[发明专利]热电－压电复合型柔性微发电装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种体内植入式发电装置，尤其涉及一种热电－压电复合型柔性微发电装置。

背景技术

可植入式医疗装置（IMDs）种类繁多，用途广泛，在现代医疗技术中发挥着重要作用，常见的包括：心脏起搏器、除颤器、药物泵、监护器等。体内植入式医疗装置的长期正常工作一般需要可靠、稳定、持久、充足的电源提供保证，当前主要采用锂电池作为其电源。然而，在体内植入式医疗装置整体空间有限的情况下，微小型锂电池有限的电量往往不能满足医疗装置所需要的持久供电十年甚至以上的要求。由于电能衰竭而更换植入式医疗装置，则需要进行外科手术，给病人带来了再次的痛苦和经济负担。可见，开发能够达到体内植入式医疗装置长期服役要求的供电技术，具有重要意义。

当前，除锂电池外，用于植入式医疗装置的新型供电方法主要有：（a）核电池，（b）生物燃料电池，（c）无线能量传输方法，（d）能量收集与发电方法。采用核电池供电具有能量密度高的优势，但其在体内工作的安全性及其昂贵的价格限制了其在植入式医疗装置中的应用。生物燃料电池利用生物体内的葡萄糖等物质作为燃料，在酶或催化剂的作用下进行化学反应并产生电压；但由于催化剂寿命有限，以及生物燃料电池长期工作带来的反应产物引起的安全性忧虑，目前生物燃料电池难以满足植入式医疗装置的长期要求。无线能量传输技术通过电磁波、电磁耦合、超声波、光波等无线传输方式对体内植入式电源进行充电或直接供电，采用该方法往往需要病人长期配戴外部附加机构，给病人的日常生活和活动带来不便，而且电磁波等长期辐射对植入式医疗装置的工作以及人体组织是否有影响也有待研究。而生物体内植入式能量收集与发电方法，则不需要任何外部装置，直接收集体内的热能或机械能进行发电，具有明显优势和应用潜力。

生物体内的温差以及呼吸、肌肉伸展、血液流动、心脏跳动等过程都蕴含着丰富持久的热能或机械能，收集生物体内热能和机械能进行发电，理论上可以为植入式医疗装置提供永久电源，从而根本上解决植入式医疗装置的长期服役问题。采用热电材料可直接将体内温差转化为电能，具有可靠、持久、集成度高以及无运动部件等特点，适合于植入式医疗装置供电；而利用压电材料可将生物体的运动机械能转化为电能。一些研究尝试利用热电材料或压电材料开发微小型能量收集器并用于植入式医疗装置供电，但至今仍未发现将能量收集器广泛应用于植入式医疗装置供电的相关报道。

从已有微小型能量收集器的研究报道中可以发现，目前微小型能量收集器仍不能很好地满足植入式医疗装置的供电需求。主要存在的问题有：

(1) 当前微发电构件的发电功率不甚理想，往往不能满足植入式医疗装置的供电需求；

(2) 鉴于植入式生物环境，微发电构件宜采用柔性结构，一般为柔性薄膜结构，但考虑到热电转换的温差需要，现有柔性薄膜结构难以实现与周围生物环境的有效热交换并保证一定的温差。

为了发展一种结构紧凑、能长期服役的复合型微发电构件，能够有效地同时收集体内生物环境中的热能与机械能，进而促进和拓展植入式医疗装置的发展与应用，对于现有的微小型能量收集技术进行改进是十分必要的。

发明内容

为了克服微发电构件的发电功率较低的不足，本发明的目的在于提供一种热电－压电复合型柔性微发电装置。将热电功能结构设计为波纹状，增大了整体厚度及温差，并保持了结构柔性；在热端和冷端柔性薄片的内表面粘附相互平行的带状压电模块，带状压电模块粘附于波纹形柔性热电功能结构与热端或冷端柔性薄片形成的间隔处，提高了空间利用率。该装置可同时收集体内的温差热能和机械能，增大了微发电构件的单位体积能量产出，提供了一种结构紧凑、能长期服役的复合型微发电构件。

本发明的基本原理是：

热电材料可利用塞贝克（Seebeck）效应将热能直接转换成为电能，通过在热源和冷端之间合理选用和布置N型及P型热电臂，可在热电偶两端产生电压。由于单个热电偶发电量过低，一般采用“热路并联，电路串联”的方式将一组热电偶设计并布置形成单排或多排阵列型的热电模块，基于热电材料制作的热电器件具有运行平稳、安静无噪声、安全可靠、寿命长等优点。由于生物体内存在温差，利用微小型热电装置可将体内温差热能转化为电能，进而用于植入式医疗供电。

压电材料在受到压力作用时会在两端面间出现电压，因而可实现机械能和电能的互相转换。采用压电材料可制作传感器元件、声波换能器及致动器。由于生物体内广泛存在着压力和振动，利用微小型压电装置可将体内机械能转化为电能，进而用于植入式医疗供电。