於本周举行的2024年国际固态电路会议（ISSCC）上，比利时微电子研究中心（imec）推出一款创新的超音波充电技术概念验证，锁定植入式装置应用。此次提出的解决方案尺寸仅有 8 mm x 5.3 mm，不仅支援高达53度角的波束控制功能，功耗也减少了69%，在目前的先进系统之中，跻身尺寸最小、功耗最低的无线超音波充电装置。在绝热驱动电路导入全局电荷重新分布功能的前卫概念，不仅带给传统系线式连接或电源一些相关挑战，也为低侵入式无线（神经）植入器的发展铺路。

imec的无线充电晶片概念验证系基於超音波技术，独立展示其尺寸仅有0.75mm×1.88mm，以65奈米CMOS技术制造，并配备压电式微机械超音波换能器（PMUT），全部整合於一块电路板。

无线充电的需求

皮质内神经活动纪录是了解和处置神经失调的关键，但在这方面的充电技术却面临挑战。传统的侵入式充电线可能会带来像是结疤和感染等并发症的风险，而进行电池整合虽然不必设计系线，但仍有尺寸与化学物质泄漏方面的疑虑。

采用支援全局电荷重新分布的绝热驱动电路：一场典范移转

比利时微电子研究中心（imec）携手荷兰台夫特理工大学（TU Delft），在欧洲研究委员会（ERC）资助的「神经内网（Intranet of Neurons）」研究计画中，共同设计了可为神经植入器进行无线供电的超音波技术，无需侵入性手续或大型元件就能成功穿越从头颅到大脑皮层的距离。

为了做到这点，该研究团队以「全局电荷重新分布（global charge redistribution；GCR）」的概念为基础，导入了一项独特的绝热驱动技术。不同於传统的绝热驱动方法，这套做法善用超音波换能器阵列本身的寄身电容，并回收电荷进行再利用。如此一来就无需外部电容来重新分配电荷，元件设计也能更为紧凑。该元件以65奈米CMOS技术制造，配备一颗116μm×116μm的全整合式驱动单元，这使得该元件的功耗比起典型D类（Class D）驱动装置减少了69%。此设计成功在各先进系统之中打造出最小尺寸的超音波绝热驱动单元，功耗也降到了最低。

针对活体细胞应用，大角度范围（大於45度）的波束控制功能极为重要，不仅用来传输最大电力，还能补偿大脑微型运动和错位的问题，例如发生於手术过程或是呼吸时。透过导入波束控制器，imec研发的全局电荷重新分布（GCR）设计方案可以支援高达53度角的控制范围。

比利时微电子研究中心（imec）研究计画主持人刘耀鸿表示：「虽然现有不少神经植入器技术在感测和刺激方面皆大有进展，但是作为植入器关键元件之一的无线介面仍有待改良，尤其是在电源效率和元件尺寸方面。为了弭平这块技术缺囗，同时释放神经植入器的全部潜能，我们正在运用自研的独特的无线技术、充电技术和遥测技术，专为微型植入器来开发低侵入式无线系统，支援除了皮质内神经植入器以外的各式应用。」 他表示：「我们希??能在真实的活体细胞状态下展示这项技术的实际应用，除了我们持续推动的技术进展，特别是在微系统整合和封装领域，我们也欢迎医学专家或研究人员来建立合作。」

「一款用於植入式装置且配备全局电荷重新分布（GCR）绝热驱动电路超音波电源发射器（TX）成功降低69%功耗并达到高达53度角的波束控制范围（An Ultrasound-Powering TX with a Global Charge-Redistribution Adiabatic Drive Achieving 69% Power Reduction and 53。 Maximum Beam Steering Angle for Implantable Applications）」一文完整说明相关的技术进展，包含拟定的元件架构、电路设计及性能指标。神经内网（Intranet of Neurons）研究计画已获得欧盟展??2020（Horizon 2020）研究创新计画旗下的欧洲研究委员会（ERC）资助，补助核可编号为No. 101001448。