適用于磁共振能量耦合的柔性多接收集成立體mems諧振子的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于磁共振能量耦合的柔性多接收集成立體MEMS諧振子，采用MEMS平面工藝，在柔性聚合物材料襯底上制備多個(gè)諧振線圈，形成了金屬導(dǎo)線以斜線并排順次盤繞的形式構(gòu)成的多個(gè)電感，經(jīng)組裝形成三維立體諧振子；各電感具有完全相同的幾何尺寸與制備工藝，因此諧振頻率一致。由于本發(fā)明具備優(yōu)良的柔性，形狀易于變化的特點(diǎn)，因此可以組裝成任意形狀纏繞在微型醫(yī)療儀器的外殼上，有效的節(jié)約了植入式器件的體積。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的線圈可利用電鍍軟磁磁性材料的方法集成設(shè)計(jì)同軸磁芯，進(jìn)一步提高能量傳輸?shù)男省１景l(fā)明由于采用斜線交叉的結(jié)構(gòu)，在卷曲組裝方向不受力，有效防止電感金屬線斷裂，可靠性更高。
【專利說明】適用于磁共振能量耦合的柔性多接收集成立體MEMS諧振子
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁共振無線能量傳輸及微型醫(yī)學(xué)植入式器件供電領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微型植入式醫(yī)療儀器是目前醫(yī)學(xué)介入式治療的主要手段，但是目前大多數(shù)植入式醫(yī)療儀器都依靠電池供電，需定期手術(shù)更換電池，給病患帶來極大的痛苦。而且電池供電受到泄漏，體積大，集成度低等問題的限制。無線能量傳輸技術(shù)以無需導(dǎo)線連接生物兼容性好等諸多優(yōu)勢(shì)成為最適合植入式醫(yī)療儀器供能的方式。
[0003]近場(chǎng)無線能量傳輸包括電磁感應(yīng)式與磁諧振耦合式。電感耦合式無線能量傳輸其理論依據(jù)是電磁感應(yīng)定律，該技術(shù)傳輸距離較短(lmm-20cm)，傳輸效率受位置參數(shù)影響明顯。磁諧振耦合式無線能量傳輸是利用具有相同諧振頻率的諧振體，在相隔一定距離時(shí)，以磁場(chǎng)或電場(chǎng)為媒介相互耦合，產(chǎn)生共振，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，其特點(diǎn)是不具有明顯的方向性、傳輸功率適中、傳輸距離遠(yuǎn)(幾十厘米到幾十米，數(shù)倍于諧振體的尺寸)、效率高、安全可靠。2007年，Kumar等人提出了基于四線圈的磁諧振無線能量傳輸系統(tǒng)，其效率與傳輸距離均優(yōu)于兩線圈系統(tǒng)。但其設(shè)計(jì)的四線圈系統(tǒng)接收端體積較大，不適合植入式醫(yī)療儀器應(yīng)用。
[0004]MEMS技術(shù)為磁共振能量傳輸帶來了新的契機(jī)，利用MEMS技術(shù)可以集成制備微型高密度立體諧振子，進(jìn)一步減小磁共振能量傳輸系統(tǒng)的體積，提高能量傳輸?shù)男?、系統(tǒng)集成性與生物兼容性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了基于生物兼容性優(yōu)良的柔性聚合物材料設(shè)計(jì)和制備MEMS接收端諧振子的方法，利用MEMS平面工藝集成設(shè)計(jì)多個(gè)諧振子。
[0006]本發(fā)明采用MEMS平面工藝，在片狀的柔性聚合物材料襯底上制備多個(gè)諧振線圈，形成了金屬導(dǎo)線以斜線并排順次盤繞的形式構(gòu)成的多個(gè)電感，組成三維立體諧振子。各電感具有完全相同的幾何尺寸與制備工藝，因此諧振頻率一致，在共振頻率下實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的增強(qiáng)，大幅度提高能量傳輸?shù)男?。電鍍陣列式磁芯集成于電感之間，形成同軸結(jié)構(gòu)，組裝成三維立體諧振子。
[0007]本發(fā)明通過纏繞條帶狀柔性膜的方式將其組裝成三維立體諧振子。
[0008]由于本發(fā)明具備優(yōu)良的柔性，形狀易于變化的特點(diǎn)，因此可以組裝成任意形狀(方形，圓形、三角形)纏繞在微型醫(yī)療儀器的外殼上，有效的節(jié)約了植入式器件的體積。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的線圈可將單股導(dǎo)線拆分成多股的利茲線結(jié)構(gòu)，將多股的導(dǎo)線兩端并聯(lián)，從而形成利茲線結(jié)構(gòu)電感線圈。利茲線結(jié)構(gòu)線圈可降低交流電阻，提高能量傳輸?shù)男省?br> [0009]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的線圈可利用電鍍軟磁磁性材料的方法集成設(shè)計(jì)同軸磁芯，進(jìn)一步提高能量傳輸?shù)男省?br> [0010]綜上，本發(fā)明特點(diǎn)在于:[0011]1、兩個(gè)電感的尺寸和材料完全一致，可以保證在同一個(gè)諧振頻率下諧振。
[0012]2、可以纏繞組裝成任意的形狀包裹于電子設(shè)備的外圍。
[0013]3、采用斜線交叉的結(jié)構(gòu)，在卷曲組裝方向不受力，有效防止電感金屬線斷裂，可靠性更高。[0014]4、提出了聚合物基制備多層柔性電感的平面工藝。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1:平面交疊兩電感示意圖。
[0016]圖2:圖1所示的交疊電感剖面示意圖。
[0017]圖3:具有集成磁芯的兩電感不意圖。
[0018]圖4:圖3所示的具有集成磁芯交疊電感剖面示意圖。
[0019]圖5:兩電感集成同軸磁芯的平面立體圖。
[0020]圖6:由平面結(jié)構(gòu)組裝的立體諧振子三維圖。
[0021]圖7:兩個(gè)電感集成諧振子MEMS平面加工工藝流程圖。
[0022]圖8:具有集成磁芯的兩電感集成諧振子MEMS平面加工工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明設(shè)計(jì)的三維柔性諧振子，利用MEMS平面工藝集成設(shè)計(jì)多個(gè)電感(兩個(gè)或兩個(gè)以上)，它們具有完全相同的幾何尺寸與制備工藝，因此諧振頻率一致，在共振頻率下實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的增強(qiáng)，大幅度提高能量傳輸?shù)男?。本發(fā)明在附圖中所示的是以兩組電感制成的諧振子作為實(shí)施例，而在實(shí)際制作中，根據(jù)需要，本發(fā)明的諧振子可以由多組電感組成。
[0024]現(xiàn)以附圖所示的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明:
[0025]參見圖1至圖6，本發(fā)明是由相互絕緣的兩組金屬導(dǎo)體，以斜線盤繞的形式，并排順次地制備在柔性聚合物材料(如Parylene或PMMA等)上，形成兩電感:電感I和電感2 (圖1、圖2是其示意圖)。所述的每一組金屬導(dǎo)體可以是單股線結(jié)構(gòu)，也可以是多股的兩端并聯(lián)的利茲線結(jié)構(gòu)。圖3、圖4顯示的是內(nèi)部具有磁芯的諧振子結(jié)構(gòu)示意圖:在兩電感之間集成有陣列式電鍍磁芯3，形成同軸結(jié)構(gòu)，組成兩個(gè)電感組成的三維立體諧振子。從圖4剖面圖可見電感I和電感2的上下層金屬和磁芯3的排布關(guān)系:電感I和電感2的金屬層之間、以及與磁芯3之間，由聚合物材料構(gòu)成絕緣。電感I和電感2的上下層金屬通過聚合物材料邊緣處的通孔4連通，構(gòu)成斜線盤繞形式的三維諧振子。圖5為兩電感集成同軸磁芯的平面立體圖，其具有優(yōu)良的柔韌性可以組裝成圖6所示的立體MEMS諧振子，形狀可以是圓形、方形、三角形等。
[0026]下面以兩電感集成平面制備工藝為例，介紹多諧振子集成的器件制備工藝，此工藝步驟可以擴(kuò)展制備2η (η ^ I)個(gè)諧振子集成。
[0027]實(shí)施例一(圖7所示)
[0028]兩電感集成諧振子的制備工藝:
[0029]第一步:備片，以雙拋硅片作為柔性結(jié)構(gòu)的支撐襯底片5 ；
[0030]第二步:在硅片5表面淀積聚合物6 (如Parylene、PMMA等)，厚度為5_200微米；
[0031]第三步:襯底表面濺射后續(xù)電鍍金屬種子層7，金屬為銅、鋁或銀等，厚度為1000-3000 埃；
[0032]第四步:在種子層7上涂厚膠層8，膠層8厚度10-50微米；再對(duì)膠層光刻，形成電鍍厚膠掩膜；
[0033]第五步:在光刻的膠槽內(nèi)電鍍下層金屬9，形成電感1、2的下層線圈，金屬9的厚度約為膠層8厚度的2/3 ；
[0034]第六步:將膠和種子層7 —起去除，淀積聚合物6(厚度為5-200微米XParylene、PMMA等)，形成介質(zhì)層；
[0035]第七步:采用CMP或刻蝕的方法平坦化聚合物；
[0036]第八步:光刻蝕上下層連接的通孔4 ；
[0037]第九步:表面濺射后續(xù)電鍍種子層7 ；
[0038]第十步:涂厚膠層8，在厚膠層8上光刻，形成電鍍的厚膠掩膜；然后再與第四、五步相同，電鍍上層金屬9，形成電感1、2的上層線圈；上下層金屬9的厚度相同；
[0039]第十一步:去膠和種子層7，并淀積聚合物6 ；
[0040]第十二步:去除襯底5，組裝器件，最后將其制成各種形狀的立體MEMS諧振子；形狀可以是圓形、方形、三角形等(如組裝成圖6所示的圓形立體MEMS電感)。
[0041]第九步后 的聚合物6、種子層7、厚膠層8等與上面步驟中的同樣材料厚度相同。
[0042]為了進(jìn)一步優(yōu)化諧振子的性能，本發(fā)明提出一種集成同軸磁芯的多諧振子增強(qiáng)方案，如圖3-5所示，將磁芯通過電鍍集成制備于兩電感中間，進(jìn)一步增強(qiáng)能量傳輸?shù)男?，本方案亦可擴(kuò)展為2η (η ^ I)個(gè)電感集成的諧振子。
[0043]實(shí)施例二(圖8所示)
[0044]帶同軸磁芯的兩電感集成諧振子的制備工藝:
[0045]第一步:備片，以雙拋硅片作為柔性結(jié)構(gòu)的支撐襯底片5 ；
[0046]第二步:在硅片表面淀積聚合物6 (如Parylene、PMMA等)，厚度為5_200微米；
[0047]第三步:襯底表面濺射后續(xù)電鍍金屬種子層7，金屬為銅、鋁或銀等，厚度為1000-3000 埃；
[0048]第四步:在種子層7上涂厚膠層8，厚膠層8厚度10-50微米；然后對(duì)膠層光刻，形成電鍍厚膠掩膜；
[0049]第五步:在光刻的膠槽內(nèi)電鍍下層金屬9，形成電感1、2的下層線圈，金屬9的厚度約為膠層8厚度的2/3 ；
[0050]第六步:將厚膠和種子層7 —起去除；
[0051]第七步:淀積聚合物6 (Parylene、PMMA等),形成介質(zhì)層；
[0052]第八步:采用CMP或刻蝕的方法平坦化聚合物，光刻刻蝕出上下層金屬互聯(lián)的通孔4;
[0053]第九步:表面濺射后續(xù)電鍍種子層7 ;涂厚膠層8，厚度10-50微米，在厚膠層8上光刻，形成電鍍的厚膠掩膜；
[0054]第十步:電鍍上層金屬9，形成電感1、2的上層線圈；上下層金屬9的厚度相同；
[0055]第十一步:去除光刻后的上層厚膠，再涂厚膠10-50微米，光刻厚膠，形成電鍍磁芯材料10的厚膠掩膜8 ；
[0056]第十二步:去除厚膠，在種子層7上重新涂厚膠10-50微米，并光刻形成電鍍磁芯的厚膠掩膜，然后電鍍磁芯10;
[0057]第十三步:去除膠和種子層7 ；
[0058]第十四步:淀積聚合物6，厚度為5-200微米；
[0059]第十五步:去除支撐硅片5，組裝諧振子。
[0060]最后可將其制成各種形狀的立體MEMS諧振子；其形狀可以是圓形、方形、三角形
坐寸ο
【權(quán)利要求】
1.適用于磁共振能量耦合的柔性多接收集成立體MEMS諧振子的制備工藝，其特征在于:采用MEMS平面工藝，在柔性聚合物材料襯底上制備多個(gè)諧振線圈，形成了金屬導(dǎo)線以斜線并排順次盤繞的形式構(gòu)成的多個(gè)電感，組成三維立體諧振子；各電感具有完全相同的幾何尺寸與制備工藝，因此諧振頻率一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS諧振子的制備工藝，其特征在于:陣列式電鍍磁芯集成于電感之間，形成同軸結(jié)構(gòu)，組成三維立體諧振子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS諧振子的制備工藝，其步驟是: 第一步:備片，以雙拋或單拋硅片作為柔性結(jié)構(gòu)的支撐襯底片； 第二步:在硅片表面淀積聚合物； 第三步:襯底表面濺射后續(xù)電鍍金屬種子層； 第四步:在種子層上涂厚膠層；再對(duì)膠層光刻，形成電鍍厚膠掩膜； 第五步:在光刻的膠槽內(nèi)電鍍下層金屬，形成數(shù)個(gè)電感的下層線圈； 第六步:將膠和種子層一起去除，淀積聚合物，形成介質(zhì)層； 第七步:采用CMP或刻蝕的方法平坦化聚合物； 第八步:光刻并刻蝕上下層連接的通孔； 第九步:表面濺射后續(xù)電鍍種子層； 第十步:涂厚膠層，在厚膠層上光刻，形成電鍍的厚膠掩膜；然后再與第四、五步相同，電鍍上層金屬，形成電感的上層線圈； 第十一步:去膠和種子層，并淀積聚合物； 第十二步:去除支撐硅片襯底，組裝器件，最后將其制成各種形狀的立體MEMS諧振子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS諧振子的制備工藝，其特征在于: 第二步中，聚合物為Parylene、PMMA等，厚度為5-200微米； 第三步中，金屬為銅、鋁或銀等，厚度為1000-3000埃； 第四步中，厚膠層厚度為10-50微米； 第五步中，金屬的厚度約為膠層厚度的2/3 ； 第六步中，聚合物為Parylene、PMMA等，厚度為5-200微米； 第十步中，上下層金屬的厚度相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MEMS諧振子的制備工藝，其特征在于: 第一步:備片，以雙拋或單拋硅片作為柔性結(jié)構(gòu)的支撐襯底片； 第二步:在硅片表面淀積聚合物； 第三步:襯底表面濺射后續(xù)電鍍金屬種子層； 第四步:在種子層上涂厚膠層；然后對(duì)膠層光刻，形成電鍍厚膠掩膜； 第五步:在光刻的膠槽內(nèi)電鍍下層金屬，形成數(shù)個(gè)電感的下層線圈； 第六步:將厚膠和種子層一起去除； 第七步:淀積聚合物，形成介質(zhì)層； 第八步:采用CMP或刻蝕的方法平坦化聚合物，光刻刻蝕出上下層金屬互聯(lián)的通孔； 第九步:表面濺射后續(xù)電鍍種子層；涂厚膠層，在厚膠層上光刻，形成電鍍的厚膠掩膜； 第十步:電鍍上層金屬，形成電感的上層線圈；第十一步:去除光刻后的上層厚膠，再涂厚膠，光刻厚膠，形成電鍍磁芯材料的厚膠掩膜； 第十二步:去除厚膠，在種子層上重新涂厚膠，并光刻形成電鍍磁芯的厚膠掩膜，然后電鍍磁芯； 第十三步:去除膠和種子層； 第十四步:淀積聚合物； 第十五步:去除襯底，組裝器件，最后可將其制成各種形狀的立體MEMS諧振子。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的MEMS諧振子的制備工藝，其特征在于: 第二步中，聚合物為Parylene、PMMA等，厚度為5-200微米； 第三步中，金屬為銅、鋁或銀等，厚度為1000-3000埃； 第四步中，厚膠層厚度10-50微米； 第五步中，金屬的厚度約為膠層厚度的2/3 ； 第七步中，聚合物為Parylene、PMMA等； 第九步中，厚膠層厚度10-50微米； 第十步中上下層金屬的厚度相同； 第H^一步中，厚膠厚度為10-50微米； 第十二步中，厚膠厚度為10-50微米； 第十四步中，聚合物厚度為5-200微米。
7.一種適用于磁共振能量耦合的柔性多接收集成立體MEMS諧振子，其特征在于:柔性聚合物材料襯底上制備有多個(gè)諧振線圈，形成了金屬導(dǎo)線以斜線并排順次盤繞的形式構(gòu)成的多個(gè)電感；各電感具有完全相同的幾何尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的立體MEMS諧振子，其特征在于:在兩電感之間集成陣列式電鍍磁芯，形成同軸結(jié)構(gòu)，組成三維立體諧振子。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的MEMS諧振子的制備工藝，其特征在于:立體MEMS諧振子形狀可以是圓形、方形、三角形等。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的立體MEMS諧振子，其特征在于:所述電感的每一組金屬導(dǎo)體可以是單股線結(jié)構(gòu)，也可以是多股的兩端并聯(lián)的利茲線結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H02J17/00GK103516060SQ201310450544
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】李修函, 李旸, 張漢儒, 郭偉, 彭飛, 楊天陽, 朱王強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)