一类新型的无线神经接口正在研发中，其形式为数十到数百个毫米大小的无系绳植入物，分布在目标大脑区域。传统接口与中央控制单元相连，会受到微动影响，可能损害周围神经组织，而新型自由漂浮式无线植入神经记录（FF-WINeR）探头则不同，它们将是独立的，可直接与外部询问器通信。为推动FF-WINeR的研发，本文介绍了体积为1立方毫米的无源探头的微加工、微组装和气密封装过程。每个探头由一个中心有直径130微米通孔的薄型微加工硅芯片、一根直径81微米的尖锐钨电极、一个缠绕在芯片上的7匝金线绕制线圈、芯片上的两个0201表面贴装电容，以及聚对二甲苯-C/聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层组成。对制造出的无源探头在三线圈感应链路下进行测试，以评估功率传输效率（PTE）和输*到负载的功率（PDL），从而进行可行*评估。在137兆赫兹频率下，当线圈间距为2.8厘米且接收器（R*）负载为9千欧时，在空气中的*低PTE/PDL分别为0.76%/240微瓦，在羊头模拟介质中的*低PTE/PDL分别为0.6%/191微瓦。六个气密密封探头在85摄氏度、1个标准大气压和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密封*测试。推算出探头在37摄氏度下的平均无故障时间（MTTF）为28.7年，超过了其使用寿命。

一、介绍

随着神经接口技术不断寻求更有效的大脑交互方式，未来的神经信号采集与调控系统需具备同时与大脑广泛区域多个位点进行交互的能力。这类大范围同步神经信号采集技术有望构建出能帮助重度瘫痪患者恢复运动能力的脑机接口系统，以及重建认知功能的系统——研究认为认知功能涉及大脑不同区域协同工作。这类技术也可作为先进的神经科学研究工具，用于探索感知、认知、记忆、行为及情感的神经机制，以及帕金森病、阿尔茨海默病和癫痫等脑部疾病的生物标志物与致病根源。这些疾病被认为与神经网络大规模神经元群之间的异常交互有关。尽管局部和大范围分布的神经集群接口技术均已有研究突破，但现有临床可行的神经接口系统仍受限于脑区覆盖范围不足，尚未实现这一目标。

现有颅内脑机接口在临床推广的主要障碍是其无法实现与患者生命周期相匹配的长期稳定神经信号采集。已发现多种失效机制，包括电极与周围组织的机械损伤、电接触腐蚀、绝缘层降解，以及出血、细胞死亡、感染、脑膜炎、胶质增生和包裹等引发的神经炎症反应。其中生物学失效问题*棘手，也是本研究的重点。研究发现，刚*电极与包裹在脑脊液中的脑组织之间因脑部运动产生的微位移会破*血脑屏障，引发电极周围炎症和瘢痕形成，导致信噪比恶化、细胞死亡和器件寿命缩短。柔*电极基底材料（特别是水凝胶或导电聚合物涂层基板）能降低与脑组织的机械阻抗差异，其灵活*可*大限度减少运动诱导的组织损伤。另有研究表明，通过颅骨连接器或大型植入体将探针锚定于大脑表面的方式会加剧炎症和瘢痕形成。

为替代现有集中式（即体积大且需锚定的）神经接口系统，新型独立式脑机接口正在研发中，其核心理念是通过植入足够小且具有光滑表面和圆角设计、能随脑组织自由漂浮的无线器件来降低不良影响、提升生物相容*并延长电极有效寿命。数十至数千个分布式的自由漂浮探针可实现全脑大范围神经元集群信号采集。研究认为超声波是向微型探针供能和数据传输的*适方案，但其在颅骨中的显著衰减对系统设计参数（尺寸、效率、复杂度）构成严格限制，需要采用"体外至颅内"和"脑表至植入探针"的双级电磁超声混合无线供能模式。

针对上述挑战，本研究提出分布式自由漂浮无线植入式神经记录系统（FF-WINeR）的创新概念。该系统利用近场电磁通过磁共振方式供能。图1展示了系统原理示意图，包含数十至数百个毫米级电磁供能自由漂浮探针，这些形似小型图钉的探针配备少量记录电极，分布于目标脑区。在现原型设计中，每个探针含1-4根钨微丝穿透电极、1根非穿透式软线参考电极、兼具基板功能的薄化硅芯片（集成专用集成电路）、2个表面贴装电容器、绕制于芯片周围的键合线线圈，以及聚对二甲苯C和聚二甲基硅氧烷构成的气密封装。专用集成电路对电极采集的神经信号进行调理。*终版本将采用三级电感耦合系统：头皮外置线圈（L1）、硬脑膜下谐振线圈（L3）和芯片接收线圈（L4）共同构成供能链路。L4线圈同时作为短距离神经数据射频发射天线，将原始数据传输至头戴式处理单元。该单元通过内置低功耗蓝牙的微控制器将数据转发至服务器进行后处理，同时配备高效功率放大器为分布于广泛皮层区域的FF-WINeR阵列供能。

图 1. 自由漂浮式无线植入式神经记录（FF-WINeR）系统的概念图。数十到数百个 FF-WINeR 像小图钉一样自由漂浮在感兴趣的皮质区域，通过 3 线圈感应链路由头端外部功率放大器（PA）无线供电。头端还通过低功耗蓝牙（BLE）链路从 FF-WINeR 收集神经记录数据，并将其转发到服务器进行后期处理。

FF-WINeR 探针的制造和组装是设计中的关键方面，必须在开发的早期阶段予以解决，因为它们直接影响到其他组件的设计决策，例如可用于有源电路的面积和功率。探索与*终探针在各方面都相似的毫米级无源浮动探针的组装和封装（除了专用集成电路），对于发现由于密封不良、人工操作、手术过程或脑组织中的异物反应和疤痕造成的记录失败机制是必要的。尽管有关于脑组织对植入式神经接口设备插入和存在的反应的许多研究，但这些研究主要局限于传统的有线电极。关于无缆电极的脑星形胶质细胞反应的研究是朝着发现针对抗体的组织反应*以及与实际尺寸的无缆植入式医疗设备（IMD）相关的脑组织反应的准确机制迈出的早期一步。在本文中，我们重点关注毫米级 FF-WINeR 探针的微加工、组装、无线供电以及无线气密*测试。气密密封的无源探针可用于体外探索其耐久*和坚固*，为未来实现实际 FF-WINeR 系统及体内测试做准备。第 2 节介绍了向毫米级浮置设备供电的考虑因素。第 3 节描述了微加工/组装方法和气密*测试，*后第 4 节给出结论。

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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，在为毫米级可植入医疗设备（IMD）提供电源的几种电源中，感应式功率传输具有*高的功率密度。为毫米级 IMD 供电时，可通过 2 线圈、3 线圈或 4 线圈感应链路传输功率。其中，2 线圈感应链路是传统上用于为厘米级 IMD 供电的方式。据我们所知，通过 2 线圈感应链路在发射线圈与接收线圈间距为 1 厘米的情况下向 1 平方毫米 IMD 传输功率的*大报告功率传输效率（PTE）约为 1%。2 线圈感应链路不适合在较大耦合距离下为多个 IMD 供电。为了向多个任意分布的 IMD 提供足够的功率，3 线圈感应链路是更好的选择，因为通过高 Q 因子谐振器（Ls，Cs）的磁共振效应，其覆盖范围更广，功率传输效率更高。

基于*新神经记录专用集成电路的功耗计算，单个通道所需的*小负载功率约为80微瓦：模拟前端（AFE）消耗2.6微瓦，发射端（T*）消耗2.4微瓦，时钟恢复消耗10.6微瓦，电源管理模块消耗64.1微瓦。本节将探讨边长为1毫米的方形接收线圈（R*）的三线圈感应链路设计参数。

01.小型化接收线圈供电的三线圈感应链路设计参数

图2展示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，该线圈通过耦合系数k13与谐振线圈L3相耦合；谐振线圈通过耦合系数k34与一个或多个接收线圈L4相耦合。R1、R3和R4分别表示L1、L3和L4的寄生电阻，RL表示负载电阻。通过调谐电容器C1、C3和C4，所有线圈均调谐至载波信号频率ω0——该频率由功率放大器输出的正弦载波信号产生。

图 2. 用于为 FF-WINeR 探头供电的三线圈感应耦合链路的简化电路图。

从L1到谐振器线圈L3的PTE可以确定为，

其中\(Q_1 = \omega_0L_1/R_1\)，\(Q_3 = \omega_0L_3/R_3\)，且\(Q_{4L} = Q_4Q_L/(Q_4 + Q_L)\)，这里\(Q_4 = \omega_0L_4/R_4\)，\(Q_L = R_L/\omega_0L_4\)。\(Q_1\)、\(Q_3\)和\(Q_4\)是线圈的品质因数，\(Q_L\)是负载品质因数。L3与接收线圈（多个）L4之间的功率传输效率（PTE）可近似表示为。

为了使ntotal=n13 × 134*大化，首先优化L3-L4链路，其次是L1-L3链路。

更具体地说，我们使用预先确定的L4几何形状来优化Q4L， L4几何形状由本应用中ASIC的大小定义。

k34高度依赖于L3和L4的几何形状，而较少依赖于它们的匝数，因为L3和L4的互感和自感都随着它们的匝数而增加。

L1-L3和L3-L4之间的距离，分别用d13和d34表示，是影响PTE和PDL的另一个关键参数，其标称值（d13 = 28 mm, d34 = 0 mm）是根据人体头部和脑部解剖结构选择的，如图1所示。

02. FF-WINeR 探头的键合线绕制线圈设计及三线圈感应链路设计

接收线圈的尺寸通常受应用条件的限制。对于分布式神经接口，接收线圈的尺寸被限制在几毫米以内。较小的植入尺寸可减少疤痕形成和炎症，但也会降低感应链路的峰值传输效率（PTE）/峰值数据传输率（PDL）。为了在 PTE、受比吸收率（SAR）限制的 PDL 以及潜在组织损伤之间取得平衡，FF-WINeR 接收线圈的边长被选定为 1 毫米。目标负载电阻被设定为 9 千欧，这相当于在负载两端电压为 1 伏有效值时向负载提供 111 微瓦的功率。在这些限制条件下，接收线圈中可优化的参数包括线圈节距、导线直径和匝数。

线圈的直径和匝数。选用的绝缘键合线直径固定为25微米。使用手动键合机绕制线圈时，线圈节距较难控制。*后，利用高频结构仿真器选择能使Q4L*大化的*优匝数。

图3a展示了L4的模拟模型。直径为25微米的金线绕在1毫米×1毫米×0.2毫米的硅芯片上，金线两端通过超声波焊接固定在芯片上7微米厚的金垫上。尽管在手工制作过程中难以调整，但此次模拟中线圈节距设定为30微米。在研究的这一阶段，由于尚未考虑法规合规*，电感链路的优化通常涉及通过在测量功率传输效率的同时扫频来选择*佳载波频率。研究人员选择了135兆赫兹，该频率处于文献中给出的120至200兆赫兹的*佳工作频率范围内，并综合考虑了链路效率和整流器功率转换效率之间的权衡。图3b展示了在135兆赫兹时Q4L与L4的匝数之间的关系，其值在11.5到17.2之间变化，表明*佳匝数为7匝。

图 3. （a）具有 25 微米金芯直径的 R* 焊线线圈的高频结构模拟器（HFSS）仿真模型，该线圈缠绕在 1 毫米×1 毫米×0.2 毫米的硅片上，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焊接连接到一对 7 微米厚的金金属垫上。此模型中的线圈中心距为 30 微米。（b）在 135 MHz 和 RL = 9 千欧时，线圈电感 L4 与匝数 Q4L 的关系。其他设计参数见图 3a。

每个谐振器内可容纳的数量与谐振器的直径以及η34有关，这里研究人员考虑外谐振器直径Do3为3.6厘米，以便为约100个设备提供足够的空间。发射线圈的外径Do1是根据发射线圈与谐振器线圈之间的距离d13=2.8厘米推导得出的。

03. 无线电力传输（WPT）至 FF-WINeR 探针

基于上述设计考量，实现了三线圈感应链路，以探究在 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）变化时所能达到的功率传输效率（PTE）和功率密度（PDL），如图 4a、b 所示。线圈的电气和几何特*总结于表 1 中。

图 4. （a）在空气中测量不同线圈间距 d13 时从发射线圈（T*）到接收线圈（R*）的 S21 的实验装置；（b）在空气中测量接收线圈 R* 相对于谐振器中心的水平偏移 *34 时的 S21 的实验装置；（c）使用羊头模拟神经组织环境的实验装置；（d）在空气中 137 MHz 下 3 线圈感应链路的测量 S21；（e）在羊头组织介质中 3 线圈感应链路的功率传输效率（PTE）和传递给负载的功率（PDL）与 L4 的角度偏移（*34 = 0 毫米，d13 = 28 毫米）的关系。PTE 测量重复 6 次，误差条显示 95%置信区间.

表 1.三线圈感应耦合器的电气特*和几何参数。

在 L3 与 L4 处于同一平面的情况下，使用 ZVB4 矢量网络分析仪测量了从 L1 到 L4 的 S 参数。图 4b 中连接到 L4 的红白绞线会引入寄生耦合、电感和电阻，从而降低测量精度。因此，我们采用了文献中描述的去嵌入校准方法。图 4d 展示了在空气中，137 MHz 下 3 线圈电感链路的去嵌入 S21 随 *34 和 d13 的变化情况。当 *34 = 0 毫米时，d13 分别为 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（即 T* 谐振线圈的标称距离）时，当 *34 分别为 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，在羊头介质中，当 *34 = 0 毫米且 d13 = 28 毫米时，测得的*小 S21 为 -22.26 分贝，如图 4c 所示。根据测量得到的 S21 和 S11，可以推导出 PTE，如文献所述。

其中 Z0 为特*阻抗，为 50 欧姆。利用公式（4）计算得出，在空气和羊脑组织介质中（无旋转）所实现的*小效率分别为 0.76% 和 0.6%。由于矢量网络分析仪的源功率固定为 15 dBm，因此在空气和神经组织介质中所实现的*小功率可计算为 240 微瓦和 191 微瓦。这种水平的功率足以驱动具有少量通道的先进神经记录专用集成电路。

大脑表面呈弯曲状，布满脑回和脑沟，这使得毫米级的 L4 很难与 L3 完全对齐。由于 L3 和 L4 之间的角度偏差，这预计会降低 3 线圈感应链路所能达到的*小效率和功率。研究人员在羊头组织介质中旋转 L4 从 0° 到 90°，测量了所提出链路的效率并计算了功率。由于在羊头中难以精确设置 L4 的角度旋转，研究人员重复测量了 6 次以提高准确*。图 4e 展示了在 *34 = 0 毫米和 d13 = 28 毫米时，效率随 L4 角度偏差的变化情况。当 L4 有 15° 的角度偏差时，效率和功率分别降至 0.54% 和 171 微瓦，测量误差约为 10%。当偏差达到 45° 时，它们进一步下降至 0.2% 和 60 微瓦。因此，对于文献中 80 微瓦的先进工作功率而言，在这种方案中，*大可容忍的角度偏差约为 40°。

对于长期植入而言，即便详细建模和测量热效应不在本文讨论范围内，也应考虑所提议的 3 线圈感应链路周围脑组织的温度升高情况。由于输入功率仅为 191 微瓦，其温度升高可忽略不计。另一方面，使用表 1 中的制造参数进行电路仿真表明，在上述工作条件下，L3 的功率损耗为 31 毫瓦。根据文献中给出的模型和测量结果，如果在传统脑植入物（表面积为 0.55 平方厘米）中耗散此功率量，其温度将升高约 1.5 摄氏度。然而，L3 的表面积是文献中所介绍植入物的 15 倍，并且其热导率很可能优于硅。因此，研究人员粗略估计温度升高约为 0.1 摄氏度。

三、FF-WINeR 被动探针制作及气密*测试

FF-WINeR 探针的制造需要一种全新的工艺流程，这是因为该器件尺寸极小。该工艺包括微加工、微装配和密封封装。制造出的探针应进行密封*测试，以评估其在体内恶劣工作条件下的使用寿命。

01.硅晶圆制造工艺

对于被动式硅芯片的制造，采用紫外线光刻技术在空白硅片上定义出 1 平方毫米的芯片阵列，其依据是先前文献中所描述的工艺。如图 5a、b 所示，光刻图案在同一个掩模上定义出贯穿硅通孔，这些通孔*终用于容纳微丝电极，而街道则用于将各个芯片分隔开。芯片设计为圆角，以获得平滑的植入表面，提高涂层质量和生物相容*。暴露的硅街道和通孔在深反应离子刻蚀机中采用改进工艺刻蚀至 100 微米深——这是 FF-WINeR 探针中所需的硅芯片厚度。然后将该晶圆翻转过来，用高温热释放胶带粘贴到一个牺牲晶圆上。接着将硅的背面蚀刻掉，从而露出先前刻蚀的通孔和街道，这样就*开了通孔并将各个芯片分隔开来。图 5c 是通孔的扫描电子显微镜照片。FF-WINeR 专用集成电路的设计将在芯片中心留出 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。*初的 11 毫米×11 毫米芯片将在一家代工厂采用与 CMOS 兼容的工艺制造，形成 10×10 的 FF-WINeR 阵列，如图 5a 所示，这样每片切割下来的芯片就能生产出多达 100 个专用集成电路芯片。唯一的区别在于整个过程中会使用一片额外的牺牲晶圆，以方便对切割后的芯片进行光刻和微加工。

图 5. （a）深反应离子刻蚀（DRIE）掩模的顶视图以及硅片的附加特征；（b）硅片制造步骤的横截面图；（c）每个硅片中间 130 微米深硅通孔（TSV）的扫描电子显微镜（SEM）照片。

02.毫米级 FF-WINeR 探针微组装

图 6 展示了 FF-WINeR 探针的微组装过程。根据芯片的复杂程度，通过第 3.1 节所述工艺制造的一或两枚硅芯片被堆叠起来，仔细对齐后，通过胶合或超声波键合的方式连接在一起。堆叠好的芯片被放置在一个由四边扁平无引脚封装制成的夹具中，夹具中间有一个孔，以便插入电极。电极由钨制成，直径为 81 微米，包括 3 微米厚的绝缘层，其尖端经过电化学蚀刻和涂层处理（Microprobes），通过对齐的孔插入，电极的后端用导电环氧树脂固定在孔周围的大型金属环上。在探针的有源版本中，此金属环与芯片的低噪声放大器模块相连。

图 6. FF-WINeR 被动器件的制造流程。将两片经过处理的硅片（1 毫米×1 毫米×100 微米）堆叠在一起，并在堆叠的硅片中间钻孔，插入直径为 81 微米的钨电极。用涂覆的键合线绕制线圈，缠绕在硅片上。然后用 PDMS 和聚对二甲苯 C 对器件进行涂层处理。

实现毫米级的 L4 是无源探针制造的关键步骤之一。一种方法是利用全自动引线键合机，其键合头按照预先设定的轨迹围绕芯部移动。然而，对于原型制作，研究人员开发了一种更简单的装置，使用手动引线键合机和步进电机，如图 7 所示。该过程在图 7 底部的插图中进行了展示，首先将堆叠的硅芯片固定在封装夹具中。将线的一端通过超声波键合在相应的金属垫上，同时夹具由步进电机缓慢旋转。在硅芯片旋转过程中，手动调整楔形位置，围绕探针后端直至达到所需的圈数。为保持线圈的机械完整*，在线圈的四个角添加少量瞬干胶。然后，将线圈的另一端通过超声波键合在芯片上的另一个金属垫上。*后，将两个表面贴装电容器用低温焊膏安装在上层硅芯片上的金垫上。在开始涂层步骤之前，其中一个电容器用于调谐，另一个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. 半自动引线键合机用于绕制带涂层的键合线线圈，以及绕制线圈的步骤（虚线框内）。一个 QFN 封装粘贴在夹具顶部，并由安捷伦 33250A 函数发生器驱动的步进电机带动旋转。利用引线键合机将带涂层的键合线绕制在粘贴于 QFN 封装上的硅芯片上。

为了使 FF-WINeR 能够在体内恶劣环境中密封并保持生物相容*，在组装好的无源探针上通过气相沉积法涂覆一层 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*，但为了延长探针的使用寿命并形成光滑柔软的表面，还在聚对二甲苯 C 上涂覆了一层 PDMS 涂层。未固化的 PDMS 混合物中存在许多气泡，应将其置于与真空泵相连的干燥器中，直至气泡完全排出。然后将无源探针浸入无气泡的 PDMS 中，将其倒挂在钩子上，电极尖端插入一块泡沫塑料中，在室温下固化至少 24 小时。图 8 展示了完成的毫米级无源 FF-WINeR 探针原型，旁边放着一支铅笔的笔尖以作尺寸对比。

图 8. 制作的被动式 FF-WINeR 原型。7 圈的绕线线圈缠绕在两片 100 微米厚的硅片堆叠上。一个直径 81 微米、长 3.5 毫米的钨电极通过位于硅片中心的直径 130 微米的硅通孔插入。在上层硅片上还有足够的空间放置两个 0201 表面贴装电容器。整个装置涂有聚对二甲苯 C 和 PDMS 以实现气密*和生物相容*。

03.封装 FF-WINeR 探针的气密*测试

由于生物体液中含有氯化钠、氯化钾、磷酸盐、碳酸盐、酶和其他*白质，这为探针营造了一个恶劣的环境，而探针的表面也会对周围的细胞造成有害影响。在这种环境下，水有可能渗入电子封装内部，或者有*物质可能泄漏出来，这两种情况对探针及其周围脆弱的组织都是有害的。在此，研究人员提出了一种用于无线检测 FF-WINeR 探针封装气密*的方法。

该方法的设计灵感来源于文献中描述的无线电容传感技术。图 9a 展示了连接到网络分析仪的询问线圈 Li 以及待测设备的示意图，此处待测设备是 FF-WINeR 的 L4C4 谐振器，通过耦合系数 k14 与询问线圈耦合，且置于其附近。基本原理是测量由于水进入封装而导致 L4 及其调谐电容 C4 以及其寄生电容变化的反射阻抗变化。Ri 和 R4 分别是询问线圈 Li 和 L4 的寄生电阻。根据反射负载理论，待测设备反射到询问线圈侧的阻抗如图 9b 所示。

图 9. （a）无线密封*测试的电路图。（b）在询问线圈侧看到的等效电路模型，其中包含来自被测设备（DUT）的反射阻抗。 ki4 为耦合系数， Li 为询问线圈的电感，L4 为被测设备（DUT）的电感， Ci 为 Li Ri 的寄生电容，R4 分别为 Li 和 L4 的寄生电阻，Z4 为被测设备（DUT）反射到询问线圈侧的阻抗。

其中，Mi4 = ki4 Li L4 是线圈 Li 和 L4 之间的互感。封装内的水分要么通过短路表面贴装电容器使 C4 归零，要么通过提高介电常数增加 C4p。水的相对介电常数为 80.1，是 PDMS（介电常数为 2.68）的 29.9 倍。水泄漏会由于水的渗透率与真空的渗透率非常接近，所以不会影响 L4。当前 FF-WINeR 原型中 Li 和 L4 的电气特*总结在表 2 中。如果研究人员计算 Z11，即通过 L1 所看到的输入阻抗，那么其峰值频率 fZpeak 可以通过求解方程（6）中的 ω 来估算。

表 2. 询问器线圈和 FF-WINeR 接收线圈的电气特*。

其中，ωi 和 ω4 分别是 LiCi 和 L4C4 的谐振频率。基于求解方程（6）得到的 fZ11peak 的变化情况，如图 10a 所示，与仿真结果进行了对比。介质的变化仅导致 ∆C4p 发生几皮法的变化，使 fZ11peak 的偏移小于几 100 千赫兹，与原始的 fZ11peak（384 兆赫）相比非常小。另一方面，短路 C4 会导致频率从 384 兆赫大幅偏移至 379.8 兆赫。为了估算 C4 短路时的 C4p，测量了浸泡在水中的 FF-WINeR 线圈阻抗 Z44。图 10b 展示了 Z44 随频率的变化情况，据此可估算出当 L4 = 92 纳亨时，C4p 约为 1 皮法。

图 10. （a）Z11 达到峰值时的频率 fZ11peak 与 C4 + ∆C4p 的关系，分别通过高级设计系统（ADS）和公式（6）进行模拟和估算。（b）浸泡在水中时测量的 |Z44| 频率响应曲线。此曲线可用于提取 ∆C4p。

测试封装寿命*准确的方法是将被测器件置于实际的体内工作环境中。一种更简单、更快但准确*较低的方法是加速寿命测试，该测试在对流烘箱中对六个无源 FF-WINeR 探头进行，测试条件为 1 个大气压、100%相对湿度和 85℃的温度。每个封装好的探头都浸没在密封容器中的水中，容器用铝箔密封，如图 11 所示。通过矢量网络分析仪测量 Z11，以记录原始的 f Z11peak 值，操作时需在显微镜下将待测设备精心放置在带有 Li 绕线的夹具上，以确保其始终处于正确位置。*初，研究人员每 24 小时测量每个样本的 Z11 值，当度过关键的失效期后，逐渐延长连续测量的间隔时间。图 12a 展示了 6 个样品在 19.2 天内 f Z11peak 的变化情况。每次测量 6 个样品的反射 Z11 时，都会监测外部线圈的 f Z11peak，以此作为对照组，以减少设备不准确带来的测量误差。测量结果显示，平均而言，f Z11peak 在 242 小时后有所增加。然而，这种变化似乎是由各种测量误差造成的，通过设计更可靠、更可重复的寿命测量装置可以减少这种误差。不过，样品 4 的 f Z11peak 在 460 小时后从 384 MHz 显著下降到 378.3 MHz。图 12b 对比了 6 个初始状态的被动 FF-WINeR 样品的平均 Z11 频率响应和样品 4 在 460 小时后的 Z11。研究人员认为这种显著变化是由于密封内部的水分泄漏导致接收器谐振电容 C4 短路所致。

图 11. 包装加速寿命测量装置：六个无源 FF-WINeR 探头分别置于水容器中，放入 85℃的对流烘箱内。定期将探头从烘箱中取出，监测其反射到绕在夹具上的询问器线圈上的 Z11 值的变化。通过矢量网络分析仪测量 Z11 值达到峰值时的频率 fZ11peak。

图 12. （a）六个无源 FF-WINeR 样品的 f Z11peak 测量值随 460 小时的变化情况。在将每个样品放入夹具（见图 11）之前和之后，均测量了询问器的 f Z11peak；（b）通过短接无源 FF-WINeR 探头的 SMD 电容导致的 f Z11peak 频率偏移。黑色线条：测量结果，灰色线条：ADS 模拟结果，灰色圆点：f Z11peak 的计算结果。

在广泛用于加速寿命测试的一个模型中，加速因子根据阿伦尼乌斯方程定义为：

其中 RH 为相对湿度，k 为玻尔兹曼常数，n 为经验常数，∆E a 为活化能，T 为绝对温度。对于密封*测试，n 的常见值为 3.0，对于聚合物封装，∆E a = 0.9 eV。在正常工作条件下，即 100% RH 和 37℃的人脑内部，估计的 AF 值为 91。设备的使用寿命通常用平均故障间隔时间（MTTF）来估计，单位为年，其表达式为，

其中 λhour 为每小时的故障率，可定义为，

其中 F 和 T 分别表示每个器件的失效次数和测试小时数。在这种情况下，平均故障间隔时间估计为 28.7 年。少量水分渗入密封封装可视为密封失效。需要注意的是，由于无源 FF-WINeR 有两层聚合物涂层，即 PDMS 涂层覆盖在聚对二甲苯涂层之上，尽管水分渗入 PDMS 层会导致 fZ11 峰值发生微小变化，但并不一定会导致器件失效。5 微米厚的聚对二甲苯涂层比 PDMS 涂层更耐水，即使 L4C4 共振频率因此发生偏移，也能保持有源电路的功能。不过，这种偏移可以通过文献中描述的自动共振调谐方法来解决。

四、结论

研究人员展示了一种面向分布式自由浮动无线植入式神经记录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、创伤更小的神经接口，对神经组织造成的潜在损伤也更小。封装有专用集成电路的硅芯片在标准工艺之后进行微加工，既充当基板又为微丝电极和绕在芯片上的键合线线圈提供机械支撑，与片上线圈相比，这种线圈能提供更高的 Q 值。无线供电向 FF-WINeR 的传输是基于 3 线圈感应链路设计的，采用高 Q 值的平面植入式谐振器，与 FF-WINeR 探头处于同一平面并将其包围。初步实验表明，在探头传输线圈间距为 2.8 厘米的情况下，可实现电路中所需功能的相关功率效率和功率损耗。研究人员开发了一种基于加速寿命测试技术的简单方法，用于对双层聚合物涂层的 FF-WINeR 探头进行无线密封*测试。目前正在为该探头开发超低功耗和面积高效的有源电路，并进一步改进密封*测试方法，以更准确地估计 FF-WINeR 探头的使用寿命。未来的工作还包括在大鼠动物模型上进行体内实验。