27294

طراحي و ساخت يك تراشه قابل كاشت پزشكي به ¬منظور انتقال توان و اطلاعات به صورت بي¬ سيم

دكتري

مهندسي برق

1391

1401/6/28

دكتر عباس عرفانيان اميدوار

مهندسي برق

امروزه سيستم¬هاي قابل¬ كاشت پزشكي بي¬سيم به¬ طور گسترده¬اي در تشخيص و درمان بيماري¬ها مورد استفاده قرار مي¬گيرند. يكي از چالش¬هاي مطرح در طراحي اين سيستم¬ها چگونگي انتقال توان و داده به بخش داخلي اين سيستم¬ها است. بخش وسيعي از تحقيقاتي كه در رابطه با سيستم¬هاي قابل ¬كاشت پزشكي صورت گرفته ، بر روي اين مسئله تمركز يافته است. در اين رساله يك روش سيستماتيك براساس الگوريتم ژنتيك براي طراحي اتصال القائي بهينه ارائه شده است. از اين روش براي طراحي تعداد متنوعي از سيستم¬هاي انتقال توان با تكراركننده و بدون تكراركننده، با اتصال سري و موازي بار، تعداد متفاوت سيم¬¬پيچ¬ها و پارامترهاي فيزيكي مختلف استفاده شده است. نتايج محاسبات، شبيه¬سازي و ساخت نشان مي-دهد كه سيستم انتقال توان مبتني بر دو سيم¬¬پيچ¬ طراحي شده نه ¬تنها نسبت به سيستم¬هاي دو سيم¬¬پيچي¬ مشابه بازده بهتري دارد بلكه نسبت به سيستم¬هاي چند سيم¬¬پيچي¬ كه در مراجع ديگر طراحي شده¬اند، كارايي بالاتري دارد. سيستم¬ طراحي شده پس از شبيه¬سازي با نرم¬افزار HFSS و صحت¬سنجي با مراجع مربوطه، پياده¬سازي شده¬ است. سيستم انتقال توان بي¬سيم دو سيم¬¬پيچي ساخته شده، داراي بازده توان 7/82% و توان منتقل شده به بار 89/173 ميلي وات است. در ادامه، يك مدل انعطاف¬پذير جديد براي سيستم¬هاي انتقال توان با تكراركننده ارائه شده و ساختارهاي متفاوتي بر مبناي اين مدل پياده¬سازي شده است، نتايج محاسبات تئوري و شبيه¬سازي نشان مي¬دهد كه بنا به ساختار سيستم، بازده بهينه شده در اين سيستم¬ها حدود 94% الي 99% خواهد بود. در سيستم¬هاي انتقال توان بي¬سيم تغييرات فاصله تزويج منجر به تغيير امپدانس منعكس¬شده مي¬گردد، همين امر سبب مي¬شود تا تقويت¬كننده كلاس E از نقطه كار بهينه خود خارج شود. در اين پايان¬نامه، روش جديدي براي تنظيم اتوماتيك تقويت¬كننده كلاس E به ¬صورت برخط با استفاده از رآكتورهاي تنظيم¬پذير ارائه شده است. نتايج ساخت نشان مي¬دهد كه روش پيشنهادي به ¬خوبي مي¬تواند كلاس E را تنظيم نمايد تا به نقطه كار بهينه خود بازگردد و كاهش توان منتقل شده به بار در حين تغيير فاصله تزويج را جبران نمايد. اندازه¬گيري¬ها نشان مي¬دهد كه با استفاده از روش پيشنهادي به ازاي فاصله¬هاي تزويج mm 15، mm 20، mm 25 و mm 30 مقدار توان منتقل شده به بار به ترتيب 47/14%، 51/25%، 92/15% و 88/12% بهبود خواهد يافت. يكي از بخش¬هاي ديگر سيستم¬هاي قابل كاشت پزشكي دمدولاتور است. در اين رساله، يك دمدولاتور كليدزني تغيير فاز طراحي و شبيه¬سازي شده است. در اين دمدولاتور از نوسان¬ساز وين¬بريج و روش قفل كردن با تزريق جهت بازيابي اطلاعات استفاده شده است. براي شبيه¬سازي مدار دمدولاتور از فناوري 180 نانومتر با ولتاژ تغذيه 8/1 ولت استفاده شده است. نتايج شبيه¬سازي نشان مي¬دهد كه مقدار توان مصرفي دمدولاتور پيشنهادي در فركانس 56/13 مگاهرتز برابر با 355 ميكرووات خواهد بود. دمدولاتور پيشنهادي اين توانايي را دارد تا اطلاعاتي با نرخي بين 10 كيلوبيت بر ثانيه الي 43/1 مگابيت بر ثانيه را بازيابي نمايد. همچنين مساحت ناحيه فعال آن نيز برابر با 1/118 ميكرون در 75 ميكرون خواهد بود.

1401/08/01

Design and fabrication of power and data link for wireless implantable medical devices

9/19/2023 12:00:00 AM

Wireless implantable microelectronic devices (IMDs) are being widely used today in diagnostic as well as therapeutic purposes. A critical issue in the design of IMDs is the transferring of the required power and data to the implanted microelectronic device. There are many researches that have focused on this problem. This research presents a systematic methodology based on the genetic algorithm (GA) for the optimal design of inductive links. The optimization method has been applied to designing different WPTs with series and parallel connections of load and different design constraints. The results of calculation, simulation and measurements demonstrate that the 2-coil WPT can be optimized to achieve maximum efficiency compared to the previously reported 2-coil and multi-coil WPTs. In a fabricated 2-coil configuration, a power transfer efficiency (PTE) of 82.7% and a power delivered to the load (PDL) of 173.89 mW are achieved. In this research, a novel flexible model for WPRT systems with N-2 repeaters was presented. Calculation and simulation results show that depending on the WPRT structure, the optimized PTE of the WPRT would be around 94%-99 %. In addition, a new approach is proposed for the automatic tuning Class E power amplifier (PA) to compensate the effect of the coupling distance variation in WPT systems. In WPT, coupling distance variations change the reflected impedance, causing Class E PA to operate under nonoptimal switching conditions. Here, a model-based approach is proposed to estimate the coil separation distance in real-time and the Class E is retuned online by saturable reactors. The results indicate that the proposed method could perfectly retune the Class E to operate under optimum conditions and compensate PDL reduction during coupling distance variations. The measurement results show that by using the proposed method, the PDL increased by 14.47%, 25.51%, 15.92%, and 12.88% at coil coupling distances of 15 mm, 20 mm, 25 mm and 30 mm, respectively. We present a 13.56 MHz binary phase-shift keying (BPSK) demodulator, which is based on injection locked oscillators (ILOs), dedicated to such implantable medical devices. Two Wien bridge oscillators are employed to convert BPSK signals to ASK signals, which are then demodulated by an envelope detector to baseband. The simulation results of the proposed demodulator show 335 µW power consumption under a supply voltage of 1.8 V, and silicon area of 75×118.1 µm2 in the Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) CMOS 180 nm technology. Also, the proposed demodulator supports a scalable data rate (10 Kbps- 1.43 Mbps).

سيستم انتقال توان بي¬سيم , تقويت¬كننده توان كلاس E , كنترل حلقه بسته , قفل كردن با تزريق , دمدولاتور كليدزني تغيير فاز

Wireless power transfer system , Class E power amplifier , Closed loop control , Injection locking , BPSK demodulator

Anahita Bagheri

Abbas Erfanian