CN108141154A - 无引线起搏器的能量收集 - Google Patents

Abstract

一种能量收集器，具有多个双晶梁和多个压电器件，其中，所述多个压电器件中的至少两个压电器件被安装至多个双晶梁中的每个双晶梁。多个刚性梁将双晶梁的相邻端相互连接，以限定使所述双晶梁中的一个双晶梁的第一端安装至结构的堆叠扇形折叠形状。末端质量被置于所述多个双晶梁中的另一双晶梁的自由端上。当能量收集器移动时使得多个双晶梁偏转并且由此从多个压电器件输出电功率。

Description

无引线起搏器的能量收集

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年9月15日提交的美国临时申请第62/218,657号的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开内容涉及用于为无引线起搏器供电的能量收集。

背景技术

本节提供了涉及本公开内容的背景技术信息，该背景技术信息不一定是现有技术。该部分提供了本公开内容的总体概述，而非是对其全部范围或其所有特征的全面公开。

能量收集装置及其将环境能量转化为电能的独特能力已引起工业和制造业的很大兴趣。已经做了若干研究来分析和开发这项技术。

因此，扇形折叠压电能量收集器被设计成使用心跳振动来产生电。在一些实施方式中，该能量收集器由堆叠在彼此的顶部而形成扇形折叠形状的若干双晶梁组成。在一些实施方式中，每个梁具有黄铜基板和附接在黄铜基板两侧的两个压电片。这些梁通过刚性梁彼此连接。能量收集器10的一端被夹紧至墙，而另一端自由振动。末端质量被置于自由端以增强能量收集器10的输出功率并降低系统的固有频率。

高固有频率是微尺度能量收集器的一个主要问题。在一些实施方式中，该能量收集器的尺寸为1cm乘以1cm乘以1cm，这使得固有频率非常高。通过利用扇形折叠的几何形状并将末端质量和连接件质量添加至配置，使该固有频率被降低至期望的范围。

在一些实施方式中，可以使用所产生的电为起搏器供电。如果产生了足够的电，则起搏器使用较小的备用电池或者根本不用备用电池来操作，并且患者不需要由于电池耗尽而每七到十年进行一次手术。

振动是能量收集的常见源之一。一些常规源已经研究了使用包括振动的不同能量源的紧凑型磁发电机。将振动转换为电的一种常用方法是使用压电材料。压电效应将应变转化为电流或电压。每当压电材料机械变形时，压电材料就会产生小电压。使用振动和压电效应已经被许多小组研究。有关于通过使用来自飞鸟或昆虫飞行的振动进行能量收集的一些研究。使用过往车辆的重量或人体重量是通过压电梁产生电的另一种方式。

有一些寻找不连续装置的振型的研究。Wickenheiser在他的研究中，使用传递矩阵来寻找点状不连续性的梁结构的振型。

发明内容

根据本教导的原理，提供了新的Z字形微结构，其与悬臂梁相比降低了系统的固有频率。本教导引入线性和非线性压电器件以连续地对起搏器的电池进行再充电。能量收集器10将来自心跳的振动转换成为电池供电所需的电能。

根据本公开内容，提供并研究了扇形折叠结构。找到了七梁结构的自由振动模式。其他理论结果被用于验证该方法。提供了被添加到能量收集器10以降低系统固有频率并增加输出发电功率的末端质量。在计算中也考虑了连接件质量的影响以获得更准确的结果。提出了用于能量收集器10的振动和能量收集特性的机电模型。针对能量收集器10计算根据心跳加速度而产生的功率。可以使用所产生的功率为起搏器供电。虽然起搏器所需的功率非常低(约1μW)，但几年后，患者需要另一手术操作来替换起搏器耗尽的电池。这种能量收集器也可以更大规模地构建，并替换便携式装置例如手机中的电池或者为无线传感器产生电。

根据本文提供的描述，其他应用领域将变得明显。本概述中的描述和具体示例仅用于说明的目的而非旨在限制本公开内容的范围。

附图说明

本文所描述的附图仅用于所选择的实施方式的说明性目的而非所有可能的实现方式，而且并不旨在限制本公开内容的范围。

图1A是根据本教导的原理的具有末端质量的能量收集器的示意图。

图1B是根据本教导的一些实施方式的能量收集器的立体图。

图1C是根据本教导的一些实施方式的能量收集器的图。

图1D是根据本教导的一些实施方式的能量收集器的另一立体图。

图2A至图2D分别展示了七梁能量收集器的前四种模式。

图3是示出了输出电压与基本加速度的曲线图。

图4是示出了相对于基本加速度的平方的归一化功率输出的曲线图。

图5A和图5B分别示出了相对末端加速度/基本加速度和相对末端位移/基本加速度。

图6A和图6B分别在时域和频域中示出了心跳加速度。

图7是示出了87kΩ纯电阻负载的瞬时功率的曲线图。

在整个附图的若干视图中，相应的附图标记指示相应的部分。

具体实施方式

现在将参照附图对示例性实施方式进行更全面地描述。提供了示例性实施方式，使得本公开内容将是完整的，并且将本公开内容的范围完全地传达给本领域技术人员。阐述了许多特定细节例如具体部件、装置和方法的示例以提供对本公开内容的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员明显的是：不需要采用具体细节，可以以许多不同的形式实施示例性实施方式并且示例性实施方式不应被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例性实施方式中，对公知的工艺、公知的装置结构和公知的技术未进行详细描述。

本文中使用的术语仅出于描述具体示例性实施方式的目的并且无意于进行限制。除非上下文清楚地另有说明，否则如本文中所使用的单数形式也可以旨在包括复数形式，。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包容性的并因此指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。除非明确地指出执行顺序，否则本文中所描述的方法步骤、工艺和操作不应被解释为必须要求其以所讨论或所示的特定顺序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或替代性的步骤。

当元件或层被称为“在另一元件或层上”、“接合至”、“连接至”或“耦合至”另一元件或层时，其可直接地在其他元件或层上、接合至、连接至或耦合至其他元件或层，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、或者“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦合至”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。应当以类似的方式理解用于描述元件之间的关系的其他用词(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“相邻”与“直接地相邻”等)。如本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关联的列出的术语的任意组合和所有组合。

装置配置

根据本教导，如图1A至图1D所示，扇形折叠设计作为能量收集器10的结构。在一些实施方式中，能量收集器10可以包括多个水平双晶梁12a至12n以及竖直刚性梁14。双晶梁12通过竖直刚性连接件14彼此连接。双晶梁12可以包括作为基板的弹簧黄铜层16和附接在黄铜层16上的两个压电片18。由于黄铜密度较大且杨氏模量相对大，因此选择黄铜用于基板。然而，应理解的是，可以使用替选材料。当梁12偏转时，压电层18产生电能。设计的一端20被夹紧至基部结构22，而另一端24自由移动。末端质量26可以被置于能量收集器10的自由端24。使用这种设计的一个主要优点是结构的固有频率降低，而能量收集器10的尺寸不会显著增加。将末端质量26和连接件质量14添加到系统会进一步降低固有频率。在一些实施方式中，系统的振动源是心跳加速度，并且200Hz以下的固有频率是能量收集器10的期望固有频率。

能量收集器10由若干均匀组合梁12组成，并且每个梁使用欧拉-伯努利梁理论来建模。该结构会由于基本激励而振动。每个梁12a可以弯曲并偏转，这改变了下一梁12b的初始位置。梁的偏转w_i是长度x和时间t的函数。索引i是梁编号(从1到n)。末端质量作用下的梁的耦合力学方程是：

其中，ρA是梁的每单位长度的总质量，其是b(梁的宽度)、压电器件和基板的密度(ρ_p，ρ_s)以及压电器件和基板的厚度(t_p，t_s)的函数：

ρA＝b(ρs，t_s+2ρ_pt_p) (2)

W_rel(x，t)是沿z轴(图1A)的偏转，YI是组合梁的等效弯曲刚度。m_l是连接件质量，以及x^*是0(如果i是奇数)或梁的长度L(如果i是偶数)。指数k为从2到n。M_t是末端质量以及δ(x)是满足以下的狄拉克δ函数：

∝是耦合项并且用于并联连接：

其中，e₃₁是压电系数。

求解无阻尼的非耦合方程，以找到自由振动振型。为了找到自由振动模式，将方程(1)的左侧设置为零：

自由振动的解可以被示出为梁的所有固有振动的线性组合(第11部分)：

其中，是第i个梁的第j个固有振型，并且Tj是时间依赖函数。将方程(6)带入方程(5)：

可以以如下形式得出解：

其中，使用边界连续性和平衡条件来计算a_i1，a_i2，a_i3，a_i4和β_j，并且c是

通过使用上述方程并考虑边界和连续性条件，在下一节中得出扇形折叠结构的振型和固有频率。

自由振动模式

为了找到方程式(8)中的系数，在每个端使用两个边界条件：在夹紧端处的零偏转和零斜率以及自由端的零力矩和零力。对于扇形折叠结构(图1)，有：

取决于扇形折叠结构的构造，x^*是零或L(梁的长度)。最后一个方程中的加号与相关联，并且最后一个方程中的减号与相关联。ω_nj是第j模式的固有频率：

每个梁有四个未知系数。为了得出这些系数，需要更多的方程。通过写出在梁被连接的接合处的连续性和平衡条件，对每个连接进一步具有四个方程：

此处同样，取决于连接位置，x_end是零或′L′。在最后一个方程中，如果x_end＝0，则与连接件质量(m_l)相关联的项的符号为正，并且如果x_end＝L，则符号为负。由于结构的尺寸较小，所以在第三方程中未考虑连接件质量的力矩的影响。如果尺寸增大，则需要将该项添加至方程。这些方程组可以被写成矩阵形式：

其中，

其中，

通过针对所有的连接书写方程(13)，有：

方程(10)和方程(17)意味着：

因此，矩阵N被限定为：

为了使方程(18)具有非平凡解，必须满足条件det(N)＝0。使该行列式为零的ω_nj的值是结构的固有频率。为了得出振型的系数，在a₁₁的给定值下求解方程(18)。在得出第一梁的系数之后，其他梁的模式被计算为：

为了验证该方法，将悬臂梁和两个构件结构的两种已知情况与使用该方法的结果进行比较。该方法的主要优点是减小了矩阵的大小，从而显著减少了数值计算。当梁的数量增加时，整个计算时间的减少是相当可观的。该公式的另一优点是避免了可能导致数值错误的行列式的极大值。

求解控制方程

在使梁并联电连接的配置中。由于梁的偏转在某些振型下彼此相反，使用开关来保持或反转所产生电压的极性。这些开关决定是应当将去往每个构件的电流与其他构件的电流相加，还是应当从其他构件的电流中减去去往每个构件的电流。考虑到开关并且使用方程(6)和方程(1)，有：

其中，P_i是第i构件的开关，并且它是1或-1。基于：

来判定针对每个模式开关的符号。

这些开关的布置针对每种模式而言可能不同，但是对于构建能量收集器10，在振动期间不能改变开关。所以开关的状态是基于主要振动模式分配的。然后，通过将方程(21)乘以并且从零到l(梁的长度)求积分。由于正交条件：

这里使用的振型是质量归一化振型，其满足：

使用方程(7)并且考虑质量归一化振型，有：

其中：

通过对方程(25)进行傅里叶变换，有频域方程：

其中，n_j(ω)、V(ω)和a_b(ω)是T_j、v(t)和的傅里叶变换。迄今已知一个方程，这意味着需要另一方程来求解两个未知数T_j和v(t)。将应变和电位移与应力和电场相关联的方程是压电本构方程：

在上面的方程中，T₁是沿x轴的法向应力，S₁是沿x轴的法向应变，d₃₁是压电耦合系数，Y_p压电层的杨氏模量，E₃是跨压电层厚度的电场，是在恒定应力下的介电常数，以及D₃是沿厚度的电位移。对于并联连接，使用上述方程和基尔霍夫定律，有：

其中，i_i(t)是每个构件中的电流，并且C_p是压电层的内部电容。

如果对方程(29)进行傅里叶变换，则有：

为了获得总电流，对所有构件上的电流进行求和，并且如果将阻尼建模为模态阻尼(2ζω_njω)，则由方程(25)和方程(31)得到的用于并联连接的传递函数是：

使用方程(32)，用于多模式功率频率响应函数的表达式是：

将方程(32)中的表达式用于电压，并且将其代入方程(25)中，则结构的末端偏转被计算为：

相对末端加速度与基本加速度之比为：

结果

因此，在一些实施方式中，能量收集器10可以包括七个双晶压电梁12，所述压电梁12通过刚性梁14彼此连接以形成之字形形状。第一梁12a被夹紧至壁22，并且最后一个梁12e在一端24处自由(图1A和图1B)。找到配置的自由振动模式。这里具有设计的前四种模式。在计算中，仅考虑能量收集器10的第一固有频率。由于较高模式的固有频率较高并且对最终结果的影响很小，所以在计算中不考虑较高模式。图2A至图2D呈现了七梁结构的前四种模式。

在找到振型之后，生成七梁结构的频率响应函数曲线。该结构由长度为1cm且宽度为1cm的七个双晶梁组成。来自PIEZO SYSTEMS公司的PSI-5A4E PIEZO片材可以用作压电元件。黄铜层和压电层的厚度为0.02英寸和0.01英寸。每个梁通过黄铜刚性梁与下一梁连接。刚性部分的长度为0.14cm。末端质量是一个梁的重量的30倍(在一些实施方式中，末端质量是一个梁的重量的20倍或更大)。考虑能量收集器10的最小安全因子20，以避免在梁连接处和第一梁被夹紧处断裂。针对压电层的并联连接绘制电压的频率响应函数(FRF)。该电压与基本加速度成比例，因此为了具有归一化的电压，在图3中根据基本加速度绘制电压。固有频率是具有最大电压的点(曲线的峰值)。为了使输出功率最大化，将负载电阻选择为其中，ω₁是能量收集器10的第一固有频率。

在图4中示出了相对于双晶夹紧自由梁的基本加速度的平方的归一化功率输出。如所看到的，当与没有末端质量和连接件质量的情况相比时，能量收集器10的固有频率显著降低。与下一固有频率相比，第一固有频率具有较高的幅度。图5A和图5B分别示出了相对末端加速度/基本加速度和相对末端位移/基本加速度。这些频率响应函数中的峰值是能量收集器的固有频率。

然后，将心跳加速度视为系统的基本加速度。为了估计由于心跳引起的心脏附近的振动，使用由Kanai执行的超声波速度测量。图6A和图6B分别在时域和频域中示出了心跳加速度。

考虑到该基本加速度并使用方程(32)和方程(33)，计算由能量收集器10产生的电压和功率。激励时间是9秒。在计算中仅考虑第一固有频率。下一固有频率产生的功率远小于第一固有频率产生的功率。在图7中绘制了87kΩ纯电阻负载的瞬时功率。电阻负载的值与在能量收集器10的第一固有频率中具有最大功率的电阻匹配。在图7中所产生的电的平均功率是2.18μW。如所提及的，起搏器所需的功率小于1μW，这表明所产生的功率足以用于起搏器。在本文中，主要目标是减小能量收集器的尺寸同时产生足以为起搏器供电的能量。因此，所呈现的案例仅是表明可以在保持尺寸限制的同时为起搏器产生所需功率的案例。频域中的心跳频谱表明在低频率(小于50Hz)处幅度较高并且可以在39Hz处获得最大功率。发明人认为，通过改变末端质量以及改变梁的数量和梁的厚度，可以进一步降低第一固有频率，并且预计所产生的功率将显著增加。

在本公开内容中，研究了从在末端质量作用下的扇形折叠或蛇形形状的双晶压电梁产生电。说明了寻找系统的振型和固有频率的方法。讨论了边界条件以及平衡和连续性条件。对于案例研究，计算配置的振型和固有频率。计算并绘制了能量收集器的电压和功率的频率响应函数。在频域中计算相对末端加速度和相对末端位移。

针对该配置求解机电方程，并计算从9秒的心跳产生的能量。已表明，能量收集器产生了足以为起搏器供电的能量。扇形折叠的几何形状和末端质量使得能够获得具有小尺寸(1cm乘以1cm乘以1cm)的能量收集器。添加末端质量显著降低了固有频率。能量收集器10可以施用于身体内部以产生起搏器所需的电，并且使得可以获得无需电池的自主起搏器。能量收集器的输入振动由心跳引起。

本教导提供了使用扇形折叠压电梁从心跳振动来进行能量收集。可以使用心跳所产生的能量为无引线起搏器供电。无引线起搏器被植入心脏以控制异常心律。与传统的起搏器不同，无引线起搏器没有引线，并且不需要用于移植的开放手术。

起搏器所需的功率为约1μW。无引线起搏器开发的主要障碍是功率问题。电池占传统起搏器尺寸的约60％。传统起搏器电池的尺寸对于无引线起搏器而言太大。电池尺寸问题阻碍无引线起搏器开发达20年。

最近新型电池已经开发出来，其使得无引线起搏器是可实现的。尽管如此，电池寿命与传统起搏器相同，通常持续约6到7年。提取无引线起搏器非常困难，因此当电池耗尽时必须植入新起搏器。已经证明，本教导的原理产生比无引线起搏器所需的标称功率多一个数量级的功率。能量收集器的小尺寸和能量收集器10的足够的输出功率仅是本发明的几个优点。作为非限制性示例，在一些实施方式中，本装置可以被设定为约2cm×1cm×0.5cm的尺寸(体积为1立方厘米(cc))。

为了利用可用于能量收集器的三维空间，在一些实施方式中，能量收集器10包括扇形折叠设计。本教导的能量收集器10可以包括堆叠在彼此的顶部的若干压电梁(图1)。每个梁是双晶压电梁，所述双晶压电梁具有作为基板的一个黄铜层以及附接在黄铜层的每一侧的两个压电层。例如，双晶梁通过由铂制成的刚性连接件而彼此连接。在一些实施方式中，由于铂的密度高而将铂选择用于连接件。结构的一端被夹紧，而另一端自由移动。

高固有频率是小型能量收集器中的一个主要问题。为了为起搏器产生足够的功率，能量收集器的第一固有频率应小于约50Hz。扇形折叠几何形状是降低固有频率的有效设计。可以调整末端质量和连接件质量以降低固有频率。这种扇形折叠设计使得可以产生超过20μW(超过起搏器操作所需的1μW)。本教导的能量收集器10不包含磁体，并且因此是磁共振成像(MRI)兼容的。尽管装置是线性能量收集器，但是表明能量收集器10对心率相对不敏感(图2a)。

如图3所示，计算能量收集器10的固有频率和振型。通过实验研究来验证该方法(图2B)。通过理论与实验电压和末端位移传递函数的比较来验证所开发的分析模型。

出于说明和描述的目的，提供了对实施方式的前述描述。前述描述并非意在是穷举式的或限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的且可以在所选择的实施方式中使用，即使在没有具体示出或描述的情况下也是如此。本公开也可以以许多方式变化。这些变型不认为是偏离本公开内容，并且所有这些修改意在被包括在本公开内容的范围内。

Claims (13)

1.一种能量收集器，包括：

多个双晶梁；

多个压电器件，所述多个压电器件中的至少两个压电器件被安装至所述多个双晶梁中的每个双晶梁；

多个刚性梁，所述多个刚性梁将所述多个双晶梁的相邻端相互连接，以限定使所述多个双晶梁中的一个双晶梁的第一端安装至结构的堆叠扇形折叠形状；以及

末端质量，所述末端质量被置于所述多个双晶梁中的另一双晶梁的自由端上，

其中，当所述能量收集器移动时使得所述多个双晶梁偏转并且从所述多个压电器件输出电功率。

2.根据权利要求1所述的能量收集器，其中，所述多个双晶梁中的每个双晶梁包括黄铜基板并且所述压电器件被安装至所述黄铜基板。

3.根据权利要求1所述的能量收集器，其中，所述多个压电器件中所述至少两个压电器件在所述多个双晶梁中的每个双晶梁的相对侧上被安装至所述双晶梁。

4.根据权利要求1所述的能量收集器，其中，所述末端质量被选择成将所述能量收集器的固有频率调谐至期望频率。

5.根据权利要求1所述的能量收集器，其中，所述末端质量被选择成将所述能量收集器的固有频率调谐至200Hz以下的频率。

6.根据权利要求1所述的能量收集器，其中，所述结构的所述移动由人的心跳引起。

7.根据权利要求1所述的能量收集器，其中，所述末端质量的重量大于所述多个双晶梁中的一个双晶梁的重量的20倍。

8.一种能量收集器，包括：

多个双晶梁，每个双晶梁具有第一端和第二端；

多个压电器件，所述多个压电器件中的至少两个压电器件被安装至所述多个双晶梁中的每个双晶梁的相对侧；

多个刚性梁，所述多个刚性梁将所述多个双晶梁的相邻端相互连接，以限定使所述多个双晶梁中的一个双晶梁的所述第一端安装至结构并且使所述多个双晶梁中的所述一个双晶梁的所述第二端经由所述多个刚性梁中的一个刚性梁安装至所述多个双晶梁中的第二双晶梁的所述第一端的堆叠蛇形形状；以及

末端质量，所述末端质量被置于所述多个双晶梁中的最后一个双晶梁的自由端上，

其中，当所述能量收集器移动时使得所述多个双晶梁偏转并且从所述多个压电器件输出电功率。

9.根据权利要求8所述的能量收集器，其中，所述多个双晶梁中的每个双晶梁包括黄铜基板并且所述压电器件被安装至所述黄铜基板。

10.根据权利要求8所述的能量收集器，其中，所述末端质量被选择成将所述能量收集器的固有频率调谐至期望频率。

11.根据权利要求8所述的能量收集器，其中，所述末端质量被选择成将所述能量收集器的固有频率调谐至200Hz以下的频率。

12.根据权利要求8所述的能量收集器，其中，所述结构的所述移动由人的心跳引起。

13.根据权利要求8所述的能量收集器，其中，所述末端质量的重量大于所述多个双晶梁中的一个双晶梁的重量的20倍。