基于氮化鋁壓電微機械超聲換能器如何植入式生物醫(yī)療

隨著生物醫(yī)療、納米技術和微電子技術的不斷演進，人們對植入式生物醫(yī)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(yī)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(yī)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(zhàn)。

據(jù)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(yī)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(yī)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(fā)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(fā)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(xiàn)。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(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(wǎng)絡，經(jīng)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。

超聲感應無線電源框圖

AlN-PMUT陣列

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(yī)療設備供電需求，如神經(jīng)電刺激、生物傳感器和體內(nèi)通信應用等。

研究人員稱，未來將會繼續(xù)專注優(yōu)化AlN-PMUT陣列和電阻抗匹配網(wǎng)絡，以實現(xiàn)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(nèi)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(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甚至更小。該項研究提出的解決方案為未來開發(fā)超微型化、生物相容和CMOS兼容的無線電源鋪平了道路。