CN113078255B - 用于生物植入设备的无线充电器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于生物植入设备的无线充电器件，属于生物传感器领域。主体为异质层状磁电复合材料，封装在PDMS薄膜内；主体整体呈对称状，磁致伸缩材料层的两侧分别通导电环氧树脂依序与无铅压电陶瓷层、铜电极、非晶软磁合金层粘接，两层无铅压电陶瓷层通过导电环氧树脂及磁致伸缩材料层形成串联。放置于沿长度方向施加的交变磁场中利用磁电复合材料的磁电效应即可完成磁能到电能的转换，实现无线充电。优点在于：使用非晶软磁合金降低磁电复合材料的最佳偏置磁场，使得该器件在零偏置磁场下即可发挥最大的磁电转换性能。该无线充电器件结构简单，充电效率高，易于微型化，所用材料对生物体无害，可实现对生物植入设备的无线供电。
Description
技术领域
本发明涉及生物传感器领域，特别涉及一种用于生物植入设备的无线充电器件。
背景技术
随着现代生物医疗技术的发展，生物植入设备得到了更广泛的应用，它是现代迅速发展的电子制造技术与医学相结合的产物，通过外科手术植入的方式放置在人体或其他生物的内部，可应用于生物体各项生理参数的长期实时精确监测、某些疾病的定位治疗以及术后康复协助等情况，甚至可用于代替某些功能丧失或衰弱的器官，在现代医疗领域发挥着重要的作用，常见的生物植入设备如心脏起搏器、人工耳蜗、神经刺激器等。
但传统的生物植入设备缺乏安全可靠的无线供电手段，这极大地制约了生物植入设备的广泛应用。传统的生物植入设备多采用成熟的锂电池作为供电方式，例如，釆用锂电池的植入式心脏起搏器其使用寿命可以达到5-10年，但电池存在电量耗尽的问题，需要通过手术更换电池，这增加了诊疗费用，也造成了病人的二次创伤，同时也存在一定的安全隐患。
为了弥补电池供电技术的不足，开发生物体植入器件的无线供电技术意义重大，在此方面较为主流的技术是电磁耦合无线充电技术，利用电磁波穿过皮肤组织，再由二次线圈接收，为生物植入设备供电。但其仍存在传输功率受线圈面积限制，功率密度低，线圈耦合时难以准确定位等问题，实际应用范围受限制。故当前缺少安全可靠的生物体内无线充电技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于生物植入设备的无线充电器件，解决了现有技术存在的上述问题。本发明基于磁电复合材料的磁电效应工作的，磁电复合材料是一种由磁致伸缩材料和压电材料复合而成的材料，其磁电效应是由磁致伸缩材料和压电材料的乘积效应引发的，在磁场的作用下，磁致伸缩材料由于其磁致伸缩效应产生应变，应变通过层间耦合传递给压电材料，再引起压电材料的压电效应产生电极化，完成磁能到电能的转换，达到为生物植入设备无线充电的目的。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
用于生物植入设备的无线充电器件，放置于沿长度方向施加的交变磁场中利用磁电复合材料的磁电效应即可完成磁能到电能的转换，实现无线充电；包括主体1和PDMS薄膜2，所述主体1为异质层状磁电复合材料，封装在PDMS薄膜2内；所述主体1由一层磁致伸缩材料层104、两层无铅压电陶瓷层103、两层铜电极102、两层用于产生自偏置效应的非晶软磁合金层101组成，整体呈对称状；所述磁致伸缩材料层104的两侧分别通导电环氧树脂依序与无铅压电陶瓷层103、铜电极102、非晶软磁合金层101粘接，两层无铅压电陶瓷层103通过导电环氧树脂及磁致伸缩材料层104形成串联。
所述的磁致伸缩材料层104为具有磁致伸缩效应的铁镓合金或Terfenol-D，其磁致伸缩变形沿长度方向。
所述的无铅压电陶瓷层103 为锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷或铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其上下表面均镀有银电极，沿厚度方向进行预极化处理。
所述的非晶软磁合金层101为具有高磁导率的铁基非晶合金。
所述的主体1的形状为长宽比大于4的薄板。
通过亥姆霍兹线圈7诱发磁电效应为生物植入设备进行快速充电，或者收集日常生物体振动产生的机械能，将其转换为电能储存在电容9里。
所述的铜电极102带有引出端，与充电电路连接。
本发明的有益效果在于：本发明利用磁电复合材料的磁电效应在交变磁场中完成磁能到电能的转换，为生物植入设备供电；本发明采用无铅压电陶瓷作为压电元件，避免了传统压电材料含铅，无法用于生物体植入的问题；本发明采用双压电陶瓷串联构型，有效提升其功率密度，提高充电效率；本发明采用非晶软磁合金来产生自偏置效应，使得磁电复合材料在无外加偏置磁场的条件下即可发挥最大的磁电转换性能；本发明采用长宽比较大的长方体薄板构型，有效降低该器件的固有频率，使得所需作为能量来源的交变磁场频率降低，对生物体伤害更小；本发明采用异质材料薄板粘接的方式构成，结构紧凑，体积小，易于微型化，适合生物体植入环境；本发明既可以通过亥姆霍兹线圈，诱发磁电效应为生物植入设备进行快速充电，也可收集日常生物体振动产生的机械能，将其转换为电能储存在电容里。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的A-A剖视示意图；
图3为本发明的快速充电模式原理图；
图4为本发明的辅助能量收集原理图；
图5为本发明的充电电路示意图。
图中：1、主体；101、非晶软磁合金层； 102、铜电极；103、无铅压电陶瓷层；104、磁致伸缩材料层；2、PDMS薄膜；3、表皮层；4、真皮层；5、皮下脂肪层；6、肌肉；7、亥姆霍兹线圈；8、全桥整流电路；9、电容。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图5所示，本发明的用于生物植入设备的无线充电器件，利用磁电复合材料的磁电转换效应在交变磁场中完成磁能到电能的转换，为生物植入设备供电。包括主体1和用于封装的PDMS薄膜2，所述主体1为异质层状磁电复合材料，封装在PDMS薄膜2内；所述主体1由一层磁致伸缩材料层104、两层无铅压电陶瓷层103、两层铜电极102、两层用于产生自偏置效应的非晶软磁合金层101组成，整体呈对称状；所述磁致伸缩材料层104的两侧分别通导电环氧树脂依序与无铅压电陶瓷层103、铜电极102、非晶软磁合金层101粘接。各层之间采用导电环氧树脂粘接，两层无铅压电陶瓷层103通过导电环氧树脂及磁致伸缩材料层104形成串联。整体放置于沿长度方向施加的交变磁场中利用磁电复合材料的磁电效应即可完成磁能到电能的转换，实现无线充电。使用非晶软磁合金降低磁电复合材料的最佳偏置磁场，使得该器件在零偏置磁场下即可发挥最大的磁电转换性能。该无线充电器件结构简单，充电效率高，易于微型化，所用材料对生物体无害，可实现对生物植入设备的无线供电。
所述的磁致伸缩材料层104为具有磁致伸缩效应的铁镓合金或Terfenol-D（巨磁致伸缩材料），其磁致伸缩变形沿长度方向。
所述的无铅压电陶瓷层103 为锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷或铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其上下表面均镀有银电极，沿厚度方向进行预极化处理。
所述的非晶软磁合金层101为具有高磁导率的铁基非晶合金。
所述的主体1的形状为长宽比大于4的薄板。
可以通过亥姆霍兹线圈7诱发磁电效应为生物植入设备进行快速充电，也可收集日常生物体振动产生的机械能，将其转换为电能储存在电容里。
所述的铜电极102带有引出端，用于与充电电路连接。
参见图1至图5所示，本发明的工作原理如下：
参见图1至图3，本发明是基于磁电复合材料的磁电效应工作的，植入位置为生物体的皮下脂肪层5（穿过表皮层3、真皮层4，置于真皮层4和肌肉层6之间的皮下脂肪层5内），当需要充电时，将植入于生物体的该无线充电器件置于由外部的亥姆霍兹线圈7施加的交变磁场中，调整交变磁场的频率使之与该器件的主体1的谐振频率相同，内部的磁致伸缩材料层104由于其磁致伸缩效应在交变磁场的激励下产生谐振，经界面耦合将应变传递给与之粘接的无铅压电陶瓷层103，无铅压电陶瓷层103在应变作用下产生压电效应，通过粘接在其表面的带有引出端的铜电极102输出电荷，完成从磁场到电场的能量转换，实现为生物植入设备的无线充电。该无线充电器件可与现有的各类生物植入设备兼容，植入于与生物植入设备最接近的皮下脂肪层内，通过绝缘导线与生物植入设备连接，可根据植入位置的不同选用不同大小和布置方式的亥姆霍兹线圈激励其进行充电。
本发明中两块无铅压电陶瓷层103通过导电环氧树脂及磁致伸缩材料层104形成串联，增大输出功率。磁致伸缩材料层104需要施加一定的静态偏置磁场才能发挥最大的性能，因此，在铜电极102外侧粘接有非晶软磁合金层101，利用其高磁导率、低饱和磁致伸缩系数的特点，在交变磁场下磁化后产生弱磁化梯度场，为磁致伸缩材料层104提供磁偏置，使该无线充电器件在无额外偏置磁场的条件下可发挥最大性能。本发明的无线充电器件最外层采用生物相容性好的PDMS薄膜2封装，避免了传统生物植入设备采用金属钛壳封装造成的磁屏蔽问题。
参见图4所示，在生物体运动过程中，该无线充电器件随之产生振动，其内部的无铅压电陶瓷层103在振动带来的应变作用下产生压电效应，通过铜电极102输出电荷，使得该无线充电器件在非快速充电模式下，亦可收集日常生物体振动产生的机械能，将其转换为电能储存在电容里。
参见图5所示，本发明的用于生物植入设备的无线充电器件在交变磁场中产生交流电，需使用额外的充电电路对其进行处理才可以为生物植入设备充电，所需的充电电路应包含全桥整流电路8和电容9，其一端连接无线充电器件的铜电极102的引出端，一端连接生物植入设备，具体应用时可将充电电路整合于生物植入设备的电路中，通过充电电路对无线充电器件输出的交流电进行整流滤波处理，使之转变为直流电，为生物植入设备充电。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于生物植入设备的无线充电器件，其特征在于：放置于沿长度方向施加的交变磁场中利用磁电复合材料的磁电效应即可完成磁能到电能的转换，实现无线充电；包括主体（1）和PDMS薄膜（2），所述主体（1）为异质层状磁电复合材料，封装在PDMS薄膜（2）内；所述主体（1）由一层磁致伸缩材料层（104）、两层无铅压电陶瓷层（103）、两层铜电极（102）、两层用于产生自偏置效应的非晶软磁合金层（101）组成，整体呈对称状；所述磁致伸缩材料层（104）的两侧分别通过 导电环氧树脂依序与无铅压电陶瓷层（103）、铜电极（102）、非晶软磁合金层（101）粘接，两层无铅压电陶瓷层（103）通过导电环氧树脂及磁致伸缩材料层（104）形成串联。
2.根据权利要求1所述的用于生物植入设备的无线充电器件，其特征在于：所述的磁致伸缩材料层（104）为具有磁致伸缩效应的铁镓合金或Terfenol-D，其磁致伸缩变形沿长度方向。
3.根据权利要求1所述的用于生物植入设备的无线充电器件，其特征在于：所述的无铅压电陶瓷层（103）为锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷或铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其上下表面均镀有银电极，沿厚度方向进行预极化处理。
4.根据权利要求1所述的用于生物植入设备的无线充电器件，其特征在于：所述的非晶软磁合金层（101）为具有高磁导率的铁基非晶合金。
5.根据权利要求1所述的用于生物植入设备的无线充电器件，其特征在于：所述的主体（1）的形状为长宽比大于4的薄板。
6.根据权利要求1所述的用于生物植入设备的无线充电器件，其特征在于：通过亥姆霍兹线圈（7）诱发磁电效应为生物植入设备进行快速充电，或者收集日常生物体振动产生的机械能，将其转换为电能储存在电容（9）里。
7.根据权利要求1所述的用于生物植入设备的无线充电器件，其特征在于：所述的铜电极（102）带有引出端，与充电电路连接。
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