um ultrassom

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 16174 (2022) Citar este artigo

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A transferência de energia sem fio é uma das tecnologias que permitem alimentar dispositivos biomédicos implantáveis. Biocompatibilidade e compatibilidade CMOS de dispositivos de transferência de energia sem fio são altamente desejadas devido a preocupações de segurança e pegada. Para aplicações implantáveis, este artigo apresenta uma fonte de alimentação sem fio induzida por ultrassom baseada em um transdutor ultrassônico microusinado (PMUT) piezoelétrico de AlN. A fonte de alimentação sem fio integra funções de transferência de energia sem fio, gerenciamento de energia e armazenamento de energia. A matriz PMUT é usada como um receptor de energia sem fio passivo, seguido por redes de correspondência de impedância elétrica e um multiplicador de tensão para transmissão e retificação de energia eficientes. A intensidade de potência de saída do receptor sem fio atinge 7,36 μW/mm2 com uma potência de ultrassom incidente abaixo do limite de segurança da FDA. A potência de saída da fonte de alimentação sem fio atinge 18,8 μW e um capacitor de 100 μF é totalmente carregado para 3,19 V após o gerenciamento de energia, o que é suficiente para alimentar muitos dispositivos biomédicos implantáveis ​​de baixa potência, como estimulação elétrica neural, biossensores e comunicação intracorporal formulários. A fonte de alimentação sem fio é implementada em um PCB com um diâmetro de 1 cm. Com biocompatibilidade e compatibilidade CMOS do filme fino AlN em comparação com o PZT comumente usado, a solução proposta abre caminho para fontes de alimentação sem fio mais seguras e ultraminiaturizadas com desenvolvimento adicional incorporando todas as funções em um chip monolítico no futuro.

Com os recentes avanços em biomedicina, nanotecnologia e microeletrônica, a demanda por fontes de alimentação sem fio de dispositivos biomédicos implantáveis ​​(DIIs) está aumentando rapidamente1. As DIIs são amplamente aplicadas na vida diária, como estimuladores neuromusculares, próteses visuais, marcapassos cardíacos, desfibriladores cardíacos, implantes cocleares, monitores de pH, monitores de pressão arterial e gastroestimuladores. Esses dispositivos podem fornecer funções de diagnóstico, tratamento e monitoramento em tempo real e melhorar a qualidade de vida dos pacientes. Atualmente, a maioria dos dispositivos biomédicos implantáveis ​​ainda depende de baterias para operar no corpo humano. Embora a tecnologia das baterias tenha alcançado avanços inspiradores nos últimos anos2,3, essa tecnologia ainda apresenta desvantagens óbvias. As baterias têm vida útil limitada, peso e volume relativamente altos, possibilidade de vazamento de substâncias tóxicas e dificuldade de integração. A substituição frequente da bateria para manutenção da DII durante o tratamento pode causar inconveniência e possíveis lesões aos pacientes.

Para resolver esses problemas, pesquisas foram realizadas para remover as baterias dos IBDs ou prolongar a vida útil da bateria. A transferência de energia sem fio (WPT) é uma das tecnologias que permitem alimentar IBDs. Várias estratégias WPT foram propostas para alimentar IBDs, incluindo principalmente o método de acoplamento indutivo, método acústico e método de radiação eletromagnética4. Radiação eletromagnética O WPT emprega antenas transmissoras e receptoras para transferir energia por meio de ondas eletromagnéticas5. No entanto, as ondas eletromagnéticas podem facilmente gerar aquecimento excessivo do tecido, e essas ondas são altamente atenuadas no tecido humano. Além disso, o longo comprimento de onda das ondas eletromagnéticas resulta em um tamanho de receptor relativamente grande. Acoplamento indutivo WPT depende de duas bobinas acopladas6. Este método atinge uma alta eficiência no campo próximo, mas experimenta uma deterioração acentuada da eficiência no campo distante, limitando a profundidade utilizável do IBD. O Acoustic WPT geralmente adota transdutores ultrassônicos como receptores de energia. Comparado com os outros dois métodos, pode atingir receptores menores e penetração mais profunda devido aos comprimentos de onda mais curtos e menor atenuação no corpo, respectivamente4. Além disso, há mínimo aquecimento tecidual e interferência eletromagnética7.