Wireless Power Transfer for Bioelectronic Stickers: A Feasibility Study

Abstract

Nas últimas décadas, aparelhos como implantes biomédicos ou "laboratório num chip" têm recebido um particular interesse no que toca à sua aplicação em diversas áreas. No entanto, a reduzida capacidade de armazenamento de energia e tempo devida continuam a ser uma barreira a superar. Uma boa solução seria um aprovisionamento de energia estável e contínuo, como por exemplo, transferência de energia sem fios. Tal transmissão pode ser obtida através de dois métodos; campo próximo,tal como indução magnética e campo distante, tal como a frequência rádio.Nesta dissertação realizou-se um estudo sobre a viabilidade de dois sistemas: na primeira parte um estudo sobre um sistema de campo próximo foi realizado, usando um sistema de indução magnética; na segunda parte a análise de um sistema de campo distante foi desenvolvida, usando identificação por frequência rádio.Para que esse estudo fosse realizado, uma bobina para o circuito receptor do sistema do campo próximo foi impressa e investigamos a quantidade de energia recebida pelo sistema. Além disso, utilizamos pele de porco para estudar o seu efeito na transferência de energia. No estudo do campo distante um sistema de identificação por frequência rádio foi desenvolvido. Foi possível medir a quantidade de energia recebida, em diferentes cenários, a várias distâncias, contribuindo para a análise da viabilidade do uso do sistema para alimentar aplicações tais como medidores de biopotenciais de baixo consumo.A maior contribuição desta dissertação foi a demonstração do adesivo de biomonitorização sem bateria e sem fios para aquisição do batimento cardíaco, transmitindo a informação por Bluetooth. Ambos os sistemas apresentaram resultados promissores,pelo que se pode concluir que ambos são viáveis.

Over the last few decades Implantable Biomedical Devices (IBDs) as well as Labon-Skin (LoS) patches have received particular attention regarding their applicationin a wide range of areas. However, limited energy storage and life span on suchdevices are still a barrier to overcome. A good solution to surpass that barrier is areliable and continuous power supply to those devices, for instance, Wireless PowerTranfer (WPT). WPT can be achieved through two main methods; near field, suchas induction power transfer and far field, such as radio frequency. In this dissertation we studied the feasibility of two systems for WPT; in the first part a feasibility study on a near field system was conducted, using magnetic resonance induction and in the second part a feasibility study on a far field system was performed, using Radio Frequency Identification (RFID). In order to do so, first we fabricated a printed coil for near fild energy harvestingand investigated the amount of energy that can be harvested from the induction system. Additionally we added pork skin to see the effect on the power transfer. On the far field study, a RFID system was developed. It was possible to measure the harvested power in different scenarios over several distances which gave us the necessary feedback to analyze the feasibility of using this system to power a low consumption biopotential measuring sticker. The main contribution that stands out is the demonstration of the fully untethered,battery-free biomonitoring sticker for heart rate acquisition which transmits the data via Bluetooth. Both systems presented promising results, concluding that either near field and far field systems were feasible.