10、生物力学植入物的自供电传感器与电路探索

生物力学植入物的自供电传感器与电路探索

1. 生物力学植入物的自供电技术

生物力学植入物的自供电技术近年来取得了显著进展。目前有两种常见的自供电植入物：
- 不锈钢全髋关节植入物 ：一种商用的不锈钢全髋关节植入物，附有三层28mm的聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜。在生理负荷下，每走一步该植入物能够产生2.4伏的电压。PVDF薄膜放置在正面和背面平面，用于测量如爬楼梯和从椅子上起身等活动中的扭转负荷。
- 自供电全膝关节植入物 ：研究人员正在开发一种使用锆钛酸铅（PZT）的自供电膝关节植入物。该植入物由一个1cm×1cm×1.8cm的PZT压电元件组成，在生理负荷下能够产生约2mW的功率。不过，PZT的生物相容性和脆性问题仍有待解决。

2. 亚微瓦压电供电的超大规模集成电路（VLSI）电路

压电换能器虽然能产生较大的开路负载电压（>15V），但其电容特性限制了可输送到负载的总电流，通常在1Hz或更低的负载周期下，电流处于纳安级别。然而，压电换能器的特性对于操作模拟浮栅电路具有吸引力，因为模拟浮栅电路通常需要高电压进行编程。

2.1 浮栅晶体管

在标准的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺中，浮栅是一个被二氧化硅绝缘层包围的多晶硅栅极。当浮栅与晶体管的栅极耦合时，可以通过测量晶体管的漏极电流来感知浮栅上存储的累积电荷。

浮栅上的电荷可以通过热电子注入或隧穿来修改：
- 热电子注入 ：在pMOS晶体管中，当漏极到沟道的耗尽区形成高电场时，会发生热电子注入。由于高电场，空穴获