TWI578696B - 信號耦合和直流阻擋之方法及系統 - Google Patents

信號耦合和直流阻擋之方法及系統 Download PDF

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Description

信號耦合和直流阻擋之方法及系統
本發明係關於電路組態之信號耦合方法及類別。特定言之，本發明係關於藉由採用對稱碳雙層電容器取代其他傳統耦合電路內之傳統膜類型或陶瓷單石耦合電容器執行信號耦合之方法及系統。
電容現象被發現已有數世紀。最早的電性儲存器件，萊頓瓶(Leyden jar)，係一簡單電容器。
在其最簡單概念形式中，圖1所示之電容器10可視為兩個導電板12a及12b，其係設定成平行於兩者間的非導電空間14。若S係各板之面積16，而d係兩者間之距離18，並且若d遠小於S之平方根，則電容器10之電容值C由下式給出C=ε S/d
其中C之單位為法拉，其等於施加之每伏特所儲存的庫侖，以及ε係介電常數，不論以何種材料填充空間14。對於空白空間(或幾乎對於大多數氣體)，介電常數為每米ε0=8.849×10-12法拉。對於其他材料，將ε方便地表達為ε0乘以εR之乘積，此處εR係材料之無因次數特性。εR範圍通常從大約2(對於全氟碳氫化合物，例如Teflon®)，經過值3至6(通常係大多數塑膠及礦物)、8.8(對於氧化鋁)、30(對於氧化鉭)及80(對於蒸餾水)，最高至大約1200(對於鈦酸鋇之特殊處理形式)。
電容器10與外界間的電連通係透過兩個導體20a及20b完成，其係分別連接至圖1a內所解說之板12a及12b。結果，在電子圖式中，電容器由圖1b內之符號22表示，其表示兩個板、板間空間及冒出導體。幾乎不變地，實際電容器除該等組件外亦包含外部絕緣護套或塗層，以防止不需要之電流或洩漏，如圖1a之虛線24所指示。
從以上給出之等式可容易地看出，可藉由增加S、藉由增加e或藉由降低d增加電容。如圖2a內之30所指示，在其板間使用空白空間(或更實際的空氣)的較早電容器具有極小C值，即數微微法拉(10-12法拉)至數百微微法拉之等級。雖然在極高頻率下或高至數千伏特之電壓下較有用，此類電容器在其他現代低電壓電子裝置中幾乎無用。
如圖2b所解說，下一代電容器將導電板相互更靠近地加以放置，其係藉由雲母、蠟紙或塑膠之薄(通常係大約10-4米)膜32分離。通常板係由金屬箔形成，並且膜及箔係輥製在一起以求緊密性。S之增加、d之降低及ε之增加的所得組合使得實際值高出二至三個量值等級，從大約一毫微法拉(10-9法拉)至數百毫微法拉，儘管係在通常在數百伏特之較小工作電壓下。
鐵電陶瓷(大多數係基於特殊處理之鈦酸鋇)之發展使得稱為單石之新一代電容器成為可能。此一"晶片"電容器從燒在一起的陶瓷34及金屬(例如鈀)之交替薄(大約10-4米)層建立成單一陶瓷片，如圖2c內所解說。雖然實際器件較小，其比膜電容器更容易製造且更耐用。陶瓷34之極高值εR，通常係大約1200，在通常十至三十伏特之工作電壓下將產生實際值之必要減小S從數毫微法拉偏移至大約一微法拉(10-6法拉)。鐵電陶瓷亦可用於"碟狀"電容器，其中陶瓷取代先前範例內之材料32，其產生較小電容值，但能夠在較高電壓下操作。
透過較大S及極小d允許較小體積內之較大電容的另一發展係電解電容器，如圖2d內所解說。此處，至少一板係由金屬形成，例如鋁或 鉭，其係加以蝕刻或其他處理，以最大化其表面面積，然後與電解液36接觸地加以放置。藉由施加受控電流及電壓，在表面上生長氧化物38之薄(大約10-6米)層，並形成介電質。由於εR適當高(儘管未高至鐵電陶瓷)並且d處於小於在機械建立結構內可實現者的量值等級，在範圍從數伏特至數百伏特之工作電壓下可容易地實現一微法拉(10-6法拉)至數千微法拉的電容值。
電解電容器之發展藉由可經濟地實現相對較大電容值徹底變革電子裝置。然而電解有下降趨勢，因為其本質係單向或偏極。此係源自製程以及金屬及電解液之化學性。只要施加之電壓具有與最初用於形成氧化物層者相同地極性，電容器即可按期望運作。但是若電壓相反，氧化物層分解，而電容器變得極易洩漏，其實質上導致短路。此在電解電容器使用中需要特別注意事項，從而將其有效性限於某些應用，例如電力儲存，其中施加之電壓始終具有相同、正確極性。
需要指出的係，處理電解電容器40內的兩個板而非僅處理一個(如圖2e內所解說)可產生具有近似對稱特性之器件。此類對稱電解電容器有時用於信號處理中，例如在低阻抗音訊應用中，如濾波器及圖形等化器。然而，由於較大製造複雜性及所得較高相對成本，對稱電解電容器40通常係無其他辦法時的最後手段。更常見方法係簡單地背對背串聯放置兩個相等值之傳統、偏極電解電容器。在相反方向上透過各電容器之洩漏快速將其共同點充電至足夠高電壓，以防止進一步反向偏壓，該對則近似地用作單一對稱電容器，其具有各組件之一半額定值。
形成以下所述本發明之部分的電容器之最新發展係所謂的"超電容器"、"超級電容器"、"雙層"或"電化學"("EC")電容器。此係廣泛地類似於圖2e所解說之電解電容器，但代替金屬氧化物層，其"介電質"依賴於產生於半導體(例如碳)與另一材料間之任何接面處的表面阻障 電位。如圖2f所解說，當第二材料係電解液36時，此阻障透過所謂"雙層"之自發形成產生，其中藉由碳42內之移動電子形成一層，並藉由電解液36內之移動離子形成另一層。橫跨此雙層施加之電壓將相反電荷分開汲取，從而留下薄空白區域，其形成介電質。
由於此層極薄，通常小於一奈米(10-9米)，並且由於活化碳或碳氣凝膠之主體的表面面積S極高，此種器件之實際電容值範圍從大約0.05法拉(50,000微法拉)之最小值高至數法拉。下降趨勢即來自此相同薄度：根據其構造及形成介電質之液體，此類型之單一電容器限於不大於二或三伏特之最大工作電壓。對於較高電壓，必須串聯連接多個單元。
在較早雙層電容器中，僅使用多孔碳42之一主體，透過支撐碳之金屬板將一線路連接至該主體，並可採用與電解液直接接觸之特殊處理鎳44排列連接至金屬之另一線路。如圖2f內所解說，此一器件具有類似於電解電容器之屬性(如圖2e內解說)：僅在一極性下操作，並且若電壓施加方式錯誤則易受損壞或破壞。其鎳含量44亦使其相對較昂貴，並且由於可能的毒性釋放在廢棄時需要特殊處理。
但大約自二十一世紀初起，技術進步使附著碳至對稱雙層電容器46之兩個板而非僅一個板變得更簡單且更經濟。圖2g內解說此一電容器。所得電容器適用於批量生產，並且價格迅速下降。每單元工作電壓通常係二至三伏特，藉由在串聯堆疊48內連接二個或二個以上單元可獲得更高電壓，如圖2h內所解說。適用於印刷電路板安裝之較小單元目前大量地以低至每個大約$1.00之價格即可購得。一種此類器件系列係ELNA"Dynacap"DX系列，其包含0.047、0.1、0.22、0.33及1.0法拉器件，全部額定為5.5伏特。
然而，吾人一般未認識到該等碳-碳雙層電容器48之新的對稱特性允許遠超過能量儲存以外的使用。一可能原因係前幾代的高值電容器 (例如電解電容器)幾乎全係單向且易被相反極性損壞的事實。由於電性雙層可採用碳-電解液接面完成，其不受此類損壞。若其以任何方式毀損，其可實際上立即重新形成。在現代對稱雙層電容器48中，其以多孔碳塗布兩個板，一個板變得作用並在一極性提供高電容，而另一板本質上用作短路，同時在相反極性上其角色相反。
例如，圖3解說在標記為"正向"及標記為"反向"的兩方向上針對典型ELNA DX-5R5V473"Dynacap"(0.047法拉，5.5伏特)電容器48測量的自行放電曲線圖。在各情形中，電容器48係透過100歐姆電阻器從9伏特鹼性無線電電池充電，直至連接之伏特計讀取8.50伏特，其遠高於5.5伏特之額定Dynacap最大工作電壓，如圖3a內之線60所指示。接著斷開電池。以增加間隔測量電容器電壓，並針對時間對數繪製曲線。接著如圖3a所解說，將平滑曲線圖62及64分別擬合標稱"正向"及"反向"資料點。
從連續資料點間的電壓變化，接著從以下關係得出內部洩漏電流I1kg=C△V/△t=0.047△V/△t
並與電壓成函數關係以對數方式繪製曲線。如圖3b內所見，洩漏在額定電壓下從點70附近之較高值(高於額定電壓線60)下降至大約四十微安培，然後到達平線區(點72附近)，其在四至五伏特範圍上處於大約二十微安培。在四伏特以下，洩漏再次下降至較低值(點74附近)。標記為"正向"之洩漏值76與標記為"反向"之值78間存在差異，但此差異在額定工作電壓範圍中從不高於因數二。
電容器之一典型應用係電容耦合。明確而言，電容耦合係電能量使用電路元件間之電容從一電路元件至另一電路元件的傳送。通常藉由將電容器與欲耦合之信號串聯地放置實現電容耦合。此一電容器可稱為耦合電容器。耦合電容器用於連接兩個電路，使得僅來自第一電路之交流(AC)信號可傳遞至下一電路，而阻擋直流(DC)。此技術可用 於在互連電路時避免改變各電路之DC偏壓設定。因此，電容耦合亦稱為AC耦合。
耦合電容器可稱為DC阻擋電容器。電容耦合具有使包含電容耦合單元之系統的低頻性能降級之缺點，因為各耦合電容器與下一級之輸入阻抗一起形成高通濾波器，並且各連續濾波器產生累積濾波器。因此，為得到足夠低頻響應，耦合電容器通常必須具有足夠高電容，以便電抗(在所關注之最低頻率下)遠高於下一級之輸入阻抗。耦合電容器之弱低頻性能可使具有較長時間常數之A/C電信號的傳送複雜化。
先前技術器件(例如美國專利第5,217,009、5,413,596、6,011,994、6,321,119、6,535,767、7,117,034號及美國公開申請案第20040267333號中所描述之生物電子刺激器，其全部以引用的方式併入本文中)已需要將背對背電解電容器用於輸出直流阻擋。然而，採用實際大小之電容器，成功耦合限於在任何給定時間具有較小不平衡電荷含量之信號。即使具有相對較短週期之顯著不平衡的該等信號可變得失真。
同樣，本技術中需要具有極佳低頻性能的電容耦合電路。此類低頻性能可維持有效信號傳播，其中信號可具有較長時間常數分量。此類電容耦合亦需要實質上阻擋直流信號分量之傳送，同時保持可接受之低頻性能。另外，在某些情形中，特別係醫學應用中，為安全考慮此一電容耦合電路需要包含串聯冗餘元件。
描述一種電路組態方法及類別，其用於透過使用一或多個雙層電容器，將低頻信號從一電子裝置之一級耦合至另一級、從外界耦合至此一級或從此一級耦合至外界。雙層電容器可與可容易地獲得之其他電容器及用於電路設計中之低成本電子組件(例如電阻器)組合。
本發明之一重要特徵係與能量儲存相區分，將緊湊、經濟之對稱雙層電容器用於信號傳輸。該方法可有利於將信號從電子裝置引入至 生物材料，例如活人或動物體、其他生物體，或培養基內之細胞或組織。使用在實際較小大小及成本之器件內提供較高電容值的雙層電容器可允許在更少失真下傳輸可能更寬範圍之信號，同時仍阻擋任何顯著直流。
另一重要特徵係可將雙層電容器連接於兩電容器端子均浮動的信號流動路徑中，而非通常將至少一端子連接至接地或另一固定電壓點的雙層電容器。此允許透過電容器將信號之交流分量從電子裝置之一級傳遞至另一級、從外界傳遞至此一級，或從此一級傳遞至外界，同時阻擋任何直流分量。此特徵在生物電子刺激器及類似醫學器件中特別重要，其中施加於活組織之任何淨直流可造成有害電解反應。
本發明之另一重要特徵係使用串聯連接的多個離散雙層電容器器件，不論各此類器件是否包含單一單元或兩個或兩個以上單元之堆疊，同時為成功耦合保持足夠電容。例如，可串聯連接兩個此類器件。
雙層電容器之新對稱性使其通向新應用領域，其中雙層電容器，特別係在一法拉或更低之值下，可具有與其他非偏極電容器相同之使用方式，同時因為其值之量值等級較高，故具有格外延長之時序特性。 例如，當使用不尋常之低阻抗時或當必須針對某些醫學應用最小化失真時，此類電容器可用於在普通阻抗位準下耦合格外低頻交流(A/C)信號，例如20Hz或更低等級，或100Hz範圍內之較低音訊頻率。其他低頻可包括但不限於5至15Hz頻帶，以及0.00056Hz(每隔15分鐘反轉，每30分鐘係完整循環，該信號產生技術通常稱為Borgens神經再生應用)，以及低至0.0001Hz之頻率。額外低頻可包括但不限於一赫茲(Hz)、十分之一、十分之三、百分之一、百分之三、千分之一、千分之三、萬分之一及萬分之三赫茲。然而，其他低頻不超出本發明之範疇。
電容器可將該等低頻A/C信號從電子裝置之一級耦合至另一級、 從外界耦合至此一級或從此一級耦合至外界，同時仍阻擋此類信號之任何直流分量，而無需確保橫跨電容器存在特定、不變極性。
特定言之，此應用領域包括電子裝置與人或動物體、培養基內之細胞、組織或整個生物體間的低頻信號之耦合，其係用於診斷、治療、加速生長或復原目的或生物電學及電刺激法技術中的其他目的，而無因延長曝露於信號(其可因疏忽而包含某些直流分量)造成電解效應之隨附風險。
在美國所銷售的任何醫學器件中，美國食品藥物管理局要求保持安全，不論任何可能的單一組件故障。滿足此要求之簡單方式係"三法則"，其中任何關鍵組件與三個子組件之任何兩者提供三重冗餘，以實現安全操作。串聯放置的三重冗餘輸出電容器可用於支援任何醫學器件之安全操作，同時仍保持低信號失真。
或者，若信號所需電壓足夠高，可能使用多於三個離散器件，以便全部在其指定電壓範圍內操作。
本發明之另一重要特徵係結合相對較低值電阻器使用雙層電容器，以匹配典型生物材料之阻抗，同時保持較長時間常數，例如七、十六、三十六、一百二十、一百五十、五百、一千二百及一千五百秒之等級，僅列舉一些範例。用於較長時間之其他值可包括但不限於十、三十、一百、三百、一千、三千秒之等級者，或者可能長至一萬秒。
對於以步進電容方式(step capacitively)耦合至電阻負載內的施加電壓或電流，衰變時間或信號降至1/e或大約其最初值之36.8%的時間由下式給出T=(R1+R2+R3+...)/(1/C1+1/C2+1/C3+...)
此處R1、R2、R3等及C1、C2、C3等係全部串聯連接之電阻及電容。若藉由單一等效串聯電阻RS取代所有個別電阻值，並藉由單一等效串聯電容CS取代所有個別電容，衰變時間簡單地由下式給出 T=RSCS
因此為保持給定所需衰變時間，若RS降低，CS必須增加一成比例量。若RS較小，如同在大多數生物材料或系統中，需要較大CS以實現令人滿意的傳輸。使用雙層電容器，特別係在冗餘"三法則"組態中，允許上述較長時間常數的此保持，前提係各電容器之值足夠高，以抵銷藉由串聯連接多個電容器造成的損失。
例如，所得耦合電路允許經濟地實現格外長時間常數(在十、三十、一百、三百、一千、三千秒之等級上，或者可能長至一萬秒)及較大電荷位移(在0.25庫侖等級上)，從而將格外低頻率或信號(其包含此類低頻組件，例如，特別係低於20Hz者)耦合至生物材料內，以用於診斷、治療或加速生長或復原目的，同時仍阻擋信號之任何直流分量。
本發明內容內提供的電容耦合電路論述僅係用於說明性目的。檢視所揭示具體實施例之以下詳細描述並參考隨後圖式及申請專利範圍，可更清楚地瞭解及明白本發明之各種態樣。另外，熟習此項技術人士在檢驗以下圖式及詳細描述後便會明白本發明之其他態樣、系統、方法、特徵、優點及目的。期望所有此類態樣、系統、方法、特徵、優點及目的係包括在本說明中，屬於本發明之範疇並且由隨附申請專利範圍保護。
10‧‧‧電容器
12a‧‧‧導電板
12b‧‧‧導電板
14‧‧‧非導電空間
20a‧‧‧導體
20b‧‧‧導體
22‧‧‧電容器
32‧‧‧薄膜
34‧‧‧陶瓷
36‧‧‧電解液
38‧‧‧氧化物
40‧‧‧電解電容器
42‧‧‧多孔碳
44‧‧‧特殊處理鎳
46‧‧‧對稱雙層電容器/雙層導體
48‧‧‧串聯堆疊/堆疊電容器
100‧‧‧電阻器
102‧‧‧電阻器
103‧‧‧二極體
104a‧‧‧電阻器
104b‧‧‧電阻器
104c‧‧‧電阻器
105‧‧‧二極體
106‧‧‧開關
108‧‧‧驅動器
110‧‧‧輸出端子
112a‧‧‧電容器
112b‧‧‧電容器
112c‧‧‧電容器
112d‧‧‧電容器
114a至114c‧‧‧電容器
700a‧‧‧第一電路
700b‧‧‧第二電路
710‧‧‧信號
圖1a及1b係先前技術一般電容器之示意圖。
圖2a至2h係使用各種不同技術製作之先前技術電容器的一組示意性斷面圖。
圖3a及3b係一對圖表，其顯示傳統商用雙層電容器內的自行放電特性及計算之內部洩漏電流。
圖4係使用冗餘電解電容器之先前技術生物電子刺激器的輸出區段之示意圖。
圖5係依據本發明之一示範性具體實施例遵循"三法則"使用雙層電容器重新組態之相同輸出區段的示意圖。
圖6a至6c係依據本發明之一示範性具體實施例，使用圖4及5之耦合方法刺激典型生物系統之阻抗且耦合至標準測試負載的波形之比較。
圖7解說一雙層電容器，其依據本發明之一示範性具體實施例在第一電路與第二電路間耦合一信號。
圖8解說三個串聯雙層電容器，其依據本發明之一示範性具體實施例在第一電路與第二電路間耦合一信號。
圖9係用於使用依據本發明之一示範性具體實施例的雙層電容器在兩個電路間耦合A/C電信號之程序的邏輯流程圖。
可參考上述圖式更佳地瞭解本發明之許多態樣。圖式中所示元件及特徵未按比例繪製，重點係放在清楚地解說本發明之示範性具體實施例地原理。另外，可誇大特定尺寸以幫助從視覺上傳達此類原理。在圖式中，參考數字指定在數個視圖中相似或對應但不必相同的元件。
本發明可按許多不同形式具體化，而不應視為限於本文所提出之具體實施例；相反，該等具體實施例係提供以使得此揭示內容徹底及完整，並且向熟習此項技術人士完全傳達本發明之範疇。另外，本文給出之所有"範例"或"示範性具體實施例"係非限制性，本發明之表示亦支援其他範例。
本發明包括電路組態之一方法及類別，其用於透過結合其他可容易地獲得且低成本之電子組件(例如電阻器)使用複數個對稱雙層電容器之一或多個，將低頻信號從一電子裝置之一級耦合至另一級、從外界耦合至此一級或從此一級耦合至外界。可將雙層電容器連接於兩電容器端子均浮動的信號流動路徑中，其與將至少一端子連接至接地或 某一其他固定電位的雙層電容器之傳統使用相反。本發明可應用於生物刺激領域，其中將特定強度及波形之信號施加於生物材料以引起所需響應，例如生長或復原之加速。
用於傳統生物電子信號產生器件之輸出區段的範例係在美國專利第6,535,767號中描述，其整個內容以引用方式併入本文中，並在圖4中加以解說。
存在三個串聯冗餘電阻器，其包括100、102，以及選自電阻器104a、104b及104c之一群組的一個，其係由開關106之位置決定。計算該等電阻器之值，以便若其中任一者因短路失效，剩餘兩者及位於電路內之驅動器108及其他位置的其他分散式電阻足以將輸出端子110之電流限於安全位準。然而，電阻器本身無法區分交流與直流信號，因此無法確保位於端子110之信號達到安全使用也需要的電荷平衡(即無D.C.分量)。
二極體103及105對電路操作並非關鍵，而是提供電流流動的視覺或電子指示。圖式中顯示為105的該等二極體之至少一者係發光二極體(LED)，其可係光隔離器內的可見LED或紅外LED，該光隔離器提供電子輸入(例如)至微處理器。或者，兩二極體103及105均可為LED。採用如圖所示以反平行(非平行)方式配置的二極體(其中各者之陽極係連結至另一者之陰極)，該對能夠傳遞高頻信號並與流動電流成比例地發射光。此同時提供一指示，即電池提供充分操作電壓，其供電的所有電路區塊正確運作，以及電流正確流動至連接在端子110的負載。
另外圖4包含電容器112a、112b、112c及112d。該等電容器分別形成兩個背對背對，以便若其中任一者失效，以相同極性連接的另一單元仍可足以阻擋直流輸出，從而確保安全操作。
不幸的是，當依此方式串聯連接電容器時，總電容由下式給出CS=1/(/(1/C1+1/C2+1/C3+...)
其中C1、C2、C3等係如此連接的個別電容。當所有單元具有相等值時，此表達式簡單地變為CS=C/N
其中N係個別單元數目，而C係各者的值。對於依此方式連接於四者串列內的10微法拉，所得串聯值因此僅係2.5微法拉。由於該串列係與500歐姆之典型生物負載串聯地放置，所得衰變時間常數僅係1.25毫秒，從而嚴重限制可應用的信號及頻率範圍。使用較大值電容器，但在增加大小、體積、成本及重量的代價下，可實現較長時間常數，因此實現較寬頻率操作範圍。
在圖5中，顯示圖4之相同輸出耦合區段，其係使用依據本發明之雙層電容器重新繪製。使用至少三個此類電容器114a、114b及114c，從而滿足"三法則"。單元工作電壓係選擇成在任何電容器因短路失效的事件中，剩餘單元在一起仍安全地阻擋任何直流信號分量，而不超過其額定電壓。例如，在9伏特最大施加信號下，可使用三個5.5伏特雙層電容器，例如ELNA DX電容器系列內的電容器，任何兩者足以進行安全操作。
使用DX系列內之最低值器件DX5R5V473，圖3內顯示其特性，各器件具有0.047法拉之電容，因此三者串列具有大約0.0157法拉：15,700微法拉之一串聯電容，或者比圖4之等效串列高6000倍。再次透過此一串列施加信號於500歐姆之典型生物負載，所得時間常數係7.83秒。使用來自相同串聯或來自其他串聯的其他器件，可容易地實現更長時間常數，例如其具有如表1內所指示的標準10%公差庫存值。例如，較長時間常數可包括但不限於七、十六、三十六、一百二十、一百五十、五百、一千二百及一千五百秒之等級者(如表1內所示)，僅列舉一些範例。用於較長時間常數之其他值可包括但不限於十、三十、一百、三百、一千、三千秒之等級者，或者可能長至一萬秒。因此，本發明支 援之某些時間常數範圍可從十至一萬秒，以及其他範圍，例如一百與一千秒之間。
此打開一新的廣泛低頻A/C發信範圍，例如在20Hz及0.0001Hz之等級上，其可證實在生物電子刺激中具有較大價值。額外低頻可包括但不限於一赫茲(Hz)、十分之一、十分之三、百分之一、百分之三、千分之一、千分之三、萬分之一及萬分之三赫茲。然而，其他低頻不超出本發明之範疇。
例如，普渡癱瘓研究中心主任Richard Borgens等人已揭示，神經再生受極低頻方波刺激，其中極性大約每隔十五分鐘反轉。使用串聯連接的三個雙層電容器，其各具有十法拉值，允許將此一信號引入至500歐姆典型生物負載中，而無不可接受之信號失真，且不會將治療組織曝露於可能的損壞性電解效應。
本發明產生的低頻可包括但不限於5至15Hz頻帶，以及0.00056Hz(每隔15分鐘反轉，每30分鐘係完整循環，該信號產生技術通常稱為Borgens神經再生應用)，以及低至0.0001Hz之頻率。額外低頻可包括 但不限於一赫茲(Hz)、十分之一、十分之三、百分之一、百分之三、千分之一、千分之三、萬分之一及萬分之三赫茲。然而，其他低頻不超出本發明之範疇。
圖6解說並比較圖4內之先前技術輸出區段與具體化本發明的圖5內所示者的信號耦合特性。圖6a之跡線120顯示來自驅動器108之差動輸出電壓。信號採用短、不對稱脈衝後跟等化脈衝124之串列122形式，由於近似等於在串列122內之正及負極性花費的時間之間的差異，其將電性平衡恢復為零淨電荷(非D.C.內容)。但由於採用實際組件無法保證故障或值變化不會影響此平衡，為安全見仍需要電容D.C.阻擋。需要橫跨處理之生物材料幾乎不變地重制跡線120內的相同電壓圖案。
先前技術之圖6b的跡線126顯示來自橫跨500歐姆電阻出現之輸出區段之信號，該電阻表示放置於端子110間的典型生物負載。由電容器112a至112d之組合引入的失真係沿串列122之長度以電壓下降之形式清楚可見，其導致正脈衝強度隨時間減小，同時負脈衝強度增加。所有脈衝形狀亦顯著失真，等化脈衝124顯著失真。
當已用如上所詳述之三個雙層電容器124a至124c取代電容器122a至122d時，本發明之一具體實施例的圖6c之跡線128顯示相同信號。可看出，施加電壓與橫跨負載所出現者之間無可偵測失真。
現在參考圖7及8，圖7解說一雙層電容器46，其依據本發明之一示範性具體實施例在第一電路700a與第二電路700b間耦合一信號710。導體20a及20b操作以將第一電路700a與耦合電容器46互連並將耦合電容器與第二電路700b互連。此互連提供為從一電路穿過雙層電容器46至另一電路的交流(A/C)電信710號提供導電路徑。
電容器46可實質上阻擋耦合於第一電路700a與第二電路700b之間的任何信號710之直流(D.C.)分量。然而，電容器46可耦合包含於A/C信號710內之其他低頻能量的實質部分，使得電容器46操作以耦合於第 一電路700a與第二電路700b之間。
雙層電容器可包含任何電容器，其展現對稱雙層特性，例如所解說之兩側碳超級電容器46。或者，儘管通常較不理想，可探用類似於圖4所解說之電容器對的背對背組態之兩個相同、不對稱超級電容器取代所顯示之各電容器。如關於圖2g所論述，當藉由碳42內之移動電子形成一層並藉由電解液36內之移動離子形成另一層時，此一電容器可實現所需雙層。橫跨此雙層施加之正確極性的電壓將相反電荷汲取到兩端，從而留下一薄的空白區域，其形成電容器之介電質。更一般地，介電質係基於表面阻障電位，其出現於半導體(例如碳)與另一材料間的任何接面。
雙層電容器亦可包含如相對於圖2h所論述的堆疊電容器48。串聯放置的多個電容器亦可如圖8a所示加以使用。圖8a所解說之電容器可各係所示之雙層電容器單元46，或者可係堆疊雙層電容器單元48，每個堆疊電容器48具有兩個、三個或三個以上單元(見圖2h)。串聯及/或堆疊電容器可提供信號路徑內之冗餘，從而保護負載免遭個別電容器46之一或多者的故障影響。此類冗餘之範例係如上所論述之"三法則"。
在一示範性具體實施例中(未解說)，可將電路700a耦合至雙層電容器單元46，其係耦合至生物材料。生物材料可包含活生物體。例如，活生物體可包含培養基內之組織、細胞、活人體、除人外之活動物及其他相似活生物體。
雖然圖7及8內所解說之電容器係解說為平行板12a及12b電容器，其可具有本技術中熟知的任何其他幾何形狀或電化學構造，以實現雙層超級電容器或超電容器效應。其他幾何形狀之範例可為纏繞線圈、同心板、堆疊板、輻射交錯板、表面經處理或紋理化以增加表面面積的板。電容器46內之材料可包括以下各物之任何組合：例如碳、矽、鍺、砷化鎵、摻雜半導體、其組合或任何其他半導體；電解液體、氣 體、電解凝膠、電解糊膏、電解固體、電解基質，或任何此類電解材料；以及金屬或氧化物層，例如銅、鎳、鋁、合金、任何其他導體、金屬氧化物、矽氧化物，或其任何合金或組合。
現在參考圖9，此圖式解說用於使用依據本發明之一示範性具體實施例的雙層電容器在電路與組件間耦合A/C電信號之程序的邏輯流程圖900。該組件可包含另一電路或生物材料。對於本發明，以下參考之所有邏輯流程圖內的所述程序或程序流程內之特定步驟必須自然先於其他步驟，以按所描述方式運作。然而，本發明並不限於所描述之步驟順序，只要此類順序或序列不改變本發明之功能。即，應認識到某些步驟可在其他步驟前、後或與其平行地加以實行，而不背離本發明之範疇或精神。
使用雙層電容器以在電路與組件間耦合A/C電信號的方法900可始於步驟910，其中將來自第一電路700a之A/C電信號710供應至第一導體20a內。
接下來，在步驟920中，沿第一導體20a傳播A/C電信號710。此導體可在第一電路700a與雙層耦合電容器46間電連通。
接下來，在步驟930中，將A/C電信號710從第一導體700a傳導至雙層電容器46內。此電容器46此處係用作耦合電容器。雙層電容器46可係展現雙電容器特性的單獨電容器單元，或者其可係一或多個此類電容器之串聯連接，或者其可為一或多個堆疊電容器48。此類雙層電容器亦可稱為超級電容器或超電容器。
接下來，在步驟940中，透過雙層導體46耦合A/C電信號710。透過雙層導體46耦合A/C電信號可視為A/C電信號710之交流分量的傳播。
在步驟950中，實質上阻擋A/C電信號710之任何直流(D.C.)分量，使其無法透過電容器46耦合。在步驟960中，將A/C電信號從雙層電容 器46傳導至第二導體20b內。第二導體20b可與電容器46之第二板12b電連通。
接下來，在步驟970中，沿第二導體20b傳播A/C電信號710。最後，在步驟980中，將A/C電信號710從第二導體20b遞送至組件內，例如圖8之第二電路700b，或者組件內，例如生物材料。遞送之信號應實質上類似於最初在步驟910中供應的信號，然而，雙層電容器46實質上已阻擋任何直流(D.C.)分量。A/C信號之遞送可例示極佳的低頻性能，從而有利於採用較長時間常數組件傳導信號710。
例如，本發明所支援的較長時間常數可包括但不限於七、十六、三十六、一百二十、一百五十、五百、一千二百及一千五百秒之等級者，僅列舉一些範例。因此，本發明所支援之某些時間常數範圍可從五至七千二百秒，以及其他範圍，例如一百五十與一千二百秒之間。本發明所支援的低頻A/C信號可包括但不限於頻率在例如20Hz與0.0001Hz間之等級上的信號。
透過雙層電容器46耦合A/C電信號之此步驟可比單層電容器30耦合A/C電信號710之低頻分量更有效地耦合A/C電信號710之低頻分量。
前述描述係視為僅說明本發明之原理。由於熟習此項技術人士可容易地發現許多修改及變化，本發明不需要限於所顯示及所描述之實際構造及操作，相應地，可在本發明之範疇內採用任何適當修改及等效物。因此，熟習此項技術人士應明白，可對本文所描述之較佳具體實施例作出許多變化及替代，而不背離由隨附申請專利範圍定義的本發明之精神及範疇。另外，本發明之範疇僅受隨附申請專利範圍之限制。
12a‧‧‧導電板
12b‧‧‧導電板
20a‧‧‧導體
20b‧‧‧導體
36‧‧‧電解液
42‧‧‧多孔碳
46‧‧‧對稱雙層電容器
700a‧‧‧第一電路
700b‧‧‧第二電路
710‧‧‧信號

Claims (41)

  1. 一種耦合電路，其包含：一第一導體，其與一第一外部電路電連通；一第二導體，其與一第二外部電路電連通，該第二外部電路包含一生物材料；一雙層電容元件，其位於該第一導體與該第二導體之間並且在該第一外部電路與該第二外部電路之間耦合一電信號，該雙層電容元件進一步可操作以實質上阻擋該電信號之一直流(DC)分量；以及一電阻器，其與該雙層電容元件連通，且可操作以改善該第一外部電路與該第二外部電路間之阻抗匹配，其中該電阻器與該雙層電容元件通過(pass)近似於或低於二十赫茲(Hz)之頻率。
  2. 如請求項1之耦合電路，其中該雙層電容元件包含與一電解材料接觸之一半導體。
  3. 如請求項1之耦合電路，其中該雙層電容元件包含與一電解材料接觸之一第一半導體以及與該電解材料接觸之一第二半導體。
  4. 如請求項1之耦合電路，其中該雙層電容元件包含串聯連接之複數個雙層電容器。
  5. 如請求項1之耦合電路，其中該雙層電容元件包含一或多個超電容器。
  6. 如請求項1之耦合電路，其中該電信號包含不平衡電荷。
  7. 如請求項1之耦合電路，其中該電阻器及該雙層電容元件產生一時間常數。
  8. 如請求項1之耦合電路，其中該電阻器及該雙層電容元件產生超過十秒之一時間常數。
  9. 如請求項1之耦合電路，其中該電阻器及該雙層電容元件產生超過三十秒之一時間常數。
  10. 如請求項1之耦合電路，其中該電阻器及該雙層電容元件產生超過一百秒之一時間常數。
  11. 如請求項1之耦合電路，其中該電阻器及該雙層電容元件產生超過一千秒之一時間常數。
  12. 如請求項1之耦合電路，其中該電阻器及該雙層電容元件通過近似於在五Hz與十五Hz之間的頻率。
  13. 如請求項1之耦合電路，其中該電阻器及該雙層電容元件通過近似於在萬分之一Hz與萬分之三Hz之間的一頻率。
  14. 一種信號耦合方法，其包含以下步驟：將包含一交流(AC)分量及一直流(DC)分量兩者之一信號供應至一第一導體內；沿該第一導體將該信號傳播至一雙層電容元件及一電阻器內，該電阻器係與該雙層電容元件連通且可操作以改善一電路與一負載間之阻抗匹配；透過該雙層電容元件與該電阻器耦合該信號之該AC分量；採用該雙層電容元件與該電阻器阻擋該信號之該DC分量，其中該電阻器與該雙層電容元件通過近似於或低於二十Hz之頻率；將該信號之該AC分量自該雙層電容元件傳播至一第二導體內；以及將該信號之該AC分量自該第二導體遞送至該負載，該負載包含一生物材料。
  15. 如請求項14之方法，其中沿該第一導體將該信號傳播至一雙層電 容元件內包含透過一單一雙層電容器耦合該信號。
  16. 如請求項14之方法，其中沿該第一導體將該信號傳播至一雙層電容元件內包含透過複數個雙層電容器耦合該信號。
  17. 如請求項14之方法，其中將該信號之該AC分量自該第二導體遞送至該負載包含將該信號之該AC分量自該第二導體遞送至一生物材料內。
  18. 如請求項14之方法，其中將該信號之該AC分量自該第二導體遞送至該負載包含將該信號之該AC分量自該第二導體遞送至另一電路內。
  19. 一種用於在兩個元件間傳播一交流(AC)信號之耦合電路，其包含：一或多個雙層電容元件，其係連接於在該兩個元件間流動之信號的一路徑內，其中該信號流動路徑之一方向係從該兩個元件中之一第一元件至該兩個元件中之一第二元件，該第一元件包含一電子裝置，該第二元件包含來自一活存生物(living organism)之一生物材料，各電容器包含多個端子，各端子相對於接地及一固定電壓之其中一者以一浮動狀態操作；及一電阻器，其與該雙層電容元件連通且可操作以改善該第一及第二元件間之阻抗匹配，其中該一或多個雙層電容元件與該電阻器通過近似於或低於二十Hz之頻率。
  20. 如請求項19之耦合電路，其中該兩個元件係該電子裝置之部分，且該信號流動路徑係從該電子裝置之一級至另一級。
  21. 如請求項19之耦合電路，其中該信號流動路徑之另一方向係從一外部環境至一電子裝置。
  22. 如請求項19之耦合電路，其中該信號流動路徑之另一方向係從該電子裝置至一外部環境。
  23. 如請求項19之耦合電路，其中該生物材料係來自一活存生物，但非來自人體或動物。
  24. 如請求項19之耦合電路，其中該生物材料係來自培養基內之生物細胞。
  25. 如請求項19之耦合電路，其中該生物材料係來自培養基內之組織。
  26. 如請求項19之耦合電路，其中該雙層電容元件包含串聯連接之複數個單元。
  27. 如請求項19之耦合電路，其進一步包含複數個雙層電容元件，各雙層電容元件包含串聯連接之複數個單元。
  28. 如請求項27之耦合電路，其中該複數個雙層電容元件包含三個雙層電容器。
  29. 如請求項27之耦合電路，其中該複數個雙層電容元件包含在各自指定電壓範圍內操作之若干雙層電容器。
  30. 如請求項19之耦合電路，其中該AC信號隨附一直流(DC)信號分量且包含不平衡電荷含量。
  31. 如請求項30之耦合電路，其中該不平衡電荷含量存在達一時間期間。
  32. 如請求項19之耦合電路，其中該一或多個雙層電容元件連同若干電阻器一起使用，以匹配一生物材料之一阻抗，同時維持具有大於六秒之一量值的一時間常數。
  33. 如請求項32之耦合電路，其中該時間常數具有大於三十秒之一量值。
  34. 如請求項32之耦合電路，其中該時間常數具有大於100秒之一量值。
  35. 如請求項32之耦合電路，其中該時間常數具有大於300秒之一量 值。
  36. 如請求項32之耦合電路，其中該時間常數具有大於1000秒之一量值。
  37. 如請求項32之耦合電路，其中該時間常數具有大於3000秒之一量值。
  38. 如請求項32之耦合電路，其中該時間常數具有大於10,000秒之一量值。
  39. 如請求項19之耦合電路，其中該一或多個雙層電容元件連同若干電阻器一起使用，以通過低於二十Hz之一頻率。
  40. 如請求項19之耦合電路，其中該一或多個雙層電容元件連同若干電阻器一起使用，以通過介於近似於在五Hz與十五Hz之間的頻率。
  41. 如請求項19之耦合電路，其中該一或多個雙層電容元件連同若干電阻器一起使用，以通過近似於在萬分之一Hz與萬分之三Hz之間的頻率。
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