[發明專利]植入式集成磁耦合諧振無線能量傳輸方法

無效

• 申請號: 201310058392.2
• 申請日: 2013-02-25
• 公開（公告）號: CN103107606A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 程瑜華;舒亞明;徐美君
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H02J17/00
• 分類號: H02J17/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明屬于無線電能傳輸領域，具體涉及磁耦合諧振無線電能傳輸方法，用于接收線圈為集成電路實現的植入式醫療電子器件。

背景技術

植入式醫療電子器件（Implantable?Medical?Device，IMD）已在心臟起搏器、人工耳蝸、人工視網膜、神經電刺激器、膠囊內窺鏡等方面進行應用和實驗研究，在疾病治療、健康監測、提高對人體自身和生物體認識等方面的作用越來越重要。

傳統的IMD供電采用經皮有線供電或電池供電，但是經皮有線供電給病人帶來痛苦和感染風險，而電池供電存在壽命短、體積大、易泄露等缺點。采用無線電能傳輸的方式直接或間接（給電池或超級電容充電）地給植入式器件供電，是一種切實可行且具有較好前景的方法。

在某些植入式應用中，對IMD尺寸有非常苛刻的要求，如人工耳蝸需要在耳內3-6mm的空間內，人工視網膜需要在5mm的切口內，腦機接口需要在腦膜上1-3mm的空間內植入等。以前植入體內的線圈大都使用復雜精細的繞制技術，體積太大難以滿足空間要求。體內接收線圈接收到的是交流電，經整流成直流電壓才能給IMD中的其他功能模塊供電。隨著集成電路的發展，整流電路和其他功能模塊電路已經可以用集成電路工藝實現集成在單一芯片上，相比分立元件實現，占用極小的空間。因此，當前限制體內IMD器件尺寸進一步縮小的障礙之一便是接收能量用的線圈。若能將線圈與其他電路集成在同一硅襯底上，成為全集成片上系統，則可進一步減小尺寸和成本、提高可靠性。

根據傳輸距離和傳輸信號波長之間的比值大小，無線電能傳輸可分為遠場和近場傳輸。遠場傳輸通過電磁波的方式來傳遞能量，傳輸距離遠，但效率較低，且頻率高輻射強，不適合在植入式器件中使用。目前使用較多的是電感耦合方式的近場傳輸，體內外的兩個線圈通過磁場耦合傳遞能量。為提高效率，兩個線圈通常工作于諧振模式，此時的效率η可表示為η=k²Q_pQ_s/(1+k²Q_pQ_s)，其中Q_p和Q_s分別為體外和體內線圈所在環路的品質因數，k為兩個線圈之間耦合系數。若接收線圈采用集成電路實現，則接收線圈的Q值很低，而且耦合系數也較低，導致系統的傳輸效率較低，多余的能量消耗在人體組織和周圍環境中，對人體造成傷害。

2007年，麻省理工學院的研究人員在Science上發表了一種適合中距離的近場高效電能傳輸方式——磁耦合諧振無線電能傳輸。這里的“中距離”是指線圈間距離接近于線圈尺寸或幾倍于線圈尺寸的距離。在接收線圈為集成電路實現時，接收線圈的尺寸較小，體內外線圈之間的距離可認為是“中距離”，因此適合采用磁耦合諧振方式來提高傳輸效率。國內外對磁耦合諧振方式進行了研究，但大都針對較大尺寸、較大功率應用。在針對植入式應用中的磁耦合諧振無線電能傳輸方式，并未對接收線圈為集成電路實現的情況進行分析和實現。

發明內容

為了解決植入式醫療電子器件無線電能傳輸中接收線圈尺寸限制和能量傳輸效率不高問題，本發明提供一種采用集成電路實現接收線圈的磁耦合諧振無線電能傳輸的方法，不但能夠實現更小線圈尺寸，而且能夠達到較高能量傳輸效率。

本發明所采用的技術方案是：基于磁耦合諧振原理，采用四個線圈進行能量傳輸，其中兩個線圈置于體外，兩個線圈置于體內。體外的兩個線圈采用印制電路板（Printed?Circuit?Board，PCB）實現，分別稱為能量激勵線圈和能量發射線圈。其中能量發射線圈接驅動電壓源，驅動電壓源可以是一個交流電壓源，也可以是一個E類放大器。體內的兩個線圈采用集成電路實現，分別稱為能量接收線圈和能量恢復線圈。其中能量恢復線圈與體內用集成電路實現的整流電路及其他功能電路集成在單一芯片上。四個線圈回路上都各自串聯一個電容，使得四個線圈的諧振頻率相同。

所述的置于體外的兩個線圈可以分別印制在兩個PCB板上，也可以印制在一個PCB板的不同層上，或在一個PCB板的同一層上印制。為提高兩個線圈之間的耦合系數，兩個線圈應盡量并排。

所述的置于體內的兩個線圈，可以用集成電路工藝分別設計在不同的金屬層上，也可以在設計在同一金屬層上。為提高兩個線圈之間的耦合系數，兩個線圈應盡量并排。