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
技術領域：
：本發(fā)明涉及的是一種生物醫(yī)學
技術領域：
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：
：可植入微機電系統(tǒng)(ImplantableMEMSImplantableMicro-Electro-MechanicalSystems)是指埋置在生物體或人體內進行生物醫(yī)學診斷和治療的微機電系統(tǒng)，是MEMS技術和生物醫(yī)學工程相結合的產(chǎn)物，也是體內醫(yī)療器件向微型化、智能化、低能耗發(fā)展的重要方向。主要用來測量生命體內的生理和生化參數(shù)的長期變化，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，實現(xiàn)在生命體自然狀態(tài)下的高精度直接測量和調控。如可植入的血壓傳感器、人工耳蝸和心臟起搏器等。由于可植入微機電系統(tǒng)具有微小、智能、能耗低等突出特點，已成為生物醫(yī)學工程中的一個重要的研究領域。通常植入體內的生物醫(yī)學系統(tǒng)主要包括傳感器、執(zhí)行器單元、能量單元、信號處理和通訊單元。植入體內的器件要求低能耗，主要是由于體內供能的限制。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鍵。對于一個植入的系統(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是其使用壽命的限制，電能耗盡后必須通過外科手術進行更換。研制一種安全、體積小、壽命長、甚至無需更換的能源是目前體內供能的研究熱點。通過超聲向體內供能是有效解決方案之一。超聲傳輸可避免電磁對生物微器件的干擾，而且聲能在體內傳輸衰減少，可實現(xiàn)體內深部醫(yī)療電子器件供能。經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Po-JenShih,Wen-Pinffeng,Wen-PinShih等在((20thIEEEInternationalconferenceonMicroElectroMechanicalSystems))Kobe,Japan,(《IEEE第20屆微機電系統(tǒng)國際會議》)(2007)21-25中發(fā)表了Acousticpolarizationforoptimizedimplantablepowertransmission(聲場偏振用于優(yōu)化植入供能傳輸)。該技術利用超聲波向體內供電，體外為超聲發(fā)射裝置，帶有聲能吸收天線的壓電陶瓷復合結構封裝在具有良好生物相容性的軟封裝內。當對皮下組織施加超聲時，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，將機械波轉化為電能。該裝置的能量傳輸效率目前很低僅為0.01%。該技術存在的主要問題是該技術是采用傳統(tǒng)的機械加工方法制備的，器件體積較大，對體內的干擾和影響較大；該技術主要靠軟封裝吸收超聲能，并通過天線轉化為壓電陶瓷的振動，利用壓電效應轉化為電能，由于借助軟封裝吸收超聲能量轉化為電能，其能量轉化效率低；由于采用吸收超聲能量的方式，其體內超聲聲能接收部分的方向與超聲發(fā)射的方向關系很大，只有體內超聲聲能接收部分直接面向超聲發(fā)射的方向時，能量傳遞效果最佳，這對植入體在體內的位置要求很高，也讓手術提高了難度。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，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技術研制微型可植入的微能源裝置，體積小，對體內的干擾和影響小，采用壓電振子采集能量，使發(fā)射到體內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，能量轉換效果也隨之提高，而且采用共振方式，對植入體的方位要求較低。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(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能單元，其中超聲發(fā)射單元設置于體外，超聲聲能接收單元和儲能單元設置于體內，儲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，其中超聲振子設置于體外，體外電路驅動超聲振子發(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，壓電振子設于振子封裝的內部。所述的壓電振子是若干個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。所述的壓電振子設于振子封裝的金屬殼內部，金屬殼外部包覆設有聚合物薄膜。所述的壓電振子設于振子封裝的多孔聚合物的空腔內。所述的聚合物薄膜具有生物相容性和密封性。所述的儲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)射單元設置于體外的皮膚表面，并向體內組織發(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，壓電振子產(chǎn)生共振，通過壓電效應，將機械振動能轉化為交流的電能，儲能單元將交流的電能轉化為直流電，給體內器械供電。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)點本發(fā)明體積小，對體內的干擾和影響小，采用共振方式采集發(fā)射到體內的超聲，能量轉換效果高，而且對植入體的方位要求不高，超聲傳輸可避免電磁對生物微器件的干擾，而且聲能在體內傳輸安全。圖1是本發(fā)明的結構示意圖；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。具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例包括超聲發(fā)射單元1、超聲聲能接收單元2和儲能單元3，其中超聲發(fā)射單元1設置于體外，超聲聲能接收單元2和儲能單元3設置于體內，儲能單元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，其中超聲振子設置于體外，體外電路驅動超聲振子發(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，本實施例選用朗之萬振子，在體外向體內組織內發(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設于振子封裝5的內部。所述的壓電振子4是若干個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，引線和儲能單元3相連。本實施例中，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。本實施例的振子封裝5采用金屬殼氣密封裝，本實施例選用鈦殼氣密封裝。將壓電振子4設于振子封裝5的鈦殼內部，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，并通過壓電效應將振動能轉化為電能，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化為直流電，并將多個整流后的壓電懸臂梁6電壓輸出串聯(lián)以提高輸出電壓，給電容器進行充電，并通過電容器給鋰充電電池充電。實施例2本實施例的超聲振子選用菲涅耳波帶電極的壓電超聲振子，在體外向體內組織內發(fā)射60KHz頻率的超聲。本實施例的振子封裝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，其內有設有空腔，壓電振子4設置在振子封裝5的多孔聚合物的空腔內。本實施例的其他實施方式和實施例1相同。本實施例的壓電振子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，并通過壓電效應將振動能轉化為電能，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，體內的組織液可滲入空腔，形成一個體液構成的腔體。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實際上工作在液體環(huán)境中。權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能單元，其中超聲發(fā)射單元設置于體外，超聲聲能接收單元和儲能單元設置于體內，儲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，其中超聲振子設置于體外，體外電路驅動超聲振子發(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，壓電振子設于振子封裝的內部；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相互平行排列且尺寸相同的壓電懸臂梁。4.根據(jù)權利要求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置聚合物薄膜。5.根據(jù)權利要求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，引線和儲能單元相連。7.根據(jù)權利要求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，所述的壓電振子設于振子封裝的金屬殼內部，金屬殼外部包覆設有聚合物薄膜。8.根據(jù)權利要求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，所述的壓電振子設于振子封裝的多孔聚合物的空腔內。9.根據(jù)權利要求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
技術領域：
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能單元，其中超聲發(fā)射單元設置于體外，超聲聲能接收單元和儲能單元設置于體內，儲能單元和超聲聲能接收單元相連。本發(fā)明體積小，對體內的干擾和影響小，采用共振方式采集發(fā)射到體內的超聲，能量轉換效果高，而且對植入體的方位要求不高，超聲傳輸可避免電磁對生物微器件的干擾，而且聲能在體內傳輸安全。文檔編號A61F2/02GK101800486SQ20101011403公開日2010年8月11日申請日期2010年2月25日優(yōu)先權日2010年2月25日發(fā)明者何丹農(nóng),劉景全,唐剛,李以貴,楊春生申請人:上海交通大學