CN102148561A - 利用血管运动的自持式可植入微型发电机 - Google Patents

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刘景全
康晓洋
田鸿昌
杨春生
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Shanghai Jiaotong University
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Abstract

一种微机电***技术领域的利用血管运动的自持式可植入微型发电机，包括：柔性屏蔽层、结构屏蔽层、定子和若干个转子，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，本发明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。

Description

利用血管运动的自持式可植入微型发电机
技术领域
本发明涉及一种微机电***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***(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***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***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***。可植入微***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***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***的替代来源，但是对于可植入微***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***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。
柔性屏蔽层和结构屏蔽层能够隔绝体液。定子通过导电螺旋线圈绕组产生磁场，转子通过在定子的开孔与柔性屏蔽层接触，并且通过该柔性屏蔽层驱动转子运动产生电能。柔性屏蔽层能够适应血管的收缩和膨胀，当血管收缩时，转子的触点接触柔性屏蔽层的电极，用以输出电压。结构屏蔽层能够支撑结构保证装置本身不受挤压而损坏，当血管膨胀时，转子的触点接触结构屏蔽层的电极，用以输出电压。
本发明结构简单，制作容易，体积适宜，只需要在植入时给定子一个启动电压，即可在血管驱动下输出电能，满足自持式可植入微***的功率消耗需要。
附图说明
图1为本发明在人体中的一个典型植入部位和方式的示意图。
图2为本实施例中的定子和转子在血管收缩时的状态示意图。
图3为本实施例中的定子和转子在血管膨胀时的状态示意图。
图4上图为本实施例中的定子和转子在血管膨胀时与结构屏蔽层接触的示意图。
图4下图为本实施例中的定子和转子在血管收缩时与柔性屏蔽层接触的示意图。
图5为本实施例中的定子和转子相对位置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图5所示，本实施例包括：柔性屏蔽层1、转子2、定子3和结构屏蔽层6，其中：柔性屏蔽层1包覆血管4，定子3和转子2设置于柔性屏蔽层1外部，结构屏蔽层6包覆定子3和转子2外。
如图4和图5所示，所述的柔性屏蔽层1和结构屏蔽层6上均设有电极5。
所述的定子3包括：以阵列分布的开孔8和导电螺旋线圈绕组7，其中：开孔8的面积小于转子2的内表面积，导电螺旋线圈绕组7设置于开孔8的两侧。
所述的导电螺旋线圈绕组7线宽范围为10nm-10μm。
如图4所示，所述的转子2包括闭合线圈的可动薄膜，转子2的两侧对应电极的位置设有触点(未示出)。所述的触点与电极5接触，由于触点很小，且只是闭合线圈的点结构。
当血管4膨胀或收缩时，即产生相对运动时，转子2与开孔8不接触。
所述的导电螺旋线圈绕组7采用柔性材料，为了适应不同场合的磁场，能够根据需要调整单层柔性材料的线圈密度，线圈层数。
所述的转子2是包含闭合线圈的可动薄膜，该闭合线圈的数量能够根据需要调整线圈密度，并且也能够根据需要调整转子2的数量，组成转子2阵列。
所述可动薄膜采用金属薄膜。
本实施例的工作原理为：如图1所示，本装置在可植入微***的植入部位附近找到一条合适的血管4，选取的原则是满足可植入微***的用电功率需求和外科植入简便。当把本装置植入人体时，由于定子3中的导电螺旋线圈绕组7没有电流通过，不能产生感应磁场，因而需要给于定子3一个启动电压，使得定子3启动，在血管4开始驱动转子2并且达到稳态后，本装置即可自主输出电能。
如图2和图5所示，在血管4收缩过程中，在柔性屏蔽层6的牵拉下，转子2通过定子3的开孔8向血管4收缩，转子2的闭合线圈的磁通发生快速变化，闭合线圈中感应出电压，在血管4收缩到极限时，转子2紧密围绕在定子3周围且转子2中的单个转子互相不接触，柔性屏蔽层6的电极5与转子2的触点接触，输出电压。
如图3和图5所示，在血管4膨胀过程中，在柔性屏蔽层6的挤压下，定子3在血管4的驱动下膨胀，转子2通过定子3的开孔8背向血管4呈放射型运动，转子2的闭合线圈的磁通发生快速变化，闭合线圈中感应出电压，在血管4膨胀到极限时，结构屏蔽层1的电极5与转子2的触点接触，输出电压。
血管4的一次收缩和膨胀过程，本装置即完成一个周期输出。之后，随着心脏的周期性跳动，本装置周期性地完成输出。并且可以根据人体运动的需要，及时地调节功率输出。
为了适应转子2的阵列，转子2的电极5和结构屏蔽层1、柔性屏蔽层6的触点能够做成条状，把转子2的阵列的电压引出。采用触点和电极5输出电压的方式，避免了连接线的复杂性及由此耦合出的复杂电磁场。转子2除电极5外的其它部分均不与结构屏蔽层1和柔性屏蔽层6接触，以此减少阻力和能量损失。
导电螺旋线圈绕组7绕开在定子的开孔8，并且在血管4膨胀或收缩时，即产生相对运动时，转子2与开孔8不接触，以此减少阻力和能量损失。由于定子3的开孔8内径小于定子3，导电螺旋线圈绕组7通过在定子3的开孔8周围的空间相互连接。
如表1所示，本实施例的实际应用要求所用尺寸如表所示。
表1 0.5×0.5×1cm3尺寸微型发电机的一组典型设计参数
  适用血管的收缩直径(mm)   3
  整个微型发电机尺寸(长×宽×厚)(cm3)   1×1×1
  结构屏蔽层(长×直径×厚)(μm3)   10000×10000×500
  柔性屏蔽层(长×直径×厚)(μm3)   10000×3000×100
  转子(长×直径×厚)(μm3)   180×3600×2000
  定子(长×直径×厚)(μm3)   10000×3500×200
  导电螺旋线圈绕组标准线宽与间隔(μm)   1
  闭合线圈标准线宽与间隔(μm)   1

Claims (5)

1.一种利用血管运动的自持式可植入微型发电机，其特征在于：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。
2.根据权利要求1所述的利用血管运动的自持式可植入微型发电机，其特征是，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。
3.根据权利要求2所述的利用血管运动的自持式可植入微型发电机，其特征是，所述的导电螺旋线圈绕组线宽范围为10nm-10μm。
4.根据权利要求1所述的利用血管运动的自持式可植入微型发电机，其特征是，所述的转子是包括闭合线圈的可动薄膜，转子的两侧对应电极的位置上设有触点。
5.根据权利要求1、2或4所述的利用血管运动的自持式可植入微型发电机，其特征是，所述的转子与开孔不接触。
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