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Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16174 (2022) Citare questo articolo

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Il trasferimento di potenza wireless è una delle tecnologie abilitanti per l’alimentazione di dispositivi biomedici impiantabili. La biocompatibilità e la compatibilità CMOS dei dispositivi di trasferimento di potenza wireless sono altamente desiderate per motivi di sicurezza e di ingombro. Verso le applicazioni impiantabili, questo articolo presenta un alimentatore wireless indotto da ultrasuoni basato su un trasduttore ultrasonico microlavorato piezoelettrico AlN (PMUT). L'alimentatore wireless integra funzioni di trasferimento di potenza wireless, gestione dell'energia e accumulo di energia. L'array PMUT viene utilizzato come ricevitore di potenza wireless passivo, seguito da reti di adattamento dell'impedenza elettrica e da un moltiplicatore di tensione per una trasmissione e una rettifica efficienti della potenza. L'intensità di potenza in uscita del ricevitore wireless raggiunge 7,36 μW/mm2 con una potenza degli ultrasuoni incidenti inferiore al limite di sicurezza FDA. La potenza di uscita dell'alimentatore wireless raggiunge 18,8 μW e un condensatore da 100 μF è completamente carico a 3,19 V dopo la gestione dell'alimentazione, sufficienti per alimentare molti dispositivi biomedici impiantabili a bassa potenza come per la stimolazione elettrica neurale, i biosensori e la comunicazione intracorporea applicazioni. L'alimentazione wireless è implementata in un PCB con un diametro di 1 cm. Grazie alla biocompatibilità e alla compatibilità CMOS del film sottile AlN rispetto al PZT comunemente utilizzato, la soluzione proposta apre la strada ad alimentatori wireless più sicuri e ultraminiaturizzati con un ulteriore sviluppo che in futuro incorporerà tutte le funzioni su un chip monolitico.

Con i recenti progressi nel campo della biomedicina, delle nanotecnologie e della microelettronica, la domanda di alimentatori wireless per dispositivi biomedici impiantabili (IBD) è in rapido aumento1. Le IBD sono ampiamente applicate nella vita quotidiana, come stimolatori neuromuscolari, protesi visive, pacemaker cardiaci, defibrillatori cardiaci, impianti cocleari, monitor del pH, misuratori della pressione arteriosa e gastrostimolatori. Questi dispositivi possono fornire funzioni di diagnosi, trattamento e monitoraggio in tempo reale e migliorare la qualità della vita dei pazienti. Attualmente, la maggior parte dei dispositivi biomedici impiantabili si basa ancora sulle batterie per funzionare nel corpo umano. Sebbene la tecnologia delle batterie abbia compiuto progressi stimolanti negli ultimi anni2,3, presenta ancora evidenti inconvenienti. Le batterie presentano una durata limitata, peso e volume relativamente elevati, possibilità di fuoriuscita di sostanze tossiche e difficoltà di integrazione. La sostituzione frequente della batteria per la manutenzione delle IBD durante il trattamento potrebbe causare disagi e possibili lesioni ai pazienti.

Per risolvere questi problemi, sono state effettuate ricerche per rimuovere le batterie dalle IBD o prolungarne la durata. Il trasferimento di potenza wireless (WPT) è una delle tecnologie abilitanti per alimentare le IBD. Sono state proposte diverse strategie WPT per alimentare gli IBD, tra cui principalmente il metodo dell'accoppiamento induttivo, il metodo acustico e il metodo della radiazione elettromagnetica4. Radiazione elettromagnetica Il WPT utilizza antenne trasmittenti e riceventi per trasferire energia attraverso onde elettromagnetiche5. Tuttavia, le onde elettromagnetiche possono facilmente generare un riscaldamento eccessivo dei tessuti e queste onde sono altamente attenuate nei tessuti umani. Inoltre, la lunga lunghezza d’onda delle onde elettromagnetiche comporta una dimensione del ricevitore relativamente grande. Accoppiamento induttivo Il WPT si basa su due bobine accoppiate6. Questo metodo raggiunge un'elevata efficienza nel campo vicino ma subisce un netto deterioramento dell'efficienza nel campo lontano, limitando la profondità utilizzabile dell'IBD. Il WPT acustico solitamente adotta trasduttori ultrasonici come ricevitori di potenza. Rispetto agli altri due metodi, può ottenere ricevitori più piccoli e una penetrazione più profonda grazie rispettivamente alle lunghezze d'onda più corte e alla minore attenuazione nel corpo4. Inoltre, il riscaldamento dei tessuti e l'interferenza elettromagnetica sono minimi7.