專利名稱：：植入式集成磁耦合諧振無線能量傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于無線電能傳輸領(lǐng)域，具體涉及磁耦合諧振無線電能傳輸方法，用于接收線圈為集成電路實現(xiàn)的植入式醫(yī)療電子器件。
背景技術(shù)：
：植入式醫(yī)療電子器件(ImplantableMedicalDevice,IMD)已在心臟起搏器、人工耳蝸、人工視網(wǎng)膜、神經(jīng)電刺激器、膠囊內(nèi)窺鏡等方面進行應(yīng)用和實驗研究，在疾病治療、健康監(jiān)測、提高對人體自身和生物體認(rèn)識等方面的作用越來越重要。傳統(tǒng)的MD供電采用經(jīng)皮有線供電或電池供電，但是經(jīng)皮有線供電給病人帶來痛苦和感染風(fēng)險，而電池供電存在壽命短、體積大、易泄露等缺點。采用無線電能傳輸?shù)姆绞街苯踊蜷g接(給電池或超級電容充電)地給植入式器件供電，是一種切實可行且具有較好前景的方法。在某些植入式應(yīng)用中，對MD尺寸有非?？量痰囊?，如人工耳蝸需要在耳內(nèi)3-6mm的空間內(nèi)，人工視網(wǎng)膜需要在5mm的切口內(nèi)，腦機接口需要在腦膜上l_3mm的空間內(nèi)植入等。以前植入體內(nèi)的線圈大都使用復(fù)雜精細(xì)的繞制技術(shù)，體積太大難以滿足空間要求。體內(nèi)接收線圈接收到的是交流電，經(jīng)整流成直流電壓才能給Hffi中的其他功能模塊供電。隨著集成電路的發(fā)展，整流電路和其他功能模塊電路已經(jīng)可以用集成電路工藝實現(xiàn)集成在單一芯片上，相比分立元件實現(xiàn)，占用極小的空間。因此，當(dāng)前限制體內(nèi)MD器件尺寸進一步縮小的障礙之一便是接收能量用的線圈。若能將線圈與其他電路集成在同一硅襯底上，成為全集成片上系統(tǒng)，則可進一步減小尺寸和成本、提高可靠性。根據(jù)傳輸距離和傳輸信號波長之間的比值大小，無線電能傳輸可分為遠(yuǎn)場和近場傳輸。遠(yuǎn)場傳輸通過電磁波的方式來傳遞能量，傳輸距離遠(yuǎn)，但效率較低，且頻率高輻射強，不適合在植入式器件中使用。目前使用較多的是電感耦合方式的近場傳輸，體內(nèi)外的兩個線圈通過磁場耦合傳遞能量。為提高效率，兩個線圈通常工作于諧振模式，此時的效率n可表示為，其中％和Qs分別為體外和體內(nèi)線圈所在環(huán)路的品質(zhì)因數(shù)，左為兩個線圈之間耦合系數(shù)。若接收線圈采用集成電路實現(xiàn)，則接收線圈的Q值很低，而且耦合系數(shù)也較低，導(dǎo)致系統(tǒng)的傳輸效率較低，多余的能量消耗在人體組織和周圍環(huán)境中，對人體造成傷害。2007年，麻省理工學(xué)院的研究人員在Science上發(fā)表了一種適合中距離的近場高效電能傳輸方式——磁耦合諧振無線電能傳輸。這里的“中距離”是指線圈間距離接近于線圈尺寸或幾倍于線圈尺寸的距離。在接收線圈為集成電路實現(xiàn)時，接收線圈的尺寸較小，體內(nèi)外線圈之間的距離可認(rèn)為是“中距離”，因此適合采用磁耦合諧振方式來提高傳輸效率。國內(nèi)外對磁耦合諧振方式進行了研究，但大都針對較大尺寸、較大功率應(yīng)用。在針對植入式應(yīng)用中的磁耦合諧振無線電能傳輸方式，并未對接收線圈為集成電路實現(xiàn)的情況進行分析和實現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容為了解決植入式醫(yī)療電子器件無線電能傳輸中接收線圈尺寸限制和能量傳輸效率不高問題，本發(fā)明提供一種采用集成電路實現(xiàn)接收線圈的磁耦合諧振無線電能傳輸?shù)姆椒ǎ坏軌驅(qū)崿F(xiàn)更小線圈尺寸，而且能夠達(dá)到較高能量傳輸效率。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:基于磁耦合諧振原理，采用四個線圈進行能量傳輸，其中兩個線圈置于體外，兩個線圈置于體內(nèi)。體外的兩個線圈采用印制電路板(PrintedCircuitBoard，PCB)實現(xiàn)，分別稱為能量激勵線圈和能量發(fā)射線圈。其中能量發(fā)射線圈接驅(qū)動電壓源，驅(qū)動電壓源可以是一個交流電壓源，也可以是一個E類放大器。體內(nèi)的兩個線圈采用集成電路實現(xiàn)，分別稱為能量接收線圈和能量恢復(fù)線圈。其中能量恢復(fù)線圈與體內(nèi)用集成電路實現(xiàn)的整流電路及其他功能電路集成在單一芯片上。四個線圈回路上都各自串聯(lián)一個電容，使得四個線圈的諧振頻率相同。所述的置于體外的兩個線圈可以分別印制在兩個PCB板上，也可以印制在一個PCB板的不同層上，或在一個PCB板的同一層上印制。為提高兩個線圈之間的耦合系數(shù)，兩個線圈應(yīng)盡量并排。所述的置于體內(nèi)的兩個線圈，可以用集成電路工藝分別設(shè)計在不同的金屬層上，也可以在設(shè)計在同一金屬層上。為提高兩個線圈之間的耦合系數(shù)，兩個線圈應(yīng)盡量并排。所述的置于體外的兩個線圈回路所接電容可用分立元件實現(xiàn)，置于體內(nèi)的兩個線圈回路所接電容可用小尺寸分立元件實現(xiàn)，也可用集成電路實現(xiàn)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點:(I)體內(nèi)的兩個線圈采用集成電路實現(xiàn)，可以與整流電路和其他功能電路集成在單芯片上，具有更小的空間，適合在空間要求苛刻的植入式醫(yī)療電子器件中應(yīng)用。(2)采用磁耦合諧振無線電能傳輸方式，相比于傳統(tǒng)的電感耦合方式具有更高的傳輸效率，在相同的接收功率時，被人體組織和環(huán)境吸收的功率更小，減小了對人體的輻射損害。(3)體外的兩個線圈采用PCB電路板實現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的繞制線圈，更適合標(biāo)準(zhǔn)化和批量化應(yīng)用。圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖。圖中:1.置于體外的能量發(fā)射裝置，2.植入式醫(yī)療電子器件中集成在同一芯片上的能量接收、整流及其他功能電路裝置，1-1.驅(qū)動電壓源，1-2.能量激勵線圈所接電容，1-3.能量激勵線圈，1-4.能量發(fā)射線圈，1-5.能量發(fā)射線圈所接電容，2-1.能量接收線圈所接電容，2-2.能量接收線圈，2-3.能量恢復(fù)線圈，2-4.能量恢復(fù)線圈所接電容，2-5.整流及其他功能電路。具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖1所示，本發(fā)明包括能量發(fā)射裝置I和能量接收裝置2。所述能量發(fā)射裝置I包括，能量產(chǎn)生電路即驅(qū)動電壓源1-1，能量激勵線圈1-3及其所接電容1-2，能量發(fā)射線圈1-4及其所接電容1-5。所述能量產(chǎn)生電路1-1采用常規(guī)E類放大器實現(xiàn)，具有較低的輸出阻抗，對能量激勵線圈回路的品質(zhì)因素影響較小。所述能量激勵線圈1-3與能量發(fā)射線圈1-4分別印制在同一PCB板的兩面，形狀完全相同且平行，PCB板的厚度在制作時盡量薄，這樣兩個線圈之間的耦合系數(shù)較大。所述能量接收裝置2包括能量接收線圈2-2及其所接電容2-1，能量恢復(fù)線圈2-3及其所接電容2-4，整流及其他功能電路2-5，都集成在同一芯片上，采用CMOS工藝實現(xiàn)。所述能量接收線圈2-2用最上層金屬實現(xiàn)，能量恢復(fù)線圈2-3用下面的另外幾層金屬實現(xiàn)，并將下面幾層金屬并聯(lián)，以提高品質(zhì)因數(shù)。能量接收線圈2-2和能量恢復(fù)線圈2-3形狀完全相同且平行，這樣兩個線圈之間的耦合系數(shù)較大。能量接收裝置2由于采用集成電路集成在同一芯片上，相比采用繞制方式實現(xiàn)能量接收線圈2-2和能量恢復(fù)線圈2-3時，具有更小的體積，適合在空間要求苛刻的植入式醫(yī)療電子器件中應(yīng)用。所述能量激勵線圈1-3、能量發(fā)射線圈1-4、能量接收線圈2-2、能量恢復(fù)線圈2-3，與其接電容形成的諧振頻率/相同，能量產(chǎn)生電路產(chǎn)生的信號頻率也為八這里將諧振頻率設(shè)計為ISM(Industrial,ScientificandMedical)頻段中的13.56MHz。一方面美國聯(lián)邦通訊委員會、IEEE關(guān)于電磁輻射對人體影響的標(biāo)準(zhǔn)，以及國際非電離輻射防護委員會等都指出，隨著頻率增加人體對電磁場的吸收將增加，人體組織對20MHz頻率以下的能量吸收率較小，植入式器件一般工作在20MHz以下較為安全；另一方面，能量恢復(fù)線圈后接的整流電路在過高的頻率下工作效率較低。采用PCB實現(xiàn)的能量激勵線圈1-3和能量發(fā)射線圈1-4，它們所在回路的品質(zhì)因數(shù)可以達(dá)到100。采用集成電路實現(xiàn)的能量接收線圈2-2和能量恢復(fù)線圈2-3，它們所在回路的品質(zhì)因數(shù)較低。能量接收線圈2-2所在回路的品質(zhì)因素能達(dá)到2，能量恢復(fù)線圈2-3所在回路的品質(zhì)因素隨所接負(fù)載(即整流電路等)變化，能達(dá)到0.1-1。能量激勵線圈1-3和能量發(fā)射線圈1-4之間的耦合系數(shù)，以及能量接收線圈2-2和能量恢復(fù)線圈2-3之間的耦合系數(shù)較高可達(dá)到0.7。而置于體外的兩個線圈與置于體內(nèi)的兩個線圈之間由于距離較遠(yuǎn)且尺寸相差較大，僅能達(dá)到0.05左右。傳統(tǒng)的電感耦合方式相當(dāng)于在圖1的基礎(chǔ)上去掉能量發(fā)射線圈1-4和能量接收線圈2-2?？梢詫⒈景l(fā)明與傳統(tǒng)的電感耦合方式進行傳輸效率的比較。系統(tǒng)的參數(shù)如下:能量激勵線圈1-3和能量發(fā)射線圈1-4所在回路的品質(zhì)因素為100，能量接收線圈2-2所在回路的品質(zhì)因素為2，能量恢復(fù)線圈2-3所在回路的品質(zhì)因素為0.1，能量激勵線圈1-3和能量發(fā)射線圈1-4的耦合系數(shù)為0.7，能量接收線圈2-2和能量恢復(fù)線圈2-3之間的耦合系數(shù)為0.7，線圈之間的其他耦合系數(shù)都為0.05。此時，采用本發(fā)明進行無線電能傳輸達(dá)到的效率約為4%，而采用傳統(tǒng)電感耦合方式達(dá)到效率僅約為0.02%。若上述參數(shù)中能量恢復(fù)線圈2-3所在回路的品質(zhì)因素改為1，此時，采用本發(fā)明進行無線電能傳輸達(dá)到的效率約為13%，而采用傳統(tǒng)電感耦合方式達(dá)到效率僅約為0.2%。權(quán)利要求1.植入式集成磁耦合諧振無線能量傳輸方法，其特征在于:該方法基于磁耦合諧振原理，采用四個線圈進行能量傳輸，其中兩個線圈置于體外，兩個線圈置于體內(nèi)；體外的兩個線圈采用印制電路板實現(xiàn)，分別稱為能量激勵線圈和能量發(fā)射線圈，其中能量發(fā)射線圈接驅(qū)動電壓源；體內(nèi)的兩個線圈采用集成電路實現(xiàn)，分別稱為能量接收線圈和能量恢復(fù)線圈，其中能量恢復(fù)線圈與體內(nèi)用集成電路實現(xiàn)的整流電路及其他功能電路集成在單一芯片上；四個線圈回路上都各自串聯(lián)一個電容，使得四個線圈的諧振頻率相同。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式集成磁耦合諧振無線能量傳輸方法，其特征在于:所述的驅(qū)動電壓源為交流電壓源或E類放大器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式集成磁耦合諧振無線能量傳輸方法，其特征在于:所述的置于體外的兩個線圈分別印制在兩個印制電路板上，或印制在一個印制電路板的不同層上，或印制在一個印制電路板的同一層上。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的植入式集成磁耦合諧振無線能量傳輸方法，其特征在于:所述的置于體外的兩個線圈并排設(shè)置。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式集成磁耦合諧振無線能量傳輸方法，其特征在于:所述的置于體內(nèi)的兩個線圈用集成電路工藝分別設(shè)計在不同的金屬層上，或設(shè)計在同一金屬層上。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的植入式集成磁耦合諧振無線能量傳輸方法，其特征在于:所述的置于體內(nèi)的兩個線圈并排設(shè)置。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式集成磁耦合諧振無線能量傳輸方法，其特征在于:所述的置于體外的兩個線圈回路所接電容用分立元件實現(xiàn)，置于體內(nèi)的兩個線圈回路所接電容用小尺寸分立元件實現(xiàn)，或用集成電路實現(xiàn)。全文摘要本發(fā)明公開了一種植入式集成磁耦合諧振無線能量傳輸方法。本發(fā)明采用四個線圈進行能量傳輸，其中兩個線圈置于體外，兩個線圈置于體內(nèi)；體外的兩個線圈采用印制電路板實現(xiàn)，分別稱為能量激勵線圈和能量發(fā)射線圈，其中能量發(fā)射線圈接驅(qū)動電壓源；體內(nèi)的兩個線圈采用集成電路實現(xiàn)，分別稱為能量接收線圈和能量恢復(fù)線圈，其中能量恢復(fù)線圈與體內(nèi)用集成電路實現(xiàn)的整流電路及其他功能電路集成在單一芯片上；四個線圈回路上都各自串聯(lián)一個電容，使得四個線圈的諧振頻率相同。本發(fā)明體內(nèi)的兩個線圈采用集成電路實現(xiàn)，可以與整流電路和其他功能電路集成在單芯片上，具有更小的空間，適合在空間要求苛刻的植入式醫(yī)療電子器件中應(yīng)用。文檔編號H02J17/00GK103107606SQ20131005839公開日2013年5月15日申請日期2013年2月25日優(yōu)先權(quán)日2013年2月25日發(fā)明者程瑜華,舒亞明,徐美君申請人:杭州電子科技大學(xué)