CN116421166A - 一种感知人体内信号的智能微型机器人及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种感知人体内信号的智能微型机器人及加工方法，所述感知人体内信号的智能微型机器人包括：内部设有传感电路的头部传感器，所述传感电路包括收发线圈、调谐电容和敏感电阻；所述收发线圈用于接收MRI成像过程中的电磁场能量，并基于所述电磁场能量产生感应磁场以增强局部信号；所述调谐电容用于将所述传感电路调谐到MRI设备的工作频率；所述敏感电阻用于将环境刺激转换为电阻，以调制所述传感电路；微型机器人载体平台包括驱动部件以及传感器平台，所述头部传感器加工在传感器平台上，驱动部件用于在外场作用下驱动所述头部传感器。该感知人体内信号的智能微型机器人方法解决现有技术中感知人体内信号的过程会对人体造成伤害或者检测种类单一、灵敏度不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及微型机器人技术领域，具体涉及一种感知人体内信号的智能微型机器人及加工方法。
背景技术
获取人体内的信号用于日常健康检测和疾病诊断在生物医学中具有重要意义，但是目前用于测量组织中的各种信号的方法较少，大致可以分为三种：直接获取体内的成分在体外进行检测分析；可植入式传感器将体内的信号无线的发送出来；与各种医学成像结合的造影剂。获取体内成分的方式是目前医院采用的主流方式，通过抽血、穿刺活检甚至手术探查的方式来进行检查。可植入式传感器是目前学术研究的热点，需要外部设备无线的供能并将体内信号转化为外部设备可以读取的信号，有射频的、超声波等几种主流的信号方式。医学成像的造影剂通过特异性的响应将对应的信号变化转化为可以影响成像的信号进而在最终图像中体现体内信号。
但是，抽血的方式难以发现非常早期的疾病因为病灶的标志物经过代谢以及稀释变得稀少。穿刺的方式难以取得一些位置较为复杂的病灶样本，对于早期较小的病灶也很困难。手术探查的方式则会对人体造成损伤。可植入传感器则面临着体内供能和信号传输的困难，能量在穿透人体的过程中会受到很大的损失，也不能使用过大的功率供能因为会伤害人体。受限能量供给的困难，目前可植入式传感器的尺寸还都比较大，只能通过手术的方式进行植入，这个过程也会对人体造成伤害。造影剂的方式不会对人体造成大的伤害，但是对于早期疾病的发现也较困难，因为这个时候病灶的尺寸小，产生的信号也小，而成像的分辨率也较低。同时，针对不同的信号，需要设计不同的造影剂，单次检测也只能使用一种造影剂。
因此，亟需一种不会对人体造成伤害并且能够感知多种人体内信号的智能微型机器人，尽可能的接近病灶以获得最高的检测信号强度来提高检测灵敏度。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种感知人体内信号的智能微型机器人及加工方法，用以解决现有技术中感知人体内信号的过程会对人体造成伤害或者检测种类单一、灵敏度不足的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种感知人体内信号的智能微型机器人，与MRI设备相互配合，包括：
内部设有传感电路的头部传感器，所述传感电路包括收发线圈、调谐电容和敏感电阻；
所述收发线圈用于接收MRI成像过程中的电磁场能量，并基于所述电磁场能量产生感应磁场以增强局部信号；
所述调谐电容用于将所述传感电路调谐到MRI设备的工作频率；
所述敏感电阻用于将环境刺激转换为电阻，以调制所述传感电路；
微型机器人载体平台包括驱动部件以及传感器平台，所述头部传感器加工在传感器平台上，驱动部件用于在外场作用下驱动所述头部传感器。
在上述技术方案的基础上，本发明还包括：
进一步地，所述智能微型机器人自上而下包括上层电极、第一介电层、第二介电层、下层电极和微型机器人载体。
进一步地，所述第一介电层和所述第二介电层开设第一过孔；所述第一介电层还开设第二过孔；
通过所述第一过孔贯穿所述第一介电层和所述第二介电层，实现传感电路的闭合；
通过调整所述第二过孔的尺寸将所述传感电路调谐到MR I设备的工作频率。
进一步地，所述第二介电层用于包裹所述上层电极和所述下层电极。
进一步地，所述头部传感器的尺寸小于500微米。
进一步地，所述人体内信号包括光信号、电信号和生物分子信号。
一种感知人体内信号的智能微型机器人加工方法，包括：
在微型机器人载体平台上生长上敏感材料并进行图案化得到敏感电阻，再加工下层电极；
所述下层电极加工完成后，生长上第二介电层材料和第一介电层材料，并通过刻蚀的方法得到第一过孔和第二过孔；
最后加工出上层电极。
进一步地，所述第一介电层采用高介电常数材料。
进一步地，所述第二介电层采用常规介电材料。
本发明实施例具有如下优点：
本发明中感知人体内信号的智能微型机器人，与MR I设备相互配合，内部设有传感电路的头部传感器，所述传感电路包括收发线圈、调谐电容和敏感电阻；所述收发线圈用于接收MR I成像过程中的电磁场能量，并基于所述电磁场能量产生感应磁场以增强局部信号；所述调谐电容用于将所述传感电路调谐到MR I设备的工作频率；所述敏感电阻用于将环境刺激转换为电阻，以调制所述传感电路；微型机器人载体平台包括驱动部件以及传感器平台，所述头部传感器加工在传感器平台上，驱动部件用于在外场作用下驱动所述头部传感器。
可以实现无创进入体内巡逻，检测人体内不同的信号用于疾病的诊断，其中，人体内信号包括各种生理标志物、光信号和电信号。该智能微型机器人不需要板载电源就可以将体内的信号无线的传输出来。微型机器人可以尽可能的接近病灶以获得最高的检测信号强度来提高检测灵敏度，解决了现有技术中感知人体内信号的过程会对人体造成伤害或者检测种类单一、灵敏度不足的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明感知人体内信号的智能微型机器人的第一结构示意图；
图2为本发明感知人体内信号的智能微型机器人的第二结构示意图；
图3为本发明感知人体内信号的智能微型机器人的第三结构示意图。
图4为本发明感知人体内信号的智能微型机器人的第四结构示意图；
图5为本发明感知人体内信号的智能微型机器人的分层结构示意图。
其中附图标记为：
头部传感器10，收发线圈101，调谐电容102，敏感电阻103，磁性尾巴20，上层电极30、第一介电层40，第一过孔401，第二过孔402，第二介电层50，下层电极60，头部传感器平台70，栅极80，MRI设备90。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
图1-图5为本发明感知人体内信号的智能微型机器人实施例示意图，如图1-图5所示，本发明实施例提供的一种感知人体内信号的智能微型机器人包括：
与MR I(核磁共振成像)设备相互配合，内部设有传感电路的头部传感器10，所述传感电路包括收发线圈101、调谐电容102和敏感电阻103；
所述收发线圈101用于接收MR I成像过程中的电磁场能量，并基于所述电磁场能量产生感应磁场以增强局部信号；
所述调谐电容102用于将所述传感电路调谐到MR I设备90的工作频率，以达到最大的信号强度；
所述敏感电阻103用于将环境刺激转换为电阻，以调制所述传感电路，进一步影响对局部信号的增强效果；
磁性尾巴20，通过头部传感器平台70与所述头部传感器10相连，用于驱动所述智能微型机器人。
微型机器人的传感原理是基于MR I成像中的局部信号增强，检测到的MR I信号幅度与激励脉冲的翻转角相关而翻转角又与激励脉冲期间的局部射频场成正比，所以通过对MR I成像中的局部射频场增强可以实现无线的信号传输，也不需要电源。微型机器人驱动依赖于外部的驱动控制。
所述智能微型机器人自上而下包括上层电极30、第一介电层40、第二介电层50、下层电极60和头部传感器平台70。
所述第一介电层40和所述第二介电层50开设第一过孔401；所述第一介电层40还开设第二过孔402；
第一介电层40采用的是高介电常数材料，厚度薄，以便获得大的电容用以调谐传感电路。调谐电容102的调整是通过调整第一介电层40中的第二过孔402的尺寸获得。第二介电层50采用的是常规介电材料，厚度大，以便于完全将下层电极60包裹住，以免上层电极30短路。第一过孔401完全贯穿两个介电层实现传感电路的闭合。敏感电阻103位于下层电极60处，可以将各种光、电、生理标志物的变化转化为电阻。所述人体内信号包括光信号、电信号和生物分子信号。
本发明设计了一种感知人体内信号的智能微型机器人，可以实现无创进入体内巡逻，检测人体内不同的信号用于疾病的诊断，其中，人体内信号包括各种生理标志物、光信号和电信号。该智能微型机器人不需要板载电源就可以将体内的信号无线的传输出来。微型机器人可以尽可能的接近病灶以获得最高的检测信号强度来提高检测灵敏度。解决了现有技术中感知人体内信号的过程会对人体造成伤害或者检测种类单一、灵敏度不足等问题。
基于MR I中电磁增强原理，不需要电源，减小了尺寸，整个智能微型机器人的尺寸小，传感器尺寸小于500微米(甚至100微米)，可以无创的进入人体内进行传感。在外部的驱动下，微型机器人可以可控的访问不同区域实现传感，与现有方法相比，微型机器人可以尽可能的接近病灶，对于早期疾病可以提高诊断灵敏度因为血液中的标志物浓度还很低。敏感电阻103可以采用现有的发展很成熟的各种传感器进行各种不同信号检测，包括光、电、不同的标志物，对于研究人员和医护人员获得体内信息用于科研和诊断具有重要意义。除此之外，MR I还可以用于微型机器人的导航实现导航的同时传感的目的，减少了外部设备，并且可以增强导航定位的信号。
本发明实施例提供的一种感知人体内信号的智能微型机器人加工方法，包括以下步骤：
S101，在微型机器人载体平台上生长上敏感材料并进行图案化得到敏感电阻103，再加工下层电极60；
S102，所述下层电极60加工完成后，生长上第二介电层50材料和第一介电层40材料，并通过刻蚀的方法得到第一过孔401和第二过孔402；
S103，最后加工出上层电极30。
所述第一介电层40采用高介电常数材料。
所述第二介电层50采用常规介电材料。
该感知人体内信号的智能微型机器人可以通过磁性尾巴20实现驱动，也可以通过磁性层实现驱动；头部传感器通过更换敏感电阻可以感知各种人体内信号，人体内信号包括光信号、电信号和生物分子信号；
优选的：该感知人体内信号的智能微型机器人包括：通过磁性尾巴20驱动的可以感知光信号的智能微型机器人、通过磁性尾巴20驱动的可以感知电信号的智能微型机器人和通过磁性层驱动的可以感知生物分子的智能微型机器人。
实施例1：
磁性尾巴20驱动的可以感知光信号的智能微型机器人采用半导体材料硅作为敏感电阻103，氧化铪作为第二介电层50的材料，氧化硅作为第一介电层40的材料，氮化硅/铁双层螺旋作为微型机器人的磁性尾巴作为驱动部件用来驱动，一层氧化硅与磁性尾巴相连作为头部传感器平台70。
加工过程如下：
首先对绝缘体上硅片的上层器件硅层(200nm)通过光刻、显影、反应离子刻蚀、除胶进行图案化，得到硅沟道；
利用光刻、显影、热蒸镀、溶脱得到下层电极60(200nmAu)；
利用原子层沉积10nm氧化铪作为第二介电层50并通过光刻、反应离子刻蚀、除胶得到过孔；
利用电子束蒸镀沉积100nm氧化硅作为第一介电层40并通过光刻、显影、反应离子刻蚀、除胶得到过孔；
热蒸镀100nm金作为电镀种子层，然后光刻、显影、电镀金得到图案化的2μm厚度上层电极30，利用湿法刻蚀去除多余的种子层金属；
利用光刻、显影、刻蚀、除胶对绝缘体上硅片的氧化硅层(100nm)进行图案化形成微型机器人的头部平台；
利用物理气相沉积生长100nm氮化硅并通过光刻、显影、刻蚀、除胶进行图案化得到带状条纹；
利用光刻、显影、电子束蒸镀、溶脱在带状氮化硅上沉积100nm铁作为磁性层；
将整个器件浸泡在KOH溶液中刻蚀绝缘体上硅的下层硅将微型机器人释放到溶液中，其中，尾部的带状氮化硅和铁层自卷曲形成螺旋状的尾巴。
实施例2
磁性尾巴20驱动的可以感知电信号的智能微型机器人的加工过程与磁性尾巴20驱动的可以感知光信号的智能微型机器人的加工方法基本相同，区别在于在上电极出多出一个栅极80(如图4所示)
实施例3
磁性层驱动的可以感知生物分子的智能微型机器人采用石墨烯作为敏感电阻103并通过用对应的生物探针进行修饰，将磁性尾巴替换成头部传感器平台70下方的磁性层用作驱动部件。
加工方法为：
首先在硅片上沉积一层20nm氧化铝作为牺牲层；利用光刻、显影、电子束蒸镀和溶脱得到100nm厚Fe作为磁性材料；
利用电子束沉积、光刻、显影、刻蚀、除胶得到图案化的氧化硅作为微型机器人平台；
将石墨烯转移到平台上并图案化；
利用光刻、显影、热蒸镀、溶脱得到下层电极60(200nmAu)；
利用原子层沉积10nm氧化铪作为第二介电层50并通过光刻、反应离子刻蚀、除胶得到过孔；
利用电子束蒸镀沉积100nm氧化硅作为第一介电层40并通过光刻、显影、反应离子刻蚀、除胶得到过孔；
热蒸镀100nm金作为电镀种子层，然后光刻、显影、电镀金得到图案化的2μm厚度上层电极30，利用湿法刻蚀去除多余的种子层金属；
用生物探针对石墨烯沟道进行修饰；
将整个器件浸泡在KOH溶液中刻蚀氧化铝牺牲层将微型机器人释放到溶液中。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种感知人体内信号的智能微型机器人，与MRI设备相互配合，其特征在于，包括：
内部设有传感电路的头部传感器，所述传感电路包括收发线圈、调谐电容和敏感电阻；
所述收发线圈用于接收MRI成像过程中的电磁场能量，并基于所述电磁场能量产生感应磁场以增强局部信号；
所述调谐电容用于将所述传感电路调谐到MRI设备的工作频率；
所述敏感电阻用于将环境刺激转换为电阻，以调制所述传感电路；
微型机器人载体平台包括驱动部件以及传感器平台，所述头部传感器加工在传感器平台上，驱动部件用于在外场控制下驱动所述头部传感器。
2.根据权利要求1所述感知人体内信号的智能微型机器人，其特征在于，所述智能微型机器人自上而下包括上层电极、第一介电层、第二介电层、下层电极和微型机器人载体。
3.根据权利要求2所述感知人体内信号的智能微型机器人，其特征在于，所述第一介电层和所述第二介电层开设第一过孔；所述第一介电层还开设第二过孔；
通过所述第一过孔贯穿所述第一介电层和所述第二介电层，实现传感电路的闭合；
通过调整所述第二过孔的尺寸将所述传感电路调谐到MRI设备的工作频率。
4.根据权利要求2所述感知人体内信号的智能微型机器人，其特征在于，所述第二介电层用于完全覆盖所述下层电极实现绝缘。
5.根据权利要求1所述感知人体内信号的智能微型机器人，其特征在于，所述头部传感器的尺寸小于500微米。
6.根据权利要求1所述感知人体内信号的智能微型机器人，所述人体内信号包括光信号、电信号和生物分子信号。
7.一种感知人体内信号的智能微型机器人加工方法，其特征在于，包括：
在微型机器人载体平台上生长上敏感材料并进行图案化得到敏感电阻，再加工下层电极；
所述下层电极加工完成后，生长上第二介电层材料和第一介电层材料，并通过刻蚀的方法得到第一过孔和第二过孔；
最后加工出上层电极。
8.根据权利要求7所述感知人体内信号的智能微型机器人加工方法，其特征在于，所述第一介电层采用高介电常数材料。
9.根据权利要求7所述感知人体内信号的智能微型机器人加工方法，其特征在于，所述第二介电层采用常规介电材料。
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|---|---|---|---|
| CN202310453581.3A CN116421166A (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 一种感知人体内信号的智能微型机器人及加工方法 |
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| CN202310453581.3A CN116421166A (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 一种感知人体内信号的智能微型机器人及加工方法 |
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|---|---|
| CN116421166A true CN116421166A (zh) | 2023-07-14 |
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| CN202310453581.3A Pending CN116421166A (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 一种感知人体内信号的智能微型机器人及加工方法 |
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|---|---|
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-
2023
- 2023-04-25 CN CN202310453581.3A patent/CN116421166A/zh active Pending
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