基于PMUT的脑植入器件供能换能器的分析与设计
医学物理
2021-01-13 v1 原子物理
摘要
本文提出了一种基于压电微机械超声换能器(PMUT)的超声能量传输系统的解析设计，用于小鼠的全无线脑植入器件。各层材料选择以及为最大化耦合系数而确定的顶电极半径等关键步骤均有详尽说明。该方法设计出了具有高有效耦合系数的单单元。此外，采用紧凑模型使设计过程对设计者而言更省时。这些模型基于PMUT的等效电路理论。研究发现，半径为107 μm、锆钛酸铅(PZT)厚度为5 μm、硅(Si)厚度为10 μm的单元在夹紧边缘边界条件下具有4%的有效耦合系数，属最高值之列。仿真结果显示谐振频率为2.84 MHz。对于阵列情况，采用互阻抗与数值建模来估算相邻单元间距。此外，所提换能器的面积与单元数量分别通过瑞利距离估算和忽略单元间串扰求得。设计的换能器由7×7个单元组成，面积为3.24 mm²。该换能器在19.5 V电压下可输出7.185 mW/mm²的声强，用于为位于小鼠脑运动皮层与纹状体内的脑植入器件供能。最大声强出现在近场2.5 mm处，该距离由瑞利长度方程估算得出。
引用
@article{arxiv.2101.04443,
title = {Analysis and Design of a PMUT-based transducer for Powering Brain Implants},
author = {Fernanda Narvaez and Seyedsina Hosseini and Hooman Farkhani and Farshad Moradi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2101.04443},
year = {2021}
}