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用于能量传输的生物体植入式MEMS电感线圈的设计

来源:    作者:     发布时间:2013-04-25 20:09:40     点击数:

对于像心脏起搏器之类的应用于生命科学的可植入微系统,需要有直流电源进行驱动。但直流电源的寿命一般短于可植人器件的寿命,开发长寿命的微型直流电源很困难。为了减少更换旧电源时而开刀做手术给病人带来的危险与痛苦以及经济上的负担,建立一种行之有效的体外与体内无线式的能量传输机制势在必行。在这方面前人已做出些研究应用于生命科学的可植入式无线传感器网络已成为将微纳米技术、无线传感器网络技术与生物遥测技术等相结合来检测与治疗疾病、保证生命健康的一个新领域⋯。如图l所示,这种系统是由体外和体内两部分组成。体外部分包括电源与控制电路、信号发射电路和接收电路以及一个贴装在皮肤表面的电感线圈。体内植入部分包括接发收电感线圈与信号转换电路。分离的两部分利用通过电磁耦合后,电磁信号和能量在生物组织中传播,从而实现由体外对植入的传感器芯片的信号和能量的传递。在这个系统中,高Q值电感是提高耦合效率的重要因素。Heetderks等【2】证明了毫米和亚毫米量级的电感线圈可以传递毫瓦量级的功率。PCB板上印刷平面电感13J易于制作,但PCB电感的Q值都较低。利用MEMS工艺制备的微型电感【4J比传统方法制备的电感Q值高、体积小、功耗低和易于集成,更适合在植人系统中应用【51。MEMS高Q值电感【6】的研究,陈石清等I7J已有了些进展,本文的设计是以高阻硅为衬底,相对其在玻璃衬底【sJ上能更好地与电路兼容,且本文提供的工艺方案能制作出厚度更高的线圈,功率传输的容量更大。

MEMS电感的物理模型对于本文要设计的内置硅片上的集成电感其几何剖面图如下图2所示,最底下的是硅衬底,中间是聚酰亚胺支撑隔离层,在其中包有下导线及通孔导线,最上面的是Cu电感。对于这个几何图形,作者抽象出了如图3所示的集总参数物理模型,它刻画出了各个参数的物理意义,去掉其几何架构,得到如图4所示的电路物理模型。1

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