面向植入式医疗与水下监测系统的超声驱动摩擦纳米发电机多频调制同步无线能量与信息传输技术研究

　　本文提出了一种基于超声驱动摩擦纳米发电机（US-TENG）的多频调制同步无线能量与信息传输（MF-SWIPT）系统，通过创新的全桥整流和高通滤波电路设计，实现了在低功耗条件下能量传输与信息解调的并行高效运行。该系统显著提升了植入式医疗微系统（如心脏起搏器）和水下监测微系统的能源可持续性与信息交互能力，为动态调节治疗参数和环境监测阈值提供了革命性解决方案。

　　

1 引言

超声驱动摩擦纳米发电机（US-TENG）因其柔性、易制备和低成本的优势，在传统振动发电机难以应用的场景中快速发展，特别是在植入式医疗微系统和水下传感/监测微系统中展现出重要应用前景。早期US-TENG通过集成商业通信模块实现信息传输，但存在能耗高、体积大的局限性。本研究提出多频调制同步无线能量与信息传输（MF-SWIPT）技术，通过优化电路设计使复杂多频信息解调电路仅消耗微瓦级功率，实现在不降低能量传输效率的前提下显著提升信息传输效率。

2 结果与讨论

2.1 系统架构与工作流程

系统由防水封装TENG器件、MF-SWIPT集成电路和功能化负载模块三部分组成。TENG采用双电极接触-分离结构，电极采用金纳米颗粒混合苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）层，摩擦层材料为全氟烷氧基树脂。通过超声传播激发TENG产生变频电流，经整流桥后大部分能量存储于超级电容器，少部分进入信息解调电路获取数字信息作为控制指令。多频调制使信息传输以多比特量化方式实现，大幅提升传输效率。

2.2 电路拓扑优化与仿真

提出新型MF-SWIPT电路结构，通过高通滤波器（R1、C1）和信息解调电路（R2、R3、C2）实现能效优化。关键约束条件包括：比特电压分辨率确保信息可靠识别、比特时间分辨率保证信息转换速度、单位时间内电压纹波保持数据稳定。仿真表明，在四频工作模式（125/80/50/25 kHz）下，信息传输速率显著提升，能量传输功率达140.31 μW，较单频模式降低47.84%，且电路功耗仅3.7 μW（解调电路）和38.0 μW（充电电路）。

2.3 实验测试与应用演示

研制MF-SWIPT原型系统（PCB尺寸20 mm×20 mm），实验验证TENG在25–125 kHz超声驱动下输出电压峰值8–70 V，充电电压随频率升高而增加。四频解调输出电平分别为2.596 V（11）、2.158 V（10）、1.605 V（01）、0.831 V（00），对应数字信息识别无误。通过水下温度监测案例演示系统功能：通过文本编码传输指令（如"30"设置阈值30°C），微系统在TENG供电下实现温度感知与报警功能，连续工作时长达17小时。

3 结论

US-TENG-MF-SWIPT系统通过全桥整流和高通滤波设计，解决了低功率TENG输入下能量与信息传输的互干扰问题。四频模式能量传输速率达140.31 μW，信息传输速率翻倍，较传统无线模块（≥2.6 mW）功耗降低两个数量级。系统成功应用于水下监测微系统，实现了能量供给与复杂指令传输的双重功能，显著增强智能微系统的自主性与交互能力。

4 实验方法

采用数字存储示波器（Keysight DSOX4024A）测量信号，多频超声发生器通过继电器组控制探头输出频率。TENG电极连接接收电路输入端口，上位机软件（Visual Basic编写）配置并发送信息。STM32L0低功耗微控制器识别解调电压信号，控制LCD显示屏与温度传感器实现阈值设定与报警功能。