專利名稱：：基于超聲供能的共振式可植入微能源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種生物醫(yī)學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
的裝置，尤其涉及的是一種基于超聲供能的共振式可植入微能源裝置。
背景技術(shù)：
：可植入微機(jī)電系統(tǒng)(ImplantableMEMSImplantableMicro-Electro-MechanicalSystems)是指埋置在生物體或人體內(nèi)進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)診斷和治療的微機(jī)電系統(tǒng)，是MEMS技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程相結(jié)合的產(chǎn)物，也是體內(nèi)醫(yī)療器件向微型化、智能化、低能耗發(fā)展的重要方向。主要用來測(cè)量生命體內(nèi)的生理和生化參數(shù)的長(zhǎng)期變化，診斷和治療某些疾病，也可用來代替功能已喪失功能的器官?？芍踩胧狡骷煌隗w外醫(yī)療儀器，植入人體后，能直接接觸人體器官和組織，且處于恒溫和低干擾的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)在生命體自然狀態(tài)下的高精度直接測(cè)量和調(diào)控。如可植入的血壓傳感器、人工耳蝸和心臟起搏器等。由于可植入微機(jī)電系統(tǒng)具有微小、智能、能耗低等突出特點(diǎn)，已成為生物醫(yī)學(xué)工程中的一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。通常植入體內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)主要包括傳感器、執(zhí)行器單元、能量單元、信號(hào)處理和通訊單元。植入體內(nèi)的器件要求低能耗，主要是由于體內(nèi)供能的限制。能量的供給單元是系統(tǒng)的核心組成部分，它已成為決定器件使用壽命的關(guān)鍵。對(duì)于一個(gè)植入的系統(tǒng)，使用效果和壽命往往由其供電部件的體積和供電時(shí)間所決定。植入式電池是比較傳統(tǒng)的能量供給方式，但植入電池最大的缺點(diǎn)是其使用壽命的限制，電能耗盡后必須通過外科手術(shù)進(jìn)行更換。研制一種安全、體積小、壽命長(zhǎng)、甚至無需更換的能源是目前體內(nèi)供能的研究熱點(diǎn)。通過超聲向體內(nèi)供能是有效解決方案之一。超聲傳輸可避免電磁對(duì)生物微器件的干擾，而且聲能在體內(nèi)傳輸衰減少，可實(shí)現(xiàn)體內(nèi)深部醫(yī)療電子器件供能。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Po-JenShih,Wen-Pinffeng,Wen-PinShih等在((20thIEEEInternationalconferenceonMicroElectroMechanicalSystems))Kobe,Japan,(《IEEE第20屆微機(jī)電系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議》)(2007)21-25中發(fā)表了Acousticpolarizationforoptimizedimplantablepowertransmission(聲場(chǎng)偏振用于優(yōu)化植入供能傳輸)。該技術(shù)利用超聲波向體內(nèi)供電，體外為超聲發(fā)射裝置，帶有聲能吸收天線的壓電陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)封裝在具有良好生物相容性的軟封裝內(nèi)。當(dāng)對(duì)皮下組織施加超聲時(shí)，聲波傳到軟封裝。接收天線接收到超聲波后，使與之相連的壓電陶瓷產(chǎn)生振動(dòng)，將機(jī)械波轉(zhuǎn)化為電能。該裝置的能量傳輸效率目前很低僅為0.01%。該技術(shù)存在的主要問題是該技術(shù)是采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法制備的，器件體積較大，對(duì)體內(nèi)的干擾和影響較大；該技術(shù)主要靠軟封裝吸收超聲能，并通過天線轉(zhuǎn)化為壓電陶瓷的振動(dòng)，利用壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，由于借助軟封裝吸收超聲能量轉(zhuǎn)化為電能，其能量轉(zhuǎn)化效率低；由于采用吸收超聲能量的方式，其體內(nèi)超聲聲能接收部分的方向與超聲發(fā)射的方向關(guān)系很大，只有體內(nèi)超聲聲能接收部分直接面向超聲發(fā)射的方向時(shí)，能量傳遞效果最佳，這對(duì)植入體在體內(nèi)的位置要求很高，也讓手術(shù)提高了難度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于超聲供能的共振式可植入微能源裝置，利用MEMS技術(shù)研制微型可植入的微能源裝置，體積小，對(duì)體內(nèi)的干擾和影響小，采用壓電振子采集能量，使發(fā)射到體內(nèi)的超聲頻率與壓電振子的固有頻率一致，產(chǎn)生共振，其振幅被放大，能量轉(zhuǎn)換效果也隨之提高，而且采用共振方式，對(duì)植入體的方位要求較低。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括超聲發(fā)射單元、超聲聲能接收單元和儲(chǔ)能單元，其中超聲發(fā)射單元設(shè)置于體外，超聲聲能接收單元和儲(chǔ)能單元設(shè)置于體內(nèi)，儲(chǔ)能單元和超聲聲能接收單元相連。所述的超聲發(fā)射單元包括體外電路和超聲振子，其中超聲振子設(shè)置于體外，體外電路驅(qū)動(dòng)超聲振子發(fā)射超聲。所述的超聲振子是朗之萬振子、壓電超聲振子或者電磁超聲振子中的一種。所述的超聲聲能接收單元包括壓電振子和振子封裝，其中壓電振子接收超聲振子發(fā)射的超聲，壓電振子設(shè)于振子封裝的內(nèi)部。所述的壓電振子是若干個(gè)相互平行排列且尺寸相同的壓電懸臂梁。所述的壓電懸臂梁的外部包覆設(shè)置聚合物薄膜。所述的壓電懸臂梁包括頂電極層、壓電層、底電極層、二氧化硅基體、硅梁和硅框架，其中頂電極層、壓電層和底電極層依次設(shè)置于二氧化硅基體的上表面，硅梁的一端懸空，另一端的上、下表面分別與二氧化硅基體的下表面以及硅框架相連。所述的壓電振子的固有頻率和超聲振子的頻率相同。所述的壓電振子設(shè)于振子封裝的金屬殼內(nèi)部，金屬殼外部包覆設(shè)有聚合物薄膜。所述的壓電振子設(shè)于振子封裝的多孔聚合物的空腔內(nèi)。所述的聚合物薄膜具有生物相容性和密封性。所述的儲(chǔ)能單元包括整流電路、電容和充電電池，其中整流電路分別與頂電極層和底電極層相連，整流電路、充電電池和電容相互并聯(lián)。本發(fā)明的工作過程超聲發(fā)射單元設(shè)置于體外的皮膚表面，并向體內(nèi)組織發(fā)射一定頻率的超聲。超聲聲能接收單元的壓電振子的固有頻率與超聲發(fā)射單元的發(fā)射頻率一致時(shí)，壓電振子產(chǎn)生共振，通過壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為交流的電能，儲(chǔ)能單元將交流的電能轉(zhuǎn)化為直流電，給體內(nèi)器械供電。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明體積小，對(duì)體內(nèi)的干擾和影響小，采用共振方式采集發(fā)射到體內(nèi)的超聲，能量轉(zhuǎn)換效果高，而且對(duì)植入體的方位要求不高，超聲傳輸可避免電磁對(duì)生物微器件的干擾，而且聲能在體內(nèi)傳輸安全。圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是超聲聲能接收單元的主視圖；圖3是超聲聲能接收單元的俯視圖；圖4是壓電懸臂梁的剖面圖。具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1如圖1所示，本實(shí)施例包括超聲發(fā)射單元1、超聲聲能接收單元2和儲(chǔ)能單元3，其中超聲發(fā)射單元1設(shè)置于體外，超聲聲能接收單元2和儲(chǔ)能單元3設(shè)置于體內(nèi)，儲(chǔ)能單元3和超聲聲能接收單元2相連。所述的超聲發(fā)射單元1包括體外電路和超聲振子，其中超聲振子設(shè)置于體外，體外電路驅(qū)動(dòng)超聲振子發(fā)射超聲。所述的超聲振子是朗之萬振子、壓電超聲振子或者電磁超聲振子中的一種，本實(shí)施例選用朗之萬振子，在體外向體內(nèi)組織內(nèi)發(fā)射60KHz頻率的超聲。如圖2，圖3和圖4所示，所述的超聲聲能接收單元2包括壓電振子4和振子封裝5，其中壓電振子4接收超聲振子發(fā)射的超聲，壓電振子4設(shè)于振子封裝5的內(nèi)部。所述的壓電振子4是若干個(gè)相互平行排列且尺寸相同壓電懸臂梁6，壓電懸臂梁6的外部氣相沉積包覆設(shè)置2微米厚的聚合物派瑞林(Parylene)薄膜。所述的壓電懸臂梁6包括頂電極層7、壓電層8、底電極層9、二氧化硅基體10、硅梁11和硅框架12，其中二氧化硅基體10的上表面濺射沉積底電極層9，底電極層9上溶膠凝膠有壓電層8，壓電層8上濺射沉積頂電極層7，二氧化硅基體10的下表面光刻設(shè)有硅梁11，硅梁11的底部的一端上光刻有硅框架12，另一端懸空，頂電極層7和底電極層9上鍵合引線，引線和儲(chǔ)能單元3相連。本實(shí)施例中，壓電振子4的尺寸是3毫米X3毫米X0.3毫米，壓電層的8厚度是1微米，頂電極層7和底電極層9的厚度是150納米、二氧化硅基10的厚度是1微米，硅梁11的厚度是15微米，壓電層8沿其厚度方向極化。本實(shí)施例的振子封裝5采用金屬殼氣密封裝，本實(shí)施例選用鈦殼氣密封裝。將壓電振子4設(shè)于振子封裝5的鈦殼內(nèi)部，并采用5微米厚的聚合物派瑞林(Parylene)薄膜包裹鈦殼。所述的聚合物派瑞林(Parylene)薄膜具有生物相容性和良好密封性。所述的壓電振子4以共振方式接收由朗之萬振子發(fā)射的超聲，并通過壓電效應(yīng)將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，壓電振子4的固有頻率和朗之萬振子的發(fā)射頻率相同為60KHz。所述的儲(chǔ)能單元3包括整流電路、電容和充電電池，其中整流電路分別與頂電極層7和底電極層9相連，整流電路、充電電池和電容相互并聯(lián)。單個(gè)壓電懸臂梁6共振產(chǎn)生的交流電通過頂電極層7和底電極層9輸出到全橋整流電路轉(zhuǎn)化為直流電，并將多個(gè)整流后的壓電懸臂梁6電壓輸出串聯(lián)以提高輸出電壓，給電容器進(jìn)行充電，并通過電容器給鋰充電電池充電。實(shí)施例2本實(shí)施例的超聲振子選用菲涅耳波帶電極的壓電超聲振子，在體外向體內(nèi)組織內(nèi)發(fā)射60KHz頻率的超聲。本實(shí)施例的振子封裝5采用多孔聚合物非氣密封裝，是具有良好生物相容性的聚合物硅橡膠，其內(nèi)有設(shè)有空腔，壓電振子4設(shè)置在振子封裝5的多孔聚合物的空腔內(nèi)。本實(shí)施例的其他實(shí)施方式和實(shí)施例1相同。本實(shí)施例的壓電振子4以共振方式接收由菲涅耳波帶電極的壓電超聲振子發(fā)射的超聲，并通過壓電效應(yīng)將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，壓電振子4的固有頻率和菲涅耳波帶電極的壓電超聲振子的發(fā)射頻率相同為60KHz。由于聚合物硅橡膠為多孔材料，體內(nèi)的組織液可滲入空腔，形成一個(gè)體液構(gòu)成的腔體。由于派瑞林(Parylene)薄膜具有良好的覆蓋能力，可將壓電振子4與組織液隔離，壓電振子4實(shí)際上工作在液體環(huán)境中。權(quán)利要求一種基于超聲供能的共振式可植入微能源裝置，包括超聲發(fā)射單元、超聲聲能接收單元和儲(chǔ)能單元，其中超聲發(fā)射單元設(shè)置于體外，超聲聲能接收單元和儲(chǔ)能單元設(shè)置于體內(nèi)，儲(chǔ)能單元和超聲聲能接收單元相連；所述的超聲發(fā)射單元包括體外電路和超聲振子，其中超聲振子設(shè)置于體外，體外電路驅(qū)動(dòng)超聲振子發(fā)射超聲，其特征在于所述的超聲聲能接收單元包括壓電振子和振子封裝，其中壓電振子接收超聲振子發(fā)射的超聲，壓電振子設(shè)于振子封裝的內(nèi)部；所述的壓電振子的固有頻率和超聲振子的發(fā)射頻率相同。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲供能的共振式可植入微能源裝置，其特征是，所述的超聲振子是朗之萬振子、壓電超聲振子或者電磁超聲振子中的一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲供能的共振式可植入微能源裝置，其特征是，所述的壓電振子是若干個(gè)相互平行排列且尺寸相同的壓電懸臂梁。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于超聲供能的共振式可植入微能源裝置，其特征是，所述的壓電懸臂梁的外部包覆設(shè)置聚合物薄膜。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的基于超聲供能的共振式可植入微能源裝置，其特征是，所述的壓電懸臂梁包括頂電極層、壓電層、底電極層、二氧化硅基體、硅梁和硅框架，其中頂電極層、壓電層和底電極層依次設(shè)置于二氧化硅基體的上表面，硅梁的一端懸空，另一端的上、下表面分別與二氧化硅基體的下表面以及硅框架相連。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于超聲供能的共振式可植入微能源裝置，其特征是，所述的頂電極層和底電極層上鍵合弓丨線，引線和儲(chǔ)能單元相連。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲供能的共振式可植入微能源裝置，其特征是，所述的壓電振子設(shè)于振子封裝的金屬殼內(nèi)部，金屬殼外部包覆設(shè)有聚合物薄膜。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲供能的共振式可植入微能源裝置，其特征是，所述的壓電振子設(shè)于振子封裝的多孔聚合物的空腔內(nèi)。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于超聲供能的共振式可植入微能源裝置，其特征是，所述的儲(chǔ)能單元包括整流電路、電容和充電電池，其中整流電路分別與頂電極層和底電極層相連，整流電路、充電電池和電容相互并聯(lián)。全文摘要一種生物醫(yī)學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
的基于超聲供能的共振式可植入微能源裝置，包括超聲發(fā)射單元、超聲聲能接收單元和儲(chǔ)能單元，其中超聲發(fā)射單元設(shè)置于體外，超聲聲能接收單元和儲(chǔ)能單元設(shè)置于體內(nèi)，儲(chǔ)能單元和超聲聲能接收單元相連。本發(fā)明體積小，對(duì)體內(nèi)的干擾和影響小，采用共振方式采集發(fā)射到體內(nèi)的超聲，能量轉(zhuǎn)換效果高，而且對(duì)植入體的方位要求不高，超聲傳輸可避免電磁對(duì)生物微器件的干擾，而且聲能在體內(nèi)傳輸安全。文檔編號(hào)A61F2/02GK101800486SQ20101011403公開日2010年8月11日申請(qǐng)日期2010年2月25日優(yōu)先權(quán)日2010年2月25日發(fā)明者何丹農(nóng),劉景全,唐剛,李以貴,楊春生申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)