CN109475299A - 使用超声背向散射用于传感生理学状况的移植物 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种可移植装置，其具有传感器，该传感器被构造用于检测分析物、pH、温度、应变或压力的量；以及在最长的维度上长度为大约5mm或更低的超声波换能器，其被构造用于接收基于由传感器检测的分析物、pH、温度或压力的量而调制的电流，并且基于接收的电流发射超声背向散射。所述的可移植装置可以被移植到受试对象中，例如动物或植物。本发明还描述了一种系统，其包含一个或多个可移植装置，以及包含一个或多个超声波换能器的问询器，其中所述的超声波换能器被构造用于将超声波传输至一个或多个可移植装置或者由一个或多个可移植装置接收超声背向散射。本发明还描述了检测分析物、pH、温度、应变或压力的方法。

Description

使用超声背向散射用于传感生理学状况的移植物

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年7月7日提交的标题为“NEURAL DUST AND ULTRASONICBACKSCATER IMPLANTS AND SYSTEMS，AND APPLICATIONS FOR SUCH SYSTEMS”的美国临时申请No.62/359,672的优先权，就所有目的而言，上述文献的内容以引用方式并入本文。

关于联邦资助的研究的声明

本发明是在由美国国防高级研究计划局(the Defense Advanced ResearchProjects Agency(DARPA))授予的Grant Nos.HR0011-15-2-0006下，在政府的支持下研发的。政府具有本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及使用超声背向散射，用于传感和报告受试对象的生理学状况的可移植装置。

背景技术

之前已知的“神经尘埃”系统包括小的可移植装置(称为“神经尘埃”或“灰尘”)，使用超声波透射以及由灰尘反射的背向透射与各个灰尘通讯的可移植超声波收发器，以及与可移植的超声波收发器无线通讯的外部收发器。参见Seo等人的Neural dust:anultrasonic,low power solution for chronic brain-machine interfaces,arXiv:1307.2196v1(July 8,2013)；Seo et al.,Model validation of untethered，ultrasonicneuraldust motes for cortical recording，Journal of Neuroscience Methods，vol.224，pp.114-122，2014年8月7日可在线获得；以及Bertrand等人的Beamformingapproaches for untethered,ultrasonic neural dust motes for corticalrecording:a simulation study,IEEE EMBC(Aug.2014)。这些文件中所述的神经尘埃系统用于皮层记录(即，脑电信号的记录)。在文件中所示的那些应用中，灰尘被移植到脑组织(皮质)中，超声波收发器(即，“问询器”)被移植到硬脑膜的皮质上，并且外部收发器被放置在紧靠患者的头部与移植硬膜下超声波收发器临近的位置。这种神经尘埃系统示于图1中。

小心地监测受试对象的某些生理学状况可以更好地了解健康和疾病进程。例如血糖监测用于监测糖尿病患者的健康，而血氧水平用于监测间隔综合征、癌症或器官植入物。然而，使用已知的技术连续地深组织监测某些生理学状况是不实际的。所需要的是用于传感生理学状况的可移植装置。

发明概述

本发明描述了用于传感受试对象的生理学状况(例如pH、分析物水平、压力、应变或温度)的可移植装置，以及使用超声背向散射报告传感的生理学状况。本发明进一步描述了包含一个或多个可移植装置和问询器的系统。本发明还描述了传感生理学状况和使用超声背向散射报告传感的生理学状况的方法。

在一个方面中，提供一种可移植装置，其包含：传感器，其被构造成检测分析物的量、pH、温度、应变或压力；以及超声波换能器，其在最长的维度上的长度为大约5mm或更小，并且被构造成接收基于通过传感器检测的分析物的量、pH、温度、应变或压力而调节的电流，并基于接收的电流发射超声背向散射。

在可移植装置的一些实施方案中，超声波换能器被构造用于接收给可移植装置提供电源的超声波。在一些实施方案中，超声波换能器被构造用于由包含一个或多个超声波换能器的问询器接收超声波。在一些实施方案中，超声波换能器为体压电换能器、压电微加工超声波换能器(PMUT)或电容式微加工超声波换能器(CMUT)。

在可移植装置的一些实施方案中，可移植装置的最长维度的长度为大约5mm或更小。在一些实施方案中，可移植装置的体积为大约5mm³或更小。

在一些实施方案中，可移植装置被移植到受试对象中。在一些实施方案中，受试对象为人类。在一些实施方案中，受试对象为动物或植物。

在可移植装置的一些实施方案中，传感器检测分析物的量或pH。在一些实施方案中，传感器检测pH或氧。

在可移植装置的一些实施方案中，传感器为光学传感器。在一些实施方案中，光学传感器包含光源和光学检测器。在一些实施方案中，光学传感器检测血压或脉搏。在一些实施方案中，光学传感器包含含有荧光团的基质，并且其中荧光团的荧光强度或荧光寿命取决于分析物的量。在一些实施方案中，光学传感器被构造用于实施近红外光谱法。在一些实施方案中，传感器检测葡萄糖。

在一些实施方案中，传感器为电位计化学传感器或或安培计化学传感器。在一些实施方案中，传感器检测氧、pH或葡萄糖。

在可移植装置的一些实施方案中，传感器为温度传感器。在一些实施方案中，温度传感器为热敏电阻、热电偶或者与绝对温度成比例(PTAT)的电路。在可移植装置的一些实施方案中，可移植装置包含体压电超声波换能器和热敏电阻。

在可移植装置的一些实施方案中，传感器为压力传感器。在一些实施方案中，传感器为微机电系统(MEMS)传感器。在一些实施方案中，可移植装置被构造用于测量血压或脉搏。

在可移植装置的一些实施方案中，传感器为应变传感器。

在可移植装置的一些实施方案中，可移植装置进一步包含集成电路。在一些实施方案中，集成电路包含电源电路、被构造用于向传感器提供电路的驱动器、被构造用于由传感器接收信号的嵌段或数字电路的一个或多个。在一些实施方案中，集成电路包含数字电路，并且其中数字电路被构造用于操作调制电路。在一些实施方案中，数字电路被构造用于向调制电路传输数字化信号，其中所述的数字化信号是基于分析物、温度、应变或压力的检测量。

在可移植装置的一些实施方案中，移植的装置至少部分被生物相容性材料封装。

在可移植装置的一些实施方案中，可移植装置进一步包含无响应性反射器。

在可移植装置的一些实施方案中，可移植装置包含两个或多个传感器。

本发明进一步提供一种系统，其包含一个或多个可移植装置，和问询器，该问询器包含一个或多个超声波换能器，其被构造用于将超声波传输给一个或多个可移植装置，或者由一个或多个可移植装置接收超声背向散射。在一些实施方案中，问询器包含一个或多个超声波换能器阵列，其中每个换能器阵列都包含两个或多个超声波换能器。在一些实施方案中，所述的系统包含多个可移植装置。在一些实施方案中，问询器被构造用于传输的超声波的波束操纵，从而备选地使传输的超声波聚焦在多个可移植装置的第一部分上，或者将传输的超声波聚焦在多个可移植装置的第二部分上。在一些实施方案中，问询器被构造用于由至少两个可移植装置同时接收超声背向散射。在一些实施方案中，问询器被构造用于使用时分多路法,空间多路法或频率多路法，将超声波传输至多个可移植装置上，或者由多个可移植装置接收超声背向散射。在一些实施方案中，问询器被构造成受试对象可佩带的。

在一个方面中，提供检测分析物、pH、温度、应变或压力的量的方法，其包括接收为一个或多个可移植装置提供电源的超声波，其中所述的可移植装置包含在最长的维度上长度为大约5mm或更小的超声波换能器；将由超声波得到的能量转换成电流；将电流传输至传感器，该传感器被构造用于测量分析物、pH、温度、应变或压力的量；基于分析物、pH、温度、应变或压力的测量量，调制电流；将调制的电流转换成编码分析物、pH、温度、应变或压力的测量量的超声背向散射；以及向包含一个或多个换能器的问询器发射超声背向散射，其中所述的换能器被构造用于接收超声背向散射。

在一个方面中，提供检测分析物、pH、温度、应变或压力的量的方法，其包括接收为一个或多个可移植装置提供电源的超声波，其中所述的可移植装置包含在最长的维度上长度为大约5mm或更小的超声波换能器；将由超声波得到的能量转换成电流；使用传感器，测量分析物、pH、温度、应变或压力的量；基于分析物、pH、温度、应变或压力的测量量，调制电流；将调制的电流转换成编码分析物、pH、温度、应变或压力的测量量的超声背向散射；以及向包含一个或多个换能器的问询器发射超声背向散射，其中所述的换能器被构造用于接收超声背向散射。

在上述方法的一些实施方案中，所述的方法进一步包括使用问询器接收超声背向散射。在一些实施方案中，所述的方法进一步包括使用问询器传输超声波，其中所述的问询器被构造用于传输超声波。在一些实施方案中，超声波以两个或多个脉冲方式传播。

在上述方法的一些实施方案中，所述的方法进一步包括分析超声背向散射，从而测定分析物、pH、温度、应变或压力的测量量。

在上述方法的一些实施方案中，所述的一个或多个可移植装置被移植到血管、移植的器官、肿瘤或感染位点上、内部或附近。

在上述方法的一些实施方案中，所述的方法进一步包括发射光，并检测荧光强度或荧光寿命，其中所述的荧光强度或荧光寿命取决于分析物或pH的量。在一些实施方案中，所述的方法包括测定振荡发射光与检测的荧光之间的移相，其中所述的移项取决于分析物或pH的量。在一些实施方案中，所述的方法包括测定由脉冲或振荡发射光得到的检测荧光的荧光寿命。

在上述方法的一些实施方案中，所述的方法进一步包括测定一个或多个可移植装置相对于问询器的位置。

在上述方法的一些实施方案中，所述的方法进一步包括检测一个或多个可移植装置的移动。

在上述方法的一些实施方案中，所述的方法进一步包括移植受试对象的可移植装置。在一些实施方案中，所述的受试对象为动物或植物。在一些实施方案中，所述的受试对象为人类。

在上述方法的一些实施方案中，所述的超声背向散射编码数字化信号。

附图简述

图1为Seo等人在Neural dust:an ultrasonic,low power solution forchronic brain-machine interfaces,arXiv:1307.2196v1(July 8,2013)中所述的，神经尘埃系统的示意图，其中所述的系统包含外部收发器、硬膜下问询器和神经灰尘。

图2A为用于所述的系统的示例性问询器的框图。所示的问询器包含包含多个超声波换能器的超声波换能器阵列。该阵列中的每个超声波换能器都通过通过操纵，其包含开关，用于备选地将换能器构造成接收或传输超声波。图2B为用于所述的系统的另一个示例性问询器的示意图。所示的问询器包含两个超声波换能器阵列，并且每个超声波换能器阵列均包含多个超声波换能器。问询器还包含集成电路(其可以包含数字电路，该数字电路可以包含处理器)。集成电路与用户界面(其可以包括显示器、键盘、按钮等)、存储介质(即，非暂时性存储器)、输入/输出(其可以是无线的，例如蓝牙)和电源(例如电池)连接。

图3A示出受试对象可以佩带的示例性问询器的框图。所述的问询器包含无线通讯系统(蓝牙，如所示)，其可以用于与计算机系统通讯。图3B示出可佩带的问询器的分解图。该问询器包含电池、无线通讯系统和换能器阵列。图3C示出图3B所示的可佩带的问询器，其全部组装有用于附着在受试对象上的背带。图3D示出附着在受试对象(即，啮齿动物，但是可以为任意一种动物，例如人类、狗、猫、马、牛、猪、绵羊、山羊、小鸡、猴、大鼠或小鼠)上的可佩带的问询器。所述的问询器包含换能器阵列，其通过粘合剂固定在受试对象的肌体上。图3E示出图3A-D所示的问询器的换能器阵列的剖视图。

图4提供显示由问询器的换能器与具有小型化超声波换能器的可移植装置之间的通讯的示意图。所述的问询器将超声波传输至可移植装置，并且小型化的超声波换能器发射由传感器调制的超声背向散射。然后，所述的背向散射由问询器接收。

图5A示出由问询器发射的超声波脉冲的循环系列。在问询器(例如FPGA)接收引发器时，问询器的收发器面板产生一系列传输脉冲。在发射循环结束时，ASIC上的开关中断发射模块，并连接接收模块。所述的循环具有每100微秒的频率。图5B示出图5A所示的发射脉冲循序(即，一个循环)的放大图，并且每个循环在1.85MHz下具有六个脉冲的超声波，所述的脉冲每540纳秒再发生。图5C示出由可移植装置发射的超声背向散射。超声背向散射以大约2t_瑞利到达问询器的换能器。图5D示出可以分析的超声背向散射的放大图。超声背向散射的分析可以包括过滤、整流和整合超声背向散射波。图5E示出过滤的超声背向散射波的放大图。背向散射波包括响应性区域，其对小型化超声波换能器的阻抗变化产生响应；以及无响应器区域，其对小型化超声波换能器的阻抗变化不产生响应。

图6A示出具有小型化超声波换能器和传感器的可移植装置的示意图。

图6B示出具有小型化超声波换能器、集成电路和传感器的可移植装置的示意图。

图7A示出示例性可移植装置的示意图，其包含小型化超声波换能器和印制电路板(PCB)上的ASIC。图7B示出另一种示例性可移植装置的示意图，其包含小型化超声波换能器和印制电路板(PCB)上的ASIC。

图8A示出附着在小型化超声波换能器上的用于可移植装置的ASIC的一个实施方案。图8B示出附着在小型化超声波换能器上的用于可移植装置的集成电路的另一个实施方案。

图9A示出基于组织中由光学发射器得到的光的强度调制，可移植装置的传感器与外部收发器的背向散射通讯。可移植装置上的传感器可以为光学滤波器增强的传感器。图9B示出使用发射波长变化的光的元件阵列的单色光的备选脉冲，其中所述的元件阵列适用于使用光学传感器实施NIR多波长分光光度法。图9C示出具有光学传感器的可移植装置，其包含光源和光学检测器。所述的传感器包含集成光学发射器。

图10A示出由光源发射的光的脉冲，以及在光学传感器中，在光激发基质中的荧光团之后由光学检测器检测的所得的荧光衰减。图10B示出由光源发射的震荡光与光学传感器中在光激发基质中的荧光图之后由光学检测器检测的所得的荧光寿命之间的移项。图10C示出用于检测图10B中所示的移项的示例性光学传感器的示意图。

图11A示出具有小型化超声波换能器、集成电路和光学传感器的可移植装置的一个实施方案的示意图。图11B示出具有小型化超声波换能器、集成电路和光学传感器的可移植装置的一个实施方案的另一个示意图。

图12A示出具有小型化超声波换能器和温度传感器的可移植装置的一个实施方案的示意图。图12B示出具有小型化超声波换能器、集成电路和温度传感器的可移植装置的一个实施方案的示意图。

图13A示出具有小型化超声波换能器和压力传感器的可移植装置的一个实施方案的示意图。图13B示出具有小型化超声波换能器、集成电路和压力传感器的可移植装置的一个实施方案的示意图。

图14示出制造本发明所述的可移植装置的方法。

图15为使用非晶碳化硅封装可移植装置的方法的流程图。

图16A示出用于连接可移植装置的部件的通孔的不同的几何形状。图16B示出用于可变形的互连器件的蛇纹形跟踪构造。

图17示出用于固化银环氧树脂(其为在制造可移植装置的过程中用于连接焊线接合的示例性材料)的时间和温度之间的关系。

图18示出用于将可移植装置封装在碳化硅中的示意图。

图19示出组装原型示意图和PCB。

图20A-E示出确保在PCB组装所需的小型化超声波换能器(PZT)维度的加工步骤。在图20A中，环氧焊膏被分散在板上。在图20B中，压电材料附着在PCB上。在图20C中，压电材料被切割，从而形成所需尺寸的体压电超声波换能器。在图20D中，超声波换能器与PCB焊线接合。在图20E中，PCB与超声波换能器封装在PDMS中。

图21示出使用矢量网络分析仪(VNA)测量电阻抗的示意图。

图22A示出在多种体压电超声波换能器尺寸下，测量的功率转换效率与刺激行为匹配。图22B示出PZT晶体的测量的阻抗谱与模拟匹配。图22C示出小型化超声波换能器的收获功率的频率响应为大约6.1MHz。

图23为可以用作问询器的部件的示例性超声波换能器的示意图。

图24是用于声学表征的设置的示意图，其具有用于功率输送验证的校准的超声波换能器。超声波接收器与超声波发送器分开。

图25A示出当由换能器表面除去水听器时，5MHz换能器的输出功率。

图25B示出降级峰与水峰相关，迁移至左侧。

图26A示出换能器输出的XZ剖视图，标明瑞利距离以及近场至远场传播的清楚的跃迁。图26B示出XY束的剖视图，示出在2.2mm下波束的6dB带宽。

图27A示出在XY平面上，由换能器阵列得到的聚焦2D波束图案。测量的波束在X和Y维度上接近模拟波束。图27B示出在超声波换能器阵列中施加至各个换能器元件的延时。图27C示出模拟2D XZ波束剖视图案。

图28A示出由换能器阵列传输的超声波波束的波束操纵。在各个波束图案下方，是阵列中各个换能器获得测量波束图案的延时，如图28B所示。

图28C示出对于图28A所示的各个波束图案，在X轴上的1D波束图案。测量的波束图案密切接近模拟波束图案。

图29示出最小化超声波换能器链路效率和组织中在5mm下的接收功率的模拟缩放。

图30A示出降级的归一化峰压(其为距离示例性换能器的表面的距离的函数)在1.85MHz下在大约8.9mm下具有降级的聚焦。图30B示出在近场、瑞利距离和远场下，在y＝0时的XY剖视波束图案和相应的1D电压图。该图案示出在瑞利距离下的波束聚焦。图30C示出换能器的输出压为输入电压的线性函数(直至32V正负峰)。

图31A(在不同的内容中显示的图5E的副本)显示示例性背向散射波形，其示出背向散射的不同区域。发现背向散射波形的两侧(以时间计)为以下区域，该区域相当于由无响应性区域产生的反射；这些相当于由其他可移植装置部件得到的反射波形。由无响应性区域得到的测量(其不编码生物学数据)可以用作参数。采用这种较差测量的结果是，在试验过程中整个结构相对于外部换能器的任何移动都可以减除。图31B为由定制水箱设备得到的校正曲线，其示出0.18mV_rms的背景噪声。图31C示出背景噪声的作用，其为在波束图案功率降低后横向位移的函数。图31D示出换能器离轴电压的1D图以及在瑞利距离下在y＝0使得功率降低。图31E示出有效的背景噪声的降低的图，其为角位移的函数。角位移导致歪曲的波束图案：与圆形相反的椭圆形。这增加了焦点的半径(在更大的面积上散布能量)；焦点的扭曲在位移上松弛约束。

图32A示出由可移植装置得到的超声背向散射，其中可移植装置被移植到用于模拟组织的超声耦合胶体中。背向散射包括传输馈通以及在26微秒形成中心的衰荡，并且小型化的超声波换能器背向散射在大约47微妙时形成中心。图32B示出由小型化超声波换能器得到的背向散射区域(响应性区域)上的特写，其示出作为输入至可移植装置的信号的振幅调制。

图33示出数字数据，其相当于由可移植装置通过脉冲振幅背向散射调制得到的ASCII字母“hello world”无线就绪状态以及单极编码。

图34A示出具有小型化超声波体压电换能器和热敏电阻的可移植装置的示意图。无响应性反射器附着在可移植装置上，从而反射无响应性背向散射波。图34B示出两个可移植装置，每个可移植装置都具有小型化超声波体压电换能器和热敏电阻。上部装置的近似体积为0.118mm³，下部装置的近似体积为1.45mm³。

图35示出用于表征具有温度传感器的单个可移植装置的背向散射的试验设计剖视图。将0.5密尔厚的PET片材粘在水箱的顶部上，其起到将水包含在水箱中同时与可移植装置热隔离的作用。

图36示出具有小型化超声波体压电换能器、热敏电阻和无响应性反射器的可移植装置在高温和低温下的超声背向散射。可移植装置在3.35MHz下问询。区域[1]相当于无响应性反射器的贡献，而区域[2]相当于可移植装置上热调制的换能器的贡献。在区域[2]中信号振幅增加(因此，整流信号的曲线下面积)，可见温度依赖性变化。

图37示出具有热敏电阻的单一可移植装置的超声背向散射的平均归一化曲线下面积，其在34.5℃至44.5℃下为温度的函数。温度以0.5℃的间隔升高，并且将十个收集的背向散射波形面积对在44.5℃下收集的那些归一化。误差柱表示在各个温度下十个测量的标准偏差。

发明详述

本发明所述的可移植装置包含小型化超声波换能器(例如小型化压电换能器)和生理学传感器。小型化超声波换能器由问询器(其可以在外部或移植的)接受超声波能量，其为可移植装置提供电源。所述的问询器包含传输器和接收器(其可以被集成为合并收发器)，并且传输器和接收器可以在相同的部件或不同的部件上。生理学传感器检测生理学状况(例如压力、温度、应变、压力或者一种或多种分析物的量)，并且生成模拟或数字电信号。由问询器传输的超声波得到的机械能量振动可移植装置上的小型化超声波换能器，其生成电流。流动通过小型化超声波换能器的电流基于检测的生理学状况由可移植装置中的电路调制。小型化超声波换能器发射超声背向散射通讯信息，指示感受到的生理学状况，其通过问询器的接收器部件检测。

可移植装置的显著优点是能够检测深处组织中一种或多种生理学状况，同时是无线供电的；并且能够使这些生理学状况无线传输至问询器，其可以外部的或者将信息传达至外部部件。因此，可移植装置可以在延长的时间内保持在受试对象中，无需更换电池或者取出储存在装置上的信息。这些优点相应地使所述的装置更小并且更廉价的制造。在另一个优点中，使用超声波可以在相对的时间内用于与距离相关的数据通讯，其可以有助于实时测定可移植装置的位置或移动。

电磁(EM)能量传送用于为小的可移植装置提供电源是不实际的，这是因为通过组织和相对大的孔径(例如天线或线圈)的功率损耗必须捕获这种能量。例如参见Seo等人Neural dust:an ultrasonic,low power solution for chronic brain-machineinterfaces,arXiv paper(July2013)。使用EM向移植的装置供入足够的功率需要浅的移植深度，或者需要过度加热组织从而使EM波通过组织到达可移植的装置。与EM相反，超声波功率传送在组织中提供低的功率损害，这是由于组织相对低的吸收超声波能量以及超声波的较短的波长(与电磁波相比)。

已经发现超声波换能器在多种学科中具有用途，包括成像、高强聚焦超声(HIFU)、材料的无损检验、钢墙通讯和供电、水下通讯、经皮供电和能量收集。例如参见Ishida等人,Insole Pedometer with Piezoelectric Energy Harvester and 2V Organic Circuits,IEEE J.Solid-State Circuits,vol.48,no.1,pp.255-264(2013)；Wong等人,Advantagesof Capacitive Micromachined Ultrasonics Transducers(CMUTs)forHigh IntensityFocused Ultrasound(HIFU),IEEE Ultrasonics Symposium,pp.1313-1316(2007)；Ozeri等人,Ultrasonic Transcutaneous Energy Transfer for Powering ImplantedDevices,Ultrasonics,vol.50,no.6,pp.556-566(2010)；和Richards等人,Efficiency ofEnergy Conversion for Devices Containing a Piezoelectric Component,J.Micromech.Microeng.,vol.14,pp.717-721(2004)。与电磁不同，使用超声波作为能量传输方式从未进入广泛的消费者应用，并且通常被忽视，这是因为对于短距离和大孔径而言，电磁的效率是优异的。但是，在本发明所述的可移植装置的规模和组织中，低声速允许在急剧较低的频率下操作，并且在组织中的声损耗通常比电磁在组织中的衰减小很多。

超声波的相对低的声速与EM相比，得到大幅降低的波长。因此，就相同的传输距离而言，超声波系统更可能在远场中操作，因此比EM传输器得到更大的空间覆盖率。此外，在组织中的声损耗比电磁在组织中的衰减基本更小，这是因为声传输依赖于组织压缩和稀薄，而不是在组织的表面上产生位移电流的随时间变化的电/磁场。

已经发现，超声波可以用于提供电源并与包含小型化超声波换能器(例如体压电、PMUT或CMUT)和传感器的小型化可移植装置通讯。

本发明所述的可移植装置可以移植或用于受试对象(例如动物或植物)中。在一些实施方案中，受试对象为哺乳动物。示例性的受试对象包括啮齿动物(例如小鼠、大鼠或天竺鼠)、猫、狗、小鸡、猪、牛、马、绵羊、兔子等。在一些实施方案中，受试对象为人类。可移植装置还可以移植到植物中，例如农作物，从而测量生理学状况。

定义

如本文所用，单数形式“a”、“an”和“the”包括复数参照物，除非内容中另外清楚地说明。

本发明中，关于“大约”一个值或参数包括(并描述)涉及该值或参数本身的变化。例如关于“大约X”的描述包括“X”的描述。

术语“小型化”是指在最长的维度上的长度为大约5毫米或更小(例如大约4mm或更小、大约3mm或更小、大约2mm或更小、大约1mm或更小、或者大约0.5mm或更小)的任何材料或成分。在某些实施方案中，“小型化”材料或成分具有最长的维度为大约0.1mm至大约5mm(例如大约0.2mm至大约5mm、大约0.5mm至大约5mm、大约1mm至大约5mm、大约2mm至大约5mm、大约3mm至大约5mm、或者大约4mm至大约5mm)的长度。“小型化”还可以指体积为大约5mm³或更小(例如大约4mm³或更小、3mm³或更小、2mm³或更小、或者1mm³或更小)的任何材料或成分。在某些实施方案中，“小型化”材料或成分的体积为大约0.5mm³至大约5mm³，大约1mm³至大约5mm³,大约2mm³至大约5mm³，大约3mm³至大约5mm³,或者大约4mm³至大约5mm³。

“压电换能器”是包含压电材料的声收发器类型。压电材料可以是晶体、陶瓷、聚合物或者任何其他天然的或合成的压电材料。

“无响应性”超声波为反射率与检测信号无关的超声波。“无响应性反射器”为可移植装置的部件，其反射超声波，使得反射的波形与检测信号无关。

应该理解的是，本发明所述的本发明的方法和变体包括“由多个方面和变体组成”和/或“基本上由多个方面和变体组成”。

在提供值的范围的情况下，应该理解的是在该范围内的上限和下限之间的各个干涉值以及在所述的范围内的任何其他所述的或干涉值都涵盖在本发明公开的范围内。在所述的范围包含上限或下限的情况下，不包含这些包含在内的极限的范围也包含在本发明公开的范围内。

应该理解的是本发明所述的多个实施方案的一个性质、一些性质或全部性质可以结合，从而形成本发明的其他实施方案。本发明使用的节标题仅用于组织目的，并且不应该解释为限定所述的主题。

上文所述的与“实施方案”有关的特征和偏好是不同的偏好，并且不仅限于特定的实施方案；它们可以自由地与其他实施方案的特征结合(在技术可行的情况下)，并且可以形成特征的优选的组合。

提出所述的说明性，使本领域的任一普通技术人员能够形成并使用本发明，并且以专利申请及其要求的文本提供。对所述的实施方案的多种修改对于本领域那些技术人员而言是显而易见的，并且本发明所述的一般原理可以适用于其他的实施方案。因此，本发明无意于限定于所示的实施方案，但是以符合本发明所述的原理和特征的最广泛的范围记录。此外，提供节标题是用于组织目的，并且不应该认为是进行限定。最后，就所有的目的而言，本申请中参照的专利和公开的全部公开内容均以引用方法并入本文。

问询器

问询器可以使用超声波与一个或多个可移植装置无线通讯，其用于给可移植装置提供电源和/或操作。问询器可以进一步由可移植装置接收超声背向散射，其编码指示所感受的生理学状况的信息。问询器包括一个或多个超声波换能器，其可以作为超声波传输器和/或超声波接收器(或者作为收发器，其可以被构造成备选地传输或接收超声波)操作。一个或多个换能器可以排布成换能器阵列，并且问询器可以可任选地包含一个或多个换能器阵列。在一些实施方案中，超声波传输功能在分开的装置上与超声波接收功能分开。换言之，可任选地，问询器包含将超声波传输至可移植装置的第一装置，以及由可移植装置接收超声背向散射的第二装置。在一些实施方案中，阵列中的换能器可以具有规则的间距、不规则的间距或稀疏地设置。在一些实施方案中，阵列是灵活的。在一些实施方案中，阵列是平面的，而在一些实施方案中，阵列是非平面的。

示例性问询器示于图2A中。所示的问询器显示具有多个超声波换能器的换能器阵列。在一些实施方案中，换能器阵列包含1个或更多、2个或更多、3个或更多、5个或更多、7个或更多、10个或更多、15个或更多、20个或更多、25个或更多、50个或更多、100个或更多、250个或更多、500个或更多、1000个或更多、2500个或更多、5000个或更多、10,000个或更多的换能器。在一些实施方案中，换能器阵列包含100,000或更少、50,000或更少、25,000或更少、10,000或更少、5000或更少、2500或更少、1000或更少、500或更少、200或更少、150或更少、100或更少、90或更少、80或更少、70或更少、60或更少、50或更少、40或更少、30或更少、25或更少、20或更少、15或更少、10或更少、7或更少、或者5或更少的换能器。换能器阵列可以为例如包含50或更多的超声波换能器像素的芯片。图2A所示的问询器示出单一的换能器阵列；但是问询器可以包含1或更多、2或更多、3或更多的分开的阵列。在一些实施方案中，问询器包含10或更少的换能器阵列(例如9,8,7，6，5，4,3，2或1个换能器阵列)。分开的阵列例如可以设置在受试对象的不同的点，并且可以与相同的或不同的可移植装置通讯。在一些实施方案中，阵列位于可移植装置的相反的侧面。问询器可以包含ASIC，其包含在换能器阵列中用于各个换能器的通道。在一些实施方案中，通道包含开关(图2A中通过“T/Rx”示出)。开关可以备选地构造成将换能器与通道连接，从而传输超声波或接收超声波。开关可以将超声波接收电路与高电压超声波传输电路。在一些实施方案中，与通道连接的换能器仅被构造用于接收或者仅被构造用于传输超声波，并且开关可任选地由通道上省略。通道可以包含延时控制，其操作用于控制传输的超声波。延时控制可以控制例如移项、延时、脉冲频率和/或波形(包括振幅和波长)。延时控制可以与电平移位器连接，其将延时控制的输入脉冲移位至换能器传输超声波使用的高电压。在一些实施方案中，表示各个通道的波形和频率的数据可以储存在“波表”。这使得各个通道上的传输波形不同。然后，延时控制和电平移位器可以用于将这种数据“流出”成实际传输信号，直至换能器阵列。在一些实施方案中，用于各个通道的传输波形可以通过微控制器或其他数字系统的高速系列输出直接产生，并通过电平移位器或高压放大器发送至换能器元件。在一些实施方案中，ASIC包含电荷泵(图2A所示)，从而将供入ASIC的第一电压转换成高第二电压，其被供入通道。通道可以由控制器控制，例如数字控制器，其操作延时控制。在超声波接收电路中，接收的超声波通过换能器转换成电流(设定为接收模式)，其被传输至数据采集电路。在一些实施方案中，放大器、模拟数字转换器(ADC)、可变增益放大器或时间增益控制的可变增益放大器(其补偿组织损耗和/或带通滤波器)包含在接收电路中。ASIC可以由电源汲取电力，例如电池(其对于问询器的可佩带实施方案而言是优选的)。在图2A所示的实施方案中，向ASIC提供1.8V供电，其通过电荷泵增加至32V，但是可以使用任何合适的电压。在一些实施方案中，问询器包含处理器和/或非暂时性计算机可读存储器。在一些实施方案中，上文所述的通道不包含T/Rx开关，但是包含独立的Tx(传输)和Rx(接收)、以及高压Rx(接收器电路)(具有良好的饱和恢复的低噪声放大器形式)。在一些实施方案中，T/Rx电路包含循环器。在一些实施方案中，换能器阵列包含比问询器传输/接收电路中的处理通道更多的换能器元件，以及选择用于各脉冲的不同组的传输元件的多路转换器。例如64个传输接收通道通过3:1多路转换器与192个物理换能器元件连接，其中仅64个换能器元件在给定脉冲上是有效的。

图2B示出问询器的另一个实施方案。如图2B所示，问询器包含一个或多个换能器202。每个换能器202与传输器/接收器开关204连接，其可以备选地将换能器构成成传输或接收超声波。传输器/接收器开关与处理器206(例如中央处理器(CPU),定制专用处理器ASIC,现场可编程门阵列(FPGA)，微控制器(MCU)，或图形处理器(GPU))连接。在一些实施方案中，问询器进一步包含模拟数字转换器(ADC)或数字模拟转换器(DAC)。问询器还可以包含用户界面(例如显示器、一个或多个控制问询器的按钮等)、存储介质、电源(例如电池)、和/或输入/输出端(其可以是有线的或无线的)。

在一些实施方案中，问询器是可移植的。当可移植装置被移植到通过屏障(其不易于传输超声波)封闭的区域时，移植的问询器是优选的。例如问询器可以是颅下、硬膜下或硬膜上移植。颅下问询器可以与移植在脑中的可移植装置通讯。由于超声波被颅骨阻碍，所以移植的录下问询器可以与移植在脑中的可移植装置通讯。在另一个实例中，可移植问询器可以作为另一个移植的装置的一部分、在另一个移植的装置的后面或者内部移植，例如骨板。移植的问询器可以通过例如EM或RF信号与外部装置通讯。

在一些实施方案中，问询器在外部(即，未移植的)。例如外部问询器可以是可佩带的，其可以通过带子或粘合剂固定在肌体上。在另一个实例中，外部问询器可以是棒，其可以由用户保持(例如医护专业人员)。在一些实施方案中，问询器可以通过缝合、简单的表面张力、基于衣服的固定装置(例如包布)、袖子、橡皮圈或皮下固定。问询器的换能器或换能器阵列可以与换能器的其他部分分开定位。例如换能器阵列可以固定在处于第一位置(例如接近一个或多个移植的装置)的受试对象的皮肤上，而问询器的其他部分可以定位于第二位置，并具有将换能器或换能器阵列拴在问询器的其他部分上的线。图3A-E示出可佩带的外部问询器的实例。图3A示出问询器的框图，其包含含有多个换能器的换能器阵列、在换能器阵列中包含用于各个换能器的通道的ASIC、电池(锂聚合物(LiPo)电池，在所示的实例中)以及无线通讯系统(例如蓝颜系统)。图3B示出可佩带的问询器的分解图，其包含印制电路板(PCB)302(其包含ASIC)、无线通讯系统304、电池306、超声波换能器阵列308以及将超声波换能器阵列308拴在ASIC上的线310。图3C示出图3B所示的可佩带的问询器312以及背带314，其可以用于将问询器附着在受试对象上。图3D示出附着在受试对象上的组装问询器316，并且具有附着在第一位置上的换能器阵列308，以及附着在第二位置上的问询器的其他部分。图3E示出示例性超声波换能器阵列308的剖视示意图，其包含电路板318，将各个换能器322附着在电路板318上的通孔320，金属聚酯膜324以及吸收背衬层326。金属聚酯膜324可以提供与换能器匹配的共同接地和声音，而吸收背衬层326(例如钨粉填充的聚氨酯)可以减少单个换能器的振铃时间。

换能器的具体设计取决于所需的渗透深度、孔径尺寸以及阵列内单个换能器的尺寸。换能器阵列的瑞利距离R如下计算：

其中D为孔径的尺寸，λ为传播介质(即，组织)中的声音的波长。如本领域理解的那样，瑞利距离为阵列发射的波束完全形成的距离。换言之，在瑞利距离下，压力场汇集成自然焦点，从而使接收的功率最大。因此，在一些实施方案中，可移植装置距离换能器阵列大致相同的距离(瑞利距离)。

换能器阵列中的单个换能器可以通过波束形成或波束操纵过程来控制瑞利距离和由换能器发射的超声波波束的位置。诸如线性约束最小方差(LCMV)波束形成之类的技术可以用于使多个可移植装置与外部超声波收发器通讯。例如参见Bertrand等人Beamforming Approaches for Untethered,Ultrasonic Neural Dust Motes forCortical Recording:a Simulation Study,IEEE EMBC(Aug.2014)。在一些实施方案中，波束操纵是通过调节阵列中换能器发射的超声波的功率或超声波相。

在一些实施方案中，问询器包含以下的一个或多个：使用一个或多个换能器的波束操纵超声波的说明书，用于测定一个或多个可移植装置的相对位置的说明书，用于监测一个或多个可移植装置的相对移动的说明书，用于记录一个或多个可移植装置的相对移动的说明书，以及用于将多个可移植装置得到的背向散射去褶合(deconvoluting)的说明书。

可移植装置与问询器之间的通讯

可移植装置和问询器使用超声波进行彼此之间的无线通讯。可移植装置通过可移植装置上的小型化超声波换能器由问询器接收超声波。可移植装置上的小型化超声波换能器的振动在换能器的电接头上产生电压以及流动通过该装置(包括传感器和/或ASIC(如果存在))的电流。根据传感器检测的生理学状况，与生理学状况有关的信息可以改变电流，其相应地调制由小型化超声波换能器得到的背向散射。传感器系统(可任选地包含ASIC)对换能器上的电接头呈递电阻抗。如果该阻抗改变，则换能器的机械阻抗(装置的外部可见)改变，导致背向散射改变。因此，传感器系统调制呈递给换能器的电阻抗，从而实施背向散射通讯。随后，背向散射被外部超声波收发器接收(其可以与传输内部超声波的外部超声波收发器相同或不同)。因此，由传感器得到的信息可以通过振幅、频率或背向散射的超声波的相的改变来编码。

图4示出与可移植装置通讯的问询器。外部超声波收发器发射可以通过组织的超声波(“载波”)。载波导致小型化超声波换能器(例如小型化体压电换能器、PMUT或CMUT)产生机械振动。经过小型化超声波换能器的电压产生，其赋予流动通过可移植装置上的传感器以电流。在一些实施方案中，可移植装置包含ASIC，并且电流由小型化超声波换能器发出，通过ASIC，达到辐射检测器，回到ASIC，并返回至小型化超声波换能器。流动通过小型化超声波换能器的电流使得可移植装置上的换能器放射背向散射超声波。流动通过小型化超声波换能器的电流改变了由超声波换能器发射或反射的背向散射超声波的振幅、频率和/或相。由于生理学状况影响返回至ASIC和/或小型化超声波换能器的电流，所以背向散射波编码与生理学状况有关的信息。背向散射波由问询器检测，并且可以解码，从而测定生理学状况或者生理学状况的改变。

问询器和可移植装置之间的通讯可以使用传输和接收超声波的脉冲-回波法。在脉冲-回波法中，问询器以预定的频率传输一系列问询脉冲，然后由移植的装置接收背向散射回波。在一些实施方案中，脉冲的长度为大约200纳秒(ns)至大约1000ns(例如长度为大约300ns中至大约800ns，长度为大约400ns至大约600ns，或者长度为大约540ns)。在一些实施方案中，脉冲的长度为大约100ns或更高(例如长度为大约150ns或更高,200ns或更高,300ns或更高,400ns或更高,500ns或更高,540ns或更高,600ns或更高,700ns或更高,800ns或更高,900ns或更高，1000ns或更高,1200ns或更高,或者1500ns或更高)。在一些实施方案中，脉冲的长度为大约2000ns或更低(例如长度为大约1500ns或更低,1200ns或更低，1000ns或更低,900ns或更低,800ns或更低，700ns或更低,600ns或更低,500ns或更低,400ns或更低,300ns或更低，200ns或更低，或150ns或更低)。在一些实施方案中，脉冲通过停留时间分开。在一些实施方案中，停留时间的长度为大约100ns或更高(例如长度为大约150ns或更高，200ns或更高,300ns或更高,400ns或更高，500ns或更高,540ns或更高，600ns或更高,700ns或更高,800ns或更高，900ns或更高,1000ns或更高,1200ns或更高，或1500ns或更高)。在一些实施方案中，停留时间的长度为大约2000ns或更低(例如长度为大约1500ns或更低，1200ns或更低，1000ns或更低,900ns或更低,800ns或更低,700ns或更低，600ns或更低,500ns或更低,400ns或更低，300ns或更低，200ns或更低,或150ns或更低)。在一些实施方案中，脉冲为方形脉冲、矩形脉冲、三角形脉冲、锯齿脉冲或正弦脉冲。在一些实施方案中，脉冲输出可以是2-电平(GND和POS)、3-电平(GND，NEG,POS)、5-电平或任何其他多电平的(例如如果使用24-位DAC)。在一些实施方案中，脉冲在操作过程中通过问询器连续地传输。在一些实施方案中，当脉冲通过问询器连续地传输时，问询器上的一部分换能器被构成成接收超声波，并且问询器上的一部分换能器被构造成传输超声波。被构造成接收超声波的换能器和被构造成传输超声波的换能器可以位于相同的换能器阵列上或者位于问询器的不同换能器阵列上。在一些实施方案中，问询器上的换能器可以被构造成备选地传输或接收超声波。例如换能器可以在传输一个或多个脉冲与暂停时间之间循环。当传输一个或多个脉冲时，换能器被构造成传输超声波，然后可以在暂停时间内转换成接收模式。在一些实施方案中，循环中的一个或多个脉冲包括在任意给定的循环中大约1至大约10个超声波的脉冲(例如大约2至大约8,大约4至大约7，或大约6)。在一些实施方案中，循环中的一个或多个脉冲包括在任意给定的循环中大约1或更高，2或更高，4或更高，6或更高，8或更高，或10或更高的超声波的脉冲。在一些实施方案中，循环中的一个或多个脉冲包括在循环中大约20或更低,大约15或更低,大约10或更低，大约8或更低,或大约6或更低的脉冲。在操作过程中，脉冲循环可以规则地重复，例如每大约50微秒(ms)至大约300ms(例如大约每75ms至大约200ms,或者每大约100ms)。在一些实施方案中，循环每50ms或更长,每100ms或更长,每150ms或更长,每200ms或更长,每250ms或更长,或者每300ms或更长重复一次。在一些实施方案中，循环每300ms或更快,每250ms或更快,每200ms或更快,每150ms或更快,或者每100ms或更快重复一次。循环频率可以基于例如问询器与可移植装置之间的距离、和/或换能器可以在传输模式与接收模式之间切换的速度来设定。

图5示出问询器与可移植装置之间循环的脉冲-回波超声波通讯。图5A示出频率为每100微秒的一系列脉冲循环。在脉冲传输的过程中，阵列中的换能器被构造成传输超声波。在脉冲传输后，换能器被构造成接收背向散射的超声波。图5B示出循环的放大图，其示出超声波的六个脉冲，其中频率为每540纳秒。由问询器检测的背向散射超声波示于图5C中，以及图5D所示的单个脉冲的放大图。如图5D所示，可以分析由可移植装置接收的超声背向散射，其可以包括过滤(例如除去波浪衰减)背向散射的波，整流背向散射的波，以及集成波，从而测定波所编码的数据。在一些实施方案中，使用机器学习算法，分析背向散射。图5E示出背向散射的滤波的放大图。图5E中所示的备选散射波包括四个不同的区域，其相当于由机械边界形成的反射：(1)由生物相容性材料形成的反射，其中所述的材料封装可移植装置；(2)由小型化超声波换能器的顶部表面形成的反射；(3)由印制电路板和小型化超声波换能器之间的边界形成的反射；以及(4)由印制电路板的背面形成的反射。由小型化换能器的表面反射的背向散射波的振幅作为返回至小型化超声波换能器的电路阻抗的改变的函数而改变，并且可以称为“响应性背向散射”，这是因为背向散射的区域编码与感受的生理学状况有关的信息。超声背向散射的其他区域可以称为“无响应性背向散射”，并且用于测定可移植装置的位置、可移植装置的移动和/或可移植装置附近的温度变化，如下文所述。在一些实施方案中，装置进一步包括无响应性反射器。在一些实施方案中，无响应性反射器为立方体。在一些实施方案中，无响应性反射器包含硅。在一些实施方案中，无响应性反射器为刚性材料的表面。无响应性反射器附着在可移植装置上，但是是电隔离的，并且可以反射对传感器或ASIC阻抗的变化无响应的超声波(例如由于传感器感受的生理学状况)。

由换能器传输的超声波的频率可以根据可移植装置上小型化超声波换能器的驱动频率或共振频率来设定。在一些实施方案中，小型化超声波换能器为宽带装置。在一些实施方案中，小型化超声波换能器是窄带的。例如在一些实施方案中，脉冲的频率为小型化超声波换能器的共振频率的大约20％或更低,大约15％或更低,大约10％或更低,大约5％或更低。在一些实施方案中，脉冲设定为小型化超声波换能器的大约共振频率的频率。在一些实施方案中，超声波的频率为大约100kHz至大约100MHz(例如大约100kHz至大约200kHz,大约200kHz至大约500kHz,大约500kHz至大约1MHz,大约1MHz至大约5MHz,大约5MHz至大约10MHz,大约10MHz至大约25MHz,大约25MHz至大约50MHz,或者大约50MHz至大约100MHz)。在一些实施方案中，超声波的频率为大约100kHz或更高,大约200kHz或更高,大约500kHz或更高,大约1MHz或更高,大约5MHz或更高,大约10MHz或更高,大约25MHz或更高,或者大约50MHz或更高。在一些实施方案中，超声波的频率为大约100MHz或更低,大约50MHz或更低,大约25MHz或更低,大约10MHz或更低,大约5MHz或更低,大约1MHz或更低,大约500kHz或更低,或者大约200kHz或更低。较高的频率允许可移植装置上较小的小型化超声波换能器。但是，较高的频率还限制超声波换能器与可移植装置之间的通讯的深度。在一些实施方案中，可移植装置和超声波换能器被分开大约0.1cm至大约15cm(例如大约0.5cm至大约10cm,或者大约1cm至大约5cm)。在一些实施方案中，可移植装置和超声波换能器被分开大约0.1cm或更高,大约0.2cm或更高,大约0.5cm或更高,大约1cm或更高,大约2.5cm或更高,大约5cm或更高,大约10cm或更高,或者大约15cm或更高。在一些实施方案中，可移植装置和超声波换能器被分开大约20cm或更低,大约15cm或更低,大约10cm或更低,大约5cm或更低,大约2.5cm或更低，大约1cm或更低，或者大约0.5cm或更低。

在一些实施方案中，背向散射的超声波通过可移植装置数字化。例如可移植装置可以包含示波镜或模拟数字转换器(ADC)、和/或存储器，其可以数字化方式编码电流(或阻抗)波动的信息。数字化的电流波动(其反映传感器感受的数字)由超声波换能器接收，然后其传输数字化的声波。数字化的数据可以包含例如通过使用奇异值分解(SVD)和基于最小二乘法的压缩法来压缩模拟数据。在一些实施方案中，压缩是通过相关器或模式检测算法实施的。背向散射信号可以通过一系列非线性转化，例如背向散射区域的四阶巴特沃斯带通滤波器整流积分，从而在单一时间的情况下产生重建数据点。这种转化可以在硬件(例如硬编码的)或软件中进行。

在一些实施方案中，问询器与多个可移植装置通讯。这可以使用例如多输入、多输出(MIMO)系统理论实施。例如使用时分多路法，空间多路法或频率多路法，进行问询器与多个可移植装置之间的通讯。在一些实施方案中，两个或更多的(例如3，4，5，6，7，8，9,10或更多,12或更多,大约15或更多，大约20或更多，大约25或更多，大约50或更多，或者大约100或更多)可移植装置与问询器通讯。在一些实施方案中，大约200或更少的可移植装置(例如大约150或更少，大约100或更少，大约50或更少，大约25或更少，大约20或更少，大约15或更少，大约12或更少，或者大约10或更少的可移植装置)与问询器通讯。问询器可以接收由多个可移植装置形成的结合背向散射，其可以去褶合，由此由一个可移植装置提取信息。在一些实施方案中，问询器通过波束操纵将由换能器阵列传输的超声波聚焦在特定的可移植装置上。问询器将传输的超声波聚焦在第一可移植装置上，由第一可移植装置接收背向散射，将传输的超声波聚焦在第二可移植装置上，并由第二可移植装置接收背向散射。在一些实施方案中，问询器将超声波传输至多个可移植装置，然后由多个可移植装置接收超声波。

在一些实施方案中，问询器用于测定可移植装置的位置或速度。例如通过测定装置在一段时间内的位置或移动来测定速度。可移植装置的位置可以是相对位置，例如相对于问询器上的换能器的位置。多个换能器(其可以设置在相同的换能器阵列上，或者两个或更多的不同的换能器阵列上)可以由可移植装置收集背向散射超声波。基于由相同的可移植装置形成的背向散射波形与各换能器的已知的位置之间的差异，可以测定可移植装置的位置。这可以通过例如三角法，或者通过聚类分析和最大似然法进行。背向散射的差异可以基于响应性背向散射波、无响应性背向散射波或它们的组合。

在一些实施方案中，问询器用于跟踪可移植装置的移动。问询器可以跟踪的可移植装置的移动包括侧向和角度移动。这种移动可以是由于例如一个或多个器官(例如肝脏，胃，小肠或大肠，肾，胰腺，胆囊，膀胱，卵巢，子宫，脾(这可能是例如受试对象呼吸或移动的结果)或血流的变化(例如由于脉搏))的迁移而形成的。因此，在一些实施方案中，可移植装置用于跟踪器官的移动或脉冲速率。可移植装置的移动可以通过例如监测无响应性背向反射波的变化来跟踪。在一些实施方案中，可移植装置的移动可以通过比较在第一时间点时可移植装置的相对位置与第二时间点时可移植装置的相对位置来测定。例如如上文所述，可移植装置的位置可以使用问询器上的多个换能器(其可以是单一阵列或两个或更多的阵列)来测定。可移植装置的第一位置可以在第一时间点测定，而可移植装置的第二位置可以在第二时间点测定，并且移动矢量可以基于第一时间点的第一位置和第二时间点的第二位置测定。

可移植装置

可移植装置包含小型化超声波换能器(例如小型化压电换能器，电容式微加工超声波换能器(CMUT)，或者压电微加工超声波换能器(PMUT))和生理学传感器(例如温度传感器，氧传感器，pH传感器，应变传感器，压力传感器，或者葡萄糖传感器)。在一些实施方案中，专用集成电路(ASIC)包含在可移植装置中，其可以在生理学传感器和小型化超声波换能器之间通讯。问询器传输超声波，其可以通过可移植装置上的小型化超声波换能器为可移植装置提供动力，并与可移植装置通讯。变化的阻抗会影响在小型化超声波换能器内流动的电流，其影响超声背向散射。因此，生理学状况的改变会影响超声背向散射，其可以通过问询器检测。图6A示出具有小型化超声波换能器602和生理学传感器604的示意图。图6B示出具有小型化超声波换能器606，ASIC 608和生理学传感器610的可移植装置的示意图。

可移植装置是小型化的，其可以舒适地且长期移植，同时限制通常与可移植装置有关的组织炎症。在一些实施方案中，装置的最长维度的长度为大约5mm或更低，大约4mm或更低，大约3mm或更低，大约2mm或更低，大约1mm或更低,大约0.5mm或更低，大约0.3mm或更低，大约0.1mm或更低。在一些实施方案中，装置的最长维度的长度为大约0.05mm或更长，大约0.1mm或更长，大约0.3mm或更长，大约0.5mm或更长，大约1mm或更长，大约2mm或更长，或者大约3mm或更长。在一些实施方案中，装置的最长维度为大约0.04mm至大约5mm长度，大约0.05mm至大约4mm长度，大约0.07mm至大约3mm长度，大约0.08mm至大约3mm长度，或者大约1mm至大约2mm长度。

在一些实施方案中，可移植装置的体积为大约5mm³或更低(例如大约4mm³或更低，3mm³或更低，2mm³或更低，或者1mm³或更低)。在某些实施方案中，可移植装置的体积为大约0.5mm³至大约5mm³，大约1mm³至大约5mm³，大约2mm³至大约5mm³，大约3mm³至大约5mm³，或者大约4mm³至大约5mm³。可移植装置的小尺寸可以使用活检针进行装置的移植。

在一些实施方案中，可移植装置被移植到受试对象中。受试对象可以为例如动物，例如哺乳动物。在一些实施方案中，受试对象为人类、狗、猫、马、牛、猪、绵羊、山羊、小鸡、猴、大鼠或小鼠。在一些实施方案中，受试对象为植物。被移植到植物中的可移植装置可以用于例如监测农作物的状况。

在一些实施方案中，可移植装置或可移植装置的一部分(例如小型化超声波换能器、ASIC或传感器的全部或一部分)被生物相容性材料(例如生物相容性聚合物)封装，例如N-乙烯基-2-吡咯烷酮(NVP)和n-丁基甲基丙烯酸酯(BMA)的共聚物，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚对二甲苯，聚酰亚胺,氮化硅,二氧化硅,氧化铝,铌,羟磷灰石或碳化硅。碳化硅可以是非晶碳化硅和晶体碳化硅。生物相容性材料优选地是水可渗透的，从而避免装置内的电路被破坏或干扰。在一些实施方案中，可移植装置或可移植装置的一部分被陶瓷(例如氧化铝或二氧化钛)或金属(例如不锈钢或钛)囊封。

在一些实施方案中，小型化超声波换能器和ASIC(如果存在)被设置在印制电路板上(PCB)。传感器可以可任选地设置在PCB上，或者可以以其他方式与ASIC连接。图7A和7B示出包含PCB的可移植装置的示例图。图7A示出设置在PCB708的第一侧面706上的压电换能器702和ASIC 704。第一电极710和第二电极712设置在PCB 708的第二侧面714上。第一电极710和第二电极712可以为例如传感器的部件。图7B示出在PCB 718的第一侧面716上的压电换能器714，以及在PCB 718的第二侧面722上的ASIC 720。第一电极724设置在PCB的第一侧面716上，第二电极726设置在PCB718的第二侧面722上。第一电极724和第二电极726可以为例如传感器的部件。

可移植装置的小型化超声波换能器可以为微加工的超声波换能器，例如电容式微加工超声波换能器(CMUT)或压电微加工超声波换能器(PMUT)；或者可以为体压电换能器。体压电换能器可以是任何天然的或合成的材料，例如晶体、陶瓷或聚合物。示例性体压电换能器材料包括钛酸钡(BaTiO₃),锆钛酸铅(PZT),氧化锌(ZO),氮化铝(AlN),石英,块磷铝矿(AlPO₄),托帕石,硅酸镓镧(La₃Ga₅SiO₁₄),磷酸镓单晶(GaPO₄),铌酸锂(LiNbO₃),钽酸锂(LiTaO₃),铌酸钾(KNbO₃),钨酸钠(Na₂WO₃),铁酸铋(BiFeO₃),聚偏二氟乙烯(PVDF),和铌酸铅镁钛酸铅(PMN-PT)。

在一些实施方案中，小型化体压电换能器为大致的立方体(即，宽高比为大约1:1:1(长:宽:高))。在一些实施方案中，压电换能器为板状的，并且长度或宽度比的宽高比为大约5:5:1或更大，例如大约7:5:1或更大,或者大约10:10:1或更大。在一些实施方案中，小型化体压电换能器是长且窄的，并且宽高比为大约3:1:1或更大，并且其中最长的维度与载波超声波传播的方形对齐。在一些实施方案中，体压电换能器的一个维度等于波长(λ)的一半，相当于换能器的驱动频率或共振频率。在共振频率下，撞击在换能器表面上的超声波发生180°移项，由此到达反相，从而导致两个表面之间最大的位移。在一些实施方案中，压电换能器的高度为大约10mm至大约1000mm(例如大约40mm至大约400mm,大约100mm至大约250mm,大约250mm至大约500mm,或者大约500mm至大约1000mm)。在一些实施方案中，压电换能器的高度为大约5mm或更低(例如大约4mm或更低,大约3mm或更低,大约2mm或更低,大约1mm或更低，大约500mm或更低，大约400mm或更低,250mm或更低,大约100mm或更低,or大约40mm或更低)。在一些实施方案中，压电换能器的高度为大约20mm或更高(例如大约40mm或更高，大约100mm或更高，大约250mm或更高,大约400mm或更高,大约500mm或更高，大约1mm或更高,大约2mm或更高，大约3mm或更高,或者大约4mm或更高)。

在一些实施方案中，超声波换能器的最长维度的长度为大约5mm或更低，(例如大约4mm或更低,大约3mm或更低,大约2mm或更低,大约1mm或更低，大约500mm或更低,大约400mm或更低,250mm或更低,大约100mm或更低,或者大约40mm或更低)。在一些实施方案中，超声波换能器的最长维度的长度为大约20mm或更高(例如大约40mm或更高，大约100mm或更高，大约250mm或更高,大约400mm或更高，大约500mm或更高，大约1mm或更高,大约2mm或更高，大约3mm或更高,或者大约4mm或更高)。

小型化超声波换能器连接两个电极；第一电极附着在换能器的第一表面上，而第二电极附着在换能器的第二表面上，其中第一表面和第二表面是沿着一个维度的换能器的相对侧面。在一些实施方案中，电极包含银、金、铂、铂黑、聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)、导电聚合物(例如导电PDMS或聚酰亚胺)或镍。在一些实施方案中，换能器以剪切模式操作，其中换能器的金属化表面(即，电极)之间的轴与换能器的移动是正交的。

小型化超声波换能器与传感器连接，在一些实施方案中，与AISC连接。ASIC(如果存在)可以与传感器集成，或者与传感器分开提供。

在可移植装置中使用的ASIC部分取决于附着的传感器。在一些实施方案中，AISC与传感器完全集成，而在一些实施方案中，传感器与可移植装置的部件分开提供，但是附着。在一些实施方案中，可移植装置包含两个或更多的传感器，并且一个或多个ASIC可以与两个或更多的传感器一起使用。例如在一些实施方案中，单一的ASIC与两个或更多、三个或更多、四个或更多、或者五个或更多的传感器一起使用。

在一些实施方案中，ASIC包含电源电路，其被构造成为移植的装置的部件提供电源。电源电路可以包含例如整流器、电荷泵和/或储能电容器。在一些实施方案中，储能电容器作为分开的部件包含在内。在小型化超声波换能器中诱导电压差的超声波为可移植装置提供电力，其可以通过电源电路管理。

在一些实施方案中，ASIC包含一个或多个模拟电路，其利用通过换能器提供的电源为一个或多个模拟放大器提供电力，从而增加被调制到背向散射阻抗上的信号的调制深度。在一些实施方案中，ASIC包含一个或多个数字电路，其可以包含存储器和用于操作可移植装置的一个或多个电路快(circuit block)；这些系统可以包含例如机载微控制器、有限状态机实践、或者数字电路(其能够执行储存在移植物上的程序，或者通过问询器和移植物之间的超声波通讯提供)。在一些实施方案中，数字电路包含模拟数字转换器(ADC)，其可以将由传感器得到的模拟信号转换成数字信号。在一些实施方案中，数字电路包含数字模拟转换器(DAC)，其可以将数字信号转换成模拟信号，然后将信号定向于调制器。

数字电路可以操作调制电路(其还可以称为“背向散射电路”)，其与小型化超声波换能器连接。调制电路包含开关，例如开/关键或者场效应晶体管(FET)。可以与可移植装置的一些实施方案一起使用的示例性FET为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。调制电路可以改变呈递给小型化超声波换能器的阻抗，并且通过换能器的电流的变化编码由数字电路传输的信号。数字电路还可以操作一个或多个放大器，其放大定向与开关的电流。在其中数字电路被省略的实施方案中，调制电路中的阻抗可以由传感器直接控制。

在一些实施方案中，ASIC包含驱动器电路，其向一个或多个传感器提供电流。驱动器电路可以通过数字电路操作(如果存在)。在一些实施方案中，一个或多个放大器被设置在驱动器电路和数字电路之间。在一些实施方案中，ASIC包含前端电路(例如CMOS前端)，其可以接收传感器的信号。由前端电路接收的信号可以传递至数字电路。

图8A包含与ASIC连接的小型化超声波换能器(标示为“压电”)的一个实施方案。ASIC包含电源电路、调制电路(或“背向散射电路”)和驱动器(“刺激电路”)。电源电路包含储能电容器(“电容器”)。

图8B示出与小型化超声波换能器804连接的ASIC 802的另一个实例。在所示的实施方案中，小型化超声波换能器804与电源电路806连接。电源短路806向ASIC的其他部件提供电力，包括调制电路808、数字电路810、驱动器812和前端814。数字电路810操作驱动器812，其可以与传感器连接(未示出)。前端电路814接收传感器的信号，并且将信号传输至数字电路810。数字电路810随后可以控制调制电路808，其控制返回至小型化超声波换能器804的电路的阻抗。

传感器

可移植装置包含一个或多个传感器。传感器被构造成检测生理学状况，例如温度、氧浓度、pH、分析物(例如葡萄糖)、应变或压力。生理学状况的变化会调制阻抗，其相应地调制在可移植装置上的小型化超声波换能器流动的电流。如上文所示，这会产生由问询器检测的超声背向散射；超声背向散射波的变化反映出关于生理学状况的信息。在一些实施方案中，所述的系统被构造成检测生理学系统的变化。在一些实施方案中，所述的系统被构造成例如通过将超声背向散射校正为已知的值，从而检测生理学状况的值或近似值。

可移植装置可以包含一个或多个(例如2，3，4,5或更多)传感器，其可以检测相同的生理学状况或不同的生理学状况。在一些实施方案中，可移植装置包含10,9,8,7,6,5或更少的传感器。例如在一些实施方案中，可移植装置包含被构造成检测温度的第一传感器和被构造成检测氧的第二传感器。生理学状况的变化可以由超声背向散射波编码，其可以通过外部计算机系统解码。

在一些实施方案中，传感器包含光学检测器。光源(例如发光二极管或垂直腔面发射激光器(VCSEL))发射光，其通过光学检测器检测。光学检测器检测的光的量指示所检测的生理学状况。前端(例如CMOS前端)可以由检测器接收信号，其可以改变呈递给超声波换能器的阻抗。在一些实施方案中，数字电路由前端电路接收信号，并操作调制电路，其调制呈递给超声波换能器的阻抗。由小型化超声波换能器传输至问询器的超声背向散射编码由检测的生理学状况得到的信息。

光源可以设置在组织的外部、移植到组织内或者作为可移植装置本身的一部分(其可以通过ASIC上的驱动器控制)。在一些实施方案中，光源发射近红外范围的光(例如波长为大约780nm至大约2500nm)在一些实施方案中，包含多个光源，其可以发射不同波长的光。在一些实施方案中，可移植装置用于近红外光谱法，其可以用于检测血液或间质组织中的某些分析物，例如葡萄糖。在一些实施方案中，光源发射红外线范围以外的光(例如波长低于大约780nm或者高于大约2500nm)。由于当传输光通过组织(通常低于大约2cm)时具有距离限制，所以通常优选的是当在深度超过大约2cm时使用可移植装置时，在可移植装置上包含光源。在一些实施方案中，在深度为大约2cm或更高下，移植可移植装置(例如大约3cm或更大,大约4cm或更大,或者大约5cm或更大)。

图9A示出移植到组织中的检测光和发射超声背向散射波的可移植装置902。可移植装置902进一步由外部超声波换能器接收超声波(未示出)。可移植装置由外部光源904接收光。由可移植装置检测的光量的变化(由于生理学状况的变化)调制超声背向散射。图9A示出包含可移植装置的系统，其包含被抑制在组织中与外部光源进行光学通讯的光学检测器。以最简单的形式，可移植装置可以嵌入组织中，并且具有用于光学传感的外部光学发射器(可见光、NIR、近紫外光或其他)。外部光学发射器可以与外部收发器耦合，或者可以为分开的部件。图9A所示的实施方案证明光学滤波器的用途，从而确保仅单一波长或多个所选波长的强度被检测。这种光学发射器可以是单色光源的或宽带光源的。此外，光学发射器可以被移植到肌体中。发射器可以是机载的或者独立移植的。当在患者中移植光学发射器时，必须考虑电力传输、局部温度升高和移植尺寸。

在一些实施方案中，光源发射宽带光。在一些实施方案中，光源发射窄带光。例如光源可以包括光学滤波器，并且可以在一个或多个预定的波长下发射窄带光。在一些实施方案中，光源在一个或更多、两个或更多、三个或更多、四个或更多的不同的波长下发射窄带光。在一些实施方案中，光源在多种不同的波长下发射窄带光，其中至少一个窄带光波长用于错误校正。已经证明，通过备选地在NIR光谱区脉动三个波长的单色光，并使用四个波长的NIR光用于错误校正，可以监测组织氧合水平，这是由于血红蛋白,肌红蛋白和细胞色素aa3的吸收行为。这示于图9B中。在图9B中，可移植装置906被移植到组织中，并由不同的光源接收窄带光(光源908、光源910、光源912和光源914)，其中每个光源都发射不同的窄带光波长。如所示，光源908、光源910、光源912和光源914定位于组织的外部。可移植装置906进一步由外部超声波换能器接收超声波(未示出)。由可移植装置检测的光量的变化(由于生理学状况的变化)调制超声背向散射。

还可以通过除了NIR光谱法以外的手段实施分析物测量。一个此类的实例是通过使用用于化学传感的光纤化学传感器。当使用NIR光谱区域外部的光时，应该考虑并思考散射。

图9C示出包含光源918的可移植装置916。可移植装置进一步包含光检测器(未示出)，其可以由光源918接收光。可移植装置906进一步由外部超声波换能器接收超声波(未示出)，其可以为可移植装置916(包括光源918)提供电力。由可移植装置检测的光量的变化(由于生理学状况的变化)调制超声背向散射。

具有光学传感器的可移植装置可以用于多种目的。例如可移植装置可以用于监测受试对象的氧的水平(包括血氧水平或细胞间液氧水平)、肿瘤氧合监测、功能脑成像、血液分析物和pH测量。在一些实施方案中，光学传感器用于测定血压或脉搏速率。

在一些实施方案中，可移植装置上的传感器为氧传感器或pH传感器。包含氧传感器或pH传感器的可移植装置可以用于监测生理学氧浓度(例如血氧或细胞间液氧)或生理学pH(例如血液pH或细胞间液pH)。氧浓度或pH可以位于可移植装置的附近，或者如果使用装置网络，可以通过系统性生理学测量来测量氧浓度或pH。这可以用于例如监测组织缺氧或酸血症。可移植装置可以包含小型化超声波换能器(例如体压电换能器,PMUT或CMUT),ASIC(其可以包含驱动器和前端)，以及氧或pH传感器。

在一些实施方案中，氧传感器包含Clark电极。Clark电极测量被膜包围的催化表面(例如铂表面)的氧，并且可以最小化以便被包含在可移植装置内。Clark电极可以附着在可移植装置的ASIC上，并且由可移植装置传感的氧量的变化(其可以是血氧或细胞间质氧)可以调制超声背向散射。

在一些实施方案中，氧传感器包含光源(例如发光二极管或垂直腔面发射激光器(VCSEL))和光学检测器(例如光电晶体管或光电池，或者光电晶体管或光电池的阵列)。包含氧敏感型荧光团或pH敏感型荧光团的基质设置在光源和光检测器上，或者在桥接光源和光检测器的位置上，并且光源检测的光量取决于周围流体中的氧量或pH。这种装置可以称为光极。基质可以包含例如聚合物中的氧敏感性荧光团(例如钌荧光团)或pH敏感型荧光团，并且增加的氧或者增加的或降低的pH(取决于荧光团的选择)可以导致荧光快速衰减或强度降低。强度和荧光衰减寿命的这种氧或pH依赖性变化可以通过光学检测器检测。在一些实施方案中，基质为包含钌荧光团的水凝胶或聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物。在一些实施方案中，钌荧光团与基质内包含的二氧化硅颗粒或二氧化硅表面结合(这可以通过例如溶胶工艺制备)。基质保护荧光团免于接触细胞外流体中的成分，并且抑制蛋白质、细胞和其他细胞碎片(其可能影响氧扩散至基质中)的附着。此外，将钌金属封装在基质中会降低钌的潜在毒性。光源和/或光学检测器可以可任选地包含滤波器，从而将发射的或检测的光限制在狭窄的带宽内。ASIC可以驱动光源发射脉动的或正弦光信号，其使得光源发射光。由光源发射的光使得基质中的荧光团发荧光。例如在一些实施方案中，光源发射蓝光或UV光，并且荧光团可以发射橘光或红光。荧光强度和/或荧光的寿命(衰减)是基质的氧浓度或pH的函数，其受到周围流体(例如血液或细胞间液)的影响。由荧光的衰减，可以测定荧光寿命的衰减常数，其可以影响氧量或pH。

使用由光源发射的光脉冲可以观察荧光衰减或荧光寿命，其取决于pH或氧浓度。这在图10A中示出。因此，在一些实施方案中，在由光源得到光脉冲后，荧光的衰减(荧光的寿命)用于测量传感器周围的氧浓度或pH。

使用振荡光源可以抵消光源由于荧光衰减(荧光寿命)的荧光发射。光源波与荧光检测之间的移相取决于氧浓度或pH。这在图10B中示出。移相φ可以如下测定：

其中f为光源发射的光的振荡频率，τ为荧光衰减的寿命(其取决于氧或pH浓度)。因此，在一些实施方案中，使用振荡光源，并且光源相对于荧光的移相用于测定传感器周围的pH或氧浓度。可以用于测量移相的示例性光学检测器在图10C中示出。光源1002包含振荡器1004，并向着基质1006发射光。基质1006包含氧敏感型或pH敏感型荧光团，其通过光学检测器1008检测。光学检测器1008包含光电二极管(光电二极管阵列)1010，其将电流传输至电流电压转换模块(例如跨阻抗放大器(TIA)或电压缓冲期)1012。光学检测器1008可以进一步包含放大器1014。相检测器1016被包含在内，其可以测定由光源1002发射的振荡光与光学检测器1008检测的光之间的相位差。可任选的光学滤波器(例如长通滤波器)1018可以包含在基质1006和光学检测器1008之间。在一些实施方案中，光源可以是脉动的，并且可以在熄灭光源时(即，由脉冲的下降沿)取样荧光，来测量荧光的寿命。

光学检测器检测荧光团发射的光，其通过ASIC读取。在一些实施方案中，ASIC调制到达小型化超声波换能器的电流，其为由光学检测器得到的原始信号(或者原始信号的一部分)的函数，并且小型化超声波换能器可以发射反射检测信号的背向散射超声波。在一些实施方案中，ASIC调制呈递至换能器的阻抗作为原始或压缩信号的数字表示。在一些实施方案中，ASIC本身计算氧浓度或pH，并且将信号发送至编码信号的小型化超声波换能器。在一些实施方案中，外部超声波接收器使超声波脉动，其通过可移植装置导致电流脉冲(并相应地导致光脉冲)。在电流脉冲之间，小型化超声波换能器发射超声背向散射回波。

图11A示出具有氧传感器或pH传感器的可移植装置的一个实施方案。可移植装置包含小型化超声波换能器1102，ASIC 1104和pH或氧传感器1106。传感器1106包含光源(例如发光二极管)1108、pH敏感型或氧敏感型基质1110和光学检测器1112(例如光伏、光电晶体管或本领域已知的任何其他合适的光学检测器)。基质1110包含氧敏感型荧光团(例如氧传感器)或pH敏感型荧光团(pH传感器)。可任选地，滤波器1114设置在光源1108和基质1110之间。过滤器可以被构造成使窄带光被传输至基质1110。在一些实施方案中，除了或者代替滤波器1114，滤波器1116设置在基质1110和光学检测器1112之间。滤波器1116可以构造成使窄带光进入光学检测器1112。光源1108由驱动器1118提供电力，并且光学检测器1112传输由前端(例如CMOS前端)1120接收的信号。前端1120和驱动器1118与数字电路1122连接，其控制调制电路1124(数字电路可以包含合适的转换电路，从而适当地测量并取样检测器信号)。调制电路控制呈递给小型化超声波换能器1102的阻抗，其向问询器发射背向散射波。ASIC 1104还可以包含电源电路1126，其向ASIC的部件提供电源；电源电路由换能器驱动电源。在图11A所示的实施方案中，光源1108和光学检测器1112定向于相同的方形。图11B示出具有氧传感器或pH传感器的可移植装置的备选构造，并且光源1108和光学检测器1112朝向彼此定向。

在一些实施方案中，光学传感器用于测定血压或脉搏速率。例如光学传感器可以包含膜。由光源发出的光聚焦于膜上，并且膜反射光，其可以通过光学检测器检测。通过压力使膜变形，并且变形导致反射光改变。

在一些实施方案中，具有温度传感器的可移植装置包含小型化超声波换能器(例如体压电换能器，PMUT或CMUT)和温度传感器(例如与绝对温度成比例(PTAT)的电路，热电偶或热敏电阻)。在一些实施方案中，热敏电阻为负温度系数(NTC)热敏电阻。在一些实施方案中，热敏电阻为正温度系数(NTC)热敏电阻。在一些实施方案中，可移植装置进一步包含ASIC(其可任选地包含嵌段，例如CMOS嵌段或驱动器)，其可以与温度传感器集成或者分开。在一些实施方案中，ASIC包含数字电路，调制电路或电源电路；电源电路由换能器驱动电源。在一些实施方案中，可移植装置不包含ASIC。通过温度传感器呈递给换能器的阻抗取决于测量温度，其调制流动通过超声波换能器的电流。当流动通过超声波换能器的电流在外部收发器检测的超声背向散射中产生变化时，可以使用包含温度传感器的可移植装置测量温度。例如可以使用包含温度传感器的可移植装置，来监测例如在组织(例如癌症)消融(例如射频消融、微波热疗消融或冷冻消融)过程中受试对象中器官(例如肝脏，胃，小肠或大肠，肾，胰腺，胆囊，膀胱，卵巢，子宫，脾等)的温度。在一些实施方案中，所述的器官为植入的器官。在一些实施方案中，包含温度传感器的可移植装置用于监测感染位点的温度。在一些实施方案中，具有温度传感器的可移植装置能够处理在大约2℃或更低内的温度(例如在大约1℃或更低内、或者在大约0.5℃或更低内)。

图12A示出具有小型化超声波换能器1202(例如体压电换能器,PMUT或CMUT)以及温度传感器1204(例如PTAT电路或热敏电阻)的可移植装置的一个实施方案。问询器传输的超声波会振动小型化超声波换能器1202，其产生通过温度传感器1204电流。温度传感器1204根据传感器1204的温度产生电阻，其调制流动通过小型化超声波换能器1202的电流。由小型化超声波换能器1202传输至问询器的超声背向散射取决于传感器阻抗和所得的换能器电流的变化。因此，超声背向散射取决于温度传感器1204的温度，其可以用于测定周围组织的温度。

图12B示出具有小型化超声波换能器1206(例如体压电换能器，PMUT或CMUT),温度传感器1208(例如PTAT电路或热敏电阻),和ASIC 1210的可移植装置的实施方案。ASIC1210可以包含数字电路1212，其可以操作并接收由温度传感器1208得到的信号。数字电路1212还可以将由温度传感器1208得到的模拟信号转换成数字信号。数字电路1212操作调制电路1214(例如开关，例如FET)，其与小型化超声波换能器1206连接。数字电路1212可以将信号(数字信号或模拟信号)传输至调制电路1214，并且调制电路1214改变流至小型化超声波换能器1206的电流的阻抗。在一些实施方案中，数字电路1212计算温度传感器1208检测的温度，其在传输至调制电路1214的信号上编码。在一些实施方案中，数字电路1212将由温度传感器1208得到的原始信号传输至调制电路1214。小型化超声波换能器1206发射背向散射超声波，其编码温度信息。ASIC 1210还可以包含电源电路1216，其可以向ASIC的部件提供电源；并且电源电路由换能器驱动电源。可任选地，ASIC可以包含驱动器和/或前端(例如CMOS前端)，其可以用于控制和收集由温度传感器1208得到的信号。

在一些实施方案中，传感器为压力传感器。包含压力传感器的可移植装置可以用于例如监测血压,脉搏速率，组织炎症，血管收缩，间隔室综合征,胃肠道(GI)监测,伤口恢复,眼内压或颅压。可移植装置可以包含小型化超声波换能器(例如体压电换能器，PMUT或CMUT)和压力传感器。在一些实施方案中，可移植装置进一步包含ASIC(其可任选地包含前端，例如CMOS前端，或驱动器)空气可以与压力传感器集成或分开。在一些实施方案中，ASIC包含数字电路、调制电路或电源电路。在一些实施方案中，可移植装置不包含ASIC。压力传感器可以为例如微机电系统(MEMS)，其可以响应于施加的压力来调制电路(如果ASIC存在，其可以通过ASIC)。

图13A示出具有小型化超声波换能器1302(例如体压电换能器,PMUT或CMUT)和压力传感器1304(例如MEMS)的可移植装置的一个实施方案。由问询器传输的超声波振动小型化超声波换能器1302，其产生通过压力传感器1304的电路。压力传感器1304展现压力依赖性阻抗1304，其调制返回至小型化超声波换能器1302的电流。由小型化超声波换能器1302传输至问询器的超声背向散射取决于返回电流。因此，超声背向散射取决于由压力传感器1304传送的压力，其可以用于测定周围组织的压力。

图13B示出具有小型化超声波换能器1306(例如体压电换能器，PMUT或CMUT),压力传感器1308(例如MEMS)和ASIC 1310的可移植装置的实施方案。ASIC 1310可以包含数字电路1312，其可以操作并接收由压力传感器1308得到的信号。数字电路1312还可以将由压力传感器1308得到的模拟信号转换成数字信号。数字电路1312操作调制电路1314(例如开关，例如FET)，其与小型化超声波换能器1306连接。数字电路1312可以将信号(数字信号或模拟信号)传输至调制电路1314，并且调制电路1314改变呈递给小型化超声波换能器1306的阻抗。在一些实施方案中，数字电路1312计算压力传感器1308检测的压力，其在传输至调制电路1314的信号上编码。在一些实施方案中，数字电路1312将由压力传感器1208得到的原始信号传输至调制电路1314。小型化超声波换能器1306发射背向散射超声波，其编码压力信息。ASIC 1310还可以包含电源电路1316，其可以向ASIC的部件提供电源；并且电源电路由换能器驱动电源。可任选地，ASIC可以包含驱动器和/或前端(例如CMOS前端)，其可以用于控制和收集由压力传感器1308得到的信号。

在一些实施方案中，传感器为葡萄糖传感器。糖尿病为一种代谢疾病，其中血糖水平在较长的时间内升高，导致脱水、心血管损伤、神经损伤以及更多。目前，糖尿病没有治愈方法，并且患有糖尿病的那些人必须连续监测它们的血液葡萄糖的水平，这是因为小心地调节葡萄糖的状况可以控制糖尿病并发症。常规的葡萄糖监测是患者通过使用采血针(lancet)取出血液，并且将血液样品运行通过葡萄糖监测器来实施的。这对于患者而言是不愉快的，并且购买采血针和试纸可以是相当昂贵的，这是因为糖尿病患者必须每天6至7次监测他们的葡萄糖水平。葡萄糖监测的备选方法通过建立连续的葡萄糖监测器而试图解决重复的插针的问题，但是这些是更昂贵的并且仍需要插针，或者是非侵入性的但是不精确。在此，所述的可移植装置在连续的葡萄糖监测中发挥作用；其中背向散射受到葡萄糖氧化调制的长期移植的装置可以完全通过使用导电膏将问询器贴到肌体上而连续地进行葡萄糖监测。

已经使用诸如葡萄糖氧化酶之类的酶(以确保特异性)涂敷的电极，采用安培计测量实施电化学葡萄糖监测。不幸的是，此类装置往往具有低的装置寿命。市售买入的皮下连续葡萄糖监测器通常仅具有3-7天的寿命，这是因为在肌体温度下酶层的不稳定性。为了抵制这种情况，已经研发非酶类的探针，例如电位计化学传感器。不幸的是，这些装置失败的一个主要原因是简单地将外来体引入皮下组织中。外来体应答的问题类似于慢性神经界面移植中面临的挑战。本发明所述的可移植装置(例如在SiC中涂敷的可移植装置)提供有效的解决方法。

在一些实施方案中，可移植装置包含小型化超声波换能器(例如体压电换能器,PMUT或CMUT)，ASIC和葡萄糖传感器。葡萄糖传感器可以检测血液或细胞间液中的葡萄糖，并且由传感器流动的电流可以取决于传感器检测的葡萄糖的浓度。由小型化超声波换能器发射的背向散射超声波可以编码葡萄糖浓度信息。例如葡萄糖传感器可以具有第一电极和第二电极，并且可以基于传感器中葡萄糖的量，产生电压差。在一些实施方案中，第一电极被葡萄糖氧化酶功能化。在一些实施方案中，传感器包含葡萄糖渗透性膜，从而将电极与周围组织分开。在一些实施方案中，ASIC包含前端(例如CMOS前端)或驱动器。在一些实施方案中，ASIC包含数字电路、调制电路或电源电路。ASIC可以操作葡萄糖传感器，从而接收依赖于传感器中葡萄糖浓度的信号。例如循环伏安法可以用于产生依赖于葡萄糖浓度的电压，其通过AISC接收的信号所响应。在一些实施方案中，数字电路操作葡萄糖传感器。由葡萄糖传感器得到的信号被发送至调制电路(例如开关，例如FET)，从而调制呈递给小型化超声波换能器的阻抗。在一些实施方案中，数字电路控制调制电路。在一些实施方案中，数字电路可以向调制电路传输原始信号。在一些实施方案中，数字电路由葡萄糖传感器接收的原始信号测定葡萄糖的浓度，并且将信号发送至编码所测定的葡萄糖浓度的调制电路。

在一些实施方案中，传感器为应变传感器(或应变计)。应变传感器测量多少材料(例如组织或器官)与基线长度成比例地伸展。应变传感器可以包含例如薄膜导体或半导体(当其伸展时，可以改变电阻)。

可移植装置的制造

可移植装置可以通过将小型化超声波换能器(例如CMUT,PMUT或体压电换能器)附着在压电换能器的第一表面上的第一电极上并且将第二电极附着在压电换能器的第二表面上来制造，其中第一表面和第二表面为压电换能器的相对的侧面。第一电极和第二电极可以附着在专用集成电路(ASIC)上，其可以设置在印制电路板(PCB)上。将部件附着在PCB上可以包括焊线接合、焊接、倒装焊接或金隆起焊接。ASIC可以包含一个或多个传感器。

某些压电材料可以是市售可得的，例如厚度不同的金属化PZT片材(例如PSI-5A4E,Piezo Systems，Woburn,MA或PZT 841，APC Internationals，Mackeyville，PA)。在一些实施方案中，压电材料片材被切成所需的尺寸，并且切割的压电材料附着在电极上。在一些实施方案中，电极附着在压电材料片材上，并且压电材料片材被切成所需的尺寸，并且电极附着在压电材料上。可以使用具有陶瓷刀的切割锯切割压电材料，从而将压电材料片材切成单个的压电换能器。在一些实施方案中，激光切割机用于切割或分割(singulate)压电材料。在一些实施方案中，图案化蚀刻用于切割或分割压电材料。

电极可以附着在压电换能器的表面的顶部或底部，并且电极之间的距离定义为压电换能器的高度。示例性电极可以包含银、金、铂、铂黑、聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)、导电聚合物(例如导电PDMS或聚酰亚胺)或镍的一种或多种。在一些实施方案中，通过将电镀敷或将电极材料真空沉积在压电换能器的表面上使电极附着在压电换能器上。在一些实施方案中，使用合适的焊料和熔剂将电极焊接在压电换能器上。在一些实施方案中，使用环氧树脂(例如银环氧树脂)或低温焊接(例如通过使用焊膏)将电极附着在压电换能器上。

在示例性实施方案中，在ASIC附着在PCB上之前或之后，将焊膏施加在印制电路板(PCB)上的焊盘上。电路板上的焊盘的尺寸可以取决于所需的压电换能器的尺寸。仅仅为了举例，如果所需的压电换能器的尺寸为大约100mmx100mmx100mm，则焊盘可以为大约100mmx100mm。焊盘发挥用于可移植装置的第一电极的作用。压电材料(其可以大于焊盘)被放置在焊盘上，并且通过施加的焊膏保持在焊盘上，从而得到压电PCB组件。压电PCB组件经加热，使焊膏固化，由此将压电换能器粘结在PCB上。如果压电材料大于焊盘，则压电材料被切割成所需的尺寸，例如使用晶圆切割锯或激光切割机。压电材料的未粘结的部分(例如未重叠在焊盘上的压电材料的部分)被除去。第二电极附着在压电换能器和PCB上，例如通过在压电换能器的顶部和PCB之间形成焊线接合，其完成电路。使用由任何导电材料(例如铝、铜、银或金)制备的线形成焊线接合。

集成电路和小型化超声波换能器可以附着在PCB的相同侧面或者PCB的相对侧面。在一些实施方案中，PCB为挠性PCB，集成电路和超声波换能器附着在PCB的相同侧面，并且PCB被折叠，从而得到其中集成电路和超声波换能器在PCB的相对侧面的可移植装置。

可任选地，所述的装置或装置的一部分被封装在生物相容性材料(例如生物相容性聚合物)中，例如N-乙烯基-2-吡咯烷酮(NVP)和n-丁基甲基丙烯酸酯(BMA)的共聚物,聚二甲基硅氧烷(PDMS,例如Sylgard184,Dow Corning,Midland,MI),聚对二甲苯,聚酰亚胺,氮化硅,二氧化硅,氧化铝,铌,羟磷灰石或碳化硅。碳化硅可以为非晶碳化硅或晶体碳化硅。在一些实施方案中，生物相容性材料(例如非晶碳化硅)通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或溅射被施加到装置上。PECVD可以使用前体(例如SiH₄和CH₄)，从而生成碳化硅。在一些实施方案中，可移植装置或可移植装置的一部分被包装在适用于医学移植的陶瓷(例如氧化铝或二氧化钛)或金属(例如钢或钛)中。

图14示出生产本发明所述的可移植装置的示例性方法。在步骤1402中，ASIC附着在PCB上。焊料(例如银环氧树脂)可以施加在PCB(例如在设置于PCB上的第一焊盘)上，并且ASIC可以被放置在焊料上。例如通过加热具有ASIC的PCB可以使焊料固化。在一些实施方案中，具有ASIC的PCB被加热至大约50℃至大约200℃，例如大约80℃至大约170℃,或大约150℃。在一些实施方案中，具有ASIC的PCB被加热大约5分钟至大约600分钟，例如大约10分钟至大约300分钟,大约10分钟至大约100分钟,大约10分钟至大约60分钟,大约10分钟至大约30分钟,或者大约15分钟。可任选地，使用其他的焊料涂敷ASIC。在步骤1404中，压电换能器(图14中的“压电”)附着在PCB上。焊料(例如银环氧树脂)可以施加在PCB(例如在设置在PCB上的第二焊盘)上，并且压电材料可以被放置在焊料上。压电材料可以是完全成型(即，“切割的”)压电换能器，或者可以是压电材料片材，其一旦附着在PCB上，便被切割而形成压电换能器。例如可以通过加热具有压电材料的PCB来固化焊料。在一些实施方案中，具有压电材料的PCB被加热至大约50℃至大约200℃，例如大约80℃至大约170℃,或者大约150℃。在一些实施方案中，具有压电材料的PCB被加热大约5分钟至大约600分钟，例如大约10分钟至大约300分钟，大约10分钟至大约100分钟,大约10分钟至大约60分钟,大约10分钟至大约30分钟,或者大约15分钟。可以使用锯或激光切割机将压电材料切割成所需的维度。在一些实施方案中，压电材料为溶胶凝胶(例如PZT溶胶凝胶)，并且换能器材料可以使用深响应离子蚀刻(DRIE)成型。尽管图14示出在步骤1402中ASIC附着在PCB上，然后在步骤1404中压电材料附着在PCB上，但是本领域的技术人员应该理解的是ASIC和压电材料可以以任何顺序附着。在步骤1406中，ASIC和压电换能器焊线接合在PCB上。尽管图14所示的方法显示在ASIC和压电换能器附着在PCB上之后ASIC和压电换能器附着在PCB上，但是本领域的技术人员应该理解的是在ASIC附着在PCB上之后ASIC可以焊线接合在PCB上，并且可以在ASIC附着在压电换能器上之前或之后进行焊线接合。类似地，在ASIC附着或焊线接合在PCB上之前或之后，压电换能器可以焊线接合在PCB上。在步骤1408中，传感器附着在PCB上。传感器可以为本发明所述的任何传感器。可以将焊料(例如银环氧树脂)施加在PCB(例如设置在PCB上的第三焊盘)，并且传感器可以被放置在焊料上。例如可以通过加热具有传感器的PCB使焊料固化。在一些实施方案中，具有传感器的PCB被加热至大约50℃至大约200℃,例如大约80℃至大约170℃,或者大约150℃。在一些实施方案中，具有传感器的PCB被加热大约5分钟至大约600分钟，例如大约10分钟至大约300分钟,大约10分钟至大约100分钟,大约10分钟至大约60分钟,大约10分钟至大约30分钟,或者大约15分钟。尽管图14示出传感器是在压电换能器和ASIC附着在PCB上之后附着在PCB上的，但是本领域的技术人员应该理解的是，传感器可以在ASIC和压电换能器附着在PCB上之前或之后附着在PCB上。根据传感器的类型，传感器可以焊线接合在PCB上，其可以在传感器附着在PCB上之后进行，并且可以在压电换能器和/或ASIC焊线接合在PCB上之前或之后进行。在步骤1410中，使用生物相容性材料涂敷装置的至少一部分。优选地，使用生物相容性材料至少涂敷压电换能器和ASIC。在一些实施方案中，传感器尚未或者传感器的至少一部分尚未涂敷生物相容性材料。例如在一些实施方案中，传感器包含一对电极，其尚未被生物相容性材料涂敷，这使得电极可以检测生理学状况的变化。在一些实施方案中，生物相容性材料通过例如暴露于UV光或通过加热而固化。

在一些实施方案中，可移植装置被封装在非晶碳化硅(a-SiC)膜。图15示出制造封装于a-SiC膜中的可移植装置的方法。在步骤1502中，聚酰亚胺层被施加在光滑表面上。在步骤1504中，a-SiC层被施加在聚酰亚胺层上。这可以使用例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)(使用SiH₄和CH₄作为前体)实施。在步骤1506中，将一个或多个端口蚀刻在a-SiC层中。在一些实施方案中，端口也被蚀刻在聚酰亚胺层中。端口为未被a-SiC封装在可移植装置的部分(例如传感器的部分或者在移植后与组织、血液或细胞间液接触的电极)提供入口。在一些实施方案中，蚀刻包含响应离子蚀刻。在步骤1508中，可移植装置附着在a-SiC层上。可移植装置可以蚀刻至a-SiC层中之前预组装，或者可以建立在a-SiC上。在一些实施方案中，印制电路板上(PCB),小型化超声波换能器和传感器附着在a-SiC层上。小型化超声波换能器和传感器不必与a-SiC层直接接触，这是因为它们可以附着在PCB上。小型化超声波换能器和传感器附着在PCB上可以在PCB附着在a-SiC层上之前或之后发生。在一些实施方案中，小型化超声波换能器和传感器附着在PCB上包括小型化超声波换能器和传感器焊线接合在PCB上。在一些实施方案中，传感器包含与蚀刻到a-SiC层中的端口接口的部分。在一些实施方案中，ASIC附着在PCB上，其可以在PCB附着在a-SiC层上之前后之后发生。在步骤1510中，使用a-SiC层涂敷可移植装置的暴露的部分。在一些实施方案中，使用PECVD，使用a-SiC涂敷可移植装置的暴露的部分。在步骤1512中，封装的可移植装置是浮凸的，由此由SiC层上释放可移植装置。

示例性实施方案

实施方案1.一种可移植装置，其包含：

传感器，其被构造用于检测分析物、pH、温度、应变或压力的量；以及

在最长的维度上长度为大约5mm或更低的超声波换能器，其被构造用于基于所述的传感器检测的所述的分析物的量、pH、温度或压力而调制的电流，并且基于所述的接收的电流发射超声背向散射。

实施方案2.实施方案1所述的可移植装置，其中所述的超声波换能器被构造用于接收为所述的可移植装置提供电源的超声波。

实施方案3.实施方案1所述的可移植装置，其中所述的超声波换能器被构造用于由问询器接收超声波，其中所述的问询器包含一个或多个超声波换能器。

实施方案4.实施方案1-3的任意一项所述的可移植装置，其中所述的超声波换能器为体压电换能器。

实施方案5.实施方案4所述的可移植装置，其中所述的体超声波换能器为大致的立方体。

实施方案6.实施方案1-5的任意一项所述的可移植装置，其中所述的超声波换能器为压电微加工超声波换能器(PMUT)或电容式微加工超声波换能器(CMUT)。

实施方案7.实施方案1-6的任意一项所述的可移植装置，其中所述的可移植装置在最长的维度上的长度为大约5mm或更小。

实施方案8.实施方案1-7的任意一项所述的可移植装置，其中所述的可移植装置的体积为大约5mm³或更小。

实施方案9.实施方案1-8的任意一项所述的可移植装置，其中所述的可移植装置的体积为大约3mm³或更小。

实施方案10.实施方案1-9的任意一项所述的可移植装置，其中所述的可移植装置被移植到受试对象中。

实施方案11.实施方案10所述的可移植装置，其中所述的受试对象为动物。

实施方案12.实施方案10或11所述的可移植装置，其中所述的受试对象为人类。

实施方案13.实施方案10所述的可移植装置，其中所述的受试对象为植物。

实施方案14.实施方案1-3的任意一项所述的可移植装置，其中所述的传感器检测所述的分析物或pH的量。

实施方案15.实施方案14所述的可移植装置，其中所述的传感器为光学传感器。

实施方案16.实施方案15所述的可移植装置，其中所述的传感器包含光源和光学检测器。

实施方案17.实施方案15或16所述的可移植装置，其中所述的光学传感器检测血压或脉搏。

实施方案18.实施方案15或16所述的可移植装置，其中所述的光学传感器包含含有荧光团的基质，并且其中所述的荧光团的荧光强度或荧光寿命取决于所述的分析物的量。

实施方案19.实施方案15、16或18的任意一项所述的可移植装置，其中所述的传感器检测pH或氧。

实施方案20.实施方案15或16所述的可移植装置，其中所述的光学传感器被构造用于实施近红外光谱法。

实施方案21.实施方案20所述的可移植装置，其中所述的传感器检测葡萄糖。

实施方案22.实施方案16-21的任意一项所述的可移植装置，其中所述的光学传感器包含在所述的光源或所述的光学检测器上的光学滤波器。

实施方案23.实施方案16-22的任意一项所述的可移植装置，其中所述的光学传感器包含所述的光源或所述的光学检测器上的光学滤波器。

实施方案24.实施方案1-13的任意一项所述的可移植装置，其中所述的传感器为电位计化学传感器。

实施方案25.实施方案1-13的任意一项所述的可移植装置，其中所述的传感器为安培计化学传感器。

实施方案26.实施方案24或25所述的可移植装置，其中所述的传感器检测氧、pH或葡萄糖。

实施方案27.实施方案1-13的任意一项所述的可移植装置，其中所述的传感器为温度传感器。

实施方案28.实施方案27所述的可移植装置，其中所述的温度传感器为热敏电阻、热电偶或绝对温度成比例(PTAT)的电路。

实施方案29.实施方案1-13的任意一项所述的可移植装置，其中所述的可移植装置包含体压电超声波换能器和热敏电阻。

实施方案30.实施方案1所述的可移植装置，其中所述的传感器为压力传感器。

实施方案31.实施方案30所述的可移植装置，其中所述的压力传感器为微机电系统(MEMS)传感器。

实施方案32.实施方案30或31所述的可移植装置，其中所述的可移植装置被构造用于测量血压或脉搏。

实施方案33.实施方案1-32的任意一项所述的可移植装置，其中所述的可移植装置进一步包含集成电路。

实施方案34.实施方案33所述的可移植装置，其中所述的集成电路包含电源电路。

实施方案35.实施方案33或34所述的可移植装置，其中所述的集成电路包含被构造用于向所述的传感器提供电流的驱动器。

实施方案36.实施方案33-35的任意一项所述的可移植装置，其中所述的集成电路包含被构造用于向一个或多个光源提供电流的驱动器。

实施方案37.实施方案34-36的任意一项所述的可移植装置，其中所述的集成电路包含被构造用于由所述的传感器接收信号的前端。

实施方案38.实施方案34-37的任意一项所述的可移植装置，其中所述的集成电路包含被构造用于由光检测器接收信号的前端。

实施方案39.实施方案37或38所述的可移植装置，其中所述的前端为CMOS前端。

实施方案40.实施方案33-39的任意一项所述的可移植装置，其中所述的集成电路包含含有开关的调制电路。

实施方案41.实施方案40所述的可移植装置，其中所述的开关包含场效应晶体管(FET)。

实施方案42.实施方案33-41的任意一项所述的可移植装置，其中所述的集成电路包含模拟数字转换器(ADC)。

实施方案43.实施方案33-42的任意一项所述的可移植装置，其中所述的集成电路包含数字电路。

实施方案44.实施方案43所述的可移植装置，其中所述的数字电路被构造用于操作调制电路。

实施方案45.实施方案43或44所述的可移植装置，其中所述的数字电路被构造用于将数字化的信号传输至所述的调制电路，其中所述的数字化的信号是基于所述的分析物、所述的温度或所述的压力的检测量。

实施方案46.实施方案1-45的任意一项所述的可移植装置，其中所述的移植的装置至少部分被生物相容性材料封装。

实施方案47.实施方案46所述的移植的装置，其中所述的生物相容性材料为N-乙烯基-2-吡咯烷酮(NVP)和n-丁基甲基丙烯酸酯(BMA)的共聚物，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚对二甲苯,聚酰亚胺,氮化硅,二氧化硅,氧化铝,铌,羟磷灰石,碳化硅,二氧化钛,钢或钛。

实施方案48.实施方案46所述的移植的装置，其中所述的生物相容性材料包含陶瓷或金属。

实施方案49.实施方案1-48的任意一项所述的可移植装置，其中所述的可移植装置进一步包含无响应性反射器。

实施方案50.实施方案1-49的任意一项所述的可移植装置，其中所述的可移植装置包含两个或多个传感器。

实施方案51.一种系统，其包含根据实施方案1-50的任意一项所述的一个或多个可移植装置，以及包含一个或多个超声波换能器的问询器，其中所述的超声波换能器被构造用于将超声波传输至所述的一个或多个可移植装置，或者由所述的一个或多个可移植装置接收超声背向散射。

实施方案52.实施方案51所述的系统，其中所述的问询器包含被构造用于传输超声波的第一超声波换能器以及被构造用于由所述的一个或多个可移植装置接收超声背向散射的第二超声波换能器。

实施方案53.实施方案51或52所述的系统，其中所述的问询器包含两个或更多的分开的问询器装置，其中第一问询器装置被构造用于将超声波传输至所述的一个或多个可移植装置，并且第二问询器装置被构造用于由所述的一个或多个可移植装置接收超声背向散射。

实施方案54.实施方案51-53的任意一项所述的系统，其中所述的问询器包含两个或更多的超声波换能器阵列，其中每个换能器阵列包含两个或更多的超声波换能器。

实施方案55.实施方案51-54的任意一项所述的系统，其中所述的一个或多个超声波换能器的至少一个被构造用于备选地将超声波传输至所述的一个或多个可移植装置，或者由所述的一个或多个可移植装置接收超声背向散射，其中所述的换能器的构造是通过所述的问询器上的开关控制的。

实施方案56.实施方案51-55的任意一项所述的系统，其中所述的系统包含多个可移植装置。

实施方案57.实施方案56所述的系统，其中所述的问询器被构造用于波束操纵传输的超声波，从而备选地使所述的传输的超声波聚焦在所述的多个可移植装置的第一部分上，或者将所述的传输的超声波聚焦在所述的多个可移植装置的第二部分上。

实施方案58.实施方案56所述的系统，其中所述的问询器被构造用于与至少两个可移植装置同时接收超声背向散射。

实施方案59.实施方案56所述的系统，其中所述的问询器被构造用于将超声波传送至所述的多个可移植装置，或者使用时分多路法由所述的多个可移植装置接收超声背向散射。

实施方案60.实施方案56所述的系统，其中所述的问询器被构造用于将超声波传送至所述的多个可移植装置，或者使用空间多路法由所述的多个可移植装置接收超声背向散射。

实施方案62.实施方案56所述的系统，其中所述的问询器被构造用于将超声波传送至所述的多个可移植装置，或者使用频率多路法由所述的多个可移植装置接收超声背向散射。

实施方案63.实施方案51-62的任意一项所述的系统，其中所述的问询器被构造成受试对象可佩带的。

实施方案64.一种检测分析物、pH、温度或压力的量的方法，其包括：

接收超声波，该超声波为一个或多个可移植装置提供电源，其中所述的可移植装置包含在最长的维度上长度为大约5mm或更小的超声波换能器；

将由所述的超声波得到的能量转换成电流；

将所述的电流传输至传感器，所述的传感器被构造用于测量所述的分析物、所述的pH、所述的温度或所述的压力的量；

基于所述的分析物、pH、温度或压力的测量的量，调制所述的电流；

将所述的调制的电流转换成超声背向散射，其编码所述的分析物、pH、温度或压力的测量的量；以及

将所述的超声背向散射发射至包含一个或多个换能器的问询器，其中所述的换能器被构造用于接收所述的超声背向散射。

实施方案65.一种检测分析物、pH、温度或压力的量的方法，其包括：

接收超声波，该超声波为一个或多个可移植装置提供电源，其中所述的可移植装置包含在最长的维度上长度为大约5mm或更小的超声波换能器；

将由所述的超声波得到的能量转换成电流；

使用传感器测量所述的分析物、所述的pH、所述的温度或所述的压力的量；

基于所述的分析物、pH、温度或压力的测量的量，调制所述的电流；

将所述的调制的电流转换成超声背向散射，其编码所述的分析物、pH、温度或压力的测量的量；以及

将所述的超声背向散射发射至包含一个或多个换能器的问询器，其中所述的换能器被构造用于接收所述的超声背向散射。

实施方案66.实施方案64或65的方法，其进一步包括使用所述的问询器接收所述的超声背向散射。

实施方案67.实施方案64-66的任意一项所述的方法，其进一步包括使用所述的问询器传输所述的超声波，其中所述的问询器被构造用于传输所述的超声波。

实施方案68.实施方案67所述的方法，其中所述的超声波以两个或更高的脉冲传输。

实施方案69.实施方案64-68的任意一项所述的方法，其包括分析所述的超声背向散射，从而测定所述的分析物、pH、温度或压力的测量的量。

实施方案70.实施方案64-69的任意一项所述的方法，其中所述的方法包括测量所述的分析物或pH的量。

实施方案71.实施方案64-70的任意一项所述的方法，其中所述的方法包括测量氧或pH的量。

实施方案72.实施方案64-71的任意一项所述的方法，其中所述的方法包括监测组织氧水平。

实施方案73.实施方案72所述的方法，其中所述的一个或多个可移植装置被移植在血管、移植的器官或肿瘤上、内部或附近。

实施方案74.实施方案64-73的任意一项所述的方法，其包括发射光，并检测荧光强度或荧光寿命，其中所述的荧光强度或荧光寿命取决于所述的分析物或所述的pH的量。

实施方案75.实施方案74所述的方法，其包括测定振荡发射光与检测的荧光之间的移相，其中所述的移相取决于所述的分析物或所述的pH的量。

实施方案76.实施方案74或75所述的方法，其包括对由脉动的或振荡发射光得到的检测的荧光，测定荧光的寿命。

实施方案77.实施方案64-70的任意一项所述的方法，其中所述的方法包括测量葡萄糖的量。

实施方案78.实施方案64-69的任意一项所述的方法，其包括测量所述的温度。

实施方案79.实施方案78所述的方法，其中所述的一个或多个可移植装置被移植到血管、移植的器官或肿瘤上、内部或附近。

实施方案80.实施方案78或79所述的方法，其包括监测感染器官或位点的温度。

实施方案81.实施方案64-69的任意一项所述的方法，其包括测量所述的压力。

实施方案82.实施方案81所述的方法，其包括测量脉搏速率或血压。

实施方案83.实施方案64-82的任意一项所述的方法，其包括测定所述的一个或多个可移植装置的相对位置。

实施方案84.实施方案53-83的任意一项所述的方法，其包括监测所述的一个或多个可移植装置的角度或侧向移动。

实施方案85.实施方案84所述的方法，其包括分析所述的超声背向散射，从而测定所述的分析物、所述的温度或所述的压力的测量的量，其中所述的分析包括说明所述的可移植装置的角度或侧向移动。

实施方案86.实施方案64-85的任意一项所述的方法，其包括将所述的可移植装置移植到受试对象中。

实施方案87.实施方案86所述的方法，其中所述的受试对象为动物。

实施方案88.实施方案86或87所述的方法，其中所述的受试对象为人类。

实施方案89.实施方案86所述的方法，其中所述的受试对象为植物。

实施方案90.实施方案64-89的任意一项所述的方法，其中所述的超声背向散射编码数字化信号。

实施方案91.实施方案64-90的任意一项所述的方法，其包括接收所述的超声背向散射。

实施方案92.实施方案91所述的方法，其中所述的超声背向散射是由多个可移植装置接收的。

实施方案93.实施方案92所述的方法，其中所述的超声背向散射是使用时分多路法由所述的多个可移植装置接收的。

实施方案94.实施方案92所述的方法，其中所述的超声背向散射是使用空间多路法由所述的多个可移植装置接收的。

实施方案95.实施方案92所述的方法，其中所述的超声背向散射是使用频率多路法由所述的多个可移植装置接收的。

实施方案96.一种医学系统，其包含：

超声波收发器，其被构造用于在可调节的至少一个频率、振幅、相和占空比下产生超声波问询脉冲，并且接收由传输的超声波问询脉冲产生的超声背向散射；以及

可移植装置，其包含引线(引线)，从而传感肌体状况；以及电路，其反射接收的超声波问询脉冲，该脉冲是基于所述的引线传感的肌体状况而调制的。

实施方案97.实施方案96所述的医学系统，其中所述的超声波收发器是可移植的，并且进一步被构造用于与外部收发器无线通讯。

实施方案98.实施方案96-97的任意一项所述的医学系统，其中所述的产生的超声波问询脉冲的频率、振幅、相和占空比的至少一者是基于超声波收发器和所述的可移植装置之间的测定距离而可调节的设定。

实施方案99.实施方案98所述的医学系统，其中频率、振幅、相和占空比的至少一者相当于在适当考虑超声波收发器与所述的可移植装置之间的测定距离后，超声波传输的聚焦长度。

实施方案100.实施方案98-99的任意一项所述的医学系统，其中所述的系统被构造用于测定超声波收发器之间的距离。

实施方案101.实施方案97-100的任意一项所述的医学系统，其中所述的距离测定是通过外部收发器进行的。

实施方案102.一种医学系统，其包含：

超声波收发器，其被构造用于产生超声波问询脉冲，并且接收由传输的超声波问询脉冲产生的超声背向散射；以及

可移植装置，其包含引线，从而传感生物学状况；至少一个响应性区域，其对所述的引线传感器的传感生物学状况产生响应；以及至少一个无响应性区域，其对所述的传感生物学状况无响应，所述的可移植装置反射接收的超声波问询脉冲，从而产生特定的脉冲特征，其中所述的特征的至少一部分相当于所述的至少一个响应性区域，并且所述的特征的至少一个其他的部分相当于所述的至少一个无响应性区域。

实施方案103.实施方案102所述的医学系统，其中所述的系统包含多个所述的可移植装置，其具有所述的响应性或无响应性区域的不同构造，从而产生不同的脉冲特征。

实施方案104.实施方案103所述的医学系统，其中所述的脉冲特征被所述的系统用于测定产生超声波反射的所述的可移植装置的标识。

实施方案105.一种医学系统，其包含：

超声波收发器，其包含换能器阵列，每个换能器被构造用于产生超声波问询脉冲，每个换能器包含微机械化结构和体压电晶体的一种，所述的收发器进一步被构造用于接收由传输的超声波问询脉冲产生的超声背向散射；以及

多个可移植装置，每个可移植装置包含引线，从而传感肌体状况；以及电路，其反射接收的超声波问询脉冲，该脉冲是基于所述的引线传感的肌体状况而调制的。

实施方案106.实施方案105所述的医学系统，其中所述的超声波收发器操纵由所述的换能器产生的超声波束。

实施方案107.实施方案105或106的任意一项所述的医学系统，其中所述的超声波收发器和所述的多个可移植装置之间的通讯使用时分多路法。

实施方案108.实施方案105或106的任意一项所述的医学系统，其中所述的超声波收发器和所述的多个可移植装置之间的通讯使用空间多路法。

实施方案109.实施方案105或106的任意一项所述的医学系统，其中所述的超声波收发器和所述的多个可移植装置之间的通讯使用频率多路法。

实施方案110.一种内部肌体状况传感系统，其包含：

超声波收发器，其被构造用于产生超声波传输，并且接收由产生的超声波传输产生的超声背向散射；以及

肌体可移植装置，其包含光学传感器，从而传感内部肌体生物学状况，并且包含超声背向散射通讯系统，从而调制反射的超声背向散射通讯信息，其指示所述的内部肌体生物学状况。

实施方案111.实施方案110所述的内部肌体生物学状况传感系统，其中所述的肌体可移植装置另外包含光学发射器。

实施方案112.实施方案110所述的内部肌体生物学状况传感系统，其中所述的光学传感器被构造用于测量组织氧水平。

实施方案113.实施方案110或111的任意一项所述的内部肌体生物学状况传感系统，其中所述的光学传感器被构造用于实施近红外光谱法。

实施方案114.实施方案110所述的内部肌体生物学状况传感系统，其中所述的光学传感器被构造用于测量血液分析物。

实施方案115.实施方案113所述的内部肌体生物学状况传感系统，其中所述的分析物为葡萄糖。

实施方案116.实施方案113所述的内部肌体生物学状况传感系统，其中所述的分析物为pH。

实施方案117.实施方案110所述的内部肌体生物学状况传感系统，其中所述的光学传感器被构造用于测量血压。

实施方案118.一种传感内部肌体生物学状况的方法，其包括：

在所关注的位置移植肌体可移植装置，该可移植装置包含光学传感器，从而传感内部肌体生物学状况，所述的肌体可移植装置进一步包含用于调制反射的生物学状况的超声背向散射通讯系统；以及

使用超声波收发器，问询所述的肌体可移植装置，从而获得指示所述的传感的内部生物学状况的信息，其中所述的超声波收发器被构造用于产生超声波传输，并且接收由产生的超声波传输产生的超声背向散射。

实施方案119.实施方案118所述的方法，其中所述的光学传感器被构造用于测量组织氧水平。

实施方案120.实施方案118所述的方法，其中所述的肌体可移植装置被移植到肿瘤的位置或附近，从而监测肿瘤氧化。

实施方案121.实施方案118所述的方法，其中多个所述的肌体可移植装置被移植在所述的脑的多个位置，并且所述的方法进一步包括具有信息的功能性脑成像，其中所述的信息指示所述的脑的传感的内部生物学状况。

实施方案122.实施方案118所述的方法，其中所述的光学传感器被构造用于测量血液分析物。

实施方案123.实施方案122所述的方法，其中所述的分析物为葡萄糖。

实施方案124.实施方案123所述的方法，其中所述的分析物为pH。

实施方案125.实施方案118所述的方法，其中所述的光学传感器被构造用于测量血压。

实施方案126.一种内部肌体状况传感系统，其包含：

超声波收发器，其被构造用于产生超声波传输，并且接收由产生的超声波传输产生的超声背向散射；以及

肌体可移植装置，其包含压力传感器，从而传感内部肌体生物学状况，并且包含超声背向散射通讯系统，从而调制反射的超声背向散射通讯信息，其指示所述的内部肌体生物学状况。

实施方案127.一种内部肌体状况传感系统，其包含：

超声波收发器，其由产生的超声波传输产生；以及

肌体可移植装置，其包含温度传感器，从而传感内部肌体生物学状况，并且包含超声背向散射通讯系统，从而调制反射的超声背向散射通讯信息，其指示所述的内部肌体生物学状况。

实施方案128.一种内部肌体状况传感系统，其包含：

超声波收发器，其被构造用于产生超声波传输，并且接收由产生的超声波传输产生的超声背向散射；以及

肌体可移植装置，其包含电位计化学传感器，从而传感内部肌体生物学状况，并且包含超声背向散射通讯系统，从而调制反射的超声背向散射通讯信息，其指示所述的内部肌体生物学状况。

实施方案129.一种内部肌体状况传感系统，其包含：

超声波收发器，其被构造用于产生超声波传输，并且接收由产生的超声波传输产生的超声背向散射；以及

肌体可移植装置，其包含安培计化学传感器，从而传感内部肌体生物学状况，并且包含超声背向散射通讯系统，从而调制反射的超声背向散射通讯信息，其指示所述的内部肌体生物学状况。

实施例

实施例1—可移植装置的制造

简而言之，可移植装置的组装步骤如下：

1.将ASIC附着在PCB上。

2.ASIC端口与PCB形成焊线接合。

3.将压电元件附着在PCB上。

4.将压电元件端口与PCB形成焊线接合。

5.除了记录电极，将整个装置封装。

ASIC测量为450μmx500μmx500pm，并且由Taiwan Semiconductor ManufacturingCompany's 65nm工艺制造。每个芯片都包含2个晶体管，并且每个晶体管都具有5个端口：源极、汲极、栅极、中心和基极。每个FET都使用相同的基极，这样基极焊盘可以结合晶体管，但是这些晶体管不同之处在于填满顶排的晶体管不包含电阻偏压网络，而填充底排的晶体管包含电阻偏压网络。芯片另外包含用于电镀敷的更小的焊盘。相同的工艺可以用于ASIC，并且具有更复杂的电路，并由此具有更大的焊盘。这些焊盘未用于本实施例中。3种FET送交制造：

模片1：长通道FET，并且阈值电压为500mV

模片2：短通道FET，并且阈值电压为500mV

模片3：天然FET，并且阈值电压为0mV

使用特别设计的CMOS特性板，测量这些FET的电气特性的确认，其中所述的CMOS特性板包含一组焊盘作为焊线接合的目标，以及第二组焊盘(其中焊线接合焊接在该焊盘上)。数字源表(2400Sourcemeter，Keithley Instruments，Cleveland，OH)用于向FET供入V_DS，并测量I_DS。可调节的电源供入(E3631A，Agilent，Santa Clara，CA)用于调制V_GS，并获得FET的I-V特性。连续测量用于类型2模片的非特性IV曲线，并且在阻抗测量时，发现模片2s的短通道使得FET短路(short out)。

压电元件为锆钛酸铅(PZT)。其以圆盘状购自APC International，并使用具有陶瓷刀(PN CX-010-'270-080-H)的晶圆锯(DAD3240，Disco,Santa Clara,CA)将其切成750μmx750μmx750μm立方体。选择这种灰尘尺寸，这是因为其使功率转换效率最大。对于更多的细节，参见Seo等人的Neural dust:an ultrasonic，low power solution for chronicbrain-machine interfaces，arXiv:1307.2196v1(July 8，2013)。

可移植装置基材将ASIC与压电元件和记录电极集成在一起。第一版本的可移植装置使用购自The Boardworks(Oakland，CA)的定制设计的PCB作为基材。PCB由FR-4制成，并且厚度为30密尔(大约0.762mm)。板的维度为3mmx1mm。这种设计是首次尝试集成的通讯和传感平台，因此选择焊盘尺寸和间距，从而在高成本下有利于组件。为了保护PCB固定部分(real-estate)，PCB的每个表面都包含用于压电元件或ASIC的焊盘，以及与PCB的各个连接。此外，两个记录焊盘被放置在板的ASIC表面上。所有暴露的电极都使用ENIG通过TheBoardworks电镀敷。用于坐落ASIC的焊盘为500μmx500μm，选择该尺寸以适应模片的尺寸。焊线接合目标焊盘的尺寸选择为200μmx200μm，并且与模片边缘间距大约200μm，从而给出用于焊线接合的足够的空隙(下文讨论)。电极尺寸和间距变化，并且凭经验优化。

在可移植装置的第二次重复中，解决3个主要的关注：1)尺寸；2)焊线接合的方便情况；3(移植/通讯)。首先，为了降低板厚度，使用2密尔(大约50.8mm)厚的聚酰亚胺挠性PCB(AltaFlex,Santa Clara,CA)替代FR-4基材，并且使ASIC(Grinding and DicingServices Inc.,San Jose,CA)变薄至100μm。为了促进焊接，将ASIC和PZT试样移至相同的侧面，并且仅记录电极在基材的背侧。尽管将ASIC和PZT试样放置在板的相同侧面上不会对基材尺寸可以减小多少产生限制，但是电极之间的间距限制板的长度为至少2mm。为了推动最小化的努力，ASIC焊接焊盘减小至100μmx100μm，而且焊接焊盘与ASIC本身之间的200μm间距必须保持，从而提供用于焊线接合的空间。用于PZT试样的附着焊盘还会收缩，并且被放置在接近板的边缘，理论上，PZT试样不必完整坐落在板上，而且可以悬挂在其上。此外，焊盘相对于ASIC的位置也被修改以促进焊接。在原始的设计中，焊接焊盘布置在两个链接焊线接合交叉所需的ASIC的周围。这是不可行的，而且极难以避免焊盘短路。因此，焊盘布置改变，使得焊接为相对直的路径。最后，在动物试验中，发现可移植装置很难以对齐。为了克服这种情况，加入4条延伸出板的1英寸试验引线，其中的两条与源极直接里阿尼额，并且测量用于收获电源的装置的汲极，并使用其作为对齐基质。其他的两个引线与门极和中心端口连接，从而获得地面真实信号。为了避免那根引线属于哪个端口的混乱，给出具有独特的几何形状的通孔。参见图16A。

具有一些担心：如果在试验引线上施加力，试验引线可能容易断裂，或者容易替代尘埃。因此，设计具有蛇纹形跟踪构造的版本。蛇纹形跟踪构造(图16B)通常用于使相互连接是可变形的，这是因为它们的结构使得它们可以“折叠”。概念而言，蛇纹形跟踪构造设计可以通过连接器光束通过一系列悬臂。

与所呈现的设计一起，还设计并组装使用基材的两个侧面的小型化版本的可移植装置。在这种设计中，板测量为大约1.5mmx0.6mmxl mm。由于板的小型化，所以5密尔的银线“尾部”附着在用于记录的装置上。这种版本未在体内测试。

使用粘附剂将ASIC和PZT试样附着在PCB基材上。选择粘合剂主要关注3方面：1)粘合剂必须将ASIC和PZT固定得足够紧，使得由焊线接合得到的超声波电源捕获振动部件；2)由于部件/基材焊盘的亚毫米规格和间距，所以以相对精确的方式使用粘合剂；以及3)粘合剂必须是导电的。

使用低温固化焊膏将ASIC和切割的PZT最初附着在PCB基材上。焊膏由在熔剂中悬浮为球体的粉末金属焊料构成。当加热时，焊料球开始融化并融合在一起。但是，发现焊膏固化通常在回流中转化或旋转PZT试样或尘埃。这对PZT对齐和粉末收获提出问题，以及对焊线接合提出问题(这是因为焊接焊盘不在适当地定位于芯片上)。但是，发现双组份银环氧树脂(其简单地由悬浮于环氧树脂中的银颗粒构成)能够固化，而无需使芯片或PZT试样复位。因此，使用双组份导电银环氧树脂(H20E,Epotek,Billerica,MA)将ASIC和切割的PZT粘贴在PCB上。然后，使用Kapton胶带(Polyimide Film Tape 5413,3M,St.Paul,MN)将PCB固定在载玻片上，并将其放置于150℃的对流恒温烤箱15分钟，从而使环氧树脂固化。尽管更高的温度会产生更快的固化(图17)，但是需要小心以避免将PZT加热至160℃以上(PZT的居里温度的一半)。将PZT加热至更高的温度会产生使PZT除极化的风险。发现150℃固化对CMOS性能不产生影响。

使用超声楔焊机(740DB,West Bond,Scotts Valley,CA)，通过焊线接合1密尔Al线在PZT的顶部与PCB以及ASIC与PCB之间形成连接；在这种焊接方法中，Al线穿过焊头的楔块，并且超声波能量“擦过”基材的Al线，从而通过摩擦产生热。这种热导致两种材料被焊接在一起。

与ASIC形成焊线接合对避免短路提出挑战(由于CMOS焊盘的尺寸和焊线接合的座的尺寸)。该温度由于焊线接合目标定位于第一版本的可移植装置板上而减轻，其迫使两个焊线接合的座被放置在ASIC焊盘的较小的宽度上而不是长度上。尽管更细的金线可用于焊接，但是金与楔焊机难以热声焊接使得其实际上不能使用金线与该设备焊接。此外，为了有效的焊线接合，重要的是具有扁平的且固定的基材；因此，我们在板的不同侧面上具有ASIC和PZT的最初设计在我们第一版本的可移植板中在焊线接合工艺中经常产生麻烦。因此，在第二次重复的可移植装置(将ASIC和PZT移到相同的侧面，将焊盘复位，从而为焊线接合目标提供直的路径)中进行的基材设计选择极大地改善了焊线接合的产率。

最后，因为使用超声波焊机，所以发现，PZT的焊接导致一旦PZT完全焊接在基材上，电荷的建立便破坏芯片。为了避免这种情况，装置的源极和汲极测试引线对大地直接放电，然后与PZT形成焊线接合。

可移植组件的最后步骤是封装。该步骤取得2个目标：1)使PZT、焊接焊盘和ASIC与水性环境绝缘；以及2)保护ASIC/PZT试样与PCB之间的焊线接合。同时，必须采用一些方法除去或防止密封剂覆盖记录电极。此外，密封剂不能妨碍装置移植。最后，尽管是不重要的，但是所关注的是选择光学透明的密封剂，从而如果在封装过程中发生一些损害，则可以针对物理缺陷检查该装置。

使用的第一密封剂为Crystalbond(509',SPI Supplies,West Chester,PA)。Crystalbond为一种粘合剂，其在室温下为固体，但是在71℃下开始变软，并且在121℃下熔化成粘性液体。在由Crystalbond除去热时，其在几分钟内再次固化，从而可以良好的控制。为了封装可移植装置，使用剃刀刮掉一小片Crystalbond，并将其直接放置在装置上。然后使用电炉加热所述的板，当温度首先达到大约70℃时，小片开始变形，然后缓慢地升高温度，直至Crystalbond完全变成液体。一旦Crystalbond液滴的边缘蔓延过最远的焊线接合，但是为蔓过记录焊盘，则关闭电炉，并且将所述的板快速由电炉上移除至冷的卡盘，在此Crystalbond再次固化。

尽管Crystalbond是有效的，但是发现UV可固化环氧化物给了我们更好的选择性和生物相容性，以及快速固化。首先，测试光可固化丙烯酸树脂(3526,Loctite,Dusseldorf；Germany)，其在暴露于紫外光时固化。使用缝纫针作为涂敷器，从而得到高的精确性，并且在405nm激光点下2分钟，环氧树脂固化。这种环氧树脂良好起效，但是不是医学级的，因此不适用于生物学移植。由此，尝试医学级UV可固化环氧树脂(OG116-31,EPO-TEK,Billercia,MA)。环氧树脂在UV室(Flash,Asiga,Anaheim Hills,CA)中在365nm、92mW/cm²下5分钟内固化。尽管这种环氧树脂比Loctite环氧树脂粘性稍低，但是再次使用缝纫针作为涂敷器可以选择性的封装。关于用于焊线接合的绝缘器和保护机制，环氧树脂是极其有效的，但是发现在水中延长浸没时会渗漏(～1小时)。第二医学级环氧树脂(探查其稳定性长达1年)也被考虑(301-2,EPO-TEK,Billerica,MA)，但是发现不具有足够的粘性并且需要烤箱烘烤用于固化。尽管UV环氧树脂具有不稳定性，但是使用期间适用于急性体内试验。

为了改善密封剂的稳定性，还考虑聚对二甲苯-C作为封装材料。聚对二甲苯-C为FDA批准的生物相容性聚合物，其是化学和生物学惰性的，是良好的屏障和电绝缘体，并且在蒸气沉积时，是极其顺应的。聚对二甲苯-C的蒸气沉积是通过在高于150℃的温度下使聚对二甲苯-C二聚体粉末蒸发而取得的。然后在690℃下加热聚对二甲苯-C二聚体蒸气，从而发生高温分解，切割聚对二甲苯-C二聚体，形成单体。随后，单体充满所述的室，该室被保持在室温下。一旦单体与任何表面接触，则其几乎立即聚合。对于所有装置而言，使用聚对二甲苯沉积系统(SCS Labcoter 2ParyleneDeposition System,Specialty CoatingSystems,Indianapolis,IN)沉积聚对二甲苯-C，其中参数如表1所示。注意，所述的表表明室仪表温度为135℃。这不同于实际室温度；而且，室仪表简单地为工艺室的真空仪表。重要的是，将温度保持为至少135℃，从而防止聚对二甲苯沉积在仪表上。对于第一批FR-4板而言，通过使用Kapton胶带掩盖电极而选择性地解决聚对二甲苯。然而发现，由于记录电极与ASIC焊线接合目标之间存在小的间距，所以不具有足够的表面积用于胶带良好地固定在所述的板上，并且其经常滑脱，得到涂敷的电极焊盘。在第二次重复的可移植装置中，使用以下策略试图处理聚对二甲苯涂层，其中整个板都被涂敷，然后使用探针尖端除去电极上的聚对二甲苯。为了确保聚对二甲苯被涂敷在整个装置上，通过将可移植装置阻尼(damping)在两堆载玻片之间而将它们悬浮在空气中。

表1：聚对二甲苯-C沉积参数

炉温	690℃
		室仪表温度	135℃
蒸馏器温度	175℃
		基础压力	14mTorr
操作压力	35mTorr
		聚对二甲苯-C质量	5g

下文提供用于制造可移植装置的其他细节。

在使用PCB,ASIC或PZT试样开始工作之前，制备两个样品保持器用于挡尘板。为了如此操作，简单地取得两个载玻片(3mmx1mmx1mm载玻片工作良好)，并将一条双面胶带放置在载玻片的长度上。胶带用于将尘粒固定在原位，从而可以实施其余的步骤。在一个载波上，在双面胶带顶部，还加入一块Kapton胶带(3M)，并且粘性一面朝上。在粘合剂处于双面胶带上的情况下，由于固化的高温可以导致一些问题，所以所述的载玻片为用于固化的载玻片。

接着，将少量银糊与组分A和组分B(重量比为1:1)在称量皿中混合。组装工艺无需大量的银环氧树脂。下文示出大约10g环氧树脂(每组分5g)，其对于3个板是足够多的。注意，如果混合的银环氧树脂被放置在4℃下，其具有两周的货架期。这样，剩余的环氧树脂在不使用时可以并且应该再次冷冻。此外，时间较长的环氧树脂(几天至几周)往往比新鲜的环氧树脂稍微更粘，这可以使应用更容易。

基材会面板化，并且无需除去。每个板在测试引线和通孔上的多个附着点处于面板连接—这些附着点可以使用微刀(Feather Safety Razor Co.,Osaka，Japan)切割。一旦使用碳纤维尖头镊子或ESD塑料镊子分割PCB，则将分割的PCB放置在高温样品保持器上。

切割的/细化的模片装在切割胶带上，其可以巧妙地除去模片。为了降低模片与胶带之间的粘附性，使胶带变形可以是有帮助的。使用碳尖端或ESD塑料镊子，温和地压制胶带，并且镊子围绕模片以圆形运动工作。为了检查模片是否已经释放，使用镊子的尖头温和地推动芯片。如果模片并非容易地去掉，则围绕芯片继续压向胶带。一旦芯片去掉，则将芯片小心地放置在与板紧邻的高温样品保持器上。可取的是使样品保持器保持芯片，而不使用周围的其他方式，使得芯片不会运输。在该步骤中必须小心以避免损失或损坏模片。绝不能用力将模片由胶带上除去，过多的力可以导致芯片由胶带上突然掉落。

接着，使用银环氧树脂附着模片。在显微镜下，使用针或同等精细的物品将少量的银环氧树脂施加在PCB上的CMOS焊盘上。在该步骤中，过少的环氧树脂比过多的环氧树脂即使是犯错，也是更好的选择，这是因为更多的银糊总是可施加的，但是除去银糊是重要的。少量未固化的环氧树脂可以使用相同的用于施加的工具刮掉，恰好确保环氧树脂由工具上擦掉。

一旦环氧树脂被放置在焊盘上，则可以将ASIC放置在环氧树脂上。由于CAD误差，一些芯片被反射。重要的是注意已经反射的芯片已经在板上以正确的方式取向，从而确保在焊线接合的过程中不需要线交叉。

一旦ASIC正确地坐落在板上，可以通过将其放置于150℃的烤箱中15分钟使银环氧树脂固化。注意，如果需要可以使用不同的温度。详情参见图17。在银环氧树脂固化后，通过在各模片上温和地推动来复查粘附性。如果模片移动，则需要二次涂敷银环氧树脂。

为了制备焊线接合，将装置由高温样品保持器移动至常规样品保持器。这种改变是必须的，这是因为双面胶带的粘附性比Kapton胶带更强，使得焊线接合更容易。一块双面胶带足够良好地将样品保持器固定在打线机的工作保持器上。最佳的是确保工作保持器事先没有被双面胶带覆盖，使得对于任何情况，测试引线不会被意外地卡住。如果需要，洁净室胶带可以用于额外夹紧样品保持器。

通过使用默认设置在所提供的测试基材上进行接合，确保打线机处于良好的状况。确保打线机处于良好的状况是重要的，这是因为损坏的楔不能良好地接合，并且实际上恰好损坏ASIC焊盘。正向接合(首先接合在模片上，第二接合在基材上)应该以如下顺序进行：1.门极；2.基极；3.中心；4.汲极；5.源极。尽管以这种顺序进行接合是不重要的，但是该顺序使得基材重新取向的次数最少，并且防止由于焊头对接合造成的意外损坏。可以对工作保持器进行小角度的调节，从而促进其接合；不可避免的是这种接合是尽可能直的。在第二接合的座由基材提升的情况下，改变结合与座的数量并再次与座接合是有帮助的。如果不能形成合适的粘附性，则潜在的解决手段是使用银环氧树脂校正接合的座和基材。此外，两个结合-座的接触导致的短路可以通过使用微刀极其小心地切除桥接金属而解决。

已知的工作接合参数可以在下表2中找到。这些参数是简单的指导原则，并且可以根据须要修改。需要过多的电源(大于490)通常表明以下问题：基材固定(PCB与载玻片以及CMOS与PCB之间)、楔的状况以及焊盘状况都应该检查。在焊盘状况的氢看下，由于之前的焊线接合尝试导致的损坏的焊盘在一些情况下通常需要更高的电源，所述的装置是可以挽救的，但是在电源高于600下接合的尝试失败通常导致用于良好接合的焊盘更多的损坏。

表2.用于ASIC的Westbond 7400B A1参数

接合#	电源	时间
			1(ASIC)	420	40ms
2(基材)	420	40ms

焊线接合后，装置应该进行电测试，以确保合适的接合。如果使用1型模片，则I-V特征应该大致示于表3中。

表3：在V_ds＝0.1V下用于1型模片的典型I-V特征

V<sub>gs</sub>	I<sub>ds</sub>
		0V	0.5mA
0.1V	0.74mA
		0.2V	10.6mA
0.3V	51.4mA
		0.4V	0.192mA
0.5V	0.39mA
		0.6V	1.14mA
0.7V	1.55mA
		0.8V	1.85mA

如果I-V特征看起来不正确，则由价值的发现并解决的方法是检查汲极与中心、源极与中心、以及汲极与源极之间的电阻。如果模片适当地工作，则人们可以预计在汲极与中心、以及源极与中心之间的电阻为大约90kΩ，并且汲极与源极之间的电阻为大约180kΩ。

在确认FET适当连接后，应该附着PZT试样。这与附着ASIC相同的方式进行：使用缝纫针将少许银环氧树脂放置在合适的焊盘上。最佳的是将环氧树脂少许放在焊盘的后边缘(向着板的末端)，这是因为PZT试样并非位于焊盘的中心，但是向后推动，使得试样悬挂在板上。记住PZT试样的极性对其效率具有较小的影响。为了测定试样是否处于正确的位置，检查底部表面是否大于顶部表面。由于切割锯的路径，试样的底部稍微大于试样的顶部。因此，底部表面的边缘可以由顶部向下观看，然后将试样以相同的取向放置，如同碟片被切割时那样。

焊线接合PZT以与ASIC相似的方式实施(正向接合，PZT与PCB接合)。然而，一个重要的变化是汲极与源极通孔应该是接地的。在Westbond附近具有接地端口，其可以通过橡胶插口评估。关于指导原则，已知表4中所示的参数用于工作。

表4.用于PZT的Westbond 7400B A1参数

接合#	电源	时间
			1(PZT)	390	40ms
2(基材)	490	40ms

根据PZT试样如何良好地附着在基材上，成功的接合可以需要多种尝试。尝试的越多，则PZT的机械结构变得越差(银涂层将被损坏)，因此最佳的是试图极快速地优化所述的工艺。由于座脱离而失败的接合通常暗示不足够的电源。由于在座处的线断裂而失败的接合通常暗示过多电源。

在成功接合后，总是良好的是进行另一个电测试，从而确保PZT没有损坏ASIC。

关于最后的步骤，将测试线与通孔焊接，并封装装置。测试线为3密尔的银线。注意，线是绝缘的，可以通过将线接近于火焰(flame)(未放于火焰中)并观察塑料金属和recede而除去绝缘。

在焊接线后，现在可以封装装置。密封剂为OG116-31医学级UV可固化环氧树脂，并且应该使用缝纫针分配。一种有效的方法是将大滴的环氧树脂覆盖在PZT试样上，并将大滴的环氧树脂覆盖在ASIC。使用清洁针，在板上推动液滴，使得板的整个顶部都被涂敷。环氧树脂应该润湿所述的板，但是由于其表面张力而不会溢出。一旦板的主体被涂敷，则通孔以及压电系统的侧表面也被涂敷。然后，可以将板在UV室固化大约5分钟。已经发现，测试线在UV室内可以偶然接触一些物品并且使ASIC短路。因此，在将板放入室之前，良好的是将线向下缠绕或者将其放置在一些胶带上，从而使它们与任何室表面分离。

在固化后，应该涂敷侧面。特别是悬挂在板上的，以及测试通孔的背侧和板的背侧上的两个通孔的暴露的PZT试样(其将电极与板的顶部连接)。这部分由于背侧通孔与电极之间的小空间而有一些小复杂，因此最佳的是以极少量的环氧树脂开始，并将其放置在板的边缘附近，然后将环氧树脂拖向通孔。板的被测应该以与顶部相同的方式固化。一旦板被完全封装，则应该实施最终的电测试，并且在通过时，可移植装置现在完成。

实施例2—用于测试可移植装置的建立

可移植装置的测试由于由板延伸出来的测试引线较细而总是有些小复杂。用于I-V测量的这些通孔的裁制和剪除通常导致将引线拉离装置的主体。此外，由于测试引线，难以实施水箱测试测量；这是因为在水中暴露的电子器件会导致短路。为了避免该问题，将PCB设计成作为用于可移植装置测量的测试床。PCB(Bay Area Circuits,Fremont,CA)由FR-4制成并且60密尔厚；其包含分布在板上的4个通孔，从而使2个可移植装置板与版本的布局匹配。

金头销(Pin Strip Header,3M,Austin,TX)被焊接到通孔中，使得它们在板的两侧由板延伸出来。这使得我们能够将我们的装置放置在测试床上，并通过评估头销而接进可移植装置中。接着，为了使通孔绝缘，将由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)制成的塑料帽进行3D打印(Flashforge Creator X,FlashForge,Jinhua,China)。将这些帽打印成具有沟槽，使得O-环可以放置在沟槽的内部并在头销的周围创建防水密封。将帽与板连接，并通过钻通PCB和帽而形成2mm孔(使用微型轧机(47158,Harbor Freight,Camarillo,CA))并将帽和板拧在一起来创建压制。由测试床上延伸的线被焊接到头销上，然后封装头销。为了测量密封的有效性，将板浸渍在水性6M NaCl溶液中，并使用Keithley 2400测量头销之间的电阻。MATLAB标签被书写，从而自动记录并绘制一段时间的电阻。电阻下降表明密封破坏。关于其他的测试，还将一块石蕊试纸放置在塑料帽下方，其意图是如果帽渗漏，则石蕊试纸将改变颜色。使用用于封装可移植装置板的相同的医学级环氧树脂封装头销，并将聚对二甲苯沉积在测试板背侧上的环氧树脂上，用于完全的防水屏障。测量浸渍于盐水溶液中测试床的2个相邻头销之间的电阻，其为仅环氧树脂绝缘、以及环氧树脂加聚对二甲苯绝缘的时间函数。不具有聚对二甲苯屏障的情况下，环氧树脂开始渗漏，使得盐水导致测试床的头销短路。

实施例3—封装于碳化硅中的可移植装置

不使用环氧树脂密封剂，碳化硅(SiC)可以用于绝缘和保护可移植装置的更有效的材料。通过Si和C共价键合而形成SiC，从而形成四面体取向的分子，并具有短的键长，因此具有高的键合强度，从而赋予高的化学和机械稳定性。非晶SiC(a-SiC)作为涂敷材料受到生物医学界的欢迎，这是因为其可以在晶体SiC通常所需的低得多的温度下沉积，并且是点绝缘体。a-SiC的沉积通常是通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或溅射实施的。使用溅射的a-SiC不断研究显示，难以取得SiC的无针孔层。而且，使用SiH₄和CH₄作为前体的PECVD能够产生显著的无针孔SiC膜。

此外，移植的a-SiC已经显示显著的生物相容性。之前的研究显示移植到兔皮质内～20天的使用a-SiC涂敷的50μm铱轴未显示被募集到插入位点处的巨噬细胞、淋巴细胞、单核细胞的通常的慢性炎症响应。参见Hess等人PECVD silicon carbide as a thin filmpackaging material for microfabricated neural electrodes，Materials ResearchSociety Symposium Proceedings，vol.1009，doi:10.1557/PROC-1009-U04-03(2007)。

有趣的是考虑一种用于可移植装置的方法，其涉及使用用于真正的慢性移植的碳化硅密封剂在硅上构建所述的装置。可行的工艺示于图18中。此处最大的挑战之一是确保SiC的PECVD不会是压电材料去极化。为了具有无污染的膜，重要的是在最低温度200℃下沉积，但是低于压电换能器的居里温度。

实施例4—小型化超声波换能器的电源转移和背向散射

由于获得具有不同几何形状的PZT晶体相对容易，所以使用PZT实施一组试验。获得多种厚度的金属化的PZT片材(PSI-5A4E,Piezo Systems,Woburn,MA and PZT 84,APCInternationals,Mackeyville,PA)，并且PZT的最低厚度为127μm。将PZT完全封装在生物相容性的PDMS硅中。

切割PZT陶瓷的最常用的方法是使用具有合适的陶瓷刀的晶圆切割锯，从而将PZT片材切成单个的PZT晶体。切割的最低分辨率是由刀的切口决定的，并且可以小至30μm。

另一种可行的选择是使用激光切割机。与切割锯不同，激光切割机通过将大功率激光束聚焦于材料(其熔融、蒸发、除去和切割块料)上来实现切割。激光切割的精确性可以低至10μm，并且受到激光波长的限制。而且，为了处理敏感性样品(例如PZT陶瓷)，切割位点的温度可以损害材料的压电性能。陶瓷的准分子激光切割使用UV激光切割，并且准分子得自惰性气体，但是这种激光切割机是特别昂贵的，而且目前没有合适的维修服务可以利用。结果，切割锯用于实施所有的切割。

为了驱动或由PZT提取电能，与顶板和底板形成电连接。通常用作PZT电极的材料为银或镍。银通常用于种类广泛的非磁性和AC用途，并且悬浮于玻璃粉中的薄片形式的银通常被筛选到陶瓷上并烧制。对于高电场DC应用而言，银可能迁移并桥接2个板。结果，具有良好的耐腐蚀性并且不容易电迁移的镍可以作为备选物被电镀敷或真空沉积。

可以使用合适的焊料和熔剂焊接两种材料。例如银可溶解于锡中，但是银负载的焊料可以用于防止电极中的银被清除。由镍电镀敷得到的荧光体内含物可以使焊接有一些小复杂，但是正确的熔剂可以除去表面氧化。但是，在焊接时，为了避免超过居里点以及PZT样品去极化，焊接温度必须为240至300℃。即使在这些温度下，由于PZT也是热电的，人们必须小心地不能超过焊接时间2-4秒。

备选地，可以使用银环氧树脂或者使用焊料糊的低温焊接形成电连接。标准的双组份银环氧树脂可以提供足够的导电性，并且甚至可以在室温下过夜固化。然而，接头往往是脆性的，并且在测试过程中容易断裂。可以使用非导电性环氧树脂作为密封剂来增强接合，但是这种其他的层对PZT呈现机械负载，并且可以明显地抑制其品质因素。另一方面，低温焊料糊在150至180℃之间发生相变，并且可以提供大的电连接以及与使用闪光焊接所取得的相当的接合强度。因此，使用低温焊接方法。

晶圆切割能够将PZT切割成十几个μm的小晶体。但是，维度小于1mm的样品是极难使用镊子处理并接合的。此外，由于用于与PZT晶体的顶板和底板接口的线的长度变化(并由此导致线引起的寄生电感和电容)，以及跨过多个样品分布的焊料糊的量，所以阻抗频谱测量是不稳定的。

因此，制造31密尔厚的双层FR-4PCB，其中所有的电气互连都短路，并且将寄生效应由线和板上去嵌入。所制造的板显示具有图19中的维度，其中所述的板包含多种测试结构以及单独表征为127μm,200μm和250μm厚的PZT晶体的模块。测试模块中的每个晶胞在PCB的一侧上都包含具有特定维度的两个焊盘，从而与PZT晶体接口，并且在相对的一侧上还包含用于分立元件(用于背向散射通讯)的焊盘。晶胞之间的间距受到分立元件的尺寸的限制，并且为大约2.3mmx2mm。

为了避免直接处理细小的PZT晶体，图20A-E概括了将PZT接合到PCB上的可扩展的工艺流程。如图20A所示，使用泵在恒定压力下并且在受控的时间量下，将焊料糊分布在顶侧的一个焊盘上。基于所用的PZT的厚度，焊盘为250μm²,200μm²或127μm²。图20B示出比焊盘更大的PZT块料(其可以容易处理)放置在顶部从而覆盖焊盘。将板和压电组件在烤箱中烘烤，从而使焊料糊固化。因此，PZT晶体现在与预焊接的凸起的电极接合。图20C示出使用板上的对其标记，沿着具有焊料糊的焊盘边缘，晶圆切割锯制作总计4个切片，并且未接合的区域掉落并离开与PCB接合的小PZT晶体阵列。图20D示出单线接合在PZT的顶板与PCB上的电极之间形成电接触，从而完成电路。最后，图20E示出将完整的组件封装在PDMS(Sylgard184,Dow Corning,Midland,MI)中，从而保护焊线接合并提供绝缘。

由于压电材料为电机械结构，所以表征其电性和机械性质。以下详细说明测试的建立和实施该测量的技术。

任何电气装置都可以使用被称为双端口网络参数的数学构造建模形成黑盒模型。电路的性质是通过数字矩阵说明的，并且装置对施加给输入的信号产生的响应可以容易地计算，而无需解决网络中的所有内部电压和电流。具有多种不同类型的双端口网络参数，例如Z-参数,Y-参数,S-参数,和ABCD-参数等，并且不同参数之间的转换可以容易推导。能够使我们提取这些参数的仪器被称为适量网络分析仪(VNA)。VNA引入定向耦合器，从而将各个端口的电压分解成入射波和反射波(基于阻抗失配)，并计算这些波之间的比例，从而计算散射或S-参数。

在使用VNA进行测量之前，由于内部定向耦合是不理想的，所以人们必须校正设备。校正还允许我们将测量的参照平面移至电缆末端，即，校正电缆的寄生效应。具有多种校正标准，但是最常用的是开路、短路和负载校正过程。测量示意图示于图21中。被焊接在同轴电缆末端的鳄鱼夹用于接口顶板/底板。由鳄鱼夹得到的寄生效应在100MHz以下不明显。

作为一个实例，VNA(E5071C ENA,Agilent Technologies,SantaClara,CA)用于测量(250μm)³PZT晶体的电性。应该注意，PZT晶体的测量电容极大地不同于由简单平行板电容模型所预计的电容，这是因为PCB和固定装置(鳄鱼夹和连接器)的显著的寄生电容。由于由上文概括的校正步骤得到的VNA系数仅将测量平面移至电缆的末端，所以在相同的板上制造的开路/短路/负载校正结构用于包含板和固定装置的寄生效应。在校正后，测量PZT响应与预计的响应匹配。

使用这种校正技术，PZT的阻抗可以绘制成频率的函数，如图22B所示。但是，由该图可见，特别难以测定是否存在任何机电共振。当使用空气背衬(为使用机械夹紧)的模拟结构被覆盖时，应该注意，在低频率和高频率下阻抗谱与测量良好地匹配，不同之处在于在大约6MHz的共振频率下具有显著的峰、以及谐波。在使用PCB(FR-4)夹紧并负载PZT的一侧时，可见由空气背衬得到的共振峰明显受到抑制。尽管在测量中缺乏可见的共振，但是在大约6MHz观察到小blimp，并且可以使用以下等式计算机械品质因数Q_m：

其中f_a和f_r表示抗共振的(其中阻抗最大)和共振频率(其中阻抗最小)，Z_r表示在共振时的阻抗，并且C_p为低频电容。与模拟得到的5.1相比，由测量得到的计算品质因数为大约4.2。根据数据表，PZT的未负载Q为～500，表明FR-4背衬和焊线接合导致品质因数明显降低。尽管PZT晶体的机械Q的急剧下降，试验显示背向散射的信号水平仅境地大约～19。

在电气特征建立中，VNA具有内置信号发生器，从而提供表征所需的输入。为了实施PZT的声音表征，产生声波，并发射到样品上从而用作输入。这可以使用市售可得的宽带超声波换能器实现。

图23示出代表性换能器的组成，其由压电有源元件、背衬和耐磨板构成。背衬通常由具有高衰减和高密度的材料制成，从而通过吸收由有源元件的背表面放射的能量而控制换能器的振动，同时耐磨板用于保护换能器元件免于测试环境，并用作匹配层。

使用图24中所示的自制设备实施超声波功率转移测试。将5MHz或10MHz单元件换能器(有效区域分别为6.3mm和6.3mm,～30mm焦距,Olympus,Waltham,MA)固定在计算机控制的2轴平移台上(VelMex,Bloomfield,NY)。使用混合胶囊水听器(HGL-0400,Onda,Sunnyvale,CA)校正换能器输出。装配原型被放置在水容器中，使得换能器能够以恰好在原型上方大约3cm的距离处浸渍于水中。程序可控脉冲发生器(33522B,AgilentTechnologies Santa Clara,CA)和射频放大器(A150,ENI,Rochester,NY)用于在指定的频率下驱动换能器，其中正弦脉冲串为10个循环，并且脉冲重复频率(PRF)为1kHz。接收的信号使用射频放大器(BT00500-AlphaS-CW,Tomco,Stepney,Australia)放大，与示波镜(TDS3014B,Tektronix,Beaverton OR)连接，从而收集超声波信号并使用MATLAB记录它们。

图25A和图25B示出5MHz换能器的输出功率的代表性测量，其为换能器表面与水听器(z-轴)之间的距离的函数。在距离换能器表面～33mm远处，获得水中的峰压(图25A)，同时降级峰(0.3dB/cm/MHz)为～29mm(图25B)。图26A示出换能器输出的降级XA扫描，其示出近场和远场波束图案，以及在～29mm下的瑞利距离或焦点，从而与图25B中的降级峰匹配。图26B示出在焦点～29mm下波束的XY横截面扫描，其中6dB波束宽度测量为大约2.2mm。

跨越波束的6dB带宽下在多种频率下，换能器的总的集成声音输出功率通常保持在空间峰值时间平均值I_SPTA为29.2μW/cm²，从而在焦点处得到总的输出功率为～1μW，并且峰值稀疏压为25kPa，机械指数(MI)为0.005。降级I_SPTA和MI分别远低于FDA的规定极限720mW/cm²和1.9(FDA2008)。

图22A示出完整组装的原型的测量功率传递效率，其中与针对这种相同原型进行的分析预测相比，已经针对多种神经尘埃节点的尺寸校正了线缆的损耗。在跨越所有换能器的尺寸下，测量结果都极其密切地匹配模拟的模型行为，不同之处在于较少的较小的换能器维度，可能是由于对换能器的位置和超声波的波束宽度敏感。用于最小的PZT晶体(127μm)³的链路的测量效率为2.064x10^-5，其得到通常换能器接收的20.64pW。如果传输输出功率密度保持在720mW/cm²下，则换能器可以回收最大0.51μW。这种PZT收集的低功率水平主要是由于用于试验的宽带换能器的特别的无效，在各种换能器维度下专用的定制换能器(具有最佳的电气输入阻抗)在所收集的功率水平中可以得到超过2个数量级的改善，如模拟模型所示。

在(250μm)³PZT晶体上收集的电压的频率响应示于图22C中。测量共振频率为6.1MHz，其与针对立方体预测的共振频率的迁移匹配(由于Poisson比以及沿着立方体三个轴的每个轴的共振模式之间的相关模式耦合)。此外，4个计算Q与PZT的电气测量Q匹配。

试验结果表明使用超声波的与极小的PZT节点耦合的功率分析模式精确地下降至少～100μm级别，并且可能更低。仍继续观察在功能丧失前，可以制造多小的换能器。注意，甚至更小的节点(<127μm)的测量并未受到原型组装工艺的显示，而是受到PZT基材的商业可利用性的限制。往前看，使用相当大量的研究和技术，这些研究和技术进入了微/纳机电RF共振器(参见Sadek等人Wiring nanoscale biosensors with piezoelectricnanomechanical resonators,Nano Lett.,vol.10,pp.1769-1773(2010)；Lin等人Lowphase noise array-composite micromechanical wine-glass disk oscillator,IEEEElec.Dev.Meeting,pp.1-4(2005))以及薄膜压电换能器(参见Trolier-McKinstry等人Thin film piezoelectrics for MEMS,J.Electroceram.,vol.12,pp.7-17(2004))，从而促进极小的(10's of μm)换能器，以及真正的评估标度理论。

实施例5—使用问询器超声波换能器阵列的波束形成

在本实施例中，示出超声波波束形成系统，其能够在所分布的超声波基记录平台上通过背向散射问询单个的可移植传感器。定制ASIC使用3个循环的32V矩形波(具有特定的可编程的延时)驱动7x2PZT换能器阵列，从而使波束在被放置于50mm远的800μm神经尘粒处聚焦。接收灰尘在水中的测量声电转换效率为0.12％，并且整个系统由1.8V电源供入传递26.3％的电压给换能器驱动输出，在每个传输阶段中消耗0.75μJ，并且每伏施加给背向散射电路的输入中，背向散射变化0.5％。传输阵列和接收灰尘的进一步小型化可以为可佩带的慢性传感和神经调制系统铺设道路。

在这种高度分布的且不对称的系统中，其中移植的装置的数量超过问询收发器数量的几个数量级，波束形成可以用于高效地问询大量可移植装置。对可移植装置平台中波束形成的算法、权衡(trade-offs)和性能的研究已经证明不同问询器之间的合作用于由附近的可移植装置取得足够的干扰抑制。参见Bertrand等人Beamforming approaches foruntethered ultrasonic neural dust motes for cortical recording:a simulationstudy,IEEE EMBC,2014,pp.2625-2628(Aug.2014)。本实施例证明用于图2A中所示的问询器和可移植装置系统的超声波波束形成系统的硬件实施方式。ASIC(例如参见Tang等人Integrated ultrasonic system for measuring body-fat composition，2015IEEEInternational Solid-State Circuits Conference-(ISSCC)Digest of TechnicalPapers,San Francisco，CA，2015，pp.1-3(Feb.2015)；Tang等人MiniaturizingUltrasonic System for Portable Health Care and Fitness，IEEE Transactions onBiomedical Circuits and Systems，vol.9，no.6，pp.767-776(Dec.2015))具有7个相同的通道，每个通道都具有6位延时控制以及5ns分辨率用于传输波形形成，集成高压电平移位器，以及接收/传输分离任何电馈通的开关。

ASIC在单1.8V电源下操作，并且使用集成电荷泵和电平移位器生成32V矩形波，从而驱使压电换能器。所述的系统由1.8V供入传递～32.5％的电源，至32V输出电压，以及由32V输出电压传递～81％电源，至输出负载(每个换能器元件为4.6pF)。ASIC框图示于图2A中；在每次测量中能够具有如此低的能量消耗的电路详情可以在Tang等人Integratedultrasonic system for measuring body-fat composition,2015IEEE InternationalSolid-State Circuits Conference-(ISSCC)Digest of Technical Papers,SanFrancisco,CA,2015,pp.1-3(Feb.2015)中找到。ASIC在具有高压晶体管的0.18μm CMOS上制造。芯片面积为2.0mm²，并且除了数字控制器、ADC和2个芯片外阻塞电容器以外，包含完整的系统。

换能器阵列的设计是所需的渗透深度、孔径尺寸和元件尺寸的强函数。定量地，阵列的瑞利距离R可以如下计算：

其中D为孔径的尺寸，并且λ为超声波在传播介质中的波长。定义而言，瑞利距离为由阵列发射的波束完全形成的距离；换言之，压力场在瑞利距离下收敛至自然焦点，并且为了使接收的功率最大，优选的是将接收器放置在其中波散最小的一个瑞利距离处。

将操作频率优化成元件的尺寸。水箱中的初步研究显示使用(800μm)³PZT晶体，取得最大的能量效率，其封装后的共振频率为1.6MHz，得到λ～950μm。各个元件之间的间距选择为半波长的奇数倍，从而高效地波束形成。结果，为了对波束形成能量进行证明，整个孔径为～14mm，得到50mm的瑞利距离。在50mm下，考虑到元件尺寸为800μm，则每个元件与场足够远(R＝0.17mm)；因此，每个元件的波束图案应该是足以波长形成的全方向。

具有多种可以实施的传输和接收波束形成技术。在本实施例中，选择延时求和传输波束形成算法，使得信号在构造上干涉目标方向。这种算法能够证明波束操纵和转移至多个可移植装置的最大功率。为了容纳与多个可移植装置的背向散射通讯，可以需要更多的复杂的算法。这些可以包括延时求和波束形成、线性约束最小方差波束形成、用于单波束的凸优化的波束形成、“组播”波束形成w/凸优化、最大峰度波束形成、最小方差无失真响应鲁棒自适应波束形成、多元张量分解以及由多-Rx-通道时域数据得到的灰尘脉冲响应的反褶积。这个问题的一个方面的详细处理在Bertrand等人Beamforming approaches foruntethered ultrasonic neural dust motes for cortical recording:a simulationstudy,IEEE EMBC,2014,pp.2625-2628(Aug.2014)中描述。

7个通道的每一个都是由3个循环的32V矩形波(具有特定的可编程的时间延迟)驱动的，使得在观察距离50mm下能量聚焦。施加给每个通道的延时基于由阵列中心至焦点的传播距离的不同以及超声波在介质中的传播速度的不同来计算。

Ultrasim用于使用上文所述的1D阵列表征超声波在水中的传播行为。模拟的XY(图27A)和XZ(图27B)横截面波束图案与所示的测量密切匹配，但是不能建模PDMS封装。

水被用作测量波束形成系统的介质，这是因为其展现出与组织相似的声学性质。使用晶圆锯将预金属化的锆钛酸铅(PZT)片材(APC International，Mackeyville，PA)切成800μmx800μmx800μm晶体(每个的并联电容为4.6pF)，其为每个传输元件的尺寸。通过使用导电铜箔、环氧树脂(用于底端)和焊线接合(用于顶端)使各个PZT元件与ASIC上的相应通道形成电连接。所述的阵列被封装在PDMS(Sylgard184，Dow Corning，Midland，MI)中，从而保护焊线接合并提供绝缘。封装后PZT晶体的品质因数为～7。所述的阵列被组织成7组2x1的元件，并且间距为～5/2λ～2.3mm。阵列测量为大约14mmx3mm。最后，将整个组件包装在直径为25mm、高为60mm的圆柱形管中，并且将该管装满水。

使用胶囊水听器(HGL-0400,Onda,Sunnyvale,CA)校正换能器阵列的2D波束图案和输出。将水听器固定在计算机控制的2D平移台(VelMex,Bloomfield,NY)上。水听器具有30°的接近角(-6dB，在5MHz下)，其足以捕获在传输距离50mm和扫描范围(±4mm)下给出的波束。

具有阵列重叠的测量XY横截面波束图案示于图27A中。阵列(元件)中用于各个换能器的施加延时示于图27B中。在焦点处-6dB波束宽度为3.2mm～3λ。ASIC的反射率允许宽的且规则的延迟编程。在波束形成之前和之后在50mm下阵列的峰值压力水平分别为～6kPa和～20kPa。在波束形成后，传输的输出压力波的3X与模拟匹配。所述的模拟还证明阵列的瑞利距离为50mm，如图27C所示。

此外，为了证明问询多个可移植装置的能力，证明阵列的波束操纵的能力，如图28A所示(示出在XY平面上3个不同位置的波束操纵)，以及各个波束位置的延时，如图28B中下方所示。1D波束操纵由模拟极其密切地匹配，如图28C所示。注意，波束操纵范围限于±4mm，这是由于阵列的机械构造，而非电子能力(electronic capability)。

使用可移植装置(具有800μmx800μmx800μm体压电换能器)替换水听器，并且将其放置在传输距离50mm处，从而证明电源链路。在尘埃下测量的开路电路的峰间电压为65mV，传输脉冲持续时间为2.56μs。在焦点处，在-6dB波束宽度下集成的空间峰值平均声功率为750μW，其为FDA安全性限制的0.005％。在尘埃下的最大收集功率为0.9μW，得到测量的声电转换效率为0.12％。测量结果符合链路模型(参见Seo等人Model validation ofuntethered ultrasonic neural dust motes for cortical recording,J.Neurosci.Methods,vol.244,pp.114-122(2015))。所述的系统由1.8V电源供入传递26.3％的功率，至换能器驱动输出(定义为驱动效率)，并且每个传输阶段消耗0.75μJ。

通过测量作为输入进入背向散射电路的背向散射电压水平的差异，证明系统的超声背向散射通讯能力(参见Seo等人Model validation of untethered ultrasonicneural dust motes for cortical recording,J.Neurosc i.Methods,vol.244,pp.114-122(2015))，并使用DC电压供入进行调节。系统的传输时间和周期为3μs和80μs，得到用于接收的～77μs窗。阵列中心的2x1元件用于接收背向散射。接收晶体的输出被放大，并且数字化，以用于处理。测量的背向散射敏感性为～0.5％/供入背向散射电路的输入的电压，其符合所述的模拟。所述的系统的整体性能概括于表4中。

表4.系统性能的概括

供入电压	1.8V
		输出电压	32V
通道数量	7
		操作频率	1.6MHz
电荷泵+电平移位器效率	26.3％
		声电效率	0.12％
背向散射变化	0.5％/V
		每个传输阶段的能量	0.75mJ

我们使用超声波波束形成系统的测量表明单独的传输波束形成可以提供足够的信噪比(SNR)，从而能够在神经灰尘平台上进行多个传感器的问询。在尘粒小型化下，SNR的降低可以通过实施接收波束形成而缓解。此外，为了增加问询率，人们探索了多路复用的备选手段，例如空间多路法，其中使用相同的传输波形同时问询多个灰尘。而且，重要的是考虑处理/通讯负担(功率消耗)之间的系统设计权衡。此外，必须足够抑制由附近尘粒产生的干扰，从而取得所需的SNR。

0.12％的声电效率目前在整个系统的效率中占据主要。尽管电源链路如此低的效率，但是如果FDA安全性管理的～1％(空间平均峰值1.9W/cm²)可以被输出，则在水中50mm远的800μm超声波换能器下，可以收集高达0.92V峰间电压和180μW。

此外，在该证明中，电源链路的低效率有助于这种大的传输距离，其通过阵列孔径和元件尺寸测定。对于外周神经干预而言，例如理想的传输距离为大约5mm，其包括皮肤厚度、组织等。为了处于阵列的远场，孔径应该为～4.4mm。各个元件的进一步按比例缩放可以将阵列孔径的整体温度和传输距离降低至所需的5mm。模拟表明，使用100μm接收超声波换能器在水中可以得到高达1％的声电效率。

对于在组织中的传输而言，假设组织中的3dB/cm/MHz损失，图29显示在FDA安全性限制的1％下操作而给出的链路效率和接收功率水平的按比例放大。尽管这种情况并非保守性的损失，但是在100μm下，模拟表明可以收集高达0.6V峰间电压和75μW。因此，使用这种平台在组织中进行无线能量传输是可行的。此外，这种能量水平足以在输出电压(其适用于使用传感器电刺激附近的神经元，并检测生理学状况)下操作高效的低功率能量收集电路和电荷泵，类似于本发明所示的ASIC。

实施例6—可移植装置的移动和温度迁移的跟踪

在50μm厚的聚酰亚胺挠性印制电路板上(PCB)制造可移植装置，其中所述的印制电路板具有超声波换能器压电晶体(0.75mmx0.75mmx0.75mm)和定制晶体管(0.5mmx0.45mm)，它们是使用导电银糊附着在板的顶面。使用铝焊线接合和导电金迹线形成部件之间的电连接。在板(0.2mmx0.2mm)的底部上，暴露的金记录焊盘分开1.8mm，并且在神经或肌肉上接触，从而记录电生理学信号。将记录的信号铜微通孔发送至晶体管输入。此外，一些移植物装配有0.35mm宽、25mm长的挠性顺应性引线，其具有用于同时测量跨越压电晶体的电压和直接接线测量跨越超声波换能器使用的电极对上的细胞外电势(这种直接接线记录细胞外电势作为接地真是测量如下文所述，其用作超声波重建数据的对照)的测试点。整个移植物被封装在医学级UV可固化环氧树脂中，从而保护焊线接合并提供绝缘。单一可移植装置测量大约0.8mmx3mmx1mm。移植物的尺寸仅受到我们使用的市售聚酰亚胺底板技术的限制，其是任何人都可以购买得到的；依赖于更侵入性的组织技术(具有内部聚合物图案化)将产生不大于压电晶体维度的移植物(产生～1mm³移植物)。

外部超声波收发器板通过供入电源(传输(TX)模式)和接收反射信号(接收(RX)模式)而与可移植装置接口。该系统为低功率可编程且便携式收发器板，其驱动市售可得的外部超声波换能器(V323-SU,Olympus,Waltham,MA)。收发器板展示聚焦～8.9mm的降级压力(图30A)。XY横截面波束图案清楚地证明波束由近场过渡至远场传播，并且在瑞利距离下具有最窄的波束(图30B)。在1.85MHz下使用5V峰间电压信号驱动换能器。测量降级峰值稀疏压力为14kPa，得到机械指数(MI)为0.01。降级空降脉冲平均峰值(I_SPPA)和空间峰值平均时间(I_SPTA)在10kHz脉冲重复下分别为6.37mW/cm²和0.21mW/cm²，其分别为FDA管理限制的0.0034％和0.03％(Food and Drug Administration,2008)。收发器板能够输出高达32V的峰间电压，并且输出压力随着输入电压而线性增加(图30C)。

将整个系统浸渍在定制建立的水箱中，并在其中表征，其中所述的水箱具有6自由度(DOF)的线性平移和旋转台(Thorlabs Inc.,Newton,NJ)。蒸馏水用作传播介质，其在1.5MRayls下展现出与组织相似声阻抗。就系统的初始校正而言，电源(2400-LV,Keithley,Cleveland,OH)通过以变化的电流强度迫使电流通过浸渍于水箱中的0.127mm厚的铂线(773000,A-M Systems,Sequim,WA)而模拟细胞外信号。将神经尘粒浸渍与电极之间的电流路径中。在导线之间施加电流时，跨越移植电极，产生电势差。这种电势差用于在水箱测试过程中模拟细胞外电生理学信号。为了问询神经尘粒，通过外部换能器发射6次540ns脉冲/100μs。这些发射的脉冲反射神经尘粒，并产生返回至外部换能器的背向散射脉冲。反射的背向散射脉冲通过相同的收发器板记录。接收的背向散射波形展示4个所关注的区域；这些是由4个不同的界面反射的脉冲(图31A)：1)水-聚合物封装分界线；2)压电晶体的顶表面；3)压电-PCB分界面；以及4)PCB的背侧。如所预计的那样，由压电晶体(第二区域)反射的信号的背向散射振幅作为记录电极处电势变化的函数而改变。由其他界面反射的脉冲对记录电极处电势的变化不产生响应。重要的是，由其他无响应区域得到的脉冲用作信号水平参照，使得系统对运动或热致伪影是稳定的(这是因为由所有界面反射的脉冲随着神经尘粒的身体或热干扰而变化，但是由第二区域得到的脉冲作为电生理学信号的函数而变化)。在水箱中，系统显示对记录电极电势和背景噪声～0.18mVrms的变化产生线性响应(图31B)。系统的整体动力学范围受到晶体管输入范围的限制，并且大于>500mV(即，一旦晶体管完全打开(输入超过其阈值电压)或完全关闭，则仅有电流增量变化)。背景噪声随着波束的测量功率下降而增加；0.7mm未对齐使其降低2倍(N＝5个装置，图31C)。背景噪声的这种侧向未对齐导致的增加在不具有波束操纵系统(即，未使用外部换能器阵列，其可以将超声波束保持聚焦在移植的尘粒上，由此在轴上)下对神经记录构成了最显著的挑战。在轴上，可移植装置在压电系统的负载电阻上将入射声功率转换成电功率，并且效率为～25％。图31D绘制了对于本实施例中使用的换能器，在一个瑞利距离下，电压和功率的离轴下降。类似地，图31E绘制了有效背景噪声作为角度未对齐的函数的变化。

实施例7—可移植装置与问询器之间的数字通信链路

包含可移植装置和问询器(具有换能器阵列)的系统是使用模拟体内环境的台式装置证实的。超声耦合凝胶用作组织模型，这是因为其声阻抗类似于目标生物组织的声阻抗(大约1.5MRayl)。具有体压电换能器(其与接触换能器的两个电极直接连接)的可移植装置被放置在组织模型中，并且问询器换能器阵列与凝胶耦合。两个元件都附着在用于精确定位的精确控制台上。换能器阵列被放置在与尘粒14mm远的位置，其相当于18.6μs往返飞行时间(假设在超声耦合凝胶中的声速为1,540m/s)。使用6次1.8MHz,0-32V矩形脉冲激发换能器，并且使用2000个样品在17Msps和12位分辨率下将背向散射信号数字化。对于时域背向散射检查而言，完整的背向散射波形实时被过滤到装置上，并通过焊线串联发送至客户端。在正常的操作中，完整的调制提取算法实时用于装置上的背向散射数据，将背向散射信号压缩成4个字节。经处理的数据通过蓝牙SSP方法传输至远端客户端，并实施流过GUI。

图32A示出使用所述的试验建立收集过滤的背向散射信号。收集信号，同时尘粒压电晶体电极处于短路和开路构造。由于开关活动导致阻抗变化得到背向散射峰值振幅，其在开路开关构造中更大，为11.5mV，调制深度为6.45％(图32B)。由灰尘得到的回声的长的持续时间表明换能器振铃(尽管具有阻尼背衬层)。在欠阻尼换能器系统响应在时域中分散出背向散射信号时，解调制是成功的，前提条件是由移植的装置得到的背向散射被捕获在ROI内。

使用脉冲振幅调制非归零编码，背向散射传感器灰尘被调制发送预定的11字符ASCII信息(“hello world”)。装置的声阻抗的调制是通过在跨越数字控制的开关上分流压电换能器而取得的，其中高水平相当于开路构造，而低水平相当于闭合构造。图33示出换能器上的调制值以及问询器的相应提取的调制值。提取信号值的绝对值和噪声容限取决于多种因素，例如灰尘距离、取向和尺寸；但是提取的波形仍代表尘粒上的调制信号，其通过线性比例因数变化。

无线传输通过“hello world”调制的可移植装置的提取背向散射值证明，装置与移植装置的实时通讯链路。双状态背向散射系统的问询提供系统与可移植传感器和远端客户端无线通讯链路的有效证明。这种无线通讯链路招致对闭环神经调制系统以连接脑和外部装置的研发。

实施例7—温度传感器

本实施例证明一种可移植装置，其包含具有温度传感器(即，热敏电阻)的体压电换能器。所述的系统使用问询器，从而使用超声波为可移植装置提供电源，并由根据传感器检测的温度而调制的可移植装置记录超声背向散射。本实施例证明基于可利用的部件的两种尺寸(体积为1.45mm³和0.118mm³)的传感器。体压电换能器在最长的维度上可以小至700mm。单一的传感器能够解决±0.5℃的温度变化，从而适用于医学诊断和监测目的。在生理学状况下在14天中，温度读值迁移低于0.3℃。这种方法还与更复杂的温度传感器(例如与绝对温度(PTAT)集成电路成经典的比例)以及数字背向散射方法相容。

各种可移植装置包含表面固定热敏电阻，其电极与具有750μm边缘(其与极化轴垂直)的锆钛酸铅(PZT)压电立方体的两个末端形成电连接。热敏电阻为负温度系数(NTC)热敏电阻，从而改变流动通过压电晶体的两个末端的、作为环境温度的函数的电流。热敏电阻的电极对和压电晶体之间的电连接和附着是通过使用两种不同的连续的EPO-TEK H20E导电银环氧树脂而建立的。使用银环氧树脂将得自A-M Systems的未涂敷直径为3密尔(涂敷直径为5.5密尔)的PFA绝缘银焊线附着在热敏电阻的各个电极上，从而测量在水箱表征过程中由压电立方体收集的电压。随后，使用EPO-TEK OG116-31 UV可固化环氧树脂薄层涂敷整个可移植装置，不包含引线，从而防止可能导致短路的水渗透。

为了评估背向散射调制(其在由可移植装置接收的背向散射信号中作为温度的函数发生)，小型水箱是使用添加剂制造工艺由聚乳酸制成的。构造所述的水箱，使得存在这样的阶段：保持传感器灰尘与热电偶相邻，所述的热电偶被用作Omega Systems CSI32K台式PID控制器的输入，用于温度监测和反馈目的。在水箱壁上，形成NPT线状图案的螺孔，用于将加热元件插入水箱。第二件水箱被设计成适合位于第一部件的顶部，从而密封水箱的关闭并将换能器保持在距离灰尘一个焦距的位置处。使用硅树脂将水箱的基部和顶部一起密封，并且使用0.5密尔厚的PET正方形膜密封水箱的顶部，从而使换能器以声透明的方式与水箱热分离，由此规避伪影叠加的问题，其在换能器在较高的水温下浸渍在水箱中是可以观察到。

消除模拟背向散射系统(例如所述的系统)中因移动伪影造成的信号变化的最简单的方法是在产生背向散射的移植物中提供两个界面：一个界面位于响应性压电换能器，而第二界面位于一些不便的材料连接处。影响整个移植物的位置和取向的变化导致由两个界面得到的背向散射的已知的变化(即，响应性背向散射和无响应性背向散射)，而测量定量的变化仅产生由响应性界面得到的背向散射信号的变化(即，响应性背向散射)。接收的背向散射的无响应性区域(即，相对于温度不发生变化的区域)是基于校正试验(以及飞行时间计算)测定的，并且这些区域的曲线下面积的变化相当于传感器输出波形的响应性背向散射调制。此外，聚类算法可以用于自动检测未对齐，并将背向散射变化与被测变量(在准备中)中的相应变化匹配。为了在传感器输出中创建背向散射的无响应性区域，使用UV可固化环氧树脂将无响应性反射器(即，硅立方体)固定在可移植装置上。新加入的立方体与热敏电阻是电分离的，从而在传感器输出波形中创建背向散射的固定区域。可移植装置示于图34A中，其具有图34B中所示的两个可移植装置的相对尺寸(体积为1.45mm³和0.118mm³)。

用于单一可移植装置的背向散射表征的试验建立如图35所示。为了确保背向散射收集方法的标准化以及使预计的响应的数量级最大，将可移植装置与通过市售可得的单一元件换能器(V323-SU,Olympus)生产的超声波束对齐，这可通过可移植装置上的压电晶体收集的最大峰值电压来评估。以1.8MHz的频率问询可移植装置，并且在1kHz下取样背向散射，但是较低的取样速率是可行的。换能器的焦距为0.9cm；对换能器与灰尘之间的距离进行设定，使得灰尘处于焦点上。使用台式PID控制器密切调节水箱内的温度，并且以0.5℃的增益由34.5℃变化为45.5℃。在个温度值下，使用Agilent Tech InfiniiVision DSO-X3024A数字存储示波镜记录10个背向散射波形。观察到，超声背向散射的飞行时间作为温度的函数而增加，这是由于声速在水中变化的原因。因此，所关注的波形特征暂时与用于各背向散射数据库的参照波形对齐。参照波形选择为在44.5℃下用于各次运行的背向散射波形。发现对于各试验波形，相对于参照波形，背向散射电压的变化指示最大，然后信号被整序(rectified)、过滤并在所关注的指定的时间指数上集成，其中发生背向散射振幅的最大变化。相同的集成界限用于针对单个灰尘测试的每个温度，然后将所得的积分相对于由参照测量得到的积分归一化。

为了证明在背向散射调制中所观察到的效果不是由于外部换能器性质(作为温度的函数)的变化，在所关注的温度下，在空水箱中实施背向散射测试。在这些测试条件下，未发现对接收的背向散射波形具有明显的温度作用。还评估了热敏电阻的长期迁移。将5个Panasonic ERT-J1VR682J热敏电阻固定在单个原型印制电路板(Chip Quik Inc.,DC0603T)上，与引线焊接，并使用UV可固化环氧树脂覆盖。然后，将热敏电阻放置在包含去离子水的烧杯中；闭环温度控制系统(由55W紧凑型浸入式加热器(McMaster-Carr,4668T51)、Omega Systems CSI32K台式PID控制器和热电偶组成)用于将水温保持在45.5℃。在14天内，在大约24小时间隔下，测量各热敏电阻的电阻值，并且计算各热敏电阻的平均值的百分变化。

可移植装置包含0201SMD包装热敏电阻(Panasonic ERT-JZET202J)以及具有边缘长度为400mm的PZT压电晶体(图34B，上方)；或者包含0603热敏电阻以及边缘长度为750mm的PZT压电晶体(图34B，下方)。

图36示出由可移植装置得到的典型背向散射概况，其包含无响应性反射器和与热敏电阻连接的体压电换能器。区域1由无响应性反应器得到，而区域2由反应性压电换能器得到。两个区域均随着位移和旋转而改变，而仅响应性区域随着温度变化而改变，如所示。

具有温度传感器的单一可移植装置在背向散射中对于生理学相关的温度(具有0.5℃的精确性)能够产生单调改变的温度依赖性变化，如图37所示。在14天中，发现热敏电阻的平均记录的最大偏差为34Ω。Steinhart-Hart为用于NTC热敏电阻的温度和电阻之间的关系：

R＝R₀ exp[-β(1/T₀-1/T)]

其中R为在温度T下的测量电阻值。对于使用的0603热敏电阻，延时参数β为4250K^-1，并且对于初始温度T₀＝298K而言，R₀报告为6.8kW。相当于电阻变化的温度变化可以通过二次使用Steinhart-Hart等式并重排而得到：

T₂＝βT₀/[T₀ln(DR/R₀+exp[-β(1/T₀-1/T₁)])+β]

其中DR为分别在温度T₂和T₁下电阻值R₂-R₁的变化。发现，电阻34W的变化相当于0.296K的温度变化。对于PID控制器而言，该温度变化在测量误差范围内。

本实施例证明使用市售可得的部件，在具有小型化超声波换能器的超声波可寻址系统中，具有热传感器的可移植装置的最大维度为700μm。本发明方法不依赖于用于测定温度测量的经验热交换模型，因此在深度组织温度测量中可以成为有用的工具。为了达到完整性，证明，当热敏电阻在延长的时间内暴露于生理学温度时，热敏电阻(其在临床医学中作为皮肤温度采集标准)不展现显著的迁移。单一可移植装置能够以良好的精确性在距换能器1cm处解决温度变化，其对于医学诊断和监测目的而言是有意义的。最后，证明可移植装置可以使用较小的易于得到的部件组装，从而创建完整的亚毫米传感器。考虑到渗透深达组织几厘米的能力，本方法提供了传感深度组织温度的直截了当的方式。

Claims (56)

1.一种可移植装置，其包含：

传感器，其被构造用于检测分析物、pH、温度、应变或压力的量；以及

在最长的温度下的长度为大约5mm或更低的超声波换能器，其被构造用于接收基于所述的传感器检测的所述的分析物的量、所述的pH、所述的温度或所述的压力来调制的电流；以及基于所述的接收电流发射超声背向散射。

2.权利要求1所述的可移植装置，其中所述的超声波换能器被构造用于接收为所述的可移植装置提供电源的超声波。

3.权利要求2所述的可移植装置，其中所述的超声波换能器被构造用于由包含一个或多个超声波换能器的问询器接收超声波。

4.权利要求1-3的任意一项所述的可移植装置，其中所述的超声波换能器为体压电换能器、压电微加工超声波换能器(PMUT)或电容式微加工超声波换能器(CMUT)。

5.权利要求1-4的任意一项所述的可移植装置，其中所述的可移植装置在所述的最长的温度下的长度为大约5mm或更低。

6.权利要求1-5的任意一项所述的可移植装置，其中所述的可移植装置的体积为大约5mm³或更低。

7.权利要求1-6的任意一项所述的可移植装置，其中所述的可移植装置被移植到受试对象中。

8.权利要求7所述的可移植装置，其中所述的受试对象为人类。

9.权利要求7所述的可移植装置，其中所述的受试对象为动物或植物。

10.权利要求1-9的任意一项所述的可移植装置，其中所述的传感器检测所述的分析物或pH的量。

11.权利要求10所述的可移植装置，其中所述的传感器为光学传感器。

12.权利要求11所述的可移植装置，其中所述的光学传感器包含光源和光学检测器。

13.权利要求11或12所述的可移植装置，其中所述的光学传感器检测血压或脉搏。

14.权利要求11或12所述的可移植装置，其中所述的光学传感器包含具有荧光团的基质，并且其中所述的荧光团的荧光强度或荧光寿命取决于所述的分析物的量。

15.权利要求11、12或14的任意一项所述的可移植装置，其中所述的传感器检测pH或氧。

16.权利要求11或12所述的可移植装置，其中所述的光学传感器被构造用于实施近红外光谱法。

17.权利要求16所述的可移植装置，其中所述的传感器检测葡萄糖。

18.权利要求1-10的任意一项所述的可移植装置，其中所述的传感器为电位计化学传感器或安培计化学传感器。

19.权利要求18所述的可移植装置，其中所述的传感器检测氧、pH或葡萄糖。

20.权利要求1-10的任意一项所述的可移植装置，其中所述的传感器为温度传感器。

21.权利要求20所述的可移植装置，其中所述的温度传感器为热敏电阻、热电偶或与绝对温度成比例(PTAT)的电路。

22.权利要求1-10的任意一项所述的可移植装置，其中所述的可移植装置包含体压电超声波换能器和热敏电阻。

23.权利要求1-9的任意一项所述的可移植装置，其中所述的传感器为压力传感器。

24.权利要求23所述的可移植装置，其中所述的压力传感器为微机电系统(MEMS)传感器。

25.权利要求23或24所述的可移植装置，其中所述的可移植装置被构造用于测量血压或脉搏。

26.权利要求1-9的任意一项所述的可移植装置，其中所述的传感器为应变传感器。

27.权利要求1-26的任意一项所述的可移植装置，其中所述的可移植装置进一步包含集成电路。

28.权利要求27所述的可移植装置，其中所述的集成电路包含以下的一个或多个：电源电路；驱动器，其被构造用于为所述的传感器提供电流；前端，其被构造用于由所述的传感器接收信号；或者数字电路。

29.权利要求27或28所述的可移植装置，其中所述的集成电路包含所述的数字电路，并且其中所述的数字电路被构造用于操作调制电路。

30.权利要求28或29所述的可移植装置，其中所述的数字电路被构造用于向所述的调制电路传输数字化信号，其中所述的数字化信号是基于所述的分析物、所述的温度、所述的应变或所述的压力的检测量。

31.权利要求1-30的任意一项所述的可移植装置，其中所述的移植的装置被生物相容性材料至少部分封装。

32.权利要求1-31的任意一项所述的可移植装置，其中所述的移植的装置进一步包含无响应性反射器。

33.权利要求1-32的任意一项所述的可移植装置，其中所述的移植的装置包含两个或更多的传感器。

34.一种系统，其包含根据权利要求1-33的任意一项所述的一个或多个可移植装置，以及包含一个或多个超声波换能器的问询器，其中所述的超声波换能器被构造用于将超声波传输至所述的一个或多个可移植装置，或者由所述的一个或多个可移植装置接收超声背向散射。

35.根据权利要求34所述的系统，其中所述的问询器包含一个或多个超声波换能器阵列，其中每个所述的换能器阵列均包含两个或更多的超声波换能器。

36.根据权利要求34或33所述的系统，其中所述的系统包含多个可移植装置。

37.根据权利要求36所述的系统，其中所述的问询器被构造用于波束操纵传输的超声波，从而备选地将所述的传输的超声波聚焦在所述的多个可移植装置的第一部分上，或者将所述的传输的超声波聚焦在所述的多个可移植装置的第二部分上。

38.根据权利要求36所述的系统，其中所述的问询器被构造用于同时由所述的至少两个可移植装置接收超声背向散射。

39.根据权利要求36所述的系统，其中所述的问询器被构造用于使用时分多路法,空间多路法或频率多路法，将超声波传送至所述的多个可移植装置，或者由所述的多个可移植装置接收超声背向散射。

40.根据权利要求36-39的任意一项所述的系统，其中所述的问询器被构造成受试对象可佩带的。

41.一种检测分析物、pH、温度、应变或压力的量的方法，其包括：

接收超声波，该超声波为一个或多个可移植装置提供电源，其中所述的可移植装置包含在最长的维度上长度为大约5mm或更低的超声波换能器；

将由所述的超声波得到的能量转换成电流；

将所述的电流传输至传感器，该传感器被构造用于测量所述的分析物、所述的pH、所述的温度、所述的应变或所述的压力的量；

基于所述的分析物、pH、温度、应变或压力的测量的量，调制所述的电流；

将所述的调制的电流转换成超声背向散射，其编码所述的分析物、pH、温度、应变或压力的测量的量；以及

将所述的超声背向散射发射至包含一个或多个换能器的问询器，其中所述的换能器被构造用于接收所述的超声背向散射。

42.一种检测分析物、pH、温度、应变或压力的量的方法，其包括：

接收超声波，该超声波为一个或多个可移植装置提供电源，其中所述的可移植装置包含在最长的维度上长度为大约5mm或更低的超声波换能器；

将由所述的超声波得到的能量转换成电流；

使用传感器，测量所述的分析物、所述的pH、所述的温度、所述的应变或所述的压力的量；

基于所述的分析物、所述的pH、所述的温度、所述的应变或所述的压力的测量的量，调制所述的电流；

将所述的调制的电流转换成超声背向散射，其编码所述的分析物、所述的pH、所述的温度、所述的应变或所述的压力的测量的量；以及

将所述的超声背向散射发射至包含一个或多个换能器的问询器，其中所述的换能器被构造用于接收所述的超声背向散射。

43.权利要求41或42所述的方法，其进一步包括使用所述的问询器接收所述的超声背向散射。

44.权利要求41-43的任意一项所述的方法，其进一步包括使用所述的问询器传输所述的超声波，其中所述的问询器被构造用于传输所述的超声波。

45.权利要求41-44的任意一项所述的方法，包括分析所述的超声背向散射，从而测定所述的分析物、所述的pH、所述的温度、所述的应变或所述的压力的测量的量。

46.权利要求41-45的任意一项所述的方法，其中所述的一个或多个可移植装置被移植到血管、移植的器官、肿瘤或感染位点上、内部或附近。

47.权利要求41-46的任意一项所述的方法，包括发射光，并检测荧光强度或荧光寿命，其中所述的荧光强度或荧光寿命取决于所述的分析物或所述的量。

48.权利要求47所述的方法，包括测定振荡发射光与检测的荧光之间的移相，其中所述的移相取决于所述的分析物或所述的pH的量。

49.权利要求48所述的方法，包括测定所述的检测荧光的荧光寿命，其中所述的检测荧光是由脉动的或振荡反射光得到的。

50.权利要求41-49的任意一项所述的方法，其中所述的方法包括测量葡萄糖的量。

51.权利要求41-50的任意一项所述的方法，包括测定所述的一个或多个可移植装置相对于所述的问询器的位置。

52.权利要求41-51的任意一项所述的方法，包括检测所述的一个或多个可移植装置的移动。

53.权利要求41-52的任意一项所述的方法，包括将所述的可移植装置移植到受试对象中。

54.权利要求53所述的方法，其中所述的受试对象为动物或植物。

55.权利要求53或54所述的方法，其中所述的受试对象为人类。

56.权利要求41-55的任意一项所述的方法，其中所述的超声背向散射编码数字化信号。