초음파

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16174(2022) 이 기사 인용

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무선 전력 전송은 이식형 생체의학 장치에 전력을 공급하는 기술 중 하나입니다. 무선 전력 전송 장치의 생체 적합성과 CMOS 호환성은 안전성과 설치 공간 문제로 인해 매우 요구됩니다. 이식 가능한 응용 분야에 대해 이 논문은 AlN 압전 미세 기계 초음파 변환기(PMUT)를 기반으로 한 초음파 유도 무선 전원 공급 장치를 제시합니다. 무선 전원 공급 장치에는 무선 전력 전송, 전원 관리 및 에너지 저장 기능이 통합되어 있습니다. PMUT 어레이는 수동 무선 전력 수신기로 사용되며, 효율적인 전력 전송 및 정류를 위한 전기 임피던스 정합 네트워크와 전압 배율기가 뒤따릅니다. 무선 수신기의 출력 전력 강도는 FDA 안전 한계보다 낮은 입사 초음파 전력으로 7.36μW/mm2에 도달합니다. 무선 전원 공급 장치의 출력 전력은 18.8μW에 이르고 100μF 커패시터는 전원 관리 후 3.19V까지 완전히 충전됩니다. 이는 신경 전기 자극, 바이오 센서 및 체내 통신과 같은 많은 저전력 이식형 생체 의학 장치에 전원을 공급하기에 충분합니다. 응용 프로그램. 무선 전원 공급 장치는 직경 1cm의 PCB에 구현됩니다. 일반적으로 사용되는 PZT에 비해 AlN 박막의 생체 적합성과 CMOS 호환성을 통해 제안된 솔루션은 향후 모놀리식 칩에 모든 기능을 통합하는 추가 개발을 통해 보다 안전하고 초소형화된 무선 전원 공급 장치를 위한 길을 열었습니다.

최근 생물의학, 나노기술 및 마이크로 전자공학의 발전으로 이식형 생물의학 장치(IBD)의 무선 전원 공급 장치에 대한 수요가 급속히 증가하고 있습니다1. IBD는 신경근 자극기, 시각 보철물, 심장 박동기, 심장 제세동기, 인공 와우, pH 모니터, 혈압 모니터, 위장 자극기 등 일상 생활에 널리 적용됩니다. 이러한 장치는 실시간 진단, 치료 및 모니터링 기능을 제공하고 환자의 삶의 질을 향상시킬 수 있습니다. 현재 대부분의 이식형 생체의학 장치는 인체 내에서 작동하기 위해 여전히 배터리에 의존하고 있습니다. 배터리 기술은 최근 몇 년간 고무적인 발전을 이루었지만2,3 이 기술에는 여전히 명백한 단점이 있습니다. 배터리는 제한된 수명, 상대적으로 높은 무게와 부피, 독성 물질 누출 가능성 및 통합의 어려움을 겪고 있습니다. 치료 중 IBD 유지를 위해 배터리를 자주 교체하면 환자에게 불편을 초래하고 부상을 초래할 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 IBD에서 배터리를 제거하거나 배터리 수명을 연장하려는 연구가 진행되었습니다. 무선 전력 전송(WPT)은 IBD에 전원을 공급하는 기술 중 하나입니다. 주로 유도 결합 방식, 음향 방식, 전자기 방사 방식을 포함하여 IBD에 전력을 공급하기 위한 여러 WPT 전략이 제안되었습니다. 전자기 방사선 WPT는 전자기파5를 통해 에너지를 전송하기 위해 송신 및 수신 안테나를 사용합니다. 그러나 전자기파는 쉽게 과도한 조직 가열을 생성할 수 있으며 이러한 파동은 인체 조직에서 크게 감쇠됩니다. 또한 전자기파의 파장이 길기 때문에 수신기 크기가 상대적으로 커집니다. 유도 결합 WPT는 두 개의 결합 코일을 사용합니다6. 이 방법은 근거리장에서는 높은 효율성을 달성하지만 원거리장에서는 효율성이 급격히 저하되어 IBD 사용 가능 깊이가 제한됩니다. Acoustic WPT는 일반적으로 초음파 변환기를 전력 수신기로 채택합니다. 다른 두 가지 방법에 비해 각각 더 짧은 파장과 더 낮은 감쇠로 인해 더 작은 수신기와 더 깊은 침투를 달성할 수 있습니다4. 또한 최소한의 조직 가열과 전자기 간섭이 관련됩니다7.