CN101800486A - 基于超声供能的共振式可植入微能源装置 - Google Patents
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Abstract
一种生物医学技术领域的基于超声供能的共振式可植入微能源装置，包括：超声发射单元、超声声能接收单元和储能单元，其中：超声发射单元设置于体外，超声声能接收单元和储能单元设置于体内，储能单元和超声声能接收单元相连。本发明体积小，对体内的干扰和影响小，采用共振方式采集发射到体内的超声，能量转换效果高，而且对植入体的方位要求不高，超声传输可避免电磁对生物微器件的干扰，而且声能在体内传输安全。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种生物医学技术领域的装置，尤其涉及的是一种基于超声供能的共振式可植入微能源装置。
背景技术
可植入微机电系统(Implantable MEMS：Implantable Micro-Electro-MechanicalSystems)是指埋置在生物体或人体内进行生物医学诊断和治疗的微机电系统，是MEMS技术和生物医学工程相结合的产物，也是体内医疗器件向微型化、智能化、低能耗发展的重要方向。主要用来测量生命体内的生理和生化参数的长期变化，诊断和治疗某些疾病，也可用来代替功能已丧失功能的器官。可植入式器件不同于体外医疗仪器，植入人体后，能直接接触人体器官和组织，且处于恒温和低干扰的环境下，实现在生命体自然状态下的高精度直接测量和调控。如可植入的血压传感器、人工耳蜗和心脏起搏器等。由于可植入微机电系统具有微小、智能、能耗低等突出特点，已成为生物医学工程中的一个重要的研究领域。
通常植入体内的生物医学系统主要包括：传感器、执行器单元、能量单元、信号处理和通讯单元。植入体内的器件要求低能耗，主要是由于体内供能的限制。能量的供给单元是系统的核心组成部分，它已成为决定器件使用寿命的关键。对于一个植入的系统，使用效果和寿命往往由其供电部件的体积和供电时间所决定。植入式电池是比较传统的能量供给方式，但植入电池最大的缺点是其使用寿命的限制，电能耗尽后必须通过外科手术进行更换。研制一种安全、体积小、寿命长、甚至无需更换的能源是目前体内供能的研究热点。通过超声向体内供能是有效解决方案之一。超声传输可避免电磁对生物微器件的干扰，而且声能在体内传输衰减少，可实现体内深部医疗电子器件供能。
经对现有技术文献的检索发现，Po-Jen Shih，Wen-Pin Weng，Wen-Pin Shih等在《20th IEEE International conference on Micro Electro Mechanical Systems》Kobe，Japan，(《IEEE第20届微机电系统国际会议》)(2007)21-25中发表了：Acousticpolarization for optimized implantable power transmission(声场偏振用于优化植入供能传输)。该技术利用超声波向体内供电，体外为超声发射装置，带有声能吸收天线的压电陶瓷复合结构封装在具有良好生物相容性的软封装内。当对皮下组织施加超声时，声波传到软封装。接收天线接收到超声波后，使与之相连的压电陶瓷产生振动，将机械波转化为电能。该装置的能量传输效率目前很低仅为0.01％。该技术存在的主要问题是：该技术是采用传统的机械加工方法制备的，器件体积较大，对体内的干扰和影响较大；该技术主要靠软封装吸收超声能，并通过天线转化为压电陶瓷的振动，利用压电效应转化为电能，由于借助软封装吸收超声能量转化为电能，其能量转化效率低；由于采用吸收超声能量的方式，其体内超声声能接收部分的方向与超声发射的方向关系很大，只有体内超声声能接收部分直接面向超声发射的方向时，能量传递效果最佳，这对植入体在体内的位置要求很高，也让手术提高了难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于超声供能的共振式可植入微能源装置，利用MEMS技术研制微型可植入的微能源装置，体积小，对体内的干扰和影响小，采用压电振子采集能量，使发射到体内的超声频率与压电振子的固有频率一致，产生共振，其振幅被放大，能量转换效果也随之提高，而且采用共振方式，对植入体的方位要求较低。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：超声发射单元、超声声能接收单元和储能单元，其中：超声发射单元设置于体外，超声声能接收单元和储能单元设置于体内，储能单元和超声声能接收单元相连。
所述的超声发射单元包括：体外电路和超声振子，其中：超声振子设置于体外，体外电路驱动超声振子发射超声。
所述的超声振子是朗之万振子、压电超声振子或者电磁超声振子中的一种。
所述的超声声能接收单元包括：压电振子和振子封装，其中：压电振子接收超声振子发射的超声，压电振子设于振子封装的内部。
所述的压电振子是若干个相互平行排列且尺寸相同的压电悬臂梁。
所述的压电悬臂梁的外部包覆设置聚合物薄膜。
所述的压电悬臂梁包括：顶电极层、压电层、底电极层、二氧化硅基体、硅梁和硅框架，其中：顶电极层、压电层和底电极层依次设置于二氧化硅基体的上表面，硅梁的一端悬空，另一端的上、下表面分别与二氧化硅基体的下表面以及硅框架相连。
所述的压电振子的固有频率和超声振子的频率相同。
所述的压电振子设于振子封装的金属壳内部，金属壳外部包覆设有聚合物薄膜。
所述的压电振子设于振子封装的多孔聚合物的空腔内。
所述的聚合物薄膜具有生物相容性和密封性。
所述的储能单元包括：整流电路、电容和充电电池，其中：整流电路分别与顶电极层和底电极层相连，整流电路、充电电池和电容相互并联。
本发明的工作过程：超声发射单元设置于体外的皮肤表面，并向体内组织发射一定频率的超声。超声声能接收单元的压电振子的固有频率与超声发射单元的发射频率一致时，压电振子产生共振，通过压电效应，将机械振动能转化为交流的电能，储能单元将交流的电能转化为直流电，给体内器械供电。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明体积小，对体内的干扰和影响小，采用共振方式采集发射到体内的超声，能量转换效果高，而且对植入体的方位要求不高，超声传输可避免电磁对生物微器件的干扰，而且声能在体内传输安全。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是超声声能接收单元的主视图；
图3是超声声能接收单元的俯视图；
图4是压电悬臂梁的剖面图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：超声发射单元1、超声声能接收单元2和储能单元3，其中：超声发射单元1设置于体外，超声声能接收单元2和储能单元3设置于体内，储能单元3和超声声能接收单元2相连。
所述的超声发射单元1包括：体外电路和超声振子，其中：超声振子设置于体外，体外电路驱动超声振子发射超声。
所述的超声振子是朗之万振子、压电超声振子或者电磁超声振子中的一种，本实施例选用朗之万振子，在体外向体内组织内发射60KHz频率的超声。
如图2，图3和图4所示，所述的超声声能接收单元2包括：压电振子4和振子封装5，其中：压电振子4接收超声振子发射的超声，压电振子4设于振子封装5的内部。
所述的压电振子4是若干个相互平行排列且尺寸相同压电悬臂梁6，压电悬臂梁6的外部气相沉积包覆设置2微米厚的聚合物派瑞林(Parylene)薄膜。
所述的压电悬臂梁6包括：顶电极层7、压电层8、底电极层9、二氧化硅基体10、硅梁11和硅框架12，其中：二氧化硅基体10的上表面溅射沉积底电极层9，底电极层9上溶胶凝胶有压电层8，压电层8上溅射沉积顶电极层7，二氧化硅基体10的下表面光刻设有硅梁11，硅梁11的底部的一端上光刻有硅框架12，另一端悬空，顶电极层7和底电极层9上键合引线，引线和储能单元3相连。
本实施例中，压电振子4的尺寸是3毫米×3毫米×0.3毫米，压电层的8厚度是1微米，顶电极层7和底电极层9的厚度是150纳米、二氧化硅基10的厚度是1微米，硅梁11的厚度是15微米，压电层8沿其厚度方向极化。
本实施例的振子封装5采用金属壳气密封装，本实施例选用钛壳气密封装。将压电振子4设于振子封装5的钛壳内部，并采用5微米厚的聚合物派瑞林(Parylene)薄膜包裹钛壳。
所述的聚合物派瑞林(Parylene)薄膜具有生物相容性和良好密封性。
所述的压电振子4以共振方式接收由朗之万振子发射的超声，并通过压电效应将振动能转化为电能，压电振子4的固有频率和朗之万振子的发射频率相同为60KHz。
所述的储能单元3包括：整流电路、电容和充电电池，其中：整流电路分别与顶电极层7和底电极层9相连，整流电路、充电电池和电容相互并联。单个压电悬臂梁6共振产生的交流电通过顶电极层7和底电极层9输出到全桥整流电路转化为直流电，并将多个整流后的压电悬臂梁6电压输出串联以提高输出电压，给电容器进行充电，并通过电容器给锂充电电池充电。
实施例2
本实施例的超声振子选用菲涅耳波带电极的压电超声振子，在体外向体内组织内发射60KHz频率的超声。
本实施例的振子封装5采用多孔聚合物非气密封装，是具有良好生物相容性的聚合物硅橡胶，其内有设有空腔，压电振子4设置在振子封装5的多孔聚合物的空腔内。
本实施例的其他实施方式和实施例1相同。
本实施例的压电振子4以共振方式接收由菲涅耳波带电极的压电超声振子发射的超声，并通过压电效应将振动能转化为电能，压电振子4的固有频率和菲涅耳波带电极的压电超声振子的发射频率相同为60KHz。
由于聚合物硅橡胶为多孔材料，体内的组织液可渗入空腔，形成一个体液构成的腔体。由于派瑞林(Parylene)薄膜具有良好的覆盖能力，可将压电振子4与组织液隔离，压电振子4实际上工作在液体环境中。
Claims (9)
1.一种基于超声供能的共振式可植入微能源装置，包括：超声发射单元、超声声能接收单元和储能单元，其中：超声发射单元设置于体外，超声声能接收单元和储能单元设置于体内，储能单元和超声声能接收单元相连；
所述的超声发射单元包括：体外电路和超声振子，其中：超声振子设置于体外，体外电路驱动超声振子发射超声，其特征在于：
所述的超声声能接收单元包括：压电振子和振子封装，其中：压电振子接收超声振子发射的超声，压电振子设于振子封装的内部；
所述的压电振子的固有频率和超声振子的发射频率相同。
2.根据权利要求1所述的基于超声供能的共振式可植入微能源装置，其特征是，所述的超声振子是朗之万振子、压电超声振子或者电磁超声振子中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于超声供能的共振式可植入微能源装置，其特征是，所述的压电振子是若干个相互平行排列且尺寸相同的压电悬臂梁。
4.根据权利要求3所述的基于超声供能的共振式可植入微能源装置，其特征是，所述的压电悬臂梁的外部包覆设置聚合物薄膜。
5.根据权利要求3或4所述的基于超声供能的共振式可植入微能源装置，其特征是，所述的压电悬臂梁包括：顶电极层、压电层、底电极层、二氧化硅基体、硅梁和硅框架，其中：顶电极层、压电层和底电极层依次设置于二氧化硅基体的上表面，硅梁的一端悬空，另一端的上、下表面分别与二氧化硅基体的下表面以及硅框架相连。
6.根据权利要求5所述的基于超声供能的共振式可植入微能源装置，其特征是，所述的顶电极层和底电极层上键合引线，引线和储能单元相连。
7.根据权利要求1所述的基于超声供能的共振式可植入微能源装置，其特征是，所述的压电振子设于振子封装的金属壳内部，金属壳外部包覆设有聚合物薄膜。
8.根据权利要求1所述的基于超声供能的共振式可植入微能源装置，其特征是，所述的压电振子设于振子封装的多孔聚合物的空腔内。
9.根据权利要求5所述的基于超声供能的共振式可植入微能源装置，其特征是，所述的储能单元包括：整流电路、电容和充电电池，其中：整流电路分别与顶电极层和底电极层相连，整流电路、充电电池和电容相互并联。
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