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原創(chuàng)丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
傳感器小型化通過提供原位過程反饋來實現(xiàn)微創(chuàng)醫(yī)療程序或患者監(jiān)測等應用。理想情況下，微型傳感器應該是無線的、價格低廉的，并允許通過負擔得起的檢測系統(tǒng)進行足夠距離的遠程檢測。
有鑒于此，德國飛利浦研究中心Jürgen Rahmer等人從理論上分析了無線傳感器的信號強度，并推導出體積小于 1mm3的高信號諧振磁機械傳感器的簡單設計。作為示例，作者演示了在未屏蔽環(huán)境中實時跟蹤飛蜂的位置和姿態(tài)、活檢針的導航、自由流動標記的跟蹤以及壓力和溫度的感測。實現(xiàn)的傳感器尺寸、測量精度和約25cm的工作空間顯示了用于醫(yī)療和非醫(yī)療應用的低成本無線跟蹤和傳感平臺的潛力。
本文要點：
（1）MMR系統(tǒng)設計概述
作者設計了一個技術平臺，通過將現(xiàn)有技術與尺寸約為1 mm的微型傳感器相結合實現(xiàn)了小型低成本的無線傳感器。該平臺可用于許多應用，例如手術設備和導管的導航、家庭血壓監(jiān)測、無輻射胃排空研究、控制口服藥物依從性監(jiān)測昆蟲行為等。作者展示了磁機械諧振器(MMR)的基本概念圖及MMR檢測系統(tǒng)的原理。由于磁化矢量的平面振蕩產生兩個正交信號分量，因此可以使用已知的線圈空間靈敏度分布重建位置和完整方向信息，即6個自由度(DoF)。
圖MMR系統(tǒng)組成和信號響應
（2）蜜蜂追蹤實驗
為了突出小標記足跡，一只配備有MMR（~1.5毫克）的蜜蜂在距離線圈陣列200毫米的距離內行走和飛行時被實時跟蹤。原始測量速率約為40 Hz，每次測量都會提供蜜蜂的瞬時位置（x、y、z）和姿態(tài)（俯仰、偏航、滾動），即6-DoF信息。根據(jù)跟蹤數(shù)據(jù)和攝像機視圖，飛蜂的速度高達每秒 600 毫米。
圖 蜜蜂追蹤實驗
（3）醫(yī)療導航實驗
為了演示醫(yī)療導航，MMR集成在插入彎曲活檢針中的探針中。由于2.2 kHz 的低共振頻率，針的鈦合金只會微弱地衰減 MMR 信號。因此，在明膠模型的體積上進行精確的針尖跟蹤是可能的。6-DoF信息使針能夠準確導航到目標，導航可以完全基于醫(yī)學成像系統(tǒng)提供的“路線圖”。為了模擬在胃腸道通道期間對可攝入標記物的跟蹤，在流過纏繞管模型時定位了一個不受限制的MMR、
圖 彎針導航實驗
（4）傳感實驗
為了演示傳感，密封的 MMR 壓力傳感器會受到壓力變化的影響。傳感器的靈敏度和測量范圍可以通過外殼的剛度進行調整。該傳感器使用兩個振蕩球體來降低對靜磁場背景場的敏感度，顯示了從測量信號中提取的共振頻率，同時使用注射器手動施加壓力變化。傳感器的靈敏度為0.34 Hz/mbar，結果表明針導航實驗的跟蹤標記也可用于測量溫度。
圖 壓力傳感器設計、演示器和測得的壓力變化
（5）比例定律
實驗展示了使用毫米大小的設備進行MMR跟蹤和感測。為了與現(xiàn)有技術進行比較，將 MMR 的信號與傳統(tǒng)的無源射頻電路進行了比較。研究結果表明相應技術可以提供的信號和大小組合。根據(jù)縮放定律，MMR的工作區(qū)域擴展到更小的器件尺寸。與現(xiàn)有的 LC 諧振器技術相比，MMR技術使無線標記和傳感器的線性尺寸縮小約1個數(shù)量級。小型化是由高MMR信號實現(xiàn)的。MMR設計還克服了磁性微機電系統(tǒng)在無線驅動和傳感應用中遇到的限制。MMR的簡單性可以實現(xiàn)簡單的制造和低成本。這些優(yōu)勢與MMR的小尺寸及其約25厘米的無線檢測距離相結合可以改進或實現(xiàn)廣泛的應用。
圖用于標記和傳感器應用的MMR和LC型諧振器之間的信號縮放比較
參考文獻：
BERNHARD GLEICH, et al. Miniature magneto-mechanical resonators for wireless tracking and sensing. Science, 2023, 380(6648): 966-971
DOI: 10.1126/science.adf5451
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf5451
