[發明專利]熱電－壓電復合型柔性微發電裝置

有效

• 申請號: 201210501793.6
• 申請日: 2012-11-28
• 公開（公告）號: CN102931879A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 梅德慶;姚喆赫;錢淼;史堯光;陳子辰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02N11/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

技術領域

本發明涉及一種體內植入式發電裝置，尤其涉及一種熱電－壓電復合型柔性微發電裝置。

背景技術

可植入式醫療裝置（IMDs）種類繁多，用途廣泛，在現代醫療技術中發揮著重要作用，常見的包括：心臟起搏器、除顫器、藥物泵、監護器等。體內植入式醫療裝置的長期正常工作一般需要可靠、穩定、持久、充足的電源提供保證，當前主要采用鋰電池作為其電源。然而，在體內植入式醫療裝置整體空間有限的情況下，微小型鋰電池有限的電量往往不能滿足醫療裝置所需要的持久供電十年甚至以上的要求。由于電能衰竭而更換植入式醫療裝置，則需要進行外科手術，給病人帶來了再次的痛苦和經濟負擔。可見，開發能夠達到體內植入式醫療裝置長期服役要求的供電技術，具有重要意義。

當前，除鋰電池外，用于植入式醫療裝置的新型供電方法主要有：（a）核電池，（b）生物燃料電池，（c）無線能量傳輸方法，（d）能量收集與發電方法。采用核電池供電具有能量密度高的優勢，但其在體內工作的安全性及其昂貴的價格限制了其在植入式醫療裝置中的應用。生物燃料電池利用生物體內的葡萄糖等物質作為燃料，在酶或催化劑的作用下進行化學反應并產生電壓；但由于催化劑壽命有限，以及生物燃料電池長期工作帶來的反應產物引起的安全性憂慮，目前生物燃料電池難以滿足植入式醫療裝置的長期要求。無線能量傳輸技術通過電磁波、電磁耦合、超聲波、光波等無線傳輸方式對體內植入式電源進行充電或直接供電，采用該方法往往需要病人長期配戴外部附加機構，給病人的日常生活和活動帶來不便，而且電磁波等長期輻射對植入式醫療裝置的工作以及人體組織是否有影響也有待研究。而生物體內植入式能量收集與發電方法，則不需要任何外部裝置，直接收集體內的熱能或機械能進行發電，具有明顯優勢和應用潛力。

生物體內的溫差以及呼吸、肌肉伸展、血液流動、心臟跳動等過程都蘊含著豐富持久的熱能或機械能，收集生物體內熱能和機械能進行發電，理論上可以為植入式醫療裝置提供永久電源，從而根本上解決植入式醫療裝置的長期服役問題。采用熱電材料可直接將體內溫差轉化為電能，具有可靠、持久、集成度高以及無運動部件等特點，適合于植入式醫療裝置供電；而利用壓電材料可將生物體的運動機械能轉化為電能。一些研究嘗試利用熱電材料或壓電材料開發微小型能量收集器并用于植入式醫療裝置供電，但至今仍未發現將能量收集器廣泛應用于植入式醫療裝置供電的相關報道。

從已有微小型能量收集器的研究報道中可以發現，目前微小型能量收集器仍不能很好地滿足植入式醫療裝置的供電需求。主要存在的問題有：

(1)?當前微發電構件的發電功率不甚理想，往往不能滿足植入式醫療裝置的供電需求；

(2)?鑒于植入式生物環境，微發電構件宜采用柔性結構，一般為柔性薄膜結構，但考慮到熱電轉換的溫差需要，現有柔性薄膜結構難以實現與周圍生物環境的有效熱交換并保證一定的溫差。

為了發展一種結構緊湊、能長期服役的復合型微發電構件，能夠有效地同時收集體內生物環境中的熱能與機械能，進而促進和拓展植入式醫療裝置的發展與應用，對于現有的微小型能量收集技術進行改進是十分必要的。

發明內容

為了克服微發電構件的發電功率較低的不足，本發明的目的在于提供一種熱電－壓電復合型柔性微發電裝置。將熱電功能結構設計為波紋狀，增大了整體厚度及溫差，并保持了結構柔性；在熱端和冷端柔性薄片的內表面粘附相互平行的帶狀壓電模塊，帶狀壓電模塊粘附于波紋形柔性熱電功能結構與熱端或冷端柔性薄片形成的間隔處，提高了空間利用率。該裝置可同時收集體內的溫差熱能和機械能，增大了微發電構件的單位體積能量產出，提供了一種結構緊湊、能長期服役的復合型微發電構件。

本發明的基本原理是：

熱電材料可利用塞貝克（Seebeck）效應將熱能直接轉換成為電能，通過在熱源和冷端之間合理選用和布置N型及P型熱電臂，可在熱電偶兩端產生電壓。由于單個熱電偶發電量過低，一般采用“熱路并聯，電路串聯”的方式將一組熱電偶設計并布置形成單排或多排陣列型的熱電模塊，基于熱電材料制作的熱電器件具有運行平穩、安靜無噪聲、安全可靠、壽命長等優點。由于生物體內存在溫差，利用微小型熱電裝置可將體內溫差熱能轉化為電能，進而用于植入式醫療供電。

壓電材料在受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓，因而可實現機械能和電能的互相轉換。采用壓電材料可制作傳感器元件、聲波換能器及致動器。由于生物體內廣泛存在著壓力和振動，利用微小型壓電裝置可將體內機械能轉化為電能，進而用于植入式醫療供電。