超小型無(wú)線(xiàn)電SoC與創(chuàng )新的電池技術(shù)結合
物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在很短的時(shí)間里顛覆了很多行業(yè)。但是，醫療和醫藥領(lǐng)域在采用物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)程中受到了
超小型無(wú)線(xiàn)電SoC與創(chuàng )新的電池技術(shù)結合，使低成本的醫療電子產(chǎn)品也能連網(wǎng)。
物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在很短的時(shí)間里顛覆了很多行業(yè)。但是，醫療和醫藥領(lǐng)域在采用物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)程中受到了很大的阻礙。
這并不完全令人驚訝。醫療領(lǐng)域的高度監管措施，加上推出新的醫護技術(shù)關(guān)系到患者的性命，使得新醫療設備的開(kāi)發(fā)周期變得更長(cháng)。但是，圍繞功率、尺寸和成本的設計工程困難是使一次性智慧醫療設備無(wú)法廣泛開(kāi)發(fā)和采用的最大因素。
對于開(kāi)發(fā)人員而言，想要設計能滿(mǎn)足必要的尺寸、功耗和成本要求的基于IoT的醫療設備，現在有一個(gè)途徑可供選擇。
開(kāi)發(fā)一次性智慧醫療設備的主要障礙之一是成本。在小尺寸的設計中集成SoC和必要的外部元件，例如血壓儀、血糖儀或藥物吸入器，成本會(huì )比較昂貴。成本貴的原因在于：需要兩個(gè)晶振而不是單個(gè)低功耗晶振；四層PCB板，而不是相對便宜且簡(jiǎn)單的雙層電路板；以及昂貴的電池。只要物料清單（BOM）成本依然很高，并且產(chǎn)品沒(méi)有做到小型化，那么聯(lián)網(wǎng)醫療設備被大眾市場(chǎng)采用的速度就會(huì )非常慢。
除了BOM成本外，醫療設備設計人員還必須應對功耗問(wèn)題。一次性醫療產(chǎn)品必須具有較長(cháng)的貨架壽命。18個(gè)月到幾年的產(chǎn)品保質(zhì)期并不罕見(jiàn)，加上幾周到幾個(gè)月的相對較短的活躍使用壽命。在貨架期間，產(chǎn)品可能會(huì )因自放電、泄漏電流、以及產(chǎn)品本身原因而導致電池容量下降。那么當開(kāi)始使用產(chǎn)品時(shí)，可能沒(méi)有足夠的電池容量來(lái)支撐完成整個(gè)使用周期。顯然，患者和醫生都需要IoT醫療設備是可靠的，既能治療患者，又能提供必要的數據以確保劑量和測試正確進(jìn)行。
最后還有個(gè)一次性的問(wèn)題。一次性醫療設備的性質(zhì)是，它們只被使用14天到2個(gè)月不等�？紤]到使用壽命短和成本高，保險公司自然不愿意把它們納入到保險范圍中。
解決所有這些挑戰的答案在于電池，具體來(lái)說(shuō)，是實(shí)現一次性氧化銀或印刷電池的使用。近來(lái)，高能量薄膜鋰電池和印刷可充電鋅電池都已經(jīng)實(shí)現商業(yè)化。但是，對于這些技術(shù)是否已準備好進(jìn)行大規模采用還存在疑問(wèn)。
與傳統的電池制造技術(shù)相比，通過(guò)3D打印制造電池具有多個(gè)優(yōu)勢。一方面，可以將電池組件直接印刷在裝有其它電子器件的PCB板上。這樣一來(lái)，可以去掉分立電池所需的組裝和封裝步驟。另外，印刷工藝也可以實(shí)現較復雜的電池架構，這種架構或許無(wú)法通過(guò)其他方式實(shí)現。印刷方法可以調節電極的形狀和厚度，并印刷穩定且安全的固態(tài)電解液。
印刷鋅電池看起來(lái)比較有前景。Impact Energy的一種此類(lèi)電池使用了穩定、可充電且不需要密封容器的高電導率聚合物電解液（HCPE）。由于化學(xué)物質(zhì)是基于鋅而不是鋰，因此避免了一些鋰技術(shù)相關(guān)的安全問(wèn)題。此外，鈦酸鋰（LTO）和磷酸鐵鋰（LFP）是3D打印電池中常用的陽(yáng)極和陰極材料，不過(guò)，碳納米材料也有望用作電極。碳納米管和碳納米纖維由于其高機械強度、高化學(xué)穩定性、大比表面積、以及優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，而被廣泛用于印刷油墨中。
此外，印刷電池電解液也有助于降低制造成本。電解液充當催化劑，促進(jìn)離子在充電時(shí)從陰極到陽(yáng)極的移動(dòng)，并在放電時(shí)進(jìn)行相反方向的移動(dòng)。電解液材料在電池的電化學(xué)性能、壽命周期和安全性方面起著(zhù)關(guān)鍵作用。
在印刷電池可以實(shí)現廣泛的商業(yè)化之前，仍然存在許多挑戰。其中一個(gè)問(wèn)題是，目前只有少數可印刷活性材料可用作印刷油墨。此外，要表征電池油墨作用在其他油墨上時(shí)的行為表現，還有很多工作要做。盡管在電極和電解液材料方面已經(jīng)進(jìn)行了大量工作，但集流材料還需要進(jìn)行一系列的優(yōu)化。
技術(shù)就緒后，醫療保健應用將可能從超薄3D打印的電池中受益匪淺。使用印刷電池的智能皮膚貼片（skin patch）已經(jīng)商業(yè)化。智能皮膚貼片使用層狀（laminar）電池，通常采用部分印刷，再加上印刷的電極圖案，通過(guò)皮膚輸送藥物、護膚品和其他化學(xué)物質(zhì)。醫療診斷設備或將受益。
無(wú)線(xiàn)傳感器/網(wǎng)絡(luò )應用也將受益。在這個(gè)領(lǐng)域，趨勢是將能量收集與薄型電池相結合，以減小封裝尺寸。類(lèi)似的，新的小型電池將成為電池供電無(wú)源RFID的福音，盡管目前主要使用紐扣電池。智能卡應用程序是另一種應用，一些薄膜電池技術(shù)已對層壓入卡進(jìn)行了優(yōu)化，不過(guò)對于一次性使用而言?xún)r(jià)格可能太高。
高峰值電流會(huì )降低電池容量和縮短使用壽命。DC-DC轉換器中可能會(huì )產(chǎn)生高浪涌電流，這些電流傾向于在電源輸入上合并大量電容，以避免電源軌上發(fā)生壓降。最初通電時(shí)，這些電容器的充電會(huì )導致浪涌電流，可能會(huì )超過(guò)額定負載電流。如果不解決這個(gè)問(wèn)題，那么高電流會(huì )導致電壓軌失調，可能使系統不穩定或使其處于不可預測的狀態(tài)。有多種限制浪涌電流的方法。例如，一些BLE器件內置了限流器。
總而言之，醫療設備的審核周期很長(cháng)，在進(jìn)入主流市場(chǎng)前，可能需要幾年的過(guò)程。但是，這些設備在患者護理方面具有改變游戲規則的潛力，而這一切從解決這些長(cháng)期存在的設計挑戰開(kāi)始。
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