“人體電子”傳感器和發(fā)電元件接連亮相
[導(dǎo)讀]進(jìn)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
進(jìn)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。
利用中耳，省去麥克風(fēng)
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。
圖1：把智能手機(jī)放到耳邊充電
圖為MIT試制的人工耳蝸IC的裸片和封裝品（a），以及安裝到智能手機(jī)上的無線供電器（b）。設(shè)想把（b）放到耳邊，以大約每天一次的頻率為嵌在耳內(nèi)的小型蓄電池充電以驅(qū)動IC。（攝影：MIT的Marcus Yip等人）
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(shí)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(gè)頻率信道傳輸給聽覺神經(jīng)；此時(shí)，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(shí)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(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成，同樣也在ISSCC 2014上發(fā)表了相關(guān)論文（圖2）。
圖2：利用有機(jī)半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)傳感器
東京大學(xué)試制的帶水分傳感器的無線標(biāo)簽（a）。所有的有源元件都由有機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成。由有機(jī)晶體管構(gòu)成的環(huán)形振蕩器用作水分傳感器（b）。整流電路（c）和靜電保護(hù)電路（d）由有機(jī)二極管構(gòu)成。（（b～d）由東京大學(xué)拍攝）
研發(fā)小組在聚酰亞胺基板上共計(jì)集成了數(shù)十個(gè)有機(jī)晶體管和肖特基型有機(jī)二極管，構(gòu)成了環(huán)形振蕩器、整流電路和靜電保護(hù)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(hù)電路也是因?yàn)榭紤]到了要佩戴在人體上。保護(hù)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?；陔姶鸥袘?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。
這種元件是將鋯鈦酸鉛（PZT）這種壓電材料制成柵欄狀，在兩端設(shè)置電極，并串聯(lián)12組制成的（圖3）。
圖3：通過心跳獲得電力
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(gè)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(shí)驗(yàn)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(gè)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”。
利用中耳，省去麥克風(fēng)
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。
圖1：把智能手機(jī)放到耳邊充電
圖為MIT試制的人工耳蝸IC的裸片和封裝品（a），以及安裝到智能手機(jī)上的無線供電器（b）。設(shè)想把（b）放到耳邊，以大約每天一次的頻率為嵌在耳內(nèi)的小型蓄電池充電以驅(qū)動IC。（攝影：MIT的Marcus Yip等人）
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(shí)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(gè)頻率信道傳輸給聽覺神經(jīng)；此時(shí)，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(shí)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(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成，同樣也在ISSCC 2014上發(fā)表了相關(guān)論文（圖2）。
圖2：利用有機(jī)半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)傳感器
東京大學(xué)試制的帶水分傳感器的無線標(biāo)簽（a）。所有的有源元件都由有機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成。由有機(jī)晶體管構(gòu)成的環(huán)形振蕩器用作水分傳感器（b）。整流電路（c）和靜電保護(hù)電路（d）由有機(jī)二極管構(gòu)成。（（b～d）由東京大學(xué)拍攝）
研發(fā)小組在聚酰亞胺基板上共計(jì)集成了數(shù)十個(gè)有機(jī)晶體管和肖特基型有機(jī)二極管，構(gòu)成了環(huán)形振蕩器、整流電路和靜電保護(hù)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(hù)電路也是因?yàn)榭紤]到了要佩戴在人體上。保護(hù)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?；陔姶鸥袘?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。
這種元件是將鋯鈦酸鉛（PZT）這種壓電材料制成柵欄狀，在兩端設(shè)置電極，并串聯(lián)12組制成的（圖3）。
圖3：通過心跳獲得電力
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(gè)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(shí)驗(yàn)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(gè)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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