基于聲學(xué)超構(gòu)材料的無(wú)源溫度傳感器提供mK級(jí)溫度分辨率

無(wú)線醫(yī)療傳感器通常利用電磁耦合或超聲波進(jìn)行能量傳輸和傳感器詢問。能量傳輸和管理比較復(fù)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(bào)道，近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的研究人員報(bào)道了一種新的無(wú)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(xué)超構(gòu)材料（metamaterial）。與其它的方法相比，這一概念的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的超聲波換能器來(lái)直接激勵(lì)和收集反射信號(hào)。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(shè)計(jì)特點(diǎn)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(shí)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(xiàng)工作中，研究人員提出了一種用于醫(yī)療領(lǐng)域的聲學(xué)溫度傳感器的概念驗(yàn)證，該傳感器是純無(wú)源的，并且基于聲學(xué)超構(gòu)材料設(shè)計(jì)而成。超構(gòu)材料傳感器的聲學(xué)特性由溫度調(diào)制。外部超聲換能器的詢問是通過(guò)分析反射的聲學(xué)信號(hào)來(lái)執(zhí)行的，從而消除了能量傳輸、存儲(chǔ)和管理的需要。這種超構(gòu)材料由兩種對(duì)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(xué)超構(gòu)材料是由一個(gè)4英寸、500?μm厚的硅晶圓通過(guò)深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）制成。其設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)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(xué)溫度傳感器的概念設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)：一種簡(jiǎn)單的硅和PDMS雙層材料（簡(jiǎn)稱Bilayer）和兩種硅聲學(xué)超構(gòu)材料，分別是無(wú)PDMS涂層（簡(jiǎn)稱Si-Meta）和有PDMS涂層（簡(jiǎn)稱PDMS-Meta）。PDMS-Meta和Bilayer的溫度靈敏度在數(shù)量級(jí)上相似，均顯著超過(guò)Si-Meta（>20倍）。有限元仿真的結(jié)果表明溫度靈敏度的來(lái)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(guò)程

在溫度分辨率方面，經(jīng)平均計(jì)算，PDMS-Meta比Bilayer高出近一個(gè)數(shù)量級(jí)（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(biāo)準(zhǔn)偏差相關(guān)，這最終影響分辨率。研究人員解釋說(shuō)，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(dǎo)致了尖銳的聲學(xué)共振。

研究人員推測(cè)，共振的尖銳度是由于硅微柱的存在引起的聲學(xué)局域模式。但是，本地化機(jī)制需要通過(guò)進(jìn)一步的分析來(lái)確認(rèn)。盡管如此，PDMS聲學(xué)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(yīng)用，這一特征將有助于未來(lái)針對(duì)其他頻率范圍設(shè)計(jì)和調(diào)諧聲學(xué)超構(gòu)材料。

溫度靈敏度、分辨率的模擬分析以及與實(shí)驗(yàn)值的比較

PDMS-Meta實(shí)現(xiàn)了~30 mK的溫度分辨率，遠(yuǎn)低于典型醫(yī)療應(yīng)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(wú)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(xué)超構(gòu)材料傳感器的超聲波詢問無(wú)源溫度監(jiān)測(cè)的新概念，并制造和測(cè)試了三種不同的溫度傳感器。研究人員評(píng)估了它們?cè)谂R床溫度范圍和分辨率方面的性能，以供未來(lái)潛在的醫(yī)療植入式應(yīng)用。未來(lái)的工作將集中在設(shè)計(jì)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(yīng)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(wú)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(cè)方面。

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

審核編輯：劉清