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并非危言聳聽,傳感器或?qū)⑦M入五臟六腑
來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/3/15

  進入2014年之后,被稱作“人體電子”,與人體密切相關(guān)的傳感器和發(fā)電元件接連亮相。比如,可代替聽覺等五感來克服障礙的傳感器,緊貼身體和衣服使用的水分傳感器,以及直接粘貼在心臟上,從心跳獲得電力的振動發(fā)電元件等。今后,這些元件可能會大幅增加。


  美國麻省理工學(xué)院(MIT)教授Anantha Chandrakasan的研發(fā)小組開發(fā)出了集成內(nèi)耳蝸牛體功能的人工耳蝸IC(圖1),并在2014年2月舉行的半導(dǎo)體技術(shù)國際學(xué)會“International Solid-State Circuits Conference(ISSCC)2014”上發(fā)表了相關(guān)論文。


  現(xiàn)有的人工耳蝸是在耳后等處粘貼直徑3cm左右、帶電池的麥克風(fēng),以電磁感應(yīng)向植入皮膚下的線圈發(fā)送信號,而將從線圈延伸出來的電極植入蝸牛體內(nèi)。完全用不到人的外耳和中耳。


  而此次的人工耳蝸IC可用于只有內(nèi)耳耳蝸失去正常功能的人群,可與外耳和中耳配合使用。IC就可實現(xiàn)小型化和低功耗化。其工作原理是,首先經(jīng)壓電元件將中耳聽小骨的振動轉(zhuǎn)換成電信號,并傳遞給IC;用IC代替內(nèi)耳的蝸牛體將此電信號最多分解成8個頻率信道傳輸給聽覺神經(jīng);此時,可分別將各信道信號輸出功率和波形調(diào)整成適合利用者的形態(tài)。


  驅(qū)動IC所需的電力通過植入耳內(nèi)的小型電池獲得?衫脽o線充電器為該電池充電。據(jù)介紹,該IC的耗電量包括壓電元件等在內(nèi)還不到0.6mW,充電2分鐘左右可使用一天。如果把無線充電器嵌入枕頭中,睡覺時就能充電。


  用于人體的柔性標(biāo)簽


  東京大學(xué)教授櫻井貴康和染谷隆夫的研發(fā)小組開發(fā)出了帶水分傳感器的無線標(biāo)簽,其中所有的有源元件都由有機半導(dǎo)體構(gòu)成,同樣也在ISSCC 2014上發(fā)表了相關(guān)論文。

東京大學(xué)試制的帶水分傳感器的無線標(biāo)簽,所有的有源元件都由有機半導(dǎo)體構(gòu)成。由有機晶體管構(gòu)成的環(huán)形振蕩器用作水分傳感器,整流電路和靜電保護電路由有機二極管構(gòu)成。


  研發(fā)小組在聚酰亞胺基板上共計集成了數(shù)十個有機晶體管和肖特基型有機二極管,構(gòu)成了環(huán)形振蕩器、整流電路和靜電保護電路等。無線標(biāo)簽“能夠以2mm左右的曲率半徑彎曲”(櫻井)。櫻井介紹說,將電子標(biāo)簽制成柔性的理由是,“以前的無線標(biāo)簽和傳感器都是配備在物體上使用,而今后佩戴在人體上的用途將越來越多。因此,標(biāo)簽必須要具備柔性”。


  安裝靜電保護電路也是因為考慮到了要佩戴在人體上。保護電路的耐壓為2kV,足以應(yīng)對1kV1.5kV的人體靜電。電力方面,通過采用電磁共振技術(shù)的讀取裝置無線傳輸。無線頻率為13.56MHz,在該頻率下,通常基于電磁感應(yīng)的無線標(biāo)簽的無線傳輸距離為0.5mm~1cm,不過此次的無線標(biāo)簽可傳輸幾cm。


  關(guān)于這種無線標(biāo)簽的用途,設(shè)想用作創(chuàng)可貼和紙尿褲的水分傳感器等。


  電力供應(yīng)來自心臟


  上述兩例產(chǎn)品都是無線供電,而在體內(nèi)直接發(fā)電然后提供給傳感器等的研究也在積極開展。


  例如,美國伊利諾伊大學(xué)教授John A.Rogers的研發(fā)小組開發(fā)出了從心臟、肺和橫膈膜的活動獲得電力的能量采集元件。目標(biāo)是為心臟起搏器等供電。


  伊利諾伊大學(xué)等試制的將牛的心跳能量轉(zhuǎn)換成電力的元件。并聯(lián)10個兩端設(shè)有電極的PZT條作為一組,串聯(lián)12組?色@得最大0.18μW/cm2的電力。(攝影:J. Rogers,伊利諾伊大學(xué))


  在實驗中研發(fā)小組將該元件縫到牛的心臟上,由心跳獲得了最大為0.18μW/cm2的電力。還重疊使用5個這樣的元件獲得1.2μW/cm2的電力。Rogers說,“最新型心臟起搏器的平均耗電量約為0.3μW,因此能充分滿足其電力需求”。


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