CN107072539B - 具有接收天线的器件和相关的功率传输系统 - Google Patents

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Abstract

具有接收天线的器件和相关的功率传输系统。本发明是关于具有接收天线(110)的器件，其中，所述接收天线(110)包括次级线圈(112)，并被布置为电感地连接至包括初级线圈(202)的发送天线(200)。本发明的器件的特征在于，所述接收天线(110)还包括：三级线圈(114)，其被布置为连接到所述器件中的负载；以及电容器(142)，所述次级线圈(112)连接至所述电容器(142)；并且具有封装(120)，所述封装(120)包括低液体渗透率和非导电材料，用于封装所述接收天线(110)的至少一部分。另外，本发明是关于功率传输系统。

Description

具有接收天线的器件和相关的功率传输系统
技术领域
本发明涉及一种具有接收天线的器件。特别地，本发明涉及一种器件，其中接收天线包括次级线圈、三级线圈和负载，并可以电感地连接至外部发送天线。此外，本发明尤其用于可植入器件。
背景技术
可植入电子器件最近已经成为用于人体内监测、测量和触发生理反应的重要工具。为了提高患者的生存率和生活质量，找到满足针对可植入电子器件的稳定性、微型化、功能性和低功耗严格要求的实施方式是必要的。
现有技术中公知的是植入体装配有用于接收器单元的连接器。接收器单元可以从外部发送器单元被非接触激活。
已知有接收天线，其用于下肢的肢体延长治疗中。该应用领域中的感应功率传输是使用皮下植入的天线。该类型的构造允许短的传输距离以及良好和高效的耦合。然而，天线的植入困难、耗时，并且增加了可能并发症的机会。
在公开文本US 20040023623中公开了一种用于控制、调节或运转有源植入体的器件。在该公开文本中，植入具有接收器单元的牵引器件，数据或功率能够从外部经由发送器单元被提供给接收器单元。
为了绕组之间的有关的高效、非接触式电磁能量传输，接收部件的微型化是必要的。接收绕组被限制为相比发送绕组来说小的多的尺寸。这导致线圈之间的低磁性耦合。在现有技术的通常方法中，绕铁磁性材料(例如，铁氧体磁棒)来组装接收线圈。应该注意的是，铁氧体不应该进入到磁性饱和。该饱和会导致不可接受的损失和温度升高。
此外，为了有利于能量传输，操作频率应该尽可能的高。通过较高频率的功率传输，磁性耦合更好，并因此，所需的无源部件的尺寸更小。
考虑到身体植入体，发送绕组的几何尺寸是相当固定的，这是因为为了获得期望的能量传输，该应用针对发送线圈具有局限性。接收绕组的尺寸比发送部件的尺寸将小大约二十倍、或甚至更小。
现有技术的通常方式是将接收天线直接连接至电阻负载，而没有任何的无功功率补偿。这使得可以使用较小接收部件和具有有限体积的外壳。发送绕组的直接激励需要高电压电源连同相对高的电流。仅有如此，能够达到发送线圈的磁化。然而，高电压和高电流对能量传输的可实现频率施加了严重局限，这是因为所需的电源将是非常大的，这严重损害了转换器的便携性。
朝向微型化的更有效的方法是通过串联电容器补偿绕组的自感。由于串联谐振，绕组端子的电压是高的，但所需的电源电压相当低，这大大地减小了转换器的体积。每个绕组的自感值是容易确定的并且不会随着线圈之间的互耦而变化。
为了针对可用容量调节电容器，绕组尺寸应该以某种方式改变。减少匝数导致耦合减少，这进一步使得要求更高的电压以及更大值和容量的相关补偿电容器。换言之，通过增加绕组匝数，铁氧体材料可能进入饱和。
在优选尺寸的问题中，找到适于使用的市场上可买到的部件可能出现问题。
为了促进具有弱磁性耦合的两个绕组之间的电能的非接触式传输，提出增加三级线圈以允许部件额定功率的实际匹配。
利用三级线圈，接收部件内的实际的无功电流分量可以很好地分离。现在，通过补偿电容器的电流与通过负载的电流不相同，实现了设计负载绕组的灵活性。这增加了选择合适匝数以及补偿电容器的几何尺寸和额定电压的可能性。
现有技术实施方式具有许多问题。它们至少在一些问题(诸如效率差、非生物兼容性部件、用于实现封装、密封封装的低效线圈布置以及穿过绕组到植入体的泄漏)上陷入困境。
发明内容
现有技术问题通过具有接收天线的器件来解决，其中接收天线包括次级线圈和三级线圈。三级线圈被布置为具有到器件中的负载的连接。接收天线被布置为电感地连接至包括初级线圈的发送天线。本发明的器件的特征在于接收天线还包括电容器，次级线圈连接至电容器。此外，具有包括低液体渗透率和非导电材料的封装，其封装接收天线的至少一部分，使得三级线圈的绕组在封装的外部。
针对解决方案的另一实现是功率传输系统，该功率传输系统包括发送天线和具有上述特征的器件，发送天线和具有上述特征的器件被定位以使得它们电感地连接。
本发明的器件尤其可用作可植入器件，但也可用在腐蚀性环境以及其它挑战性环境中，其中所述天线例如被模制到包覆(surrounding)结构中。
这里，术语“电容器”应该被理解为指代具有电容特征的任何电子元件。
为了避免任何共同磁通联接的补偿和与初级线圈失去连接，次级线圈和三级线圈不应该完美地耦合。三级线圈和次级线圈的漏通量是从初级线圈传送能量的方式。然而，三级线圈和次级线圈中可能的铁氧体材料的磁化是由于由两个电流一起产生的有效磁化场引起的。因此，三级线圈和次级线圈的各个电流可以大于单独的负载电流。
次级线圈和三级线圈之间的互耦成为额外的设计参数，可基于三个绕组组合实现匝数、绕组损耗、磁饱和、电容器电压应力和发送绕组电压之间的权衡。
由于铁氧体的引入以及耦合的改进使得非生物兼容部件(例如，电容器和焊料)更多，所以需要用于封装非生物兼容性部件的密封。
在本发明的一个实施方式中，连接至负载的三级线圈将是可植入结构的最中间线圈。然而在该情形中，电容器位于线圈的外部，并且铁氧体位于线圈的内部。需要使用两个单独的密封包装，一个密封包装用于电容器，并且一个密封包装用于铁氧体磁芯。另选地，能够封装整个接收天线，并且应当引入用于连接至植入体的通孔(尤其是密封通孔)。
本发明的另一个优选实施方式是次级线圈位于三级线圈和该构造的下方。在该情形中，可以使用用于该次级线圈的单个密封包装。
在本发明的一个实施方式中，与必须单独植入的天线有关的问题可以通过具有集成到髓内钉或类似物的末端的天线来解决。然而，这导致长的传输距离以及200mm-250mm的初级线圈直径是常见的。另外，集成天线的直径通常较小，在7mm-9mm的范围内，这是由于髓内管的有限尺寸。
此外，在接收天线中，可存在包括铁磁性材料的元件，用于将发送天线的磁场聚焦到接收天线中。
所提到的包括铁磁性材料的元件通常可以是铁氧体磁芯，但也可以使用在磁场上可具有类似效果的任何其它材料或混合物。铁氧体磁芯的引入帮助聚焦磁场。
另外，次级线圈可被布置为通过包括铁磁性材料的元件耦合至三级线圈，以在次级线圈和三级线圈之间创建变压器。
这里，术语“变压器”指代元件之间的任何类型的互感的形成。
此外，次级线圈和电容器可构成次级电路，并且封装可被布置为大体地封装整个次级电路与包括铁磁性材料的元件，构成一个包装。
该封装可主要并优选地大体完全由低液体渗透率和非导电材料组成。低液体渗透率材料可通常是能够提供密封封装的材料。
另选地，该封装可以被布置为大体封装整个接收天线并被配置为具有用于连接至负载的通孔(尤其是密封通孔)。
这里，术语“通孔”指代通过封装实现的任何类型的物理和/或电气连接。在一些实施方式中，它们可以被称作为馈通或类似的。为了生成这种类型的连接，应该在封装、包层、外壳、或包装上做出某种类型的孔或开口用于连接线或引线。
在本发明的优选实施方式中，次级线圈和三级线圈彼此同心地布置以使得它们耦合。另选地，次级线圈和三级线圈可彼此相邻或并排布置以使得它们耦合。
该器件可以是髓内钉。在该情形中，负载是牵引设备。该器件也可以是起搏器或用于医疗等的任何其它可植入器件。
在本发明的另一个优选实施方式中，其中封装的所述低液体渗透率和非导电材料包括陶瓷和塑料中的一种。
用于封装的通常优选的材料可以是例如PEEK、聚氯代对二甲苯C、聚亚安酯或玻璃。
依旧是本发明的又另一个实施方式，其中接收天线被布置为以与发送天线大体相同的频率谐振。
电路的Q因子对谐振电路的峰值具有已知效果。在考虑频域的振幅峰值的宽度时，越大的Q因子使得-3dB频带越窄。通过非常窄的频带，两个电路的频率当然必须更加彼此靠近以一起谐振。例如，具有300kHz的正常频率的电路可依据Q因子与例如250-350kHz、260-340kHz、275-325kHz、290-310kHz、或甚至299.5-300.5kHz的范围上的频率的电路谐振。此外，频率越接近，电路一起谐振的越强。
由于发送天线和接收天线之间的距离，它们之间的耦合因子通常非常弱。改进天线和它们的线圈之间的耦合的第一步是在接收线圈中使用铁氧体或类似物以将发送线圈的磁场聚焦到接收线圈中。然而，这不会将耦合因子增加到可行操作所需的水平。通过使用发送天线的谐振线圈和初级线圈，减少了驱动初级线圈所需的功率。
然而，该电气方案在应用上留下了其它问题。该实施方式现在包括两个非生物兼容性部件(通常是MnZn的铁氧体和可以是各种材料的电容器)。
天线的非生物兼容性材料必须以某种方式封装。
附图说明
在下面，参照附图更详细地描述本发明，其中：
图1示出了三个线圈的组件。
图2示出了图1中的组件的等效电路。
图3示出了具有封装的接收天线配置的横截面示图。
具体实施方式
图1示出了三个线圈112、114和202的组件。初级线圈202与补偿电容210串联连接，它们一起形成发送天线200。次级线圈112和三级线圈114围绕包括铁磁性材料(诸如铁氧体磁棒118)的元件，并且电容器142和电阻器144连接至端子。
互感的生成在图2的等效电路中是可见的。
图1和图2的方式尤其有利于初级线圈202和次级线圈112的尺寸彼此非常不同从而导致弱的磁耦合的应用。
初级线圈202的几何尺寸根据应用需求来确定。匝数N1施加线圈绕组自感L202的值，并且必须在穿过L202的所需电流和线圈绕组阻抗R202中的耗散功率之间找到权衡。
在实际的实现方式中，方便地是利用由具有恒定直流总线电压Vdc、和恒定频率fin的半桥转换器所生成的块形电压波形来驱动初级线圈。块形电压Vin的rms基本分量由等式1给出为：
Figure GDA0002319163020000051
初级线圈然后与电容器C210串联连接，其值应该选择为使得：
Figure GDA0002319163020000052
这意味着初级线圈的自感是串联补偿的，不依赖其它绕组的相对位置。
次级线圈和三级线圈紧密地缠绕小铁氧体磁棒，分别具有等于N2和N3的匝数。假定两个绕组具有相比初级绕组来说小的多的半径。具有自感L112的次级绕组在其端子处连接至电容器C142。最后，三级线圈连接至电阻器R144，其中功率损耗期望根据应用需求来产生。
通过考虑基本谐波分量，针对三个绕组的电压/电流矢量关系如下：
V1＝jωL202I1+jωM02I2+jωM04I3＝Z11I1+Z12I2+Z13I3 (3)
V2＝jωM02I1+jωL112I2+jωM24I3＝Z12I1+Z22I2+Z23I3 (4)
V3＝jωM04I1+jωM24I2+jωL114I3＝Z13I1+Z23I2+Z33I3 (5)
其中ω＝2πfin，并且M02是初级绕组和次级绕组之间的互感，M04是初级绕组和三级绕组之间的互感，以及M24是次级绕组和三级绕组之间的互感。
通过将电容器连接至次级绕组端子，从图2上的符号产生：
Figure GDA0002319163020000061
C142的值应该选择为：
Figure GDA0002319163020000062
其中
Figure GDA0002319163020000063
表示次级绕组和三级绕组之间的耦合。通过该方式，自感L112和L114、以及互感M24在I1＝0时通过C142被完全补偿。
N2和N3的值施加绕组自感L112、L114和互感M24，并可以以避免铁氧体磁棒饱和以及在满载时限制C142上的最大电压的方式来确定。
例如，如果P144是三级绕组处连接的电阻器R144中应该损耗的期望功率，则这意味着rms三级电流为：
Figure GDA0002319163020000064
按惯例，在图2中遵循V3＝-R144I3和V2＝-ZC142I2。因此，在利用上述电压/电流矢量关系进行一些操作之后，rms初级电流和次级电流被发现为：
Figure GDA0002319163020000065
Figure GDA0002319163020000066
其中
Δ＝213(Z22+ZC142)-Z23Z12 (11)
在所有rms电流已知时，如下简单地确定输入电压的基本分量的rms值：
Figure GDA0002319163020000067
Vin＝VC210＝R202I1＝V1 (13)
这产生直流总线电压水平：
Figure GDA0002319163020000071
需要通过半桥转换器产生块形电压波形。此外，铁氧体磁棒上的峰值通量密度如下给出：
Figure GDA0002319163020000072
Figure GDA0002319163020000073
其中A2是铁氧体磁芯的横截面积。全部一起，功率传输效率被发现成为：
Figure GDA0002319163020000074
图3示出了本发明的封装120的一个实施方式。在该情境中，封装的材料选择为密封的且非导电的，这通常意指陶瓷。用于封装电子元件的材料应该呈现高电阻率和高介电强度。
合适的封装材料可包括金属，诸如钛及其合金、生物级不锈钢、钴基合金、钽、铌、钛铌合金、镍钛诺、MP35N、以及一些贵金属。它们还可以包括玻璃、陶瓷。另外，可应用聚合材料(诸如环氧树脂、硅树脂、聚亚安酯、聚酰亚胺、硅聚酰亚胺、聚对二甲苯基、多环烯烃、碳化硅、苯并环丁烯)以及液晶聚合物。
铁氧体118的陶瓷封装120是简单易做的。然而，电容器142的封装反而有问题。电容器将需要到它的密封通孔以将它连接至次级线圈112。这些利用高电流不是经济可行的。
可植入应用中(尤其是在髓内钉器件中)的空间限制是明显的。因此，有益的是限制不同封装层的量。这可通过将整个次级线圈112和铁氧体封装到相同包装中来实现。
通常在电子构造中，次级线圈112处于三级线圈114的上面。这使得封装120难以进入到单个包装。线圈的线应该从三级线圈114布线至驱动的负载。然而，通过翻转该构造，使得次级线圈将是组件中最中间的线圈，布线问题可被解决。三级线圈114的绕组现在可设置在封装120的上面。
生物兼容性定义为在特定应用中以合适宿主反应执行的材料性能。在使用生物兼容材料(诸如金、铂、银、或镀金的银)用于三级线圈114的绕组时，实现了长期生物兼容。此外，在封装活性植入体的情况下，通常期望的是植入体是无毒的、非致癌的且不形成栓塞的。此外，封装不应该引起周围组织中的任何机械性刺激。
此外，必须防止植入体内的液体泄漏。由于需要将三级线圈114的绕组连接到负载内，所以需要布线一些线缆。必须防止引入体液。由于接收天线的线缆允许到那里的直接路径，所以流体可通过毛细管效应到达植入体。生理流体包含多种有机和无机物以及细胞成分(诸如盐、酶、激素、蛋白质和整个细胞)，这使得人体是最具有腐蚀性的环境之一。
可按多种方式实现体液泄漏的防止。在本发明的一个实施方式中，可使用密封通孔连接器来连接至接收天线110。另选地，接收天线110可以是用聚合物被二次注塑(overmolded)，以防止液体渗透到线缆中。此外，接收天线110可以被封装到次级密封包装中。另选地，接收天线110可被封装到热塑性塑料中。
在本发明的优选实施方式中，将使用用于接收天线和唇封(lipseal)的超声密封封装。热塑性塑料的超声焊接防止了来自天线接口的泄漏。
封装120可包括超声或激光焊接用于防止任何泄漏。还可以存在包封(enclose)整个接收天线110的其它外壳。其它外壳优选地是塑料封装并且它还可包括超声焊接用于防止任何泄漏。
参考标记列表
110 接收天线
112 次级线圈
114 三级线圈
118 包括铁磁性材料的元件
120 封装
142 电容器
144 电阻器
200 发送天线
202 初级线圈
210 补偿电容器
L202 初级线圈绕组的自感
L112 次级线圈绕组的自感
L114 三级线圈绕组的自感
R202 初级线圈绕组的电阻
R144 与三级绕组连接的电阻器的电阻
C210 与初级线圈绕组连接的电容器的电容
C142 与次级线圈绕组连接的电容器的电容
M02 初级绕组和次级绕组之间的互感
M04 初级绕组和三级绕组之间的互感
M24 次级绕组和三级绕组之间的互感
Vdc 直流总线电压
fin 恒定频率
Vin 块形电压
V1 初级绕组的电压
V2 次级绕组的电压
V3 三级绕组的电压
VC142 与次级线圈绕组连接的电容器的电压
VC202 与初级线圈绕组连接的电容器的电压
P144 电阻器中耗散的功率
N1 初级绕组中的匝数
N2 次级绕组中的匝数
N3 三级绕组中的匝数
k24 次级绕组和三级绕组之间的耦合
I1 初级绕组电流
I2 次级绕组电流
I3 三级绕组电流
θ 功率传输效率
Ψ2 峰值通量
Bmax2 峰值通量密度
A2 包括铁磁性材料的元件的横截面积
Z11 阻抗因子
Z12 阻抗因子
Z13 阻抗因子
Z22 阻抗因子
Z23 阻抗因子
Z33 阻抗因子
ZC142 阻抗因子
ZC202 阻抗因子

Claims (9)

1.一种具有接收天线(110)的器件，其中，所述接收天线(110)包括次级线圈(112)，并被布置为电感地连接至包括初级线圈(202)的发送天线(200)；
其特征在于：
所述接收天线(110)还包括：
三级线圈(114)，其被布置为具有到所述器件中的负载(144)的连接；
电容器(142)，所述次级线圈(112)连接至所述电容器(142)；以及
封装(120)，所述封装(120)包括低液体渗透率和非导电材料，用于封装包括所述次级线圈(112)、所述电容器(142)和具有铁磁性材料的元件(118)的次级电路，以使得所述三级线圈(114)的绕组在所述封装(120)的外部；以及
所述接收天线(110)被布置为以与所述发送天线(200)相同的频率谐振；并且
通过优化用于获得由下式给出的期望的功率传输效率的参数值来在可植入应用中的空间限制内改进所述接收天线(110)和所述发送天线(200)之间的耦合：
Figure FDA0002319163010000011
其中，θ表示所述功率传输效率，R144表示所述负载(144)的电阻，R202表示所述初级线圈(202)的电阻，I1表示所述初级线圈(202)的电流，并且I3表示所述三级线圈(114)的电流。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，在所述接收天线(110)中，存在包括铁磁性材料的元件(118)，用于将所述发送天线(200)的磁场聚焦到所述接收天线(110)。
3.根据权利要求2所述的器件，其中，所述次级线圈(112)被布置为通过所述元件(118)耦合至所述三级线圈(114)，以在所述次级线圈(112)和所述三级线圈(114)之间创建变压器。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的器件，其中，所述次级线圈(112)和所述三级线圈(114)被布置为彼此同心以使得它们耦合。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的器件，其中，所述次级线圈(112)和所述三级线圈(114)被布置为彼此相邻以使得它们耦合。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的器件，其中，所述封装(120)的所述低液体渗透率和非导电材料包括陶瓷和塑料中的一种。
7.根据权利要求1-3中的任一项所述的器件，其中，存在包封整个接收天线(110)的外壳。
8.根据权利要求7所述的器件，其中，所述封装(120)和所述外壳中的至少一者包括超声或激光焊接以防止任何泄漏。
9.一种功率传输系统，所述功率传输系统包括发送天线(200)和根据权利要求1所述的器件，所述发送天线(200)和根据权利要求1所述的器件被定位以使得它们电感地连接。
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