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超小型無線電SoC與創新的電池技術結合

時間:2020-05-29 10:55:22來源:不詳 作者:電子愛好者 點擊:次
超小型無線電SoC與創新的電池技術結合，使低成本的醫療電子產品也能連網。
物聯網（IoT）在很短的時間里顛覆了很多行業。但是，醫療和醫藥領域在采用物聯網的進程中受到了

超小型無線電SoC與創新的電池技術結合，使低成本的醫療電子產品也能連網。


物聯網（IoT）在很短的時間里顛覆了很多行業。但是，醫療和醫藥領域在采用物聯網的進程中受到了很大的阻礙。

這并不完全令人驚訝。醫療領域的高度監管措施，加上推出新的醫護技術關系到患者的性命，使得新醫療設備的開發周期變得更長。但是，圍繞功率、尺寸和成本的設計工程困難是使一次性智慧醫療設備無法廣泛開發和采用的最大因素。

對于開發人員而言，想要設計能滿足必要的尺寸、功耗和成本要求的基于IoT的醫療設備，現在有一個途徑可供選擇。

開發一次性智慧醫療設備的主要障礙之一是成本。在小尺寸的設計中集成SoC和必要的外部元件，例如血壓儀、血糖儀或藥物吸入器，成本會比較昂貴。成本貴的原因在于：需要兩個晶振而不是單個低功耗晶振；四層PCB板，而不是相對便宜且簡單的雙層電路板；以及昂貴的電池。只要物料清單（BOM）成本依然很高，并且產品沒有做到小型化，那么聯網醫療設備被大眾市場采用的速度就會非常慢。

除了BOM成本外，醫療設備設計人員還必須應對功耗問題。一次性醫療產品必須具有較長的貨架壽命。18個月到幾年的產品保質期并不罕見，加上幾周到幾個月的相對較短的活躍使用壽命。在貨架期間，產品可能會因自放電、泄漏電流、以及產品本身原因而導致電池容量下降。那么當開始使用產品時，可能沒有足夠的電池容量來支撐完成整個使用周期。顯然，患者和醫生都需要IoT醫療設備是可靠的，既能治療患者，又能提供必要的數據以確保劑量和測試正確進行。

最后還有個一次性的問題。一次性醫療設備的性質是，它們只被使用14天到2個月不等?？紤]到使用壽命短和成本高，保險公司自然不愿意把它們納入到保險范圍中。

解決所有這些挑戰的答案在于電池，具體來說，是實現一次性氧化銀或印刷電池的使用。近來，高能量薄膜鋰電池和印刷可充電鋅電池都已經實現商業化。但是，對于這些技術是否已準備好進行大規模采用還存在疑問。

與傳統的電池制造技術相比，通過3D打印制造電池具有多個優勢。一方面，可以將電池組件直接印刷在裝有其它電子器件的PCB板上。這樣一來，可以去掉分立電池所需的組裝和封裝步驟。另外，印刷工藝也可以實現較復雜的電池架構，這種架構或許無法通過其他方式實現。印刷方法可以調節電極的形狀和厚度，并印刷穩定且安全的固態電解液。

印刷鋅電池看起來比較有前景。Impact Energy的一種此類電池使用了穩定、可充電且不需要密封容器的高電導率聚合物電解液（HCPE）。由于化學物質是基于鋅而不是鋰，因此避免了一些鋰技術相關的安全問題。此外，鈦酸鋰（LTO）和磷酸鐵鋰（LFP）是3D打印電池中常用的陽極和陰極材料，不過，碳納米材料也有望用作電極。碳納米管和碳納米纖維由于其高機械強度、高化學穩定性、大比表面積、以及優異的電學和熱學性質，而被廣泛用于印刷油墨中。

此外，印刷電池電解液也有助于降低制造成本。電解液充當催化劑，促進離子在充電時從陰極到陽極的移動，并在放電時進行相反方向的移動。電解液材料在電池的電化學性能、壽命周期和安全性方面起著關鍵作用。

在印刷電池可以實現廣泛的商業化之前，仍然存在許多挑戰。其中一個問題是，目前只有少數可印刷活性材料可用作印刷油墨。此外，要表征電池油墨作用在其他油墨上時的行為表現，還有很多工作要做。盡管在電極和電解液材料方面已經進行了大量工作，但集流材料還需要進行一系列的優化。

技術就緒后，醫療保健應用將可能從超薄3D打印的電池中受益匪淺。使用印刷電池的智能皮膚貼片（skin patch）已經商業化。智能皮膚貼片使用層狀（laminar）電池，通常采用部分印刷，再加上印刷的電極圖案，通過皮膚輸送藥物、護膚品和其他化學物質。醫療診斷設備或將受益。

無線傳感器/網絡應用也將受益。在這個領域，趨勢是將能量收集與薄型電池相結合，以減小封裝尺寸。類似的，新的小型電池將成為電池供電無源RFID的福音，盡管目前主要使用紐扣電池。智能卡應用程序是另一種應用，一些薄膜電池技術已對層壓入卡進行了優化，不過對于一次性使用而言價格可能太高。

高峰值電流會降低電池容量和縮短使用壽命。DC-DC轉換器中可能會產生高浪涌電流，這些電流傾向于在電源輸入上合并大量電容，以避免電源軌上發生壓降。最初通電時，這些電容器的充電會導致浪涌電流，可能會超過額定負載電流。如果不解決這個問題，那么高電流會導致電壓軌失調，可能使系統不穩定或使其處于不可預測的狀態。有多種限制浪涌電流的方法。例如，一些BLE器件內置了限流器。

總而言之，醫療設備的審核周期很長，在進入主流市場前，可能需要幾年的過程。但是，這些設備在患者護理方面具有改變游戲規則的潛力，而這一切從解決這些長期存在的設計挑戰開始。
 

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