專利名稱：小型磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種小型磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各種功能的植入電子醫(yī)療產(chǎn)品不斷進入人們的生活中，它們在疾病的診斷、治療、肢體矯正、康復等方面發(fā)揮著巨大的作用，為患者帶去生活上的方便甚至延續(xù)著患者的生命。電源技術(shù)是植入電子器件的諸多技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。盡管植入電子器件存在著多種可能的供電方式，目前各類生物體內(nèi)裝置普遍采用電池供電的電源模式，雖然電池容量在不斷增大，但由于其沒有實時能量補給功能始終存在電量耗盡的窘境。電能無線傳輸一直是人類的夢想，多年來國內(nèi)外一些科學家執(zhí)著地開展著這項研究，但進展甚微。2007年MIT的科學家在電能無線傳輸原理上有了突破性進展，他們利用電磁耦合諧振原理實現(xiàn)了中距離的電能無線傳輸，在2m多距離內(nèi)將一個60W的燈泡點亮，且傳輸效率達到40%左右，這種方法被稱作Witricity技術(shù)。該技術(shù)與其他技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:(I)可以定向的傳輸能量，只有當諧振線圈存在時才能接收能量。由于生物組織的固有諧振頻率一般非常低，對能量的傳輸幾乎沒有影響，所以該技術(shù)對于人體來說是安全的。(2)可以進行中距離的無線能量傳輸，傳統(tǒng)的方法一旦傳輸距離有所增大傳輸效率便會急劇下降。(3)具有很強的適應性，在能量傳輸?shù)倪^程中不受中間障礙的影響，即在視線達不到的地方依然能夠有效地傳輸能量。由以上可知Witricity技術(shù)在給植入性電子醫(yī)學器件進行無線能量傳輸方面具有很大的優(yōu)越性。近年來，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，植入式醫(yī)療器械正朝著小型化和集成化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的植入式醫(yī)療器械經(jīng)皮能量傳輸?shù)拇篷詈想姼芯€圈多采用機器或人工纏繞，重復性差，電感量控制困難，而且?guī)Т判镜木€圈體積較大，不利于系統(tǒng)的微型化?，F(xiàn)階段Witricity無線傳能技術(shù)還處于起步階段,相關(guān)理論和實驗研究還比較欠缺，尤其是針對體內(nèi)植入器件的Witricity無線傳能，幾乎沒有相關(guān)文獻。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題在于，基于磁耦合諧振無線傳能原理設(shè)計了小型磁耦合諧振系統(tǒng)，即提供一種小型磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)，尤其是小尺寸諧振器以及磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)，小尺寸諧振器尺寸僅為1.35cm3。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:采用印制板直接制作一種設(shè)適用于植入器件的小尺寸平面螺旋諧振線圈，該線圈正反兩面覆銅，使得諧振器在體積減小的情況下諧振頻率不會變的很高，能夠很好的與系統(tǒng)諧振頻率匹配，此外應用時域有限差分方法，對該植入線圈對人體頭部電磁輻射的影響進行分析，驗證該方法應用于體內(nèi)植入器件的安全性。磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)由四個主要部分組成:高頻正弦信號發(fā)生和功率放大電路、激勵線圈和小尺寸諧振初級線圈(線圈I)、小尺寸諧振次級線圈(線圈2)和能量汲取線圈以及整流濾波充電電路。如果將諧振初次級線圈直接與電路連接，則Witricity系統(tǒng)的諧振頻率會受到很大干擾，因此加入激勵線圈和能量汲取線圈，其中激勵線圈與功率放大電路相連接，能量汲取線圈與負載相連。激勵線圈和能量汲取線圈由線徑Imm的銅線纏繞成3匝直徑為5cm的螺旋線圈，與諧振初次級線圈通過感應耦合傳能。整個系統(tǒng)的核心還是兩個諧振線圈，小尺寸諧振初級線圈和小尺寸諧振次級線圈組成了一個完整的諧振器，從而實現(xiàn)兩個線圈之間的能量傳輸。當兩個線圈產(chǎn)生強烈的磁耦合諧振時，才能在較遠的距離下有效地傳遞能量，在系統(tǒng)仿真時將激勵線圈和能量汲取線圈忽略。系統(tǒng)采用方形平面螺旋諧振線圈，諧振線圈由三層組成，正面導體層由方形螺旋銅片組成，介質(zhì)層為聚乙烯板，反面導體層由長方形銅片組成。正面導體層形成的電感與正反面導體層重疊部分形成的電容通過復雜的串并聯(lián)電路構(gòu)成系統(tǒng)所需要的諧振器，進行能量傳遞。

下面將結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中:圖1是本實用新型的磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2是本實用新型的諧振器參數(shù)；圖3(a)是本實用新型的輸出功率與效率隨距離變化圖；圖3(b)是本實用新型的輸出功率與效率隨水平位移變化圖；圖3(c)是本實用新型的輸出功率與效率隨旋轉(zhuǎn)角度變化圖；圖4是本實用新型時間步長和空間步長的穩(wěn)定性的穩(wěn)定條件；圖5是本實用新型的頭模型中YZ平面SAR值分布情況圖6是本實用新型的兩種情況下SAR值在X方向分布。
具體實施方式
磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個無線能量傳輸系統(tǒng)由四個主要部分組成:高頻正弦信號發(fā)生和功率放大電路、激勵線圈和小尺寸諧振初級線圈(線圈I)、小尺寸諧振次級線圈(線圈2)和能量汲取線圈以及整流濾波充電電路。如果將諧振初次級線圈直接與電路連接，則Witricity系統(tǒng)的諧振頻率會受到很大干擾，因此加入激勵線圈和能量汲取線圈，其中激勵線圈與功率放大電路相連接，能量汲取線圈與負載相連。激勵線圈和能量汲取線圈由線徑Imm的銅線纏繞成3匝直徑為5cm的螺旋線圈，與諧振初次級線圈通過感應耦合傳能。整個系統(tǒng)的核心還是兩個諧振線圈，小尺寸諧振初級線圈和小尺寸諧振次級線圈組成了一個完整的諧振器，從而實現(xiàn)兩個線圈之間的能量傳輸。當兩個線圈產(chǎn)生強烈的磁耦合諧振時，才能在較遠的距離下有效地傳遞能量，在系統(tǒng)仿真時將激勵線圈和能量汲取線圈忽略。系統(tǒng)采用方形平面螺旋諧振線圈，諧振線圈由三層組成，正面導體層由方形螺旋銅片組成，介質(zhì)層為聚乙烯板，反面導體層由長方形銅片組成。正面導體層形成的電感與正反面導體層重疊部分形成的電容通過復雜的串并聯(lián)電路構(gòu)成系統(tǒng)所需要的諧振器，進行能量傳遞。諧振線圈具體參數(shù)如圖2所示，線圈邊長5cm，厚度0.054cm，線圈體積為
1.35cm3,自諧振頻率為11MHz。功率放大電路產(chǎn)生的信號輸出電壓范圍為O 25V，頻率范圍為I 28MHz，輸出端接一個3W燈泡。[0020]因為整個系統(tǒng)最終要應用于人體內(nèi)部，所以模擬人體體液環(huán)境很重要。能量在模擬人體體液環(huán)境中的衰減因子均小于空氣中的衰減因子，也就是說能量在模擬人體體液中的衰減小于空氣中，但傳輸變化規(guī)律基本一致。為了簡化實驗，我們通過改變空氣中初次級諧振器之間的距離(I IOcm)，測量輸入輸出端電壓和電流，對小尺寸諧振次級線圈的輸出功率及效率進行計算。從圖3(a)可知在兩諧振器相距Icm時最大輸出效率達到76%，當兩諧振器距離為10cm，也就是諧振器邊長的2倍時，效率降至1.1 %，輸出功率為98mW，這也可以為頭部植入器件提供足夠的能量。當激勵線圈的輸入電壓繼續(xù)增大時，輸出電壓也會相應的增加。當兩諧振器存在一定水平位移或旋轉(zhuǎn)角度時，磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)也能很好的工作，相應的輸出功率和效率如圖3(b)和4(c)所示(兩線圈垂直距離為2cm)。這一結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以很好地應用于小尺寸電設(shè)備，特別是體內(nèi)植入器件，這也為下一步仿真模型的建立提供了可靠依據(jù)。在外電磁場作用下，人體內(nèi)將產(chǎn)生感應電磁場。人體內(nèi)的電磁場將產(chǎn)生電流,導致人體吸收和耗散電磁能量，使人體局部組織溫度升高。人們在研究電磁輻射的生物效應時，確定進入人體組織區(qū)域內(nèi)的電磁的大小和分布情況是非常重要的，通常使用比吸收率來表征人體組織吸收電磁能的大小。比吸收率的定義為單位質(zhì)量的生物組織吸收的電磁功率，單位是W/kg。本研究主要計算人體主要組織平均比吸收率SARa0 SARa的定義為生物系統(tǒng)吸收的電磁總功率Pat與生物系統(tǒng)的總質(zhì)量Hi1之比，表達式為SARa = ^(W/kg)(I)這里所說的生物系統(tǒng)可以是生物體(比如人或?qū)嶒炐∈?，也可以是生物組織(比如肝臟)、生物樣本(比如培養(yǎng)皿中的細胞樣品)或研究者關(guān)注的生物體的某一區(qū)域(比如人體的某一橫截面)，本實用新型主要對人頭部進行計算(下文中仍用SAR表示)。
比吸收率無法通過目測或感官得知，但是卻真實存在，仿真分析成為研究比吸收率的重要手段。通過對比吸收率的仿真研究，使得無形的電磁輻射逐漸數(shù)值化。國際非電離性輻射防護委員會制定的《限制時變電場、磁場和電磁場暴露導貝IJ》中指出不同頻率范圍的參考基本照射限值不同，IOOkHz IOGHz頻率范圍內(nèi)，基本限值主要是SAR值，以防止全身發(fā)熱和局部組織過熱。在IOMHz IOGHz頻率范圍內(nèi)局部暴露SAR(頭部和軀干)限值為2W/kg。在這一標準中局部暴露SAR平均值是利用任意IOg相鄰組織內(nèi)的平均量來進行計算的。此外，導出限值是通過基本限值用數(shù)學模型以及在特定頻率下通過實驗室研究結(jié)果進行推導出來的，導出限值表示場與暴露個體的最大耦合狀態(tài)，因此可提供最有效的防護。10 400MHz頻率范圍內(nèi)時變電場和磁場暴露下適用于一般公眾的導出限值(均方根值)包括電場強度E的大小限值為28V/m，磁場強度H的大小限值為0.073A/m0利用MMICS 11.0軟件(Materialise公司，比利時)，借助二維頭顱MRI醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像預處理，組織分割，重構(gòu)真實頭部和大腦組織的三維面模型。然后將面模型以通用格式輸出至Geomagic Studio 11軟件(Geomagic公司，美國)，通過創(chuàng)建曲面，曲面擬合等操作，生成頭部三維實體模型。應用HFSS 12軟件(Ansoft公司，美國)建立諧振線圈模型，進而將頭模型和諧振線圈模型同時導入數(shù)值分析軟件XFDTD 6.0 (Remcom公司，美國)中，對各組織材料電磁特性進行設(shè)置并做網(wǎng)格剖分，最終得到一個可以用于數(shù)值計算的三維頭部數(shù)值模型。FDTD是一種微分算法，時間步長和空間步長要遵守一定的規(guī)則，否則會發(fā)生穩(wěn)定性問題。為了保證離散后的解是收斂并且穩(wěn)定的，同時考慮計算的復雜度問題，一般情況下，穩(wěn)定性需要滿足圖4的穩(wěn)定條件即可，表中At為時間間隔，T為周期，δ = Ax= Ay=Δ ζ為單元網(wǎng)格的長度，c為光速，λ為波長。采用正方體網(wǎng)格對頭部進行剖分，根據(jù)上述條件并綜合考慮計算復雜度，最終設(shè)定單元網(wǎng)格長度2.03mm,并設(shè)置計算空間為PML吸收邊界條件，層數(shù)為5層，空間計算網(wǎng)格數(shù)為148X134X134。此外對于不同的建模會有不同的周期條件，由計算經(jīng)驗總結(jié)可知一般取時間步數(shù)大于3個周期，本實用新型取N = 100 000。計算兩種情況的SAR值，第一種是體外設(shè)置小尺寸諧振初級線圈，體內(nèi)植入小尺寸諧振次級線圈且兩線圈距離為Icm時人頭部SAR值，第二種是體外設(shè)置小尺寸諧振初級線圈，體內(nèi)未植入小尺寸諧振次級線圈時人頭部SAR值。在應用HFSS軟件進行諧振線圈建模時，設(shè)置了波端口作為能量進出的唯一端口。在第I種情況中激勵源設(shè)置在諧振初次級線圈波端口處，分別為點(133，85，76)和點(123，85，76)，頻率為11MHz，電壓分別為25V和14.8V(實驗測得)。在第2種情況中只設(shè)定小尺寸諧振初級線圈，激勵源設(shè)置在點(133，85，76)，電壓為 25V。通過XFDTD軟件在YZ平面上進行分析，分別取X = 20，30，40，50，60，70，80，90，100，110，120，130得出人頭部不同平面上的IOg組織SAR值分布，具體數(shù)值如圖5所示，SAR分布如圖6所示。第I種情況IOg組織SAR最大值為9.2627 X l(T6W/kg，位于(127，83，74)點。第2種情況IOg組織SAR最大值為3.792 4X 10_5W/kg，位于(122,83,75)點。此外，在第I種情況下，頭部電場磁場強度(均方根)最大值位于(133,85,76),分別為4.64V/m和0.057A/m。第2種情況下頭部電場磁場強度(均方根)最大值也位于(133，85，76)，分別為1.73V/m和0.035A/m,均低于國際非電離福射防護委員會(ICNIRP)制定的安全限值標準。分析以上的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):應用Witricity方法對頭外部放置諧振線圈時，在分別考慮頭內(nèi)部植入諧振線圈和頭內(nèi)部不植入諧振線圈兩種情況下，頭部SAR值以及電磁場強度在Y = 83附近即波端口附近達到最大值，且分析的兩種情況下最大值均低于國際限值標準。在SAR值分布情況分析中可以發(fā)現(xiàn)，第I種情況的值均低于第2種情況，這一現(xiàn)象是由于在小尺寸諧振次級線圈存在的情況下，兩線圈實現(xiàn)諧振耦合，更多的能量被小尺寸諧振次級線圈吸收而沒有被人體吸收。這一結(jié)果再一次證明了 Witricity方法非常適用于體內(nèi)傳能系統(tǒng)?；诖篷詈现C振無線傳能原理設(shè)計了適用于體內(nèi)植入器件的小型磁耦合諧振系統(tǒng)，諧振器尺寸僅為1.35cm3。通過實驗證明，該系統(tǒng)在中距離傳輸范圍內(nèi)即使兩諧振器存在一定水平位移或旋轉(zhuǎn)角度時，Witricity系統(tǒng)仍能很好的工作。此外,根據(jù)硬件實驗系統(tǒng)尺寸建立了較為準確的電磁場頭部及諧振器仿真計算模型，計算了應用Witricity方法對頭部植入器件進行能量傳輸時人體頭部的SAR值分布及電磁場強度，結(jié)果表明，應用Witricity技術(shù)對頭部植入器件進行能量傳輸，人體頭部IOgSAR平均值為9.262 7 X IO6W/kg,電場磁場強度均方根最大值分別為4.64V/m和0.057A/m,均低于國際非電離福射防護委員會(ICNIRP)制定的安全限值標準。
權(quán)利要求1.一種小型磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，包括:高頻正弦信號發(fā)生和功率放大電路、激勵線圈和小尺寸諧振初級線圈、小尺寸諧振次級線圈和能量汲取線圈以及整流濾波充電電路，其中激勵線圈與功率放大電路相連接，能量汲取線圈與負載相連，當諧振初級線圈和諧振次級線圈之間產(chǎn)生強烈的磁耦合諧振時，能在較遠的距離下有效地傳遞能量。
2.如權(quán)利要求1所述的小型磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，小尺寸諧振初級線圈和小尺寸諧振次級線圈的尺寸均為1.35cm3。
3.如權(quán)利要求1或2所述的小型磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，諧振初級線圈和諧振次級線圈采用方形平面螺旋諧振線圈。
4.如權(quán)利要求1至2之一的所述的小型磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，諧振初級線圈和諧振次級線圈采用小尺寸平面螺旋諧振線圈，平面螺旋諧振線圈正反兩面覆銅，使得諧振初級線圈和諧振次級線圈在體積減小的情況下諧振頻率不會變高，能夠與系統(tǒng)諧振頻率匹配。
5.如權(quán)利要求1至2之一的所述的小型磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，諧振初級線圈和諧振次級線圈由三層組成，正面導體層由方形螺旋銅片組成，介質(zhì)層為聚乙烯板，反面導體層由長方形銅片組成，正面導體層形成的電感與正反面導體層重疊部分形成的電容通過串并聯(lián)電路構(gòu)成，進行能量傳遞，使得諧振初級線圈和諧振次級線圈在體積減小的情況下諧振頻率不會變高。
專利摘要磁耦合諧振無線能量傳輸(Witricity)是一種新的無線能量傳輸技術(shù)，利用電磁耦合諧振原理實現(xiàn)中距離的電能無線傳輸，可定向傳輸能量，并且不受中間障礙物的影響，在體內(nèi)植入器件領(lǐng)域具有很好的應用前景。本研究設(shè)計制作了一種適用于植入器件的小尺寸無線能量傳輸系統(tǒng)，采用印制板直接制作一種設(shè)適用于植入器件的小尺寸平面螺旋諧振線圈，該線圈正反兩面覆銅，正面導體層形成的電感與正反面導體層重疊部分形成的電容通過復雜的串并聯(lián)電路構(gòu)成系統(tǒng)所需要的諧振器，進行能量傳遞，諧振器尺寸僅為1.35cm3。通過MIMICS及HFSS軟件分別建立人體頭部三維數(shù)值模型以及體內(nèi)植入線圈模型，應用時域有限差分(FDTD)方法，通過XFDTD軟件計算頭部比吸收率(SAR)及電場磁場強度。結(jié)果表明，應用Witricity技術(shù)對頭部植入器件進行能量傳輸，人體頭部10gSAR平均值為9.2627×10-6W/kg，電場磁場強度均方根最大值分別為4.64V/m和0.057A/m，均低于國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)制定的安全限值標準。
文檔編號H02J17/00GK203056699SQ20122050010
公開日2013年7月10日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者徐桂芝, 趙軍, 李烜 申請人:河北工業(yè)大學