Energy-Efficient Low-Power Circuits for Wireless Energy and Data Transfer in IoT Sensor Nodes

[1704.08910] Energy-Efficient Low-Power Circuits for Wireless Energy and Data Transfer in IoT Sensor Nodes, paper by G. C. Martins, A. Urso, A. Mansano, Y. Liu, W. A. Serdijn

Abstract: In this paper, we present techniques and examples to reduce power consumption and increase energy efficiency of autonomous wireless sensor nodes for the Internet of Things. We focus on RF energy harvesting and data transfer, all of which have a large impact on the device cost, lifetime and functionality. We explore the co-design of antenna and electronics to increase RF-DC conversion and efficiency and to improve the performance of the LNA. A high-efficiency orthogonally switching charge pump rectifier is presented. Its measurement results are presented, along with a discussion on how to define its power conversion efficiency. To boost the rectifier output voltage, while presenting the best output load to it, a DC-DC converter with maximum power point tracking is presented. To transmit slowly-varying signals in a low-power manner, an asynchronous data converter is discussed and two modalities of data transmission are presented. The first one is a passive transmitter implementation and the second a novel low-power sub-GHz UWB transmitter.

Comments: 15 pages, 32 figures, 4 tables
Subjects: Emerging Technologies (cs.ET)
Cite as: arXiv:1704.08910 [cs.ET]
(or arXiv:1704.08910v1 [cs.ET] for this version)

Feit of fictie: kunnen we microchips in onze hersenen implanteren om onze gedachten te downloaden en te uploaden, zoals Elon Musk wil met zijn nieuwe bedrijf “Neurolink”?

Is het mogelijk om microchips te implanteren en daarmee beter onze bedoelingen en wensen over te brengen op een digitale “artificial intelligence layer”, geimplanteerd op onze hersenschors? Fact-check nieuws-item op NPO Radio 1 in de rubriek “Feit of Fictie?”, d. 30 maart 2017. Met bijdragen van Elon Musk, Bas Bloem en Wouter Serdijn.

Het item begint na 54 minuten.

Hoe kun je een dove laten horen en een blinde laten zien?

De Universiteit van Nederland

prof. dr. ir. Wouter Serdijn

Doven weer laten horen en blinden weer laten zien: het lijkt misschien een godswonder, maar in principe heb je genoeg aan een superslimme chip. Hoe dat precies werkt weet elektronicus Wouter Serdijn (TU Delft) als geen ander. Laat je rondleiden in een wereld die zich op de vierkante millimeter afspeelt en ervaar zelf hoe het klinkt om met een chip te horen.

prof. dr. ir. Wouter Serdijn

Je lijf aansturen met behulp van bio-elektronica, dat is de tak van sport van prof. dr. Wouter Serdijn (TU Delft). Met behulp van implanteerbare chips in je lijf kun je je brein een handje helpen om losse elektronische eindjes weer goed aan elkaar te knopen. Het gevolg? Patiënten beter laten zien, horen of minder laten trillen (bij bijvoorbeeld Parkinsonpatienten).

Technische Universiteit Delft

De TU Delft inspireert je. Daagt je uit om kritisch te denken. Om creatief te zijn. Of je fascinatie voor techniek om te zetten in frisse ideeën. In elk vak, in elk project. Studeren aan de TU Delft betekent samen met anderen actief werken aan de nieuwste technologische oplossingen.

U.S. Government Awards $20 Million for Electroceuticals Research


Image: Pradeep Rajendran and Rosemary Challis/Shivkumar Lab/UCLA

The U.S. National Institutes of Health (NIH) wants better ways to treat disease with electrical stimulation, and last week announced the recipients of more than US $20 million in funding for the field. The awards aim to improve maps of the peripheral nervous system—the body’s electrical wiring—and generate sophisticated systems that can hack into its codes.

The funding is part of a $248 million, seven-year program that the NIH Common Fund announced in 2014. Last week’s awards mark the start of the core of that program. Up to $39 million in additional awards will be announced next year. The agency will begin accepting applications for those awards by early 2017, says NIH’s Gene Civillico, who heads up the funding program, called SPARC, or Stimulating Peripheral Activity to Relieve Conditions.

Researchers have for decades been electrically stimulating the brain, the spinal cord and peripheral nerves in an attempt to alleviate ailments such as Parkinson’s disease, epilepsy, pain, and paralysis. The technique can work as well or better than drugs, leading some to dub the field “electroceuticals.” Several companies sell such devices with approval from the U.S. Food and Drug Administration (FDA).

Those tools have seen some success. In clinical studies they have been shown to reduce seizures and symptoms of rheumatoid arthritis, and help people regain bladder control and muscle mobility.

The tools on the market are surprisingly simplistic. In most systems, a pulse generator blindly sends electrical impulses along a lead to electrodes that are placed on a nerve. With enough intensity, the stimulation causes neurons to fire. Those induced impulses, called action potentials, are just like the ones produced naturally by the body. The signals travel along neural networks in different temporal patterns, communicating with the body and influencing chemical and biological processes.

The problem with current devices is that they shoot electrical impulses broadly at nerves in patterns that don’t begin to mimic the body’s natural code. It’s miraculous that the body responds at all to these crude signal patterns. And often the devices activate entire nerves, rather a subset of particular fiber groups, wasting battery power and creating side effects.

That leaves a lot of room for improvement—an exciting prospect for engineers. Many more diseases could be treated with electrical stimulation if the devices were designed more elegantly, say leaders in the field. New designs for electrodes and other tools must better interface with the body and activate nerves that are currently out of reach. And such tools must selectively activate key fibers within the nerve that perform specific functions, these leaders say.

To do that, we need a better understanding of the anatomy of neural circuits—where they are and what they do. We also need to know the precise signal patterns neural circuits use to communicate with organs. In other words, if we want to hack the system, we need maps and codes.

Those are the kinds of breakthroughs NIH Common Fund intends to stimulate with the awards. “We’re seeing a fair bit of clinical success, but with fairly primitive understanding of what the stimulation is actually doing,” says Civillico.

The awards focus on treating conditions such as heart disease, asthma and gastrointestinal disorders. The program’s leaders want researchers to focus on peripheral nerves—those that connect the brain and spinal cord with the rest of the body—because of their potential direct effects on organ systems and their accessibility. (The brain is far more complex, and harder to map.)

Vacancy: Assistant/Associate Professor of Bioelectronics

Department/faculty: Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science
Level: PhD degree
Working hours: 38 hours per week
Contract: Tenure track with possibilities for advancement
Salary: €3400 to €6299 per month gross


Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science

The Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science (EEMCS) is known worldwide for its high academic quality and the social relevance of its research programmes. The faculty’s excellent facilities accentuate its international position in teaching and research. Within this interdisciplinary and international setting the faculty employs more than 1100 employees, including about 400 graduate students and about 2100 students. Together they work on a broad range of technical innovations in the fields of sustainable energy, telecommunications, microelectronics, embedded systems, computer and software engineering, interactive multimedia and applied mathematics. EEMCS: Your Connection to the Future.

The Department of Microelectronics has a strong interdisciplinary research and education programme in the areas of 1. health and well-being 2. next generation wireless and sensing technology and 3. safety and security.
With 11 IEEE Fellows among the staff, an excellent microfabrication infrastructure, electrical and physical characterisation facilities, and a strong international academic and industrial network, the department provides high-level expertise in each of these areas throughout the entire system chain.

The Bioelectronics section is a relatively new section that has been created to address coherently the challenges we face in developing wearable, injectable and implantable medical devices. This group conducts research, education and valorisation in the fields of ultra low-power analog and mixed-signal circuits and systems for active wearable, implantable and injectable biomedical microsystems.

Job description

The Bioelectronics group is offering a tenure-track position at the Assistant or Associate Professor level in the field of biomedical circuits and systems. You will further develop existing research topics, such as analog and mixed-mode circuits and systems for wearable and implantable medical devices and create new topics, which may include electroceuticals. You will be involved in teaching at the BSc and MSc levels in the TU Delft’s Electrical Engineering and Biomedical Engineering programmes. Collaborative initiatives are strongly encouraged. You are expected to write research proposals for national and international funding organisations. This is a tenure-track position for a period of five years with the possibility of a permanent faculty position at the end of the contract, subject to mutual agreement.

A Tenure Track, a process leading up to a permanent appointment with the prospect of becoming an Associate or Full Professor, offers young, talented academics a clear and attractive career path. During the Tenure Track, you will have the opportunity to develop into an internationally acknowledged and recognised academic. We offer a structured career and personal development programme designed to offer individual academics as much support as possible. For more information about the Tenure Track and the personal development programme, please visit


You must have a PhD degree in the field of biomedical circuits and systems (BioCAS) and some years of experience as a post-doc or university professor. You have an excellent academic track record, reflected by peer-reviewed journal publications, conference contributions, and international research experience. An affinity for working on the interface with other disciplines (biomedical engineering, neuroscience, electrophysiology, etc.) and with clinicians and medical researchers is preferred. You should have a demonstrated ability to initiate and direct research projects and to obtain external funding. Experience in teaching and mentoring of students is required. A teaching qualification is recommended. Demonstrated ability in written and spoken English is required.

Conditions of employment

A tenure-track position is offered for six years. Based on performance indicators agreed upon at the start of the appointment, a decision will be made by the fifth year whether to offer you a permanent faculty position.
The TU Delft offers a customisable compensation package, a discount for health insurance and sport memberships, and a monthly work costs contribution. Flexible work schedules can be arranged. An International Children’s Centre offers childcare and an international primary school. Dual Career Services offers support to accompanying partners. Salary and benefits are in accordance with the Collective Labour Agreement for Dutch Universities.
The TU Delft sets specific standards for the English competency of the teaching staff. The TU Delft offers training to improve English competency.
Inspiring, excellent education is our central aim. If you have less than five years of experience and do not yet have your teaching certificate, we allow you up to three years to obtain this.

Information and application

For more information about this position, please contact Prof. Wouter Serdijn, e-mail: To apply, please provide a detailed CV, publication list, and a written statement on your research and teaching interests and vision along with a letter of application and the names and contact details of at least three references. Please e-mail your application by 1 December 2016 to L. M. Ophey,
When applying for this position, please refer to vacancy number EWI2016-38.

Enquiries from agencies are not appreciated.

[NL] Elektriciteit maakt menselijk brein gezond

eletriciteit-vonken-pexelsElektriciteit kan bij steeds meer hersenziekten uitkomst bieden. Vooral mensen met verlamming, depressie, Parkinson en chronische pijn hebben baat bij een stroomstoot concludeert UMC Utrecht geneeskundestudent Bart Lutters op basis van zijn wetenschappelijke ontdekkingsreis naar de geneeskrachtige werking van elektriciteit op het brein.

De resultaten staan in zijn boek Vonken in de Meterkast dat deze week wordt gepresenteerd. ,,Het grote publiek heeft geen idee hoe je met een simpele stroomstoot van je klachten kan worden afgeholpen”, stelt Bart Lutters. “Patiënten hebben recht om meer over deze behandelingen te weten zodat ze een weloverwogen behandelkeuze kunnen maken.


Elektriciteit werd al eeuwen geleden, weliswaar op primitieve wijze, succesvol ingezet om hersenziektes te genezen. ,,Nu zijn deze behandelingen in een modern jasje weer terug van weggeweest, aldus Lutters. ,,Simpelweg omdat elektriciteit goed blijkt te werken”. De onderzoeksresultaten liegen er inderdaad niet om. Van elektroshocktherapie blijkt 60% van de depressieve patiënten op te knappen. Met diepe hersenstimulatie verminderen Parkinsonklachten als trillen en spierstijfheid met vijftig procent.
Maar ook veelvoorkomende vormen van hoofdpijn, rugpijn en zenuwpijn reageren goed op stroom. ,,Met de juiste dosering en timing kunnen we met elektriciteit pijn onderdrukken, blinden laten zien, doven laten horen en een groot scala aan hersenziekten behandelen”, aldus Wouter Serdijn, hoogleraar bioelelektronica aan de TU Delft.


Naast het stimuleren van de hersenen kunnen artsen ook elektrische signalen van de hersenen aflezen. Hierdoor is het mogelijk om met gedachten computers en robotarmen aan te sturen. ,,Deze brain-computerinterfaces staan nu nog in de kinderschoenen”, aldus Nick Ramsey, hoogleraar cognitieve neurowetenschappen aan het UMC Utrecht. ,,Maar zullen in de toekomst mogelijk verlamde patiënten helpen om te communiceren en bewegingen uit te voeren.”
Volgens Lutters zijn we al een heel eind op weg. Ons brein is een meterkast, en het is een kwestie van tijd voor we de elektrische eigenschappen van de hersenen zo goed doorgronden dat patiënten werkelijk van hun hersenziekten kunnen worden afgeholpen.

Wat te doen wanneer je lijdt aan ernstige tinnitus?

Foto en artwork: Marleen Serdijn

Foto en artwork: Marleen Serdijn

Regelmatig ontvang ik een noodkreet van mensen die zelf ernstig lijden aan tinnitus (oorsuizen) of iemand in de nabije omgeving hebben die lijden aan deze pijnigende aandoening. Veelal is de vraag dan of ik iets voor hen kan doen. De patiënten zelf zijn vaak ten einde raad.

Ik ben zelf geen arts, maar technisch specialist, en ik kan dus niet veel meer bieden dan een luisterend oor en advies geven over wie hen mogelijk wel zou kunnen helpen. Omdat ik daarbij vaak dezelfde dingen herhaal, dacht ik dat het goed is om een paar suggesties op deze weblog te vermelden.

Dirk de Ridder

In mijn ogen is een van de autoriteiten op het gebied van het begrijpen en behandelen van tinnitus professor Dirk de Ridder. Voorheen was Dirk verbonden aan het Universitair Ziekenhuis Antwerpen, maar sinds 2012 is hij verbonden aan de Dunedin School of Medicine, onderdeel van de Universiteit van Otago in Nieuw-Zeeland. Dirk is in mijn ogen iemand met een groot begrip van het menselijk brein, een uitstekend neurochirurg en expert op het begrijpen en behandelen van tinnitus. Zie:

Image result for Berthold Langguth

Berthold Langguth

Omdat Nieuw-Zeeland nu eenmaal niet naast de deur is en ik graag mensen een bereisbaar alternatief voor zijn kennis en kunde wil aanraden, vroeg ik Dirk wie in Europa een goed aanspreekpunt zou zijn voor mensen met ernstige tinnitus. Hij raadde mij professor Berthold Langguth van de Universiteit van Regensburg in Duitsland aan. Zie:

In Nederland kunt u eventueel terecht bij de KNO-afdeling van Maastricht UMC+: zie

Mijn advies aan tinnitus-patienten die ten einde raad zijn: Laat u vooral niet met een kluitje in het riet sturen of met het magere advies dat u er maar mee dient te leven. Hopelijk gebeurt dit niet bij bovenstaande mensen/groepen.

Tenslotte: tinnitus gaat meestal niet vanzelf over en het is raadzaam om ruim binnen 2 jaar na de eerste pijnlijke en aanhoudende symptomen een behandelend arts te hebben gevonden.

Ik wens u veel succes.

Wouter Serdijn

Wouter A. Serdijn, PhD, F-IEEE

Visiting Honorary Professor
University College London
Department of Electronic & Electrical Engineering
Sensors Systems and Circuits

Full Professor of Bioelectronics
Head Section Bioelectronics
Delft University of Technology

Vonken in de meterkast

De schokkende strijd tegen depressie, Parkinson en andere hersenziekten

VoorkantOns brein is een meterkast, een netwerk van kabels dat het lichaam van stroom voorziet. Soms ontstaat er kortsluiting – kabels slijten, stoppen slaan door – met hersenziekten als gevolg. Op dat moment kan elektriciteit uitkomst bieden. Depressie, Parkinson en chronische pijn; met een stroomstoot kunnen steeds meer mensen van hun klachten worden afgeholpen.

In Vonken in de meterkast laat Bart Lutters ons kennismaken met de fascinerende wereld van de neurostimulatie; van de allereerste vonk tot de nieuwste wetenschappelijke ontwikkelingen. Wie is er ooit op het idee gekomen om een patiënt onder stroom te zetten? Welke ziektes kunnen er met stroom behandeld worden? En wat doet zo’n stroomstoot eigenlijk met onze hersenen? Vonken in de meterkast gaat over elektrische vissen en op-afstand bestuurbare stieren, robotarmen en gereanimeerde ledematen, maar vooral over hoe stroom ons al duizenden jaren beter maakt.

bart_luttersBart Lutters is zijn artsenopleiding aan het afronden (Selective Utrecht Medical Master) en wordt gefascineerd door alles wat met de hersenen te maken heeft. Hij heeft diverse prijzen gewonnen voor zijn onderzoek naar epilepsie en schrijft regelmatig over de geschiedenis van de geneeskunde in onder andere Brain, het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift op het gebied van de neurowetenschappen.

Vonken in de meterkast is vanaf 14 oktober verkrijgbaar in de betere boekhandel, ook online te bestellen via

Wouter Serdijn (hoogleraar bioelektronica aan de TU Delft) heeft middels interviews aan de inhoud van dit boek bijgedragen.

Google wil nu ook data uit je lichaam

Google wil nu ook data uit je lichaam

Bio-elektronica Techbedrijven verzamelen met farmareuzen zeer gevoelige informatie over medische aandoeningen. Ligt die straks bij je baas of je verzekeraar?

MRI-scan van een jongen van 9. Aan het verzamelen en verwerken van medische data kleven privacyrisico’s. Foto ANP

Wouter van Noort, NRC Handelsblad, 7 augustus 2016

Gadgets die werken als medicijnen. Het is de toekomst als een groeiende groep farmacie- en technologiebedrijven zijn zin krijgt. Googles moederbedrijf Alphabet kondigde vorige week een samenwerking aan met farmareus GlaxoSmithKline (GSK) op het gebied van zogeheten bio-elektronica, minuscule implanteerbare apparaatjes die via elektrische signalen ziektes kunnen genezen en voorkomen. Ook Apple en Samsung werken al een tijdje aan bio-elektronica en biosensoren: meetapparaatjes voor lichamelijke functies die je zowel buiten als binnen in je lijf kunt dragen.

Apple en Samsung hebben, net als Google, bovendien steeds nauwere banden met de farmaceutische industrie. Googles zusterbedrijf Verily, dat zich helemaal richt op farmaceutische toepassingen, sloot op andere gebieden al eerder samenwerkingen met Johnson & Johnson en Novartis. Apple werkt ook samen met GSK, en Samsung investeert veel om zelf meer een farmaceutisch bedrijf te worden.

Dat juist bedrijven uit de consumententechnologie ineens zo geïnteresseerd zijn in de farmacie, en vooral in de bio-elektronica, roept interessante vragen op. Met name over privacy: behalve informatie óver mensen, kunnen technologiebedrijven dankzij bio-elektronica straks namelijk ook data verzamelen ín mensen.

„Ik ben er niet gerust op”, zegt Wouter Serdijn, hoogleraar bio-elektronica aan de TU Delft en London University College. „Een bedrijf als Google weet al heel veel van je, en juist als je gegevens uit bio-elektronica combineert met grote hoeveelheden andere data, ontstaan mogelijk interessante inzichten over de gezondheid van individuen.”

Die inzichten kunnen nuttig zijn voor de genezing van bepaalde aandoeningen, maar er zitten ook privacyrisico’s aan. Ook de Haagse technologiedenktank Rathenau Instituut spreekt al jaren zijn zorgen uit over privacygevolgen van geïmplanteerde elektronica.

Wat kunnen techbedrijven nou precies te weten komen ín een lichaam? „Het gaat met de huidige bio-elektronica vooral om de communicatie tussen cellen of bijvoorbeeld informatie over de zuurtegraad in je darmen”, zegt Serdijn. Volgens hem is de informatie die uit bio-elektronica en -sensoren komt op zichzelf commercieel nog niet direct heel bruikbaar. Maar gecombineerd met andere informatie, over bijvoorbeeld lichaamsbeweging, zijn daar mogelijk wel interessante patronen in te ontdekken. „Dan zou je er mogelijk zaken als epileptische aanvallen mee kunnen voorspellen, en misschien wel andere ernstige aandoeningen”, zegt Serdijn. En dat is informatie die je niet altijd wilt delen met je werkgever of verzekeraar.

GSK wil geen details geven over hoe het informatie uit bio-elektronica precies gaat delen met Googles zusterbedrijf Verily. Wel zegt woordvoerder Carien Mulder: „Wij staan honderd procent voor het waarborgen van vertrouwelijke patiënteninformatie, en dat is ook een prioriteit in de nieuwe samenwerking met Verily.” Ze geeft echter geen antwoord op wat er precies is afgesproken over de data die er worden verzameld in het lichaam.

Een woordvoerder van Alphabet kon niet op tijd reageren op vragen van NRC. Wel zei Brian Otis, de technologiedirecteur van Alphabet-dochter Verily, vorige week tegen het Amerikaanse Forbes Magazine dat het zijn bedrijf bij deze samenwerking vooral te doen is om de data. „De uitdaging met bio-elektronica zit ’m uiteindelijk in data. Het uitlezen en interpreteren van de signalen. Natuurlijk heeft Google expertise in het omgaan met grote hoeveelheden data, beslissingen nemen op basis van data en feedback geven aan de gebruiker.”

Google beschikt over enorm veel gegevens over menselijk gedrag. Via de Android-smartphones van het bedrijf verzamelt het ook veel informatie over bijvoorbeeld lichaamsbeweging. Het blijkt bij dit soort big data-toepassingen vaak erg lastig om verbanden tussen gegevens te ontdekken die ook echt bruikbaar zijn. Maar juist een bedrijf als Google is daar heel goed in.

Informatie uit bio-elektronica zou ook bepaald niet de eerste medische data zijn die Google de laatste tijd verzamelt. Via de zoekmachine ziet het bedrijf al jaren welke medische vragen bezoekers stellen. Via zusterbedrijf 23andMe, dat genetische tests ontwikkelt, heeft Google de laatste jaren daarnaast van vele duizenden mensen DNA-informatie verzameld. Onlangs sloot het een samenwerking met de Britse National Health Service voor het analyseren van grote hoeveelheden patiëntengegevens van Britse burgers.

Dat zijn zeer uiteenlopende projecten, met ook zeer uiteenlopende privacyvoorwaarden. Het is niet automatisch zo dat Google met die informatie allerlei gedetailleerde profielen opbouwt die het zomaar kan herleiden tot individuen. Laat staan dat het die zomaar kan doorverkopen, als het bedrijf dat al zou willen. Er gelden voor medische gegevens strengere privacywetten dan voor andere soorten informatie.

Maar de Amerikaanse technologiereus verdient wel veruit het meeste van zijn geld met op maat gemaakte advertenties. En als je advertenties op basis van je zoekgeschiedenis krijgt voorgeschoteld, waarom dan niet op basis van data uit een biosensor die uitwijst dat je binnenkort misschien behoefte krijgt aan een bepaald medicijn?

„Zover is het voorlopig waarschijnlijk nog niet,” zegt hoogleraar Serdijn. „Maar het is wel zaak om dit heel goed in de gaten te houden.”


Apple sloot in juli een samenwerking met Glaxo Smith Kline (GSK) om behandelingen te ontwikkelen voor reuma. GSK gaat daarvoor Apples onderzoekssoftware ResearchKit gebruiken. Dat platform brengt allerlei gegevens samen die Apple over zijn gebruikers verzamelt, bijvoorbeeld over lichaamsbeweging. Die is te meten via de bewegingssensoren in iPhones. Dergelijke sensoren kunnen volgens de twee bedrijven ook worden gebruikt om nauwkeuriger in kaart te brengen hoe reuma het leven van patiënten beïnvloedt.

Googles zusterbedrijf Verily werkt samen met Novartis om een slimme contactlens te ontwikkelen die bloedsuiker meet in het oogvocht van diabetespatiënten. Zo’n lens zou in de plaats kunnen komen van andere manieren om bloedsuikers te meten, bijvoorbeeld van de bloedprikken die nu gebruikelijk zijn.

Telefoonmaker Samsung investeert ook fors in biotech en farmacie, onder meer via Samsung Bioepis en Samsung Biologics.

Bio-elektronica: de medicijnen van de toekomst