大程度上取決于硅微柱的幾何形狀。根據(jù)詢問換能器和不同的應用，這一特征將有助于未來針對其他頻率范圍設計和調(diào)諧聲學超構(gòu)材料。

溫度靈敏度、分辨率的模擬分析以及與實驗值的比較

PDMS-Meta實現(xiàn)了~30 mK的溫度分辨率，遠低于典型醫(yī)療應用中使用的100 mK分辨率要求。研究人員所開發(fā)的傳感器在分辨率方面優(yōu)于其它無線傳感器，僅被光纖溫度傳感器所超越。

總而言之，研究人員提出了基于聲學超構(gòu)材料傳感器的超聲波詢問無源溫度監(jiān)測的新概念，并制造和測試了三種不同的溫度傳感器。研究人員評估了它們在臨床溫度范圍和分辨率方面的性能，以供未來潛在的醫(yī)療植入式應用。未來的工作將集中在設計和材料優(yōu)化、超構(gòu)材料與鈦假體的集成、交叉敏感性研究（如應變）以及體內(nèi)表征和演示。研究人員相信這種基于超聲超構(gòu)材料的傳感新概念為無源傳感溫度開辟了新途徑，在穿戴式植入物中具有很大的潛力，特別是在植入式假體感染的早期檢測方面。

論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41378-023-00632-x

審核編輯：劉清