專(zhuān)利名稱(chēng)：：植入式集成磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)能量傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)電能傳輸領(lǐng)域，具體涉及磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸方法，用于接收線(xiàn)圈為集成電路實(shí)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(jìn)行應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)研究，在疾病治療、健康監(jiān)測(cè)、提高對(duì)人體自身和生物體認(rèn)識(shí)等方面的作用越來(lái)越重要。傳統(tǒng)的MD供電采用經(jīng)皮有線(xiàn)供電或電池供電，但是經(jīng)皮有線(xiàn)供電給病人帶來(lái)痛苦和感染風(fēng)險(xiǎn)，而電池供電存在壽命短、體積大、易泄露等缺點(diǎn)。采用無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)姆绞街苯踊蜷g接(給電池或超級(jí)電容充電)地給植入式器件供電，是一種切實(shí)可行且具有較好前景的方法。在某些植入式應(yīng)用中，對(duì)MD尺寸有非常苛刻的要求，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(jī)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(xiàn)圈大都使用復(fù)雜精細(xì)的繞制技術(shù)，體積太大難以滿(mǎn)足空間要求。體內(nèi)接收線(xiàn)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(shí)現(xiàn)集成在單一芯片上，相比分立元件實(shí)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(jìn)一步縮小的障礙之一便是接收能量用的線(xiàn)圈。若能將線(xiàn)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(jìn)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(hào)波長(zhǎng)之間的比值大小，無(wú)線(xiàn)電能傳輸可分為遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)傳輸。遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸通過(guò)電磁波的方式來(lái)傳遞能量，傳輸距離遠(yuǎn)，但效率較低，且頻率高輻射強(qiáng)，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(chǎng)傳輸，體內(nèi)外的兩個(gè)線(xiàn)圈通過(guò)磁場(chǎng)耦合傳遞能量。為提高效率，兩個(gè)線(xiàn)圈通常工作于諧振模式，此時(shí)的效率n可表示為，其中％和Qs分別為體外和體內(nèi)線(xiàn)圈所在環(huán)路的品質(zhì)因數(shù)，左為兩個(gè)線(xiàn)圈之間耦合系數(shù)。若接收線(xiàn)圈采用集成電路實(shí)現(xiàn)，則接收線(xiàn)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?chē)h(huán)境中，對(duì)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(chǎng)高效電能傳輸方式——磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸。這里的“中距離”是指線(xiàn)圈間距離接近于線(xiàn)圈尺寸或幾倍于線(xiàn)圈尺寸的距離。在接收線(xiàn)圈為集成電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，接收線(xiàn)圈的尺寸較小，體內(nèi)外線(xiàn)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(lái)提高傳輸效率。國(guó)內(nèi)外對(duì)磁耦合諧振方式進(jìn)行了研究，但大都針對(duì)較大尺寸、較大功率應(yīng)用。在針對(duì)植入式應(yīng)用中的磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式，并未對(duì)接收線(xiàn)圈為集成電路實(shí)現(xiàn)的情況進(jìn)行分析和實(shí)現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容為了解決植入式醫(yī)療電子器件無(wú)線(xiàn)電能傳輸中接收線(xiàn)圈尺寸限制和能量傳輸效率不高問(wèn)題，本發(fā)明提供一種采用集成電路實(shí)現(xiàn)接收線(xiàn)圈的磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)姆椒ǎ坏軌驅(qū)崿F(xiàn)更小線(xiàn)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(gè)線(xiàn)圈進(jìn)行能量傳輸，其中兩個(gè)線(xiàn)圈置于體外，兩個(gè)線(xiàn)圈置于體內(nèi)。體外的兩個(gè)線(xiàn)圈采用印制電路板(PrintedCircuitBoard，PCB)實(shí)現(xiàn)，分別稱(chēng)為能量激勵(lì)線(xiàn)圈和能量發(fā)射線(xiàn)圈。其中能量發(fā)射線(xiàn)圈接驅(qū)動(dòng)電壓源，驅(qū)動(dòng)電壓源可以是一個(gè)交流電壓源，也可以是一個(gè)E類(lèi)放大器。體內(nèi)的兩個(gè)線(xiàn)圈采用集成電路實(shí)現(xiàn)，分別稱(chēng)為能量接收線(xiàn)圈和能量恢復(fù)線(xiàn)圈。其中能量恢復(fù)線(xiàn)圈與體內(nèi)用集成電路實(shí)現(xiàn)的整流電路及其他功能電路集成在單一芯片上。四個(gè)線(xiàn)圈回路上都各自串聯(lián)一個(gè)電容，使得四個(gè)線(xiàn)圈的諧振頻率相同。所述的置于體外的兩個(gè)線(xiàn)圈可以分別印制在兩個(gè)PCB板上，也可以印制在一個(gè)PCB板的不同層上，或在一個(gè)PCB板的同一層上印制。為提高兩個(gè)線(xiàn)圈之間的耦合系數(shù)，兩個(gè)線(xiàn)圈應(yīng)盡量并排。所述的置于體內(nèi)的兩個(gè)線(xiàn)圈，可以用集成電路工藝分別設(shè)計(jì)在不同的金屬層上，也可以在設(shè)計(jì)在同一金屬層上。為提高兩個(gè)線(xiàn)圈之間的耦合系數(shù)，兩個(gè)線(xiàn)圈應(yīng)盡量并排。所述的置于體外的兩個(gè)線(xiàn)圈回路所接電容可用分立元件實(shí)現(xiàn)，置于體內(nèi)的兩個(gè)線(xiàn)圈回路所接電容可用小尺寸分立元件實(shí)現(xiàn)，也可用集成電路實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):(I)體內(nèi)的兩個(gè)線(xiàn)圈采用集成電路實(shí)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(wú)線(xiàn)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(shí)，被人體組織和環(huán)境吸收的功率更小，減小了對(duì)人體的輻射損害。(3)體外的兩個(gè)線(xiàn)圈采用PCB電路板實(shí)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的繞制線(xiàn)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(dòng)電壓源，1-2.能量激勵(lì)線(xiàn)圈所接電容，1-3.能量激勵(lì)線(xiàn)圈，1-4.能量發(fā)射線(xiàn)圈，1-5.能量發(fā)射線(xiàn)圈所接電容，2-1.能量接收線(xiàn)圈所接電容，2-2.能量接收線(xiàn)圈，2-3.能量恢復(fù)線(xiàn)圈，2-4.能量恢復(fù)線(xiàn)圈所接電容，2-5.整流及其他功能電路。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)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(dòng)電壓源1-1，能量激勵(lì)線(xiàn)圈1-3及其所接電容1-2，能量發(fā)射線(xiàn)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(lèi)放大器實(shí)現(xiàn)，具有較低的輸出阻抗，對(duì)能量激勵(lì)線(xiàn)圈回路的品質(zhì)因素影響較小。所述能量激勵(lì)線(xiàn)圈1-3與能量發(fā)射線(xiàn)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(shí)盡量薄，這樣兩個(gè)線(xiàn)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(xiàn)圈2-2及其所接電容2-1，能量恢復(fù)線(xiàn)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(shí)現(xiàn)。所述能量接收線(xiàn)圈2-2用最上層金屬實(shí)現(xiàn)，能量恢復(fù)線(xiàn)圈2-3用下面的另外幾層金屬實(shí)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(xiàn)圈2-2和能量恢復(fù)線(xiàn)圈2-3形狀完全相同且平行，這樣兩個(gè)線(xiàn)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(shí)現(xiàn)能量接收線(xiàn)圈2-2和能量恢復(fù)線(xiàn)圈2-3時(shí)，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(lì)線(xiàn)圈1-3、能量發(fā)射線(xiàn)圈1-4、能量接收線(xiàn)圈2-2、能量恢復(fù)線(xiàn)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(hào)頻率也為八這里將諧振頻率設(shè)計(jì)為ISM(Industrial,ScientificandMedical)頻段中的13.56MHz。一方面美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)、IEEE關(guān)于電磁輻射對(duì)人體影響的標(biāo)準(zhǔn)，以及國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)等都指出，隨著頻率增加人體對(duì)電磁場(chǎng)的吸收將增加，人體組織對(duì)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(xiàn)圈后接的整流電路在過(guò)高的頻率下工作效率較低。采用PCB實(shí)現(xiàn)的能量激勵(lì)線(xiàn)圈1-3和能量發(fā)射線(xiàn)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(shí)現(xiàn)的能量接收線(xiàn)圈2-2和能量恢復(fù)線(xiàn)圈2-3，它們所在回路的品質(zhì)因數(shù)較低。能量接收線(xiàn)圈2-2所在回路的品質(zhì)因素能達(dá)到2，能量恢復(fù)線(xiàn)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(lì)線(xiàn)圈1-3和能量發(fā)射線(xiàn)圈1-4之間的耦合系數(shù)，以及能量接收線(xiàn)圈2-2和能量恢復(fù)線(xiàn)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(gè)線(xiàn)圈與置于體內(nèi)的兩個(gè)線(xiàn)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(xiàn)圈1-4和能量接收線(xiàn)圈2-2。可以將本發(fā)明與傳統(tǒng)的電感耦合方式進(jìn)行傳輸效率的比較。系統(tǒng)的參數(shù)如下:能量激勵(lì)線(xiàn)圈1-3和能量發(fā)射線(xiàn)圈1-4所在回路的品質(zhì)因素為100，能量接收線(xiàn)圈2-2所在回路的品質(zhì)因素為2，能量恢復(fù)線(xiàn)圈2-3所在回路的品質(zhì)因素為0.1，能量激勵(lì)線(xiàn)圈1-3和能量發(fā)射線(xiàn)圈1-4的耦合系數(shù)為0.7，能量接收線(xiàn)圈2-2和能量恢復(fù)線(xiàn)圈2-3之間的耦合系數(shù)為0.7，線(xiàn)圈之間的其他耦合系數(shù)都為0.05。此時(shí)，采用本發(fā)明進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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(xiàn)圈2-3所在回路的品質(zhì)因素改為1，此時(shí)，采用本發(fā)明進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(gè)線(xiàn)圈進(jìn)行能量傳輸，其中兩個(gè)線(xiàn)圈置于體外，兩個(gè)線(xiàn)圈置于體內(nèi)；體外的兩個(gè)線(xiàn)圈采用印制電路板實(shí)現(xiàn)，分別稱(chēng)為能量激勵(lì)線(xiàn)圈和能量發(fā)射線(xiàn)圈，其中能量發(fā)射線(xiàn)圈接驅(qū)動(dòng)電壓源；體內(nèi)的兩個(gè)線(xiàn)圈采用集成電路實(shí)現(xiàn)，分別稱(chēng)為能量接收線(xiàn)圈和能量恢復(fù)線(xiàn)圈，其中能量恢復(fù)線(xiàn)圈與體內(nèi)用集成電路實(shí)現(xiàn)的整流電路及其他功能電路集成在單一芯片上；四個(gè)線(xiàn)圈回路上都各自串聯(lián)一個(gè)電容，使得四個(gè)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)能量傳輸方法，其特征在于:所述的驅(qū)動(dòng)電壓源為交流電壓源或E類(lèi)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(wú)線(xiàn)能量傳輸方法，其特征在于:所述的置于體外的兩個(gè)線(xiàn)圈分別印制在兩個(gè)印制電路板上，或印制在一個(gè)印制電路板的不同層上，或印制在一個(gè)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(wú)線(xiàn)能量傳輸方法，其特征在于:所述的置于體外的兩個(gè)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)能量傳輸方法，其特征在于:所述的置于體內(nèi)的兩個(gè)線(xiàn)圈用集成電路工藝分別設(shè)計(jì)在不同的金屬層上，或設(shè)計(jì)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(wú)線(xiàn)能量傳輸方法，其特征在于:所述的置于體內(nèi)的兩個(gè)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)能量傳輸方法，其特征在于:所述的置于體外的兩個(gè)線(xiàn)圈回路所接電容用分立元件實(shí)現(xiàn)，置于體內(nèi)的兩個(gè)線(xiàn)圈回路所接電容用小尺寸分立元件實(shí)現(xiàn)，或用集成電路實(shí)現(xiàn)。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種植入式集成磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)能量傳輸方法。本發(fā)明采用四個(gè)線(xiàn)圈進(jìn)行能量傳輸，其中兩個(gè)線(xiàn)圈置于體外，兩個(gè)線(xiàn)圈置于體內(nèi)；體外的兩個(gè)線(xiàn)圈采用印制電路板實(shí)現(xiàn)，分別稱(chēng)為能量激勵(lì)線(xiàn)圈和能量發(fā)射線(xiàn)圈，其中能量發(fā)射線(xiàn)圈接驅(qū)動(dòng)電壓源；體內(nèi)的兩個(gè)線(xiàn)圈采用集成電路實(shí)現(xiàn)，分別稱(chēng)為能量接收線(xiàn)圈和能量恢復(fù)線(xiàn)圈，其中能量恢復(fù)線(xiàn)圈與體內(nèi)用集成電路實(shí)現(xiàn)的整流電路及其他功能電路集成在單一芯片上；四個(gè)線(xiàn)圈回路上都各自串聯(lián)一個(gè)電容，使得四個(gè)線(xiàn)圈的諧振頻率相同。本發(fā)明體內(nèi)的兩個(gè)線(xiàn)圈采用集成電路實(shí)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(hào)H02J17/00GK103107606SQ20131005839公開(kāi)日2013年5月15日申請(qǐng)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(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)