南科大深港微电子学院李嘉敏课题组在生物医疗芯片设计领域取得新进展

2025-11-27 科研聚焦 浏览量：17

近日，南方科技大学深港微电子学院李嘉敏课题组在体域无线供能与通信芯片设计领域取得重要成果。

成果1： 

随着微型化、高集成度的生物植入系统的快速发展，如何在体内环境中实现安全、高效、长期稳定的无线供能与通信，成为限制植入式设备尺寸微缩与长期运行的关键瓶颈。超声链路凭借其低路径损耗和良好的生物安全性，逐渐成为植入式医疗系统中无线能量传输与数据通信的重要媒介。然而，超声换能器在供能路径与反向散射通信路径上的终端负载需求存在固有冲突，传统系统通常采用分时复用或多换能器设计，在时间或空间上分离两者，但这往往需要在供能连续性、通信速率与延迟、系统体积与复杂度之间做出折衷。

针对这一挑战，本工作探索供能与上下行链路的并行融合，提出了一种基于单超声换能器的并行供能及自适应反向散射通信系统架构（见图1），通过动态调控超声换能器的等效阻抗，使其同时满足能量接收与反向散射的阻抗需求，该架构可在单一换能器的基础上实现持续供能与实时、高能效、高速率超声通信的并行运行。功率路径方面，采用高能效单级转换结构，通过调节整流导通时间直接控制换能器端口的等效输入阻抗及反向散射系数，并使其与系统负载电流解耦，从而实现供能路径与反向散射通信的超声接口复用而互不干扰。在通信链路与调制策略方面，构建了自适应反向散射通信架构，硬件复用支持多种调制方法，基于路径实时评估，动态自适应调制方式与传输速率，在不同信道条件下实现传输速率与误码率的优化。

图1. 并行超声供能与通信系统架构

基于180 nm CMOS 工艺，该系统芯片面积为 0.28 mm²，在 5 cm 深度油浴测试中，芯片实现了192 μW持续超声供能与300 kbps （1MHz超声载波）的并行反向散射通信速率，误码率低于 10⁻⁶，其中4ASK调制模式下上行链路能量效率低至 6.3 pJ/bit。该系统首次实现超声供能与通信的并行融合，其频谱效率与能效显著优于现有超声方案，为下一代植入式系统提供了重要的技术支撑。

相关研究成果“Simultaneous Ultrasound Powering and Communication System with Adaptive Backscatter Modulation for Bio-Implants” 入选了2025年ISSCC的学生科研前瞻单元（Student Research Preview），并做现场芯片演示。此项成果于2025 年 11 月 2–5 日在韩国大田举行的亚洲固态电路会议（IEEE Asian Solid-State Circuits Conference, ASSCC）上报告并演示，入选会议Highlights，获得2025 IEEE A-SSCC Student Design Contest (SDC) Distinguished Design Award（图2）。该论文第一作者为深港微电子学院 2025 级博士生高从浩（深港微电子学院2023级硕士生），通讯作者为李嘉敏副教授，第一单位为南方科技大学，合作单位包括北京大学。

本研究工作得到了国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会基金的支持。

论文信息如下：

[1] C. Gao, W. Chen, Z. Li, Y. Lan, Z. Yang, C. Zhang, X. Wang, Y. Li, Y. Lu, L. Lin, and J. Li, "Simultaneous Ultrasound Powering and Communication System with Adaptive Backscatter Modulation for Bio-Implants," 2025 IEEE Asian Solid-State Circuits Conference (A-SSCC), Daejeon, South Korea, Nov. 2025.

[2] Y. Lan, L. Lin, J. Yoo and J. Li, "A Leakage-Suppressing Differential-Drive Rectifier for Sporadic Wearable Triboelectric Energy Harvesting," IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 72, no. 11, pp. 1645-1649, Nov. 2025.