CN105390723A - 形成用于生物医疗装置的包括层合物和放置的分隔物的生物相容性通电元件的方法 - Google Patents

形成用于生物医疗装置的包括层合物和放置的分隔物的生物相容性通电元件的方法 Download PDF

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D.B.奧特斯
R.B.普格
J.D.里亚尔
A.托纳
F.A.弗里特施
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Abstract

本发明题为形成用于生物医疗装置的包括层合物和放置的分隔物的生物相容性通电元件的方法。本发明描述了形成生物相容性通电元件的方法和设备。在一些实例中，形成生物相容性通电元件的方法和设备涉及形成包括活性阴极化学物质的腔并且涉及在电池的层合结构中放置分隔物。阴极和阳极的活性元件利用生物相容性材料的层合叠堆密封。在一些实例中，该方法和设备的使用领域可包括需要通电元件的任何生物相容性装置或产品。

Description

形成用于生物医疗装置的包括层合物和放置的分隔物的生物相容性通电元件的方法
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求2014年8月21日提交的名称为“METHODS AND APPARATUS TO FORM BIOCOMPATIBLE ENERGIZATION ELEMENTS FOR BIOMEDICAL DEVICES”的美国临时申请62/040178的权益。所述专利申请的内容是可信的并且据此以引用方式并入。
技术领域
本发明描述了形成生物相容性通电元件的方法和设备。在一些实例中，形成生物相容性通电元件的方法和设备涉及形成通电元件的分隔物元件。包括阳极、阴极和电解质的活性元件可与所形成的分隔物元件电化学连接并与其相互作用。在一些实例中，该方法和设备的使用领域可包括需要通电元件的任何生物相容性装置或产品。
背景技术
近来，医疗装置的数量快速增长并且其功能不断完善。这些医疗装置可包括例如植入式起搏器、用于监测和/或测试生物功能的电子药丸、具有活性部件的外科装置、接触镜片、输注泵和神经刺激器。前述许多医疗装置的功能增加和性能增强已经理论化并得以发展。然而，为了实现在理论上所说的增加的功能，这些装置中的许多现在都需要自备式通电装置，该装置与这些装置的尺寸和形状要求以及新型通电部件的能量要求相容。
一些医疗装置可包括诸如半导体器件的部件，这些部件执行多种功能并且可以结合到许多生物相容性和/或植入式装置中。然而，此类半导体部件需要能量，因此，通电元件也必须包括在此类生物相容性装置中。生物相容性装置的外形和相对小的尺寸对各种功能的限定产生了新的且挑战性的环境。在许多实例中，重要的是，提供安全、可靠、紧凑和高性价比的装置来为生物相容性装置内的半导体部件供电。因此，存在对形成用于植入生物相容性装置之内或之上的生物相容性通电元件的新实例的需要，生物相容性装置的电池元件结构为通电元件的化学组分提供了增强的容纳度，并能更好地控制容纳在通电元件内的化学组分的量。
发明内容
因此，本发明公开了用于形成生物相容性通电元件的方法和设备，由于形成了可大量包含电池化学物质的结构，所以所述方法和设备可提供制造优势。同样，该结构设计也可内控制存在于电池元件中的通电元件数量。
一个整体方面包括形成生物相容性通电元件的方法，该方法包括：接收第一绝缘材料的第一基底膜；接收第二绝缘材料的第二基底膜；在第二基底膜中切出腔以形成间隙隔离层；在第一基底膜中切出腔以形成阴极隔离层，其中腔的边缘限定腔的侧壁；将间隙隔离层的第一表面层合至阴极隔离层的第一表面；通过间隙隔离层中的腔将分隔物或隔膜放置在生物相容性通电元件内；接收阳极膜；将间隙隔离层的第二表面粘附到阳极膜的第一表面上；接收阴极浆料；并将该阴极浆料放置在阴极隔离层中的腔内，其中阴极隔离层中的腔侧壁与所放置的分隔物的表面形成有界的腔来容纳该阴极浆料。
具体实施可包括一个或多个附加特征结构。该方法可另外包括接收阴极接触膜并且将阴极隔离层的第二表面粘附到阴极接触膜的第一表面的至少一部分。该方法还可包括接收第一封装膜并且将第一封装膜粘附到阴极接触膜的第二表面的至少一部分，所述第一封装膜包括其中一层是金属防潮层的膜叠堆。在一些实例中，该方法包括接收第二封装膜并且将第二封装膜粘附到阳极膜的第二表面的至少一部分，所述第二封装膜包括其中一膜层是金属防潮层的膜叠堆。该方法可另外包括将生物相容性通电元件粘附到生物医疗装置的一部分，其中阴极浆料至少部分地由阴极隔离层中的腔侧壁、第一封装膜及第二封装膜容纳。
在一些实例中，该方法可包括如下步骤：将生物相容性通电元件添加至生物医疗装置的插入件上，并将生物相容性通电元件密封在插入件内，其中阴极浆料至少部分地由阴极隔离层的腔侧壁及插入件容纳。该方法的特征还在于所述生物医疗装置为接触镜片。
在一些实例中，该方法可另外包括将电解质制剂添加到分隔物元件上。在这些实例的一些中，该方法可另外包括在放置阴极浆料之前将电解质制剂添加到分隔物元件上的方法。
在一些实例中，该方法的特征可在于阴极浆料中包含二氧化锰。该方法可包括二氧化锰包括电解二氧化锰的实例。在一些实例中，该方法可另外包括处理阴极浆料以移除大颗粒。当处理包括移除大粒子时，其粒度可小于约70微米。在一些实例中，大部分粒子的粒度可小于约25微米。用于移除大颗粒的处理方式可包括球磨。在一些其他实例中，用于移除大颗粒的方法包括喷射研磨。
所述方法可包括第一基底膜是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的实例。
在一些实例中，用于在第一基底膜中切出腔的方法采用激光。
该方法可包括其中粘附包括激活压敏粘合剂的实例。
在一些实例中，该方法包括在阴极隔离层内切出多个腔，其中可另外将分隔物元件沉积到多个腔中的至少两个中。
该方法可包括在将阳极的第一表面粘附到阴极隔离层的第一表面之前或之后，在阳极膜上电镀一锌层，在此情况下该电镀锌层的表面随后成为该阳极膜的第一表面。
在一些实例中，该方法另外包括将生物相容性通电元件与电子电路电接触，并且将电子电路与生物医疗装置的电活性元件电接触。
在一些实例中，该方法还可包括使该装置弯曲，该装置包括通电元件、电子电路及其与生物医疗装置的电活性元件的连接部。所述弯曲可通过以物理的方式和以电的方式接合装置的两端来形成锥形件，所述装置包括通电元件、电子电路及其与生物医疗装置的电活性元件的连接部。
附图说明
以下是附图所示的本发明优选实施例的更为具体的说明，通过这些说明，本发明的上述及其他特征和优点将显而易见。
图1A至图1D示出了与接触镜片的示例性应用一致的生物相容性通电元件的示例性方面。
图2示出了示例性电池设计的单个电池的示例性尺寸和形状。
图3A示出了具有示例性阳极和阴极连接部的独立式封装的生物相容性通电元件。
图3B示出了具有示例性阳极和阴极连接部的独立式封装的生物相容性通电元件。
图4A至图4N示出了形成用于生物医疗装置的生物相容性通电元件的示例性方法步骤。
图5示出了示例性的完全成形的生物相容性通电元件。
图6A至图6F示出了生物相容性通电元件结构形成的示例性方法步骤。
图7A至图7F示出了采用可选电镀方法使生物相容性通电元件结构形成的示例性方法步骤。
图8A至图8H示出了通过水凝胶分隔物形成生物医疗装置的生物相容性通电元件的示例性方法步骤。
图9A至图9C示出了生物相容性通电元件结构形成的示例性方法步骤，以及可选分隔物处理实例。
具体实施方式
本申请公开了形成三维生物相容性通电元件的方法和设备。通电元件内的分隔物元件可以新颖的方式形成，并且可包括新型材料。在下述部分中，给出了各种实例的详细描述。文中描述的实例仅为示例性实施例，各种修改和更改对于本领域的技术人员而言可为显而易见的。因此，实例不限制本申请的范围。三维生物相容性通电元件被设计成用于活生物体的机体中或其附近。
术语
在下文的说明和权利要求书中，可能会用到多种术语，它们将采用以下定义：
如本文所用的“阳极”是指电流通过其流进极化的电气装置的电极。电流的方向通常与电子流的方向相反。换句话讲，电子从阳极流进例如电路中。
如本文所用的“粘结剂”是指能够表现出对机械变形的弹性反应并且与其他通电元件部件化学相容的聚合物。例如，粘结剂可包括电活性材料、电解质、聚合物等。
如本文所用的“生物相容性”是指在具体的应用中以合适的宿主反应执行的材料或装置。例如，生物相容性装置对生物系统不产生毒性或有害作用。
如本文所用的“阴极”是指电流通过其流出极化的电气装置的电极。电流的方向通常与电子流的方向相反。因此，电子流进极化的电气装置的阴极并流出例如所连接的电路。
如本文所用的“涂层”是指薄的形式的材料沉积物。在一些用途中，该术语将指代基本上覆盖基底表面的薄沉积物，该沉积物在基底表面上形成。在其他更特殊的用途中，该术语可用于描述在表面的更小区域中的小而薄的沉积物。
如本文所用的“电极”可指能量源中的有效质量。例如，它可以包括阳极和阴极之一或二者。
如本文所用的“通电的”是指能够提供电流或能够在其内储存电能的状态。
如本文所用的“能量”是指使物理系统做功的能力。通电元件的许多用途可涉及能够执行电动作的能力。
如本文所用的“能量源”或“通电元件”或“通电装置”是指能够提供能量或将逻辑或电气装置置于通电状态的任何装置或层。通电元件可包括电池。电池可由碱性类型的电池化学物质形成，并可以为固态电池或湿电池。
如本文所用的“填充物”是指不与酸或碱性电解质反应的一种或多种通电元件分隔物。一般来讲，填充物可包括基本上不溶于水的材料，诸如炭黑；煤粉；石墨；金属氧化物和氢氧化物，诸如硅、铝、钙、镁、钡、钛、铁、锌和锡的那些氧化物和氢氧化物；金属碳酸盐，诸如钙和镁的那些碳酸盐；矿物质，诸如云母、蒙脱土、高岭石、绿坡缕石和滑石；合成的和天然的沸石，诸如波特兰水泥；沉淀金属硅酸盐，诸如硅酸钙；中空或实心聚合物或玻璃微球、薄片和纤维；等等。
如本文所用的“膜”是指可用作覆盖物或涂层的薄材料层；在层合结构中该膜通常近似于具有顶部表面、底部表面及主体的平面层；其中主体通常比该平面层薄得多。
如本文所用的“功能化的”是指使层或装置能够执行包括例如通电、激活和/或控制的功能。
如本文所用的“模具”是指可以用于由未固化的制剂形成三维物体的刚性或半刚性物体。一些示例性模具包括两个模具部件，这两个模具部件彼此相对时限定三维物体的结构。
如本文所用的“功率”是指单位时间内做的功或传递的能量。
如本文所用的“可再充电”或“可再通电”是指恢复到具有更大做功能力的状态的能力。多种用途可涉及能够使电流以某一速率在特定的恢复时间周期内流动的恢复能力。
如本文所用的“再通电”或“再充电”是指恢复到具有更大做功能力的状态。多种用途可涉及使装置恢复到使电流以某一速率在特定的恢复时间周期内流动的能力。
如本文所用的并有时称为“从模具释放”的“释放”意指三维物体与模具完全分离，或者只是松散地附接到模具，使得可通过轻轻晃动而移除。
如本文所用的“堆叠的”是指将至少两个部件层紧邻彼此放置，使得其中一个层的一个表面的至少一部分接触第二层的第一表面。在一些实例中，涂层不论是用于粘附还是用于其他功能均可留在通过所述涂层彼此接触的两个层之间。
如本文所用的“迹线”是指能够将电路部件连接在一起的通电元件部件。例如，电路迹线可在基底为印刷电路板时包含铜或金，并在柔性电路中通常可以为铜、金或印刷膜。一种特殊类型的“迹线”为集流体。集流体是具有电化学相容性的迹线，这使得集流体适合用于在电解质的存在下引导电子流向阳极或流出阴极。
本文展示的方法和设备涉及形成用于包括在扁平或三维生物相容性装置之内或之上的生物相容性通电元件。
根据本公开，可能还有关于如何组装和配置电池的其他实例，并且一些会在以下部分中描述。然而，对于许多这些实例，存在可独立进行描述的电池的所选参数和特性。在下述部分中，将重点描述一些特性和参数。
具有生物相容性通电元件的示例性生物医疗装置构造
可包括本公开的通电元件、“电池”的生物医疗装置的实例可以是电活性调焦接触镜片。参见图1A，此类接触镜片插入件的实例可被描述为接触镜片插入件100。在接触镜片插入件100中，可存在电活性元件120，该电活性元件可响应于控制电压来适应聚焦特性变化。用于提供那些控制电压的信号以及提供其他功能诸如根据外部控制信号控制环境感测的电路105可由生物相容性电池元件110供电。如图1A所描述的，电池元件可作为多个主要部件，在此例中是三个部件，并可包括各种电池化学元件构型，如所讨论的一样。电池元件可具有各种互连特征结构，如所描述，以在互连区域114下方将部件接合在一起。可将电池元件连接至电路元件，该电路元件可具有自身的基底111，互连特征结构125可位于该基底上。可为集成电路形式的电路105可以电连接和物理连接至基底111及其互连特征结构125。
参见图1B，接触镜片150的剖面浮雕(cross sectional relief)可包括接触镜片插入件100及其所讨论的组成。接触镜片插入件100可被包封到接触镜片水凝胶155的裙边中，该裙边可包封插入件并为用户的眼睛提供与接触镜片150的舒适接触面。
参考本公开的概念，电池元件可以二维形式形成，如图1C的另一个实例中所描述。在该图示中，可存在电池单元的两个主要区域，即电池部件165和第二电池部件的区域和电池化学元件160的区域。在图1C中以扁平形式示出的电池元件可连接至电路元件163，在图1C中的实例中电路元件163可包括两个主要电路区域167。该电路元件可在电触点161和物理触点162处连接至电池元件。如本公开所描述的，该扁平结构可弯曲成三维锥形结构。在此过程中，可用第二电触点166和第二物理触点164来连接三维结构并使其保持物理稳定。参见图1D，可找到该三维锥形结构180的表示。其中也可找到物理触点和电触点181，并且该图示可视为所得结构的三维视图。该结构可包括模块化的电气和电池部件，所述部件将与镜片插入件一起结合到生物相容性装置中。
分段式电池方案
参见图2，针对接触镜片类型实例中的示例性电池元件描述了不同类型的分段式电池方案的实例。分段部件可相应地为圆形271、正方形272或矩形。在矩形实例中，矩形可以是小矩形形状273、较大矩形形状274、或者甚至更大的矩形形状275。
扁平电池元件的定制形状
在生物相容性电池的一些实例中，这些电池可以成形为扁平元件。参见图3A，描述了具有阳极连接部311和阴极连接部312的电池元件的矩形轮廓310的实例。参见图3B，描述了具有阳极连接部331和阴极连接部332的电池元件的圆形轮廓330的实例。
在一些扁平形式电池的实例中，可将电池的轮廓配置成在尺寸和几何形状上适合定制产品。除矩形或圆形轮廓的实例外，还可形成定制的“自由形式”或者“自由形状”轮廓，这可最优化电池构型以装配在给定产品内。
在可变光学件的示例性生物医疗装置实例中，扁平轮廓的“自由形式”实例可为弧形形式；自由形式可具有以下几何形状，即当它形成三维形状时，其可采用装配在接触镜片的限制范围内的锥形、环形裙边的形式。显然，在医疗装置具有限制性2D或3D形状要求的情况下，可以形成类似的有利几何形状。
电池的生物相容性方面
例如，根据本公开的电池可具有涉及安全性和生物相容性的重要方面。在一些实例中，用于生物医疗装置的电池应优选满足并优于典型应用场景的要求。在一些实例中，可能在设计方面考虑到与应力事件相关。例如，可能需要考虑用户在插入或取出镜片过程中打碎镜片的情况下电子接触镜片的安全性。又如，可能在设计方面应考虑到用户眼睛被异物袭击的可能性。可能在开发设计参数与约束条件时考虑到的应力条件的其他实例可涉及，在非限制性实例中，用户在具有挑战性的环境如水下环境或高海拔环境中佩戴镜片的可能性。
形成装置的材料、生产装置用到的材料数量以及用于将装置与其在身体上或体内的周围环境隔离的封装都会影响到此类装置的安全性。在一个实例中，起搏器可为一种典型类型的生物医疗装置，其可包括电池并且可植入用户体内较长时间。因此，在一些实例中，此类起搏器可通常用焊接、密封的钛外壳进行封装，或在其他实例中，多个包封层。新兴的动力生物医疗装置可能为封装，特别是电池封装带来新的挑战。这些新型装置可能会比现有的生物医疗装置小得多，例如，电子接触镜片或药丸摄影机可显著小于起搏器。在这些实例中，可用于封装的体积和面积可大大降低。
微电池的电气要求
设计考虑的另一个领域可涉及装置对电池装置的电气要求。为了用作医疗装置的电源，合适的电池可能需要在不连接或没有外部电源供电模式下操作时满足系统全部的电气要求。新型的不连接或没有外部电源供电的生物医疗装置领域可包括例如视力矫正接触镜片、健康监测设备、药丸摄影机以及新型装置。集成电路(IC)技术最近的进展可允许在极低的电流水平进行有意义的电气操作，例如，待机电流仅为皮安级以及工作电流仅为微安级。IC的进展也可允许非常小的装置。
用于生物医疗应用的微电池可能需要满足许多同步的、挑战性的需求。例如，可能需要微电池具有将合适的工作电压递送至相结合的电路中的能力。工作电压可受到多种因素的影响，包括：IC工艺“节点”、电路到其他装置的输出电压、还可能与所需装置寿命相关的具体的电流消耗目标。
至于IC工艺，节点通常可通过晶体管的最小特征尺寸进行区分，例如其“所谓的”晶体管通道。该物理特征结构以及IC制造的其他参数诸如栅氧化层厚度可与针对在给定工艺节点中制造的场效应晶体管(FET)的开启电压或阈值电压所得的评级标准相关联。例如，在最小特征尺寸为0.5微米的节点中，场效应晶体管开启电压通常为5.0V。然而在最小特征尺寸为90nm的节点中，场效应晶体管开启电压可为1.2V、1.8V和2.5V。IC铸造厂可提供数字区块的标准单元，例如，已经过表征并额定用于特定的电压范围内的逆变器和触发器。设计者选择IC工艺节点主要基于若干因素，包括数字装置的密度、模拟/数字混合信号装置、泄漏电流、布线层、特殊装置诸如高压场效应晶体管的可用性。考虑到可用微电池供电的电气组件的这些参数方面，特别是就可用电压和电流来说，微电池电源与选定的工艺节点及IC设计的要求相匹配是非常重要的。
在一些实例中，由微电池供电的电路可连接至其他装置。在非限制性实例中，由微电池供电的电路可连接至致动器或换能器。取决于具体应用，这些可包括发光二极管(LED)、传感器、微电子机械系统(MEMS)泵或许多其他此类装置。在一些实例中，此类连接的装置可能需要比一般IC工艺节点更高的工作电压条件，例如，变焦镜片可需要35V来启动。因此，当设计此类系统时，电池提供的工作电压就成了关键的考虑因素。在这类考虑因素的一些实例中，镜片驱动器从1V的电池产生35V电压的效率可明显低于它从2V的电池产生35V电压的效率。还考虑到微电池的操作参数，另外的要求诸如芯片尺寸可显著不同。
通常可用开路电压、负载电压和截止电压来评定单个电池单元。开路电压是电池单元具有无限大的负载电阻时产生的电势。负载电压是当合适的、通常也是指定的负载阻抗置于电池两端时电池所产生的电势。截止电压通常是电池的大部分已放电的电压。截止电压可表示一种电压或放电程度，低于该电压或放电程度时电池应停止放电以避免有害影响诸如过度放气。截止电压不仅受电池本身的影响，通常也会受电池所连接的电路的影响，例如电子电路的最低工作电压。在一个实例中，碱性电池的开路电压可为1.6V，负载电压可在1.0V至1.5V的范围内，截止电压可为1.0V。给定微电池单元设计的电压可取决于采用的电池化学物质的其他因素。因此，不同的电池化学物质可具有不同的电池电压。
可将电池串联来增加电压；然而，该组合应从尺寸、内部电阻以及电池复杂性角度权衡考虑。也可将电池以并联构型组合以减小电阻并增大容量；然而，此类组合应从尺寸、储存寿命角度权衡考虑。
电池容量可为电池一段时间内提供电流或做功的能力。电池容量可通常以单位诸如微安-小时表示。可递送1微安电流持续1小时的电池具有1微安-小时的容量。通常可以通过增加电池装置内反应物的质量（因此增大体积）来增加容量，然而应该认识到，生物医疗装置可显著限制可用体积。电池容量也可受电极和电解质材料影响。
根据电池所连接电路的要求，电池可能需要提供一定的值范围内的源电流。在启动使用之前的储存期间，大约皮安至纳安级的泄漏电流可流过电路、互连器及绝缘体。在启动操作时，电路会消耗流到样品传感器、运行计时器的静态电流，并执行此类低电耗功能。静态电流消耗可为大约纳安至毫安级。电路可能还具有甚至更高的峰值电流需求，例如当写入闪存存储器或通过射频(RF)通信时。该峰值电流可扩大至几十毫安或更大。微电池装置的电阻和阻抗也是设计考虑的重要因素。
储存寿命通常是指电池在存放时能够持续带电并仍维持若干可用操作参数的时长。由于下述几个原因，储存寿命可能对于生物医疗装置而言尤为重要。电子装置可取代非动力装置，例如电子接触镜片的引入。由于消费者、供应链、和其他要求，这些现有市场空间中的产品可已建立了储存寿命要求，例如三年。通常情况下，期望的是新产品不改变此类规格。也可根据包括微电池的生物装置的配送方法、库存方法和使用方法来设定储存寿命要求。因此，用于生物医疗装置的微电池可具有特定的储存寿命要求，例如储存寿命可以在数年内测得。
在一些实例中，三维生物相容性通电元件可为可再充电的。例如，还可以在三维表面上制作感应线圈。然后感应线圈可通过射频(“RF”)卡(fob)通电。感应线圈可连接到三维生物相容性通电元件，以在向感应线圈施加RF时使通电元件再充电。在另一个实例中，还可以在三维表面上制作光伏，并连接到三维生物相容性通电元件。当暴露于光或光子时，光伏将产生电子以对通电元件再充电。
在一些实例中，电池可以用于为电气系统提供电能。在这些实例中，电池可电连接至电气系统的电路。电路与电池之间的连接部可归类为互连器。由于若干因素，对于生物医学微电池，这些互连器可变得越来越具有挑战性。在一些实例中，动力生物医疗装置可能非常小，从而允许用于互连器的面积和体积极小。尺寸和面积的限制可影响互连器的电阻与可靠性。
在其他方面，电池可包含可在高温下沸腾的液体电解质。该限制可直接与使用焊料互连器的需求相竞争，焊料互连器可例如需要相对较高的温度诸如250摄氏度来熔融。虽然在一些实例中电池化学物质，包括电解质以及用于形成基于焊料的互连器的热源，可在空间上相互隔离，但就新兴的生物医疗装置而言，小尺寸可通过足够距离消除电解质和焊点之间的间距来减少热传导。
互连器
互连器可允许电流流至与外部电路连接的电池以及从其流出。此类互连器可与电池内部和外部的环境交接，并可越过这些环境之间的边界或密封。这些互连器可被视为迹线，其与外部电路连接，穿过电池密封件，然后连接至电池内部的集流体。同样地，这些互连器可具有若干要求。在电池外部，互连器可类似于典型的印刷电路迹线。它们可焊接到或以其他方式连接到其他迹线。在其中电池是独立于包括集成电路的电路板的单独物理元件的实例中，电池互连器可允许连接到外部电路。可通过焊料、导电胶带、导电油墨或导电环氧树脂、或其他方式形成此连接。互连器迹线可需要在电池外部的环境中生存，例如，在存在氧气的情况下不发生腐蚀。
由于互连器穿过电池密封件，所以互连器与密封件共存并允许进行密封变得尤为重要。除了密封件与电池封装件之间需要粘合外，密封件与互连器之间也需要粘合。在电池中存在电解质及其他材料的情况下，可能需要保持密封完整性。通常可为金属的互连器可称之为电池封装中的失效点。电势和/或电流的流动可增加电解质沿着互连器发生“蠕变”的趋势。因此，互连器可需要进行工程改造以保持密封完整性。
在电池内部，互连器可与集流体交接或可实际上形成集流体。就这一点而言，互连器可需要满足如本文所述的集流体的要求，或可需要形成与此类集流体的电连接。
一类候选的互连器和集流体是金属箔。此类箔厚度可达25微米或更薄，这使得它们适合极薄的电池。还可寻求具有低表面粗糙度及低污染的此类箔，这两个因素可对于电池性能至关重要。箔可包括锌、镍、黄铜、铜、钛、其他金属以及各种合金。
电解质
电解质是促进电极的化学材料之间发生化学反应的电池的部件。典型的电解质可对电极具有电化学活性，例如，允许发生氧化和还原反应。在一些实例中，这种重要的电化学活性可对形成生物相容性装置带来挑战。例如，氢氧化钾(KOH)可为碱性电池中的常用电解质。但是该物质在高浓度下具有高pH，并且可与各种活组织发生不良的相互作用。另一方面，在一些实例中，可以使用可具有较低电化学活性的电解质；然而，这些物质通常会导致电性能的降低，诸如电池电压降低及电池电阻增大。因此，生物医学微电池的设计和工程改造的一个关键方面可为电解质。期望的是电解质能具有足够的活性来满足电气要求，同时在体内或身体上使用时也具有相对安全性。
可使用各种测试方案来测定电池部件，特别是电解质对活细胞的安全性。这些结果与电池封装的测试相结合可实现满足要求的电池系统的工程设计。例如，当开发动力式接触镜片时，可在人角膜细胞模型上测试电池电解质。这些测试可包括关于电解质浓度、暴露时间和添加剂的实验。此类测试的结果可指示细胞代谢及其他生理学方面。测试也可包括对动物和人进行的体内测试。
本发明使用的电解质可包括质量浓度为大约0.1%至50%，在非限制性实例中可为大约25%的氯化锌、乙酸锌、乙酸铵和的氯化铵。具体浓度可取决于电化学活性、电池性能、储存寿命、密封完整性及生物相容性。
在一些实例中，可在电池系统的组合物中应用若干类添加剂。可将添加剂混合到电解质底料中，以改变电解质的特性。例如，胶凝剂诸如琼脂可减少电解质从封装件中的泄漏的能力，从而增强安全性。也可将抗蚀剂添加到电解质，例如，通过减少锌阳极在电解质中的不期望溶解来延长储存寿命。这些抑制剂可对电池的安全特性带来有利或不利的影响。例如，可添加润湿剂或表面活性剂，以允许电解质润湿分隔物或将电解质填充至电池封装件中。同样，这些润湿剂也会给安全性带来有利或不利影响。添加表面活性剂至电解质中可增大电池的电阻抗，所以应采用实现期望润湿特性或其他特性的表面活性剂的最小浓度。示例性表面活性剂可包括浓度在0.01%至2%的Triton™ X-100、Triton™ QS44及Dowfax™ 3B2，所有这些均得自Dow Chemical Company。
还出现了可明显提高生物医学微电池的安全特性的新型电解质。例如，一类固体电解质可固有地抗泄漏，同时仍然提供合适的电性能。
使用“盐水”电解质的电池通常用作船用储备电池。鱼雷、浮标及应急灯可使用此类电池。储备电池是活性材料、电极和电解质在使用前隔离的电池。由于这种隔离，电池的自放电大大减少，同时也显著延长了储存寿命。盐水电池可设计为来自多种电极材料，包括锌、镁、铝、铜、锡、二氧化锰及氧化银。电解质可以是实际的海水，例如，接触时从海洋灌入电池的水，或可为一种特制的盐水配方。这类电池可在接触镜片中特别有用。盐水电解质可具有比传统的电解质诸如氢氧化钾和氯化锌更优异的生物相容性。接触镜片被保存在“润湿溶液”中，“润湿溶液”通常是氯化钠，或许还有其他盐和缓冲剂的混合物。这类溶液已经证明是与锌阳极和二氧化锰阴极结合的电池电解质。其他的电解质和电极组合也是可行的。使用“盐水”电池的接触镜片可包含基于氯化钠、润湿溶液的电解质，或甚至类似于泪液的特制电解质。此类电池可以例如被润湿溶液激活，为眼睛保持开口，并在暴露于人泪液的时持续工作。
除了使用更类似于泪液的电解质，或实际上使用泪液作为电解质可能带来的生物相容性方面的优势之外或代替这种优势，储备电池还可用于满足接触镜片产品的储存寿命需求。典型接触镜片的规定储存寿命是3年或者更长。这对于具有小且薄封装件的电池来说是具有挑战性的要求。接触镜片中使用的储备电池可具有类似于图1和图3中所示电池的设计，但是电解质可不在制造时添加。电解质可以针剂形式存储在接触镜片内并连接至电池，或围绕电池的盐水可用作电解质。在接触镜片及电池封装件内，可设计一个阀或端口来将电解质与电极分开，直到用户激活镜片。在类似于激活荧光棒一样通过简单地紧缩接触镜片的边缘进行激活时，电解质可流入电池并且在电极之间形成离子通道。这可涉及电解质的一次性转移或可暴露电池以供电解质的持续扩散。
一些电池系统可在化学反应时使用或消耗电解质。因此，在封装系统中设计一定体积的电解质可为必要的。该电解质可“寄放”在各种位置，包括分隔物或贮存器中。
在一些实例中，电池系统的设计可包括可用于限制电池系统的放电容量的一个或多个部件。例如，可能需要设计阳极、阴极或电解质材料以及材料的量，使得它们中的一者可在电池系统中的反应过程期间首先耗尽。在此类实例中，阳极、阴极或电解质中一者的耗尽可降低有问题的放电的可能性并且使副作用在较低放电电压下不发生。这些问题反应可以产生例如可不利于安全性及其他因素的过多的气体或副产物。
模块化的电池部件
在一些实例中，可根据本发明的一些方面和实例来形成模块化的电池部件。在这些实例中，模块化电池组件可以是与生物医疗装置的其他部件的独立部件。在眼科接触镜片装置的实例中，此类设计可包括与介质插入件的其余部分分开的模块化电池。形成模块化电池部件有许多优点。例如，就接触镜片而言，模块化电池部件可以在单独的、非集成的过程中形成，这可以缓解处理刚性的、三维成形光学塑部件的需要。此外，制造的来源可以更加灵活，并且可与生物医疗装置中其他部件的制造以更为并行的模式进行。另外，模块化电池部件的制造过程可脱离三维成形装置的特性。例如，在需要最终为三维形式的应用中，可以将模块化的电池系统制成平面或大致二维的透视图，然后再成形为适当的三维形状。由于电池部件会可组装之前进行分类，所以模块化电池部件可独立于生物医疗装置的其余部分进行测试并产生损耗。所得的模块化电池部件可用于各种介质插入件构造中，这些构造没有可于其上形成电池部件的合适刚性区域，并且在另一个实例中，模块化电池部件的使用可有利于使用不同选项的制造技术而非原本使用的技术，诸如基于卷筒的技术（卷对卷），基于薄片的技术（片对片）、印刷、光照及“刮压”处理。在模块化电池的一些实例中，此类装置的离散容纳面导致可在整个生物医疗装置构造中加入另外的材料。当可用空间参数需要最小化的溶液厚度或体积时，此类效应可为模块化电池溶液的使用设定限制。
电池形状要求可至少部分地由使用该电池的应用所决定。传统的电池形状因数可为圆柱形形状或矩形棱柱形状，它们由金属制得，并且可适用于需要大量电能以供持续较长时间的产品。这些应用产品可足够大，使得它们可包含大形状因数电池。在另一个实例中，平面(2D)固态电池是通常在刚性硅或玻璃上形成的薄的矩形棱柱形状。在一些实例中，这些平面固态电池可使用硅晶片加工技术形成。在另一种类型的电池形状因数中，可以小袋构造形成小功率、柔性电池，使用薄箔或塑料来容纳电池化学物质。这些电池可被制成扁平(2D)的，并且可被设计成在弯曲至适度的平面外(3D)曲率时起作用。
在本公开中电池可用于可变光学镜片的电池应用的一些实例中，其形状因数可需要三维曲率的电池部件，其中曲率半径可为大约8.4mm。此类曲率的性质可被视为相对陡峭，并且作为参考可近似于在人指尖上发现的曲率类型。相对陡峭的曲率性质给制造业带来了挑战。在本公开的一些实例中，模块化电池部件可被设计成使得其可以平面、二维的方式来制造，然后成形为具有相对高曲率的三维形式。
电池模块厚度
在设计生物医疗应用的电池部件时，可在各种参数中进行权衡，以平衡技术、安全性及功能的需求。电池部件的厚度可为重要的限制性参数。例如，在光学镜片应用中，装置可供用户佩戴舒适的能力关键取决于整个生物医疗装置的厚度。因此，将电池设计得更加薄是关键、有利的方面。在一些实例中，电池厚度可通过顶片和底片、隔离件片的组合厚度以及粘合剂层厚度确定。实际制造方面可促使膜厚度的某些参数达到可用片状存料的标准值。此外，膜可具有最小厚度值，所述最小厚度值可基于涉及化学相容性、不透湿性/不透气性、表面光洁度及与可沉积在膜层上的涂层的相容性的技术考虑来指定。
在一些实例中，精加工电池部件的预期或目标厚度可为小于220µm的部件厚度。在这些实例中，该预期厚度可由示例性眼科镜片装置的三维几何形状决定，其中该电池部件可需要被装配在由满足终端用户舒适度、生物相容性及可接受约束条件的水凝胶镜片形状限定的可用体积内。该体积及其对电池部件厚度需求的影响可随装置总厚度规格及涉及装置的宽度、锥角和内径的装置规格的变化而变化。所得电池部件设计的另一个重要设计考虑因素可涉及在给定电池部件设计中相对于可由该设计产生的化学能，活性电池化学物质与材料的可用体积。然后所产生的化学能可对于功能性生物医疗装置的电气需求在其目标寿命和工作条件两方面平衡。
电池模块的柔性
与电池设计和使用以电池为能源的相关装置的设计有关的另一方面是电池部件的柔性。柔性电池形式可赋予电池许多优点。例如，柔性的电池模块可有助于前面提及的能够以二维扁平形式制造电池形式。该形式的柔性可允许二维电池随后形成适当的3D形状中，以装配在生物医疗装置诸如接触镜片中。
在另一个可由电池模块的柔性赋予的益处的实例中，如果电池及后续装置为柔性的，那么装置的使用具有优势。在一个实例中，生物医疗装置的接触镜片形式可有利于基于介质插入件的接触镜片的插入/移除，这可能更接近标准的、非填充型水凝胶接触镜片的插入/移除。
挠曲的次数可对电池的工程改造非常重要。例如，仅可进行一次挠曲以从平面形式变成适于接触镜片的形状的电池可与能够进行多次挠曲的电池具有明显不同的设计。电池的挠曲不仅是能够机械性地进行挠曲。例如，虽然电极可在物理上能够进行挠曲而不断裂，但是电极的机械及电化学性质可由挠曲而发生改变。挠曲引起的变化可立刻显现，例如电阻的改变，但挠曲也可引起一些在长期的储存寿命测试中才会显现的变化。
电池模块宽度
可存在大量可利用本公开的生物相容性通电元件或电池的应用。一般来讲，电池宽度要求可在很大程度上取决于它的应用。在示例性情况下，接触镜片电池系统可对模块化电池部件的宽度具有受限的规格要求。在其中装置具有由电池部件供电的可变光学功能的眼科装置的一些实例中，装置的可变光学部分可占据直径约7.0mm的中心球形区域。示例性电池元件可被视为三维物体，它作为环状的锥形裙边围绕中心光学件安装并形成到截短的锥形环中。如果刚性插入件的所需最大直径是8.50mm的直径，并与某一直径的目标球体（例如直径大约为8.40mm）相切，然后该几何构造就可以确定所允许的电池宽度可能是多少。可存在可用于计算所得几何构造的所需规格的几何模型，所述几何构造在一些实例中可被称为压入环带扇区的锥形截头。
扁平电池的宽度可由电池元件的两个特征结构：活性电池部件宽度及密封件宽度决定。在一些关于眼科装置的实例中，其目标厚度可为0.100mm至0.500mm每边，并且活性电池部件目标宽度可大致为0.800mm。其他生物医疗装置可有不同的设计约束，但可以相似方式应用柔性扁平电池元件的原理。
腔作为电池部件设计中的设计元素
在一些实例中，可采用分割活性电池化学物质区域的方式来设计电池元件。将活性电池部件分割成离散区段具有很多优势。在一个非限制性实例中，分立和较小元件的制造可以促进这些元件的生产。包括许多较小元件的电池元件的功能可以得到改善。可以将各种缺陷分割开，并且在一些情况下可隔离无功能性元件以减少功能的损失。这在可能发生电池电解质损失的实例中可为相关的。各个部件的隔离可为了限制整个电池元件小区段的功能损失而造成电解质从电池的关键区域泄漏出来的缺陷，然而通过该缺陷产生的电解质损失可为配置为单独电池的电池空出一块显著较大的区域。虽然从整体角度来看较小的电池可使活性电池化学物质体积降低，但是围绕每个较小电池的材料网可加强整体结构。
电池元件的内部密封件
在用于生物医疗装置中的电池元件的一些实例中，电池的化学作用涉及水溶液化学，其中水或水分是控制的重要成分。因此，结合延缓或阻止水分进出电池主体的密封机制是重要的。可以设计防潮层来使内部水分水平处于设计的水平，在一定公差范围内。在一些实例中，防潮层被分为两个部分或部件：封装件和密封件。
封装件可指外壳的主要材料。在一些实例中，封装件可包括批量材料。水蒸气透过率(WVTR)可为一项性能指标，结合ISO、ASTM标准控制测试程序，包括测试中的环境条件操作水平。理想情况下，良好电池封装件的WVTR可为“0”。WVTR接近0的示例性材料可为玻璃或金属箔。另一方面，塑料可对于水分固有地具有多孔性，并且不同类型的塑料可显著不同。工程材料、层合物或共挤出物通常可为常见封装材料的混合物。
密封件可为两个封装表面之间的界面。密封表面的连接连同封装件一起完成外壳。在许多实例中，密封设计的性质可因为在采用ISO或ASTM标准进行测量的过程中由于样品尺寸或表面积与这些测试过程不兼容的困难，所以难以对密封件的WVTR进行表征。在一些实例中，测试密封完整性的实际方法可为针对一些限定条件进行的实际密封设计的功能性测试。密封性能可与密封材料、密封厚度、密封长度、密封宽度及对封装基底的密封粘附性或紧密性相关。
在一些实例中，密封件可通过焊接法形成，这可涉及热、激光、溶剂、摩擦、超声波或电弧处理。在其他实例中，密封件可通过使用粘合密封剂形成，诸如胶水、环氧树脂、丙烯酸类树脂、天然橡胶和合成橡胶。其他的实例可得自垫圈型材料的使用，所述垫圈材料可由软木、天然橡胶和合成橡胶、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯和有机硅形成，仅举一些非限制性实例进行说明。
在一些实例中，可将根据本发明的电池设计成具有指定的操作寿命。操作寿命可通过测定水分渗透的实际量来估算，水分渗透的实际量可用特殊电池系统获得，然后估算这种水分泄漏可造成电池寿命结束状况的时间。例如，如果电池存储在潮湿的环境中，那么电池内部和外部的局部压力差将被最小化，导致水分损失速率减小，因而电池的寿命可延长。存储在特别干燥和热的环境中的相同示例性电池可因为水分损失的强大驱动作用而具有显著降低的预期寿命。
电池元件分隔物
本公开中所述类型的电池可利用分隔物材料，该分隔物材料可以物理的方式和以电的方式将阳极和阳极集流体部分与阴极和阴极集流体部分隔开。分隔物可为和溶解的电解质组分能够透过的隔膜，然而它通常可为非导电的。尽管很多可商购获得的分隔物材料可为本领域中的技术人员所熟知的，但是本发明的新形成因素可对分隔物的选择、加工和处理提出独特的约束条件。
由于本发明的设计可具有超薄轮廓，所以该选择可限于通常可用的最薄的分隔物材料。例如，约25微米厚的分隔物可为期望的。可具有优势的一些实例可为约12微米厚。可存在许多可接受的市售分隔物，包括微纤维化的微孔聚乙烯单层和/或聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯(PP/PE/PP)三层分隔物隔膜诸如由Celgard (Charlotte, NC)生产的那些隔膜。分隔物材料的可取实例可为具有12微米厚度的Celgard M824 PP/PE/PP三层隔膜。用于本公开实例中的分隔物材料的另选实例可包括包含再生纤维素诸如玻璃纸的分隔物隔膜。
尽管PP/PE/PP三层分隔物隔膜可由于其聚烯烃特性而具有有利的厚度和机械性质，但为了使分隔物隔膜在本公开的实例中可用它们也会经受一些必须要克服的缺点。PP/PE/PP三层分隔物材料的卷筒存料或片状存料可具有许多皱褶或其他形式的误差，这可不利于适用于本文所述电池的微米级公差。此外，聚烯烃分隔物可能需要被切割成达到超精公差才能包含在本设计中，因此这意味着将激光切割作为形成具有严格公差的所需形状分立集流体的示例性方法。由于这些分隔物的聚烯烃特性，可用于微制造的特定切割激光器可采用不会切割聚烯烃的激光波长诸如355nm；聚烯烃不明显地吸收激光能量并且因而为不可烧蚀的。最后，聚烯烃分隔物对用于本文所述的电池中的含水电解质可不为固有可润湿的。
然而，有许多方法可以克服聚烯烃型隔膜的这些固有局限性。为了向高精度切割激光器提供微孔分隔物隔膜以用于将部件切割成弧区段或其他有利的分隔物设计，所述隔膜可需要为平坦且无褶皱的。如果这两个条件都不满足，那么分隔物隔膜就可无法被完全切割，因为切割光束可由于入射激光能量的散焦或以其他方式散射而受抑制。另外，如果分隔物隔膜不平坦并且无褶皱，那么可能不会完全实现分隔物隔膜的形状精度和几何公差。例如，当前实例的分隔物的容许公差可例如相对于特征长度和/或半径分别为+0微米和-20微米。可有利地存在+0微米和-10微米的更严格公差，以及进一步的+0微米和-5微米的公差。可通过将分隔物库存材料临时层合到带有合适低挥发性液体的浮法玻璃载体上来将所述材料制成平坦且无褶皱的。由于分隔物隔膜的脆弱性以及从粘合剂层释放分隔物隔膜可能需要的处理时间量，低挥发性液体可优于临时粘合剂。此外，在一些实例中，已观察到使用液体比使用粘合剂更容易在浮法玻璃上获得平坦且无褶皱的分隔物隔膜。在层合之前，可制得无颗粒的分隔物隔膜。这可通过超声清洗分隔物隔膜以分离任何表面粘附颗粒来实现。在一些实例中，分隔物隔膜的处理可在合适的诸如层流罩或至少10000级的洁净室的低粒子环境中进行。此外，浮法玻璃基底可通过用合适的溶剂冲洗、超声波清洗和/或用洁净室擦拭巾擦拭而制成无颗粒的。
尽管多种低挥发性液体可用于将微孔聚烯烃分隔物隔膜层合到浮法玻璃载体的机械目的，但是可对所述液体作具体要求以有利于随后激光切割出分立的分隔物形状。一个要求可为液体要有足够低的表面张力以吸入到分隔物材料的孔中，这可以通过目测检查轻松确认。在一些实例中，当液体填满所述材料的微孔时，分隔物材料从白色转变为半透明的外观。可能希望选择对将暴露在分隔物的制备和切割操作过程中的工人为温和且“安全”的液体。可能希望选择蒸汽压可足够低的液体，使得在处理的时间范围（大约1天）内不会发生明显的蒸发。最后，在一些实例中，液体可具有足够的溶解力来溶解有利的紫外线吸收剂，这可促进激光切割操作。在一个实例中，已观察到阿伏苯宗紫外线吸收剂溶于苯甲酸苄酯溶剂中形成的12%(w/w)溶液可满足上述要求，并且可使自身适用于促进激光切割聚烯烃分隔物，该聚烯烃分隔物在短时间内即可获得高精度和高公差而无需过多的切割激光束穿过次数。在一些实例中，分隔物可使用该方法用8W 355nm纳秒二极管泵浦的固体激光器切割，其中该激光器可具有如下设置：低功率衰减（例如3%的功率），1到10mm/s的中等速度，以及仅1到3次激光束穿过次数。尽管此紫外线吸收油性组合物已经被证明是有效的层合和切割的加工助剂，但是本领域的技术人员也可设想其他油性制剂并且其使用不受限制。
在一些实例中，分隔物可在固定到浮法玻璃上时进行切割。将分隔物固定到浮法玻璃载体上进行激光切割的一个优势可为，可从一个分隔物存料片切割出数量密度非常高的分隔物，非常类似于可密集地排列在硅晶片上的半导体芯。此类方法可以提供半导体加工中所固有的规模经济和并行处理优势。此外，可最小化废弃分隔物隔膜的生成。一旦分隔物已被切割，就可通过一系列采用可混溶剂的萃取去除油性加工助剂流体，在一些实例中可利用高挥发性溶剂诸如异丙醇来进行最后的萃取。分立的分隔物一旦被萃取便可无限期地储存在任何合适的低粒子环境中。
如前面提到的，聚烯烃分隔物隔膜可能固有地疏水，并且可需要制成对用于本公开的电池中的含水表面活性剂为可润湿的。一种使分隔物隔膜可润湿的方法可为氧等离子体处理。例如，分隔物可在各种功率设定和氧气流量的100%氧等离子体中处理1到5分钟。虽然这种方法可暂时改善可湿性，但众所周知的是等离子体表面改性提供暂态效应，该暂态效应可不持续足够的时间以供电解质溶液充分润湿。另一种改善分隔物隔膜可湿性的方法可为通过在隔膜上掺入合适的表面活性剂来处理表面。在一些情况下，表面活性剂可与分隔物隔膜孔中剩余的亲水性聚合物涂层结合使用。
另一种使通过氧化等离子体处理赋予的亲水性更加持久的方法是利用合适的亲水性有机硅烷进行后续处理。这样，氧等离子体可用于激活微孔分隔物的整个表面区域的功能基团以及赋予其功能基团。然后有机硅烷可共价接合和/或非共价粘附到经等离子体处理的表面。在使用有机硅烷的实例中，微孔分隔物的固有孔隙率可不明显地改变，同样其单层表面覆盖率也是可能和可取的。结合聚合物涂层掺入表面活性剂的现有技术方法可需要严格控制施加到隔膜上的涂层的实际量，以及随后可经受的过程可变性。在极端情况下，分隔物的孔可被封闭，从而在电化学电池操作期间不利地影响分隔物的效用。本公开中所用的示例性有机硅烷可为3-氨基丙基三乙氧基硅烷。其他为本领域技术人员所熟知的亲水性有机硅烷的使用可不受限制。
用于制备能够被含水电解质润湿的分隔物隔膜的另一方法可为在电解质制剂中掺入合适的表面活性剂。在使分隔物隔膜可润湿的表面活性剂的选择中的一个考虑因素可为，表面活性剂可具有的对电化学电池内的一个或多个电极的活性的影响，例如通过增加电池中的电阻抗。在一些情况下，特别是就含水电解质中的锌阳极而言，表面活性剂可具有有利的抗腐蚀性质。众所周知，锌可与水经过缓慢的反应释放出氢气，而这是不期望的。本领域的技术人员已知多种表面活性剂可将所述反应的速率限制到有利的水平。在其他情况下，表面活性剂可与锌电极表面强烈地相互作用而使电池性能可能受阻。因此，在选择适当的表面活性剂类型和负载水平时需要十分小心，以确保既可获得分隔物可湿性，而又不有害地影响电池的电化学性能。在一些情况下，可使用多种表面活性剂，一种用于赋予分隔物隔膜可润湿性，并且另一种用于促进对锌阳极的抗腐蚀性质。在一个实例中，没有对分隔物隔膜进行亲水处理，并且将一种或多种表面活性剂以足以实现分隔物隔膜的可润湿性的量添加到电解质制剂中。
可通过将分立的分隔物直接置于设计的腔、凹坑、或组件内的结构中而将其整合到层状微电池中。有利地，此凹坑可通过隔离件形成，该隔离件具有可为分隔物形状的几何偏置的切口。此外，在组装期间此凹坑可具有供分隔物置于其上的凸缘或阶梯。凸缘或阶梯可任选地包括保持分立分隔物的压敏粘合剂。有利地，压敏粘合剂可与示例性层状微电池的其他元件的构造和叠堆中所用的压敏粘合剂相同。
压敏粘合剂
在一些实例中，包括本公开的层状微电池的多个部件可通过还用作密封剂的压敏粘合剂保持在一起。尽管存在大量可商购获得的压敏粘合剂制剂，但是此类制剂几乎总是包括使它们不适用于生物相容性层状微电池的组分。压敏粘合剂中不需要的组分的实例可包括：小分子量可滤组分、抗氧化剂例如BHT和/或MEHQ、增塑油、杂质、包含例如不饱和化学键的氧化不稳定部分、残留溶剂和/或单体、聚合引发剂片段、极性增粘剂等等。
在另一方面，合适的PSA可表现出以下特性。可将PSA施用于层状部件以获得大约2至20微米级的薄层。同样，PSA可例如包含最小达到零的不需要的或非生物相容性的组分。另外，PSA可具有足够的粘附性和内聚性，以便将层状电池的部件粘结到一起。并且，当在电池中提供电解质的强力密封时，PSA可以流入本发明构造的装置所固有的微米级特征结构中。在合适PSA的一些实例中，PSA可对水蒸气具有低渗透性，以甚至在电池长时间经受极端湿度的情况下维持电池内所需的含水电解质组合物。PSA可对电解质组分诸如酸、表面活性剂和盐具有良好的耐化学性。它们对水浸的效果可为惰性的。合适的PSA可具有低氧气透过性以最小化直接氧化的速率，该直接氧化可为锌阳极的一种自放电形式。并且，它们可有利于有限的氢气透过性，氢气可在含水电解质中从锌阳极缓慢释放。有限的氢气透过性这一性质可避免内部压力的积聚。
考虑到这些要求，聚异丁烯(PIB)为一种可商购获得的材料，其可被配制到满足许多要求，即便不是全部所需要求，的PSA组合物中。此外，PIB可为一种具有极低吸水性和低透氧性的极好阻隔密封剂。可用于本公开实例中的PIB实例可为BASF公司的Oppanol® B15。Oppanol® B15可溶解在诸如甲苯、十二烷、溶剂油等的碳氢化合物溶剂中。一种PSA组合物例如可包括溶剂混合物中的30% Oppanol® B15 (w/w)，该溶剂混合物包含70% (w/w)甲苯和30%十二烷。在一些实例中，基于PIB的PSA的粘附性和流变性可通过共混不同分子量等级的PIB来确定。通常的方法可为使用大部分低摩尔质量的PIB，例如Oppanol® B10以实现润湿、粘性和粘附性，并且使用少部分高摩尔质量的PIB以实现韧性和抗流动性。因此，可在本公开的范围内设想并实施任何数量的PIB摩尔质量等级的共混。此外，只要可满足上述要求，便可将增粘剂添加到PSA制剂。由于增粘剂本身的性质，增粘剂赋予PSA制剂极性性质，因此它们需要被小心使用以便不会不利地影响PSA的阻隔性。此外，增粘剂在一些情况下可为氧化不稳定的并且可包括可滤去PSA的抗氧化剂。因为这些原因，用于生物相容性层状微电池中的PSA的示例性增粘剂可包括所有或大部分的氢化烃树脂增粘剂，诸如得自Eastman Chemical Corporation的Regalrez系列增粘剂。
生物相容性电池模块中附加封装件和基底的考虑
可能会有大量有关封装件和基底的考虑，这些考虑可决定用于生物相容性层状微电池中的封装件设计的所需特性。例如，封装可有利地主要基于箔和/或膜，其中这些封装层可尽可能薄，例如10到50微米。另外，封装可对储存寿命期间的水分增益或损耗提供足够的扩散阻隔。在许多可取的实例中，封装可对氧气进入提供足够的扩散阻隔以限制锌阳极因直接氧化而降解。
在一些实例中，封装可提供有限的供氢气透过的路径，而氢气可通过锌直接还原水而释放。并且，封装可有利地充分容纳和分离电池的内容物，使得暴露给用户的电势可最小化。
在本公开中，封装构造可包括以下类型的功能部件：顶部和底部封装层、PSA层、隔离层、互连区域、注料口和次级封装件。
在一些实例中，顶部和底部封装层可包括金属箔或聚合物膜。顶部和底部封装层可包括多层膜构造，该多层膜构造包含多个聚合物层和/或阻隔层。此类膜构造可称为共挤出阻隔层合膜。特别用于本公开中的市售共挤出阻隔层合膜的一个实例可为3M® Scotchpak 1109背衬，其由PET载体网、气相沉积铝阻隔层和聚乙烯层组成，构成33微米的总平均膜厚度。许多其他类似的多层阻隔膜可适于并可用于本公开的另选实例。
在包括PSA的设计构造中，封装层表面粗糙度是相当重要的，因为PSA同样也需要密封相对的封装层面。表面粗糙度可由用于生产箔和膜的制造过程产生，例如，采用轧制、挤出、压印和/或压延等的过程。如果表面太粗糙，则当所需PSA厚度可为大约表面粗糙度Ra时，PSA可不能以均一厚度施加。此外，如果相对面的粗糙度可近似于PSA层的厚度，则PSA不能抵靠相对面充分密封。在本公开中，表面粗糙度(Ra)小于10微米的封装材料可为可接受的实例。在一些实例中，表面粗糙度值可为5微米或更小。并且，在另外的实例中，表面粗糙度可为1微米或更小。表面粗糙度值可通过多种方法测定，包括但不限于诸如白光干涉法、触针式轮廓仪等测量技术。在表面计量学领域可存在许多实例，即，可通过一些可选参数来描述表面粗糙度，并且本文所讨论的平均表面粗糙度(Ra)值可旨在代表上述制造过程中所固有的特征结构类型。
集流体和电极
在一些锌-碳电池和勒克朗谢电池的实例中，阴极集流体可为烧结碳棒。这种类型的材料在本公开的薄电化学电池中可能面临技术障碍。在一些实例中，印刷的碳墨可在薄电化学电池中替代烧结碳棒用于阴极集流体，并且在这些实例中，可形成所得装置而不会对所得的电化学电池造成显著损伤。通常，碳墨可直接施用于可包括聚合物膜或在一些情况下金属箔的封装材料。在封装膜可为金属箔的实例中，碳墨可需要保护下面的金属箔不被电解质化学降解和/或腐蚀。此外，在这些实例中，碳墨集流体可需要提供从电化学电池内部到电化学电池外部的导电性，意味着在碳墨的周围或穿过碳墨进行密封。由于碳墨的多孔性，这是不可能在没有巨大挑战的情况下轻易实现的。碳墨还可施用于具有有限且相对较小厚度例如10到20微米的层。在薄电化学电池的设计中，总的内封装厚度可仅为约100到150微米，而碳墨层的厚度可占电化学电池总内部体积的相当大一部分，因此对电池的电性能产生不利影响。此外，整个电池特别是集流体的薄特性可意指集流体的小横截面积。由于迹线的电阻随迹线长度而增加并随已有横截面而减少，所以可直接在集流体厚度和电阻之间进行权衡。碳墨的体积电阻率可能不足以满足薄电池的电阻要求。同样还考虑了填充有银或其他导电金属的油墨以降低电阻和/或厚度，但是它们可引入新的挑战，诸如与新型电解质不相容。考虑到这些因素，在一些实例中，可能希望通过将薄金属箔用作集流体，或将薄金属膜施加到下面的聚合物封装层充当集流体以实现本公开的高效和高性能的薄电化学电池。此类金属箔可具有明显更低的电阻率，因此允许它们满足具有比印刷碳墨小得多的厚度的电阻要求。
在一些实例中，顶部和/或底部封装层中的一层或多层可充当溅镀的集流体金属或金属叠堆的基底。例如，3M® Scotchpak 1109背衬可通过使用被用作阴极集流体的一个或多个金属化层的物理气相沉积(PVD)而被金属化。用作阴极集流体的示例性金属叠堆可为Ti-W（钛-钨）粘合剂层和Ti（钛）导体层。用作阳极集流体的示例性金属叠堆可为Ti-W粘合剂层、Au（金）导体层和In（铟）沉积层。聚偏二氟乙烯(PVDF)层的厚度可例如总共小于500nm。如果使用多个金属层，则电化学性和阻隔性可需要与电池相容。例如，可将铜电镀到籽晶层的顶部以生长出厚的导体层。可在铜上电镀附加层。然而，铜可能与某些电解质，特别是在锌的存在下，电化学不相容。因此，如果铜用作电池中的层，则它可需要与电池电解质充分隔离。另选地，铜可被排除或被其他金属替代。
在一些其他实例中，顶部和/或底部封装箔也可用作集流体。例如，25微米的黄铜箔可用作锌阳极的阳极集流体。黄铜箔可任选地在电镀锌之前电镀铟。在一个实例中，阴极集流体封装箔可包括钛箔、哈氏合金C-276箔、铬箔和/或钽箔。在某些设计中，一种或多种封装箔可经过精密冲裁、压印、蚀刻、纹理化或激光加工或以其他方式处理，以为最终的电池封装提供所需的形式、表面粗糙度、和/或几何形状。
阳极和阳极抗蚀剂
本发明的层状电池的阳极可例如包括锌。在传统的锌-碳电池中，锌阳极可采用壳的物理形式，其中可容纳电化学电池的内容物。对于本发明的电池而言，锌可为一个实例，但也可存在实现超小电池设计所需的其他物理形式的锌。
电镀锌可在许多行业中具有使用实例，例如，用于金属零部件的保护性涂层或美观涂层。在一些实例中，电镀锌可用于形成本公开电池中所用的薄且适形的阳极。此外，电镀锌可根据设计意图被图案化成似乎无限多的构型。图案化电镀锌的一种温和方式可为用光掩模或物理掩模处理。电镀掩模可通过各种方法制成。一种方法可为使用光掩模。在这些实例中，可将光致抗蚀剂施加到导电基底，在该基底可随后镀锌。所需的电镀图案然后可通过光掩模被投射到光致抗蚀剂，从而引起光致抗蚀剂所选区域的固化。可用合适的溶剂和清洗技术去除未固化的光致抗蚀剂。结果可为可接收电镀锌处理的导电材料的图案化区域。尽管该方法可为待电镀的锌提供形状或设计上的益处，但该方法需要使用可用的可光图案化的材料，所述材料对整体电池封装构造可具有约束性质。因此，可能需要用于图案化锌的新方法来实现本公开的薄型微电池的一些设计。
图案化锌阳极的一种另选方式可为采用物理掩模应用。物理掩模可通过在膜中切出所需孔制成，该膜具有所需的阻隔性质和/或封装性质。另外，膜可具有施加到其一侧或两侧上的压敏粘合剂。最后，膜可具有施加到其一侧或两侧的粘合剂上的保护性剥离衬垫。该剥离衬垫可起到如下双重作用：即在孔切割期间保护粘合剂，以及在电化学电池组装的具体加工步骤期间，特别是如下文所述的阴极填充步骤期间保护粘合剂。在一些实例中，锌掩模可包括约100微米厚的PET膜，可在所述膜的两侧均施加一层约10-20微米厚的压敏粘合剂。两个PSA层由可具有低表面能表面处理的PET剥离膜覆盖，并且两个PSA层均可具有50微米的近似厚度。在这些实例中，多层锌掩模可包括PSA和PET膜。如本文所述的PET膜和PET/PSA锌掩模构造可有利地用精密纳秒激光微加工设备诸如牛津激光E系列激光微加工工作站处理，以在掩模中形成超精确孔从而有利于稍后的电镀。实质上，一旦制成了锌掩模，剥离衬垫的一侧就可被移除，并且具有孔的掩模可层合到阳极集流体和/或阳极侧的封装膜/箔。这样，PSA在孔的内边缘处形成密封，从而促进在电镀期间对锌的清洗和精确掩蔽。
可放置锌掩模，然后可对一种或多种金属材料进行电镀。在一些实例中，锌可被直接电镀到电化学相容的阳极集流体箔诸如黄铜上。在阳极侧封装包括已在其上施用籽晶金属化层的一层或多层聚合物膜的另选的设计实例中，锌和/或用于沉积锌的电镀溶液可能与下面的籽晶金属化层不化学相容。缺乏相容性的表现可包括膜开裂、腐蚀和/或与电池电解质接触时加剧的H2释放。在这种情况下，可将附加的金属施加到籽晶金属上以在系统中实现更好的整体化学相容性。尤其适用于电化学电池构造的一种金属可为铟。铟可广泛用作电池级锌中的合金试剂，其主要功能是在电解质存在下为锌提供抗腐蚀性。在一些实例中，铟可成功沉积在各种籽晶金属化层诸如Ti-W和Au上。籽晶金属化层上所得的1-3微米铟膜可为低压力和低粘附性的。这样，阳极侧封装膜和具有铟顶层的附接集流体可为适形且耐用的。在一些实例中，可将锌沉积到经过铟处理的表面上，所得的沉积层可能是非常不均一和结节状的。该效应可出现在较低电流密度设置中，例如20安培每平方英尺(ASF)。如在显微镜下所看到的，可观察到在下面的平滑铟沉积层上形成锌的结节。在某些电化学电池设计中，锌阳极层的竖直空间容量可高达约5-10微米最大值，但在一些实例中，较低电流密度可用于锌电镀，并且所得的结节状生长物可生长得高于最大的阳极竖直空间容量。结节状锌生长物可源于铟的高的超电势与铟氧化物层的存在的组合。
在一些实例中，较高电流密度DC电镀可克服锌在铟表面上的相对较大结节状生长模式。例如，100ASF电镀条件可产生结节状锌，但是与20ASF的电镀条件相比，其锌结节的尺寸可明显减小。此外，在100ASF电镀条件下结节数量可显著更多。当满足约5-10微米的垂直空间容量时，所得的锌膜可最终聚结成大体均匀的层，仅有一些残留的结节状生长特征结构。
电化学电池中包含铟的另一个益处可为氢气的减少，这可为发生在包含锌的水性电化学电池中的缓慢过程。可将铟有利地施加到一个或多个阳极集流体上，该阳极本身作为共电镀合金组分或作为电镀锌上的表面涂层。对于后一种情况，铟表面涂层可有利地通过电解质添加剂诸如三氯化铟或醋酸铟原位施加。当此类添加剂可以小浓度添加到电解质中时，铟可同时电镀到暴露的锌表面以及暴露的阳极集流体部分上。
锌，以及类似的常用于市售一次电池中的阳极，通常可见为片形式、棒形式和糊料形式。微型生物相容性电池的阳极可具有类似形式例如薄箔，或可如前所述进行电镀。此阳极的特性可与现有电池中的阳极明显不同，这是因为机械加工和电镀过程所造成的污染物或表面光洁度的差异。因此，电极和电解质可需要进行特殊的工程改造以满足电容、阻抗和储存寿命要求。例如，可能需要特殊电镀工艺参数、镀液组合物、表面处理剂和电解质组合物来优化电极性能。
阴极混合物
可存在许多与本公开的概念一致的阴极化学混合物。在一些实例中，“阴极混合物”作为用于形成电池阴极的化学制剂的术语，可以糊料或浆料施用并且可包括二氧化锰、一些形式的导电性碳诸如碳黑或石墨以及其他可选组分。在一些实例中，这些可选组分可包括一种或多种粘结剂、电解质盐、抗蚀剂、水或其他溶剂、表面活性剂、流变改性剂，以及其他导电性添加剂诸如导电性聚合物。一旦配制并适当混合后，阴极混合物可具有所需的流变特性，允许它或者被分配到分隔物和/或阴极集流体的所需部分上，或者以类似的方式刮压通过筛或漏印板。在一些实例中，阴极混合物可先干燥，稍后再进行电池组装步骤，而在其他实例中，阴极可包含一些或所有电解质组分，并且可只部分干燥至选定的水分含量。
可用于阴极混合物中的二氧化锰可例如为电解二氧化锰(EMD)，因为这种类型的二氧化锰相对于其他形式诸如天然二氧化锰或化学二氧化锰提供有益的附加能量容量。此外，本公开电池中所用的EMD可需要具有可有利于形成可沉积或可印制阴极混合物糊料/浆料的粒度和粒度分布。特别地，该EMD可被加工以去除被认为相对于其他特征结构而言大的显著大颗粒组分，所述其他特征结构诸如电池内部尺寸、分隔物厚度、分配尖端直径、漏印板开口尺寸或筛网尺寸。在一些实例中，EMD可具有7微米的平均粒径，但其中也包含颗粒可高达约70微米的大粒子内容物。在另选的实例中，该EMD可被过筛，进一步研磨或以其他方式分离或加工以将大颗粒内容物限制为低于特定阈值，例如25微米或更小。用于减小EMD粒度的一种方法可为可获得亚微米颗粒的喷射研磨。其他用于减小大粒度的方法可包括使用前进行阴极混合物糊料的球磨或3-辊轧。
阴极混合物糊料的一个重要方面可为聚合物粘结剂。该粘结剂可在阴极混合物糊料中提供若干功能。粘结剂的主要功能可为在EMD粒子与碳粒子之间形成足够的粒子间电网络。粘结剂的第二功能可为促进与阴极集流体的电接触。粘结剂的第三功能可为影响阴极混合物糊料的流变性质以有利地分配和/或漏印/筛选。另外，粘结剂的第四功能可为增强在阴极内的电解质摄取和分布。粘结剂聚合物的选择以及即将使用的具体量对于本公开电化学电池中阴极的有益功能可为至关重要的。如果粘结剂聚合物在待使用的电解质中溶解度很高，那么，该粘结剂的主要功能（即电连续性）可能受到极大影响，最终导致电池丧失功能。相反，如果粘结剂聚合物在待使用的电解质中不可溶，那么EMD的部分可与电解质离子绝缘，导致电池性能下降，诸如容量减小、开路电压降低和/或内电阻增大。最后，需要小心权衡粘结剂聚合物的选择和即将使用的量，这可能需要通过仔细试验来确定，在一些实例中用实验设计(DOE)方法来确定。本公开所用粘结剂聚合物的实例包括聚乙烯吡咯烷酮、聚异丁烯、橡胶三嵌段共聚物（包括苯乙烯末端嵌段，诸如由Kraton Polymers制造的那些嵌段共聚物）、苯乙烯-丁二烯胶乳嵌段共聚物、聚丙烯酸、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素等。
阴极还可包括除了其他候选材料的二氧化银或羟基氧化镍。此类材料可提供增大的容量和在相对于二氧化锰放电期间更少的负载电压减小，这均是电池中所需的性质。基于这些阴极的电池可具有大量存在于行业和文献中的现有实例。采用二氧化银阴极的新型微电池可包括生物相容性电解质，例如由氯化锌和/或氯化铵构成而不是由氢氧化钾构成的电解质。
电池架构和制造
电池架构和制造技术可为紧密相关的。如已在本公开前面部分中所讨论，电池具有以下元件：阴极、阳极、分隔物、电解质、阴极集流体、阳极集流体和封装件。试图通过巧妙的设计容易地组合这些元件来制造子组件。在其他实例中，经优化的设计可具有双重用途部件，例如，将金属封装件兼作集流体使用。从相对体积和厚度的角度来看，这些元件除了阴极以外可几乎全部为相同体积。在一些实例中，由于阴极和阳极二者在机械密度、能量密度、放电效率、材料纯度以及粘结剂、填充物和导电剂的存在方面的显著差异，所以电化学系统可需要阴极体积为阳极体积的约二(2)到十(10)倍。在这些实例中，各种部件的相对尺度可大致为以下元件厚度：阳极集流体= 1µm；阴极集流体= 1µm；电解质=隙间液体（有效地0µm）；分隔物=如期望那样薄或厚，其中设计的最大厚度可为约15µm；阳极= 5µm；以及阴极= 50µm。对于元件的这些实例，需要提供足够保护以在使用环境中维持电池化学物质的封装件可具有约50µm的设计最大厚度。
在一些实例中，可根本不同于大的棱形构造诸如圆柱形或矩形，并且可不同于基于晶片的固态构造，此类实例可使用制成各种构型的网或片而呈“袋”状构造，电池元件布置在此构造内。此容纳构造可具有两个膜或一个弯曲在另一侧上的膜，膜的构型可形成两个大致平坦的表面，然后所述膜可被密封到周边以形成容器。此薄但宽的形状因数可使电池元件本身薄且宽。此外，这些实例可能适用于涂层、凹版印刷、丝网印刷、喷涂或其他类似制造技术。
在这些具有薄但宽的形状因数的“袋状”电池实例中可存在内部组件诸如阳极、分隔物和阴极的多种布置。在由两个膜形成的闭合区域内，这些基本元件为在相同平面上并列的“共平面”，或者为在相对平面上面对面的“共面”。在共平面布置中，阳极、分隔物和阴极可沉积在相同表面上。在共面布置中，阳极可沉积在表面1上，阴极可沉积在表面2上，分隔物可置于二者之间，或沉积在其中一侧上，或作为自身的分隔元件插入。
另一类型的实例可被分类为层合组件，这可涉及使用网或片形式的膜，逐层构建电池。片可使用粘合剂彼此结合，所述粘合剂诸如压敏粘合剂、热活化粘合剂或基于化学反应的粘合剂。在一些实例中，片可通过焊接技术诸如热焊接、超声波焊接等粘结。片可使自身适用于标准行业惯例，如卷对卷(R2R)或片对片组件。如前文所述，阴极的内部体积可能需要基本上大于电池中的其他活性元件。可能必须用电池构造的大部分形成该阴极材料的空间，并支持它在电池挠曲中的迁移。电池构造中可占厚度预算绝大部分的另一部分是分隔物材料。在一些实例中，分隔物的片形式可为层合处理提供有利的解决方案。在其他实例中，可通过将水凝胶材料分配到层中充当分隔物而形成隔离。对于片状分隔物方法，可引入另一层合物层来容纳此元件。对于分配的水凝胶分隔物，成形装置的厚度可增加以容纳必要的隔离件材料体积从而容纳此分隔物。
在这些层合的电池组件实例中，成形产品可具有阳极片，该阳极片可为封装层和阳极集流体以及阳极层基底的组合。成形产品还可具有任选的分隔物隔离件、阴极隔离件和阴极片。阴极片可为封装层与阴极集流体层的组合。
电极与集流体之间的紧密接触对于减小阻抗和增大放电容量而言是至关重要的。如果电极的一部分不与集流体接触，则阻抗可由于随后通过电极导通（与集流体相比通常导电性较小）而增加，或电极的一部分可变成完全断开。在纽扣电池和圆柱形电池中，通过机械力夹紧壳、将糊料压入壳中或通过类似方式来实现紧密性。波形垫圈或类似的弹簧可用于市售电池中以保持电池内的力；然而，这些波形垫圈或弹簧将增加微型电池的总体厚度。在典型的贴片电池中，分隔物可充满电解质，横跨电极放置，并且通过外部封装件向下压。在层状共面电池中，存在增加电极紧密性的若干方法。可将阳极直接电镀到集流体上而不使用糊料。该方法固有地获得高水平的紧密性和导电性。然而，阴极通常为糊料。虽然阴极糊料中存在的粘结剂材料可提供粘附力和内聚力，但仍需要机械压力以确保阴极糊料与阴极集流体保持接触。当封装件是挠曲的且电池老化并放电时，例如当水分通过薄且小的密封件离开封装件时，这可能是特别重要的。可通过在阳极与阴极之间引入适形分隔物和/或电解质而在层状共面电池中实现对阴极的压缩。例如，凝胶电解质或水凝胶分隔物可压缩在组件上并且不会如液体电解质那样轻易的离开电池。一旦电池被密封，电解质和/或分隔物可随后抵靠阴极推回。在组装层状叠堆之后可进行压印步骤，向叠堆中引入压缩。
示例性示出的对生物相容性通电元件的处理 – 放置的分隔物
参见图4A至图4N，示出了可涉及处理生物相容性通电元件的步骤的实例。一些示例性步骤的处理可见于各附图中。在图4A中，可示出PET阴极隔离件401和PET间隙隔离件404的组合。可通过施加例如大致3密耳厚的PET403的膜形成PET阴极隔离件401。在PET层的任一侧上可存在PSA层，或者可覆盖有大致1密耳厚的PVDF剥离层402。PET间隙隔离件404可由大致3密耳厚的PVDF层409形成。可存在大致0.5密耳厚的封盖PET层405。在一些实例中，在PVDF层409与封盖PET层405之间可为PSA层。
接着参见图4B，可通过激光切割处理在间隙隔离层中切出腔406。接下来在图4C中，可将切割后的PET间隙隔离层层合408至PET阴极隔离层。接着参见图4D，可通过激光切割处理切出阴极隔离件腔410。该切割步骤的对准可为与之前PET间隙隔离层中切割后的特征结构对准。在图4E中，用于最终分隔物层的Celgard层412可粘结至载体411。接着参见图4F，Celgard材料可被切割成尺寸介于之前两个激光切割腔的尺寸之间，并且约为PET间隙隔离件腔的尺寸，从而形成预切割分隔物420。接着参见图4G，拾取和放置工具421可用于拾取和放置Celgard的分立件到生长装置上的其所需位置中。在图4H中，将放置的Celgard件422紧固到适当位置，然后移除PVDF剥离层423。接着参见图4I，可将生长的装置结构粘结到阳极425的膜。阳极可包括已电沉积有锌阳极膜的阳极集流体膜。
接着参见图4J，可将阴极浆料430放置到所形成的间隙中。在一些实例中可使用刮刀431将阴极混合物涂布在整个工件上，并在此过程中填充形成的电池装置的间隙。填充后，可将剩余的PVDF剥离层432移除，从而可得到图4K所示的结构。在图4L中，可对整体结构进行干燥处理，该处理可使阴极浆料440也收缩到PET层顶部的高度。接着参见图4M，可将阴极膜层450（其上可已具有阴极集流体膜）粘结到生长的结构上。在最后的图4N示意图中，可执行激光切割过程来移除侧区域460并生成电池元件470。对于可在本公开的意图内有用的材料和厚度目标，可进行多种更改、删除和改变。
在图5中可详细地示出示例性处理的结果。在一个实例中，可定义以下参考特征结构。阴极化学物质510可定位成与阴极和阴极集流体520接触。压敏粘合剂层530可将阴极集流体520保持并密封到PET隔离层540。在PET隔离层540的另一侧可为另一PSA层550，该PSA层将PET隔离层540密封并粘附到PET间隙层560。另一PSA层565可将PET间隙层560密封并粘附到阳极和阳极集流体层。可将镀锌层570电镀到阳极集流体580上。分隔物层590可位于该结构内，以执行如本公开中已定义的相关功能。在一些实例中，可在该装置的处理过程中加入电解质，在其他实例中，该分隔物可已包括电解质。
对生物相容性通电元件的示例性处理示意图 – 沉积的分隔物
在图6A至图6F中，示出了可涉及处理生物相容性通电元件的步骤的实例。一些示例性步骤的处理可见于各附图中。对于可在本公开的意图内有用的材料和厚度目标，可进行多种更改、删除和改变。
在图6A中可示出层状构造600。该层状结构可包括两个层状构造剥离层602和602a；位于层状构造剥离层602和602a之间的两个层状构造粘合剂层604和604a；以及位于两个层状构造粘合剂层604和604a之间的层状构造芯606。可以制作或购买层状构造剥离层602和602a以及粘合剂层604和604a，诸如可商购获得的具有主要衬垫层的压敏粘合剂转移胶带。层状构造粘合剂层可为厚度大约1-3毫米的PVDF层，所述PVDF层覆盖层状构造芯606。层状构造芯606可包含热塑性聚合物树脂，诸如聚对苯二甲酸乙二酯，该树脂可例如为大致3毫米厚。接着参见图6B，可通过激光切割处理在层状构造中切出阴极凹坑608的腔。
接下来，在图6C中，可从层状构造中移除底部层状构造剥离层602，从而暴露层状构造粘合剂层604。然后可使用层状构造粘合剂层604粘附阳极连接箔610，以覆盖阴极凹坑608的底部开口。接着参见图6D，可通过粘附掩蔽层612来保护暴露底层上的阳极连接箔610。掩蔽层612可为可商购获得的具有主要衬垫的PSA转移胶带。接下来，在图6E中，可将阳极连接箔610电镀上连贯的金属614，例如锌，这可盖住阴极凹坑内阳极连接箔610的外露部分。接着参见图6F，在电镀后将阳极集电掩蔽层612从阳极箔610的底部移除。
图7A至图7F可示出进行图6A至图6F所示的方法步骤的替代方式。图7A至图7B可示出类似于如图6A至图6B所示的过程。层状结构可包括两个层状构造剥离层702和702a，每端各一个层；位于层状构造剥离层702和702a之间的两个层状构造粘合剂层704和704a；以及位于层状构造粘合剂层704和704a之间的层状构造芯706。可以制作或购买层状构造剥离层以及粘合剂层，诸如可商购获得的具有主要衬垫层的压敏粘合剂转移胶带。层状构造粘合剂层可为厚度大约1-3毫米的聚偏二氟乙烯(PVDF)层，所述PVDF层覆盖层状构造芯706。层状构造芯706可包含热塑性聚合物树脂，诸如聚对苯二甲酸乙二酯，该树脂可例如为大致3毫米厚。接着参见图7B，可通过激光切割处理在层状构造中切出阴极凹坑708的腔。在图7C中，可获得在一侧施加有保护掩蔽层712的阳极连接箔710。接下来，在图7D中，可将阳极连接箔710电镀有连贯的金属层714，例如锌。接着参见图7E，可通过将图7B的层状构造粘附到图7D的电镀层714来使图7B和图7D的层状构造相结合，以形成图7E中所示的新的层状构造。可将图7B的剥离层702a移除，以便暴露图7B的粘合剂层704a，以粘附到图7D的电镀层714上。接下来参见图7F，可将阳极保护掩蔽层712从阳极连接箔710的底部移除。
图8A至图8H可示出通电元件到生物相容性层状结构的实施过程，该层状结构有时在本文中称为层状组件或层合组件，它类似于例如图6A至图6F以及图7A至图7F中所示的层状结构。接着参见图8A，水凝胶分隔物前体混合物820可沉积在层合组件的表面上。在一些实例中，如图所示，可将水凝胶前体混合物820施加在剥离层802上。接下来，在图8B中，可将水凝胶分隔物前体混合物820刮压850到阴极凹坑中，同时将剥离层802上的该混合物清除干净。术语“刮压”一般是指使用平整工具或刮擦工具在表面上涂擦，并且使流体材料遍及表面并使其流入它们所存在的腔中。可使用类似俗话中“刮刀”式装置或者平整化装置的设备进行刮压过程，所述平整化装置诸如可由多种材料制成的刀刃、刀锋等，所述材料的化学性质可与将要移动的材料一致。
可将图8B所示的过程进行数次，以确保阴极凹坑得到涂布，并增加所得特征结构的厚度。接下来，在图8C中，可干燥水凝胶分隔物前体混合物以便使材料从水凝胶分隔物前体混合物蒸发，所述材料通常可为各种类型的溶剂或稀释剂；然后，可将所分配和施加的材料固化。在一些实例中，将图8B和图8C中示出的过程组合起来进行重复也可为可行的。在一些实例中，水凝胶分隔物前体混合物可通过暴露于热来固化，而在其他实例中则可通过暴露于光子能量来进行固化。在其他实例中，固化可涉及同时暴露于光子能量和热。可有多种固化水凝胶分隔物前体混合物的方式。
固化的结果可以是让水凝胶分隔物前体材料形成阴极凹坑壁以及接近阳极或阴极特征结构的表面区域，在本实例中接近的是阳极特征结构。将该材料粘附到腔的侧壁可用于分隔物的分离功能。固化的结果可以是形成脱水聚合的前体混合物浓缩物822，可仅将其视作电池的分隔物。接着参见图8D，阴极浆料830可沉积在层状构造剥离层802的表面上。接下来，在图8E中，可将阴极浆料830刮压到阴极凹坑中以及脱水聚合的前体混合物浓缩物822上。可将阴极浆料移动到其在腔中的所需位置，同时在很大程度上将其从层状构造剥离层802上清理干净。可将图8E的过程进行数次，确保阴极浆料830涂布在脱水聚合的前体混合物浓缩物822顶部。接下来，在图8F中，可将阴极浆料干燥，以在脱水聚合的前体混合物浓缩物822顶部形成隔离的阴极填充物832，该填充物将阴极凹坑的剩余部分填满。
接着参见图8G，可将电解质制剂840添加到隔离的阴极填充物832上，使隔离的阴极填充物832与脱水聚合的前体混合物浓缩物822水合。接下来，在图8H中，可通过移除剩余的层状构造剥离层802并将阴极连接箔816按压到位，将该连接箔816粘附到剩余的层状构造粘合剂层804。所得放置方式可使水合阴极填充物842被覆盖，并且建立起到阴极填充物842的电接触，作为阴极集流体和连接方式。
放置的分隔物的另选实例
图9A至9C可示出图7D中所示的所得层合组件的另选实例。在图9A中，可获得在一侧施加有保护掩蔽层712的阳极连接箔710。阳极连接箔710可镀有连贯的金属层714，例如锌。采用类似于先前图中描述的方式进行处理。接着参见图9B，可施加聚合物膜分隔物910，该分隔物可由如先前所讨论的Celgard形成。可通过多种方式施加聚合物膜分隔物，例如可通过物理粘附来粘附混合物的预成形膜，并且另选地，可通过旋涂处理来分配粘合剂的稀释混合物，然后将其调整到所需厚度。另选地，可通过喷涂或任何其他等效处理施加粘合剂材料，然后可施加聚合物膜分隔物。在一些实例中，可采用如参考图4所述的方式将聚合物膜分隔物图案化，再将其粘附在阳极上。在一些另选的实例中，其中将聚合物膜分隔物置于未图案化层中（图9C），可进行处理来形成一段可用作分隔物区域周围的容纳构造的分隔物。该处理可形成可限制材料流动或扩散的区域，所述材料为诸如所形成的电池元件内部结构外的电解质。因此可形成各种类型的这种阻挡特征结构920。在一些实例中，可例如通过对采用掩蔽来限定区域范围的层进行化学蚀刻，移除聚合物分隔物材料的区域。移除材料的区域本身可形成阻挡特征结构，或另选地，可将材料添加回空隙来形成阻挡特征结构。在一些实例中，示出为由图9C的处理所得类型的层状构造或组件可形成为不具有阻挡特征结构920。
聚合电池元件分隔物
在一些电池设计中，可能出于多种原因而不使用分立的分隔物（如先前部分所述），如成本、材料的可用性、材料的质量，或一些作为非限制性实例的材料选项的处理复杂性。在这种情况下，可例如已在图8A至图8H的过程中示出的浇铸分隔物或现场成型分隔物可提供所需的优点。尽管淀粉或糊料分隔物已成功商用于AA和其他形式的勒克朗谢电池或碳锌电池中，但这种分隔物可能在某种程度上不适合用于层状微电池的某些实例。需要特别注意的是，在本公开的电池中使用的任何分隔物的几何形状应均匀且一致。可能需要精确控制分隔物的体积，以有助于随后准确加入已知的阴极体积并随后实现一致的放电容量和电池性能。
用于实现均匀的、机械上坚固的现场成型分隔物的方法可以是使用可紫外光固化的水凝胶制剂。多种透水的水凝胶制剂在各个行业（例如接触镜片行业）可以是已知的。接触镜片行业中常见的水凝胶的实例可为聚(甲基丙烯酸羟乙酯)交联的凝胶，或简称为pHEMA。对于本发明的多种应用，pHEMA可具有许多用于勒克朗谢电池和锌碳电池的有吸引力的性质。在水合状态下，pHEMA通常可保持大约30-40%的水含量，同时保持大约100psi或更大的弹性模量。此外，本领域的技术人员可通过加入额外的亲水性单体（如甲基丙烯酸）或聚合物（如聚乙烯吡咯烷酮）组分来调整交联水凝胶的模量和水含量性质。以这种方式，可按配方调整水含量量，或更具体地说，水凝胶的离子渗透性。
在一些实例中特别有利的是，可浇铸且可聚合的水凝胶制剂可包含一种或多种便于加工的稀释剂。可选择具有挥发性的稀释剂，使得可浇铸的混合物可被刮压入腔中，然后允许干燥足够的时间来除去挥发性溶剂组分。干燥后，可通过暴露于适当波长的光化辐射来引发本体光聚合，诸如对于选定的光引发剂（如CG 819）使用420nm的蓝色紫外光。挥发性稀释剂可帮助提供所需的应用粘度，以便促进在腔中浇铸可聚合材料的均匀层。挥发性稀释剂，特别是在制剂中加入了强极性单体的情况下，也可以提供有利的表面张力降低效应。对于实现在腔中浇铸可聚合材料均匀层而言很重要的另一个方面可为应用粘度。常见的小摩尔质量活性单体通常不具有非常高的粘度，其粘度通常只有几个厘泊。为了给可浇铸且可聚合的分隔物材料提供有益的粘度控制，可选择已知与所述可聚合材料相容的高摩尔质量聚合物组分加入制剂。可适合加入示例性制剂的高摩尔质量聚合物的实例可包括聚乙烯吡咯烷酮和聚环氧乙烷。
在一些实例中，如前所述，可将可浇铸、可聚合的分隔物有利地应用于设计的腔中。在另选的实例中，在聚合时可能没有腔。相反，可将可浇铸、可聚合的分隔物制剂涂覆在含有电极的基底上，例如图案化的镀锌黄铜，随后使用光掩模暴露于光化辐射，以便在目标区域选择性地聚合分隔物材料。然后可通过将未反应的分隔物材料暴露于适当的清洗溶剂，去除所述材料。在这些实例中，可将分隔物材料指定为光图案化的分隔物。
生物相容性装置可以为例如植入式电子装置诸如起搏器和微能量收集器、监测和/或测试生物功能的电子药丸、具有活性部件的外科装置、眼科装置、微型泵、除颤器、支架等。
已描述了具体实例以示出生物相容性通电元件的成形、成形方法和成形装置的示范实施例，其中所述通电元件包括分隔物。这些实例用于所述举例说明，而无意以任何方式限制权利要求书的范围。因此，说明书旨在涵盖对于本领域技术人员可能显而易见的全部实例。

Claims (31)

1. 一种形成生物相容性通电元件的方法，所述方法包括：
接收第一绝缘材料的第一基底膜；
接收第二绝缘材料的第二基底膜；
在所述第二基底膜中切出腔以形成间隙隔离层；
在所述第一基底膜中切出腔以形成阴极隔离层，其中所述腔的边缘限定所述腔的侧壁；
将所述间隙隔离层的第一表面层合到所述阴极隔离层的第一表面；
通过所述间隙隔离层中的所述腔将分隔物放置到所述生物相容性通电元件中；
接收阳极膜；
将所述间隙隔离层的第二表面粘附到所述阳极膜的第一表面；
接收阴极浆料；以及
将所述阴极浆料放置到所述阴极隔离层中的所述腔中，其中所述阴极隔离层中的所述腔的侧壁和所放置的分隔物的表面形成腔以容纳所述阴极浆料。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括：
接收阴极接触膜；以及
将所述阴极隔离层的第二表面粘附到所述阴极接触膜的第一表面的至少一部分。
3. 根据权利要求2所述的方法，还包括：
接收包括其中一层是金属防潮层的膜叠堆的第一封装膜；以及
将所述第一封装膜粘附到所述阴极接触膜的至少一部分。
4. 根据权利要求3所述的方法，还包括：
接收包括其中一个膜层是金属防潮层的膜叠堆的第二封装膜；以及
将所述第二封装膜粘附到所述阳极膜的至少一部分。
5. 根据权利要求4所述的方法，还包括将所述生物相容性通电元件粘附到生物医疗装置的一部分。
6. 根据权利要求2所述的方法，其中所述生物相容性通电元件被添加到生物医疗装置的插入件，其中所述生物相容性通电元件被密封在所述插入件内。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述生物医疗装置是接触镜片。
8. 根据权利要求1所述的方法，还包括在所述分隔物上添加电解质制剂。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中在所述分隔物上添加电解质制剂在放置所述阴极浆料之前执行。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中所述阴极浆料包含二氧化锰。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述二氧化锰包括电解二氧化锰。
12. 根据权利要求11所述的方法，还包括处理所述阴极浆料以移除大颗粒。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中粒度小于大约70微米。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述粒度小于大约25微米。
15. 根据权利要求12所述的方法，其中移除大颗粒的所述处理包括球磨。
16. 根据权利要求12所述的方法，其中移除大颗粒的所述处理包括喷射研磨。
17. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一基底膜和所述第二基底膜是相同的材料。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述相同的材料为聚对苯二甲酸乙二酯。
19. 根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一基底膜中切出腔利用激光。
20. 根据权利要求1所述的方法，其中所述粘附方法包括激活压敏粘合剂。
21. 根据权利要求1所述的方法，其中在所述阴极隔离层中切出多个腔，并且所述分隔物被放置到所述多个腔中的至少两个腔中。
22. 根据权利要求1所述的方法，还包括：
在粘附所述第二表面之前在所述阳极膜上电镀锌层，其中所述电镀的锌层的表面随后成为所述阳极膜的第一表面。
23. 根据权利要求1所述的方法，还包括：
使所述生物相容性通电元件与电子电路电接触；以及
使所述电子电路与生物医疗装置的电活性元件电接触。
24. 根据权利要求23所述的方法，还包括通过将得自权利要求23的所述装置的两端物理地接合和电接合来将得自权利要求23的所述装置弯曲以形成锥形件。
25. 一种形成生物相容性通电元件的方法，所述方法包括：
接收第一绝缘材料的第一基底膜；
在所述第一基底膜中切出腔以形成阴极隔离层，其中所述腔的边缘限定所述腔的侧壁；
接收阳极膜；
接收分隔物膜；
将所述分隔物膜的第一表面粘附到所述阳极膜上；
将所述阴极隔离层的第一表面粘附到所述分隔物膜的第二表面；
接收阴极浆料；以及
将所述阴极浆料放置到所述阴极隔离层中的所述腔中，其中所述阴极隔离层中的所述腔的侧壁和所述分隔物膜的第二表面容纳所述阴极浆料。
26. 根据权利要求25所述的方法，还包括：
接收阴极接触膜；以及
将所述阴极隔离层的第二表面粘附到所述阴极接触膜的第一表面的至少一部分。
27. 根据权利要求26所述的方法，还包括：
接收包括其中一层是金属防潮层的膜叠堆的第一封装膜；以及
将所述第一封装膜粘附到所述阴极接触膜的至少一部分。
28. 根据权利要求27所述的方法，还包括：
接收包括其中一个膜层是金属防潮层的膜叠堆的第二封装膜；以及
将所述第二封装膜粘附到所述阳极膜的至少一部分。
29. 根据权利要求28所述的方法，还包括：
将所述生物相容性通电元件粘附到生物医疗装置的一部分。
30. 根据权利要求26所述的方法，其中所述生物相容性通电元件被添加到生物医疗装置的插入件，其中所述生物相容性通电元件被密封在所述插入件内。
31. 根据权利要求30所述的方法，其中所述生物医疗装置是接触镜片。
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