[发明专利]利用血管运动的自持式可植入微型发电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电系统技术领域的装置，具体是一种利用血管运动的自持式可植入微型发电机。

背景技术

近年来，随着微机电系统(MEMS：Micro-Electro-Mechanical Systems)技术的不断进步，使得微电子设备和微传感器等微系统应用范围不断扩大，已广泛应用于多个领域，特别是医学领域。可植入微系统是指利用MEMS技术制造的，能够植入人体并与人体产生相互作用的微型系统。可植入微系统的供能一般通过电源解决，电源的性能和质量是目前大多数MEMS技术应用的关键所在。

对于可植入微系统的供能问题，一般的解决方案是外部供能和自带电池。外部供能包括外部直接连线供能和基于振动的能量采集供能等方法，其中外部直接连线供能容易引起炎症反应，并且增加了病人的不适度，不适宜长期使用。基于振动的能量采集供能方法一般有三种：压电式、静电式和电磁式。其中又因为压电能量采集器具有结构简单、能量密度高和寿命长，可与MEMS加工工艺兼容等优点而成为人们的关注热点。但是目前完全集成制造的MEMS压电式振动能量收集器，还难以满足低功耗器件应用的需求：一方面，目前的MEMS能量采集技术还无法有效在低频环境下(小于100Hz)进行能量采集；另一方面，所获得的电能功率密度还较小，且依赖于外部环境振动频率。这种供能方式使用时还要外部的振动源配合，对于长期植入使用来说，也是十分不方便的。自带的传统电化学电池供电方式存在着寿命短、需要经常更换和储存能量有限等缺点，且在某些条件下更换电池过程复杂，成本很高或根本就不可能实现更换。

经对现有技术的检索发现，C.Eunpyo，S.Q.Lee等人在5th IEEE International Conferenceon Nano/Micro Engineered and Molecular Systems(2010)，pp.680-683撰文“MEMS powergeneration using activation of cardiomyocytes on a PMN-PT diaphragm”(利用在PMN-PT单晶膜上激活的心肌细胞驱动的微型机械发电机，《NEMS2010》)，该技术采用的PMN-PT的单晶膜有一个叉指电极设计，这使得加载在该膜上的外部压力能够通过压电效应输出电压成为可能。该文献提出的装置虽然可以用作微/纳米机器人或可植入微系统的替代来源，但是对于可植入微系统来说，如果每个微型发电机都配备一个用心肌细胞驱动的核心，那么它的应用范围会受到限制。美国专利号：US7,579,757，“Method and micro power generator for generatingelectrical power from low frequency vibrational energy”(从低频振动中获得电能的方法与微型发电机)，该技术公开了一种从低频振动中获得电能的方法。这种技术能够通过机械方法把低频振动转换为高频振动，然后通过电磁耦合的方法来获得电能。这种方法的稳定性和寿命都很有限，把它应用在可植入微系统上还有很大的距离。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种利用血管运动的自持式可植入微型发电机，使其能够从人体自身获得合适的能源，避免了更换电池对患者造成的不便，降低了由于获得电能来源而引起人体的不适和炎症反应的风险。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：柔性屏蔽层、结构屏蔽层、定子和若干个以阵列分布的转子，其中：柔性屏蔽层包覆血管，定子和转子设置于柔性屏蔽层外部，结构屏蔽层包覆于定子和转子外。

所述的柔性屏蔽层和结构屏蔽层上均设有电极。

所述的定子包括：以阵列分布的开孔和导电螺旋线圈绕组，其中：每个开孔的面积小于对应转子的内表面积，导电螺旋线圈绕组设置于开孔的两侧，当血管膨胀或收缩时，即产生相对运动时，转子与开孔不接触。

所述的导电螺旋线圈绕组线宽范围为10nm-10μm。

所述的转子是包括闭合线圈的可动薄膜，该转子的两侧对应电极的位置设有触点。

本发明利用血液在血管中循环时导致血管周期性收缩和膨胀的现象，驱动转子在柔性屏蔽层和结构屏蔽层包围的闭合空间中周期性的分别接触柔性屏蔽层和结构屏蔽层的电极，通过电磁感应完成机械能和电能的转换，并且能够调整导电螺旋线圈绕组的密度和层数、转子的数量以及闭合线圈的密度，达到适应不同功率输出的效果。