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物理学 > 医学物理

arXiv:2501.11016v1 (physics)
[提交于 2025年1月19日 ]

标题: 用于无电池生物电子学和光遗传学的微型化液态金属复合电路与能量收集线圈

标题: Miniaturized liquid metal composite circuits with energy harvesting coils for battery-free bioelectronics and optogenetics

Authors:Denis Rocha, Pedro Lopes, Paulo Peixoto, Anibal de Almeida, Mahmoud Tavakoli
摘要: 近年来,柔性材料电子学在可穿戴和可植入设备、生物电子学和光遗传学方面取得了快速进展。基于液态金属(LM)的电子器件尤其受欢迎,因为它们在经历重复应变循环时具有长期的耐用性。然而,一个主要限制是需要将生物电子电路连接到外部电源,或使用刚性笨重的电池。这促使人们对无线能量传输产生了日益增长的兴趣,这需要电路微型化。然而,由于液态金属与基底的粘附性低、液态金属涂抹以及微芯片接口的挑战,液态金属电路的微型化具有挑战性。在本文中,我们通过双相液态金属复合材料的高分辨率激光辅助微图案化和蒸汽辅助液态金属微芯片焊接来解决这些挑战。通过开发一种用于优化双相油墨线圈性能的搜索算法,我们设计并实现了具有50{\mu }m轨迹间距的微线圈,可以通过近场感应耦合收集大量能量(178 mW/cm2)。我们展示了集成表面贴装器件(SMD)芯片(如NFC芯片、电容器和LED)的微型化柔性电路,这些电路通过激光图案化和蒸汽辅助焊接在几分钟内实现。在光遗传学的背景下,需要轻量、微型化的系统来提供光学刺激,柔性线圈在贴合性和灵活性方面表现出色。因此,本文探讨了柔性线圈在可穿戴和可植入设备中的应用,特别关注其在光遗传学中的应用。
摘要: Over the past years, rapid progress has been made on soft-matter electronics for wearable and implantable devices, for bioelectronics and optogenetics. Liquid Metal (LM) based electronics were especially popular, due to their long-term durability, when subject to repetitive strain cycles. However, one major limitation has been the need for tethering bioelectronics circuits to external power, or the use of rigid bulky batteries. This has motivated a growing interest in wireless energy transfer, which demands circuit miniaturization. However, miniaturization of LM circuits is challenging due to low LM-substrate adhesion, LM smearing, and challenges on microchip-interfacing. In this article, we address these challenges by high-resolution laser-assisted micropatterning of biphasic LM composites and vapor-assisted LM microchip soldering. Through development of a search algorithm for optimization of the biphasic ink coil performance, we designed and implemented micro coils with trace spacing of 50 {\mu}m that can harvest a significant amount of energy (178 mW/cm2) through near field inductive coupling. We show miniaturized soft-matter circuits with integrated SMD chips such as NFC chips, capacitors, and LEDs that are implemented in a few minutes through laser patterning, and vaporassisted soldering. In the context of optogenetics, where lightweight, miniaturized systems are needed to provide optical stimulation, soft coils stand out in terms of their improved conformability and flexibility. Thus, this article explores the applications of soft coils in wearable and implantable devices, with a specific focus on their use in optogenetics.
主题: 医学物理 (physics.med-ph) ; 生物物理 (physics.bio-ph)
引用方式: arXiv:2501.11016 [physics.med-ph]
  (或者 arXiv:2501.11016v1 [physics.med-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.11016
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Mahmoud Tavakoli Dr [查看电子邮件]
[v1] 星期日, 2025 年 1 月 19 日 11:30:46 UTC (3,253 KB)
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