CN103795291A - 微型植入式超声共振无线能量传送接收器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器及其制备方法，该接收器由超声换能器模块与支撑框架组成，超声换能器模块是将压电材料以导电方式键合于硅基底上，通过精细机械打磨技术控制压电薄膜厚度，硅基底背面通过刻蚀方式制作与压电膜耦合的共振腔，通过控制压电膜的厚度与硅共振腔的参数来匹配不同的超声频率；支撑框架是由生物相容材料浇铸而成的立体中空框架，用以安装超声换能器模块，通过将共振薄片安置在不同外形结构的框架上能实现体内无死角的超声能量传输。本发明可以实现体内植入式电子设备的体外无线能源供应，且该能量传输方案受体内设备埋入深浅的影响小，对人体无伤害且没有发射端位置对准的要求。

Description

微型植入式超声共振无线能量传送接收器及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种可植入式微型器件，具体地说，涉及的是一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器及其制备方法。

背景技术

植入式医疗电子装置（IMDs）是指埋置与人体内部的微型医疗电子设备，它是生物医学技术发展最快的分支之一。但是随着IMDs的应用的普及，长期植入式装置的使用寿命与病患者的寿命之间的不匹配成为制约植入式装置发展的主要因素。而制约植入式装置寿命的主要因数则是能源的供应，目前国际上应用最广泛的方式是采用电池集成化，但是某些装置的体积（微型）限制了电池的应用同时电池本身能量的衰减也导致其真实使用年限远远低于其设计寿命。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波，通常以纵波方式在弹性介质内传播。超声波是一种公认的对人体无害的机械振动波，并且通过频率调节（安全范围内）可在人体能畅通无阻的传递且对人体没有任何损伤，并且具有能量损失小，导向性高等优点被广泛的应用于医学检测领域。

目前国际上已经开始关于应用超声波为媒介对体内植入式装置进行供能的研究。经对现有技术文献的检索发现Ozeri S,Shmilovitz D，“Ultrasonictranscutaneous energy transfer for powering implanted devices”,Ultrasonics,50(6):556-66,(2010).该文提及了一种应用超声波为媒介的体内供能方案，该方案中应用大块的圆形压电陶瓷作为接收器元件。这种能量传输方式是利用超声波在体内组织传播所产生的声压力正面作用于压电材料上而获取电能。但是由于采用的压电材料体积较大，因此对超声压力以及要求高，则需要超声介质波具有较高的频率和声强，容易对人体组织产生不利影响。同时声压接受器件与发射器件需要非常高的同轴向性，如偏离中心轴能量传递效率快速衰减。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提出了一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器及其制备方法，用以减小传感器体积从而实现传感器的微创手术植入并且降低接收器在体内工作时受超声方向性的影响。

根据本发明的一个方面，提供一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器，所述接收器由两部分组成，第一部分为超声换能器模块，其利用半导体微加工技术将压电材料以导电方式键合于硅基底上，通过精细机械打磨技术控制压电薄膜厚度，硅基底背面则通过刻蚀方式制作与压电膜耦合的共振腔，通过控制压电膜的厚度与硅共振腔的参数来匹配不同的超声频率；第二部分为支撑框架，其由生物相容材料浇铸而成的立体中空框架，用以安装超声换能器模块，通过将超声换能器模块安装在不同外形结构的框架上能实现体内无死角的超声能量传输。

优选地，所述超声换能器模块包括：带有共振腔的硅基底、压电材料、贵金属上下引出电极，其中：所述带有共振腔的硅基底的背面设有共振腔，所述压电材料粘贴于带有共振腔的硅基底的正面上，所述贵金属上下引出电极从所述压电材料上下面上引出，即底面金属电极和顶电极。

优选地，所述超声换能器模块进一步包含频率调节质量块，所述频率调节质量块粘贴于带有共振腔的硅基底背面共振腔内的中心处；所述频率调节质量块为圆柱状或矩形鉬镍合金块，采用电镀方式制备，但不局限于鉬镍合金，以及其制备方式也不局限于电镀；通过将不同质量的合金块粘贴于硅共振腔内的硅膜中心处实现其共振频率的控制。

优选地，所述带有共振腔的硅基底是指在硅基底上正对键合的压电材料的背面通过刻蚀方式制备的对应设计共振频率的凹腔，即共振腔。

优选地，所述压电材料选用厚200～400微米的压电陶瓷材料切割成4mm×4mm的小块但不限于以上尺寸，采用导电树脂粘贴到已经制备好下引出电极的硅基底上，然后以机械打磨方式减薄，但不局限于压电材料，也可采用压电聚合物材料如PVDF或者通过多次叠加溅射的方式在下引出电极上制备压电薄膜。

优选地，所述贵金属引出电极为黄金或者铂金材料，通过铬金溅射或者铬铂金溅射的方式分别在带有共振腔的硅基底上制备下电极和在压电薄膜上对应位置制备上电极。

优选地，所述支撑框架为特定几何结构的PDMS材质的支架，该支撑框架为空腔结构能嵌入超声换能器模块，内部填充医用凝胶后实现外部振动的传导，在支撑框架外部化学气相沉积一层Parylene C密封薄膜，在Parylene C薄膜外包裹一层PDMS作为生物相容保护；所述特定几何结构为正六面体、正梯形，但不局限于以上形状。

优选地，所述超声共振无线能量传输接收器整体尺寸为7±4mm×7±4mm，厚0.5±0.1mm，共振腔可以为矩形或者圆形直径或者边长为4±2mm，共振腔刻蚀余量厚度为0.06±0.04mm，压电材料外形可以为矩形或者圆形，其尺寸略大于背面共振腔尺寸，厚度为4.1±2mm。

本发明所述共振是指超声换能器模块中的压电材料与外部特定频率的超声振波发生共振。

本发明所述无线能量传送是指体外发射设备将电能转换为超声波以纵波形式在人体组织内传播，处于波传导路径中的接收器将部分机械波还原为电能。

本发明中的最大结构特征在于将由传统微机电系统（MEMS）加工工艺制备的平面超声换能器模块以立体的方式装配，制成立体多面的超声传感器。这种外部包覆有生物相容性材料的超声接收器能够直接驱动植入式芯片或者为其电池冲能。其无线冲能过程是以如下方式实现的：首先将具有特定频率的超声发射头通过超声油耦合与人体皮肤表面，方向大致朝向植入有微型植入式超声共振无线能量传送接收器的位置并启动超声发射；而位于皮下的通过立体装配的超声换能器模块能够敏感来自各个方向的超声波，而不是仅仅来自正对位置的超声。通过本发明制备的超声换能器模块能够直接被超声声压引发震动的同时也能够通过外部环境的振动实现共振，因此位于不同位置的传感器都能同时工作，提高了能量传送的效率。

根据本发明的另一方面，提供一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器的制备方法，该方法选用半导体加工中常用的双抛光双面氧化硅片，在硅片背面对二氧化硅层刻蚀窗口作为刻蚀硅所采用的掩膜，在正面氧化层上通过光刻/溅射工艺制备底面金属电极；用导电胶将压电材料粘贴于硅片电极上，并施加压力在高温真空环境中固化胶水；采用湿法腐蚀或者物理研磨方式减薄压电材料至设计厚度后在其上溅射上引出电极，最后对硅片背面采用湿法腐蚀共振腔，部分器件需要在共振硅膜上粘贴频率调节质量块；最后用生物相容聚合物材料制作成三维立体支架安装共振接收器。

本发明涉及上述超声共振无线能量传输接收器的制备方法，包括以下步骤：

第一步、清洗并烘烤硅片基底

优选地，所述硅片为双面抛光双面氧化硅片。

优选地，所述清洗并烘烤硅片基底，具体是用丙酮溶液擦拭硅片待加工表面后再用酒精溶液擦拭，最后用去离子水冲净表面并在在100-300℃下恒温烘烤2～6小时。

第二步、在烘烤后的硅片表面旋涂光刻胶，然后通过光刻制备图形掩膜

优选地，所述光刻胶为AZ系列正胶，胶层厚度为4-20μm，对涂有光刻胶的位置进行曝光，然后采用AZ-400K显影液显影40-200秒去除曝光区域的光刻胶。

第三步、将未制备图形的硅片正面氧化层甩胶保护、烘烤、刻蚀

优选地，所述氧化层保护是采用与二氧化硅刻蚀溶液不发生反应的材料对硅片背面的氧化膜进行密封保护，可以采用AZ系列的胶水旋涂保护；光刻胶旋涂后需在70-130℃条件下恒温2-4小时固化。

优选地，所述刻蚀是用氢氟酸缓冲液腐蚀未被胶层保护的二氧化硅，刻蚀条件为20-50恒温水浴环境反应6-10分钟。

第四步、在硅片背面旋涂光刻胶并光刻，之后溅射底面金属电极

优选地，所述硅片正面旋涂光刻胶并光刻为第三步刻蚀完成后，用丙酮溶去除正面的胶保护层后重复第一到第二步工艺，制备溅射电极图形掩膜。

优选地，所述溅射金属电极为：先溅射

钛金属粘着层，然后再溅射

的黄金或铂金电极。

第五步、将压电材料通过粘接剂加压固化于底面金属电极上并减薄

优选地，所述压电材料为D31型压电陶瓷或者是压电晶体或者是PVDF材料，但不限于以上材料。

优选地，所述粘接剂为导电树脂胶水，如DAD-9HM2导电胶水，但不限于该种胶水。

优选地，所述加压固化，具体是在真空环境中施加静态压力于压电材料之上，施压两面需光洁平滑，使压电材料紧贴于底面金属电极之上；然后在150-210℃下恒温2-4小时排除胶水中气泡，再于150-210℃恒温2-4小时后固化。

优选地，所述减薄具体是将材料通过化学或物理方法将厚度调整到设计尺寸；该尺寸一般为40±30μm，但不限于该尺寸。

优选地，所述物理打磨利用机械磨盘匀速磨削压电表面，磨料分为粗磨磨料（40±10μm粒径的金刚砂）和细磨磨料（8±2μm粒径的金刚砂），使用粗磨磨料打磨到离目标尺寸厚度为20±5μm时更换细磨磨料，但不限于以上参数。

第六步、在减薄后的压电材料表面进行顶电极制作

优选地，所述顶电极制作与底面金属电极制备工艺类似：在减薄后的压电材料表面先甩胶光刻制备掩膜图案，然后溅射

的金属粘着层，所述粘着层金属为钛，接着再溅射

的黄金或铂金电极。

第七步、在硅片背面进行共振腔体刻蚀

优选地，所述硅腔体刻蚀，具体是采用KOH溶液对硅片背面进行刻蚀制备共振腔体，刻蚀采用70±20℃的恒温水浴。

第八步、频率调节质量块安装

优选地，所述频率调节质量块用环氧树脂胶水粘贴固定在背面共振凹腔内的共振薄膜中心处。

第九步、超声换能器模块立体装配于支撑框架上

优选地，所述立体装配是将片状超声换能器模块组装成具有3D外形尺寸的立体传感器，其具体组合方式依据设计要求而定，一般采用立方体结构或者凸面结构，但不限于该种组装方式；所述特定几何结构为正六面体，正梯形，但不局限于以上形状。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明制备基于超声共振方式的无线能量传输接收器用于人体植入式器件的体外超声供能，实现了体内植入式器件的长期稳定能源供应。同时相比其他供能方式，该超声换能具有微尺寸以实现微创手术植入同时该种器件不受超声方向性的影响，无需超声聚焦。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例1超声换能器模块整体示意图；

图2为本发明实施例1背面共振腔示意图；

图3为本发明实施例1装配后立体器件示意图；

图4为本发明实施例2超声换能器模块整体示意图；

图5为本发明实施例2为背面共振腔示意图；

图6为本发明实施例2为装配后立体器件示意图；

图7为本发明实施例3超声换能器模块整体示意图；

图8为本发明实施例3背面共振腔示意图；

图9为本发明实施例3为装配后立体器件示意图；

图中：1为硅基底，2为底面金属电极，3为导电胶层，4为压电材料、5为顶电极，6为频率调节质量块，7为聚合物结构框架，8为超声换能器模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

如图1、2、3所示，本实施例中，所述超声换能器模块8为矩形压电材料4和对应位置的背面矩形共振腔，并在共振腔内膜上安装有调节器件固有频率的频率调节质量块6。

如图3所示，本实施例包括多个超声换能器模块8，以及用于安装超声换能器模块8的聚合物结构框架7。

如图1所示，本实施例中，所述超声换能器模块8包括：带有背面共振腔的硅基底1（矩形）、矩形压电材料4通过导电树脂键合于硅基底1上、上下引出电极采用溅射方式制备（即底面金属电极2和顶电极5）。该实例中器件整体尺寸为5±2mm×6±2mm，厚度500±200μm，共振腔尺寸为4±2×4±2mm，硅基底1刻共振腔蚀后的余量40±20μm，压电材料4尺寸为5±2×5±2mm，厚40±20μm。

如图2所示，本实施例中，所述硅基底1上进一步设有频率调节质量块6，频率调节质量块6为矩形镍合金，尺寸为0.5±0.3mm×0.5±0.3mm×0.5±0.3mm。

如图3所示，本实施例中，所述聚合物结构框架7为正六面体支撑结构的立体支架，边长为7±2mm，采用PDMS材料制作，但不限于该种材料。本实施例将超声换能器模块8装配成立方体结构，其内部中心填充医用凝胶，该结构在保证了各个超声换能器模块8相对立体空间位置的前提下尽可能的降低整体空间尺寸，无需外部发射声源的聚焦。同时具有共振腔的超声换能器模块8能够在被直接声压驱动并且在声场中产生共振，提高能量的转化效率。

本实施例所述的一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器的制备方法是通过以下步骤进行制备：

第一步、清洗并烘烤硅片基底；

所述硅片为双面抛光双面氧化硅片，硅片厚度为0.4±0.1mm但不限于该尺寸。

所述清洗是指用丙酮溶液擦拭硅片待加工表面后再用酒精溶液擦拭，最后用去离子水冲净表面。

所述烘烤为在200±100℃下恒温烘烤4±2小时。

第二步、在烘烤后的硅片表面旋涂光刻胶，然后通过光刻制备图形掩膜；

所述光刻胶为AZ系列正胶，胶层厚度为12±8μm，对涂有光刻胶的位置进行曝光，然后采用AZ-400K显影液显影120±80秒去除曝光区域的光刻胶。

第三步、将未制备图形的硅片正面氧化层甩胶保护、烘烤、刻蚀；

所述氧化层保护是采用与二氧化硅刻蚀溶液不发生反应的材料对硅片背面的氧化膜进行密封保护，可以采用AZ系列的胶水旋涂保护；光刻胶旋涂后需在100±3℃条件下恒温3±1小时固化。

所述的刻蚀是用氢氟酸缓冲液腐蚀未被胶层保护的二氧化硅，具体是HF：H₂O：NH₄F=28ml:170ml:13g，但不限于该种配比；刻蚀条件为35±15℃恒温水浴环境反应8±2分钟。

第四步、在硅片正面旋涂光刻胶并光刻，之后溅射底面金属电极2；

所述硅片正面旋涂光刻胶并光刻为第三步刻蚀完成后，用丙酮去除正面的胶保护层后重复第一步与第二步工艺，制备溅射电极图形掩膜。

所述底面金属电极2为先溅射

铬铜金属粘着层，然后再溅射

的黄金或铂金电极。

第五步、将压电材料4通过粘接剂加压固化于底面金属电极2上并减薄；

所述压电材料4厚度为200±100μm，外形为矩形长宽为15±10×15±10mm。

所述粘接剂选用DAD-9HM2导电胶水。

所述加压固化具体是在真空环境中施加3±1Kg压力于压电材料4之上，施压两面需光洁平滑，使压电材料4紧贴于底面金属电极2之上；然后在120±30℃下恒温3±1小时排除胶水中气泡，再于180±30℃恒温3±1小时后固化。

所述减薄，具体是将压电材料4通过机械磨盘打磨至40±30μm。

所述物理打磨利用机械磨盘以特定转速匀速磨削压电材料4表面，磨料分为粗磨磨料（40±10μm粒径的金刚砂）和细磨磨料（±2μm粒径的金刚砂），使用粗磨磨料打磨至80±5μm时更换细磨磨料打磨到50±5μm。

第六步、顶电极5制作

所述顶电极5的制作与底面金属电极2制备工艺类似：在减薄后的压电材料4表面先甩胶光刻制备掩膜图案，然后溅射

的金属粘着层，所述金属粘着层为铬铜，接着再溅射

的黄金或铂金电极。

第七步、硅腔体刻蚀

所述硅腔体刻蚀，具体是采用KOH溶液对硅片背面进行刻蚀制备共振腔体，KOH溶液配比为KOH：H₂O=44：100（质量比），刻蚀采用恒温70±20℃水浴，共振腔刻蚀余量为40±20μm。但该配比不限于以上参数。

第八步、安装频率调节质量块6

所述频率调节质量块6为鉬镍合金，采用电镀方式制备，尺寸为0.5±0.3mm×0.5±0.3mm×0.5±0.3mm；并将该频率调节质量块6用环氧树脂胶水粘贴于背面共振腔中心处。本实施例中采用LOCTITE的E-120HP胶水。

第九步、超声换能器模块8立体装配于支撑框架上

所述聚合物结构框架7为正六面体结构，采用PDMS作为框架制备材料，边长为7±2mm，将超声换能器模块8贴于每个框架侧面后表面再用Parylene和PDMS做生物相容性处理。

这种正六面体结构的超声传感器组装方式，主要应用于人体腹部等多脂肪的位置，该种位置可植入空间余量大，但由于脂肪组织较松散，器件在皮下滑动或则翻滚的可能性较大。因此这种六面全部带有超声接收模块的组装方式无论器件以任何方式植入都能够保证有2到3个超声模块直接在声压下工作，其余则产生受迫共振工作。

实施例2：

如图4、5、6所示，本实施例中，所述超声换能器模块8采用圆形压电材料4和对应的圆形共振腔，并在共振腔内贴有具有调节器件固有频率的频率调节质量块6。

如图4所示，本实施例所述超声换能器模块8整体尺寸为5±2mm×6±2mm，厚度500±200μm，共振腔直径4mm；所述硅基底1刻共振腔蚀后的余量40±20μm，压电材料4薄膜直径5±2mm，厚40±20μm；如图5所示，所述频率调节质量块6为柱状镍合金，尺寸为直径0.5±0.2mm，高4±2mm；如图6所示，所述聚合物结构框架7为梯形凸台结构，高2±1毫米，采用PDMS材料制作，但不限于该种材料。

本实施例将超声换能器模块8装配成梯形凸台结构，其内部中心填充医用凝胶，该结构多应用于体表较为平坦的植入式部位，有效的增大了接收面积，同样无需外部发射声源的聚焦。同时具有共振腔的超声换能器模块8能够在被直接声压驱动并且在声场中产生共振，提高能量的转化效率。

本实施例所述的一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器的制备方法是通过以下步骤进行制备：

第一步、清洗并烘烤硅片基底；

所述硅片为双面抛光双面氧化硅片，硅片厚度为0.4±0.1μm，但不限于该尺寸。

所述清洗是指用丙酮溶液擦拭硅片待加工表面后再用酒精溶液擦拭，最后用去离子水冲净表面。

所述烘烤为在200±100℃下恒温烘烤4±2小时。

第二步、在烘烤后的硅片表面旋涂光刻胶，然后通过光刻制备图形掩膜；

所述光刻胶为AZ系列正胶，胶层厚度为12±8μm，对涂有光刻胶的位置进行曝光，然后采用AZ-400K显影液显影120±80秒去除曝光区域的光刻胶。

第三步、将未制备图形的硅片正面氧化层甩胶保护、烘烤、刻蚀；

所述氧化层保护是采用与二氧化硅刻蚀溶液不发生反应的材料对硅片背面的氧化膜进行密封保护，可以采用AZ系列的胶水旋涂保护；光刻胶旋涂后需在100±3℃条件下恒温3±1小时固化。

所述刻蚀是用氢氟酸缓冲液腐蚀未被胶层保护的二氧化硅，具体是HF：H₂O：NH₄F=28ml:170ml:13g，但不限于该种配比；刻蚀条件为35±15℃恒温水浴环境反应8±2分钟。

第四步、在硅片正面旋涂光刻胶并光刻，之后溅射底面金属电极2；

所述硅片正面旋涂光刻胶并光刻为第三步刻蚀完成后，用丙酮去除正面的胶保护层后重复第一步与第二步工艺，制备溅射电极图形掩膜。

所述底面金属电极2为先溅射

铬铜金属粘着层，然后再溅射

的黄金或铂金电极。

第五步、将压电材料4通过粘接剂加压固化于底面金属电极2上并减薄；

所述压电材料4厚度为200±100μm，直径5±2mm；

所述粘接剂选用DAD-9HM2导电胶水。

所述加压固化具体是在真空环境中施加3±1Kg压力于压电材料4之上，施压两面需光洁平滑，使压电材料4紧贴于底面金属电极2之上；然后在120±30℃下恒温3±1小时排除胶水中气泡，再于180±30℃恒温3±1小时后固化。

所述减薄，具体是将压电材料4通过机械磨盘打磨至40±30μm。

所述物理打磨利用机械磨盘以特定转速匀速磨削压电材料4表面，磨料分为粗磨磨料（40±10μm粒径的金刚砂）和细磨磨料（±2μm粒径的金刚砂），使用粗磨磨料打磨至80±5μm时更换细磨磨料打磨到50±5μm。

第六步、顶电极5制作

所述顶电极5的制作与底面金属电极2制备工艺类似：在减薄后的压电材料4表面先甩胶光刻制备掩膜图案，然后溅射

的金属粘着层，所述金属粘着层为铬铜，接着再溅射

的黄金或铂金电极。

第七步、硅腔体刻蚀

所述硅腔体刻蚀，具体是采用KOH溶液对硅片背面进行刻蚀制备共振腔体，KOH溶液配比为KOH：H₂O=44：100（质量比），刻蚀采用恒温70±20℃水浴，共振腔刻蚀余量为40±20μm。但该配比不限于以上参数。

第八步、安装频率调节质量块6

所述频率调节质量块6为圆柱状鉬镍合金块，采用电镀方式制备，高0.4±0.2mm，直径0.5±0.2mm；并将该频率调节质量块6用环氧树脂胶水粘贴于背面共振腔内的中心处。本实施例中采用LOCTITE的E-120HP胶水。

第九步、超声换能器模块8立体装配于支撑框架上

所述聚合物结构框架7为梯形凸台结构，采用PDMS作为框架制备材料，凸台高2±1mm，将超声换能器模块8贴于每个侧面后表面再用Parylene和PDMS做生物相容性处理。

这种梯形凸台的装配方式主要应用于手臂，腿部等肌肉组织中的植入，以上提及的部位的主要特点是肌肉致密，切器件不容易产生翻滚，但由于手臂或者腿部表面是弧形，因此采用该结构使器件以近似弧形分布来吻合其体表形貌。

实施例3：

如图7、8、9所示，本实施例中，所述超声换能器模块8采用圆形压电材料和对应的圆形共振腔。

如图3所示，本实施例中所述超声换能器模块8为5±2×6±2mm，厚度500±200μm，共振腔直径3±1mm；如图8所示，所述硅基底1刻共振腔蚀后的余量40±20μm，压电材料4薄膜直径4±1mm，厚40±20μm；如图9所示，所述聚合物结构框架7为矩形结构支架，厚2±1毫米，采用PDMS材料制作，但不限于该种材料。

本实施例将超声换能器模块8装配在矩形支架的两面，其内部中心填充医用凝胶，该结构多应用于植入较为细小的部位，如手掌或者腕部。该种结构方便超声发射头从任意两侧贴合皮肤进行供能。同时具有共振腔的超声换能器模块8能够在被直接声压驱动并且在声场中产生共振，提高能量的转化效率。

本实施例所述的一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器的制备方法是通过以下步骤进行制备：

第一步、清洗并烘烤硅片基底；

所述硅片为双面抛光双面氧化硅片，硅片厚度为0.4±0.1mm，但不限于该尺寸。

所述清洗是指用丙酮溶液擦拭硅片待加工表面后再用酒精溶液擦拭，最后用去离子水冲净表面。

所述烘烤为在200±100℃下恒温烘烤4±2小时。

第二步、在烘烤后的硅片表面旋涂光刻胶，然后通过光刻制备图形掩膜；

所述光刻胶为AZ系列正胶，胶层厚度为12±8μm，对涂有光刻胶的位置进行曝光，然后采用AZ-400K显影液显影120±80秒去除曝光区域的光刻胶。

第三步、将未制备图形的硅片正面氧化层甩胶保护、烘烤、刻蚀；

所述氧化层保护是采用与二氧化硅刻蚀溶液不发生反应的材料对硅片背面的氧化膜进行密封保护，可以采用AZ系列的胶水旋涂保护；光刻胶旋涂后需在100±3℃条件下恒温3±1小时固化。

所述的刻蚀是用氢氟酸缓冲液腐蚀未被胶层保护的二氧化硅，具体是HF：H₂O：NH₄F=28ml:170ml:13g，但不限于该种配比；刻蚀条件为35±15℃恒温水浴环境反应8±2分钟。

第四步、在硅片正面旋涂光刻胶并光刻，之后溅射底面金属电极2；

所述硅片正面旋涂光刻胶并光刻为第三步刻蚀完成后，用丙酮去除正面的胶保护层后重复第一步与第二步工艺，制备溅射电极图形掩膜。

所述底面金属电极2为先溅射

铬铜金属粘着层，然后再溅射

的黄金或铂金电极。

第五步、将压电材料4通过粘接剂加压固化于底面金属电极2上并减薄；

所述压电材料4厚度为200±100μm，外形为矩形长宽为15±10×15±10mm。

所述粘接剂选用DAD-9HM2导电胶水。

所述加压固化具体是在真空环境中施加3±1Kg压力于压电材料4之上，施压两面需光洁平滑，使压电材料4紧贴于底面金属电极2之上；然后在120±30℃下恒温3±1小时排除胶水中气泡，再于180±30℃恒温3±1小时后固化。

所述减薄，具体是将压电材料4通过机械磨盘打磨至40±30μm。

所述物理打磨利用机械磨盘以特定转速匀速磨削压电材料表面，磨料分为粗磨磨料（40±10μm粒径的金刚砂）和细磨磨料（±2μm粒径的金刚砂），使用粗磨磨料打磨至80±5μm时更换细磨磨料打磨到50±5μm。

第六步、顶电极5制作

所述顶电极5的制作与底面金属电极2制备工艺类似：在减薄后的压电材料4表面先甩胶光刻制备掩膜图案，然后溅射

的金属粘着层，所述金属粘着层为铬铜，接着再溅射

的黄金或铂金电极。

第七步、硅腔体刻蚀

所述硅腔体刻蚀，具体是采用KOH溶液对硅片背面进行刻蚀制备共振腔体，KOH溶液配比为KOH：H₂O=44：100（质量比），刻蚀采用恒温70±20℃水浴，共振腔刻蚀余量为40±20μm。但该配比不限于以上参数。

第八步、超声换能器模块8立体装配于支撑框架上

所述聚合物结构框架7为上下双层结构，采用PDMS作为框架制备材料，框架厚2±1mm，将超声换能器模块8贴于框架上下面后表面再用Parylene和PDMS做生物相容性处理。

这种在两面贴合超声接收模块的装配方式主要应用植入到手掌，脚掌或是头皮以下等较薄弱的人体部位，这中组装方式的特点节省空间切是两面的其中一面贴合与人体骨骼，另一面接触表皮，在超声的作用下可以一片由骨骼传递发射波工作另一片在直接声压下工作。

以上实施例所制备的超声共振无线能量传输接收器，其优点是：可通过微创手术在患者体内植入包含该微型接收器的植入式器件，该器件可以将超声振动转换成为电能用以驱动植入式设备或者为其电池充能，超声对人体安全无副作用且不受外部电场环境的干扰，该方式优于传统的RF射频充能方式受到环境电场的影响严重甚至损坏植入式器件。该方式能够确保在患者的整个生命周期内不存在更换电池的需求。同时该设备结构紧凑，其平面超声换能器模块的立体装配更是解决了超声换能器对超声方向的高选择性问题。进一步的，以上形状只是为了举例说明，本领域技术人员还可以通过设计不同形状的立体框架以适应不同身体部位的需要，更好实现体内植入式电子设备的体外无线能源供应，且该能量传输方案受体内设备埋入深浅的影响小，对人体无伤害且没有发射端位置对准的要求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (11)

1.一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器，其特征在于，所述接收器由两部分组成，第一部分为超声换能器模块，是利用半导体微加工技术将压电材料以导电方式键合于硅基底上，通过精细机械打磨技术控制压电薄膜厚度，硅基底背面则通过刻蚀方式制作与压电膜耦合的共振腔，通过控制压电膜的厚度与硅共振腔的参数来匹配不同的超声频率；第二部分为支撑框架，是由生物相容材料浇铸而成的立体中空框架，用以安装超声换能器模块，通过将超声换能器模块安装在不同外形结构的框架上实现体内无死角的超声能量传输；

所述超声换能器模块包括：带有共振腔的硅基底、压电材料、贵金属引出电极，其中：所述带有共振腔的硅基底的背面设有共振腔，所述压电材料粘贴于带有共振腔的硅基底的正面上，所述贵金属引出电极从所述压电材料上下面上引出，即底面金属电极和顶电极；

所述支撑框架为一几何结构的PDMS材质的支架，该支撑框架为空腔结构并且空腔能嵌入超声换能器模块，内部填充医用凝胶后实现外部振动的传导，在支撑框架外部化学气相沉积一层Parylene C密封薄膜，在Parylene C薄膜外包裹一层PDMS作为生物相容保护。

2.根据权利要求1所述的一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器，其特征在于，所述超声换能器模块进一步包含频率调节质量块，所述频率调节质量块用环氧树脂胶水粘贴于带有共振腔的硅基底背面共振腔内的中心处；所述频率调节质量块为圆柱状或矩形合金块，通过将不同质量的合金块粘贴于硅共振腔内的硅膜中心处实现其共振频率的控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器，其特征在于，所述带有共振腔的硅基底是指在硅基底上正对键合的压电材料的背面通过刻蚀方式制备的凹腔，即共振腔；

所述压电材料采用导电树脂粘贴到已经制备好下引出电极的硅基底上，然后以机械打磨方式减薄。

4.根据权利要求求1或2所述的一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器，其特征在于，所述贵金属引出电极，通过铬金溅射或者铬铂金溅射的方式分别在带有共振腔的硅基底上制备下电极和在压电薄膜上对应位置制备上电极。

5.一种根据权利要求1所述的微型植入式超声共振无线能量传送接收器的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

第一步、清洗并烘烤硅片基底：用丙酮溶液擦拭硅片待加工表面后再用酒精溶液擦拭，最后用去离子水冲净表面并在100～300℃下恒温烘烤2～6小时；

第二步、在烘烤后的硅片表面旋涂光刻胶，然后通过光刻制备图形掩膜；

第三步、将未制备图形的硅片正面氧化层甩胶保护、烘烤、刻蚀；

第四步、在硅片背面旋涂光刻胶并光刻，之后溅射底面金属电极；

第五步、将压电材料通过粘接剂加压固化于底面金属电极上并减薄；

第六步、在减薄后的压电材料表面进行顶电极制作；

第七步、在硅片背面进行共振腔体刻蚀，得到超声换能器模块；或者进一步安装频率调节质量块，得到超声换能器模块；

第八步、将超声换能器模块立体装配于支撑框架上。

6.根据权利要求4所述的一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器的制备方法，其特征是，所述第二步中：

所述光刻胶为AZ系列正胶，胶层厚度为4～20μm，对涂有光刻胶的位置进行曝光，然后采用AZ-400K显影液显影40～200秒去除曝光区域的光刻胶。

7.根据权利要求4所述的一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器的制备方法，其特征是，所述第三步中：

所述氧化层保护是采用与二氧化硅刻蚀溶液不发生反应的材料对硅片背面的氧化膜进行密封保护，光刻胶旋涂后需在70～130℃条件下恒温2～4小时固化；

所述刻蚀是用氢氟酸缓冲液腐蚀未被胶层保护的二氧化硅，刻蚀条件为20～50℃恒温水浴环境反应6～10分钟。

8.根据权利要求4所述的一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器的制备方法，其特征是，所述第四步中，

所述溅射底面金属电极为钛金属粘着层，然后再溅射

的黄金或铂金电极。

9.根据权利要求3所述的一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器的制备方法，其特征是，所述第五步中：

所述压电材料为D31型压电陶瓷或者是压电晶体或者是PVDF材料；所述粘接剂为导电树脂胶水；

所述加压固化，是在真空环境中施加静态压力于压电材料之上，施压两面需光洁平滑，使压电材料紧贴于底面金属电极之上；然后在90～150℃下恒温2～4小时排除胶水中气泡，再于150～210℃恒温2～4小时后固化。

10.根据权利要求4所述的一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器的制备方法，其特征是，所述第六步中：

所述顶电极制作，是在减薄后的压电材料表面先甩胶光刻制备掩膜图案，然后溅射

的金属粘着层，所述粘着层金属为钛，接着再溅射

的黄金或铂金电极。

11.根据权利要求4所述的一种微型植入式超声共振无线能量传送接收器的制备方法，其特征是，所述第七步中：

所述共振腔体刻蚀，是采用KOH溶液对硅片背面进行刻蚀制备共振腔体，刻蚀采用50～90℃的恒温水浴。

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