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
