CN101820945A - 用于信号耦合和直流阻断的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种通过使用与其他电子部件组合的多个对称双层电容器耦合低频信号的电路结构的种类和方法，其中信号是从电子设备的一级耦合至另一级，从外界耦合至该级或从该级耦合至外界。使用电容器进行信号传送并阻断直流，而不是储能。使用取代了多个传统电容器的双层电容器可以使信号的传送范围更大且失真极小。本技术尤其适合用于医学装置，包括生物电子刺激器，其中为了信号分量失效时的安全而要求有冗余装置，此时若使用传统组件则可会产生不能接受的失真。

Description

用于信号耦合和直流阻断的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种信号耦合方法和电路结构的种类。尤其是，本发明涉及一种信号耦合的方法和系统，通过用对称碳双层电容器来替代不同传统耦合电路中的传统膜型或片式陶瓷耦合电容器。

背景技术

电容现象已被发现多个世纪。最早的蓄电装置，莱顿(Leyden)瓶，就是简单的电容器。

在其最简单的概念形式中，如图1所示电容器10被看作是两个平行放置的导电极板12a和12b，两者之间有电绝缘空间14。如果每个极板的面积16为S，极板之间的距离18为d，且如果d远小于S的平方根，那么电容器10的电容值C可由下式给出：

C＝εS/d

其中C以法(farad)为单位，其等于施加1伏电压时所储存的电荷库伦值(coulomb)，ε是填充空间14的任何物质的介电常数。对于真空(或近似地对于大多数气体)，介电常数ε₀＝8.849×10^-12法/米。对于其他物质，ε简单认为是ε₀乘以ε_R的结果，其中ε_R是物质的无量纲数字特性。εR通常的范围是，从例如

的全氟碳化物大约为2，大多数塑料或矿物的通常为3～6，铝氧化物为8.8，钽氧化物为30以及蒸馏水为80，直至经过特殊处理形式的钛酸钡约为1200。

如图1a所示，通过两个分别与极板12a和12b连接的导体20a和20b使电容器10与外界进行电连通。因此，在电子线路中用图1b中的符号22表示电容器，以表示两个极板、极板间的空间和引出的导体。几乎不变地，除了上述部件，如图1a中虚线24所示，实际电容器还包括外绝缘套或涂层以防止不需要的电流或漏泄。

从刚刚给出的等式容易看出，电容量随S的增加、ε的增加或d的减少而增加。如图2a中30所示，早期电容器在两极板之间使用真空(或更实际的，空气)，电容值C非常小，大约为几皮法(10^-12法)至几百皮法。这种电容器可使用于频率非常高或电压有几千伏的情形下，但在其他现代低压电子设备中却很少使用。

如图2b所示的下一代电容器，导电极板相互放置得更接近，极板被云母、蜡纸或塑料的薄(通常大约是10^-4米)膜32隔离。通常极板由金属箔构成，且为了紧凑将膜和金属箔轧制在一起。这种结合可增加S、减少d和增加ε并使实际值提高2至3个数量级，从大约1纳法(10^-9法)提高到几百纳法，但是一般会将工作电压降低至几百伏。

铁电陶瓷的发展使被称为片式电容器的新一代电容器成为可能，铁电陶瓷中的大多数以经过特殊处理的钛酸钡为基础。如图2c所示，这种“单片”电容器由陶瓷34和例如钯的金属的交替的薄(大约10^-4米)层构成，两者烧制在一起以形成单个陶瓷片。尽管实际装置小，但是与膜式电容器相比更易制造且更耐用。陶瓷34的ε_R值很大，通常大约是1200，这对必须减小的S进行了补偿，在通常工作电压是10至30伏的情况下可产生几纳法至大约1微法(10^-6法)的实际值。铁电陶瓷还可用于“盘式”电容器，其中陶瓷取代了前例中的材料32，产生更小的电容值但是能工作于更高的电压。

随着进一步发展，出现了图2d中所示的电解电容器，可以容许通过大面积S和非常小的距离d实现小体积的大电容值。此处至少一个极板由例如铝或钽的金属构成，被蚀刻或其他方式处理以使极板表面积最大化，并与电解质36接触。通过应用可控的电流和电压，在表面生成氧化物38的薄(大约10^-6米)层并形成电介质。因为ε_R适当大(但是没有铁电陶瓷中的大)且距离d与机械装配结构中可能的值相比小了数量级，所以在工作电压为几伏至几百伏时可容易地实现1微法(10^-6法)至几千微法的电容值。

通过经济地实现相对大的电容值，电解电容器的发展彻底变革了电子设备。但是，电解电容器的缺陷在于固有的单向性或被极化。这是制造工艺以及金属与电解质的化学反应所造成的。只要所施加的电压与最初用于形成氧化物层的电压具有相同的极性电容器就会具有所期望的功能。但是如果电压反向，就会损坏氧化物层且电容器变为极度泄漏，基本上处于短路。这就要求在使用电解电容器时特别小心，从而限制了其应用于例如储能的场合，储能时所施加的电压始终是相同的、正确的极性。

值得指出的是，如图2e中所示，对电解电容器40的两个、而不是一个极板的处理可生成有近似对称特征的装置。这种对称电解电容器有时使用于信号处理中，例如使用在像滤波器和图形均衡器的低阻抗音频设备中。然而，由于制造的更大复杂性和所带来的相对高的成本，所以对称电解电容器40通常是在别无他选时的最后的办法。更常用的方法就是将两个常规、极化、等值的电解电容器简单地背靠背(back-to-back)串联放置。每个电容器中漏电流沿着其相反方向迅速对电容器公共端充电至足够高的电压以防止进一步反向偏置，且该成对的电容器的功能接近于一个每个组件具有二分之一额定值的单独的对称电容器。

电容器的最新发展是称作“超大容量电容器(ultracapacitor)”、“超级电容器(supercapacitor)”、“双层”或“电化学”(“EC”)电容器，并且这些构成下面描述的本发明的组成部分。这与图2e中所示的电解电容器大体相似，但是取代了金属氧化物层，其依靠在例如碳的半导体和另一材料之间的任何结处出现的表面势垒电位形成它的“电介质”。如图2f所示，当第二材料是电解质36时，势垒因自发形成的“双层”而出现，其中双层的一层由碳42中的移动电子形成，另一层由电解质36中的移动离子形成。施加于该双层上的电压牵引异性电荷分开，从而留下一薄的空白带以形成电介质。

因为该层非常薄，通常小于1纳米(10^-9米)，并且因为活性碳碳体或碳气凝胶的表面积S非常大，所以该类型装置的实际电容值的范围为从最小大约0.05法(50,000微法)直至几法。这种薄度的缺点在于：由于要依靠自身结构和形成电介质的液体，因此就限制此类型单个电容器的最大工作电压不超过2或3伏。对于更高电压，必须将多个单元串联连接。

在早期的双层电容器中，仅使用多孔碳42的一面碳体，电线通过多孔碳后面的金属极板与所述碳体连接，到金属的另一电线上布满特殊处理过的镍44以直接接触电解质。如图2f所示，该装置有类似电解电容器(图2e所示)的特性：仅以一种极性操作，如果施加电压错误则易致破损或毁坏。它所含的镍44也使得其相对昂贵且由于可能释放有毒物而在处置上需要特殊处理。

但是自21世纪初以来，技术的发展使得将碳贴到对称双层电容器46的双极板而不是单极板变得更简单、经济。此类电容器如图2g所示。因而此类电容器适合批量生产并且价格迅速降低。每个单元的工作电压通常是2或3伏，如图2h所示，将两个或更多单元串联成叠层48以获得更高电压。适合印刷电路板安装的小组件的商业批发价格现在已低至大约每只1美元。此系列装置中的一种是ELNA的“Dynacap”DX系列，包括额定电压均在5.5伏的0.047、0.1、0.22、0.33和1.0法的装置。

但是一般都没意识到，新式碳-碳双层电容器48的对称特性的用途远不止储能。可能原因就是例如电解电容器的先前几代高价值电容器几乎都是单向的且容易被反向极性损坏。而由于可以通过碳-电解质结产生双电层，所以不会遭受上述损坏。不管以何种方式破坏它，都能几乎马上再形成。现代对称双层电容器48有两个涂覆有多孔碳的极板，一个极板变得活跃且对一个极性端提供大电容，同时另一个极板基本上为短路，在相反的极性端两者的作用互换。

例如，图3图示了测量的典型ELNA DX-5R5V473“Dynacap”(0.047法、5.5伏)电容器48在标记的“正”向和标记的“反”向上的自放电曲线。在各种情形中，用9伏无线碱性电池通过100欧电阻对电容器48充电，直到所连接的伏特表读数为8.50伏，充分超过Dynacap的最大额定工作电压5.5伏，如图3a中线60所示。然后与电池断开。以不断增加的时间间隔测量电容器电压并以时间的对数绘图。图3a中所示的平滑曲线62和64分别表示标称的“正向”和“反向”数据点。

根据连续数据点间的电压变化，可依下列关系确定内部漏电流：

I_lkg＝CΔV/Δt＝0.047ΔV/Δt

并用对数绘图以示电压函数。如图3b所示，漏电流从点70(额定电压线60之上)附近相对大的值下降至额定电压处的大约40微安，然后到达曲线的平顶处(点72附近)，大约20微安、电压在4至5伏之间。在4伏以下，漏电流再次下降至较低的值(点74附近)。标记的“正向”漏电流值76和标记的“反向”值78之间有差值，但是该差值绝不大于额定工作电压范围的一半。

电容器的一种典型应用是电容耦合。具体地，电容耦合就是利用电路元件之间的电容将电能从一个电路元件传送至另一个电路元件。通常是将电容器与要耦合的信号串联以实现电容耦合。这种电容器就称为耦合电容器。耦合电容器用于连接两个电路，其中只有来自第一电路的交流(AC)信号能通过并传送到下一个电路而直流(DC)则被阻断。该技术可用于在电路互相连接时，避免改变每个电路的DC偏置设定。因此电容耦合也称为AC耦合。

耦合电容器可作为DC断流电容器。电容耦合的缺点在于，由于每个耦合电容器和下一级的输入阻抗构成了高通滤波器并且连续的每个滤波会导致累加滤波，从而降低了包含电容耦合单元的系统的低频性能。因此，对于适当的低频响应，通常耦合电容器必须有足够大的电容以使电抗(在最低频率的效益)远大于下一级的输入阻抗。耦合电容器的不良低频性能会使有大时间常数的A/C电信号传送变得复杂。

现有技术装置，例如美国5,217,009、5,413,596、6,011,994、6,321,119、6,535,767、7,117,034号专利和美国公布的20040267333号申请中描述的生物电子刺激器，都要求使用背靠背(back-to-back)式电解电容器以输出直流断流，其中上述申请的全部内容通过引用并入此处。但考虑到电容器的实际尺寸，在任何给定时间只能使含有少量不平衡电荷的信号耦合成功。即使是在相对短时间内有明显不平衡，信号也可能会失真。

如此，该领域就需要有非常好的低频性能的电容耦合电路。这种低频性能可在信号有大时间常数分量时保持高效的信号传播。还需要可基本阻断直流信号分量的传送但仍能保持令人满意的低频性能的电容耦合。同时，在某些情形中，尤其是医学应用，还需要包含出于安全考虑的系列冗余元件的电容耦合电路。

发明内容

下面描述一种通过使用一个或多个双层电容器耦合低频信号的方法和电路结构的种类，其中信号是从电子设备的一级耦合到另一级、从外界耦合到该级，或从该级耦合到外界。可将该双层电容器与例如电阻的其他应用在电子电路设计中的使用方便、成本低廉的电子元件组合。

本发明的一个重要特征是将紧凑、经济的对称双层电容器使用于信号传输，而有别于用来储能。本方法有利于将来自电子设备的信号引入生物物质中，例如活的人体或动物体、其他有机物、或培养中的细胞或组织。使用双层电容器可对实际尺寸小、成本低的装置提供更大电容值，可容许失真很小的信号在可能更大范围内传输，同时仍然阻断任何明显的直流。

另一重要特征是双层电容器可在信号流的通路上与电容器两个浮空端子连接，而不是如往常的双层电容器至少有一个端子与地或另一个固定电压点连接。这允许信号的交流分量通过电容器从电子设备的一级到另一级、从外界到该级或该级到外界，同时阻断任何直流分量。该特征尤其是对生物电子刺激器和类似的医学装置很重要，在上述装置中施加到活组织上的任何净直流都能引起有害的电解反应。

本发明另一个重要特征是使用串联连接的多个、分立的双层电容器器件，不论每个器件是包含单个单元还是两个或多个的层叠，而保持足够电容以成功耦合。例如，串联连接两个这样的器件。

双层电容器的新式对称将其带入新的应用领域，其中尤其是电容值为1法以下的双层电容器，由于其更大数量级的值，可同样被用于其它非极化电容器会有异常扩展时间特性的场合。例如，当使用非常用的低阻抗或对于某些医学应用必须要最小化失真时，可将此类电容器用于耦合特殊低频交流(A/C)信号，如常规阻抗规格的20Hz或更低，或100Hz范围内的低音频频率。其它低频可包括但不局限于5-15Hz的频带，和0.00056Hz(每15分钟转换，每30分钟一周期，其中的信号生成技术通常参考Borgens关于神经再生长的应用)和低至0.0001Hz的频率。其它低频可包括但不局限于1Hertz(Hz)，1Hertz的1/10、3/10、1/100、3/100、1/1000、3/1000、1/10000、3/10000。但是，其它低频率也未超出本发明的范围。

电容器可将此类低频A/C信号从电子设备的一级耦合到另一级，从外界耦合到该级，或从该级耦合到外界，同时仍然阻断上述信号的任何直流分量，且无需保证特定、不变的极性存在于电容器中。

具体地，应用领域包括耦合电子设备与人或动物体、培养中的细胞、组织或完整有机物之间的低频信号，以用于诊断、治疗、加速生长或愈合、或电子生物和电刺激领域的其它用途，而没有因为长时间暴露在会不慎含有一些直流分量的信号下伴有电解效应的危险。

在美国出售的任何医学装置，美国食品和药物管理局要求在任何可能的信号分量失效的情况下都要保证其安全性。满足此要求的简单方式是“三数法则”，就是通过足以安全运行的三个子分量中任意两个来三重冗余地形成任何关键分量。串联设置的三重冗余输出电容器可用于支持任何医学装置的安全运行，并仍保证较小的信号失真。

或者，在信号电压很大而有要求时，可使用多于三个的分立器件以使所有操作都在额定电压范围内。

本发明另一个重要特征是将双层电容器与相对低值的电阻一起使用以匹配典型生物物质的阻抗，同时保持大时间常数，如7、16、36、120、150、500、1200和1500秒，这里仅列举少许示例。还可包括但不局限于其他值的大时间常数，例如10、30、100、300、1000、3000秒或可能长达1万秒中的一个。

对于被电容耦合于电阻负载中的施加电压或电流的步骤，衰减时间或信号下降至1/e或大约其原始值36.8％的时间，由下式给出

T＝(R₁+R₂+R₃+...)/(1/C₁+1/C₂+1/C₃+...)

其中R₁、R₂、R₃等和C₁、C₂、C₃等是所有串联连接的电阻和电容。如果所有各电阻值以单个等值串联电阻R_S表示，且所有各电容以单个等值串联电容C_S表示，则可由下式简单计算衰减时间

T＝R_SC_S

并因此保持给定的希望的衰减时间，如果R_S下降，则C_S必须按一定比例量增加。在R_S小的情况下，如在多数生物物质或系统中，就要求值大的C_S以满足传输。使用双层电容器，尤其是在冗余“三数法则”结构中，可以保证上述各值的电容器所提供的大时间常数保持足够大，以补偿多个电容器串联连接所造成的损失。

例如，所得的耦合电路可以经济地实现特殊大的时间常数(10、30、100、300、1000、3000秒或可能长达1万秒)和大电荷位移(0.25库(coulomb))，以及因此将特殊低频或包含这种低频分量的信号、尤其是耦合低于20Hz的信号耦合至生物物质中，以用于诊断、治疗或加速生长或愈合，同时仍然阻断信号的任何直流分量。

本部分提供的对电容耦合电路的讨论仅用于说明。通过下文所揭示实施例的详细描述和参考所附附图与权利要求，可以更清楚理解和领会本发明的各方面。此外，基于对下列附图和详细描述的检验，本领域技术人员应清楚明白本发明的其他方面、系统、方法、特征、优点和目标。旨在将所有方面、系统、方法、特征、优点和目标包括在该说明书中，并包括在本发明的范围内，以及被所附权利要求保护。

附图说明

图1a和1b是现有技术中普通电容器的示意图。

图2a～图2h是一组现有技术中利用各种不同技术制造的电容器的示意性横剖面图。

图3a和图3b是说明传统商用双层电容器的自放电特性和计算出的内部漏电流的一对曲线图。

图4是使用冗余电解电容器的现有技术生物电子刺激器的输出部分示意图。

图5是使用根据本发明一个示例性实施例的按照“三数法则(rule ofthree)”的双层电容器重新配置的相同输出部分的示意图。

图6a～图6c是被耦合于标准测试负载中的波形对照图，其使用根据本发明一个示例性实施例的图4和图5的耦合方法来模拟典型生物系统的阻抗。

图7说明根据本发明一个示例性实施例耦合第一电路和第二电路之间信号的双层电容器。

图8说明根据本发明一个示例性实施例耦合第一电路和第二电路之间信号的三个串联双层电容器。

图9是使用根据本发明一个示例性实施例的双层电容器对两个电路之间的A/C电信号耦合处理的逻辑流程图。

参考上述附图可更好理解本发明的许多方面。图中所示的元件和特征不是按比例绘制，重点在于清楚地说明本发明各示例性实施例的原理。此外，可能扩大某些尺寸以有助于视觉上表示这些原理。在附图中，附图标记表示各图中相似或相应但不一定相同的元件。

具体实施方式

本发明能以多种不同形式来实现且不应解释成局限于下文所述的各实施例；更确切地，提供这些实施例是为了使公开内容彻底、完整，并对本领域普通技术人员全面表述本发明的范围。此外，文中给出的所有“示例”或“示例性实施例”并不是用来限制本发明表述所支持的内容。

本发明包括一种方法和电路结构的种类，通过使用一组或优选是多组的复数个双层电容器与例如电阻的其它使用方便、成本低廉的电子元件组合，该方法和电路用于耦合从电子设备的一级至级、从外界到一级或从一级到外界的低频信号。与双层电容器至少一个末端与地或其他固定电压电位相连的传统用法相反，双层电容器可在信号流的通路上与电容器两个浮空端子连接。本发明可应用于生物电子刺激领域，其中将特定强度和波形的信号施加到生物物质中以引出所希望的响应，如加速生长或愈合。

如图4所示，美国6,535,767号专利描述了传统生物电子信号生成装置的输出部分的示例，其全部内容通过引用并入此处。

电路中串联有三个冗余电阻，包括100、102和由开关106的位置所确定的选自电阻104a、104b和104c中的一个。计算所述电阻的值，使得如果它们中任一个因为短路失效，剩余两个电阻与驱动器108和电路其它元件中的其它分布电阻也足以使输出终端110的电流限制在安全标准。但是单个电阻本身不能从直流信号中辨别出交流，因此就不能保证终端110处的信号是满足安全使用的电荷平衡(即，没有D.C.分量)。

二极管103和105对于电路运行不是必须的，是用于提供电流流向的视觉或电子指示。如图中所示105，上述二极管中至少一个是发光二极管(LED)，可以是可见发光二极管或光学隔离器中例如对微处理器提供电子输入的红外线发光二极管。或者，两个二极管103和105都是LED。以如图所示的反平行(非平行)方向设置二极管(其中一只二极管的正极与另一只二极管的阴极相连)的情况下，该对二极管能通过高频信号并与电流成正比地发光。因此就提供了一种同步显示即显示电池被提供足够的运行电压、所有电路块供电正确运行、以及电流适当地流向与终端110连接的负载。

还如图4中所示电容器112a、112b、112c和112d。上述电容器分别形成两个背靠背的对，使得如果它们中任一个失效，则另一个同极相连的单元仍然足以阻断直流输出，从而保证安全运行。

遗憾的是，当电容器如此串联连接时，总电容值由下式给出

C_S＝1/(1/C₁+1/C₂+1/C₃+...)

其中C₁、C₂、C₃等是如此相连的单个电容。当所有单元等值时，等式可简单写成

C_S＝C/N

其中N是单独单元的数目，C是每个单元的值。将四个10微法单元这样连接成串，生成仅2.5微法的串联电容值。将所述电容串与500欧的典型生物负载串联，生成仅1.25毫秒的衰减时间常量，严格限制了所施加的信号和频率的范围。使用大值电容能实现更大的时间常数，因此可在更宽的频率范围内运行，但是却带来尺寸、体积、成本以及重量增加的缺陷。

在图5中，图4中相同的输出耦合部分通过使用根据本发明的双层电容器而被重新调整。至少使用三个这样的电容器114a、114b和114c，由此满足“三数法则”。选择单元的工作电压，以使任何电容器因为短路失效时，剩余单元仍然一起安全阻断任何直流信号分量而不超出它们的额定电压。例如，施加最大9伏的信号时，可使用三个5.5伏双层电容器，例如ELNA DX系列中的电容器，任何两个都足以安全运行。

使用DX系列中的最低值器件，特性如图3所示的DX5R5V473，每个器件电容值为0.047法，因此三个器件组成的电容器串的串联电容值大约为0.0157法，即15,700微法，比图4中相同串的值大6000倍以上。再次通过该串施加信号至500欧的典型生物负载，生成的时间常数是7.83秒。使用来自相同系列或像表1所示的具有标准的、10％公差余量值的其它器件，仍然可以容易地实现大时间常数。例如，大时间常数可包括但不局限于7、16、36、120、150、500、1200和1500秒(如表1所示)中的一个，仅列举少许示例。大时间常数的其他值还可包括但不局限于10、30、100、300、1000、3000秒或可能长达1万秒中的一个。因此，本发明支持的某些时间常数可在10至10000秒的范围内，以及例如100至1000秒的其它范围。

这为低频A/C信号建立了新的宽范围，如在20Hz.至0.0001Hz.，这证实了对生物电子刺激有巨大价值。此外低频还可包括但不局限于1Hertz(Hz)、1Hertz的1/10、3/10、1/100、3/100、1/1000、3/1000、1/10000、3/10000。但其他低频未超出本发明的范围。

表1-电容器值和相关时间常数

信号电容器值(法)	三个串联电容器值(法)	与500欧串联的时间常数(秒)
			0.047	0.0157	7.83
0.10	0.0333	16.7
			0.22	0.0733	36.7

信号电容器值(法)	三个串联电容器值(法)	与500欧串联的时间常数(秒)
			0.33	0.110	50
1.0	0.333	150(2.5分钟)
			3.3	1.10	500(8.33分钟)
10	3.33	1500(25分钟)

例如，由Purdue中心主任Richard Borgens进行的瘫痪研究中指出，可以通过大约每15分钟转换一次极性的频率非常低的方波刺激神经再生长。使用三个串联连接、各电容值为10法的双层电容器，可以允许此类信号导入500欧的典型生物负载中而没有无法接受的信号失真，也不将治疗组织暴露在可能有损害的电解效应下。

本发明生成的低频可包括但不局限于5-15Hz频带以及0.00056Hz(每15分钟转换一次，整个周期30分钟，其中的信号生成技术通常参考Borgens关于神经再生长的应用)和低至0.0001Hz的频率。此外低频还可包括但不局限于1Hertz(Hz)、1Hertz的1/10、3/10、1/100、3/100、1/1000、3/1000、1/10000、3/10000。但其他低频未超出本发明的范围。

图6说明并比较了图4中现有技术输出部分与图5中体现本发明的输出部分的信号耦合特性。图6a中的轨迹120示出了驱动器108的差分输出电压。信号以短且不对称的脉冲序列122的形式施加，然后是均衡脉冲124，其中由于该均衡脉冲近似等于序列122中正负极所耗时间之差，所以恢复电平衡至净电荷零点(不含D.C.)。但是，因为对于实际分量，无法确保其不失效或其它值变化影响平衡，所以为了安全仍然要求电容D.C.断流。并希望，在被处理的生物物质中可以几乎不变地复制轨迹120中的同一电压模式。

现有技术图6b中的轨迹126示出了出现在设于两个终端110之间、代表典型生物负载的500欧电阻上的输出部分的信号。清楚可见，因电容器112a至112d的组合而引起的失真以电压随着序列122的长度下降的形式体现，导致正脉冲的强度随着时间减小而负脉冲强度增加。所有脉冲形状也都明显失真，均衡脉冲124失真尤其显著。

根据本发明一个实施例的图6c中的轨迹128示出了在三个如上所述的双层电容器124a至124c替代电容器112a至112d时的相同信号。正如所见，在施加的电压和负载上出现的电压之间没有检测到失真。

现在参考图7和图8，图7说明了根据本发明一个示例性实施例的耦合第一电路700a与第二电路700b之间的信号710的双层电容器46。导体20a和20b使第一电路700a与耦合电容器46以及耦合电容器与第二电路700b互连。该互连为交流(A/C)电信号710通过双层电容器46从一个电路至其他电路提供了电通路。

电容器46可基本阻断由其耦合的第一电路700a与第二电路700b之间的任何信号710的直流(D.C.)分量。但是，电容器46还能耦合A/C信号710中包含的其它低频能量的相当多的部分，其中电容器46用于在第一电路700a与第二电路700b之间耦合。

双层电容器可包括呈现对称双层特性的任何电容器，例如所说明的两面碳超级电容器46。或者，尽管通常较少期望，但是可将两个相同的、不对称的超级电容器以类似图4中所示的电容器对的背靠背结构的形式来代替所示每个电容器。参照图2g的相关叙述，当由碳42中的移动电子形成一层而电解质36中的移动离子形成另一层时，此类电容器就可实现所期望的双层。通过在该双层上施加的正确极性的电压牵引异性电荷分离，从而留下一薄的空白带以形成电容器的电介质。更一般的是，电介质是以在例如碳的半导体和其他材料之间的任何结处出现的表面势垒电位为基础。

双层电容器还可包括参照图2h所述的层叠电容器48。还可使用图8所示的多个串联设置的电容器。图8所示的电容器可以每个是所示的两层电容器组46，或每个可是每只层叠电容器48有2个、3个或多于3个单元的层叠双层电容器单元组48(见图2h)。串联和/或层叠电容器可在信号通路上提供冗余、在各个单独电容器46有一个或多个失效时保护负载。所述冗余的示例就是上述的“三数法则”。

在示例性实施例中(未图示)，可将电路700a连接至与生物物质连接的两层电容器组46。生物物质可包括活体。活体例如包括组织、培养中的细胞、活的人体、除了人体之外的活的动物和类似活体的其它物质。

尽管说明了图7和图8中所示电容器为平行极板12a和12b电容器，但是它们还可以有本领域已知的任何其它几何或电化学构造，以达到双层超级电容器或超大容量电容器效应。其它几何构造的示例可以是缠绕线圈、同轴极板、层叠极板、径向交错极板、表面被处理过或有纹理以增加表面积的极板。电容器46中的材料可包括例如，碳、硅、天竺葵、砷化镓、掺杂半导体及其组合或其它任何半导体；电解液、气体、格尔(gell)电解质、糊状电解质、固体电解质、电解质基质或任何电解质材料；以及如铜、镍、铝、合金、其它任何导体、金属氧化物、硅氧化物，或任何合金或其组合等的金属或氧化物层。

现在描述图9，该图是使用根据本发明一个示例性实施例的双层电容器对电路和部件之间的A/C电信号耦合处理的逻辑流程图900。该部件可包括另一个电路或生物物质。为使本发明具有上述作用，下文所附所有逻辑流程图中描述的处理过程或处理流程中的某些步骤必须自然先于其它步骤。但是，如果步骤的顺序或次序不改变本发明的作用，则本发明不局限于所描述步骤的顺序。即，应认识到，在不背离本发明的范围或精神的情况下，某些步骤可以先执行或者后执行，或者和其它步骤同时执行。

使用双层电容器来耦合电路和部件之间的A/C电信号的方法900可从步骤910开始，其中将来自第一电路700a的A/C电信号710提供给第一导体20a。

接着，在步骤920中，A/C电信号710沿着第一导体20a传导。该导体可以是第一电路700a和双层耦合电容器46之间的电连通。

接着，在步骤930中，将A/C电信号710从第一导体20a传导至双层电容器46。此处将电容器46作耦合电容器使用。双层电容器46可以是具有双层电容器特性的单个电容器单元，或可以是串联连接的一个或多个此类电容器，或可是一个或多个层叠电容器48。此类双层电容器还可以是已知的超级电容器或超大容量电容器。

接着，在步骤940中，通过双层电容器46耦合A/C电信号710。可将通过双层电容器46耦合A/C电信号认为是传导A/C电信号710的交流分量。

在步骤950中，通过双层电容器46的耦合，A/C电信号710的任何直流(D.C.)分量基本上被阻断。在步骤960中，将A/C电信号从双层电容器46传导至第二导体20b。第二导体20b可与电容器46的第二极板12b电连通。

接着，在步骤970中，A/C电信号710沿着第二导体20b传导。最后，在步骤980中将A/C电信号710从第二导体20b传送至例如图8中的第二电路700b的组件或例如生物物质的部件。所传送的信号应该与步骤910中最初提供的信号基本相似，但是，任何直流(D.C.)分量已基本被双层电容器46阻断。A/C信号的传送可显现出出色的低频性能，并因此有利于传导具有大时间常数分量的信号710。

例如，本发明支持的大时间常数可包括但不局限于7、16、36、120、150、500、1200和1500秒中的一个，这里仅列举少许示例。因此，本发明支持的一些时间常数可在5至7200秒的范围内，和例如150至1200秒的其它范围。本发明支持的低频A/C信号可包括但不局限于频率例如在20Hz.至0.0001Hz范围的信号。

通过双层电容器46耦合A/C电信号的步骤可以比单层电容器30更有效地耦合A/C电信号710的低频分量。

前文描述被认为仅是说明本发明的原理。由于本领域技术人员可以容易地进行大量修改和变换，所以并不将本发明限制为图示和描述的精确结构和操作，相应地，所有适当的修改和等同物都可被认为落入本发明的范围内。因此，本领域技术人员清楚明白在不脱离所附权利要求限定的本发明精神和范围的情况下，可对此处描述的优选实施例做各种变换或替代。此外，仅由所附权利要求对本发明的范围进行限制。

Claims (47)

1.一种耦合电路，其包括：

与第一外围电路进行电连通的第一导体；

与第二外围电路进行电连通的第二导体；以及

位于所述第一导体和所述第二导体之间并用于耦合所述第一外围电路和所述第二外围电路之间的A/C电信号的双层电容元件，该双层电容元件还用于基本上阻断所述A/C电信号的直流分量。

2.如权利要求1所述的耦合电路，其中，所述双层电容元件包括与电解材料接触的半导体。

3.如权利要求1所述的耦合电路，其中，所述双层电容元件包括与电解材料接触的第一半导体和与所述电解材料接触的第二半导体。

4.如权利要求1所述的耦合电路，其中，所述双层电容元件包括多个串联连接的双层电容器。

5.如权利要求1所述的耦合电路，其中，所述双层电容元件包括一个或多个超级电容器。

6.如权利要求1所述的耦合电路，其中，所述A/C电信号包括不平衡电荷。

7.如权利要求1所述的耦合电路，还包括与所述双层电容元件进行电连通的电阻，所述电阻用于改善所述第一外围电路与所述第二外围电路之间的匹配阻抗。

8.如权利要求1所述的耦合电路，还包括电阻，所述电阻和所述双层电容元件用于建立时间常数。

9.如权利要求1所述的耦合电路，还包括电阻，其中所述电阻和所述双层电容元件生成超过10秒的时间常数。

10.如权利要求1所述的耦合电路，还包括电阻，其中所述电阻和所述双层电容元件生成超过30秒的时间常数。

11.如权利要求1所述的耦合电路，还包括电阻，其中所述电阻和所述双层电容元件生成超过100秒的时间常数。

12.如权利要求1所述的耦合电路，还包括电阻，其中所述电阻和所述双层电容元件生成超过1000秒的时间常数。

13.如权利要求1所述的耦合电路，还包括电阻，其中所述电阻和所述双层电容元件生成大约或低于20Hz的频率。

14.如权利要求1所述的耦合电路，还包括电阻，其中所述电阻和所述双层电容元件生成大约在5Hz～15Hz之间的频率。

15.如权利要求1所述的耦合电路，还包括电阻，其中所述电阻和所述双层电容元件生成大约在1Hz的万分之一～1Hz的万分之三之间的频率。

16.一种通过双层电容元件耦合电路和负载之间的信号的方法，该方法包括以下步骤：

向第一导体提供含有交流(AC)分量和直流(DC)分量的信号，

所述信号沿所述第一导体传导至双层电容元件，

通过所述双层电容元件耦合所述信号的AC分量，

通过所述双层电容元件阻断所述信号的DC分量，

将仅含有所述AC分量的信号从所述双层电容元件传导至第二导体，以及

将所述信号从所述第二导体传送至所述负载。

17.如权利要求16所述的方法，其中，所述信号沿所述第一导体传导至双层电容元件的步骤还包括通过单个双层电容器耦合所述信号。

18.如权利要求16所述的方法，其中，所述信号沿所述第一导体传导至双层电容元件的步骤还包括通过多个双层电容器耦合所述信号。

19.如权利要求16所述的方法，其中，将所述信号从所述第二导体传送至所述负载的步骤还包括将所述信号从所述第二导体传送至生物物质。

20.如权利要求16所述的方法，其中，将所述信号从所述第二导体传送至所述负载的步骤还包括将所述信号从所述第二导体传送至另一电路。

21.一种在两个元件之间传导A/C信号的耦合电路，其包括：连接在所述两个元件之间的信号流的通路上的一个或多个双层电容元件，每个电容器包括端子，每个电容器的每个端子相对于地和固定电压之一处于浮空状态。

22.如权利要求21所述的耦合电路，其中，所述两个元件是电子设备的一部分，所述信号流的通路是从所述电子设备的一级至另一级。

23.如权利要求21所述的耦合电路，其中，所述信号流的通路的方向是从外围环境至电子设备。

24.如权利要求21所述的耦合电路，其中，所述信号流的通路的方向是从电子设备至外围环境。

25.如权利要求21所述的耦合电路，其中，所述信号流的通路的方向是从电子设备至生物物质。

26.如权利要求25所述的耦合电路，其中，所述生物物质包括活的人体。

27.如权利要求25所述的耦合电路，其中，所述生物物质包括活的动物体。

28.如权利要求25所述的耦合电路，其中，所述生物物质包括除了人类或动物之外的活的有机物。

29.如权利要求25所述的耦合电路，其中，所述生物物质包括培养中的生物细胞。

30.如权利要求25所述的耦合电路，其中，所述生物物质包括培养中的组织。

31.如权利要求21所述的耦合电路，其中，所述双层电容元件包括多个串联连接的单元。

32.如权利要求21所述的耦合电路，还包括多个双层电容元件，每个所述双层电容元件包括多个串联连接的单元。

33.如权利要求29所述的耦合电路，其中，所述多个双层电容元件包括三个双层电容器。

34.如权利要求33所述的耦合电路，其中，所述多个双层电容元件包括在额定电压范围内工作的双层电容器。

35.如权利要求21所述的耦合电路，其中，所述AC信号伴有包括不平衡电荷量的DC信号分量。

36.如权利要求35所述的耦合电路，其中，所述不平衡电荷量持续一段时间。

37.如权利要求21所述的耦合电路，其中，所述双层电容元件与电阻被一起使用以匹配生物物质的阻抗，同时保持大于6秒的时间常数。

38.如权利要求37所述的耦合电路，其中，所述时间常数大于30秒。

39.如权利要求37所述的耦合电路，其中，所述时间常数大于100秒。

40.如权利要求37所述的耦合电路，其中，所述时间常数大于300秒。

41.如权利要求37所述的耦合电路，其中，所述时间常数大于1000秒。

42.如权利要求37所述的耦合电路，其中，所述时间常数大于3000秒。

43.如权利要求37所述的耦合电路，其中，所述时间常数大于10000秒。

44.如权利要求21所述的耦合电路，其中，所述双层电容元件与电阻被一起使用以生成大约或低于20Hz的频率。

45.如权利要求21所述的耦合电路，其中，所述双层电容元件与电阻被一起使用以生成低于20Hz的频率。

46.如权利要求21所述的耦合电路，其中，所述双层电容元件与电阻被一起使用以生成大约在5Hz～15Hz的频率。

47.如权利要求21所述的耦合电路，其中，所述双层电容元件与电阻被一起使用以生成大约在1Hz的万分之一～1Hz的万分之三的频率。

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