基于體內mems微振動能源收集的心臟起搏器能源系統的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及醫療器械技術領域，特別涉及一種基于體內MEMS(Micro Electro Me chan i ca I Sy s t em，微機電系統)微振動能源收集的心臟起搏器能源系統。
【背景技術】
[0002]相關技術中，植入式心臟起搏器大多采用一次性鋰電池作為主要能源，一旦電池 能量耗竭，則需要通過手術更換新的電池，不但增加了患者生理、心理上的痛苦，而且增加 了醫療成本。
[0003]根據研究表明，患者對于DDDR(dual chambers paces，dual chambers sensed， dual response to this，and rate modifiable，房室全能型起搏頻率調整）工作模式心臟 起搏器所占需求率最高，為59%。然而，目前市面上高端進口心臟起搏設備采用的進口鋰電 池標稱使用壽命為10年，國家對于心臟起搏器電池的使用年限標準為5-7年。
[0004] 對于起搏器電源的要求應為可靠性高，盡量延長電源的使用壽命。然而，長久以來 高功率與強磁場環境對心臟起搏器都存在著嚴重影響，導致一些醫療檢查如MRI (Magnetic Resonance Imaging，核磁共振成像)受到了很大的限制，給患者(尤其是老年患者）帶來了 極大的不便，降低了心臟起搏器的適應性。
[0005] 具體而言，對于心臟起搏器的影響主要體現在起搏器位移，改變起搏頻率，重置起 搏器，熱效應損傷，損壞電子元件，影響電池壽命幾個方面。雖然相關技術中的兼容MRI的心 臟起搏器SureScan pacemaker，從傳感器、電路保護，電極導線保護、材料結構改進等方面 使起搏器首次可以應用于MRI檢查，但對于電池壽命的影響問題并未真正解決。

【發明內容】

[0006] 本申請是基于發明人對以下問題的認識和發現作出的：
[0007] 正常人體內臟振動的固有頻率為2-5Hz，在運動狀態下時會更高。其中心臟是一種 肌肉性的搏動脈，可以將體內化學能轉換為心肌和血液的動能，并且心臟本身的平均輸出 功率約1.4W，遠遠大于起搏器的功耗(〈IOyW，1.8-2.8V AC);而人類處于運動狀態下時的振 動能更大(MOHz)，因此利用心臟，呼吸，運動等振動能具有穩定的能量輸出。
[0008] 可再生能源將不同形式能量轉換為電能，并將其存在儲能元件中，理論上壽命是 無限的，并且可以穩定的電壓，有利于實現自動化。對于人體而言，自身存在的微能源主要 有:肌肉擴張收縮、振動、血液流動三大類型。
[0009] 在人體使用環境下，振動式微能源把環境中的振動能轉化為電能，其可以產生穩 定的能量，不隨時間的長短而發生變化，且相對于肌肉擴張收縮、與血液流動的能量收集方 案，具有非接觸式、無污染、低風險的特點。
[0010] 壓電式振動微能源系統環境適應性強，與微機電系統(MEMS)技術兼容，換效率高， 輸出電能密度高，且特別適用于如人體自身運動等低振動頻率環境中。同時經濟、安全、環 保，可作為能源收集、供給裝置，延長微器件的使用壽命，其可再生資源的理念也響應了現 今低碳生活的需求，具有廣泛的應用前景和重要的里程碑的意義。
[0011] 本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。
[0012] 為此，本發明的目的在于提出一種基于體內MEMS微振動能源收集的心臟起搏器能 源系統，該系統可以采集人體微振動產生的振動能量，并轉化為電能，延長了心臟起搏器的 使用壽命。
[0013] 為達到上述目的，本發明實施例提出了一種基于體內MEMS微振動能源收集的心臟 起搏器能源系統，其特征在于，包括:MEMS人體微振動能量收集模塊，用于采集由人體微振 動產生的振動能量，并且將所述振動能量轉化為電能，以進行存儲;MEMS電源磁屏蔽封裝， 通過MEMS電鍍、濺射與蒸鍍薄膜沉積，對MEMS微振動能源封裝外殼實現鎳層保護，進而通過 MEMS鍵合，實現無縫鍵合封裝;信息采集模塊，用于采集人體心臟的心電信號以生成起搏操 作指令;脈沖電控模塊，用于根據所述起搏操作指令通過所述MEMS人體微振動能量收集模 塊存儲的電能生成脈沖電壓，并通過所述信息采集模塊傳導所述脈沖電壓，以對所述人體 心臟進行起搏刺激。
[0014] 本發明實施例的基于體內MEMS微振動能源收集的心臟起搏器能源系統，可同時采 集人體心跳、呼吸、肢體運動等常規與非常規運動方式產生的振動能量，具有較大工作頻帶 寬度，并且特殊的能量驅動原理與磁屏蔽封裝實現了正常的生理活動和醫療檢查的無干擾 性，由于具有高穩定性、小尺寸、高功率密度的特點，從而可以協同或取代傳統式心臟起搏 醫療器械的鋰電池式能量供給，在延長了心臟起搏器的使用壽命的同時，降低了使用成本， 從而免去了患者頻繁更換電池的痛苦，以及采用的MEMS工藝技術保證了材料具有良好的生 物適應性與無毒性，降低了使用成本，提高了心臟起搏器的適應性，更好地保證心臟起搏器 的可靠性。
[0015 ]另外，根據本發明上述實施例的基于體內MEMS微振動能源收集的心臟起搏器能源 系統還可以具有以下附加的技術特征：
[0016] 進一步地，在本發明的一個實施例中，上述心臟起搏器能源系統還包括:鋰電池； 備用能源切換模塊，在所述振動能過低或失效時，用于將所述MEMS人體微振動能量收集模 塊供電切換為所述鋰電池供電。
[0017] 進一步地，在本發明的一個實施例中，所述信息采集模塊包括：電極導線，所述電 極導線植入所述人體心臟，用于傳導心電信號與所述脈沖電壓;傳感器，用于采集所述電極 導線傳導的心電信號；微處理器，用于根據所述心電信號按照NBG碼生成所述起搏操作指 令。
[0018] 進一步地，在本發明的一個實施例中，所述MEMS人體微振動能量收集模塊包括： MEMS微振動能源器件，通過人體微振動使器件微敏感結構發生形變，進而通過壓電效應持 續產生響應的電荷，從而存儲所述電能;微振動能源管理電路，用于對所述信息采集模塊與 所述脈沖電控模塊進行供電。
[0019]進一步地，在本發明的一個實施例中，所述MEMS微振動能源器件由MEMS工藝加工 而成的中心十字鉸鏈微扭轉梁與邊緣微懸臂梁陣列組成。
[0020] 可選地，在本發明的一個實施例中，所述MEMS微振動能源器件的壓電功能層A材料 為PZT與AlN其中的任意一種，對應的MEMS加工工藝為Sol-Gel或磁控濺射。
[0021] 可選地，在本發明的一個實施例中，采用的等離子體增強化學氣相沉積與低壓化 學氣相沉積的加工工藝實現絕緣層SiO2與Si3N4的生長，生長厚度控制在0.3-0.5μπι。
[0022] 可選地，在本發明的一個實施例中，采用的氮氣、氬氣混合磁控濺射MEMS加工工藝 實現壓電功能層AlN的生長，生長厚度控制在1-3μπι，并且采用的電子束蒸發MEMS加工工藝 來實現電極層Ti、Pt與Au的生長，Pt、Au的生長厚度控制在0.5-0.8μπι，Ti的生長厚度控制在 0 · 04-0 · 08μηι〇
[0023] 進一步地，在本發明的一個實施例中，所述MEMS微振動能源器件的十字鉸鏈結構 微扭轉梁與邊緣微懸臂梁陣列的形狀、尺寸設計為預設的固有頻率。
[0024] 本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0025] 本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：
[0026] 圖1為根據本發明實施例的基于體內MEMS微振動能源收集的心臟起搏器能源系統 的結構示意圖；
[0027] 圖2為根據本發明一個實施例的基于體內MEMS微振動能源收集的心臟起搏器能源 系統的工作流程圖；
[0028] 圖3為根據本發明一個實施例的基于體內MEMS微振動能源收集的心臟起搏器能源 系統的原理不意圖；
[0029] 圖4為根據本發明一個實施例的基于體內MEMS微振動能源收集的心臟起搏器能源 系統的電路不意圖；
[0030] 圖5為根據本發明一個實施例的MEMS微振動能源器件的結構示意圖。
[0031] 圖6(a)至（j)為根據本發明一個實施例的MEMS微振動能源器件的加工流程示意 圖；
[0032] 圖7為根據本發明一個實施例的MEMS微振動能源器件經完整加工流程的俯視示意 圖；
[0033] 圖8為根據本發明一個實施例的MEMS電源磁屏蔽封裝的結構示意圖；以及
[0034] 圖9為根據本發明一個實施例的基于體內MEMS微振動能源收集的心臟起搏器能源 系統的器件示意圖。
[0035] 附圖標記：
[0036] I. Si (100)雙拋光襯底，2.氧化硅SiO2，3.下電極層Pt/Ti，4.壓電材料層AlN (PZT)，5.上電極Au，6.氮化硅Si3N4，7. SU-8; 8.十字鉸鏈結構微扭轉梁，9.懸臂梁陣列，10. 質量塊，11.下電極引腳，12.上電極引腳；13. Si (100)，14.Ni; 15.電極導線，16.心室、心房 電極，17.脈沖電控模塊，18.心電信號傳感器，19.備用電池能源，20. M⑶微處理器，21. MEMS 微振動能源器件(包括EMI電源磁屏蔽保護），22.集成電路PCB電路板，23.系統鈦封裝外殼； 100. MEMS人體微振動能量收集模塊，200 .MEMS電源磁屏蔽封裝，300.信息采集模塊，400.脈 沖電控模塊，500.備用能源切換模塊。
【具體實施方式】
[0037]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標