Search

This paper presents an ultralow power interface circuit for a fully implantable cochlear implant (FICI) system that stimulates the auditory nerves inside cochlea. The input sound is detected with a multifrequency piezoelectric (PZT) sensor array, is signal-processed through a front-end circuit module, and is delivered to the nerves through current stimulation in proportion to the sound level. The front-end unit reduces the power dissipation by combining amplification and compression of the sensor output through an ultralow power logarithmic amplifier. The amplified signal is envelope detected, and fed to a voltage-controlled current source as a reference for stimulation current generation. The single channel performance has been tested with a thin film pulsed-laser deposition (PLD) PZT sensor for sound levels between 60- and 100-dB sound pressure level (SPL). The proposed front-end signal conditioning unit, which can support different back-end stimulators, dissipates only 25.4 and 51.2 μW based on measurement, for 1- and 8-channel operation, respectively. This represents the lowest in the literature. The interface generates linear stimulation current of 110-430 μA for the given sound range. The single-channel and eight-channel stimulator consume 105 and 691 μW, respectively, for 110-μA biphasic stimulation current.

Mikro düzeyde üretilmiş piezoelektrik enerji üreteçleri, küçük boyutlu olmaları ve yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmalarından dolayı enerji üreteçleri arasında ön plana çıkmaktadır. Fakat piezoelektrik üreteçler için literatürde bulunan mevcut ara yüz devreleri genellikle çıkış güçleri yüzlerce μW civarlarında olan büyük ölçekli modelleri için dizayn edilmiştir. Bu tarz sistemlerin verimlilikleri girişlerindeki güç seviyesi onlarca µW ve daha az olduğu zaman önemli ölçüde etkilenirler ki bu durum mikro düzeydeki cihazlarda çoğunlukla gözlemlenmektedir. Bu nedenle, düşük güç girişlerinden enerji sağlayan sistemler için yüksek verimli ara yüz devreleri geliştirilmelidir. Bu tezin amacı, biyolojik mikro elektronik devreler için, MEMS enerji üreteçlerinden enerji sağlayan ve regüle edilmiş DC voltaj sağlayan bir ara yüz devresi geliştirmektir.Birinci arayüz devresinde (IC), SECE çeviricilerin optimum uygulaması için yeni bir çok-aşamalı enerji çıkarım yöntemi önerilmiştir. Bu optimizasyon güç verimliliğini etkilemeden harici bobinin değerinin düşürülmesini almaktadır. Sonrasında, yüksek kapasiteli depolama elemanını daha hızlı şarj etmek için yeni bir yük yönetim yaklaşımı sunulmuştur. Bu metodu avantajı pasif şarjdan aktif şarja hızlı bir geçiş sağlamasıdır. Devrenin enerji üreteçlerindeki pratik kullanımını artırmak için farklı devre teknikleri uygulanmıştır. Sonuç olarak başlangıç (start-up) devresi ve PMC ile başlangıçta hiç yük olmadığı durumda da çalışabilen otonom bir devre elde edilmiştir. Aktif NVC ve yeni ultra-düşük güçlü tepe noktası belirleyici devre ile devrenin çalışma frekansının 100 Hz ile 4 kHz arasında gibi geniş bir bantta olması sağlanmıştır. Son olarak, kendinden adaptif MSEE tekniği geniş aralıktaki giriş gücü seviyeleri için güç verimliliğini artırmıştır. 1 mH harici bobin ve 390 Hz'te uyarılan MEMS PEH için %84 maksimum şarj verimliliği elde edilmiştir.Tasarlanan ikinci arayüz devresi düşük kuplaj faktörlü PEH'lerden enerji çıkarımını artıracak yeni bir doğrusal olmayan anahtarlama tekniği önermektedir. Ayrıca, bu devre tek bobin ile yükten bağımsız enerji çıkarımı sağlamaktadır. Bu tekniğin arkasında yatan temel fikir, piezoelektrik voltajı birtakım anahtarlar ve bobin ile işleyerek PEH üzerindeki efektif sönümleme kuvvetini yükseltmektir. Literatürde ilk kez, giriş uyarım seviyesinden bağımsız olarak çalışan ve maksimum güç noktası (MPP) belirleme yöntemini kullanan yeni bir devre önerilmiştir. Arayüz devresi MPP sayesinde optimum noktayı bulabilmesi sayesinde şok titreşimlerde de verimli bir şekilde enerji üretebilmektedir.Son olarak, elektromanyetik ve piezoelektrik kaynaklardan aynı anda güç çekip tekbir yüke iletebilen verimli bir hibrit enerji üreteci devresi sunulmuştur. Hibrit sistemden çıkan toplan güç, ayrı ayrı enerji üreteci kaynaklarının toplamından çıkan güçten daha fazladır. Hibrit arayüz devresi çıkış güç seviyesi 100 µW seviyesinde iken %90 güç verimliliğine ulaşmaktadır. İnsan vücudu hareketlerinden enerji üretmek için hibrit elektromanyetik ve piezoelektrik enerji üreteçleri ve arayüz elektroniğinden oluşan giyilebilir bir prototip tasarlanmış ve test edilmiştir. Micro-fabricated piezoelectric transducer is a prominent harvesting method due to its small size and relatively high energy density. However, the available interface circuits (IC) in the literature for piezoelectric energy harvesters (PEH) are generally designed for macro-scaled versions having a power output in the range of hundreds µW. The efficiency of such systems is significantly diminished when input power drops to tens of µWs or less, which is the pertinent power output range for micro-fabricated devices. Therefore, it is necessary to develop efficient electronics to extract energy from low output power levels of Microelectromechanical systems (MEMS) piezoelectric energy harvesters. The main aim of this thesis is to develop ICs that can efficiently extract energy from the MEMS piezoelectric energy harvesters and charge storage element for powering up micro-electronic devices.In the first IC, a novel multi-stage energy extraction method is proposed to optimize the implementation of the synchronous electrical charge extraction (SECE) converter. This optimization allows downsizing of the external inductor without affecting the power-conversion efficiency. Then, a charge management approach is presented to speed up the charging of the large storage element. The advantage of this method is that it accelerates the transition from passive mode to active mode. Several circuit techniques are introduced to enhance practicability of the energy harvesting IC. An autonomous system is achieved through a start-up circuit with power management circuit that initiates the circuit from no primary charge. Implementations of active negative voltage converter and new ultra-low-power peak detector expand operating frequency range of the IC from 100 Hz to 4 kHz. Finally, self-adapting multi-stage energy extraction (MSEE) enhances power conversion efficiency for a wide input-power range. Maximum charging efficiency of 84 % is achieved with a 1 mH external inductor, while MEMS PEH is excited at 390 Hz. Second IC introduces a novel nonlinear switching technique aiming to boost extracted energy from low coupling factor PEHs and provide load-independent energy extraction with a single inductor. The idea is to enhance effective damping force of the PEH by processing piezoelectric voltage through a set of switches and an inductor. A novel maximum power point (MPP) sensing approach is proposed to achieve the optimal operation point of the proposed circuit regardless of input excitation level, for the first time in literature. The IC can efficiently harvest energy from shock vibrations, as MPP circuit adjusts optimal point regardless of the variation in the available energy on PEH.In the end, an efficient hybrid energy-harvesting interface is presented to simultaneously scavenge power from electromagnetic and piezoelectric sources, while driving a single load. The total simultaneously extracted power from both harvesters is more than the power obtained from each independently. The hybrid IC reaches up to 90% conversion efficiency with output power level of 100 µW. A wearable harvesting prototype consisting of custom-made electromagnetic harvester, off-the-shelf PEH, and the proposed interface circuit is built and tested to harvest energy from body movement. 132