一类新型的无线神经接口正在开发中，其形式为数十到数百个毫米级的无系绳植入物，分布在目标脑区。与传统的系绳连接到中央控制单元且会因微小运动（可能会损*周围神经组织）而受影响的接口不同，新型的自由浮动式无线可植入神经记录（FF-WINeR）探针将是独立的，可直接与外部询问器通信。为了开发FF-WINeR，本文描述了1立方毫米无源探针的微加工、微组装和气密封装过程，每个探针由一个经过减薄的微加工硅芯片组成，该芯片有一个位于中心的直径130微米的通孔、一根直径81微米的尖锐钨电极、缠绕在芯片上的7匝金线绕制的线圈、芯片上的两个0201表面贴装电容器，以及聚对二甲苯-C/聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层。制造好的无源探针在三线圈感应链路下进行测试，以评估功率传输效率（PTE）和传输到负载的功率（PDL），从而进行可行*评估。在137兆赫兹时，在空气中和羊头介质中，*小的PTE/PDL分别为0.76%/240微瓦和0.6%/191微瓦，线圈间距为2.8厘米，接收器（R*）负载为9千欧。六个气密密封的探针在85摄氏度、1个大气压和100%相对湿度的加速寿命测试条件下，通过双线圈感应链路进行了无线气密*测试。经推断，这些探针在37摄氏度时的平均失效前时间（MTTF）为28.7年，超过了它们的使用寿命。

一、引言

随着神经接口努力更有效地与大脑进行交互，未来的神经记录和调制将需要具备同时与分布在大脑大面积区域的多个位点进行接口连接的能力。预计这些同时进行的大面积神经信号采集能够实现脑机接口（BMI），该接口可以恢复严重瘫痪患者的运动能力以及认知功能，据信认知功能涉及大脑的不同区域。它们还可用作先进的神经科学研究工具，用于研究感知、认知、记忆、行为和情感的潜在机制，以及许多脑部疾病（如帕金森病、阿尔茨海默病和癫痫）的生物标志物和根本原因，这些疾病可能会影响广泛网络中大量神经元群体之间的相互作用。尽管已经展示了对大型神经元群体进行局部和分布式神经接口连接的情况，但目前临床上可行的神经接口由于其对脑区的覆盖范围有限，仍无法实现这一目标。

皮层内脑机接口在临床应用可行*方面的一个主要障碍是，它们无法在患者的整个生命周期内长时间进行神经信号采集。已经确定了多种失效机制，例如电极和周围组织的机械损伤、电接触腐蚀、绝缘涂层的退化，以及几种生物*失效，包括出血、细胞死亡、感染、脑膜炎、胶质增生和包封，从而导致神经炎症反应。在这些失效模式中，生物*失效可以说是*难处理的，也是我们关注的重点。研究发现，由于大脑在其周围脑脊液（CSF）中的运动，具有刚体的系绳电极与大脑之间的微小运动可能会破*血脑屏障（BBB），并在电极周围引起炎症和疤痕形成，从而导致信噪比（SNR）下降、细胞死亡和使用寿命缩短。已经表明，顺应*电极基板，特别是那些带有水凝胶或导电聚合物涂层的基板，由于其柔韧*，可以减少与脑组织的机械不匹配，并将运动引起的组织损伤降至*低。也有研究表明，在脑表面系绳连接到颅骨连接器或大型植入物上的锚定探针会加剧炎症和疤痕形成。

为了取代现有的集中式（因而体积较大且为锚定式）神经接口，一类新型的独立式脑机接口正在开发中，其基于这样一种理念：足够小的、表面光滑且边角圆润的无系绳植入物，能够与大脑一起自由浮动，可以减少这些影响，提高生物相容*，并延长电极的有效使用寿命。数十到数千个分布式自由浮动探针能够从整个大脑的大型神经元群体中采集大量数据。有人提出，超声波是向这些小探针传输功率并从中采集数据的*合适方法。然而，超声波在骨骼中会经历相当大的衰减，这对这种脑机接口的设计、尺寸、效率和复杂*施加了严重限制，这种脑机接口需要分两个阶段分别通过电磁（EM）和超声波从体外穿过颅骨向颅内空间以及从脑表面穿过神经组织向植入的探针进行无线功率传输。为了解决上述问题，我们引入了分布式自由浮动无线可植入神经记录（FF-WINeR）系统的概念，该系统通过近场电磁，利用磁共振来供电。

图1展示了FF-WINeR系统的概念图，该系统由数十到数百个由电磁供电的毫米级自由浮动探针组成，这些探针带有少量呈小图钉形式的记录电极，分布在大脑上的感兴趣区域。在当前的概念验证原型中，每个FF-WINeR探针包括一到四个尖锐的穿透式钨微丝电极用于神经记录、一个软线非穿透式参考电极、一个经过减薄的微加工硅芯片，该芯片既作为探针基板提供机械支撑，又容纳专用集成电路（ASIC）、安装在硅芯片上的两个表面贴装器件（SMD）电容器、缠绕在芯片上的键合线线圈，以及包括聚对二甲苯-C和聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层的气密封装。神经信号由电极记录，并由互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片上的专用集成电路（ASIC）进行处理。在FF-WINeR的*终版本中，ASIC将通过头皮上方的外部线圈（L1）、硬脑膜下方的谐振器线圈（L3）和ASIC周围的接收器线圈（L4）之间形成的三线圈感应链路来供电。同一个线圈L4将用作天线，将原始神经数据短距离传输到头部上方的前置放大器。前置放大器通过内置低功耗蓝牙（BLE）的微控制器单元（MCU）将神经数据中继到公共服务器进行后处理。由电池供电的前置放大器还包括一个高效功率放大器（PA），它通过三线圈感应链路向分布在广泛皮层感兴趣区域的数十到数百个FF-WINeR提供功率。

图1. 自由浮动无线可植入神经记录（FF-WINeR）系统的概念图。数十到数百个FF-WINeR像小图钉一样，在感兴趣的皮层区域自由浮动，由前置放大器中的外部功率放大器（PA）通过三线圈感应链路进行无线供电。前置放大器还从FF-WINeR收集神经记录数据，并通过低功耗蓝牙（BLE）链路将其中继到服务器进行后处理。

FF-WINeR探针的制造和组装是设计的关键方面，在开发的早期阶段就必须加以解决，因为它们直接影响到对其他组件所做的设计决策，例如有源电路可用的面积和功率。探索毫米级无源浮动探针的组装和封装是很有必要的，除了专用集成电路（ASIC）之外，这种探针在各个方面都与*终的探针相似，以便发现由于气密封装、人工操作、外科手术过程，或者是脑组织中异物反应和疤痕的不良影响而导致的记录失效机制。尽管已经有许多关于脑组织对可植入神经接口设备的插入和存在的反应的研究，但这些研究主要局限于传统的系绳电极。一项关于使用无系绳电极时脑星形胶质细胞反应的研究是朝着发现组织对抗体的反应的准确机制以及无系绳可植入医疗设备（IMD）实际尺寸下脑组织反应的早期步骤。

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在本文中，我们专注于毫米级FF-WINeR探针的微加工、组装、无线供电和无线气密*测试。气密密封的无源探针可用于在体外探索它们的使用寿命和坚固*，以便为未来实现实际的FF-WINeR系统和体内测试的实验做准备。第2节介绍了向毫米级浮动设备传输功率的考虑因素。第3节描述了微加工/组装方法和气密*测试，第4节给出结论。

二、任意分布的毫米级FF-WINeR探针的功率传输考虑因素

一项比较研究表明，在几种用于毫米级可植入医疗设备（IMD）的电源中，感应功率传输具有*高的功率密度。为了给毫米级可植入医疗设备供电，功率可以通过两线圈、三线圈或四线圈感应链路来传输。在这些链路中，两线圈感应链路是传统上用于为厘米级可植入医疗设备供电的链路。据我们所知，通过两线圈感应链路，在发射线圈与接收线圈（T*-R*）间距为1厘米的情况下，传输到1平方毫米可植入医疗设备的*大报道功率传输效率（PTE）约为1% 。两线圈感应链路不适合在大耦合距离下为多个可植入医疗设备供电。为了向多个任意分布的可植入医疗设备传输足够的功率，由于磁共振的作用，通过高品质因数（Q）谐振器（L3，C3）的三线圈感应链路是一个更好的选择，它提供了相当大的覆盖范围和更高的功率传输效率。

基于*近*先进的神经记录专用集成电路的功耗，传输到负载的*小所需功率（PDL）约为每个通道80微瓦：模拟前端（AFE）为2.6微瓦，发射器（T*）为2.4微瓦，时钟恢复为10.6微瓦，电源管理为64.1微瓦。在本节中，我们探索边长为1毫米的方形接收（R*）线圈的三线圈感应链路设计参数。

2.1. 为小型化接收线圈供电的三线圈感应链路的设计参数

图2展示了三线圈感应链路的简化示意图。Vs和Rs分别代表功率放大器及其输出电阻。功率放大器驱动发射线圈（L1），该发射线圈与谐振器线圈（L3）耦合，耦合系数为k13，谐振器线圈又环绕并与一个或多个接收线圈（L4）耦合，耦合系数为k34。R1、R3和R4分别代表L1、L3和L4的寄生电阻，RL代表负载电阻。使用调谐电容器C1、C3和C4，所有线圈都在ω0频率下进行调谐，ω0是由功率放大器输出端的VS产生的正弦载波信号的频率。

图2. 为FF-WINeR探针供电的三线圈感应链路的简化电路图。

从L1到谐振器线圈L3的功率传输效率（PTE）可以按如下方式确定，

其中，Q1 = ω0L1/R1，Q3 = ω0L3/R3，Q4L = Q4QL/(Q4 + QL)，其中，Q4 = ω0L4/R4，QL = RL/ω0L4。Q1、Q3 和 Q4 是线圈的品质因数，QL 是负载品质因数。L3 和接收线圈 L4 之间的 PTE 可以近似为，

为了使总效率ηtotal=η13×η34*大化，应首先优化 L3-L4 链路，然后再优化 L1-L3 链路。更具体地说，我们在 L4 预先确定的几何形状下优化Q4L，在本应用中，L4 的几何形状由专用集成电路（ASIC）的尺寸决定。k34在很大程度上取决于 L3 和 L4 的几何形状，而对它们的匝数依赖较小，因为 L3 和 L4 的互感和自感都会随着匝数的增加而增加。L1-L3 和 L3-L4 之间的距离分别用d 13和d34表示，它们是影响功率传输效率（PTE）和传输到负载的功率（PDL）的其他关键参数，其标称值（d13=28毫米，d34=0毫米）是根据人类头部和大脑的解剖结构选择的，如图 1 所示。

2.2. FF-WINeR 探针的键合线绕制线圈设计和三线圈感应链路设计

接收线圈（R*）的尺寸通常受到应用的限制。对于分布式神经接口，接收线圈的尺寸被限制在几毫米。较小的植入物尺寸可减少疤痕形成和炎症，然而，它也会降低感应链路的功率传输效率（PTE）/ 传输到负载的功率（PDL）。作为功率传输效率（PTE）、比吸收率（SAR）限制下的传输到负载的功率（PDL）以及潜在组织损伤之间的一种折衷，FF-WINeR 接收线圈的边长被选择为 1 毫米。目标负载电阻选择为 9 千欧，当负载两端的电压为 1 伏均方根值时，这相当于向负载传输 111 微瓦的功率。在这些限制条件下，接收线圈中可以优化的参数是线圈间距、线径和匝数。由于选择了绝缘键合线，线径固定为 25 微米。当使用手动引线键合机绕制线圈时，线圈间距有点难以控制。*后，使用高频结构模拟器选择*佳匝数以使Q4L*大化。

L4 的高频结构模拟器仿真模型如图 3a 所示。芯径为 25 微米的金键合线缠绕在一个 1 毫米 ×1 毫米 ×0.2 毫米的硅（Si）芯片上，线的两端通过超声波键合到硅芯片上 7 微米厚的金焊盘上。在这次仿真中，线圈间距设置为 30 微米，尽管在手工制造过程中它不容易调整。在本研究的这个阶段，当还没有考虑法规合规*时，感应链路的优化通常包括在测量功率传输效率（PTE）的同时通过扫描频率来选择*佳载波频率。我们在*佳工作频率范围内选择了 135 兆赫，并且考虑了链路功率传输效率（PTE）和整流器功率转换效率（PCE）之间的权衡。图 3b 展示了在 135 兆赫时Q 4L与 L4 匝数的关系，Q4L的值在 11.5 到 17.2 之间变化，这表明*佳匝数是 7。

图 3. （a）接收键合线线圈的高频结构模拟器（HFSS）仿真模型，金芯直径为 25 微米，缠绕在一块 1 毫米 ×1 毫米 ×0.2 毫米的硅片上，该硅片为线圈提供机械支撑，并作为专用集成电路（ASIC）的基板。线的两端通过超声波键合到一对厚度为 7 微米的金金属焊盘上。此模型中的线圈中心距为 30 微米。（b）在 135 兆赫和RL=9千欧时Q4L与 L4 匝数的关系。其他设计参数如图 3a 所示。

在每个谐振器内部能容纳的 FF-WINeR 的数量（由谐振器的直径决定）和η34之间存在一种权衡。在这里，我们考虑了谐振器外径Do3=3.6厘米，以便在内部为大约 100 个 FF-WINeR 提供足够的空间。发射线圈（T*）的外径Do1是在考虑了发射线圈和谐振器线圈之间的距离d13=2.8厘米后得出的。

2.3. 向 FF-WINeR 探针的无线功率传输（WPT）

基于上述设计考虑实施了三线圈感应链路，以探究可实现的功率传输效率（PTE）和传输到负载的功率（PDL）与 L1 和 L3 之间的线圈距离（d13）以及 L4 相对于 L3 中心的水平偏移（*34）之间的关系，如图 4a、b 所示。线圈的电气和几何特*总结在表 1 中。

图 4. （a）在空气中测量从发射（T*）线圈到接收（R*）线圈在不同线圈间距d13下的S21的实验装置；（b）在空气中测量取决于接收线圈相对于谐振器中心的水平偏移*34的S21的实验装置；（c）使用羊头来模拟神经组织环境的实验装置；（d）在空气中 137 兆赫时三线圈感应链路测得的S21；（e）在羊头组织介质中三线圈感应链路的功率传输效率（PTE）和传输到负载的功率（PDL）与 L4 的角度偏移的关系（*34=0毫米，d13 =28毫米）。功率传输效率（PTE）的测量重复了 6 次，误差线表示 95% 的置信区间。

表 1. 三线圈感应链路的电气特*和几何参数。

使用矢量网络分析仪在 L3 与 L4 位于同一平面且 L3 存在的情况下，测量从 L1 到 L4 的 S 参数。图 4b 中连接 L4 的红白双绞线会给 L4 引入寄生耦合、电感和电阻，可能会降低测量精度。因此，我们采用了一种称为去嵌入的校准方法。三线圈感应链路在 137 兆赫时去嵌入后的 S21 与空气中的*34和d13的关系如图 4d 所示。如果*34=0毫米，当d13=42毫米和28毫米时，S21 的*小值和*大值分别为−24.45 分贝和−21.2 分贝。在d13=28毫米（使 S21 *大化的发射线圈和谐振器线圈的标称距离）时，当*34=0毫米和12毫米时，S21 的*小值和*大值分别为−21.2 分贝和−15.1 分贝。同样，如图 4c 所示，当*34=0毫米且d13=28毫米时，在羊头介质中测得的 S21 *小值为−22.26 分贝。根据测得的 S21 和 S11，功率传输效率（PTE）可以按如下公式推导得出，

其中Z0是特*阻抗，为 50 欧姆。使用公式计算在空气中和羊头介质中实现的*小功率传输效率（无旋转时）分别为 0.76% 和 0.6%。由于矢量网络分析仪的源功率固定为 15 分贝毫瓦，在空气中和神经组织介质中实现的*小传输到负载的功率（PDL）可分别计算为 240 微瓦和 191 微瓦。这种水平的 PDL 足以驱动具有少量通道的*先进的神经记录专用集成电路（ASIC）。

大脑表面是弯曲的，布满了脑回和脑沟，这使得毫米级的小 L4 不太可能与 L3 完美对齐。由于 L3 和 L4 之间的角度偏差，预计这会降低三线圈感应链路可实现的*小功率传输效率（PTE）和传输到负载的功率（PDL）。我们在羊头组织介质中，在将 L4 从 0° 旋转到 90° 的同时测量了所提出链路的 PTE 并计算了 PDL。由于在羊头中设置 L4 的角度旋转存在困难，为了获得更高的精度，测量重复了 6 次。图 4e 展示了在*34=0毫米且d13=28毫米时，PTE 和 PDL 与 L4 角度偏差的关系。当 L4 角度偏差为 15° 时，PTE 和 PDL 分别降至 0.54% 和 171 微瓦，测量误差约为 10%。当偏差为 45° 时，它们进一步分别降至 0.2% 和 60 微瓦。因此，对于 80 微瓦的*先进工作功率，在这种无线功率传输（WPT）模式下，*大可容忍的角度偏差约为 40°。

对于长期植入，即使对热效应的详细建模和测量超出了本文的范围，也应考虑所提出的三线圈感应链路周围脑组织的温度升高情况。由于传输到 L4 的 PDL 仅为 191 微瓦，其温度升高可忽略不计。另一方面，使用制造的线圈参数进行的电路仿真表明，在上述工作条件下，L3 中的功耗为 31 毫瓦。考虑到相关的模型和测量结果，如果这么多的功率在一个表面积为 0.55 平方厘米的传统脑植入物中耗散，将导致温度升高约 1.5 摄氏度。然而，L3 的表面积比上述植入物大 15 倍，并且它可能比硅具有更好的热导率。因此，我们粗略估计温度上升幅度约为 0.1 摄氏度。

三、FF-WINeR 无源探针的制造和气密*测试

由于设备尺寸极小，FF-WINeR 探针的制造需要一种新颖的工艺流程。该流程包括微加工、微组装和气密封装。制造好的探针应进行气密*测试，以估计它们在体内恶劣工作条件下的使用寿命。

3.1. 硅芯片制造工艺

对于无源硅芯片的制造，基于先前已开发的工艺，使用紫外（UV）光刻技术在空白硅片上定义出 1 平方毫米芯片的阵列。如图 5a、b 所示，图案化在同一掩模上定义出了硅通孔（TSV），这些通孔*终用于容纳微丝电极，而切割道则用于将芯片彼此分隔开。芯片设计有圆角，以实现植入物表面光滑，并获得更好的涂层和生物相容*。使用改进的工艺在深反应离子蚀刻机（DRIE）中对暴露的硅切割道和硅通孔进行蚀刻，蚀刻深度为 100 微米，这正是 FF-WINeR 探针中所需的硅芯片厚度，如图 5b (2) 所示。将该硅片翻转过来，使用高温热释放胶带将其粘附到牺牲硅片上。然后如图 5b (3) 所示，将硅片的背面蚀刻掉，露出先前蚀刻的硅通孔和切割道，从而*开硅通孔并分隔出各个芯片。图 5c 是硅通孔的扫描电子显微镜（SEM）照片。FF-WINeR 专用集成电路（ASIC）的设计将在芯片中心留出一个 270 微米 ×200 微米的空白区域，以容纳微丝电极的放置和电气连接。原始的 11 毫米 ×11 毫米的 ASIC 将在代工厂使用与 CMOS 兼容的工艺制造，带有 10×10 的 FF-WINeR 阵列，如图 5a 所示，这样每个切割后的芯片在经过后处理后可生产多达 100 个 FF-WINeR ASIC。唯一的区别是在整个过程中会使用额外的牺牲硅片，以便于对切割后的 ASIC 进行光刻和微加工。

图5. （a）深反应离子蚀刻（DRIE）掩模的俯视图以及硅芯片的其他特征；（b）硅芯片制造步骤的横截面图；（c）每个硅芯片中间直径130微米的硅通孔（TSV）的扫描电子显微镜（SEM）照片。

3.2. 毫米级FF-WINeR探针的微组装

FF-WINeR探针的微组装步骤如图6所示。根据专用集成电路（ASIC）的复杂程度，通过3.1节中描述的工艺制造的一个或两个硅芯片被堆叠起来，仔细对齐，然后用胶水粘合或通过超声波键合在一起。将堆叠好的芯片放置在一个由四方扁平无引脚（QFN）封装制成的夹具中，夹具中间有一个孔以便插入电极。直径81微米的钨电极，包括3微米厚的聚四氟乙烯绝缘层，其尖端经过电化学蚀刻、聚对二甲苯沉积和电弧曝光处理（Microprobes公司），穿过对齐的孔插入，电极后端使用导电环氧树脂固定在孔周围的大金属焊盘环上。在探针的有源版本中，这个焊盘连接到ASIC的低噪声放大器模块。

图6. FF-WINeR无源器件制造步骤。两个经过处理的硅芯片（1毫米×1毫米×100微米）堆叠在一起，一根直径81微米的钨电极穿过堆叠硅芯片中间的孔插入。用涂覆的键合线在硅芯片周围绕制一个线圈。该器件涂覆有聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚对二甲苯-C。

实现毫米级的L4是无源探针制造的关键步骤之一。一种方法是使用全自动化的引线键合机，其键合头被编程为沿着围绕芯片核心的预定义轨迹移动。然而，对于制作原型，我们使用手动引线键合机和步进电机开发了一个更简单的装置，如图7所示。这个过程如图7底部的插图所示，首先将堆叠的硅芯片固定在QFN封装夹具中。将线的一端通过超声波键合到其对应的金属焊盘上，同时夹具由步进电机缓慢旋转。在硅芯片旋转时，手动调整楔形键合头在探针后端周围的位置，直到达到所需的匝数。为了保持线圈的机械完整*，在线圈的四个角上添加少量瞬间胶。然后，将线圈线的另一端通过超声波键合到芯片上的另一个金属焊盘上。*后，在开始涂覆步骤之前，使用低温焊膏将两个0201表面贴装器件（SMD）电容器安装在上层硅芯片的金焊盘上。其中一个电容器C4是调谐电容器，用于在工作频率下与L4谐振，另一个是负载电容器CL，用于对倍压器的输出进行低通滤波，以实现交流到直流的转换。

图7. 用于键合线绕制线圈的半自动引线键合机以及绕制线圈的步骤（在虚线框内）。将一个QFN封装粘在夹具顶部，并在由函数发生器驱动的步进电机上旋转。使用引线键合机用涂覆的键合线在贴在QFN封装上的硅芯片周围绕制一个线圈。

为了使FF-WINeR针对体内的恶劣环境进行气密密封并保持生物相容*，通过气相沉积法在组装好的无源探针上涂覆一层5微米厚的聚对二甲苯-C涂层。尽管聚对二甲苯-C具有生物相容*，但在聚对二甲苯-C上添加一层PDMS涂层，以延长探针的使用寿命并形成光滑柔软的表面。未固化的PDMS混合物中有许多被困的气泡，应将其放入连接真空泵的干燥器中，直到气泡被去除。然后将无源探针浸入无气泡的PDMS中，并将其倒置悬挂在钩子上，电极尖端插入一块泡沫聚苯乙烯中，在室温下至少固化24小时。图8展示了制作完成的毫米级无源FF-WINeR探针原型，旁边放着一支铅笔的笔尖用于进行尺寸对比。

图8. 制造的无源FF-WINeR原型。7匝键合线线圈缠绕在两个100微米厚的硅芯片堆叠体周围。一根直径81微米、长度3.5毫米的钨电极穿过芯片中心直径130微米的硅通孔插入。在上层硅芯片上也有足够的空间放置两个0201 SMD电容器。整个器件涂覆有聚对二甲苯-C和PDMS，以实现气密*和生物相容*。

3.3. 封装后的FF-WINeR探针的气密*测试

由于生物流体中含有氯化钠、氯化钾、磷酸盐、碳酸盐、酶和其他*白质，它们为探针创造了一个恶劣的环境，而探针表面也可能为周围的细胞创造一个有害的环境。在这样的环境中，水很可能会渗入电子封装中，或者有*物质可能会泄漏出来，这两种情况对探针及其脆弱的周围组织都是有害的。在这里，我们提出了一种用于无线测试FF-WINeR探针封装气密*的方法。

我们的气密*测试方法受到了中提出的无线电容传感的启发。图9a展示了一个询问线圈Li的示意图，它连接到一台网络分析仪上，与被测器件（DUT），在这种情况下是FF-WINeR的接收线圈L4C4振荡电路，通过耦合系数k14进行耦合，被测器件放置在附近。基本原理是测量由于封装内进水导致的L4及其调谐电容C4加上其寄生电容ΔC4p DUT的反射阻抗的变化。Ri和R4分别是Li和L4的寄生电阻。根据反射负载理论（RLT），被测器件反射到询问线圈一侧的阻抗如图9b所示，

其中𝑀𝑖4=𝑘𝑖4𝐿𝑖𝐿4−−−−√是Li和L4之间的互感。封装中的水分可以通过短路SMD电容器使C4失效，或者通过增加介电常数来增加C4p。水的相对介电常数为80.1，是PDMS（2.68）的29.9倍[48]。由于水的渗透率与真空非常接近，因此漏水不会影响L4。表2总结了当前FF-WINeR原型中Li和L4的电气特*。

图 9. (a) 无线气密*测试电路图。(b) 其等效电路模型，从询问器线圈侧观察到，并带有来自被测设备 (DUT) 的反射阻抗。ki4 为耦合系数，Li 为询问器线圈的电感，L4 为 DUT 的电感，Ci 为 Li 的寄生电容，Ri 和 R4 分别为 Li 和 L4 的寄生电阻，Z4 为被测设备 (DUT) 在询问器线圈侧的反射阻抗。

表 2. 询问器线圈和 FF-WINeR R* 线圈的电气特*。

如果我们计算 Z11（通过 L1 看到的输入阻抗），其峰值频率 fZpeak 可以通过求解公式 (6) 中的 ω 来估算，

其中 ωi 和 ω4 分别是 LiCi 和 L4C4 的谐振频率。图 10a 绘制了基于在 Mathematica中求解方程 (6) 而得到的 fZ11peak 变化与先进设计系统仿真结果的关系。介电体的变化仅导致 ΔC4p 发生几 pF 的变化，使 fZ11peak 偏移不到几百 kHz，与原始 fZ11peak 384 MHz 相比非常小。另一方面，短路的 C4 会导致频率从 384 MHz 大幅偏移至 379.8 MHz。为了估计 C4 短路时的 C4p，测量了将 FF-WINeR 线圈浸泡在水中时的阻抗 Z44。图 10b 显示了 Z44 随频率的变化，由此可估算出当 L4 = 92 nH 时 C4p 约为 1 pF。

图 10. （a）分别使用先进设计系统（ADS）和公式（6）模拟和估算的Z11达到峰值时的频率fZ11peak与C4+ΔC4p的关系。（b）当 L4C4 浸泡在水中时测得的∣Z 44∣频率响应。该曲线可用于提取ΔC4p。

测试封装使用寿命*准确的方法是将被测器件（DUT）置于实际的体内工作条件下。一种更简单、更快但准确*稍低的方法是加速寿命测试，我们在对流烤箱中，在 1 个大气压、100% 相对湿度和 85 摄氏度的条件下，对六个无源 FF-WINeR 探针进行了加速寿命测试。每个封装好的探针都被浸没在一个用铝箔密封的容器的水中，如图 11 所示。通过矢量网络分析仪测量Z11，在显微镜下小心地将被测器件放置在一个缠绕有询问线圈Li的夹具上，以记录原始的fZ11peak，确保被测器件始终处于相同的位置。*初，我们每 24 小时测量一次每个样品的Z 11，当关键失效期过后，逐渐增加连续测量之间的时间间隔。

图 11. 封装加速寿命测量装置：六个无源 FF-WINeR 探针分别放置在 85 摄氏度的对流烤箱中的盛水容器内。定期将探针从烤箱中取出，并监测反射到缠绕在夹具上的询问线圈上的Z11的变化。通过矢量网络分析仪测量Z11达到峰值时的频率fZ11peak。

图 12a 展示了六个样品的fZ11peak在 19.2 天内的变化情况。每次测量六个样品的反射Z11时，我们都会监测外部线圈的fZ11peak作为对照组，以减少因设备不准确而导致的测量误差。测量结果表明，平均而言，fZ11peak在 242 小时后有所增加。然而，这种变化似乎是各种测量误差的结果，通过设计一个更可靠且可重复的寿命测量装置可以减少这种误差。然而，样品 4 的fZ11peak在 460 小时后从 384 兆赫大幅下降到 378.3 兆赫。图 12b 比较了六个无源 FF-WINeR 样品在初始时刻的平均Z11频率响应和样品 4 在 460 小时时的Z11。我们认为这种重大变化是由于气密封装内部漏水，导致接收器谐振电容器C4短路。

图 12. （a）在 460 小时内测量的六个无源 FF-WINeR 样品的fZ11peak绘图。在将每个样品放入图 11 所示的夹具前后，测量询问线圈的fZ11peak；（b）无源 FF-WINeR 探针的表面贴装器件（SMD）电容器短路导致的fZ11peak频率偏移。黑线：测量结果，灰线：先进设计系统（ADS）模拟结果，灰点：fZ11peak的计算结果。

在一种广泛使用的加速寿命测试模型中，加速因子（AF）是根据阿伦尼乌斯方程定义的，如下所示，

其中，RH 为相对湿度，k 为玻尔兹曼常数，n 为经验常数，∆Ea 为活化能，T 为绝对温度。对于气密*测试，n 的常用值为 3.0，对于聚合物封装，∆Ea = 0.9 eV。在正常工作条件下，即 100% RH 和 37 °C，人脑内部的预估 AF 为 91。设备的使用寿命通常使用平均故障时间 (MTTF)（以年为单位）来估算，其描述如下：

其中 λhour 是每小时的故障率，可以定义为：

其中F是失效数量，T是每个器件的测试小时数。在这种情况下，平均失效前时间（MTTF）估计为 28.7 年。少量水分渗入气密封装可被视为气密封装失效。需要注意的是，由于无源 FF-WINeR 有两层聚合物涂层，即聚对二甲苯上覆盖聚二甲基硅氧烷（PDMS），尽管水分渗入 PDMS 层会导致fZ11peak有微小变化，但不一定会导致器件失效。5 微米厚的聚对二甲苯 - C 涂层比 PDMS 涂层的防水*能好得多，即使 L4C4 谐振频率可能会因此发生偏移，它仍能保持有源电路的功能。不过，这种偏移可以使用 [52] 中描述的自动谐振调谐（ART）方法来纠正。

四、结论

我们介绍了一种用于分布式自由浮动无线可植入神经记录（FF-WINeR）系统的毫米级植入物的结构、微加工和组装步骤，该系统可用于更安全、侵入*更小的神经接口连接，并且对神经组织可能造成的损伤更小。容纳专用集成电路（ASIC）的硅芯片在经过标准互补金属氧化物半导体（CMOS）处理后进行微加工，同时也作为基板，为微丝电极和键合线线圈提供机械支撑，该键合线线圈缠绕在 ASIC 周围，与片上线圈相比具有更高的品质因数（Q）。向 FF-WINeR 的无线功率传输是基于三线圈感应链路设计的，使用了一个与 FF-WINeR 探针位于同一平面且环绕它们的高品质因数（Q）平面可植入谐振器。初步实验表明，在发射线圈间距为 2.8 厘米的情况下，ASIC 实现所需功能的功率传输效率（PTE）和传输到负载的功率（PDL）是可以实现的。基于加速寿命测试技术，我们开发了一种简单的方法，用于对具有双层聚合物涂层的 FF-WINeR 探针进行无线气密*测试。我们目前正在为这种探针开发超低功耗且面积高效的有源电路，并进一步改进气密*测试方法，以更准确地估计 FF-WINeR 探针的使用寿命。未来的步骤还包括在大鼠动物模型上进行体内实验。