A Class-E Inductive Powering Link with Backward Data Communications for Implantable Sensor Systems

The design and implementation of a wireless power and data transfer system based on inductive coupling, having the potential to be used in numerous implantable bio-medical sensors and systems, is presented. The system consists of an external (primary) unit and an internal (secondary) unit. The external unit incorporates a high-efficiency switch-mode Class-E amplifier operating at ~200 kHz for driving the primary coil. The secondary unit consists of a parallel resonant coil followed by the power recovery circuitry. Means for backward data communication from the internal to the external unit over the same pair of coils has been realized using a simple FSK-based modulation scheme incorporated into the internal unit. FSK demodulation and associated filtering are integrated with the base inductive powering system. Prototype system test results indicate the inductive link efficiency can exceed 80% under optimum operating conditions with the overall power transfer efficiency of approximately 30%. The communication system is capable of transmitting up to 10kbps of data with the FSK carrier frequency (i.e., middle-frequency) being only 120kHz. The complete system functions reliably over an inter-coil distances exceeding 2.5cm with a 5V dc supply

Wireless Power Transfer Techniques for Implantable Medical Devices:A Review

Wireless power transfer (WPT) systems have become increasingly suitable solutions for the electrical powering of advanced multifunctional micro-electronic devices such as those found in current biomedical implants. The design and implementation of high power transfer efficiency WPT systems are, however, challenging. The size of the WPT system, the separation distance between the outside environment and location of the implanted medical device inside the body, the operating frequency and tissue safety due to power dissipation are key parameters to consider in the design of WPT systems. This article provides a systematic review of the wide range of WPT systems that have been investigated over the last two decades to improve overall system performance. The various strategies implemented to transfer wireless power in implantable medical devices (IMDs) were reviewed, which includes capacitive coupling, inductive coupling, magnetic resonance coupling and, more recently, acoustic and optical powering methods. The strengths and limitations of all these techniques are benchmarked against each other and particular emphasis is placed on comparing the implanted receiver size, the WPT distance, power transfer efficiency and tissue safety presented by the resulting systems. Necessary improvements and trends of each WPT techniques are also indicated per specific IMD

High-performance wireless power and data transfer interface for implantable medical devices

D’importants progès ont été réalisés dans le développement des systèmes biomédicaux implantables grâce aux dernières avancées de la microélectronique et des technologies sans fil. Néanmoins, ces appareils restent difficiles à commercialier. Cette situation est due particulièrement à un manque de stratégies de design capable supporter les fonctionnalités exigées, aux limites de miniaturisation, ainsi qu’au manque d’interface sans fil à haut débit fiable et faible puissance capable de connecter les implants et les périphériques externes. Le nombre de sites de stimulation et/ou d’électrodes d’enregistrement retrouvés dans les dernières interfaces cerveau-ordinateur (IMC) ne cesse de croître afin d’augmenter la précision de contrôle, et d’améliorer notre compréhension des fonctions cérébrales. Ce nombre est appelé à atteindre un millier de site à court terme, ce qui exige des débits de données atteingnant facilement les 500 Mbps. Ceci étant dit, ces travaux visent à élaborer de nouvelles stratégies innovantes de conception de dispositifs biomédicaux implantables afin de repousser les limites mentionnées ci-dessus. On présente de nouvelles techniques faible puissance beaucoup plus performantes pour le transfert d’énergie et de données sans fil à haut débit ainsi que l’analyse et la réalisation de ces dernières grâce à des prototypes microélectroniques CMOS. Dans un premier temps, ces travaux exposent notre nouvelle structure multibobine inductive à résonance présentant une puissance sans fil distribuée uniformément pour alimenter des systèmes miniatures d’étude du cerveaux avec des models animaux en ilberté ainsi que des dispositifs médicaux implantbles sans fil qui se caractérisent par une capacité de positionnement libre. La structure propose un lien de résonance multibobines inductive, dont le résonateur principal est constitué d’une multitude de résonateurs identiques disposés dans une matrice de bobines carrées. Ces dernières sont connectées en parallèle afin de réaliser des surfaces de puissance (2D) ainsi qu’une chambre d’alimentation (3D). La chambre proposée utilise deux matrices de résonateurs de base, mises face à face et connectés en parallèle afin d’obtenir une distribution d’énergie uniforme en 3D. Chaque surface comprend neuf bobines superposées, connectées en parallèle et réailsées sur une carte de circuit imprimé deux couches FR4. La chambre dispose d’un mécanisme naturel de localisation de puissance qui facilite sa mise en oeuvre et son fonctionnement. En procédant ainsi, nous évitons la nécessité d’une détection active de l’emplacement de la charge et le contrôle d’alimentation. Notre approche permet à cette surface d’alimentation unique de fournir une efficacité de transfert de puissance (PTE) de 69% et une puissance délivrée à la charge (PDL) de 120 mW, pour une distance de séparation de 4 cm, tandis que le prototype de chambre complet fournit un PTE uniforme de 59% et un PDL de 100 mW en 3D, partout à l’intérieur de la chambre avec un volume de chambre de 27 × 27 × 16 cm3. Une étape critique avant d’utiliser un dispositif implantable chez les humains consiste à vérifier ses fonctionnalités sur des sujets animaux. Par conséquent, la chambre d’énergie sans fil conçue sera utilisée afin de caractériser les performances d’ une interface sans fil de transmisison de données dans un environnement réaliste in vivo avec positionement libre. Un émetteur-récepteur full-duplex (FDT) entièrement intégré qui se caractérise par sa faible puissance est conçu pour réaliser une interfaces bi-directionnelles (stimulation et enregistrement) avec des débits asymétriques: des taux de tramnsmission plus élevés sont nécessaires pour l’enregistrement électrophysiologique multicanal (signaux de liaison montante) alors que les taux moins élevés sont utilisés pour la stimulation (les signaux de liaison descendante). L’émetteur (TX) et le récepteur (RX) se partagent une seule antenne afin de réduire la taille de l’implant. L’émetteur utilise la radio ultra-large bande par impulsions (IR-UWB) basée sur l’approche edge combining et le RX utilise la bande ISM (Industrielle, Scientifique et Médicale) de fréquence central 2.4 GHz et la modulation on-off-keying (OOK). Une bonne isolation (> 20 dB) est obtenue entre le TX et le RX grâce à 1) la mise en forme les impulsions émises dans le spectre UWB non réglementée (3.1-7 GHz), et 2) le filtrage espace-efficace (évitant l’utilisation d’un circulateur ou d’un diplexeur) du spectre du lien de communication descendant directement au niveau de l’ amplificateur à faible bruit (LNA). L’émetteur UWB 3.1-7 GHz utilise un e modultion OOK ainsi qu’une modulation par déplacement de phase (BPSK) à seulement 10.8 pJ / bits. Le FDT proposé permet d’atteindre 500 Mbps de débit de données en lien montant et 100 Mbps de débit de données de lien descendant. Il est entièrement intégré dans un procédé TSMC CMOS 0.18 um standard et possède une taille totale de 0.8 mm2. La consommation totale d’énergie mesurée est de 10.4 mW (5 mW pour RX et 5.4 mW pour TX au taux de 500 Mbps).In recent years, there has been major progress on implantable biomedical systems that support most of the functionalities of wireless implantable devices. Nevertheless, these devices remain mostly restricted to be commercialized, in part due to weakness of a straightforward design to support the required functionalities, limitation on miniaturization, and lack of a reliable low-power high data rate interface between implants and external devices. This research provides novel strategies on the design of implantable biomedical devices that addresses these limitations by presenting analysis and techniques for wireless power transfer and efficient data transfer. The first part of this research includes our proposed novel resonance-based multicoil inductive power link structure with uniform power distribution to wirelessly power up smart animal research systems and implanted medical devices with high power efficiency and free positioning capability. The proposed structure consists of a multicoil resonance inductive link, which primary resonator array is made of several identical resonators enclosed in a scalable array of overlapping square coils that are connected in parallel and arranged in power surface (2D) and power chamber (3D) configurations. The proposed chamber uses two arrays of primary resonators, facing each other, and connected in parallel to achieve uniform power distribution in 3D. Each surface includes 9 overlapped coils connected in parallel and implemented into two layers of FR4 printed circuit board. The chamber features a natural power localization mechanism, which simplifies its implementation and eases its operation by avoiding the need for active detection of the load location and power control mechanisms. A single power surface based on the proposed approach can provide a power transfer efficiency (PTE) of 69% and a power delivered to the load (PDL) of 120 mW, for a separation distance of 4 cm, whereas the complete chamber prototype provides a uniform PTE of 59% and a PDL of 100 mW in 3D, everywhere inside the chamber with a chamber size of 27×27×16 cm3. The second part of this research includes our proposed novel, fully-integrated, low-power fullduplex transceiver (FDT) to support bi-directional neural interfacing applications (stimulating and recording) with asymmetric data rates: higher rates are required for recording (uplink signals) than stimulation (downlink signals). The transmitter (TX) and receiver (RX) share a single antenna to reduce implant size. The TX uses impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) based on an edge combining approach, and the RX uses a novel 2.4-GHz on-off keying (OOK) receiver. Proper isolation (> 20 dB) between the TX and RX path is implemented 1) by shaping the transmitted pulses to fall within the unregulated UWB spectrum (3.1-7 GHz), and 2) by space-efficient filtering (avoiding a circulator or diplexer) of the downlink OOK spectrum in the RX low-noise amplifier (LNA). The UWB 3.1-7 GHz transmitter using OOK and binary phase shift keying (BPSK) modulations at only 10.8 pJ/bit. The proposed FDT provides dual band 500 Mbps TX uplink data rate and 100 Mbps RX downlink data rate. It is fully integrated on standard TSMC 0.18 nm CMOS within a total size of 0.8 mm2. The total power consumption measured 10.4 mW (5 mW for RX and 5.4 mW for TX at the rate of 500 Mbps)

A Novel Power-Efficient Wireless Multi-channel Recording System for the Telemonitoring of Electroencephalography (EEG)

This research introduces the development of a novel EEG recording system that is modular, batteryless, and wireless (untethered) with the supporting theoretical foundation in wireless communications and related design elements and circuitry. Its modular construct overcomes the EEG scaling problem and makes it easier for reconfiguring the hardware design in terms of the number and placement of electrodes and type of standard EEG system contemplated for use. In this development, portability, lightweight, and applicability to other clinical applications that rely on EEG data are sought. Due to printer tolerance, the 3D printed cap consists of 61 electrode placements. This recording capacity can however extend from 21 (as in the international 10-20 systems) up to 61 EEG channels at sample rates ranging from 250 to 1000 Hz and the transfer of the raw EEG signal using a standard allocated frequency as a data carrier. The main objectives of this dissertation are to (1) eliminate the need for heavy mounted batteries, (2) overcome the requirement for bulky power systems, and (3) avoid the use of data cables to untether the EEG system from the subject for a more practical and less restrictive setting. Unpredictability and temporal variations of the EEG input make developing a battery-free and cable-free EEG reading device challenging. Professional high-quality and high-resolution analog front ends are required to capture non-stationary EEG signals at microvolt levels. The primary components of the proposed setup are the wireless power transmission unit, which consists of a power amplifier, highly efficient resonant-inductive link, rectification, regulation, and power management units, as well as the analog front end, which consists of an analog to digital converter, pre-amplification unit, filtering unit, host microprocessor, and the wireless communication unit. These must all be compatible with the rest of the system and must use the least amount of power possible while minimizing the presence of noise and the attenuation of the recorded signal A highly efficient resonant-inductive coupling link is developed to decrease power transmission dissipation. Magnetized materials were utilized to steer electromagnetic flux and decrease route and medium loss while transmitting the required energy with low dissipation. Signal pre-amplification is handled by the front-end active electrodes. Standard bio-amplifier design approaches are combined to accomplish this purpose, and a thorough investigation of the optimum ADC, microcontroller, and transceiver units has been carried out. We can minimize overall system weight and power consumption by employing battery-less and cable-free EEG readout system designs, consequently giving patients more comfort and freedom of movement. Similarly, the solutions are designed to match the performance of medical-grade equipment. The captured electrical impulses using the proposed setup can be stored for various uses, including classification, prediction, 3D source localization, and for monitoring and diagnosing different brain disorders. All the proposed designs and supporting mathematical derivations were validated through empirical and software-simulated experiments. Many of the proposed designs, including the 3D head cap, the wireless power transmission unit, and the pre-amplification unit, are already fabricated, and the schematic circuits and simulation results were based on Spice, Altium, and high-frequency structure simulator (HFSS) software. The fully integrated head cap to be fabricated would require embedding the active electrodes into the 3D headset and applying current technological advances to miniaturize some of the design elements developed in this dissertation

Analysis and Design of RF Power and Data Link Using Amplitude Modulation of Class-E for a Novel Bone Conduction Implant

This paper presents analysis and design of a radio frequency power and data link for a novel Bone Conduction Implant (BCI) system. Patients with conductive and mixed hearing loss and single-sided deafness can be rehabilitated by bone-anchored hearing aids (BAHA). Whereas the conventional hearing aids transmit sound to the tympanic membrane via air conduction, the BAHA transmits sound via vibrations through the skull directly to the cochlea. It uses a titanium screw that penetrates the skin and needs life-long daily care; it may cause skin infection and redness. The BCI is developed as an alternative to the percutaneous BAHA since it leaves the skin intact. The BCI comprises an external audio processor with a transmitter coil and an implanted unit called the bridging bone conductor with a receiver coil. Using amplitude modulation of the Class-E power amplifier that drives the inductive link, the sound signal is transmitted to the implant through the intact skin. It was found that the BCI can generate enough output force level for candidate patients. Maximum power output of the BCI was designed to occur at 5-mm skin thickness and the variability was within 1.5 dB for 1–8-mm skin thickness variations

Design of Wireless Power Transfer and Data Telemetry System for Biomedical Applications

With the advancement of biomedical instrumentation technologies sensor based remote healthcare monitoring system is gaining more attention day by day. In this system wearable and implantable sensors are placed outside or inside of the human body. Certain sensors are needed to be placed inside the human body to acquire the information on the vital physiological phenomena such as glucose, lactate, pH, oxygen, etc. These implantable sensors have associated circuits for sensor signal processing and data transmission. Powering the circuit is always a crucial design issue. Batteries cannot be used in implantable sensors which can come in contact with the blood resulting in serious health risks. An alternate approach is to supply power wirelessly for tether-less and battery- less operation of the circuits.Inductive power transfer is the most common method of wireless power transfer to the implantable sensors. For good inductive coupling, the inductors should have high inductance and high quality factor. But the physical dimensions of the implanted inductors cannot be large due to a number of biomedical constraints. Therefore, there is a need for small sized and high inductance, high quality factor inductors for implantable sensor applications. In this work, design of a multi-spiral solenoidal printed circuit board (PCB) inductor for biomedical application is presented. The targeted frequency for power transfer is 13.56 MHz which is within the license-free industrial, scientific and medical (ISM) band. A figure of merit based optimization technique has been utilized to optimize the PCB inductors. Similar principal is applied to design on-chip inductor which could be a potential solution for further miniaturization of the implantable system. For layered human tissue the optimum frequency of power transfer is 1 GHz for smaller coil size. For this reason, design and optimization of multi-spiral solenoidal integrated inductors for 1 GHz frequency is proposed. Finally, it is demonstrated that the proposed inductors exhibit a better overall performance in comparison with the conventional inductors for biomedical applications

Wireless power transfer for combined sensing and stimulation in implantable biomedical devices

Actuellement, il existe une forte demande de Headstage et de microsystèmes intégrés implantables pour étudier l’activité cérébrale de souris de laboratoire en mouvement libre. De tels dispositifs peuvent s’interfacer avec le système nerveux central dans les paradigmes électriques et optiques pour stimuler et surveiller les circuits neuronaux, ce qui est essentiel pour découvrir de nouveaux médicaments et thérapies contre des troubles neurologiques comme l’épilepsie, la dépression et la maladie de Parkinson. Puisque les systèmes implantables ne peuvent pas utiliser une batterie ayant une grande capacité en tant que source d’énergie primaire dans des expériences à long terme, la consommation d’énergie du dispositif implantable est l’un des principaux défis de ces conceptions. La première partie de cette recherche comprend notre proposition de la solution pour diminuer la consommation d’énergie des microcircuits implantables. Nous proposons un nouveau circuit de décalage de niveau qui convertit les niveaux de signaux sub-seuils en niveaux ultra-bas à haute vitesse en utilisant une très faible puissance et une petite zone de silicium, ce qui le rend idéal pour les applications de faible puissance. Le circuit proposé introduit une nouvelle topologie de décaleur de niveau de tension utilisant un condensateur de décalage de niveau pour augmenter la plage de tensions de conversion, tout en réduisant considérablement le retard de conversion. Le circuit proposé atteint un délai de propagation plus court et une zone de silicium plus petite pour une fréquence de fonctionnement et une consommation d’énergie donnée par rapport à d’autres solutions de circuit. Les résultats de mesure sont présentés pour le circuit proposé fabriqué dans un processus CMOS TSMC de 0,18- mm. Le circuit présenté peut convertir une large gamme de tensions d’entrée de 330 mV à 1,8 V et fonctionner sur une plage de fréquence de 100 Hz à 100 MHz. Il a un délai de propagation de 29 ns et une consommation d’énergie de 61,5 nW pour les signaux d’entrée de 0,4 V, à une fréquence de 500 kHz, surpassant les conceptions précédentes. La deuxième partie de cette recherche comprend nos systèmes de transfert d’énergie sans fil proposé pour les applications optogénétiques. L’optogénétique est la combinaison de la méthode génétique et optique d’excitation, d’enregistrement et de contrôle des neurones biologiques. Ce système combine plusieurs technologies telles que les MEMS et la microélectronique pour collecter et transmettre les signaux neuronaux et activer un stimulateur optique via une liaison sans fil. Puisque les stimulateurs optiques consomment plus de puissance que les stimulateurs électriques, l’interface utilise la transmission de puissance par induction en utilisant des moyens innovants au lieu de la batterie avec la petite capacité comme source d’énergie.Notre première contribution dans la deuxième partie fournit un système de cage domestique intelligent basé sur des barrettes multi-bobines superposées à travers un récepteur multicellulaire implantable mince de taille 1×1 cm2, implanté sous le cuir chevelu d’une souris de laboratoire, et unité de gestion de l’alimentation intégrée. Ce système inductif est conçu pour fournir jusqu’à 35,5 mW de puissance délivrée à un émetteur-récepteur full duplex de faible puissance entièrement intégré pour prendre en charge des implants neuronaux à haute densité et bidirectionnels. L’émetteur (TX) utilise une bande ultra-large à impulsions radio basée sur des approches de combinaison, et le récepteur (RX) utilise une topologie à bande étroite à incrémentation de 2,4 GHz. L’émetteur-récepteur proposé fournit un débit de données de liaison montante TX à 500 Mbits/s double et un débit de données de liaison descendante RX à 100 Mbits/s, et est entièrement intégré dans un processus CMOS TSMC de 0,18-mm d’une taille totale de 0,8 mm2 . La puissance peut être délivrée à partir d’un signal de porteuse de 13,56-MHz avec une efficacité globale de transfert de puissance supérieure à 5% sur une distance de séparation allant de 3 cm à 5 cm. Notre deuxième contribution dans les systèmes de collecte d’énergie porte sur la conception et la mise en oeuvre d’une cage domestique de transmission de puissance sans fil (WPT) pour une plate-forme de neurosciences entièrement sans fil afin de permettre des expériences optogénétiques ininterrompues avec des rongeurs de laboratoire vivants. La cage domestique WPT utilise un nouveau réseau hybride de transmetteurs de puissance (TX) et des résonateurs multi-bobines segmentés pour atteindre une efficacité de transmission de puissance élevée (PTE) et délivrer une puissance élevée sur des distances aussi élevées que 20 cm. Le récepteur de puissance à bobines multiples (RX) utilise une bobine RX d’un diamètre de 1 cm et une bobine de résonateur d’un diamètre de 1,5 cm. L’efficacité moyenne du transfert de puissance WPT est de 29, 4%, à une distance nominale de 7 cm, pour une fréquence porteuse de 13,56 MHz. Il a des PTE maximum et minimum de 50% et 12% le long de l’axe Z et peut délivrer une puissance constante de 74 mW pour alimenter le headstage neuronal miniature. En outre, un dispositif implantable intégré dans un processus CMOS TSMC de 0,18-mm a été conçu et introduit qui comprend 64 canaux d’enregistrement, 16 canaux de stimulation optique, capteur de température, émetteur-récepteur et unité de gestion de l’alimentation (PMU). Ce circuit est alimenté à l’intérieur de la cage du WPT à l’aide d’une bobine réceptrice d’un diamètre de 1,5 cm pour montrer les performances du circuit PMU. Deux tensions régulées de 1,8 V et 1 V fournissent 79 mW de puissance pour tout le système sur une puce. Notre dernière contribution est un système WPT insensible aux désalignements angulaires pour alimenter un headstage pour des applications optogénétiques qui a été précédemment proposé par le Laboratoire de Microsystèmes Biomédicaux (BioML-UL) à ULAVAL. Ce système est la version étendue de notre deuxième contribution aux systèmes de collecte d’énergie.Dans la version mise à jour, un récepteur de puissance multi-bobines utilise une bobine RX d’un diamètre de 1,0 cm et une nouvelle bobine de résonateur fendu d’un diamètre de 1,5 cm, qui résiste aux défauts d’alignement angulaires. Dans cette version qui utilise une cage d’animal plus petite que la dernière version, 4 résonateurs sont utilisés côté TX. De plus, grâce à la forme et à la position de la bobine de répéteur L3 du côté du récepteur, la liaison résonnante hybride présentée peut correctement alimenter la tête sans interruption causée par le désalignement angulaire dans toute la cage de la maison. Chaque 3 tours du répéteur RX a été enveloppé avec un diamètre de 1,5 cm, sous différents angles par rapport à la bobine réceptrice. Les résultats de mesure montrent un PTE maximum et minimum de 53 % et 15 %. La méthode proposée peut fournir une puissance constante de 82 mW pour alimenter le petit headstage neural pour les applications optogénétiques. De plus, dans cette version, la performance du système est démontrée dans une expérience in-vivo avec une souris ChR2 en mouvement libre qui est la première expérience optogénétique sans fil et sans batterie rapportée avec enregistrement électrophysiologique simultané et stimulation optogénétique. L’activité électrophysiologique a été enregistrée après une stimulation optogénétique dans le Cortex Cingulaire Antérieur (CAC) de la souris.Our first contribution in the second part provides a smart home-cage system based on overlapped multi-coil arrays through a thin implantable multi-coil receiver of 1×1 cm2 of size, implantable bellow the scalp of a laboratory mouse, and integrated power management circuits. This inductive system is designed to deliver up to 35.5 mW of power delivered to a fully-integrated, low-power full-duplex transceiver to support high-density and bidirectional neural implants. The transmitter (TX) uses impulse radio ultra-wideband based on an edge combining approach, and the receiver (RX) uses a 2.4- GHz on-off keying narrow band topology. The proposed transceiver provides dual-band 500-Mbps TX uplink data rate and 100-Mbps RX downlink data rate, and it is fully integrated into 0.18-mm TSMC CMOS process within a total size of 0.8 mm2. The power can be delivered from a 13.56-MHz carrier signal with an overall power transfer efficiency above 5% across a separation distance ranging from 3 cm to 5 cm. Our second contribution in power-harvesting systems deals with designing and implementation of a WPT home-cage for a fully wireless neuroscience platform for enabling uninterrupted optogenetic experiments with live laboratory rodents. The WPT home-cage uses a new hybrid parallel power transmitter (TX) coil array and segmented multi-coil resonators to achieve high power transmission efficiency (PTE) and deliver high power across distances as high as 20 cm. The multi-coil power receiver (RX) uses an RX coil with a diameter of 1 cm and a resonator coil with a diameter of 1.5 cm. The WPT home-cage average power transfer efficiency is 29.4%, at a nominal distance of 7 cm, for a power carrier frequency of 13.56-MHz. It has maximum and minimum PTE of 50% and 12% along the Z axis and can deliver a constant power of 74 mW to supply the miniature neural headstage. Also, an implantable device integrated into a 0.18-mm TSMC CMOS process has been designed and introduced which includes 64 recording channels, 16 optical stimulation channels, temperature sensor, transceiver, and power management unit (PMU). This circuit powered up inside the WPT home-cage using receiver coil with a diameter of 1.5 cm to show the performance of the PMU circuit. Two regulated voltages of 1.8 V and 1 V provide 79 mW of power for all the system on a chip. Our last contribution is an angular misalignment insensitive WPT system to power up a headstage which has been previously proposed by the Biomedical Microsystems Laboratory (BioML-UL) at ULAVAL for optogenetic applications. This system is the extended version of our second contribution in power-harvesting systems. In the updated version a multi-coil power receiver uses an RX coil with a diameter of 1.0 cm and a new split resonator coil with a diameter of 1.5 cm, which is robust against angular misalignment. In this version which is using a smaller animal home-cage than the last version, 4 resonators are used on the TX side. Also, thanks to the shape and position of the repeater coil of L3 on the receiver side, the presented hybrid resonant link can properly power up the headstage without interruption caused by the angular misalignment all over the home-cage. Each 3 turns of the RX repeater has been wrapped up with a diameter of 1.5 cm, in different angles compared to the receiver coil. Measurement results show a maximum and minimum PTE of 53 % and 15 %. The proposed method can deliver a constant power of 82 mW to supply the small neural headstage for the optogenetic applications. Additionally, in this version, the performance of the system is demonstrated within an in-vivo experiment with a freely moving ChR2 mouse which is the first fully wireless and batteryless optogenetic experiment reported with simultaneous electrophysiological recording and optogenetic stimulation. Electrophysiological activity was recorded after delivering optogenetic stimulation in the Anterior Cingulate Cortex (ACC) of the mouse.Currently, there is a high demand for Headstage and implantable integrated microsystems to study the brain activity of freely moving laboratory mice. Such devices can interface with the central nervous system in both electrical and optical paradigms for stimulating and monitoring neural circuits, which is critical to discover new drugs and therapies against neurological disorders like epilepsy, depression, and Parkinson’s disease. Since the implantable systems cannot use a battery with a large capacity as a primary source of energy in long-term experiments, the power consumption of the implantable device is one of the leading challenges of these designs. The first part of this research includes our proposed solution for decreasing the power consumption of the implantable microcircuits. We propose a novel level shifter circuit which converting subthreshold signal levels to super-threshold signal levels at high-speed using ultra low power and a small silicon area, making it well-suited for low-power applications such as wireless sensor networks and implantable medical devices. The proposed circuit introduces a new voltage level shifter topology employing a level-shifting capacitor to increase the range of conversion voltages, while significantly reducing the conversion delay. The proposed circuit achieves a shorter propagation delay and a smaller silicon area for a given operating frequency and power consumption compared to other circuit solutions. Measurement results are presented for the proposed circuit fabricated in a 0.18-mm TSMC CMOS process. The presented circuit can convert a wide range of the input voltages from 330 mV to 1.8 V, and operate over a frequency range of 100-Hz to 100-MHz. It has a propagation delay of 29 ns, and power consumption of 61.5 nW for input signals 0.4 V, at a frequency of 500-kHz, outperforming previous designs. The second part of this research includes our proposed wireless power transfer systems for optogenetic applications. Optogenetics is the combination of the genetic and optical method of excitation, recording, and control of the biological neurons. This system combines multiple technologies such as MEMS and microelectronics to collect and transmit the neuronal signals and to activate an optical stimulator through a wireless link. Since optical stimulators consume more power than electrical stimulators, the interface employs induction power transmission using innovative means instead of the battery with the small capacity as a power source

Remote power delivery for hybrid integrated Bio-implantable Electrical Stimulation System

Bio-implantable devices such as heart pacers, gastric pacers and drug-delivery systems require power for carrying out their intended functions. These devices are usually powered through a battery implanted with the system or are wired to an external power source. In this work, a remote power delivery system (RPDS) is considered as a means to charge rechargeable batteries that power a Bio-implanted Electrical Stimulation System (BESS). A loosely coupled inductive power transmitter and receiver system has been designed to recharge batteries for a bio-implanted gastric pacer. The transmitter coil is periodically worn around the waist. The receiver coil, rechargeable batteries, battery-charging chip and the chip containing electrical stimulation circuitry form a bio-implanted hybrid integrated microsystem. The link efficiency between a transmitter coil and the implanted receiver coil when the diameters are markedly different is analyzed. A design methodology for RPDS is proposed based on the load and voltage required at the load. An analytical model is developed with the help of simple Matlab coding. A full wave rectifier with a voltage doubler circuit is used for the conversion of ac voltage to the required dc voltage. This dc voltage supplies power to a battery charging chip which is used to safely and appropriately charge a rechargeable Li-ion battery. For an input supply voltage of 17.67 V rms, operating frequency of 20 kHz and radial coplanar displacement between the coil axes of 7.5 inches, the maximum dc voltage and power obtained across a 65Ω load resistor are 9.65 V and 1.33 W respectively. For a radial coplanar displacement between the coil axes of 6 inches, a 3.7 V nominal, 150 mAh polymer lithium ion battery has been successfully charged in 1 hour and 40 minutes from an initial voltage of 3.39 V to 4.12 V with an input voltage of 19.81 V rms at 20 kHz. An attempt has been made to model coil parasitics at high frequency. Variations in the load power as a function of frequency and radial coplanar displacement of the axes are examined. Design strategies to optimize power delivery with given geometric constraints are considered