“人体电子”传感器和发电元件接连亮相

进入2014年之后，被称作“人体电子”，与人体密切相关的传感器和发电元件接连亮相。比如，可代替听觉等五感来克服障碍的传感器，紧贴身体和衣服使用的水分传感器，以及直接粘贴在心脏上，从心跳获得电力的振动发电元件等。今后，这些元件可能会大幅增加。

东京大学开发的带水分传感器的无线标签（右），以及为标签供电并读取响应信号的读取线圈

利用中耳，省去麦克风

美国麻省理工学院（MIT）教授Anantha Chandrakasan的研发小组开发出了集成内耳蜗牛体功能的人工耳蜗IC（图1），并在2014年2月举行的半导体技术国际学会“International Solid-State Circuits Conference（ISSCC）2014”上发表了相关论文。



图1：把智能手机放到耳边充电

图为MIT试制的人工耳蜗IC的裸片和封装品（a），以及安装到智能手机上的无线供电器（b）。设想把（b）放到耳边，以大约每天一次的频率为嵌在耳内的小型蓄电池充电以驱动IC。（摄影：MIT的Marcus Yip等人）

现有的人工耳蜗是在耳后等处粘贴直径3cm左右、带电池的麦克风，以电磁感应向植入皮肤下的线圈发送信号，而将从线圈延伸出来的电极植入蜗牛体内。完全用不到人的外耳和中耳。

而此次的人工耳蜗IC可用于只有内耳耳蜗失去正常功能的人群，可与外耳和中耳配合使用。IC就可实现小型化和低功耗化。其工作原理是，首先经压电元件将中耳听小骨的振动转换成电信号，并传递给IC；用IC代替内耳的蜗牛体将此电信号最多分解成8个频率信道传输给听觉神经；此时，可分别将各信道信号输出功率和波形调整成适合利用者的形态。

驱动IC所需的电力通过植入耳内的小型电池获得。可利用无线充电器为该电池充电。据介绍，该IC的耗电量包括压电元件等在内还不到0.6mW，充电2分钟左右可使用一天。如果把无线充电器嵌入枕头中，睡觉时就能充电。

用于人体的柔性标签

东京大学教授樱井贵康和染谷隆夫的研发小组开发出了带水分传感器的无线标签，其中所有的有源元件都由有机半导体构成，同样也在ISSCC 2014上发表了相关论文（图2）。



图2：利用有机半导体实现传感器

东京大学试制的带水分传感器的无线标签（a）。所有的有源元件都由有机半导体构成。由有机晶体管构成的环形振荡器用作水分传感器（b）。整流电路（c）和静电保护电路（d）由有机二极管构成。（（b～d）由东京大学拍摄）

研发小组在聚酰亚胺基板上共计集成了数十个有机晶体管和肖特基型有机二极管，构成了环形振荡器、整流电路和静电保护电路等。无线标签“能够以2mm左右的曲率半径弯曲”（樱井）。樱井介绍说，将电子标签制成柔性的理由是，“以前的无线标签和传感器都是配备在物体上使用，而今后佩戴在人体上的用途将越来越多。因此，标签必须要具备柔性”。

安装静电保护电路也是因为考虑到了要佩戴在人体上。保护电路的耐压为2kV，足以应对1kV1.5kV的人体静电。电力方面，通过采用电磁共振技术的读取装置无线传输。无线频率为13.56MHz，在该频率下，通常基于电磁感应的无线标签的无线传输距离为0.5mm～1cm，不过此次的无线标签可传输几cm。

关于这种无线标签的用途，设想用作创可贴和纸尿裤的水分传感器等。

电力供应来自心脏

上述两例产品都是无线供电，而在体内直接发电然后提供给传感器等的研究也在积极开展。

例如，美国伊利诺伊大学教授John A.Rogers的研发小组开发出了从心脏、肺和横膈膜的活动获得电力的能量采集元件。目标是为心脏起搏器等供电。

这种元件是将锆钛酸铅（PZT）这种压电材料制成栅栏状，在两端设置电极，并串联12组制成的（图3）。



图3：通过心跳获得电力

伊利诺伊大学等试制的将牛的心跳能量转换成电力的元件。并联10个两端设有电极的PZT条作为一组，串联12组。可获得最大0.18μW/cm2的电力。（摄影：J. Rogers，伊利诺伊大学）

在实验中研发小组将该元件缝到牛的心脏上，由心跳获得了最大为0.18μW/cm2的电力。还重叠使用5个这样的元件获得1.2μW/cm2的电力。Rogers说，“最新型心脏起搏器的平均耗电量约为0.3μW，因此能充分满足其电力需求”。