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比翱夏令营 · 前瞻丨声振功能材料与结构创新设计国际合作平台
无线医疗传感器通常利用电磁耦合或超声波进行能量传输和传感器探询。能量转移和管理是一项复杂内容，经常限制植入式传感器系统的适用性。此项研究报道了一种新的被动温度传感方案，该方案基于嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体的硅制成的声学超材料。与其他方法相比，该概念在没有额外的现场电气部件或不需要定制的接收单元的情况下实现。该演示使用标准超声换能器来直接激发和收集反射信号。超材料以接近典型医学值的频率（5 MHz）共振，并且表现出高质量因子。将超材料的设计特点与PDMS基质的高温敏感性相结合，实现了30 mK的温度分辨率。该值低于红外测温监测术后并发症所需的当前标准分辨率（0.1 K）。制作、模拟、体外测试并比较了29–43 °C温度范围的三种声学传感器设计。利用这一概念，展示了此项被动超材料传感器如何为基于声学探询的新零功率智能医疗植入概念开辟道路。
由于超材料与声波，特别是超声波相互作用的能力，使其成为植入式装备的一种很有前途的方法。此项研究提出了一种用于医疗应用的声学温度传感器的概念验证，该传感器是纯无源的，基于声学超材料设计。超材料传感器的声学特性由温度调制。通过外部超声换能器的探询是基于分析反射的声学信号来执行的，从而消除了能量传输、存储和管理的需要。这种超材料由两种对比鲜明的声阻抗材料组成：排列在六边形晶格中的硅微柱和由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的嵌入聚合物基体。这种声学超材料是由一个4英寸、500 μm厚的硅片制成。它的设计经过优化，显示出接近约5MHz的声学反射率，这是医疗超声探头的典型中心频率。
研究了29-43 °C温度范围：硅和PDMS的简易双层和两种硅声学超材料，无PDMS涂层和有PDMS涂层（分别称为Si-Meta和PDMS-Meta）。本研究中展示的具有关键性能的超声波超材料是PDMS Meta。另外两种设计用于阐明PDMS相对于硅柱的物理温度依赖性和相对贡献。双层材料的声学响应在理论上已被理解，用于探索PDMS的温度行为，而Si-Meta用于阐明声学共振的源头以及硅柱在超材料中的作用。
通过实验和模拟证明了聚合物基质的温度敏感性如何在声学超材料的辅助下，产生约30 mK的平均分辨率。基于这样的分辨率，有可能通过对人体一个或多个位置的局部体内温度进行被动监测和探询，为医学应用开辟新的途径。
a）从4英寸、500μm厚开始的硅晶片制造工艺流程，基于深度反应离子蚀刻（DRIE）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层作为聚合物基体；b）制造的硅微柱的扫描电子显微镜（SEM）细节，包括测量尺寸及晶胞单元的示意性俯视图；c）展望了声温传感器的应用和传感原理。利用超声波探头来探询位于植入物表面上的传感器。温度变化会改变相关材料（PDMS和Si）的体积模量，从而导致声学模式的谐振频率与温度变化成正比。
a）超声波温度设置的三维视图，包括连接到外部数据记录器的三个温度探头、一个5升水箱和一个超声波探头。将样品浸入水中，用水壶将其加热至45 °C；b）超声波装置沿a中虚线的横截面图（x–z）。样品支撑在边缘；c）记录的水中温度的瞬态行为（平均值，紫色实线）。每个像素的时间轨迹（A扫描）记录在ROI中。C扫描由ROI中A扫描的空间表示组成，显示为计算区域中的均方根电压。在实验范围内的每个温度下都重复该过程。
a）从三个声学传感器的一个示例像素（3，44）的实验谐振频率中提取的输入-输出传感器特性(□Si Meta；x PDMS Meta；*Bilayer）和相关临床范围（白色区域）；b）两种不同温度下Si-Meta样品的ROI（红边）和FFT幅度；c）信号处理中提取给定温度的频率峰值的步骤。在蓝色插图中，表示输入操作；d）像素（3，44）的FFT幅度作为温度的函数的2D表示。在每个温度下提取的谐振频率被叠加作为标记。e）对于不同的传感器T处的FFT幅度 = 37 °C（310 K）。
a）每像素的平均温度灵敏度和分辨率。虚线：用于医学测温的红外（IR）相机的典型分辨率（见结果：实验设计）。b）ROI定义为9×90像素（浅蓝色矩形）。子样本（粉红色正方形）包含3个 × 3像素；c）在单像素分析\（（\bar｛r｝，\bar{s｝）\）和子样本分析\（\ bar｛r｝，\par｛s｝））中提取灵敏度和分辨率以及标准偏差的过程。
a）PDMS-Meta的模拟反射频谱，体积模量KPDMS的变化相当于温度变化；b）模拟（交叉标记）和实验（连续线）温度灵敏度的比较；c）三个传感器的模拟反射频谱和50 °C（~323 K）时的声学模式形状；d）像素（3，44）的残差与三个传感器的峰值宽度温度上的平均值的实验标准偏差（\（｛\rm｛\sigma｝）｝，计算值为−0.5 dB。
原文来源：Microsystems & Nanoengineering volume 10, Article number: 8 (2024)；An in vitro demonstration of a passive, acoustic metamaterial as a temperature sensor with mK resolution for implantable applications；https://doi.org/10.1038/s41378-023-00632-x
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