综述：基于MEMS的磁电天线用于脑植入式设备的无线能量传输

本综述系统阐述了基于微机电系统（MEMS）的磁电（ME）天线在脑植入式设备（BIMD）无线能量传输（WPT）中的前沿进展。文章重点探讨了ME天线如何通过声学共振机制突破传统天线在尺寸与共振频率间的权衡（Chu-Harrington限制），实现微尺度（100 μm3级）、低工作频率下的高效能量传输，并兼具强错位容忍度和低组织衰减特性。详细分析了压电材料（如PZT、AlN、ScAlN）与磁致伸缩材料（如Metglas、Terfenol-D、FeGaB）的性能参数，比较了不同复合结构（如2-2层压复合材料）的磁电耦合系数（αME），并总结了谐振器设计（如FBAR、SMR、SAW）及生物相容性封装材料（如Parylene-C、PDMS）的研究现状，为下一代微创、自供电无线脑植入设备提供了关键技术路线与设计愿景。

　　

2.1 压电材料

压电材料在微机电系统（MEMS）和纳机电系统（NEMS）技术发展中扮演着核心角色，其能够将机械应力转化为电场（直接压电效应），或在电场作用下产生机械应变（逆压电效应）。关键性能参数包括压电系数（d_ij）、机电耦合系数（k2）和介电常数（ε）。铝氮化（AlN）因其高相速度、高刚度系数、低介电常数及生物惰性，成为CMOS兼容工艺的理想选择，其d₃₃系数约为5 pC N^?1。掺杂钪（Sc）后形成的Sc_xAl_1?xN可显著提升压电响应，在x=0.43时d₃₃提高约400%。其他材料如锆钛酸铅（PZT，d₃₃=350–700 pC N^?1）和钛酸钡（BaTiO₃，d₃₃=190–330 pC N^?1）虽性能优异，但生物相容性与集成兼容性较差。压电聚合物如聚偏氟乙烯（PVDF）具有柔韧性，但耦合效率较低。材料表征技术包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和压电力显微镜（PFM），其中d₃₃的精确测量需借助原子力显微镜或激光干涉仪。

2.2 磁致伸缩材料

磁致伸缩材料属于多铁性材料，在外加磁场下产生伸长变形（磁致伸缩效应），其主要机制为自旋-轨道耦合。关键参数包括磁致伸缩系数（λ）、饱和磁致伸缩（λ_s）、居里温度（T_C）、相对磁导率（μ_r）和压磁系数（d_33,m）。磁致伸缩行为遵循非线性磁滞回线，涉及可逆与不可逆的磁畴重定向。典型材料如Metglas（λ_s≈30 ppm, d_33,m=50.3 nm A^?1）、Terfenol-D（Tb_xDy_1?xFe₂, λ_s=2000 ppm）、FeGa合金（λ_s=200–250 ppm）及FeGaB（λ_s=70 ppm）。这些材料在磁电随机存取存储器、磁场传感器和能量采集器中应用广泛，其中Metglas、Terfenol-D和FeGaB因高d_33,m和低矫顽场（H_c）成为WPT设备的优选。

2.3 磁电耦合

磁电（ME）效应指磁能与电能之间的相互转换，由压电效应与磁致伸缩特性耦合实现。ME耦合系数（α_ME）是衡量转换效率的关键指标，单位为V cm^?1 Oe^?1。单相多铁性材料（如BiFeO₃）的α_ME通常低于10 mV cm^?1 Oe^?1，而复合多铁性材料（如层压结构）的α_ME可达10³ V cm^?1 Oe^?1，高出五个数量级。耦合机制包括应变介导耦合、电荷介导耦合和交换偏置介导耦合，其中应变介导耦合在层压复合材料中效率最高。常见的复合结构包括0-3型（颗粒复合）、1-1型（纤维-纤维）、2-2型（层-层）和3-3型（三维互穿），其中2-2型层压结构（如Metglas/PZT/Metglas）因制备简单、接触面积大而备受关注。动态锁相测量技术是表征α_ME的标准方法。

2.4 谐振器

为实现高效WPT，ME天线需在共振频率下工作。声波传播方向是设计关键：体声波（BAW）器件包括薄膜体声波谐振器（FBAR）和固态安装谐振器（SMR），操作频率为1–10 GHz，品质因子（Q）可达2000；表面声波（SAW）器件基于铌酸锂（LiNbO₃）或钽酸锂（LiTaO₃）基底，频率范围为100 MHz–3 GHz，Q值为100–1000。FBAR通过空气隙隔离衬底以减少阻尼，而SMR利用声学布拉格反射器（交替高低声阻抗层）限制能量损失。纳米板谐振器（NPR）和高次谐波体声波谐振器（HBAR）可扩展共振频带。ME天线通常采用夹层结构（压电层 between 磁致伸缩层），尺寸可小至100 μm3，在MHz至GHz频段工作，具有频率可调谐性，适用于可重构射频系统。

2.5 ME天线研究现状

自2017年Nan等人首次报道ME天线用于无线通信以来，该领域发展迅速。NPR天线（AlN/FeGaB）在60.7 MHz下Q值为930，α_ME=6 kV Oe^?1 cm^?1；FBAR天线（相同材料）在2.53 GHz下Q值为632。层压结构（如Terfenol-D/PZT-5/Terfenol-D）在kHz频段实现水下通信（距离30 cm）。阵列设计（串联或并联）可提升输出电压或拓宽带宽。SAW基ME天线（如SiO₂/FeGaB on LiNbO₃）在430 MHz下增益为-28 dBi，增益-带宽积较高。近期研究聚焦CMOS集成，如Yu等人开发的全集成SoC（尺寸6.7 mm3）支持同时无线供电和双向生物遥测。植入实验（大鼠、猪）证明ME天线可安全提供深部神经刺激（如坐骨神经），功率传输效率（PTE）达0.28–1%，比吸收率（SAR）符合IEEE安全标准（<1.6 W kg^?1）。

3.1 封装材料

生物相容性封装是植入式ME天线的必要条件，需平衡生物惰性、制备简易性、耐久性与性能保持。常用聚合物包括Parylene-C（8–10 μm厚，提升共振电压，细胞存活率≈89%）、聚二甲基硅氧烷（PDMS，35 μm厚，鲁棒性好但降低接收功率19.4%）和聚酰亚胺（PI，耐高温但固化温度>300°C）。Parylene-C封装下，ME薄膜在37°C盐水中功能保持14天；PDMS在含水环境中更稳定但可能引发纤维囊形成。封装层厚度优化至关重要，过厚会加剧机械阻尼与信号衰减。

3.2 ME-WPT系统用于神经刺激

无线能量传输（WPT）系统由外部发射器（Tx，如亥姆霍兹线圈生成AC磁场）和植入式ME接收器（Rx）组成。ME天线将磁场转化为应变，再通过压电效应产生RF电压，经阻抗匹配网络、整流电路（AC-DC转换）、功率管理模块（如DC线性稳压器）后为负载（神经刺激器）或储能元件供电。CMOS技术（60/180 nm工艺）可实现系统单片集成（SoC），大幅缩小尺寸。工作频率（kHz-GHz）、磁场强度（μT-mT）、偏置场（DC磁场）、距离（mm-cm）和SAR值共同决定系统性能。例如，Singer等人的ME神经刺激器（2–4 mm3）在150 kHz、1–2 mT场强下提供2 mW功率；Mukherjee等人的 sandwich结构ME天线在49.9 kHz下SAR<1 μW kg^?1，无需外部偏置磁体。挑战在于迷你aturization（亚毫米级）、PTE提升与组织暴露风险最小化。

4 结论

ME天线通过声学共振突破尺寸-频率限制，为BIMD提供微创、高效WPT解决方案。材料选择上，生物惰性、CMOS兼容的压电材料（如ScAlN）和磁致伸缩材料（如CoFeB）优于高性能但生物不相容选项（如PZT、Terfenol-D）。2-2层压结构展现最高α_ME值（10³ V cm^?1 Oe^?1级）。谐振器设计（SMR、FBAR）需平衡Q因子、带宽与制备复杂度。Parylene-C封装在性能保持与生物安全性间取得最佳折衷。系统集成需优化阻抗匹配、整流效率与功率管理，以实现毫米级植入物与低SAR操作。未来研究需标准化表征协议、探索新型生物相容材料与结构，并推进长期体内验证，最终实现临床可用的自供电神经调控设备。