於本周舉行的2024年國際固態電路會議（ISSCC）上，比利時微電子研究中心（imec）推出一款創新的超音波充電技術概念驗證，鎖定植入式裝置應用。此次提出的解決方案尺寸僅有 8 mm x 5.3 mm，不僅支援高達53度角的波束控制功能，功耗也減少了69%，在目前的先進系統之中，躋身尺寸最小、功耗最低的無線超音波充電裝置。在絕熱驅動電路導入全局電荷重新分布功能的前衛概念，不僅帶給傳統繫線式連接或電源一些相關挑戰，也為低侵入式無線（神經）植入器的發展鋪路。

imec的無線充電晶片概念驗證係基於超音波技術，獨立展示其尺寸僅有0.75mm×1.88mm，以65奈米CMOS技術製造，並配備壓電式微機械超音波換能器（PMUT），全部整合於一塊電路板。

無線充電的需求

皮質內神經活動紀錄是瞭解和處置神經失調的關鍵，但在這方面的充電技術卻面臨挑戰。傳統的侵入式充電線可能會帶來像是結疤和感染等併發症的風險，而進行電池整合雖然不必設計繫線，但仍有尺寸與化學物質洩漏方面的疑慮。

採用支援全局電荷重新分布的絕熱驅動電路：一場典範移轉

比利時微電子研究中心（imec）攜手荷蘭台夫特理工大學（TU Delft），在歐洲研究委員會（ERC）資助的「神經內網（Intranet of Neurons）」研究計畫中，共同設計了可為神經植入器進行無線供電的超音波技術，無需侵入性手續或大型元件就能成功穿越從頭顱到大腦皮層的距離。

為了做到這點，該研究團隊以「全局電荷重新分布（global charge redistribution；GCR）」的概念為基礎，導入了一項獨特的絕熱驅動技術。不同於傳統的絕熱驅動方法，這套做法善用超音波換能器陣列本身的寄身電容，並回收電荷進行再利用。如此一來就無需外部電容來重新分配電荷，元件設計也能更為緊湊。該元件以65奈米CMOS技術製造，配備一顆116μm×116μm的全整合式驅動單元，這使得該元件的功耗比起典型D類（Class D）驅動裝置減少了69%。此設計成功在各先進系統之中打造出最小尺寸的超音波絕熱驅動單元，功耗也降到了最低。

針對活體細胞應用，大角度範圍（大於45度）的波束控制功能極為重要，不僅用來傳輸最大電力，還能補償大腦微型運動和錯位的問題，例如發生於手術過程或是呼吸時。透過導入波束控制器，imec研發的全局電荷重新分布（GCR）設計方案可以支援高達53度角的控制範圍。

比利時微電子研究中心（imec）研究計畫主持人劉耀鴻表示：「雖然現有不少神經植入器技術在感測和刺激方面皆大有進展，但是作為植入器關鍵元件之一的無線介面仍有待改良，尤其是在電源效率和元件尺寸方面。為了弭平這塊技術缺口，同時釋放神經植入器的全部潛能，我們正在運用自研的獨特的無線技術、充電技術和遙測技術，專為微型植入器來開發低侵入式無線系統，支援除了皮質內神經植入器以外的各式應用。」 他表示：「我們希望能在真實的活體細胞狀態下展示這項技術的實際應用，除了我們持續推動的技術進展，特別是在微系統整合和封裝領域，我們也歡迎醫學專家或研究人員來建立合作。」

「一款用於植入式裝置且配備全局電荷重新分布（GCR）絕熱驅動電路超音波電源發射器（TX）成功降低69%功耗並達到高達53度角的波束控制範圍（An Ultrasound-Powering TX with a Global Charge-Redistribution Adiabatic Drive Achieving 69% Power Reduction and 53° Maximum Beam Steering Angle for Implantable Applications）」一文完整說明相關的技術進展，包含擬定的元件架構、電路設計及性能指標。神經內網（Intranet of Neurons）研究計畫已獲得歐盟展望2020（Horizon 2020）研究創新計畫旗下的歐洲研究委員會（ERC）資助，補助核可編號為No. 101001448。