Self-folding 3D micro antennas for implantable medical devices

Tese de Doutoramento em Engenharia Biomédica.Recent advances in device miniaturization have been enabling smart and small implantable medical devices. These are often powered by bulky batteries whose dimensions represent one of the major bottlenecks on further device miniaturization. However, alternative powering methods, such as electromagnetic waves, do not rely on stored energy and are capable of providing high energy densities per unit of area, thus increasing the potential for device miniaturization. Hence, we envision an implanted medical device with an integrated miniaturized antenna, capable of receiving a radiofrequency signal from an exterior source, and converting it to a DC signal, thus enabling remote powering. This thesis addresses the analysis, design, fabrication and characterization of novel 3D micro antennas that can be integrated on 500 × 500 × 500 μm3 cubic devices, and used for wireless power transfer purposes. The analysis is built upon the theory of electrically small antennas in lossy media, and the antenna design takes into consideration miniaturization techniques which are compatible with the antenna fabrication process. For the antenna fabrication, a methodology that combines conventional planar photolithography techniques and self-folding was used. While photolithography allows the easy patterning of virtually every desired planar antenna configuration with reproducible feature precision, and the flexibility to easily and precisely change the antenna geometry and size, self-folding allows assembly of the fabricated planar patterns into a 3D structure in a highly parallel and scalable manner. After fabrication, we characterized the fabricated antennas by measuring their S-parameters and radiation patterns, demonstrating their efficacy at 2 GHz when immersed in dispersive media such as water. This step required the development and test of multiple characterization setups based on connectors, RF probes and transmission lines and the use of an anechoic chamber. Moreover, we successfully show that the antennas can wireless transfer energy to power an LED, highlighting a proof of concept for practical applications. Our findings suggest that self-folding micro antennas could provide a viable solution for powering tiny micro devices.Os recentes avanços das tecnologias de miniaturização têm permitido o desenvolvimento de dispositivos médicos implantáveis inteligentes e mais pequenos. Estes são muitas vezes alimentados por baterias volumosas cujas dimensões limitam o nível de miniaturização alcançável por um micro dispositivo. No entanto, existem formas alternativas de alimentar estes dispositivos que não dependem de energia armazenada, tais como ondas eletromagnéticas, que são capazes de providenciar uma elevada densidade de energia por unidade de área, aumentando assim o potencial de miniaturização dos dispositivos. Desta forma, visionamos um dispositivo médico implantado, com uma antena miniaturizada e integrada, capaz de receber um sinal de rádio frequência a partir de uma fonte externa, e convertê-lo num sinal DC, permitindo assim a alimentação remota do aparelho. Esta tese apresenta a análise, desenho, fabrico e caracterização de micro antenas 3D, passíveis de serem integradas em micro dispositivos cúbicos (500 × 500 × 500 μm3), e utilizadas para fins de transferência de energia sem fios. A análise assenta na teoria das antenas eletricamente pequenas em meios com perdas, e o design da antena considera técnicas de miniaturização de antenas. Para o fabrico da antena foi utilizada uma metodologia que combina técnicas de fotolitografia planar e auto-dodragem (self-folding). Enquanto a fotolitografia permite a padronização de virtualmente todos os tipos de configurações planares de forma precisa, reprodutível, e com a flexibilidade para se mudar rapidamente a geometria e o tamanho da antena, o self-folding permite a assemblagem dos painéis planares fabricados numa estrutura 3D. Depois do fabrico, as antenas foram caracterizadas medindo os seus parâmetros S e diagramas de radiação, demonstrando a sua eficácia a 2 GHz quando imersas num meio dispersivo, tal como água. Esta etapa exigiu o desenvolvimento e teste de várias setups de caracterização com base em conectores, sondas de RF e linhas de transmissão, e ainda o uso de uma câmara anecóica. Além disso, mostramos com sucesso que as micro antenas podem receber e transferir o energia para um LED acendendo-o, destacando assim esta prova de conceito para aplicações práticas. Os nossos resultados sugerem que estas micro antenas auto-dobráveis podem fornecer uma solução viável para alimentar micro dispositivos implantáveis muito pequenos.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) bolsa SFRH/BD/63737/2009

Laser-assisted processing of multilayer films for inexpensive and flexible biomedical microsystems

Flexible/stretchable electronics offer ideal properties for emerging health monitoring devices that can seamlessly integrate with the soft, curvilinear, and dynamic surfaces of the human body. The resulting capabilities have allowed novel devices for monitoring physiological parameters, improving surgical procedures, and human-machine interfaces. While the attractiveness of these devices are indubitable, their fabrication by conventional cleanroom techniques makes them expensive and incompatible with rapid large-scale (e.g., roll-to-roll) production. The purpose of this research is to develop inexpensive fabrication technologies using low-cost commercial films such as polyimide, paper, and metalized paper that can be utilized for developing various flexible/stretchable physical and chemical sensors for wearable and lab-on-chip applications. The demonstrated techniques focus on an array of laser assisted surfaces modification and micromachining strategies with the two commonly used CO2 and Nd: YAG laser systems. The first section of this dissertation demonstrates the use of localized pulsed CO2 laser irradiation to selectively convert thermoset polymer films (e.g., polyimide) into electrically conductive highly porous carbon micro/nanostructures.Thisprocessprovidesauniqueandfacileapproachfordirect writing of carbonized conductive patterns on flexible polyimide sheets in ambient conditions, eliminating complexities of current methods such as expensive CVD processes and complicated formulation/preparation of conductive carbon based inks used in ink jet printing. The highly porous laser carbonized layer can be transferred to stretchable elastomer or further functionalized with various chemical substances such as ionic solutions, nanoparticles, and chemically conductive polymers to create different mechanical and chemical sensors. The second section of this dissertation describes the use of laser ablation for selective removal of material from multilayer films such as ITO-coated PET, parchment paper, and metalized paper to create disposable diagnostic platforms and in-vitro models for lab-on-chip based studies. The ablated areas were analyzed using electrical, mechanical, and surface analysis tools to understand change in physical structure and chemical properties of the laser ablated films. As proof-of-concept demonstrations of these technologies, four different devices are presented here: mechanical, electrochemical, and environmental sensors along with an in-vitro cell culture platform. All four devices are designed, fabricated, and characterized to highlight the capability of commercial laser processing systems in the production of the next generation, low-cost and flexible biomedical devices

Becoming Human with Humanoid

Nowadays, our expectations of robots have been significantly increases. The robot, which was initially only doing simple jobs, is now expected to be smarter and more dynamic. People want a robot that resembles a human (humanoid) has and has emotional intelligence that can perform action-reaction interactions. This book consists of two sections. The first section focuses on emotional intelligence, while the second section discusses the control of robotics. The contents of the book reveal the outcomes of research conducted by scholars in robotics fields to accommodate needs of society and industry

Innovative micro-NMR/MRI functionality utilizing flexible electronics and control systems

Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration von flexibler Elektronik für Mikro-Magnetresonanz (MR)-Anwendungen. Zwei wichtige Anwendungen wurden in der Dissertation behandelt; eine Anwendung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie (MRI) und die andere auf dem Gebiet der Kernspinresonanz (NMR). Die MRI-Anwendung konzentriert sich auf die Lösung der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte von MR-Kathetern. Die NMR-Anwendung stellt einen neuartigen Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes bei der NMR-Spektroskopie vor. Der erste Teil der Dissertation behandelt die verschiedenen Technologien die zur Herstellung flexibler Elektronik auf der Mikroskala entwickelt wurden. Die behandelten MR-Anwendungen erfordern die Herstellung von Induktoren, Kondensatoren und Dioden auf flexiblen Substraten. Die erste Technologie, die im Rahmen der Mikrofabrikation behandelt wird, ist das Aufbringen einer leitfähigen Startschicht auf flexiblen Substraten. Es wurden verschiedene Techniken getestet und verglichen. Die entwickelte Technologie ermöglicht die Herstellung einer mehrschichtigen leitfähigen Struktur auf einem flexiblen Substrat (50 $\mu$m Dicke), die sich zum Umwickeln eines schlanken Rohres (>0,5 mm Durchmesser) eignet. Die zweite Methode ist der Tintenstrahldruck von Kondensatoren mit hoher Dichte und niedrigem Verlustkoeffizienten. Zwei dielektrische Tinten auf Polymerbasis wurden synthetisiert, durch die Dispersion von TiO$_2$ und BaTiO$_3$ in Benzocyclobuten (BCB) Polymer. Die im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten Kondensatoren zeigen eine relativ hohe Kapazität pro Flächeneinheit von bis zu 69 pFmm$^{-2}$ und erreichen dabei einen Qualitätsfaktor (Q) von etwa 100. Außerdem wurde eine Technik für eine tintenstrahlgedruckte gleichrichtende Schottky-Diode entwickelt. Die letzte behandelte Technologie ist die Galvanisierung der leitenden Startschichten. Die Galvanik ist eine gut erforschte Technologie und ein sehr wichtiger Prozess auf dem Gebiet der Mikrofabrikation. Sie ist jedoch in hohem Maße von der Erfahrung des Bedieners abhängig. Darüber hinaus ist eine präzise Steuerung der Galvanikleistung erforderlich, insbesondere bei der Herstellung kleiner Strukturen, wobei sich die Pulsgalvanik als ein Verfahren erwiesen hat, das ein hohes Maß an Kontrolle über die abgeschiedene Struktur bietet. In diesem Zusammenhang wurde eine hochflexible Stromquelle auf Basis einer Mikrocontroller-Einheit entwickelt, um Genauigkeit in die Erstellung optimaler Galvanikrezepte zu bringen. Die Stromquelle wurde auf Basis einer modifizierten Howland-Stromquelle (MHCS) unter Verwendung eines Hochleistungs-Operationsverstärkers (OPAMP) aufgebaut. Die Stromquelle wurde validiert und verifiziert, und ihre hohe Leistungsfähigkeit wurde durch die Durchführung einiger schwieriger Anwendungen demonstriert, von denen die wichtigste die Verbesserung der Haftung der im Tintenstrahldruckverfahren gedruckten Startschicht auf flexiblen Substraten ist. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit interventioneller MRT mittels MR-Katheter. MR-Katheter haben potenziell einen erheblichen Einfluss auf den Bereich der minimalinvasiven medizinischen Eingriffe. Implantierte längliche Übertragungsleiter und Detektorspulen wirken wie eine Antenne und koppeln sich an das MR-Hochfrequenz (HF)-Sendefeld an und machen so den Katheter während des Einsatzes in einem MRT-Scanner sichtbar. Durch diese Kopplung können sich die Leiter jedoch erhitzen, was zu einer gefährlichen Erwärmung des Gewebes führt und eine breite Anwendung dieser Technologie bisher verhindert hat. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen Resonator an der Katheterspitze induktive mit einer Oberflächenspule außerhalb des Körpers zu koppeln. Allerdings könnte sich auch dieser Mikroresonator an der Katheterspitze während der Anregungsphase erwärmen. Außerdem ändert sich die Sichtbarkeit der Katheterspitze, wenn sich die axiale Ausrichtung des Katheters während der Bewegung ändert, und kann verloren gehen, wenn die Magnetfelder des drahtlosen Resonators und der externen Spule orthogonal sind. In diesem Beitrag wird die Abstimmkapazität des Mikrodetektors des Katheters drahtlos über eine Impulsfolgensteuerung gesteuert, die an einen HF-Abstimmkreis gesendet wird, der in eine Detektorspule integriert ist. Der integrierte Schaltkreis erzeugt Gleichstrom aus dem übertragenen HF Signal zur Steuerung der Kapazität aus der Ferne, wodurch ein intelligenter eingebetteter abstimmbarer Detektor an der Katheterspitze entsteht. Während der HF-Übertragung erfolgt die Entkopplung durch eine Feinabstimmung der Detektorbetriebsfrequenz weg von der Larmor-Frequenz. Zusätzlich wird ein neuartiges Detektordesign eingeführt, das auf zwei senkrecht ausgerichteten Mikro-Saddle-Spulen basiert, die eine konstante Sichtbarkeit des Katheters für den gesamten Bereich der axialen Ausrichtungen ohne toten Winkel gewährleisten. Das System wurde experimentell in einem 1T MRT-Scanner verifiziert. Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit dem Durchsatz von NMR-Spektroskopie. Flussbasierte NMR ist eine vielversprechende Technik zur Verbesserung des NMR-Durchsatzes. Eine häufige Herausforderung ist jedoch das relativ große Totvolumen im Schlauch, der den NMR-Detektor speist. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz für vollautomatische NMR-Spektroskopie mit hohem Durchsatz und verbesserter Massensensitivität vorgestellt. Der entwickelte Ansatz wird durch die Nutzung von Mikrofluidik-Technologien in Kombination mit Dünnfilm-Mikro-NMR-Detektoren verwirklicht. Es wurde ein passender NMR-Sensor mit einem mikrofluidischen System entwickelt, das Folgendes umfasst: i) einen Mikro-Sattel-Detektor für die NMR-Spektroskopie und ii) ein Paar Durchflusssensoren, die den NMR-Detektor flankieren und an eine Mikrocontrollereinheit angeschlossen sind. Ein mikrofluidischer Schlauch wird verwendet, um eine Probenserie durch den Sondenkopf zu transportieren, die einzelnen Probenbereiche sind durch eine nicht mischbare Flüssigkeit getrennt, das System erlaubt im Prinzip eine unbegrenzte Anzahl an Proben. Das entwickelte System verfolgt die Position und Geschwindigkeit der Proben in diesem zweiphasigen Fluss und synchronisiert die NMR-Akquisition. Der entwickelte kundenspezifische Sondenkopf ist Plug-and-Play-fähig mit marktüblichen NMR-Systemen. Das System wurde erfolgreich zur Automatisierung von flussbasierten NMR-Messungen in einem 500 MHz NMR-System eingesetzt. Der entwickelte Mikro-NMR-Detektor ermöglicht hochauflösende Spektroskopie mit einer NMR-Empfindlichkeit von 2,18 nmol s$^{1/2}$ bei Betrieb der Durchflusssensoren. Die Durchflusssensoren wiesen eine hohe Empfindlichkeit bis zu einem absoluten Unterschied von 0,2 in der relativen Permittivität auf, was eine Differenzierung zwischen den meisten gängigen Lösungsmitteln ermöglichte. Es wurde gezeigt, dass eine vollautomatische NMR-Spektroskopie von neun verschiedenen 120 $\mu$L Proben innerhalb von 3,6 min oder effektiv 15,3 s pro Probe erreicht werden konnte

1-D broadside-radiating leaky-wave antenna based on a numerically synthesized impedance surface

A newly-developed deterministic numerical technique for the automated design of metasurface antennas is applied here for the first time to the design of a 1-D printed Leaky-Wave Antenna (LWA) for broadside radiation. The surface impedance synthesis process does not require any a priori knowledge on the impedance pattern, and starts from a mask constraint on the desired far-field and practical bounds on the unit cell impedance values. The designed reactance surface for broadside radiation exhibits a non conventional patterning; this highlights the merit of using an automated design process for a design well known to be challenging for analytical methods. The antenna is physically implemented with an array of metal strips with varying gap widths and simulation results show very good agreement with the predicted performance

Beam scanning by liquid-crystal biasing in a modified SIW structure

A fixed-frequency beam-scanning 1D antenna based on Liquid Crystals (LCs) is designed for application in 2D scanning with lateral alignment. The 2D array environment imposes full decoupling of adjacent 1D antennas, which often conflicts with the LC requirement of DC biasing: the proposed design accommodates both. The LC medium is placed inside a Substrate Integrated Waveguide (SIW) modified to work as a Groove Gap Waveguide, with radiating slots etched on the upper broad wall, that radiates as a Leaky-Wave Antenna (LWA). This allows effective application of the DC bias voltage needed for tuning the LCs. At the same time, the RF field remains laterally confined, enabling the possibility to lay several antennas in parallel and achieve 2D beam scanning. The design is validated by simulation employing the actual properties of a commercial LC medium