基于体内mems微振动能源收集的心脏起搏器能源系统的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种基于体内MEMS(Micro Electro Me chan i ca I Sy s t em，微机电系统)微振动能源收集的心脏起搏器能源系统。
【背景技术】
[0002]相关技术中，植入式心脏起搏器大多采用一次性锂电池作为主要能源，一旦电池 能量耗竭，则需要通过手术更换新的电池，不但增加了患者生理、心理上的痛苦，而且增加 了医疗成本。
[0003]根据研究表明，患者对于DDDR(dual chambers paces，dual chambers sensed， dual response to this，and rate modifiable，房室全能型起搏频率调整）工作模式心脏 起搏器所占需求率最高，为59%。然而，目前市面上高端进口心脏起搏设备采用的进口锂电 池标称使用寿命为10年，国家对于心脏起搏器电池的使用年限标准为5-7年。
[0004] 对于起搏器电源的要求应为可靠性高，尽量延长电源的使用寿命。然而，长久以来 高功率与强磁场环境对心脏起搏器都存在着严重影响，导致一些医疗检查如MRI (Magnetic Resonance Imaging，核磁共振成像)受到了很大的限制，给患者(尤其是老年患者）带来了 极大的不便，降低了心脏起搏器的适应性。
[0005] 具体而言，对于心脏起搏器的影响主要体现在起搏器位移，改变起搏频率，重置起 搏器，热效应损伤，损坏电子元件，影响电池寿命几个方面。虽然相关技术中的兼容MRI的心 脏起搏器SureScan pacemaker，从传感器、电路保护，电极导线保护、材料结构改进等方面 使起搏器首次可以应用于MRI检查，但对于电池寿命的影响问题并未真正解决。
【发明内容】
[0006] 本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现作出的：
[0007] 正常人体内脏振动的固有频率为2-5Hz，在运动状态下时会更高。其中心脏是一种 肌肉性的搏动脉，可以将体内化学能转换为心肌和血液的动能，并且心脏本身的平均输出 功率约1.4W，远远大于起搏器的功耗(〈IOyW，1.8-2.8V AC);而人类处于运动状态下时的振 动能更大(MOHz)，因此利用心脏，呼吸，运动等振动能具有稳定的能量输出。
[0008] 可再生能源将不同形式能量转换为电能，并将其存在储能元件中，理论上寿命是 无限的，并且可以稳定的电压，有利于实现自动化。对于人体而言，自身存在的微能源主要 有:肌肉扩张收缩、振动、血液流动三大类型。
[0009] 在人体使用环境下，振动式微能源把环境中的振动能转化为电能，其可以产生稳 定的能量，不随时间的长短而发生变化，且相对于肌肉扩张收缩、与血液流动的能量收集方 案，具有非接触式、无污染、低风险的特点。
[0010] 压电式振动微能源系统环境适应性强，与微机电系统(MEMS)技术兼容，换效率高， 输出电能密度高，且特别适用于如人体自身运动等低振动频率环境中。同时经济、安全、环 保，可作为能源收集、供给装置，延长微器件的使用寿命，其可再生资源的理念也响应了现 今低碳生活的需求，具有广泛的应用前景和重要的里程碑的意义。
[0011] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0012] 为此，本发明的目的在于提出一种基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能 源系统，该系统可以采集人体微振动产生的振动能量，并转化为电能，延长了心脏起搏器的 使用寿命。
[0013] 为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于体内MEMS微振动能源收集的心脏 起搏器能源系统，其特征在于，包括:MEMS人体微振动能量收集模块，用于采集由人体微振 动产生的振动能量，并且将所述振动能量转化为电能，以进行存储;MEMS电源磁屏蔽封装， 通过MEMS电镀、溅射与蒸镀薄膜沉积，对MEMS微振动能源封装外壳实现镍层保护，进而通过 MEMS键合，实现无缝键合封装;信息采集模块，用于采集人体心脏的心电信号以生成起搏操 作指令;脉冲电控模块，用于根据所述起搏操作指令通过所述MEMS人体微振动能量收集模 块存储的电能生成脉冲电压，并通过所述信息采集模块传导所述脉冲电压，以对所述人体 心脏进行起搏刺激。
[0014] 本发明实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统，可同时采 集人体心跳、呼吸、肢体运动等常规与非常规运动方式产生的振动能量，具有较大工作频带 宽度，并且特殊的能量驱动原理与磁屏蔽封装实现了正常的生理活动和医疗检查的无干扰 性，由于具有高稳定性、小尺寸、高功率密度的特点，从而可以协同或取代传统式心脏起搏 医疗器械的锂电池式能量供给，在延长了心脏起搏器的使用寿命的同时，降低了使用成本， 从而免去了患者频繁更换电池的痛苦，以及采用的MEMS工艺技术保证了材料具有良好的生 物适应性与无毒性，降低了使用成本，提高了心脏起搏器的适应性，更好地保证心脏起搏器 的可靠性。
[0015 ]另外，根据本发明上述实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源 系统还可以具有以下附加的技术特征：
[0016] 进一步地，在本发明的一个实施例中，上述心脏起搏器能源系统还包括:锂电池； 备用能源切换模块，在所述振动能过低或失效时，用于将所述MEMS人体微振动能量收集模 块供电切换为所述锂电池供电。
[0017] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述信息采集模块包括：电极导线，所述电 极导线植入所述人体心脏，用于传导心电信号与所述脉冲电压;传感器，用于采集所述电极 导线传导的心电信号；微处理器，用于根据所述心电信号按照NBG码生成所述起搏操作指 令。
[0018] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述MEMS人体微振动能量收集模块包括： MEMS微振动能源器件，通过人体微振动使器件微敏感结构发生形变，进而通过压电效应持 续产生响应的电荷，从而存储所述电能;微振动能源管理电路，用于对所述信息采集模块与 所述脉冲电控模块进行供电。
[0019]进一步地，在本发明的一个实施例中，所述MEMS微振动能源器件由MEMS工艺加工 而成的中心十字铰链微扭转梁与边缘微悬臂梁阵列组成。
[0020] 可选地，在本发明的一个实施例中，所述MEMS微振动能源器件的压电功能层A材料 为PZT与AlN其中的任意一种，对应的MEMS加工工艺为Sol-Gel或磁控溅射。
[0021] 可选地，在本发明的一个实施例中，采用的等离子体增强化学气相沉积与低压化 学气相沉积的加工工艺实现绝缘层SiO2与Si3N4的生长，生长厚度控制在0.3-0.5μπι。
[0022] 可选地，在本发明的一个实施例中，采用的氮气、氩气混合磁控溅射MEMS加工工艺 实现压电功能层AlN的生长，生长厚度控制在1-3μπι，并且采用的电子束蒸发MEMS加工工艺 来实现电极层Ti、Pt与Au的生长，Pt、Au的生长厚度控制在0.5-0.8μπι，Ti的生长厚度控制在 0 · 04-0 · 08μηι〇
[0023] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述MEMS微振动能源器件的十字铰链结构 微扭转梁与边缘微悬臂梁阵列的形状、尺寸设计为预设的固有频率。
[0024] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0025] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解，其中：
[0026] 图1为根据本发明实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统 的结构示意图；
[0027] 图2为根据本发明一个实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源 系统的工作流程图；
[0028] 图3为根据本发明一个实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源 系统的原理不意图；
[0029] 图4为根据本发明一个实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源 系统的电路不意图；
[0030] 图5为根据本发明一个实施例的MEMS微振动能源器件的结构示意图。
[0031] 图6(a)至（j)为根据本发明一个实施例的MEMS微振动能源器件的加工流程示意 图；
[0032] 图7为根据本发明一个实施例的MEMS微振动能源器件经完整加工流程的俯视示意 图；
[0033] 图8为根据本发明一个实施例的MEMS电源磁屏蔽封装的结构示意图；以及
[0034] 图9为根据本发明一个实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源 系统的器件示意图。
[0035] 附图标记：
[0036] I. Si (100)双抛光衬底，2.氧化硅SiO2，3.下电极层Pt/Ti，4.压电材料层AlN (PZT)，5.上电极Au，6.氮化硅Si3N4，7. SU-8; 8.十字铰链结构微扭转梁，9.悬臂梁阵列，10. 质量块，11.下电极引脚，12.上电极引脚；13. Si (100)，14.Ni; 15.电极导线，16.心室、心房 电极，17.脉冲电控模块，18.心电信号传感器，19.备用电池能源，20. M⑶微处理器，21. MEMS 微振动能源器件(包括EMI电源磁屏蔽保护），22.集成电路PCB电路板，23.系统钛封装外壳； 100. MEMS人体微振动能量收集模块，200 .MEMS电源磁屏蔽封装，300.信息采集模块，400.脉 冲电控模块，500.备用能源切换模块。
【具体实施方式】
[0037]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标