基于声学超构材料的无源温度传感器提供mK级温度分辨率

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询问。能量传输和管理比较复杂，往往限制了植入式传感器系统的适用性。

据麦姆斯咨询报道，近日，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员报道了一种新的无源温度传感方案，该方案基于嵌入聚二甲基硅氧烷基质的硅制成的声学超构材料（metamaterial）。与其它的方法相比，这一概念的实现不需要额外的原位电气元件或定制的接收单元。研究人员在演示中使用标准的超声波换能器来直接激励和收集反射信号。超构材料在接近典型医用频率（5 MHz）下共振，并表现出高质量因子。将超构材料的设计特点和聚二甲基硅氧烷基质的高温度灵敏度相结合，研究人员实现了30 mK的温度分辨率。相关研究成果以“An in vitro demonstration of a passive, acoustic metamaterial as a temperature sensor with mK resolution for implantable applications”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

在这项工作中，研究人员提出了一种用于医疗领域的声学温度传感器的概念验证，该传感器是纯无源的，并且基于声学超构材料设计而成。超构材料传感器的声学特性由温度调制。外部超声换能器的询问是通过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。这种超构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质。声学超构材料是由一个4英寸、500 μm厚的硅晶圆通过深反应离子蚀刻（DRIE）制成。其设计经过优化，表现出共振接近5 MHz的声反射，这是医用超声探头的典型中心频率。

骨植入物中声学温度传感器的概念设计

研究人员在29-43°C（~302-316 K）的温度范围内研究了三种不同的体外设计：一种简单的硅和PDMS双层材料（简称Bilayer）和两种硅声学超构材料，分别是无PDMS涂层（简称Si-Meta）和有PDMS涂层（简称PDMS-Meta）。PDMS-Meta和Bilayer的温度灵敏度在数量级上相似，均显著超过Si-Meta（>20倍）。有限元仿真的结果表明温度灵敏度的来源是由于PDMS的体积模量的温度依赖性，它决定了PDMS纵波（p-）的声速。这解释了Bilayer传感器和PDMS-Meta传感器具有相似的灵敏度值。

三种传感器的温度灵敏度和分辨率的平均值及其提取过程

在温度分辨率方面，经平均计算，PDMS-Meta比Bilayer高出近一个数量级（30 mK vs. 0.22 K），比Si-Meta高出近15倍。研究人员已经证明，峰宽与残差的标准偏差相关，这最终影响分辨率。研究人员解释说，PDMS-Meta分辨率的提高是由于PDMS的高温度灵敏度与硅微柱晶格的正协同作用，这导致了尖锐的声学共振。

研究人员推测，共振的尖锐度是由于硅微柱的存在引起的声学局域模式。但是，本地化机制需要通过进一步的分析来确认。尽管如此，PDMS声学模式的共振频率在很大程度上取决于硅微柱的几何形状。根据询问换能器和不同的应用，这一特征将有助于未来针对其他频率范围设计和调谐声学超构材料。

温度灵敏度、分辨率的模拟分析以及与实验值的比较

PDMS-Meta实现了~30 mK的温度分辨率，远低于典型医疗应用中使用的100 mK分辨率要求。研究人员所开发的传感器在分辨率方面优于其它无线传感器，仅被光纤温度传感器所超越。

总而言之，研究人员提出了基于声学超构材料传感器的超声波询问无源温度监测的新概念，并制造和测试了三种不同的温度传感器。研究人员评估了它们在临床温度范围和分辨率方面的性能，以供未来潜在的医疗植入式应用。未来的工作将集中在设计和材料优化、超构材料与钛假体的集成、交叉敏感性研究（如应变）以及体内表征和演示。研究人员相信这种基于超声超构材料的传感新概念为无源传感温度开辟了新途径，在穿戴式植入物中具有很大的潜力，特别是在植入式假体感染的早期检测方面。

论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41378-023-00632-x

审核编辑：刘清