CN103516060B - 适用于磁共振能量耦合的柔性多接收集成立体mems谐振子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于磁共振能量耦合的柔性多接收集成立体MEMS谐振子，采用MEMS平面工艺，在柔性聚合物材料衬底上制备多个谐振线圈，形成了金属导线以斜线并排顺次盘绕的形式构成的多个电感，经组装形成三维立体谐振子；各电感具有完全相同的几何尺寸与制备工艺，因此谐振频率一致。由于本发明具备优良的柔性，形状易于变化的特点，因此可以组装成任意形状缠绕在微型医疗仪器的外壳上，有效的节约了植入式器件的体积。本发明所设计的线圈可利用电镀软磁磁性材料的方法集成设计同轴磁芯，进一步提高能量传输的效率。本发明由于采用斜线交叉的结构，在卷曲组装方向不受力，有效防止电感金属线断裂，可靠性更高。

Description

适用于磁共振能量耦合的柔性多接收集成立体MEMS谐振子

技术领域

本发明涉及磁共振无线能量传输及微型医学植入式器件供电领域。

背景技术

微型植入式医疗仪器是目前医学介入式治疗的主要手段，但是目前大多数植入式医疗仪器都依靠电池供电，需定期手术更换电池，给病患带来极大的痛苦。而且电池供电受到泄漏，体积大，集成度低等问题的限制。无线能量传输技术以无需导线连接生物兼容性好等诸多优势成为最适合植入式医疗仪器供能的方式。

近场无线能量传输包括电磁感应式与磁谐振耦合式。电感耦合式无线能量传输其理论依据是电磁感应定律，该技术传输距离较短（1mm-20cm），传输效率受位置参数影响明显。磁谐振耦合式无线能量传输是利用具有相同谐振频率的谐振体，在相隔一定距离时，以磁场或电场为媒介相互耦合，产生共振，实现能量的传递，其特点是不具有明显的方向性、传输功率适中、传输距离远(几十厘米到几十米，数倍于谐振体的尺寸)、效率高、安全可靠。2007年，Kumar等人提出了基于四线圈的磁谐振无线能量传输系统，其效率与传输距离均优于两线圈系统。但其设计的四线圈系统接收端体积较大，不适合植入式医疗仪器应用。

MEMS技术为磁共振能量传输带来了新的契机，利用MEMS技术可以集成制备微型高密度立体谐振子，进一步减小磁共振能量传输系统的体积，提高能量传输的效率、系统集成性与生物兼容性。

发明内容

本发明提供了基于生物兼容性优良的柔性聚合物材料设计和制备MEMS接收端谐振子的方法，利用MEMS平面工艺集成设计多个谐振子。

本发明采用MEMS平面工艺，在片状的柔性聚合物材料衬底上制备多个谐振线圈，形成了金属导线以斜线并排顺次盘绕的形式构成的多个电感，组成三维立体谐振子。各电感具有完全相同的几何尺寸与制备工艺，因此谐振频率一致，在共振频率下实现磁场的增强，大幅度提高能量传输的效率。电镀阵列式磁芯集成于电感之间，形成同轴结构，组装成三维立体谐振子。

本发明通过缠绕条带状柔性膜的方式将其组装成三维立体谐振子。

由于本发明具备优良的柔性，形状易于变化的特点，因此可以组装成任意形状（方形，圆形、三角形）缠绕在微型医疗仪器的外壳上，有效的节约了植入式器件的体积。本发明所设计的线圈可将单股导线拆分成多股的利兹线结构，将多股的导线两端并联，从而形成利兹线结构电感线圈。利兹线结构线圈可降低交流电阻，提高能量传输的效率。

本发明所设计的线圈可利用电镀软磁磁性材料的方法集成设计同轴磁芯，进一步提高能量传输的效率。

综上，本发明特点在于：

1、两个电感的尺寸和材料完全一致，可以保证在同一个谐振频率下谐振。

2、可以缠绕组装成任意的形状包裹于电子设备的外围。

3、采用斜线交叉的结构，在卷曲组装方向不受力，有效防止电感金属线断裂，可靠性更高。

4、提出了聚合物基制备多层柔性电感的平面工艺。

附图说明

图1：平面交叠两电感示意图。

图2：图1所示的交叠电感剖面示意图。

图3：具有集成磁芯的两电感示意图。

图4：图3所示的具有集成磁芯交叠电感剖面示意图。

图5：两电感集成同轴磁芯的平面立体图。

图6：由平面结构组装的立体谐振子三维图。

图7:两个电感集成谐振子MEMS平面加工工艺流程图。

图8：具有集成磁芯的两电感集成谐振子MEMS平面加工工艺流程图。

具体实施方式

本发明设计的三维柔性谐振子，利用MEMS平面工艺集成设计多个电感(两个或两个以上)，它们具有完全相同的几何尺寸与制备工艺，因此谐振频率一致，在共振频率下实现磁场的增强，大幅度提高能量传输的效率。本发明在附图中所示的是以两组电感制成的谐振子作为实施例，而在实际制作中，根据需要，本发明的谐振子可以由多组电感组成。

现以附图所示的实施例对本发明作详细说明：

参见图1至图6，本发明是由相互绝缘的两组金属导体，以斜线盘绕的形式，并排顺次地制备在柔性聚合物材料（如Parylene或PMMA等）上，形成两电感：电感1和电感2(图1、图2是其示意图)。所述的每一组金属导体可以是单股线结构，也可以是多股的两端并联的利兹线结构。图3、图4显示的是内部具有磁芯的谐振子结构示意图：在两电感之间集成有阵列式电镀磁芯3，形成同轴结构，组成两个电感组成的三维立体谐振子。从图4剖面图可见电感1和电感2的上下层金属和磁芯3的排布关系：电感1和电感2的金属层之间、以及与磁芯3之间，由聚合物材料构成绝缘。电感1和电感2的上下层金属通过聚合物材料边缘处的通孔4连通，构成斜线盘绕形式的三维谐振子。图5为两电感集成同轴磁芯的平面立体图，其具有优良的柔韧性可以组装成图6所示的立体MEMS谐振子，形状可以是圆形、方形、三角形等。

下面以两电感集成平面制备工艺为例，介绍多谐振子集成的器件制备工艺，此工艺步骤可以扩展制备2n（n≥1）个谐振子集成。

实施例一（图7所示）

两电感集成谐振子的制备工艺：

第一步：备片，以双抛硅片作为柔性结构的支撑衬底片5；

第二步：在硅片5表面淀积聚合物6（如Parylene、PMMA等），厚度为5-200微米；

第三步：衬底表面溅射后续电镀金属种子层7，金属为铜、铝或银等，厚度为1000-3000埃；

第四步：在种子层7上涂厚胶层8，胶层8厚度10-50微米；再对胶层光刻，形成电镀厚胶掩膜；

第五步：在光刻的胶槽内电镀下层金属9，形成电感1、2的下层线圈，金属9的厚度约为胶层8厚度的2/3；

第六步：将胶和种子层7一起去除，淀积聚合物6（厚度为5-200微米）（Parylene、PMMA等），形成介质层；

第七步：采用CMP或刻蚀的方法平坦化聚合物；

第八步：光刻蚀上下层连接的通孔4；

第九步：表面溅射后续电镀种子层7；

第十步：涂厚胶层8，在厚胶层8上光刻，形成电镀的厚胶掩膜；然后再与第四、五步相同，电镀上层金属9，形成电感1、2的上层线圈；上下层金属9的厚度相同；

第十一步：去胶和种子层7，并淀积聚合物6；

第十二步：去除衬底5，组装器件，最后将其制成各种形状的立体MEMS谐振子；形状可以是圆形、方形、三角形等（如组装成图6所示的圆形立体MEMS电感）。

第九步后的聚合物6、种子层7、厚胶层8等与上面步骤中的同样材料厚度相同。

为了进一步优化谐振子的性能，本发明提出一种集成同轴磁芯的多谐振子增强方案，如图3-5所示，将磁芯通过电镀集成制备于两电感中间，进一步增强能量传输的效率，本方案亦可扩展为2n（n≥1）个电感集成的谐振子。

实施例二（图8所示）

带同轴磁芯的两电感集成谐振子的制备工艺：

第一步：备片，以双抛硅片作为柔性结构的支撑衬底片5；

第二步：在硅片表面淀积聚合物6（如Parylene、PMMA等），厚度为5-200微米；

第三步：衬底表面溅射后续电镀金属种子层7，金属为铜、铝或银等，厚度为1000-3000埃；

第四步：在种子层7上涂厚胶层8，厚胶层8厚度10-50微米；然后对胶层光刻，形成电镀厚胶掩膜；

第五步：在光刻的胶槽内电镀下层金属9，形成电感1、2的下层线圈，金属9的厚度约为胶层8厚度的2/3；

第六步：将厚胶和种子层7一起去除；

第七步：淀积聚合物6（Parylene、PMMA等），形成介质层；

第八步：采用CMP或刻蚀的方法平坦化聚合物，光刻刻蚀出上下层金属互联的通孔4；

第九步：表面溅射后续电镀种子层7；涂厚胶层8，厚度10-50微米，在厚胶层8上光刻，形成电镀的厚胶掩膜；

第十步：电镀上层金属9，形成电感1、2的上层线圈；上下层金属9的厚度相同；

第十一步：去除光刻后的上层厚胶,再涂厚胶10-50微米，光刻厚胶，形成电镀磁芯材料10的厚胶掩膜8；

第十二步：去除厚胶，在种子层7上重新涂厚胶10-50微米，并光刻形成电镀磁芯的厚胶掩膜，然后电镀磁芯10；

第十三步：去除胶和种子层7；

第十四步：淀积聚合物6，厚度为5-200微米；

第十五步：去除支撑硅片5，组装谐振子。

最后可将其制成各种形状的立体MEMS谐振子；其形状可以是圆形、方形、三角形等。

Claims (7)

1.适用于磁共振能量耦合的柔性多接收集成立体MEMS谐振子的制备工艺，其特征在于：采用MEMS平面工艺，在柔性聚合物材料衬底上制备多个谐振线圈，形成了金属导线以斜线并排顺次盘绕的形式构成的多个电感，组成三维立体谐振子；各电感具有完全相同的几何尺寸与制备工艺，因此谐振频率一致；在阵列式电镀磁芯集成于电感之间，形成同轴结构，组成三维立体谐振子；所述的MEMS谐振子的制备工艺的具体步骤是：

第一步：备片，以双抛或单抛硅片作为柔性结构的支撑衬底片；

第二步：在硅片表面淀积聚合物；

第三步：衬底表面溅射后续电镀金属种子层；

第四步：在种子层上涂厚胶层；再对胶层光刻，形成电镀厚胶掩膜；

第五步：在光刻的胶槽内电镀下层金属，形成数个电感的下层线圈；

第六步：将胶和种子层一起去除，淀积聚合物，形成介质层；

第七步：采用CMP或刻蚀的方法平坦化聚合物；

第八步：光刻并刻蚀上下层连接的通孔；

第九步：表面溅射后续电镀种子层；

第十步：涂厚胶层，在厚胶层上光刻，形成电镀的厚胶掩膜；然后再与第四、五步相同，电镀上层金属，形成电感的上层线圈；

第十一步：去胶和种子层，并淀积聚合物；

第十二步：去除支撑硅片衬底，组装器件，最后将其制成各种形状的立体MEMS谐振子。

2.根据权利要求1所述的MEMS谐振子的制备工艺，其特征在于：

第二步中，聚合物为Parylene、PMMA，厚度为5-200微米；

第三步中，金属为铜、铝或银，厚度为1000-3000埃；

第四步中，厚胶层厚度为10-50微米；

第五步中，金属的厚度约为胶层厚度的2/3；

第六步中，聚合物为Parylene、PMMA，厚度为5-200微米；

第十步中，上下层金属的厚度相同。

3.适用于磁共振能量耦合的柔性多接收集成立体MEMS谐振子的制备工艺，其特征在于：采用MEMS平面工艺，在柔性聚合物材料衬底上制备多个谐振线圈，形成了金属导线以斜线并排顺次盘绕的形式构成的多个电感，组成三维立体谐振子；各电感具有完全相同的几何尺寸与制备工艺，因此谐振频率一致；在阵列式电镀磁芯集成于电感之间，形成同轴结构，组成三维立体谐振子；所述的MEMS谐振子的制备工艺的具体步骤是：

第一步：备片，以双抛或单抛硅片作为柔性结构的支撑衬底片；

第二步：在硅片表面淀积聚合物；

第三步：衬底表面溅射后续电镀金属种子层；

第四步：在种子层上涂厚胶层；然后对胶层光刻，形成电镀厚胶掩膜；

第五步：在光刻的胶槽内电镀下层金属，形成数个电感的下层线圈；

第六步：将厚胶和种子层一起去除；

第七步：淀积聚合物，形成介质层；

第八步：采用CMP或刻蚀的方法平坦化聚合物，光刻刻蚀出上下层金属互联的通孔；

第九步：表面溅射后续电镀种子层；涂厚胶层，在厚胶层上光刻，形成电镀的厚胶掩膜；

第十步：电镀上层金属，形成电感的上层线圈；

第十一步：去除光刻后的上层厚胶,再涂厚胶，光刻厚胶，形成电镀磁芯材料的厚胶掩膜；

第十二步：去除厚胶，在种子层上重新涂厚胶，并光刻形成电镀磁芯的厚胶掩膜，然后电镀磁芯；

第十三步：去除胶和种子层；

第十四步：淀积聚合物；

第十五步：去除衬底，组装器件，最后可将其制成各种形状的立体MEMS谐振子。

4.根据权利要求3所述的MEMS谐振子的制备工艺，其特征在于：

第二步中，聚合物为Parylene、PMMA，厚度为5-200微米；

第三步中，金属为铜、铝或银，厚度为1000-3000埃；

第四步中，厚胶层厚度10-50微米；

第五步中，金属的厚度约为胶层厚度的2/3；

第七步中，聚合物为Parylene、PMMA；

第九步中，厚胶层厚度10-50微米；

第十步中上下层金属的厚度相同；

第十一步中，厚胶厚度为10-50微米；

第十二步中，厚胶厚度为10-50微米；

第十四步中，聚合物厚度为5-200微米。

5.一种适用于磁共振能量耦合的柔性多接收集成立体MEMS谐振子，其特征在于：柔性聚合物材料衬底上制备有多个谐振线圈，形成了金属导线以斜线并排顺次盘绕的形式构成的多个电感；各电感具有完全相同的几何尺寸；在两电感之间集成阵列式电镀磁芯，形成同轴结构，组成三维立体谐振子。

6.根据权利要求5所述的MEMS谐振子，其特征在于：立体MEMS谐振子形状是圆形、方形或三角形。

7.根据权利要求5所述的立体MEMS谐振子，其特征在于：所述电感的每一组金属导体是单股线结构，或是多股的两端并联的利兹线结构。