基于MEMS的超声能量采集平台实现植入式微器件在体内的持续运行

能够在较长寿命内实现自主运行的植入式微器件，是实现微创诊断与治疗的有前景的关键技术。基于微机电系统（MEMS）的压电超声能量采集器（PUEH）已成为为植入式微器件供电的一种极具吸引力的方法，其中微型化和高效无线能量传输都至关重要。在此，我们提出了一种高度微型化（5 × 5 × 5 mm3）的超声能量采集平台，可支持植入式微器件在体内持续运行。该平台集成了MEMS-PUEH、高效率电源管理系统、储能元件以及具有代表性的功能电子器件。 我们首先研究了背腔边界条件对MEMS-PUEH性能的影响，并表明，在各自最优工作频率下、相同入射声强条件下，密封充气腔室相比开放式充水腔体性能显著更优：在2 kOhm电阻负载上，其输出电压均方根值提高了46%，平均输出功率提高了117%。 随后，我们展示了系统级集成与表征结果。在组织仿体中，当入射声强约为257 mW/cm2时，该器件可在少于5 min、3 min和20 s内，分别将11.5 mF超级电容器、5 uAh固态微电池和100 uF电容器充电至其标称电压。 最后，体内验证表明，在对板载储能元件进行超声充电后，具有代表性的功能电子器件能够实现完全自主运行。 这些结果确立了一种高度微型化且完全集成的超声能量采集平台，推动了面向植入式生物医学微器件的基于MEMS的供电解决方案的发展。

能够在较长寿命周期内自主运行的植入式微器件，是实现微创诊断与治疗的有前景的关键技术。基于微机电系统（MEMS）的压电超声能量采集器（PUEH）已成为为植入式微器件供电的一种极具吸引力的方法，因为器件微型化与高效无线能量传输二者都至关重要。本文提出了一种高度微型化（5 × 5 × 5 mm3）的超声能量采集平台，可支持植入式微器件在体内持续运行。该平台集成了MEMS-PUEH、高效率电源管理系统、储能元件以及具有代表性的功能电子电路。首先，我们研究了背腔边界条件对MEMS-PUEH性能的影响，并表明，与开放式充水腔体相比，密封充气腔体表现显著更优：在各自最优工作频率下、相同入射声强条件下，其在2 kOhm电阻负载上的均方根输出电压提高了46%，平均输出功率提高了117%。随后，我们展示了系统级集成与表征结果。在组织仿体中，当入射声强约为257 mW/cm2时，该器件可分别在5 min、3 min和20 s以内，将11.5 mF超级电容器、5 uAh固态微电池和100 uF电容器充至其标称电压。最后，体内验证表明，在通过超声对板载储能元件充电后，具有代表性的功能电子电路能够实现完全自主运行。这些结果确立了一种高度微型化且完全集成的超声能量采集平台，推动了面向植入式生物医学微器件的基于MEMS的供电解决方案的发展。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.15.738778v1?rss=1

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