CN105552206B - 一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法，先在热释电薄膜上制作微阵列结构，然后在结构化的热释电薄膜上下两面的一端各溅射一层金属薄膜，在结构化的热释电薄膜上下两面制备透明电极薄膜，使透明电极薄膜一侧搭在金属薄膜上，用导电银浆将铜导线固定在金属薄膜上，完成柔性植入式电源的制备，再将PDMS滴涂在柔性植入式电源上，使柔性植入式电源完全被PDMS薄膜包围住，只露出铜导线，然后加热固化；将柔性植入式电源接入电路中，红外光照射柔性植入式电源实现光能向电能的转换，通过控制红外光照射的强度和频率实现不同的光‑热‑电转换效率，本发明增大了能量的传输距离，提高了光‑热‑电转换效率。

Description

一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法

技术领域

本发明属于医学电子技术领域，具体涉及一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对植入式医疗设备的需求将会越来越大。植入式设备能够在体内长期稳定地工作首先要求具有可靠、高效的能量供给单元。由于其工作环境特殊且与人的生命息息相关，人体植入式医疗设备的供电电源具有一些特殊的要求。例如，小型化，使用时间长，柔性，密封性好，与人体的生物相容性好等。其中，电源的长期、稳定供给更是重中之重。植入式设备的能量供给方式目前主要有两类：植入式电池和经表皮非接触能量传输。其中植入式电池具有安全可靠、能量密度高、自放电小、可以全密封等特点，但当电能耗尽时，病人需要通过外科手术来更换体内的电池。而二次手术会给病人带来精神和肉体上的痛苦，以及不菲的经济负担。经表皮非接触能量传输是通过电磁感应以磁场的形式将至于体外的能量源透过人体的皮肤传输至体内植入设备。它解决了植入式电池电能耗尽后需手术更换的问题，且没有物理连接，避免感染。但是通过电磁感应方式的电源所采用的材料都是金属的，电源的柔性受到了限制。

随着新技术的发展，人们利用磁、声、光、热等领域的技术来给人体植入电子设备提供电能。例如某些研究利用压电材料将人体某些器官运动的机械能转化为电能，供植入人体的医疗设备正常运作，但人体内部环境复杂，这种靠自身机械能的能量转换方式并不稳定。而磁、声、热等能量场的能量传输距离又受到限制。因此要进一步实现远程无线的能量传输，实现植入式设备的自供电，必须选用一种穿透性强、传输距离远的能量源，而且植入式电源的材料也面临柔性和生物兼容性等技术难题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法，利用热释电效应，直接给植入式电源充电。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法，包括以下步骤：

1)在热释电薄膜上制作微阵列结构，得到结构化的热释电薄膜；

2)在结构化的热释电薄膜上下两面的一端各溅射一层金属薄膜，然后在结构化的热释电薄膜上下两面制备透明电极薄膜，使透明电极薄膜一侧搭在金属薄膜上，用导电银浆将铜导线固定在金属薄膜上，完成柔性植入式电源的制备；

3)将PDMS滴涂在柔性植入式电源上，使柔性植入式电源完全被PDMS薄膜包围住，只露出铜导线，然后加热至65℃，保持4个小时固化；

将柔性植入式电源接入电路中，红外光照射柔性植入式电源实现光能向电能的转换，通过控制红外光照射的强度和频率实现不同的光-热-电转换效率。

所述的步骤1)中所用的热释电薄膜为柔性的热释电材料，包括PVDF和PMN-PT。

所述的步骤1)中热释电薄膜的厚度为30-100μm。

所述的步骤1)中在热释电薄膜上制作微阵列结构的方法包括纳米压印法、湿法刻蚀或干法刻蚀。

所述的步骤1)中热释电薄膜上的微阵列结构包括圆孔阵列、方孔阵列和通槽阵列，圆孔阵列的孔径为50-100μm，孔间距为100-150μm，孔深为10-50μm；方孔阵列的孔宽为50-100μm，孔间距为100-150μm，孔深为10-50μm；通槽阵列的槽宽为50-100μm，槽间距为100-150μm，槽深为10-50μm。

所述的步骤2)中的金属薄膜包括金、银或铜，厚度为10-50nm。

所述的步骤2)中透明电极薄膜包括PEDOT、石墨烯或ITO。

所述的步骤2)中在结构化的热释电薄膜上下两面制备透明电极薄膜的制备方法包括湿法转移法、旋涂法或磁控溅射方法。

所述的步骤3)中红外光的波段在760-1500nm。

本发明的优点在于：

本发明制备的柔性植入式电源可将红外光转换成电能，实现植入式电源的无线远程充电。红外光具有强穿透性和远程能量传输的优点，可用作植入式电源的能量源；结构化的热释电薄膜增加了比表面积，提高了光-热-电转换效率；透明电极的红外穿透性大，提高了热释电薄膜对红外光的吸收，进一步提高了光-热-电转换效率；此柔性植入式电源的光-热-电的转换效率可以达到80-90％；且所使用的材料均满足了植入式电源对材料柔性和生物兼容性的要求，可直接植入体内。

附图说明

图1是制造柔性植入式电源的流程图，图1a是制备热释电薄膜两端金属薄膜的示意图；图1b是制备热释电薄膜两面透明电极薄膜的示意图；图1c是制作两端铜引线的示意图；图1d是PDMS封装后的柔性植入式电源示意图。

图2是通过外场照射柔性植入式电源实现光电转换示意图，图2a是未施加外场的柔性植入式电源示意图；图2b是施加光场的柔性植入式电源收集电能的示意图.

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法，包括以下步骤：

1)采用纳米压印方式在热释电薄膜上制作微米级圆孔阵列结构，得到结构化的热释电薄膜，热释电薄膜为厚度100μm的PVDF薄膜，圆孔阵列的孔径为70μm，孔间距为120μm，孔深为50μm；

2)参照图1(a)，在结构化PVDF薄膜1上下两面的一端溅射一层厚度为10nm的金属薄膜2，金属薄膜2材料是Au；参照图1(b)，采用湿法转移在结构化PVDF薄膜1的上下两面的一端制备透明电极薄膜3，使透明电极薄膜3的一侧搭在金属薄膜2上，透明电极薄膜3材料是石墨烯；参照图1(c)，用导电银浆将铜导线4固定在金属薄膜2上，完成柔性植入式电源的制造；

3)参照图1(d)，采用滴涂的方式，将质量分数为10％的PDMS滴在图1(c)的柔性植入式电源上，使柔性植入式电源完全被PDMS薄膜5包围住，只露出铜导线4，然后加热至65℃，保持4个小时固化；

参照图2(a)，将柔性植入式电源的铜导线4和电流表6相连接，未加光照的柔性植入式电源，电流表6的指针未动，说明没有电流流过；参照图2(b)，在红外光7的照射下，电流表6的指针发生偏转，说明产生了电流，红外光7的波长为808nm，光源强度为3-5W/cm²，光源和器件的距离为30-50cm，通过控制红外光7的强度和光照频率，实现柔性植入式电源的光-热-电转换。

本实施例的有益效果为：实施例中的能量传输方式要比传统的充电方式传输距离远，且柔性植入式电源可随意弯折，光-热-电的转换效率为85％。

实施例2

一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法，包括以下步骤：

1)采用湿法腐蚀方式在热释电薄膜上制作微米级方孔阵列结构，得到结构化的热释电薄膜，热释电薄膜为厚度30μm的PVDF薄膜，方孔阵列的孔宽为50μm，孔间距为100μm，孔深为10μm；

2)参照图1(a)，在结构化PVDF薄膜1上下两面的一端溅射厚度为20nm的金属薄膜2，金属薄膜2材料是Ag；参照图1(b)，采用旋涂法在结构化PVDF薄膜1的上下两面制备透明电极薄膜3，使透明电极薄膜3的一侧搭在金属薄膜2上，透明电极薄膜3材料是PEDOT；参照图1(c)，用导电银浆将铜导线4固定在金属薄膜2上，完成柔性植入式电源的制造；

3)参照图1(d)，采用滴涂的方式，将质量分数为10％的PDMS滴在图1(c)的柔性植入式电源上，使柔性植入式电源完全被PDMS薄膜5包围住，只露出铜导线4，然后加热至65℃，保持4个小时固化；

参照图2(a)，将柔性植入式电源的铜导线4和电流表6相连接，未加光照的柔性植入式电源，电流表6的指针未动，说明没有电流流过；参照图2(b)，在红外光7的照射下，电流表6的指针发生偏转，说明产生了电流，红外光7的波长为1500nm，光源强度为3-5W/cm²，光源和器件的距离为30-50cm，通过控制红外光7的强度和光照频率，实现柔性植入式电源的光-热-电转换。

本实施例的有益效果为：实施例中的能量传输方式要比传统的充电方式传输距离远，且柔性植入式电源可随意弯折，光-热-电的转换效率为90％。

实施例3

一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法，包括以下步骤：

1)采用干法腐蚀方式在热释电薄膜上制作微米级槽型阵列结构，得到结构化的热释电薄膜，热释电薄膜为厚度50μm的PMN-PT薄膜，通槽阵列的槽宽为100μm，槽间距为150μm，槽深为20μm；

2)参照图1(a)，在结构化PMN-PT薄膜1上下两面的一端溅射厚度为50nm的金属薄膜2，金属薄膜2材料是Cu；参照图1(b)，采用磁控溅射法在结构化PMN-PT薄膜1的上下两面制备将透明电极薄膜3，使透明电极薄膜3的一侧搭在金属薄膜2上，透明电极薄膜3材料是ITO；参照图1(c)，用导电银浆将铜导线4固定在金属薄膜2上，完成柔性植入式电源的制造；

3)参照图1(d)，采用滴涂的方式，将质量分数为10％的PDMS滴在图1(c)的柔性植入式电源上，使柔性植入式电源完全被PDMS薄膜5包围住，只露出铜导线4，然后加热至65℃，保持4个小时固化；

参照图2(a)，将柔性植入式电源的铜导线4和电流表6相连接，未加光照的柔性植入式电源，电流表6的指针未动，说明没有电流流过；参照图2(b)，在红外光7的照射下，电流表6的指针发生偏转，说明产生了电流，红外光7的波长为1000nm，光源强度为3-5W/cm²，光源和器件的距离为30-50cm，通过控制红外光源7的强度和光照频率，实现柔性植入式电源的光-热-电转换。

本实施例的结果为：实施例中的能量传输方式要比传统的充电方式传输距离远，且柔性植入式电源可随意弯折，光-热-电的转换效率为80％。

Claims (6)

1.一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在热释电薄膜上制作微阵列结构，得到结构化的热释电薄膜；

2)在结构化的热释电薄膜上下两面的一端各溅射一层金属薄膜，然后在结构化的热释电薄膜上下两面制备透明电极薄膜，使透明电极薄膜一侧搭在金属薄膜上，用导电银浆将铜导线固定在金属薄膜上，完成柔性植入式电源的制备；

3)将PDMS滴涂在柔性植入式电源上，使柔性植入式电源完全被PDMS薄膜包围住，只露出铜导线，然后加热至65℃，保持4个小时固化；

将柔性植入式电源接入电路中，红外光照射柔性植入式电源实现光能向电能的转换，通过控制红外光照射的强度和频率实现不同的光-热-电转换效率；

所述的步骤1)中热释电薄膜的厚度为30-100μm；

所述的步骤1)中热释电薄膜上的微阵列结构包括圆孔阵列、方孔阵列和通槽阵列，圆孔阵列的孔径为50-100μm，孔间距为100-150μm，孔深为10-50μm；方孔阵列的孔宽为50-100μm，孔间距为100-150μm，孔深为10-50μm；通槽阵列的槽宽为50-100μm，槽间距为100-150μm，槽深为10-50μm；

所述的步骤2)中的金属薄膜包括金、银或铜，厚度为10-50nm。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法，其特征在于：所述的步骤1)中所用的热释电薄膜为柔性的热释电材料，包括PVDF或PMN-PT。

3.根据权利要求1所述的一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法，其特征在于：所述的步骤1)中在热释电薄膜上制作微阵列结构的方法包括纳米压印法、湿法刻蚀或干法刻蚀。

4.根据权利要求1所述的一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法，其特征在于：所述的步骤2)中透明电极薄膜包括PEDOT、石墨烯或ITO。

5.根据权利要求1所述的一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法，其特征在于：所述的步骤2)中在结构化的热释电薄膜上下两面制备透明电极薄膜的制备方法包括湿法转移法、旋涂法或磁控溅射方法。

6.根据权利要求1所述的一种基于红外光远程充电的柔性植入式电源的制造方法，其特征在于：所述的步骤3)中红外光的波段在760-1500nm。