基于體內(nèi)mems微振動(dòng)能源收集的心臟起搏器能源系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于體內(nèi)MEMS(Micro Electro Me chan i ca I Sy s t em，微機(jī)電系統(tǒng))微振動(dòng)能源收集的心臟起搏器能源系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]相關(guān)技術(shù)中，植入式心臟起搏器大多采用一次性鋰電池作為主要能源，一旦電池 能量耗竭，則需要通過(guò)手術(shù)更換新的電池，不但增加了患者生理、心理上的痛苦，而且增加 了醫(yī)療成本。
[0003]根據(jù)研究表明，患者對(duì)于DDDR(dual chambers paces，dual chambers sensed， dual response to this，and rate modifiable，房室全能型起搏頻率調(diào)整）工作模式心臟 起搏器所占需求率最高，為59%。然而，目前市面上高端進(jìn)口心臟起搏設(shè)備采用的進(jìn)口鋰電 池標(biāo)稱使用壽命為10年，國(guó)家對(duì)于心臟起搏器電池的使用年限標(biāo)準(zhǔn)為5-7年。
[0004] 對(duì)于起搏器電源的要求應(yīng)為可靠性高，盡量延長(zhǎng)電源的使用壽命。然而，長(zhǎng)久以來(lái) 高功率與強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)心臟起搏器都存在著嚴(yán)重影響，導(dǎo)致一些醫(yī)療檢查如MRI (Magnetic Resonance Imaging，核磁共振成像)受到了很大的限制，給患者(尤其是老年患者）帶來(lái)了 極大的不便，降低了心臟起搏器的適應(yīng)性。
[0005] 具體而言，對(duì)于心臟起搏器的影響主要體現(xiàn)在起搏器位移，改變起搏頻率，重置起 搏器，熱效應(yīng)損傷，損壞電子元件，影響電池壽命幾個(gè)方面。雖然相關(guān)技術(shù)中的兼容MRI的心 臟起搏器SureScan pacemaker，從傳感器、電路保護(hù)，電極導(dǎo)線保護(hù)、材料結(jié)構(gòu)改進(jìn)等方面 使起搏器首次可以應(yīng)用于MRI檢查，但對(duì)于電池壽命的影響問(wèn)題并未真正解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本申請(qǐng)是基于發(fā)明人對(duì)以下問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)作出的：
[0007] 正常人體內(nèi)臟振動(dòng)的固有頻率為2-5Hz，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下時(shí)會(huì)更高。其中心臟是一種 肌肉性的搏動(dòng)脈，可以將體內(nèi)化學(xué)能轉(zhuǎn)換為心肌和血液的動(dòng)能，并且心臟本身的平均輸出 功率約1.4W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于起搏器的功耗(〈IOyW，1.8-2.8V AC);而人類處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下時(shí)的振 動(dòng)能更大(MOHz)，因此利用心臟，呼吸，運(yùn)動(dòng)等振動(dòng)能具有穩(wěn)定的能量輸出。
[0008] 可再生能源將不同形式能量轉(zhuǎn)換為電能，并將其存在儲(chǔ)能元件中，理論上壽命是 無(wú)限的，并且可以穩(wěn)定的電壓，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。對(duì)于人體而言，自身存在的微能源主要 有:肌肉擴(kuò)張收縮、振動(dòng)、血液流動(dòng)三大類型。
[0009] 在人體使用環(huán)境下，振動(dòng)式微能源把環(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，其可以產(chǎn)生穩(wěn) 定的能量，不隨時(shí)間的長(zhǎng)短而發(fā)生變化，且相對(duì)于肌肉擴(kuò)張收縮、與血液流動(dòng)的能量收集方 案，具有非接觸式、無(wú)污染、低風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)。
[0010] 壓電式振動(dòng)微能源系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，與微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)兼容，換效率高， 輸出電能密度高，且特別適用于如人體自身運(yùn)動(dòng)等低振動(dòng)頻率環(huán)境中。同時(shí)經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán) 保，可作為能源收集、供給裝置，延長(zhǎng)微器件的使用壽命，其可再生資源的理念也響應(yīng)了現(xiàn) 今低碳生活的需求，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的里程碑的意義。
[0011] 本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。
[0012] 為此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于體內(nèi)MEMS微振動(dòng)能源收集的心臟起搏器能 源系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以采集人體微振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)能量，并轉(zhuǎn)化為電能，延長(zhǎng)了心臟起搏器的 使用壽命。
[0013] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提出了一種基于體內(nèi)MEMS微振動(dòng)能源收集的心臟 起搏器能源系統(tǒng)，其特征在于，包括:MEMS人體微振動(dòng)能量收集模塊，用于采集由人體微振 動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)能量，并且將所述振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，以進(jìn)行存儲(chǔ);MEMS電源磁屏蔽封裝， 通過(guò)MEMS電鍍、濺射與蒸鍍薄膜沉積，對(duì)MEMS微振動(dòng)能源封裝外殼實(shí)現(xiàn)鎳層保護(hù)，進(jìn)而通過(guò) MEMS鍵合，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鍵合封裝;信息采集模塊，用于采集人體心臟的心電信號(hào)以生成起搏操 作指令;脈沖電控模塊，用于根據(jù)所述起搏操作指令通過(guò)所述MEMS人體微振動(dòng)能量收集模 塊存儲(chǔ)的電能生成脈沖電壓，并通過(guò)所述信息采集模塊傳導(dǎo)所述脈沖電壓，以對(duì)所述人體 心臟進(jìn)行起搏刺激。
[0014] 本發(fā)明實(shí)施例的基于體內(nèi)MEMS微振動(dòng)能源收集的心臟起搏器能源系統(tǒng)，可同時(shí)采 集人體心跳、呼吸、肢體運(yùn)動(dòng)等常規(guī)與非常規(guī)運(yùn)動(dòng)方式產(chǎn)生的振動(dòng)能量，具有較大工作頻帶 寬度，并且特殊的能量驅(qū)動(dòng)原理與磁屏蔽封裝實(shí)現(xiàn)了正常的生理活動(dòng)和醫(yī)療檢查的無(wú)干擾 性，由于具有高穩(wěn)定性、小尺寸、高功率密度的特點(diǎn)，從而可以協(xié)同或取代傳統(tǒng)式心臟起搏 醫(yī)療器械的鋰電池式能量供給，在延長(zhǎng)了心臟起搏器的使用壽命的同時(shí)，降低了使用成本， 從而免去了患者頻繁更換電池的痛苦，以及采用的MEMS工藝技術(shù)保證了材料具有良好的生 物適應(yīng)性與無(wú)毒性，降低了使用成本，提高了心臟起搏器的適應(yīng)性，更好地保證心臟起搏器 的可靠性。
[0015 ]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的基于體內(nèi)MEMS微振動(dòng)能源收集的心臟起搏器能源 系統(tǒng)還可以具有以下附加的技術(shù)特征：
[0016] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，上述心臟起搏器能源系統(tǒng)還包括:鋰電池； 備用能源切換模塊，在所述振動(dòng)能過(guò)低或失效時(shí)，用于將所述MEMS人體微振動(dòng)能量收集模 塊供電切換為所述鋰電池供電。
[0017] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述信息采集模塊包括：電極導(dǎo)線，所述電 極導(dǎo)線植入所述人體心臟，用于傳導(dǎo)心電信號(hào)與所述脈沖電壓;傳感器，用于采集所述電極 導(dǎo)線傳導(dǎo)的心電信號(hào)；微處理器，用于根據(jù)所述心電信號(hào)按照NBG碼生成所述起搏操作指 令。
[0018] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述MEMS人體微振動(dòng)能量收集模塊包括： MEMS微振動(dòng)能源器件，通過(guò)人體微振動(dòng)使器件微敏感結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，進(jìn)而通過(guò)壓電效應(yīng)持 續(xù)產(chǎn)生響應(yīng)的電荷，從而存儲(chǔ)所述電能;微振動(dòng)能源管理電路，用于對(duì)所述信息采集模塊與 所述脈沖電控模塊進(jìn)行供電。
[0019]進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述MEMS微振動(dòng)能源器件由MEMS工藝加工 而成的中心十字鉸鏈微扭轉(zhuǎn)梁與邊緣微懸臂梁陣列組成。
[0020] 可選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述MEMS微振動(dòng)能源器件的壓電功能層A材料 為PZT與AlN其中的任意一種，對(duì)應(yīng)的MEMS加工工藝為Sol-Gel或磁控濺射。
[0021] 可選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積與低壓化 學(xué)氣相沉積的加工工藝實(shí)現(xiàn)絕緣層SiO2與Si3N4的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)厚度控制在0.3-0.5μπι。
[0022] 可選地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用的氮?dú)狻鍤饣旌洗趴貫R射MEMS加工工藝 實(shí)現(xiàn)壓電功能層AlN的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)厚度控制在1-3μπι，并且采用的電子束蒸發(fā)MEMS加工工藝 來(lái)實(shí)現(xiàn)電極層Ti、Pt與Au的生長(zhǎng)，Pt、Au的生長(zhǎng)厚度控制在0.5-0.8μπι，Ti的生長(zhǎng)厚度控制在 0 · 04-0 · 08μηι〇
[0023] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述MEMS微振動(dòng)能源器件的十字鉸鏈結(jié)構(gòu) 微扭轉(zhuǎn)梁與邊緣微懸臂梁陣列的形狀、尺寸設(shè)計(jì)為預(yù)設(shè)的固有頻率。
[0024] 本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：
[0026] 圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于體內(nèi)MEMS微振動(dòng)能源收集的心臟起搏器能源系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于體內(nèi)MEMS微振動(dòng)能源收集的心臟起搏器能源 系統(tǒng)的工作流程圖；
[0028] 圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于體內(nèi)MEMS微振動(dòng)能源收集的心臟起搏器能源 系統(tǒng)的原理不意圖；
[0029] 圖4為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于體內(nèi)MEMS微振動(dòng)能源收集的心臟起搏器能源 系統(tǒng)的電路不意圖；
[0030] 圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的MEMS微振動(dòng)能源器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖6(a)至（j)為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的MEMS微振動(dòng)能源器件的加工流程示意 圖；
[0032] 圖7為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的MEMS微振動(dòng)能源器件經(jīng)完整加工流程的俯視示意 圖；
[0033] 圖8為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的MEMS電源磁屏蔽封裝的結(jié)構(gòu)示意圖；以及
[0034] 圖9為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于體內(nèi)MEMS微振動(dòng)能源收集的心臟起搏器能源 系統(tǒng)的器件示意圖。
[0035] 附圖標(biāo)記：
[0036] I. Si (100)雙拋光襯底，2.氧化硅SiO2，3.下電極層Pt/Ti，4.壓電材料層AlN (PZT)，5.上電極Au，6.氮化硅Si3N4，7. SU-8; 8.十字鉸鏈結(jié)構(gòu)微扭轉(zhuǎn)梁，9.懸臂梁陣列，10. 質(zhì)量塊，11.下電極引腳，12.上電極引腳；13. Si (100)，14.Ni; 15.電極導(dǎo)線，16.心室、心房 電極，17.脈沖電控模塊，18.心電信號(hào)傳感器，19.備用電池能源，20. M⑶微處理器，21. MEMS 微振動(dòng)能源器件(包括EMI電源磁屏蔽保護(hù)），22.集成電路PCB電路板，23.系統(tǒng)鈦封裝外殼； 100. MEMS人體微振動(dòng)能量收集模塊，200 .MEMS電源磁屏蔽封裝，300.信息采集模塊，400.脈 沖電控模塊，500.備用能源切換模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)