面向毫米级磁电生物医学植入物的全向无线电能传输

微型生物电子植入物有望为心血管和神经系统疾病带来革命性的疗法。无线电能传输（WPT）是实现小型化的重要方法，它消除了设备中对笨重电池的需求。尽管在动物模型中已成功演示了毫米级无电池植入物，但已知 WPT 的稳健性和效率在因身体运动、呼吸、心跳以及手术过程中对植入物方向控制有限而导致的失配下会显著下降。本文提出了一种用于毫米级生物电子植入物的全向 WPT 平台，采用新兴的磁电（ME）WPT 模式和基于多个发射（TX）线圈的磁场转向技术。为了准确感知微型植入物中的微弱耦合并以闭环方式自适应控制多线圈 TX 阵列，我们利用植入物上的微型线圈开发了一种主动回波（AE）方案。我们的原型机包括一个完全集成的 14.2 mm3 植入式刺激器，该刺激器嵌入了由 ME 薄膜供电的定制低功耗片上系统，一个带有定制三通道 AE RX 芯片的 TX，以及一个具有互感消除的多线圈 TX 阵列。AE RX 实现了 -161 dBm/Hz 的输入参考噪声和 64 dB 的增益调节范围，以可靠地感知 AE 信号，并为驱动器控制提供快速极性检测。AE 同时提高了 ME WPT 的稳健性、效率和充电范围。在相对于理想位置 90 度旋转的情况下，我们的全向 WPT 系统实现了比单线圈基线高 6.8 倍的电能传输效率（PTE）。与使用理想控制相比，AE 的跟踪误差对 PTE 的降低微乎其微，不到 2%。