专利名称：电化学激励器的制作方法
技术领域：
本发明提供涉及到电化学激励的系统、设备和有关方法。
背景技术：
激励一般涉及一种可以通过将能量(例如电能、化学能等)转换成机 械能来调整或者移动物体或者物体的一部分的机制。激励器可以按能量转 换方式来分类。例如，静电激励器将静电力转换成机械力。
压电激励提供高带宽和激励权力(authority)但是提供低应力(通常 比1%小得多)并且要求高激励电压。形状记忆^r (SMA)、磁致伸缩 体和新开发的铁磁形状记忆合金(FSMA)能够有更大应力但是产生更慢 响应，这限制了它们的适用性。以场致域运动为基础的激励机制(压电， FSMA)也往往具有低的机体应力。上述激励方法是基于对基于重量的品 质因数有负面影响的高密度活性材料(基于铅的氧化物、金属合金)的使 用。因此需要一种能够提供高激励能量密度、高激励权力(应力)、大的 自由应变和有用带宽的技术。
先前已经描述使用电化学的某些激励方法，其中承受负载的激励材料 处于气相或者液相并且可以有望具有低弹性模量并且因而与本发明的方 式相比，具有较低的激励能量密度和激励应力。尽管观测到移位，但是尚 未证实;^功。
因而需要改进的方法和i殳备
发明内容
本发明涉及被构造和布置成从第 一定向移位到第二定向的激励器系
统，包括包括负电极和正电极的至少一个电化学电池，其中负电极和正 电极中的一个或者两个是激励器并且包括第一部分和第二部分，以及其中 在充电和/或放电时，物质以与第二部分不同的程度嵌入、脱嵌、合金化 于、氧化、还原或者镀覆第一部分并且经历相对于第二部分而产生的尺寸 变化，由此向激励器造成在第一部分与第二部分之间的差动应变且引起激 励器的至少一部分的移位，激励器的移位做机械功且无需耦合到做所述功 的结构。
本发明也涉及被构造和布置成从第一定向移位到第二定向的激励器 系统，包括包括负电极和正电极的至少一个电化学电池，其中负电极和 正电极中的一个或者两个是激励器并且包括第一部分和第二部分，以及其 中在充电和/或放电时，物质以与第二部分不同的程度嵌入、脱嵌或者合 金化于第一部分并且经历相对于第二部分而产生的尺寸变化，由此向激励 器造成在第 一部分与第二部分之间的差动应变且引起激励器的至少一部 分的移位，激励器的移位做机械功且无需耦合到做所述功的结构。
本发明也涉及被构造和布置成从第一定向移位到第二定向的激励器 系统，包括包括负电极和正电极的至少一个电化学电池，其中负电极和 正电极中的一个或者两个是激励器并且包括第一部分和第二部分，以及其 中在第 一部分的与第二部分不同的程度的氧化和/或还原时第 一部分经历 相对于第二部分而产生的尺寸变化，由此向激励器造成在第一部分与第二 部分之间的差动应变且引起激励器的至少一部分的移位，激励器的移位做 机械功且无需耦合到做所述功的结构。
本发明也涉及被构造和布置成从第一定向移位到第二定向的激励器 系统，包括包括负电极和正电极的至少一个电化学电池，其中负电极和 正电极中的一个或者两个是激励器并且包括第一部分和第二部分，以及其 中在充电和/或放电时，物质以与第二部分不同的程度电化学沉积于第一 部分并且经历相对于第二部分而产生的尺寸变化，由此向激励器造成在第 一部分与第二部分之间的差动应变且引起激励器的至少一部分的移位，激
励器的移位做机械功且无需耦合到做所述功的结构。
本发明也涉及激励器设备，包括至少一个电化学电池，包括负电极、 正电极和物质，物质可以以与电化学电池的第二部分不同的程度来嵌入、 脱嵌、合金化于、氧化、还原或者镀覆电化学电池的第一部分，第一部分 和/或第二部分由此在放电时经历尺寸变化从而造成做机械功的激励器移位，其中电化学电池被构造和布置成在制造时充电并且在使用之后部分地 放电或者在首次放电之后没有进一步充电。
本发明也涉及输注泵，包括至少一个电化学电池，包括负电极、正 电极和嵌入物质，其中负电极和/正电极在充电和/或放电时经历尺寸变化 以便造成流体注入到身体中。
本发明也涉及被构造和布置成用于生理设施(physiological setting) 中的激励器，该激励器包括与第二部分相邻的第一部分，其中第一部分 在暴露于包括物质的生理流体时经历尺寸变化，并且其中由于与物质的接 触所导致的物质到第一部分中的电化学嵌入、物质从第一部分中的脱嵌或 者第一部分的氧化/还原造成激励器的尺寸变化。
本发明也涉及用于将药物施用到身体中的电化学激励器，该电化学激 励器包括至少一个负电极；至少一个正电极；以及物质，其中电化学激 励器受到施加的电压或者电流，由此电压或者电流的施加或者其停止施加 包括物质在电化学激励器的至少一个电极中的嵌入从而造成电化学激励 器的容积或者尺寸变化，以及其中容积或者尺寸变化导致将药物施用到身 体中。
图l示出了 (a)在没有施加电压或者电流的情况下和(b)在施加电 压或者电流的情况下根据本发明 一个实施例的激励器系统的例子。
图2示出了 ( a)在没有施加电压或者电流的情况下和(b )在施加电 压或者电流的情况下根据本发明 一个实施例的用于在相邻流体容器中配 发流体的激励器系统的例子。
图3A:C示出了具有足以影响激励器的移位速率和冲程长度的硬度的
图4示出了根据本发明一个实施例的激励器系统的例子。
图5示出了根据本发明一个实施例的激励器系统的另一例子。
图6示出了根据本发明一个实施例的激励器系统的另一例子。
图7示出了根据本发明一个实施例的激励器系统的另一例子。
图8A示出了包括由不同材料形成的第一部分和第二部分的激励器系
图8B示出了在浸入水中之后的包括由不同材料形成的第一部分和第 二部分的激励器系统。
图9示出了包括U) Zn形式和(b )在Zn转换成Zn(OH)2从而实 现激励器系统的激励时的Zn层的激励器系统。
图10示出了包括(a) Zn形式和(b )在Zn转换成Zn(OH)2从而实 现激励器系统的激励时的Zn层的另一激励器系统。
图ll示出了包括锂离子耦合的激励器系统，其中激励器(a)在暴露 于电解质之前处于零应变和(b)在暴露于电解质之后经历激励。
图12示出了 (a)在充电状态下和(b)在出现于电解质中之后自发 放电时组装的锂离子耦合或者镍金属-氢化物耦合。
图13示出了 (a)在暴露于电解质之前和(b)在暴露于电解质时的 包括两个不同部分的激励器系统，其中该系统经历弯曲或者挤压。
图14示出了 (a)在暴露于电解质之前和(b)在暴露于电解质时的 包括两个不同部分的激励器系统，其中该系统经历结构的弯曲或者开启。
图15示出了 (a)在暴露于物质之前和(b)在暴露于物质时的具有 铰接结构的激励器系统，其中该系统经历激励。
图16示出了自供动力式电化学泵的示意设计。
图17示出了具有内置应变放大的自供动力式形变(morphing)激励 器的移位对比时间曲线的曲线图。
图18示出了由20 %占空比控制的电化学形变激励器的移位曲线的曲 线图。
图19示出了利用粘合到铜箔的0.10mm厚锡箔的压电双晶片 (bimorph)电化学激励器的恒流(galvanostatic)放电分布。
图20示出了利用粘合到铜的0.05mm厚锡箔的电化学压电双晶片电 池的恒流放电分布。
在与附图结合考虑时，本发明的其它方面、实施例和特征将从以下具 体描述中变得清楚。附图是示意性的并且并未打算按比例绘制。为求简洁， 没有在每幅图中标记每个部件，而图中所示本发明各实施例的每个部件对 于允许本领域普通技术人员理解本发明而言也并非都是必需的。这里引用的所有专利申请和专利通过引用而完全地结合于此。在有冲突的情况下以
包括定义的本:沈明书为准。
具体实施例方式
本发明主要地提供涉及到电化学激励的系统和设备以及有关方法。
在一些情况下，本发明提供可以包括至少一个部件的系统(例如激励 器系统)，其中向该部件施加电压或者电流可以造成该部件的容积或者尺 寸变化。在一些情况下，该容积或者尺寸变化可以产生机械功。在一些实 施例中，该系统的至少一部分可以被构造和布置成从一个定向移位到另一 定向。该系统也可以与另一结构关联，从而该系统的容积或者尺寸变化可 以影响该结构的定向、形状、尺寸、容积或者其它特征。诸如这些系统的 系统在例如包括泵(例如输注泵)和配药设备的各种应用中是有用的。
在一些实施例中，系统可以在该系统的^^t过程中包括与一个或者多 个部件(例如电极)关联的物质。诸如离子的物质能够与设备的一个或者 多个部分反应。本发明的一些实施例可以涉及到物质与i殳备的一个或者多 个电极的反应，该反应生成电极中的容积或者尺寸变化。如这里使用的那 样，"容积或者尺寸变化"是指系统或者系统一部分的膨胀、收缩和/或其 它移位。容积或者尺寸变化可以包括一个或者多个尺寸上一个或者多个数 量的膨胀、收缩、拉伸、缩短、扭曲、弯曲、剪切或者其它移位。在一些 情况下，容积或者尺寸变化可以是各向同性的。在一些情况下，容积或者 尺寸变化可以是各向异性的。这样的变化可以用于机械功即激励。系统可 以经历可以适合于具体应用的任何范围的容积或者尺寸变化。例如，激励 器系统可以被定位成与流体容器接触并且可以膨胀和收缩从而系统作为 用以从流体容器配发流体的抽运设备来工作。
在一些实施例中，本发明提供一种包括至少一个电化学电池的电化学 激励器，该电化学电池包括阳极、阴极和物质(例如锂离子)，其中电化 学电池在施加电压或者电流时经历容积或者尺寸变化。在一些实施例中， 电化学激励器也包括如下结构，该结构包括被构造和布置成例如通过一个 或者多个电化学电池的容积或者尺寸变化从第 一定向移位到第二定向的 至少一个部分。在该结构的该部分移位时产生机械功。如下文更具体讨论 的那样，可以通过电化学电池的容积或者尺寸变化来激励各种系统。
如这里使用的那样，"被构造和布置成移位的"激励器系统是指如下激励器系统，该激励器系统可以更改该系统的定向即通过该系统至少 一部分 的移位(例如激励)，这在该系统的预定目的之下影响该系统或者与该系 统关联的结构的性能。本领域普通技术人员将理解这一术语的含义。在一 个示例实施例中，激励器系统可以被定位在诸如流体容器或者储蓄器的结 构附近，其中激励器系统被构造和布置成使得该系统的运动或者其它移位 影响流体容器的位置、形状、尺寸或者其它特征以从流体容器抽运或者配 发流体。
有利地，可以通过例如弯曲、挤压、扭曲、拉伸和收缩的各种方法来 实现系统或者系统的一部分从第一定向到第二定向的移位，如下文更完全 描述的那样，这可以通过变化系统的材料组成、系统的一个或者多个电化 学电池的配置、施加的电压或者电流、占空比或者其它操作参数来更改。 在系统与结构关联的情况下，可以例如通过改变电化学电池相对于待移位 的结构而言的定位、结构的形状、在电池与结构之间有操作关系的任何材 料和/或部件的材料组成来更改系统的移位。在一些情况下，该移位可以 包括系统的一部分的线性移位。在一些情况下，该移位可以包括系统的一 部分的挤压。例如，该系统可以包括可以具有第一平面定向的盘状部分， 并且在激励时该盘状部分可以经由挤压而移位到非平面半球形的第二定向。
此外，结构或者结构的一部分的移位程度可以针对具体应用来定制。 例如在一些实施例中，本发明的电化学电池可以造成结构或者结构的一部
分例如大于5度、大于10度、大于20度、大于30度或者大于40度的移 位。视具体应用而定，在其它实施例中，电化学电池可以造成例如大于 lcm、大于10cm、大于20cm、大于50cm或者大于lm的移位。
在一些情况下，电化学电池在充电或者放电时的容积或者尺寸移位可 以用来ii行系统、系统的一部分或者与系统相邻或者以别的方式与系统关 联的结构的物理移位。容积或者尺寸移位(净体积变化)可以在充电和/ 或放电过程中为正、零或者负。在一些情况下，可以按照电池的构成材料 的组成或者电荷状态、使用用于构成材料的摩尔体积的列表数据、根据在 各构成材料中出现的体积变化来容易地计算净体积变化或者在电化学电 池上直接地测量净体积变化。
可以通过这里描述的电化学电池来激励数个不同结构。在一些实施例 中，本发明提供被构造和布置成在充电或者放电时从第一定向移位到第二 定向的激励器系统(例如电化学激励器)。在一些情况下，激励器系统可以被构造和布置成在充电或者放电时从第一形状更改成第二形状。在一些 情况下，激励器产生的移位可以具有与在电化学电池中出现的容积或者尺 寸变化相同的符号(例如正、负)。例如，正移位(例如线性尺寸的增加) 可以对应于电化学电池本身的正净体积变化(例如膨胀)，而负移位(线 性尺寸的减少)可以对应于电化学电池本身的负净体积变化(收缩)。在 一些情况下，激励器产生的移位可以不具有与在电化学电池中出现的容积 或者尺寸变化相同的符号。例如，如在示例中所述，正移位可以由经历净 负体积变化的电化学电池产生。也就另j兌，激励器的移位可以与电化学电 池的容积或者尺寸变化去耦合。
激励器系统可以包括至少一个电化学电池，该电化学电池包括负电极 和正电极。激励器系统也可以例如包括可以串行或者并行操作的大于或者
等于2、大于或者等于4、大于或者等于10、大于或者等于20或者大于 或者等于50个的电化学电池。在一些实施例中，多个电化学电池可以并 联电掩h但是可以堆叠以便增加整体移位而又维持低的整体设备电压。 在一些实施例中，电化学激励器的净体积变化用来执行物理移位，该物理 移位导致包括但不限于包括药物的流体的抽运或配发或者流体施用到身 体中。
在一些实施例中，负电极和正电极中的一个或者两个可以是激励器并 且可以在电化学电池的充电或者放电时改变形状和/或从第一定向移位到
第二定向。在一些情况下，激励器系统可以包括可选^目互电连通的第一 部分和第二部分，其中第一部分和第二部分在充电或者放电时经历差动容
积或者尺寸变化或者差动移位。例如，经历形状变化或者移位的一个或者 多个电极可以包括第一部分，该第一部分对可以有助于一个或者多个电极 的移位的第二部分施加机械约束。在一些实施例中，第一部分与第二部分 电连通。在一些实施例中，第一部分没有与第二部分电连通。
在一些实例中，第一部分和第二部分(例如分别对应于电化学电池的 正电极和负电极或者反之亦然)可以是层的形式，这些层可以被定位成相 互紧接J^目邻或者在其它实施例中可以通过其它材料而相互隔离。在一些 实施例中，第一部分和第二部分相互粘合。在一些实施例中，第一部分和 第二部分是系统同一部分的不同区域，其中一个部分比另一部分经历更大
程度的电化学引起的容积或者尺寸变化。
在一些实施例中，在充电和/或放电时，物质(例如嵌入(intercalation ) 物质、电子或者镀覆物质)以与第二部分不同的程度(例如不同的力度、浓度、应变、体积、形状变化或者其它变化)嵌入、脱嵌、合金化于、氧 化、还原、镀覆于或者镀覆第一部分。例如，物质可以基本上嵌入、脱嵌 或者合金化于、氧化、还原或者镀覆第一部分但是第二部分并不这样，或 者第二部分的程度少于第一部分。由于第一部分的差动嵌入、脱嵌或者合
金化、氧化、还原或者银葭与第二部分的程度不同，所以第一部分可以经 历所导致的尺寸变化，诸如体积或者线性尺寸的增加或者减少或者纵横比 的变化。由于第二部分没有嵌入、脱嵌或者合金化、氧化、还原或者M 物质或者嵌入、脱嵌或者合金化、氧化、还原或者镀覆物质的程度少于第 一部分，所以第二部分可以不经历实际尺寸变化或者可以不经历与第一部 分相同的尺寸变化。结果在第一部分与第二部分之间造成差动应变(例如 相对应变)，这可以造成激励器至少一部分的移位(例如内部挠曲或者弯 曲)。所造成的激励器的移位可以做机喊功而无需耦合到做所述功的结构。 在本发明的某些实施例中，激励器的激励可以包括从第一定向到笫二定向
的膨胀、收缩、弯曲、弧曲(bowing)、挤压、折叠、巻动或者其它形式 的移位。
在一些情况下，激励器系统本身可以是应变放大或者应变缩小结构。 例如，激励器系统或者其一部分(例如电极)可以放大例如由于在系统或 者系统一部分中出现的体积变化而产生的任何移位。在一些实施例中，激 励器系统或者设备可以放大由于电极的容积变化而产生的移位。激励器的 移位可以用来施加力或者进行与激励器相邻的结构的移位。
对于任何这里描述的激励器系统和设备(例如泵)，尽管激励器系统
但是在一些情况下激励器系统可以耦合到做机喊功的结构(例如应变放大 结构、应变缩小结构)。在一些情况下，激励器系统可以耦合到做机喊功 的结构。
在图1A中图示的实施例中示出了激励器系统的例子。如这一示例实 施例中所示，激励器系统110包括与正电极114电连通的负电极112。正 电极114可以包括第一部分116和第二部分118。在一些实施例中，部分 116和118由不同材料形成。部分116和118也可以具有不同电势。例如， 部分116可以包括可以以与部分118不同的程度嵌入、脱嵌、合金化、氧 化、还原或者镀覆物质的材料。部分118可以由基本上不会嵌入、脱嵌或 者合金化、氧化、还原或者镀覆物质的材料形成。在一些情况下，部分 116可以由包括铝、锑、铋、碳、镓、硅、银、锡、锌中的一个或者多个形成。在一个具体实施例中，部分116由包括可以在锂嵌入时膨胀的铝的 材料形成。部分118可以由铜形成，因为铜基本上不会嵌入锂或者与锂合 金化。在一些实例中，部分118可以充当正电极集电器并且可以在电化学 电池以外延伸以例如形成接头或者电流引线。在其它实施例中，部分118 可以接合到在电池以外延伸的接头或者电流引线。负电极112也可以包括 集电器。激励器系统110可以包括隔离器122。该隔离器可以例如濕一有孔 隔离器膜如玻璃纤维布或者有孔聚合物隔离器。也可以4吏用其它类型的隔 离器，诸如在锂离子电池的构造中使用的那些隔离器。激励器也可以包括 可以是流体、固体或者皿体形式的电解质124。该电解质可以包含电化 学活性物质，诸如用来形成负电极的物质。激励器系统110可以密封于诸 如聚合物封装的罩126中。
如图1B中所示的实施例中所示，电化学电池可以具有电压132,从 而当在负电极与正电极之间形成闭合电路时，电流可以经过夕卜部电路在两 个电极之间流动。如果负电极112是锂金属电极而电解质包含锂离子，则 锂离子电流可以在内部从电极112流到电极114。部分116的锂的嵌入可 以引起诸如体积膨胀的尺寸变化。在一些实例中，这一体积膨胀与初始体 积相比可以达到至少25% 、至少50% 、至少75 o/q 、至少100% 、至少150 %、至少200%、至少250%或者至少300%。高的体积膨胀可以例如在 部分116被锂饱和时出现。随着部分116由于锂的嵌入而体积增加，部分 116可以结合到的部分118可能由于最少量或者没有锂的^而基本上没 有膨胀。部分U6因此提供机械约束。在两个部分之间的这一差动应变造 成正电极114经历弯曲或者挠曲。由于正电极的尺寸变化或者移位，激励 器系统110可以从第一定向移位到第二定向。无论由于从负电极损失锂金
容积或者尺寸变化(例如净体积变化)是正、是零还是负都可以出现这一 移位。在一些情况下，激励器移位可以随着激励器系统或者其一部分的为 正的容积或者尺寸变化(例如净体积变化)而出现。在一些情况下，激励 器移位可以随着激励器系统或者其一部分的为零的容积或者尺寸变化(例 如净体积变化)而出现。在一些情况下，激励器移位可以随着激励器系统 或者其一部分的为负的容积或者尺寸变化(例如净体积变化)而出现。
如这里使用的那样，两个部分之间的"差动应变"是指各独立部分在电 压或者电流施加到两个部分时的响应(例如激励)差异。也就是说，这里 所述系统可以包括如下部件，该部件包括第一部分和与第一部分关联(例如可以接触第一部分、可以一体地连接到第一部分)的第二部分，其中在 实质上相同条件之下，第 一部分可以经历容积或者尺寸变化而第二部分没 有经历容积或者尺寸变化，这在第一部分与第二部分之间产生应变。差动 应变可以造成该部件或者其一部分从第一定向移位到第二定向。在一些情 况下，可以通过物质与激励器系统的一个或者多个部分的差动嵌入、脱嵌、 合金化、氧化、还原或者M来产生差动应变。
例如，可以通过若干手段(图1A)来实现部分116相对于部分118 的差动嵌入、脱嵌、合金化、氧化、还原或者银霞。在一个实施例中，如 上所述，部分116可以由与部分118不同的材料形成，其中材料之一基本 上^、脱嵌、合金化、氧化、还原或者M物质，而第二部分以更小程 度与物质及JL在另一实施例中，部分116和部分118可以由同一材料形 成。例如，部分116和部分118可以由同一材料形成并且可以基本上密集 或者有孔，诸如压制或者烧结的粉末或泡沫结构。在一些情况下，为了在 电化学电池操作时产生差动应变，部分116或者118可以具有足够厚度， 使得在电化学电池的操作过程中可能由于有限的离子传送而出现梯度组 分，这产生差动应变。在一些实施例中， 一个部分或者一个部分的区域可 以相对于第二部分或者第二部分的区域优先地暴露于物质。在其它实例 中，与未掩蔽或者屏蔽的部分相比， 一个部分相对于另一部分的屏蔽或者 掩蔽可以实现掩蔽或者屏蔽的部分更少或者更大的嵌入、脱嵌或者合金 化。这可以例如通it^面处理或者沉积的阻挡层、借助阻挡层材料的层积 或者化学或者热处理要被掩^/屏蔽的部分的表面来实现，从而有助于或 者禁止与该部分的嵌入、脱嵌、合^T化、氧化、还原或者镀覆。阻挡层可 以由可以包括聚合物、金属或者陶瓷的任何适当材料形成。在一些情况下， 阻挡层也可以在电化学电池中起到另一功能如集电器的作用。阻挡层在一 些实施例中可以均匀地沉积到表面上。在其它情况下，阻挡层可以形成组 成和/或尺寸梯度，从而只有表面的某些部分优先地有助于或者禁止表面 的嵌入、脱嵌、合金化、氧化、还原或者镀覆。可以是线性、阶跃、指数 和其它梯度。在一些实施例中，包括制备密集表面层在内的在穿过部分 116或者118中的孔隙度变化可以用来辅助创建离子浓度梯度和差动应 变。本发明也构思物质以不同程度与第一部分反应的其它方法以便引起在 第一部分与第二部分之间的差动应变。如下文更具体所述，在一些实施例
中，电极的挠曲或者弯曲用来施加力或者进行实现有用功能的移位。
在这里描述的数个实施例中，第一部分和第二部分可以描述为由不同 材料形成，以实现不同特征和性质。应当理解，对于这里描述的任何实施例，第一部分和第二部分也可以由基本上相同材料形成。在第一部分和第 二部分可以由相同材料形成的情况下，第 一部分和第二部分可以可选地具 有诸如尺寸、厚度、孔隙度等的至少一个不同特征，这可以产生引起差动 应变的差动嵌入、脱嵌、合金化、氧化、还原或者镀覆。例如，第一部分 和第二部分可以包括同一材料、但是可以具有不同孔隙度，这实现沿着第
一部分和第二部分的孔隙度梯度。在一些情况下，第一部分可以包括具有 第一密度的有孔材料(例如粉末压实物、泡沫)，而第二部分可以包括具 有与第一密度不同的第二密度的有孔材料。
如这里所述，本发明的一些实施例涉及到物质与一个或者多个电极的 反应。例如，物质嵌入可以一个或者多个电极。在一些实施例中，在激励 器系统或者设备的操作期间， 一个电极可以获得物质在空间上变化的浓 度,这引起差动应变从而产生系统或者设备至少一部分的移位。也就是说， 物质例如嵌入到电极的一个部分中的程度可以大于嵌入到电极的第二部 分中的程度，这实现了差动应变。
本发明的激励器或者其一部分(例如电极)，尤其是至少包括可以以 与第二部分不同的程度嵌入、脱嵌、合金化于、氧化、还原或者银霞物质
的第一部分的那些部分，可以具有诸如板、片、条、折叠片或者条、束、 杯、杆、管、圃柱等任何适当形状，只要它可以从第一定向移位到第二定 向即可，这样可以用于实现所需功能。在一些情况下，激励器的至少一部 分可以被穿孔和/或可以具有多个"腿，，或者"臂"或者支路。在一些情况下， 正电极和/或负电极为非平面的。例如，正电极和/或负电极可以是板或者 丸或者其它非平面形状。在一些实施例中，正电极和/或负电极可以具有 任何形状并且可以包括至少一个槽，其中 一个或者多个槽可以有助于和/ 或引导激励器系统或者其一部分的移位。例如，电极可以有槽或者凸起以 ^更有助于、引导或者指引电极从第一定向移动至第二定向的方式。在一些 情况下，电极可以在激励时沿着至少一个槽来折叠。
本发明的激励器在尺寸范围上可以从纳米级到微米并且到肉眼可见
的级别。例如在一些实施例中，激励器系统110可以具有少于或者等于1 米、少于或者等于10厘米、少于或者等于l厘米、少于或者等于l亳米、 少于或者等于100微米、少于或者等于10微米、少于或者等于l微米、 少于或者等于100纳米或者少于或者等于10纳米的至少一个尺寸。
激励器的电极也可以在尺寸范围上从纳米级到微米级并且到肉眼可
见的级别。例如在一些实施例中，电极114可以具有少于或者等于1米、少于或者等于10厘米、少于或者等于l厘米、少于或者等于l毫米、少 于或者等于100微米、少于或者等于10微米、少于或者等于l微米、少 于或者等于100纳米或者少于或者等于10纳米的至少一个尺寸。
包括可以以与第二部分不同的程度^、脱嵌、合金化、氧化、还原 或者镀覆物质的第一部分的激励器(包括电极)可以由允许与所述物质反 应的任何适当形式的任何适当材料(例如在尺寸活性材料)形成。在一些 实施例中，第一部分由在离子交换时改变尺寸的有孔材料形成。如这里所 述，尺寸变化可以是相对均匀的体积膨胀或者收缩，或者可以是由于引入 差动应变而实现的挠曲或者弯曲或者挤压变形模式。有孔材料可以是压制 粉末致密物或者金属泡沫或者在尺寸活性材料的复合物。第二部分可以由 在尺寸无活性材料形成。第 一部分和第二部分可以可选地包拾清如粘合剂 的添加剂或者诸如碳或者金属的传导添加剂。在尺寸活性材料可以例如包
括以下物质中的一个或者多个Al、 Au、 Ag、 Ga、 Si、 Ge、 Ti、 Sn、 Sb、 Pb、 Zn、碳、石墨、硬碳、介孔碳(mes叩orous carbon )、氧化物、嵌 入氧化物、层状氧化物、粘土矿物、硫化物、层状硫化物、TiS2、 MoS2 和WS2。应当理解本发明的激励器也可以包括其它金属、包含金属的化 合物、无机材料等。
在一些情况下，本发明的激励器可以经历由在离子交换时改变尺寸的 有孔电极所提供的尺寸变化。在一些情况下，有孔电极在充电或者放电时 经历包括弯曲、挠曲或者挤压的尺寸变化。在一些实施例中，有孔电极可 以包括孔隙度梯度，其中有孔电极的第一部分具有与有孔电极的第二部分 的孔隙度不同的孔隙度。在一些情况下，有孔电极还包括与有孔电极接触 的表面层，其中表面层以比(下层)有孔电极更大的程度被嵌入、脱嵌、 合金化、氧化、还原或者^。表面层可以部分地或者基本上覆盖或者封 装有孔电极的外表面，从而表面层可以主要地和/或直接地暴露于系统的 其它部件。在一些情况下，表面层可以以比下层有孔电极更大的程度被嵌 入或者合金化。在一些情况下，表面层可以具有比下层有孔电极更高的密 度。
在一些情况下，可以嵌入、脱嵌、M化于、氧化、还原或者镀覆激 励器至少一部分(例如电极的一部分)的物质可以是离子形式。离子的非 限制例子包括质子、氢氧根离子、硫酸根离子、氯酸根离子、磷酸根离子 和硝酸根离子。在其它情况下，物质可以包括碱金属或者碱土金属。在某 些实施例中，物质是可以造成表面至少一部分氧化或者还原的电子。在其它实施例中，物质是可以以与第二部分不同的程度在第一部分电化学沉积 的镀覆物质。在一些情况下，物质可以选自质子、磁^金属离子、锂、离子 #物、氢氧根离子、碳酸根离子、氯酸根离子、硫酸根离子、磷酸根离 子、其它多原子离子^物等。在一些情况下，物质选自质子、碱金属离 子、离子#物、氢氧根离子、碳酸根离子、氯酸根离子、硫酸根离子和 磷酸根离子。在一些情况下，物质是质子。
形式存在^电化学电池中。在其'它情;^下，物质"T以是层积到电极之一但 是并非该电极活性材料一部分的固体形式。在另一实施例中，物质可以是 诸如固体电解质的单独固体离子源的形式。在又一实施例中，物质可以例 如以作为电介质的液体或者凝胶体的形式存在并且可以在电池的第一次 充电/放电之前存在于电化学电池中。在其它实施例中，这些物质可以存 在于电化学电池外部的物质中。例如，物质可以存在于使用激励器的环境 中。在一个具体实施例中，激励器被设计成浸入包含如下物质的流体中， 该物质可以嵌入、合金化于、氧化、还原或者镀覆电化学电池电极的一部 分。例如，流体可以是生理流体，而物质可以是存在于生理流体中的离子 物质。
在一些情况下，本发明的设备可以包括阳极、阴极和作为物质的锂离 子。在阳极于阴极之间施加电场时，该设备可以可逆地充电和放电。在一 些情况下，在充电时，锂离子电极可以插入到阳极中，从而相对于体积或
者尺寸实质上保持不变的阴极而言、阳极经历容积或者尺寸变化。在放电 时，锂离子可以从阳极传送到阴极，从而锂离子可以插入到阴极中。结果， 阳极可以返回到它在充电之前的体积/形状，而阴极可以经历相对于阳极 的容积或者尺寸变化。在一些情况下，阳极和阴极在充电/放电循环时可 以同时地或者非同时地经历容积或者尺寸变化。在一些情况下，阳极和阴 极中只有一个可以在充电/放电循环时经历容积或者尺寸变化。
本发明的激励器可以用于各种应用中。例如，激励器可以用于其中例 如可以由激励器执行切换和阀控功能的微流体设备中。在其它情况下，可 以使用激励器作为用以造成流体$;认通道中或者从孔流出的泵、包括用于 控制药物递送的泵。在其它实施例中，激励器可以是外部或者可^医疗 设备的一部分。可以嵌入、脱嵌、氧化、还原或者^激励器的至少一部 分(例如电极的一部分)的物质在一些实施例中可以是电化学电池的一部
分(例如在使用之前的制造中)；然而在其它实施例中可以是使用激励器
26的环境的组成部分。激励器也可以是其中独立地激励可寻址微型激励器的
诸如微镜阵列的微机电系统(MEMS)设备的一部分。在其它情况下，一 个或者多个激励器可以被构造和布置成在施加电流或者电压时展开成结 构。这样的结构可以例如用作为帐篷或者脚手架。在其它情况下，本发明 的激励器可以是可以通过电输入来电膨胀或者收缩的手术工具或者医疗 ^物的部件。下文更具体地描述各种应用。
在一些实施例中，本发明的激励器可以用来使与激励器相邻的结构移 位或者变形。例如，如图2A中图示的实施例中所示，激励器系统150包 括用作从储蓄器172配发流体170的泵的激励器151。该泵可以配发例如 大于O.OlmL、大于O.OlmL、大于lmL、大于5mL、大于10mL、大于 100mL、大于1L的不同体积的流体。激励器151可以用与图1中所示激 励器110相似的方式^Mt。简言之，物质可以用相对于部分158不均匀的 方式嵌入、脱嵌、合金化于、氧化、还原或者镀覆电极154的第一部分 156,从而在第一与第二部分之间引起差动应变。第二部分可以是造成电 极154的挠曲或者弯曲并且结果造成激励器151的挠曲或者弯曲的机喊约 束。与激励器151相邻的储蓄器172可以由可变形材料形成，从而激励器 151的挠曲造成储蓄器内部的压力增加，这使得从储蓄器配发流体170， 如图2B中所示。在一些实施例中，可以通过激励器从第一位置到第二位 置的移位速率/或程度(例如冲程长度)来控制从储蓄器配发或者注入流 体170的速率。配发速率可以被控制成恒定或者可变。可以通过如下参数 控制激励速率和/或程度，这些参数诸如是施加的电流或者电压(例如在 充电或者放电过程中)的幅度和/或持续时间、要嵌入、脱嵌、合金化或
尺寸和材料组成，诸如以不同程度与物质反应的激励器第一部分和第二部 分的配置和材料组成。
一个或者多个电化学电池可以被布置成可选地与一个或者多个部件 组合以实现系统或者系统一部分的移位。在一些情况下，具有不同激励能 力的电化学电池可以按图案布置于表面上，其中各电化学电M独立地控 制。可以在本发明中使用例如在基于美国专利申请第11/150,477号的美国 专利公开号2006/0102455和基于国际申请第PCT/US/2005/020554号的国 际公开号WO2005/124918中所述的其它的电池、部件和/或设备的配置， 上述两个申请均通过引用而结合于此。
本发明的激励器可以用不同硬度的材料来制作以允许不同范围的激励速率和冲程长度。例如，冲程长度长的激励器可以由具有相对低現变的 一个或者多个材料形成。在这样的实施例中，短电流脉冲可以造成激励器 从第一定向到第二定向的緩慢移位。对照而言，由一个或者多个更硬材料 形成的激励器仅当施加电流时才可以移位。在这样的实施例中，激励器在
不考虑负载的情况下在一些实例中可以在施加的电流每次递增时从第一 定向移位到第二或者第三定向。在一些实施例中，当激励器的多t变与^ 系统匹配时最大化从激励器到M系统的能量传送。因而，可以基于具体 应用和/或所需激励模式来进行激励器的材料选择。
图3A-C示出了激励器的硬度如何可以影响激励器的移位速率和冲程 长度的例子。在图3A中图示的实施例中，激励器180包括可以以与第二 部分不同的程度^、脱嵌、合金化、氧化、还原或者镀覆物质的第一部 分。激励器的端部181可以在激励器处于第一位置"的情况下位置固定在 某一位置。激励器可以与活塞190和包含流体194的储蓄器192相邻。在 物质(例如相对于激励器的第二部分而言与第一部分)的非均匀嵌入、脱 嵌、合金化、氧化、还原或者镀覆时，激励器180可以从位置"移位到位 置c,如图3C中所示。激励器180可以由具有低^;变的一种或者多种材 料形成以实现长冲程长度"flC"。这可以例如通过将短电流脉冲施加到激励 器使得激励器移位来实现，这可以造成活塞l卯的移位以从储蓄器配发流 体。短电流脉沖可以从储蓄器緩慢地推出流体直至激励器松弛到它的新均 衡位置c。对照而言，图3B示出了在第一定向中由高石M材料形成的激 励器182，其中激励器的端部在位置6。在施加量值和持续时间与向激励 器180施加的电^M目同的电流时，激励器182可以从位置6移位到位置c， 如图3C中所示，激励器182的沖程长度"6c"由于用来形成激励器180和 182的材料的不同現变而短于激励器180的冲程长度"flc"。在一些实施例 中，激励器可以例如并行或者串行堆叠以增加向结构所施加的负载或者 力。
以下例子进一步说明可以用于实施本发明激励器的不同配置和方式。
在图4中图示的实施例中，激励器系统200包括激励器210，该激励 器包括正电极212、负电极214和电解质层216,该电解质层包括可以嵌 入、脱嵌、合金化、氧化、还原或者镀覆正或者负电极的物质218。物质 在施加的电压220之下经过电解质层的传送可以用来在箭头222和224的 方向中向上或者向下移位激励器210。这一移位可以实现例如可以用来开 启或者闭合阀、移位镜、泵、流体等的激励器。如上文讨论的那样，用来形成正电极和负电极的材料组合可以变化。例如，适当材料可以包括锂离 子或者镍-金属氢化物电池中的活性材料。如这一实施例中所示，激励器
系统210在一端固定于衬底228。该衬底可以充当机械约束，从而激励器 的部分230经历最少或者没有移位。由于激励器的部分232没有固定，所 以这一部分经历实现弯曲的移位。
在另一实施例中，可以嵌入、合金化于、氧化、还原或者M激励器 的一部分的物质可以被定位成使得激励器的一部分优先地暴露于物质而 激励器的不同部分未暴露于或者以更少程度暴露于物质。例如在图5中图 示的实施例中，激励器系统250包括激励器252，该激励器包括部分254 和部分256。部分256可以以比部分254更大的程度暴露于浸入在物质262 (例如电解质)中的物质260。活塞254和衬底264可以传导并且作为正 电极和负电极来工作。部分256可以通过绝缘体266与衬底264绝缘。在 衬底(或者远处对立电极)与部分254之间施加电势差时，物质260可以 以比部分254更大的程度嵌入、脱嵌、合金化于、氧化、还原或者M部 分256。部分254和/或256与物质260的作用类型例如依赖于物质的具体 类型和用来形成部分254和256的材料。由于在部分254与256之间的差 动应变，这一作用可以造成激励器252的挠曲。
可以通过包括MEMS制作、各种薄膜结构沉积方法、厚膜涂覆技术、 电极沉积方法以及物理组装和层积的多种方法来制作诸如激励器系统 200和250的结构。其它制作方法也可以是适当的并且为本领域普通技术 人员所知。
如图6中图示的实施例中所示，激励器系统270包括与激励器276 电连通的电极272，激励器276可以一体地连接(或者非一体地连接)到 衬底274。激励器276可以是组成均匀的；然而，部分280可以以比激励 器的部分284更大的程度暴露于物质282。向物质的不同暴露(例如不同 的暴露面积)可以造成以与部分284不同的程度与部分280的"、脱嵌、 合金化、氧化、还原或者镀覆。这可以造成激励器例如在箭头222和224 的方向上的激厉力。
在一些实施例中，本发明的激励器可以被构造和布置成使用于生理设 施中、诸如身体内。例如，本发明的一些实施例提供用于将药物施用到身 体中的电化学激励器，如这里所述，这些激励器包括至少一个负电极、至 少一个正电极和物质，其中电化学激励器可以受到施加的电压或者电流， 由此电压或者电流的施加或者其停止包括物质在电化学激励器的至少一个电极中的嵌入，这实现电化学激励器的容积或者尺寸变化。在一些情况 下，容积或者尺寸变化可以在例如经由如这里所述的分配或者注入方法和 其它方法将药物施用到身体中或者将包括药物的流体施用到身体中时是 有用的。
在一些实例中，激励器被浸入包括可以嵌入激励器电极的一部分的物 质的生理流体(例如血、尿、汗等)。在嵌入时，电极可以经历从第一定 向到第二定向的移位。在其它实施例中，物质可以在暴露于生理流体时从 电极的一部分脱嵌到身体中。或者在其它实施例中，物质可以在暴露于生 理流体时氧化或者还原电极的一部分，这可以实现移位。在其它实例中， 可以在身体以外使用激励器，例如激励器可以暴露于从身体除去的生理流 体。
图7是可以在生理设施中使用的激励器的示例离子。激励器2卯包括 正电极292、负电极和定位于两个电极之间的绝缘体296。激励器2卯可 以浸入包括物质299的生理流体298中，该物质可以例如在施加电压或者 电流时以比另 一 电极更大的程度嵌入到 一个电极中或者从一个电极脱嵌。 这可以造成激励器从第 一定向到第二定向的移位。可以才艮据激励器的机械 设计来实现激励器的不同移位模式。例如，激励器可以是束形、摺状、支 架(stent)、盘或者多层堆叠结构的形状。也可以用其它激励器形状和设 计来引起结构从第一定向到第二定向的膨胀、收缩、折叠、扭曲、弯曲、 巻动等。在一些实施例中，激励器可以是医学^物或者诸植入物部件的 形式，如支架、传感器、假体(prosthetic)等
在本发明的另一实施例中，激励器系统包括至少一个电化学电池，该 电化学电池包括负电极、正电极和可以以与电化学电池的第二部分不同的 程度嵌入、脱嵌、合金化于、氧化、还原或者镀覆电化学电池的第一部分 的物质。由于物质与第一和/或第二部分的上述作用之一，第一和/或第二 部分可以在放电时经历尺寸变化，iiit成做机械功的激励器移位。在一些 实施例中，电化学电M构造和布置成在制造时充电而在使用时放电。在 一些实施例中，电化学电池被构造和布置成在制造时充电而在使用之后部 分皿电或者在首次放电之后没有进一步充电。激励器系统可以被构造和 布置成自发地放电。在一些情况下，激励器可以在不同时刻被一次或多次 地放电以引起多次激励。在放电(例如部分放电、完全放电)时可以随意 处理激励器。这样的配置可以对于诸如某些泵、传感器、^物和医疗设 备的便携设备是有用的。本发明的一个实施例包括用于将流体输注到身体中的输注泵。该输注 泵包括至少一个电化学电池，该电化学电池包括负电极、正电极和物质， 其中负电极和/或正电极在充电和/或放电时经历尺寸变化使得流体输注到 身体中。可替选地，输注泵可以在制造时不包括物质，但是在使用过程中 在暴露于物质时输注泵可以执行激励并且注入流体。在一些布置中，输注 泵被构造和布置成自发地放电。这样的设备是自供动力，这意味着在充电 状态下制作设备的电化学电池。该设备可以包括被选择为使得电化学电池 在放电时膨胀或者变形的正电极材料和负电极材料。例如，可以使用如硅
和锡的低成本材料作为在被锂化时膨胀的材料(例如膨胀多达300% )。
包括配发的体积量值和配发持续时间在内的抽运速率可以取决于电 池膨胀或者变形速率，该电池膨胀或者变形速率又可以通过电化学电池的 放电速率来控制。可以通过各种方法来执行放电控制，诸如通过变化用来 电池放电的外部电路的电阻。外部控制可以例如包括电阻器，该电阻器包 括也作为熔断器来工作的薄金属或者接线。这可以用来通过电阻器或者外 部电路允许电化学电池的受控自放电。在一个具体实施例中，可变电阻器 实施于包括固态电路的外部电路中以便控制放电速率和抽运速率。通过变 化电池的外部电阻，可以控制瞬间放电速率和激励速率。
在另 一实施例中，设备的占空比可以变化以便控制移位或者抽运的限 度或者程度。在这一实施例中，用于设备放电或者充电的外部电路可以在 断开与闭合电路或者"接通与关断，，之间重复地切换。也就是说，可以通过 断开和/或闭合与激励器设备关联的外部电路来控制占空比。接通/关断脉 冲的频率和持续时间可以提供移位速率和总移位的控制。例如，如果在外 部短接电路条件之下的设备在时间f表现完全放电，这实现总应变s，从 而在断开与闭合电路条件之间切换，使得在闭合电路中花费的总时间是与 10%占空比对应的其中净应变为e/10。在闭合电路脉冲的持续时间 恒定的实施例中，可以通过变化脉冲频率来控制变形速率。脉冲频率和持 续时间也可以独立地变化以适应i殳备的移位与时间响应关系中的固有非 线性，以便实现想要的激励器或者泵的移位与时间分布的关系。
在其它实施例中，可以将放电速率设计到电池中(例如可以设计自放 电速率)。在一个具体实施例中，使用电化学设备或者电池领域中的技术 人员已知的方法来设计电池的内部阻抗以便产生所需放电速率。在外部短 接电路条件或者电池的外部引线之间的电阻基本上低于电池内部阻抗的 那些条件之下，放电速率并且因此激励速率主要地取决于电池的内部阻
31抗。例如，可以针对使用这里描述的控制方法而引入的某一最;Ui电速率 和更低速率来设计电池，或者可以将电池设计成具有即使在意外短路M 之下仍然提供安全低放电速率的相对高内部阻抗。
可以将设备变形速率和/或数量(以及由这样的设备控制的泵的对应 抽运速率和/或数量)构建到设备中，从而例如一次性4吏用的可丟弃i殳备 在预定"i殳置速率和时间和/或体积抽运。可替选地或者除此之外，可以利 用控制来构造设^f吏得可以在设备的使用过程中变化或者在使用设备之 前在数个不同设置之一之中设置放电/抽运速率和/或程度。在一些实例中， 当可以多次使用设备时，可以在使用之间、在使用过程中等变化放电/抽 运速率和/或数量。通过数字或模拟电路或组合，本领域技术人员能够设 计任何这些特征的设备中的系统。
通过这些和/或其它手段，可以通过控制电化学电池的放电速率来广 泛地变化抽运速率。在一些实施例中，可以远程地控制、例如通过向控制
速率。如果需要则泵可以配发例如大于0.01mL、大于0.1mL、大于lmL、 大于5mL、大于10mL或者大于50mL的不同体积的流体。
泵形式的本发明激励器的应用可以用于如下应用，这些应用包括但不 限于药物或者流体的皮下递送、静脉注射、鞘内注射、向身体递送药物和 流体的其它常用方法、空气清新器或者香水喷洒器和可^UV的药物递送设 备。
例如，众所周知当双金属耦合浸入电解质中时，双金属对之一是阳极 并且优先地没有氧化，而另一个优先地被氧化。 一个例子是锌对铁和钢的 阳极保护。在一个示例实施例中，图8A示出了第一部分302和第二部分 304,第一部分和第二部分由不同材料形成。图8B示出了在浸入水中之 后的同一结构。该结构现在包括层306。如果第一部分包括Fe、第二部分 包括Zn,则在暴露于水时形成包括Zn(OH)2的部分306。在部分302的 反应是2H+ + 2e = H2(g)，而在部分306的反应是Zn + 2(OH) = Zn(OH)2 + 2e。
如图9A-B中所示，激励器310包括第一部分312和第二部分314。 如果在薄层中第一部分由Fe形成而第二部分由Zn形成，则在Zn转换成 Zn(OH)2时,在Zn(OH)2形成期间(例如Zn + 2(Off) = Zn(OH)2 + 2e ) 的体积膨胀将导致自发激励，逸造成弯曲形式的移位，如图9B中所示。 这一 自发激励在本发明的激励器中用来执行机械功。如图10A-B中所示，如果第一部分320由Zn形成而第二部分322由 Fe形成，则在Zn转换时(例如Zn + 2(OH-)-Zn(OH)2 + 2e)，结构318 将开启，如图10B中所示。这一类激励将用于诸如支架、用以减轻脊推 之间压缩应力的扩张盘或者其它结构这样的结构。可以使用通it^流体中 优先吸收离子或者分子物质来简单地扩张的物质来实现相似类型的激励。
本领域普通人员能够选择适合于在本发明中使用的其它双金属对。 在身体中希望避免明显的气体演变。针对某些应用也希望具有经历持 久塑料变形仍有强韧性的材料。在一些实施例中，使用如下激励器可以是 有利的，该激励器在正极材料和负极材料相互电短接并且浸入如下电解质 中时自发地放电，该电解质包含可以嵌入、脱嵌、合金化于、氧化、还原 或者镀覆激励器的至少一部分的物质。
图11A-B示出了在充电状态下组装的并且在出现于电解质中时经历 自发放电的锂离子耦合(例如一个部分包括LiQ.5Co02而另一部分包括 LixTi5012，其中xM)。(作为锂离子耦合的替选方案，激励器可以是在充 电状态下组装的并且在出现于电解质中时经历自发放电的镍金属-氢化物 耦合(例如一个部分包括Ni3+OOH而另一部分包括MHX,其中M是金 属))。图IIA示出了在暴露于电解质之前处于零应变的激励器，而图11B 示出了在暴露于电解质之后的激励器。在放电时，激励器的第一部分膨胀 成比激励器的第二部分更大的体积，由此造成激励器的弯曲(收缩)。因 此，在激励器暴露于电解质时的自发放电可以造成衰减。
图12A-B示出了在充电状态下组装的(图12A)并且在出现于电解 质中时经历自发放电(图12B)的锂离子耦合或者镍金属-氢化物耦合。 激励器的形状造成它在自发放电时膨胀。
可以在本发明的激励器中使用多种类型的材料。例如，当物质为氢时 可以使用钬金属作为电极材料，因为钬金属是很好的氢吸收介质。其它适 当的氢吸收介质包括贵金属。Pt、 Rh、 Ir和Au也是可以用作电极材料的 韧性和坚固金属。在一个具体实施例中，可以通过将例如水合金属接合到 非7jC合金属来制作自开启的支架(或者其它激励器设计)，从而在暴露于 电解质中时氢从一个金属到另 一金属的传送造成激励器的移位。如半导体 器件技术中广泛使用的那样，如图13-14中所示，这一具体方式也可以从 在两个金属之间引入扩散阻挡层中受益，从而避免可以造成在暴露于电解 质之前激励的氢在两个金属之间扩散。图13示出了 (a)在暴露于电解质 之前和(b)在暴露于电解质时的包括两个不同部分以及可选地包括定位于各部分之间的扩散阻挡层的激励器系统，其中该系统经历弯曲或者挤
压，且每个部分包括不同材料(例如金属)。类似地，图14示出了 (a) 在暴露于电解质之前和(b)在暴露于电解质时的包括两个不同部分(各 自包括不同材料(例如金属))以及可选地包括定位于各部分之间的扩散 阻挡层的激励器系统，其中该系统经历结构的弯曲或者开启，且每个部分 包括不同材料(例如金属)。在一些实施例中，铱由于它的生物适应性而 具有吸引力来作为用于形成激励器的至少一部分的金属。
在另一实施例中，例如如图15A-B中所示，本发明的激励器可以包 括铰接结构。激励器可以包括可以优先地嵌入、脱嵌、合金化于、氧化、 还原或者镀覆物质的第一部分342和没有优先地嵌入、脱嵌、合金化、氧 化、还原或者镀覆物质的第二部分344。在一些实例中，第二部分346和 第三部分348由相同材料形成。在激励器暴露于第一物质时，第一部分可 以以与第一和/或第三部分的程度不同的程度嵌入、脱嵌、^r化、氧化、 还原或者镀覆物质，这造成激励器的移位(例如膨胀)，如图15B中所示。 可选地，第二部分346和第三部分348由不同材料形成，并且在暴露于第 二物质时，激励器可以从第一定向移位到第二定向。
可以在各种设置中使用包括第一部分和第二部分的本发明激励器，该 激励器在充电和/或放电时物质以与第二部分不同的程度嵌入、脱嵌、合 金化于、氧化、还原或者银霞第一部分，第一部分经历相对于第二部分的 所得尺寸变化。因而，本发明的激励器可以具有除了上述配置、形状和/ 或设计以外的配置、形状和/或设计。这样的配置、形状和/或设计的例子 包括在美国专利号6,545,384、 5，卯7，2H、 5,954,079、 5,866,971、 5，671,卯5 和5，747，915中描述的配置、形状和/或设计，这些专利均通过引用而结合 于此。
现在描述针对低电压、长寿命电化学激励器设计的考虑。在一些实施 例中，低电压、长寿命电化学激励器的设计包括某些操作标准。在一个实 施例中，提供一种操作如下电化学电池的方法，该电化学电池包括负电极、 正电极、非水电解质和作为物质(例如嵌入物质)的锂。可以操作电化学 电池使得正电极在它的使用充电状态中相对于金属锂具有少于约+4V的 平均均衡电势(或者开路电压(OCV))。负电极在它的使用充电状态中 相对于金属锂具有大于约+0.2V的平均电势。电化学电池可以与可以从第 一定向移位到第二定向的部件有操作关系。电化学电池的操作可以造成电 化学电池的容积或者尺寸变化。在向电化学电池施加少于约10V的电压时，该部件可以根据电化学电池的容积或者尺寸变化从第 一定向移位到第 二定向。
如下文更具体所述，在正电极的过高电势可能导致在正电极的集电器 和/或活性材料的电化学腐蚀。在一些情况下，高电势也可能造成非水电 解质或者盐的降解，这可能导致电解质传导率的损失和/或电池内不希望 的副作用。这样，本发明的某些电化学电池可以被操作成在电池的充电状
态中具有少于约4V、少于约+3.5V、少于约+3.0￥或者少于约+2.5￥的平 均均衡电势。
下文也描述了 (例如在它的使用充电状态中相对于金属锂的)过低平 均均衡电势可能造成负面效应，诸如负电极集电器的电化学腐蚀或者锂金 属的沉积。因而，可以操作电化学电池使得负电极具有大于约+0.2V、大 于约+(K5V、大于约+1.0V或者大于约+1.5V的平均均衡电势。依赖于具体 的电化学电池，可以分别选择正电极和负电极的平均均衡电势的最大值和 最小值范围。例如，在一个实施例中，正电极具有少于约+3.5￥的平均均 衡电势，而负电极具有大于约+0.5V的平均均衡电势。在另一实施例中， 正电极具有少于约+3.5V的平均均衡电势，而负电极具有大于约+1.0V的 平均均衡电势。在又一实施例中，正电极具有少于约+3.5V的平均均衡电 势，而负电极具有大于约+1.5V的平均均衡电势。在又一实施例中，正电 极具有少于约+3.0V的平均均衡电势，而负电极具有大于约+0,5V的平均 均衡电势。当然，可以选择用于正电极和负电极的其它平均均衡电势范围。
在某些实施例中，操作电化学电池可以涉及到将少于约10V的电压 施加到电化学电池并且根据电化学电池的容积或者尺寸变化将部件从第 一定向移位到第二定向。如下文更具体讨论的那样，施加的电压(即^^t 电压)一般为低以便增加电化学激励器的循环寿命。因而，操作电化学电 池可以包括施加少于约IOV、少于约8V、少于约7.5V、少于约6V、少 于约5V或者少于约4V的电压。然而应当理解，对于在短暂时间的持续 时间内要求高功率激励的某些时段，施加的电压可以高于施加的稳态电 压。因而，可以用少于约10V、少于约8V、少于约7.5V、少于约6V、 少于约5V或者少于约4V的施加电压来操作电化学电池的大于95%的操 作寿命。在其它实例中，可以在这样的电压操作电化学电池的大于卯％、 大于80%、大于70%、大于60%或者大于50%的操作寿命。
以下针对非水电解质锂电化学电池的设计来具体地描述针对低电压、 长寿命电化学激励器设计的考虑。然而应当理解这些原理也可以应用于用作激励器的任何电化学电池。
用于在用作激励器的电化学电池中传送包括离子物质在内的物质的 驱动力可以是过电势(在充电过程中)或者欠电势(在放电过程中)，过 电势和欠电势分别为在某一电荷状态时在电池的均衡或者静止或者开路
电压(OCV)以上或者以下的施加电压的量值。如果电势与各化合物；c (:农,复)的关系;是已知的并且如果i奮如阴扭_与阳扭_材料之比和离子物质在
循环过程中的不可逆损失程度这样的电池参lblL已知的，则本领域普通技 术人员可以容易地才艮据电荷状态确定OCV。例如，LiCoOr石墨电池可以 具有随着电荷状态而在约3.9V与约3V之间连续地变化的OCV，而 LiFeP04-石墨电池在大的电荷状态内具有约3.3V的接近恒定的电压。
为求高的激励速率，可能希望在充电状态过程中具有大的过电势而在 放电过程中具有大的欠电势。另一方面，这里也认识到向电化学电池施加 的电势的范围可能由于若干原因而尤其在许多放电/充电循环中影响电池 的性能和寿命。在操作电压范围的高端，认识到过高电势可以造成在正电 极的电流集电器(诸如铝)或者活性材料的电化学腐蚀或者非水电解质或 者盐的降解。这可能导致电解质传导率的损失或者电池内所不希望的副作 用、诸如形成气体。在操作电压的低端，过低电势可以造成负电极集电器 (诸如铜)的电化学腐蚀或者锂金属的沉积，如果在负电极的电势达到金
属锂稳定时的电势则出现后一情况。因此，为求高的激励速率以及为求用 于激励的非7jC锂电化学电池中的稳定性和长寿命，可能希望具有相对低的
OCV使得可以在充电过程中施加高的过电势而没有达到电解质系统或者 正集电器的稳定限制。然而，低OCV不应过低；否则，在放电过程中施 加的高的欠电势可能达到阳极集电器(诸如铜)溶解时的电势，或者这可 以造成金属锂可能被镀覆。对用于满足这些标准的正电极和负电极的活性 材料的选择是重要的，因为可能希望在本发明的电化学电池中提供高激励 能量和功率。
在一些实施例中，希望具有如下正电极材料，该正电极材料具有高速
率和高应变以;M目对于金属锂测量的少于约4V的OCV。在其它实施例
中，相对于锂测量的OCV少于约3,5V、少于约3V或者少于约2,5V。这 样的正电极材料的非限制离子包括以LiFeP04、 TiS2、 TaS2及其合金和在 组成上有修改的形式为基础的电极化合物。在一些情况下，电化学电池包 括如下负电极材料，这些负电极材料具有高功率以及在所用组成范围中相 对于金属锂为至少+0.1V的OCV。在其它情况下，OCV为至少+0,5V或
36者更多。例如，在与正电极材料一起使用时石墨可以是适当材料使得净应 变存在。另一适当材料包括在锂化时具有在大的锂组成范围中相对于金属
锂约为1.57V的近恒定电势并且具有几乎零体积变化的LixTi02尖晶石， 例如起始组分的Li4Ti5012。因而，这可以允许在正电极的体积变化用于 激励。在一些实施例中，以正电极材料和负电极材料的此类组合为基础的 电化学电池具有通常少于约3.5￥的电池0<:￥。当然，有可能具有在电池
于金属锂没有过高的正电极电势和没有过低的负电极电势的上述条件。
当这样的电池用于电化学激励时，施加的过电势和欠电势可以实现在 电池OCV之上的充电电压和在电池OCV之下的放电电压。然而，电池 的操作电压的绝对值一般保持为低。例如，^作电压的绝对值可以少于约 IOV、少于约7.5丫、少于约5￥或者少于约3.5￥。应当注意，为求在短暂 时间持续时间内的高功率激励，施加的电压可以是脉冲性质并且可以安全 地明显高于通常将对这样的电池造成电化学损坏的稳态电压。然而，为了 在维持电池电压的条件之下的操作电化学电池以获得长寿命，施加的电压 可以实现相对于金属锂少于约5V、少于约4.5V或者少于4V的在正电极 的电势。可以通过使用基于诸如LiFeP04、 LiTiS2和LiTaS2这样的化合 物的正电极材料来实现这一点。
现在描述用于高机械能量密度、高功率电化学激励化合物的选择标 准。激励化合物的理论机械能量密度由方程1/2 &2给定，其中五是弹性 模量而s是在具体操作IHf之下可引起的应变。因此，高应变和高弹性模 量的材料具有用于在本发明的电化学电池中提供高能量密度的电势。
关于电化学激励器，这里认识到获得的应变并非需要随着电化学电池 中的嵌入或者合金化物质的浓度而呈线性。如在通过引用而结合于此的美 国专利申请第11,796,138号中所述，例如在嵌入化合物LWTiS2的应变对 比Li浓度x的曲线图中，曲线的斜率在低Li浓度最陡。因而，如果希望 为用来操作激励器的给定电能获得最大机械能和/或从激励器获得最高机 械功率，则在使用Li;TiS2作为电化学激励化合物时希望在A:约为0至0.4 的范围中操作。后者根据如下考虑嵌入物质数量x是电流与时间的乘积， 从而对于具体操作电流，对于给定x值而言具有更高应变的化合物获得更
也认识到电化学激励器的机械功率可以视电化学电池的速率能力(例 如充电或者放电速率)而定。可以通过选择高离子传导率的电解质和/或设计电池使得离子或者电子扩散长度为短来获得高速率能力。例如对于基 于粒子的电极，可以希望是细微粒子尺寸以便减少扩散长度并J^目应地减 少扩散时间。
材料的传送性质因此也可以是用于设计电化学激励器的重要选择标 准。例如，负责体积变化的离子物质的化学扩散系数可以被选择为高。本
发明的一个实施例表明了由方程V2 ￡s2D给定的可以作为用于比较不同材 料的品质因数的"功率因素"，其中"是感兴趣的材料中的离子物质的化 学扩散系数。图4比较不同材料的功率因素与它们的比重。注意高功率因 素和低比重^材料作为电化学激励器可以在所有其它条件相等时提供更 高功率系数。例如，如TiS2和TaS2的层状二石克属元素化物才艮据这些标准 可以是特别有用的电化学激励化合物。
发明人已经认识到激励领域中感兴趣的品质因数也包括作为每单位 体积可用机械功率的功率密度和作为每单位质量可用机械功率的功率系 数。在多数激励应用中希望使两个值最大。应当注意电化学激励器的功率 密度要求考虑离子物质在电化学激励器的操作过程中传送的特征扩散长 度。尽管传送长度包括电极之间、经过电极孔隙和跨过隔离器的长度，但 是激励速率没有超过扩散传送到材料本身中所必需的时间。因此，粒子尺 寸(对于基于粒子的激励器)和化学扩散系数均为重要因素。为了在相等 基础上比较材料，假设材料可以加工成具有相似粒子尺寸，功率密度可以 被定义为数量V2 (五e力u/V)而功率系数定义为V2 (￡s2x2A/)u)，其中x是 粒子尺寸(例如半径或者直径)。图4比较不同材料的功率密度及其比重， 而图6比较不同材料的功率密度及其功率系数。根据这些选择标准可以选 择用于电化学激励器的适当材料。例如如TiS2和TaS2的层状二硫化物可 以是特别有用的电化学激励化合物。
在一个实施例中，本发明的电化学激励器利用至少两个(例如第一和 第二)协同工作的电化学激励器，使得当一个电化学激励器充电(例如为
了产生有用机械功)时另一电化学激励器放电或者反之亦然。例如，系统 或者设备可以包括在关于彼此的相对布置中配置的第一电化学电池和第 二电化学电池，使得第一电池的放电实现第二电池的充电而第二电池的放 电实现第一电池的充电。本文也包皿构造和布置成通过第一电化学电池 和第二电化学电池中至少一个的充电和/或放电从第一定向移位到第二定 向的部件。当然，包括在关于彼此的相对布置中配置的电化学电池的结构 可以包括在相对布置中配置的多组这样的电化学电池、例如大于2、大于
385、大于IO、大于20或者大于50对电化学电池。这样的电池可以相对于 彼此串行或者并行操作。虽然先前在有源结构中已经使用成对的相对激励 器(因为多数激励器在拉伸时比在压缩时工作更好或者反之亦然)，但是 在本发明的电化学激励器中使用这样的设计仍然有额外益处。电化学激励 器在它们执行机械功的同时存储或者释放电能，并且如果这样的电能耗散 (例如以通过电阻器对电能进行耗散的热形式)，则激励器或者激励器系 统的能量消耗可能为高。然而，通it4激励器之间往返电能使得在一个激 励器充电时另一激励器放电来大量地节约电能。定位成使得各电化学激励 器可以对另一电化学激励器施加力的相对电化学激励器的另一益处在于 可以通过对相对激励器中的一个或者两个进行充电或者放电来控制激励 器上设置的应力。例如，这一布置可以允许控制激励器上的预应力以优化 激励器的激励力、蠕变(creep)和/或顺应性。又一益处在于当可以对相 对激励器独立地充电或者放电时提高激励器的定位准确性。
典型电化学电池包括如下电极(例如阳极)，在充电过程中该电极膨 胀而另一电极(例如阴极)收缩或者在放电过程中反之亦然以便减少电池 中的体积变化量。这对于某些应用可能g:有利的，因为小的体积变化可以 例如减少电池内某些层的分层。然而在本发明的一些实施例中，两个电极 在充电或者放电过程中均膨胀或者一个电极没有收缩而另一电极膨胀是 有利的。有利地，这样的配置允许最大能量用于激励而不是在抵消另一电 极时浪费掉。
因而，另一实施例包括如下电化学电池，该电化学电池包括阳极和阴 极，该阳极和阴极被构造和布置成使得在电极之一体积膨胀至少1%的循 环过程中另一电板基本上没有收缩。在其它实施例中，电极之一体积膨胀 至少0.5%、至少2%或者至少4%而另一电板基本上没有收缩。例如，当 阳极或者阴极之一膨胀时，另一个体积可以膨胀或者可以不变。部件可以
与这样的电化学电池有^Mt关系，并且该部件可以通过电化学电池的充电 和/或放电从第 一定向移位到第二定向。可以通过将适当材料用于阳极和 阴极来实施阳极和阴极的这种同时膨胀或者一个电极膨胀而另一电极没 有收缩。
在一些情况下，电极可以自发地释放物质(例如锂)，这造成电极的 膨胀或者收缩和/或设备的 一个或者多个部件从第 一定向到第二定向的移 动。表现自发放电的电极材料在本领域中是已知的并且在希望设备的具体 "默认"状态情况下、例如在电化学电池的有意或者意外短路情况下可以是有利的。
适合于用作电极的材料包括诸如金属、金属氧化物、金属硫化物、金 属氮化物、金属合金、金属间化合物、其它包含金属的化合物、其它无机 材料(例如碳)等电活化材料。在一些情况下，电极可以有利地包括具有 高弹性模量的材料。在一些情况下，材料可以能够如这里所述在与物质反 应时经历体积或者其它尺寸的变化。在一些实施例中，电极可以包括诸如 单晶体或者多晶体的包括晶体结构的材料。在一些实施例中，电极可以包 括无定形或者无序结构。
在一些情况下，形成阳极的材料包括铝、银、金、硼、铋、镓、锗、 铟、铅、锑、硅、锡中的一个或者多个。在一些实施例中，形成阳极的材
料可以包括Li4Ti5012或者其任何合金或者掺杂组成。可以形成阴极的材 料的例子包括LiCo02、 LiFeP04、 LiNi02、 LiMn02、 LiMn204、 Li4Ti5012、 TiSi2、 MoSi2、 WSi2、 TiS;j或者TaS2或者其任何合金或者掺杂组成。在一 些情况下，形成阴极的材料可以包括TiS2或者TaS2。在其它实施例中， 形成阴极的材料可以包括LiMP04,其中M是一个或者多个首行过渡金 属(例如Sc、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu或者Zn)或者其任何 合金或者掺杂组成。在一些情况下，阴极包括碳，其中碳可以是石墨、碳 纤维结构、玻璃碳结构、高定向热解石墨、无序碳结构或者其组合的形式。 包括这样的材料组成的电化学电池可以在例如相对于金属锂的电势小于 +4V的上述阴极电势操作。阳极电势可以选自于例如相对于金属锂的电势 大于+0,5V的上述电势。
在一些情况下，形成电极的材料可以包M布于材料内的物质。例如， 电极可以包括一定数量的物质，从而电极可以作为设备内的物质源来工 作。在一些实施例中，衬底或者其它支撑材料可以与物质>^应以引起容积 或者尺寸变化。例如，硅晶片或者其它金属或者包含金属的衬底可以被锂 化使得在电化学电池的放电/充电时出现容积或者尺寸变化。
用于在本发明的电极中使用的材料可以被选择成在与物质反应(例如 锂化和脱锂)时表现某些性质。例如，材料可以被选择成在使用于如这里 所述电化学电池中时表现某一类型或者数量的容积或者尺寸变化(例如激 励)。本领域普通技术人员将能够使用简易筛选测试来选择这样的材料。 在一些情况下，材料的性质和/或行为可以是已知的，并且本领域普通技 术人员将能够例如基于所需容积变化量来选择材料以适合具体应用。如 A. Yamada等人在J. Electrochem， Soc.， 148， A224 (2001)中所述，例如已知的磷-橄榄石Li(Fe,Mn)P04的可逆锂嵌入基于Fe/Mn的比例产生 7.4-10%的体，变化,。在一些情况下，可以通it^电化学电池内并入作为
在一些情况下，可以基于材料与物质反应的能力来选择电极材料。例 如，当锂是物质时，可以基于材料在充电/放电时迅速地和/或可逆地接收 锂粒子(例如锂化)和/或放出锂离子(例如脱锂)的能力来选择材料。 也可以通过了解离子传送到材料中的速率来确定物质与材料的可逆反应 关联的对应应变。可以在实验上测试或者使用诸如离子扩散系数、离子和 电子传导率以及表面反应速率系数这样的性质的列表或者估计值在理论 上进行这样的确定。本领域技术人员将能够使用此信息来选择用作电极的 适当材料。
可以通过本领域中已知的方法来制作电极。在一个实施例中，可以从
包含聚合物粘合剂和/或如碳的传导添加剂的基于粉末的悬浮体浇铸电极 材料。可以在高压(例如每线性英寸数吨)之下滚压(例如辗轧)悬浮体 以形成具有所需活性材料体积百分比的密集紧致层。
适合于用作电解质的材料包括能够起到用于存储和传送离子的介质 并且在一些情况下起到阳极与阴极之间隔离物的作用的材料。可以使用能 够存储和传送离子的任何液体、固体或者凝胶体材料，只要材料相对于阳
离子(例如锂离子)。电解质可以不导电以防止阳极与阴极之间短路。
电解质可以包括用以提供离子传导率的一个或者多个离子电解质以 及包括一个或者多个液体电解质溶剂、凝胶体聚合物材料或者聚合物材 料。在一些情况下，电解质可以为非水电解质。合适的非水电解质可以包 括有机电解质，这些有机电解质包括液体电解质、凝胶体电解质和固体电 解质。例如Dorniney在Lithium Batteries (New Materials, Developments and Perspectives,第4章第137-165页，Elsevier, Amsterdam (1994)) 中以及Alamgir等A^ Lithium Batteries (New Materials, Developments and Perspectives,第3章第93-136页，Elsevier, Amsterdam (1994 ))中 描述了非水电解质的例子。非水液体电解质溶剂的例子包括但不限于非水 有机溶剂，如例如N-甲基乙酰胺、乙腈、缩醛、酮缩醇、酯、碳酸盐、 砜、亚硫酸盐、环丁砜、脂族醚、环醚、甘醇二甲醚、聚醚、磷酸酯、硅 氧烷、二氧戊环、N-烷基吡咯烷酮、其取代衍生物(例如其商化衍生物) 及其组合。
41在一些实施例中，电化学电池还可以包括定位于系统或者i殳备内、例 如定位于阴极与阳极之间的阻挡层或者隔离物材料(例如层)。隔离物可 以是将阳极和阴极相互隔离或者绝缘从而防止短路并且允许在阳极与阴 极之间传送离子的材料。适合于用作隔离物材料的材料包括具有高弹性模 量和/或高硬度(例如刚性)的材料、电绝缘的材料和/或具有足以经受高 压力、重量和/或应变(例如负载)而不丧失功能的材料。在一些情况下， 隔离物层可以是有孔的。隔离物材料的例子包括电绝缘的玻璃、陶瓷、硅 酸盐陶瓷、堇青石、氧化铝、铝硅酸盐或者其它混合金属氧化物或者氮化 物或者碳化物。在一些情况下，隔离物层可以包括聚合材料。例如包括弹 性材料的隔离物层可以在允许一个或者多个部件之间的剪切运动时是有 用的。
在一个实施例中，可以使用陶瓷处理或者涂覆技术领域中的普通技术 人员已知的如下方法在组装层之前在一个或者两个电极的表面上将有孔 隔离物材料浇铸为粒子或者浆层，这些方法诸如是喷涂沉积、刮刀涂覆、 丝网印屌'J 、网涂覆、间隔反转(comma-reverse )涂覆或者槽模(slot-die) 涂覆。
本发明的设备还可以包括用以适合具体应用的附加部件。例如，本发 明的设备可以包括电源、集电器(诸如包括传导材料的集电器)、外部封 装层、隔离物层等。封装层可以包括电化学绝缘材料或者其它保护材料。
在用作激励器之前可选地预处理或者处理该系统或者设备。设备的预 处理可以增强设备的机械性能、現复、激励能量密度、激励应变、可逆性 和/或寿命和/或可以减少蠕变变形和应变迟滞。在一些情况下，设备或者 其一个或者多个部件可以受到流体静压力和/或单轴应力以加固设备的材 料和/或部件和/或减少自由体积量。在一些实施例中，施加的压力可以是 10,000psi、 20，000psi， 30，000psi、 45，000psi或者更大。应当理解任何数量 的施加压力可以用来预处理i殳备从而防止i殳备的内部故障和/或可以实现 设备性能的改进。
以下例子旨在于说明本发明的某些实施例、但是将不理解为限制本发 明的范围也没有例示本发明的完全范围。
例l
自供动力式电化学泵在这一预示例子中，可以使用本发明的激励器作为用于胰岛素疗法的 自供动力式电化学泵。
第1类糖尿病临床治疗通常是胰島素疗法，其中根据定期的血糖测量 来组合使用长效和短效胰岛素的注射。治疗可以包括包含连续皮下胰岛素
输注(CSII)的胰岛素输注泵疗法，该疗法通过微导管从微型处理器控制 的泵配发i^i^效的胰岛素。 一些现有泵可以连续地配发迅il^效胰岛素 并且可以在餐前或者餐后提供递增剂量。输注设置每三日一变，因而相对 于常规的每日多次注射(MDI)治疗法而言、有效注射次数显著地减少。 迅^效胰岛素的独有使用获得了大大改进的剂量可预测性，只要胰岛素 长效形式通过在皮肤以下形成贮库来起作用。然而，胰岛素从这样的贮库 释放的速率可能视诸如物理活动这样的因素而明显地变化。自供动力式电 化学泵可以解决有效注射次数减少和胰岛素释放速率变化的问题。
自供动力式电化学泵可以被设计成在72小时的时段中递送2.0mL有 效载荷。图16示出了用于自供动力式电化学泵350的示意设计。负电极 355提供锂源，而正电极360;U^胀元件。电池是电化学平衡的，从而负 电极中的可用锂可以使正电极膨胀。可以设计泵用于正电极的300%体积 膨胀，这与活塞一样产生将力递送到激励板的纵向移位，该激励板又将压 力施加到包含胰岛素溶液的储蓄器365。正电极的竖直移位可以取决于它 的宽JL/高度纵横比(这里假设为2:1)和体积变化。电解质可以是标准非 7jC锂电池电解质。封装可以是与当前用于可再充电锂离子电池的封勤目似 的聚合物封装。
有利地，可以通过选择用来形成正电极的适当材料来控制胰岛素溶液 的释放速率。例如，对于具有^JL相对低的正电极材料的电化学泵，正电 机可以在放电时緩慢地移位到它的新均衡位置。这可以实现向储蓄器緩慢 施加力，由此将胰岛素緩慢输注到身体中。
泵可以具有8.6mL的体积，该体积将允许〈15mL的总设备体积。14.5g 的泵质量应当允许约20g的总设备质量。利用对材料和电解质的适当选 择，这一泵设计可以按所需基础速率在72小时期间递送胰岛素。为求与 约C/5(即电池的全部容量释放5小时)的电池放电速率对应的药丸速率， 可以并入额外的设计改进。除此之外和/或取而代之，泵可以具有与用于 现有连续输注泵的规^^相似的M^。例如，诸如Lilly产品Lispro⑧的迅 速起效胰岛素封装成浓度为每亳升100单位的溶液。典型基础胰岛素水平 可以在每小时0.5到1.5单位之间调节。餐服药丸剂量可以包括消耗每10g碳7JC化合物为l单位，因而可能希望餐服最多IO单位。iJkit起效胰岛素 的药效学表明在15分钟内递送该剂量。任何更久的递送可以看到与同一 数量皮下注入的一些差异。因此，递送峰值速率是15分钟内O.lmL体积。 横截面积为6.5cm2的储蓄器的线性压缩要求15分钟内0.015cm或者每秒 0.167微米的最大移位速率。胰岛素溶液的每日总有效载荷必需约为50 单位或者O.SmL。因此，三日供应量需^^积为1.5mL的有效载荷。
例2 电化学激励器
在这一预示例子中，电化学激励器包括压电双晶片结构，该结构包括 粘合到铜层的在尺寸活性锂存储材料层。铜层基本上没有与锂合金化或者 嵌入,而在电化学电池的操作电势铜层在电化学上是稳定的。这一压电双 晶片结构形成电池的正电极。铜层也可以充当正电极集电器并且可以在最 终的密封电池以外延伸以形成接头或者电流引线或者可以接合到在电池 以外延伸的接头或者电流引线。负电极是粘合到或者沉积于用作为负集电 器的铜层上的锂金属层。定位于两个电极之间的是有孔隔离物膜，例如诸 如在锂离子电池的构造中使用的玻璃纤维布或者有孔聚合物隔离物。层状 电池中灌注诸如在锂原电池或者可再充电电池技术中常用的电解质的非 7JC锂传导液体电解质或者非水电双层电容器。例子包括如下溶剂，该溶剂 包括碳酸亚乙酯和碳酸二亚乙酯体积比为1:1的混合物,其中已经添入作 为锂传导盐的浓度为1M的LiPF6,或者已经添入相同LiPF6盐的作为溶剂 的乙腈。
电化学激励器密封于聚合物封装中。在组装时电池处于充电状态，其 中锡正电极具有比锂金属负电极更低的锂化学电势。在连接正集电器和负 集电器从而电流在两个电极之间流动时，锂离子电流在内部从锂流到锡。 锡与锂的合金化实现在锡饱和于锂时可以达到接近300 %的体积膨胀。当 锡层由于与锂合金化而体积增加时，它粘合到的铜层提供机械约束，并且 压电双晶片经历移位(例如弯曲)。在负电极，锂的损失也可能导致小的 应力，但是因为锂在室温附近有高韧性,这一应力比正电极的应力小得多。 因此，整个电池由于包括正电极的电化学激励器上的锡层体积变化而经历 挠曲。电池的挠曲又将压力施加到定位成与激励器相邻的药物储蓄器。药 物储蓄器包含包括药物的流体并且由诸如嚢状物的可变形装置围绕。施加 的压力造成从储蓄器配发药物。电化学压电双晶片挠曲
在这一预示例子中，例2的压电双晶片结构被制作成如图3A-C中所 示半圆或者"U"形挠曲的形状。该挠曲的一端锚定到配发i殳备的支撑或者 壳，而另一端在压电双晶片经历挠曲时自由移位。在电化学电池放电时， 该挠曲向外延伸，并且该挠曲的自由端将力施加到包含药物的嚢状物从而 经过孔或者阀从嚢状物配发药物。
例4
具有内置放大的自供动力式形变激励器
在这一例子中制作电化学电池并且研究它在施加电压或者电流时激 励的能力。在7501bf之下在直径为V2英寸的模具中通过-325网状锡粉末
(99.8%[金属基本成分，Alfa Aesar)按压有孔丸。丸重量为0.625g并 且被测量成具有0.89mm的厚度。通过在180。C在空气熔炉中将组件加热 30分钟、 <吏用BiSnAg焊料(Indium Corporation of America)和助熔剂 #5RMA (Indium Corporation of America)将丸焊接到厚度为15微米的 铜箔。使用这一电极组件作为电化学电池中的正电极，而使用锂箔
(~0.8mm厚度，Aldrich)作为负电极。
两层Celgard 2400隔离物用来隔离锡正电极和锂箔负电极。锂箔电 极附接到也由15微米厚的铜箔制成的集电器。使用由在碳酸亚乙酯、碳 酸亚丙酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯(体积比为4:1:3:2)的混合溶剂中 溶解的1.33MLiPF6组成的液体电解质。使用热密封物将电池密封于由聚 乙烯装袋材料制成的封套中。在组装时电池的开路电压为2.8-2.9V, 明它处于充电状态。在放电时电池电压迅速地下降到相对恒定值 0.5-0.4V,这是Sn-Li电化学耦合的特征。
电池通过连接正集电器和负集电器的1欧姆电阻器而放电。与锡盘和 锂箔的平面垂直测量移位，而^f吏用来自Micro-Epsilon的线性可变差分变 换器(LVDT )来测量放电的电池。通过与LabView( National Instruments ) 接口的National Instrument NI-USB 6009数据采集设备来测量读数。图 17示出了才艮据时间的来自这一实验的所得移位的曲线图。在LVDT的少量施加力之下产生的由锂和隔离物造成的初始少量压 缩之后，激励器在ll小时的时段中随着它放电而延伸1.8mm。这一绝对 移位按照约为二的因子超过Sn丸的初始厚度。在测试之后对分解的激励 器的检验表明已经出现放电，其中锂从负电极腐蚀并且与来自一侧的锡丸 合金化。容易地观测到激励器的移位归因于圃柱形锡丸变形成"杯形"形 状，其中凸表面为面向隔离物和锂电极的一侧。因此可见锡丸的形状形变 归因于丸上产生的差动应变，、其中面向锂电极的一侧经历，胀。在变形，
的情况下可以支撑多于lkg的负载。因此，激励器基本上具有a,与在 可以经过一个或者多个针或者微型针配发流体的药物递送应用中 一样,这 对于诸如填充流体的嚢状物的配发或者抽运的应用将是有用的。通过在这 样的填充流体的嚢状物附近放置这一例子的激励器并且将整体装入刚性 容器中，可以实施药物递送设备。
这样的药物注射设备例如对于胰岛素的3日(72小时)递送将是适 合的。诸如Lilly产品Lispro⑧的i^t^效胰烏素一般封装成浓度为每毫 升100单位的溶液。胰岛素溶液的每日总负荷可以约为50单位或者 0.5mL。因此，具有三日供应量的泵可以容纳 2.0mL的总体积。例如， 在这一例子中描述的激励器产生多于1.5mm的移位，该移位在作用于面 积为13 112的储蓄器时可以容易地获得所需2.0mL体积。典型基础胰岛 素水平可以在每小时0.5到1.5单位之间调节。餐服药丸剂量可以包括消 耗每10gm碳7jC化合物为1单位，因而可能希望餐服最多10单位。M 起效胰岛素的药效暗示可以在15分钟内递送该剂量。因此，递送峰值速 率可以对应于在15分钟内总体积的5 o/。。进行1.5mm的移位对应于2mL 胰岛素负荷的完整递送，在这一例子中的激励器可以容易地满足药丸速率
要求。为了减緩速率以满;L&础速率要求，可以实施如下文在例7中所述
外部负载电阻或者占空比控制的增加。
通过证实由于电极上产生差动应变所致的电化学激励,这一例子可以 证实本发明某些实施例中的电化学激励器和药物递送设备。激励器在电池
并且事实上符号与电池的净体积变化相反。比较各种LixSn合金中锂的部 分摩尔体积与纯锂的摩尔体积，观测到纯锂具有更大摩尔体积，因此其中
锂为负电极的电池的放电实现净体积减少。例如，Li/Sn化学计量相对低 的化合物Li2.5Sn具有38.73cm3 mol"的摩尔体积。由于纯Sn金属具有 16.24cm3 mor1的摩尔体积，所以与化合物的差异22.49cm3 mol-1是由Li2.5Sn中的2.5Li占据的体积。比较而言，纯Li的摩尔体积是13.10cm3 mor1，从而2.5摩尔锂金属将具有32.75cm3的体积。因此，电池完全放电 以在正电极侧上形成Li2.5Sn将实现2.5摩尔锂从Li电极传送到Sn，这实 现设备体积的净减少。类似地，化学计量相对高的化合物Li4,4Sn中Li的 摩尔体积是42.01cm3 mol1 ，而4.4摩尔的纯Li金属具有57.62cm3 mol1 的体积。同样，这样的电池的放电实现净体积减少。尽管在放电时有负体 积变化，但是仍然出现在这一例子的激励器中观测到的向外或者正移位。 激励器的挠曲或者"挤压"模式的变形放大由于丸上的差动应变所致的变 形。
例5
电化学激励器的恒流放电
在以下例子中研究电化学电池的恒流放电。利用在有孔锡丸与铜集电 器之间作为接触来使用的传导铜粘合带而不是焊料来制作如例4中所述 电化学电池。使用Maccor 4300电池测试器(Maccor)对电池进行恒流 放电(恒定放电电流)。锡丸重量为0.628g并且被测量为具有1.06mm的 厚度。假设所有锡被锂化成化合物Li4.4Sn,丸的理论容量为624mAh。在 组装时电池的开路电压为2.8-2.9V,这表明它处于充电状态。电池在 0.88mA放电至O.OIV。放电容量为56.22mAh，这表明电池在63.6小时的 放电时间内放电至它的理论容量的仅9%。然而，观测到锡丸已经以与例 1中的激励器相同的方式挤压成近似相同的变形。这一例子证实如果在外
的电流受限控制,
例6
电化学压电双晶片激励器
通过用Kapton粘合带掩蔽厚度为50微米和面积为40mmx5mm的 铜箔的 一侧并且将箔蘸入熔融锡中以用锡层涂覆一侧来制作压电双晶片 电极。有望在锡的电化学锂化时由铜箔提供的约束将实现压电双晶片结构 的弯曲或者"巻曲"，其中凸起侧为锂化锡。使用这一压电双晶片作为正电 极来组装与例4和例5中的电化学电池相似的电化学电池，并利用面向隔 离物的锡层和锂箔负电极来组装。在组装时电池的开路电压为2.8-2.9V,ii^明电池处于充电状态。电池以0.089mA的电流被恒流放电至O.OIV。 放电容量为7.7mAh，这代表就约10微米的锡层厚度而言约50。/。的放电 状态并且假设Li4.4Sn的完全锂化组成。在放电之后分解电池并且锡-铜压 电双晶片电札泉压电双晶片的所有自由边缘基本上表现弯曲，这证实了形 状形变。
在其它实验中，厚度为0.05mm( 99.999 % [金属基本成分，Alfa Aesar) 和O.lOmm (99.99 %金属基本成分，Alfa Aesar)的锡金属箔样;^自接 合到15微米厚的铜箔，这形成面积为20mmx5mm的平坦压电双晶片电 极。使用两层Celgard 2400隔离物以隔离锡/铜压电双晶片正电极和 0.4mm厚的锂箔(Aldrich)负电极来构造电化学电池。对于各电池，锂 箔电极附接到也是由15微米厚的铜箔制成的集电器，并且使用由在碳酸 亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸二曱酯和碳酸甲乙酯(体积比为4:1:3:2)的 混合溶剂中溶解的1.33MLiPF6组成的电解质。使用热密封物将各电池密 封于由聚乙烯装袋材料制成的封套中。
使用Maccor 4300电池测试器(Maccor)对电池进行恒流放电。使 用O.lOmm厚的锡箔制作的电池在0.4178mA放电至O.OIV。放电容量为 1.65mAh (理论放电容量的4% )。在图19中示出了用于这一器件的放电 分布。在拆卸时观测到压电双晶片电极在所有自由边缘已经"巻曲"，这证 实严重形变。
使用0.05mm锡箔制作的电池在0.4076mA放电直至放电容量为 1.65mAh (理论容量的4% )。在图20中示出了用于这一设备的放电分布。 与O.lOmm锡箔压电双晶片相似，这一设备在分解时也在压电双晶片的所 有自由边缘表现弯曲。
这些例子证实本发明的各种电化学压电双晶片激励器。这些结果也表 明可以无需将本发明的电化学电池完全l改电以便获得明显形变，而理论 电池容量的仅少量百分比放电所实现的差动应变可能足以实现所需激励
例7
电化学激励器的占空比控制
设计与例1中所述设计相似的电化学激励器进行占空比受控放电以 便获得緩慢变形速率。占空比由电子继电器(Radio Shack)控制，该继 电器是通过来自Maccor 4300电池测试器(Maccor)的电流控制来接通和关断的并且在电化学电池的端子与l欧姆外部负载电阻器串联连接。继
电器在从电池测试器接收电流之时闭合而在电流中断时断开。配置20% 的占空比，其中电流在200ms的总时段之中的50ms内接通。图18示出 了用于通过20 %的占空比来控制的电化学形变激励器的移位曲线的曲线 图。图18中所示设备的所得移位证实激励器在低受控速率的变形。如这 里所述， 一种获得受控低变形速率的可选方法可以是通过更高电阻的外部 负载对图18中的激励器进行放电。
例8
具有更大驱动电压的自供动力式电化学激励器
在一些境况之下，即使存在明显电 Ml化，诸如当需要充足驱动电压 时，可能希望比利用锡和锂金属的先前例子的平均放电电压更高的平均放 电电压。由于锑比锂金属相对更高的开路电压(~0.95V)，锑可以是用于 这样的应用的有用形变电极材料。使用-325网状锑粉末(99.5%[金属基 本成分],AlfaAesar)而不是锡粉末如例1中那样制备电化学设备。在直 径为V2英寸的模具中在22501bf按压锡粉末。所得丸为0.687g和1.31mm 厚，这与454mAh的理论容量对应。样本在3.025mA的电流恒it^L电至 O.OIV。放电容量为49.98mAh (理论容量的11°/。)并且实现锡丸的严重 变形。
尽管这里已经描述和图示了本发明的数个实施例，但是本领域普通技 术人员将容易地设想用于执行这里描述的功能和/或获得这里描述的结果 和/或一个或者多个优点的各种其它手段和/或结构，并且各种这样的变化 和/或修改视为在本发明的范围内。更一般而言，本领域技术人员将容易 地认识到这里描述的所有^L、尺寸、材料和配置是为了举例并且实际参 数、尺寸、材料和/或配置将依赖于本发明的教导的所引用的一个或者多 个具体应用。本领域技术人员将认识到或者能够仅使用常规实验来确立这 里描述的本发明具体实施例的许多等效实施例。因此将理解前述实施例是 仅通过例子来呈现的并且在所附权利要求及其等效含义的范围内可以用 具体描述和要求保护的方式以外的方式实施本发明。本发明涉及这里描述 的各独立特征、系统、产品、材料、工具包和/或方法。此外，如果这样 的特征、系统、产品、材料、工具包和/或方法没有互不一致，则两个或 者更多这样的特征、系统、产品、材料、工具包和/或方法的任何组合被 包括于本发明的范围内。在说明书中和在权利要求书中不适用数量词时，除非清楚^目反指明 否则应当理解为意指"至少一个/一种"。
在说明书中和在权利要求书中使用的短语"和/或"应当理解为意指这 样结合的元素中的"任一个或者两个，，，即在一些情况下共同地存在而在其 它情况下分开地存在的元素。除非清楚地相反指明，除了由"和/或"子句 具体标识的元素之外可以可选地存在无论与具体标识的那些元素有关还 是无关的其它元素。因此作为非限制例子，当与开放式语言如"包括"结合
使用时指代"A和/或B，，可以在一个实施例中指代A而无B (可选地包括 除了 B以外的元素)、在另一实施例中指代B而无A(可选地包括除了 A 以外的元素)、在又一实施例中指代A和B (可选地包括其它元素)等。
如在说明书中和在权利要求书中使用的那样，"或者"应当理解为具有 与如上文定义的"和/或"相同的含义。例如，当分离列举中的项时，"或者" 或者"和/或"应当解释为包括，即包括多个元素或者元素列举中的至少一 个也包括多个以及可选地包括额外未列举的项。只有诸如"......中的仅一
个，，或者"......中的准确一个，，或者在权利要求中使用时"由......组成"这样
的清楚地相反指明的术语才将指代包括多个元素或者元素列举中的准确
一个元素。 一般而言，这里使用的术语"或者"在诸如"任一个"、"......之
一"、"......中的仅一个"或者"......中的准确一个，，这样的排他性术语之前
时应当仅解释为表示排他性的可选项(即"一个或者另一个但不是两个")。 "基本上由......组成"在使用于权利要求书中时应当具有它在专利法领域
中使用的普通含义。
如在说明书中和在权利要求书中使用的那样，短语"至少一个"在指代 一个或者多个元素的列举时应当理解为意指从元素列举中的任何一个或 者多个元素中选择的至少 一个元素、但是并非必然地包括在元素列举中具 体列举的每一个元素中的至少一个、也不排除元素列举中的元素的任何组 合。这一定义也允许除了短语"至少一个，，指代的元素列举内具体标识的元 素之外可以可选地存在无论与具体标识的那些元素有关还是无关的元素。 因此，作为非限制例子，"A和B中的至少一个，，(或者等效为"A或者B 中的至少一个，，或者等效为"A和/或B中的至少一个")可以在一个实施例 中指代至少一个，可选地包括多个A而无B (以及可选地包括除了 B以 外的元素)；在另一实施例中指代至少一个，可选地包括多个B而无A(以 及可选地包括除了 A以外的元素)；在又一实施例中指代至少一个，可选 地包括多个A和至少一个即可选地包括多个B (以及可选地包括其它元素)等。
在权利要求书中以及在上述说明书中，诸如"包括"、"携带"、"具有"、 "包含"、"涉及到"、"保持"等所有过渡短语理解为开放式、即意指包括但
不限于。如在美国专利局专利审查手册第2111.03节中阐述的那样，只有 过渡短语"由......组成，，和"基本上由......组成"应当分别是闭合或者半闭
合短语。
权利要求
1.一种激励器系统，其被构造和布置成从第一定向移位到第二定向，所述激励器系统包括包括负电极和正电极的至少一个电化学电池，其中所述负电极和正电极中的一个或者两个是激励器并且包括第一部分和第二部分，以及其中在充电和/或放电时，物质以与所述第二部分不同的程度嵌入、脱嵌、合金化于、氧化、还原或者镀覆所述第一部分并且经历相对于所述第二部分而产生的尺寸变化，由此给予所述激励器在所述第一部分与所述第二部分之间的差动应变且引起所述激励器的至少一部分的移位，所述激励器的移位做机械功且无需耦合到做所述功的结构。
2. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述第一部分与所述第 二部分电连通。
3. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述物质是嵌入物质。
4. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述物质是质子。
5. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述物质是镀覆物质。
6. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二部 分由不同材料形成。
7. 才艮据权利要求l所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二部 分由基本上相同材料形成。
8. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二部 分具有不同电势。
9. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二部 分以不同程度暴露于所述物质。
10. 根据权利要求l所述的激励器系统，还包括如下结构，所述结构 包括被构造和布置成通过所述激励器的移位从所述第一定向移位到第二 定向的至少一个部分。
11. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述物质基本上嵌入、 脱嵌或者合金化于所述第一部分但是没有嵌入、脱嵌或者^T化于所述第二部分。
12. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述第一部分以与所述 第二部分不同的程度嵌入所述物质以便在所述第 一部分与所述第二部分 之间造成差动应变。
13. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述第一部分以与所述 第二部分不同的程度与所述物质合金化以便在所述第 一部分与所述第二 部分之间造成差动应变。
14. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述第一部分和所述第 二部分;l传导性的。
15. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中在充电或者放电时，所述激励器的至少一部分的移位在储蓄器上施加力从而造成流体从所述储 蓄器的体积移位。
16. 根据权利要求15所述的激励器系统，其中所述流体包含药物。
17. 根据权利要求16所述的激励器系统，其中所述药物是胰岛素。
18. 根据权利要求1所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负电 极是条、板、片、杯、折叠片或者带的形状。
19. 根据权利要求1所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负电 极为非平面的。
20. 根据权利要求1所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负电 极是板或者丸状。
21. 根据权利要求1所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负电 极包括至少一个槽。
22. 根据权利要求1所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负电 极具有多个"腿"或者"臂"或者支路。
23. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述电化学电池被构造 和布置成自发地放电。
24. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述激励器系统耦合到 做^功的结构。
25. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述激励器系统没有耦 合到〗故机械功的结构。
26. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述激励器移位由所述 激励器系统的正容积或者尺寸变化生成。
27. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述激励器移位由所述 激励器系统的零容积或者尺寸变化生成。
28. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述激励器移位由所述 激励器系统的负容积或者尺寸变化生成。
29. —种激励器系统，其被构造和布置成从第一定向移位到第二定向， 所述激励器系统包括包括负电极和正电极的至少一个电化学电池，其中所述负电极和正电极中的一个或者两个是激励器并且包括第一 部分和第二部分，以及其中在充电和/或放电时，物质以与所述第二部分不同的程度嵌入、 脱嵌或者合金化于所述第一部分并且经历相对于所述第二部分而产生的 尺寸变化，由此给予所述激励器在所述第 一部分与所述第二部分之间的差 动应变且引起所述激励器的至少一部分的移位，所述激励器的移位做机械功且无需耦合到做所述功的结构。
30. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述第一部分与所述第 二部分电连通。
31. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述物质是嵌入物质。
32. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述物质是质子。
33. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述物质是镀覆物质。
34. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二 部分由不同材料形成。
35. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二 部分由基本上相同材料形成。
36. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二 部分具有不同电势。
37. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二 部分以不同程度暴露于所述物质。
38. 根据权利要求29所述的激励器系统，还包括如下结构，所述结构包括^:构造和布置成通过所述激励器的移位从所述第一定向移位到第 二定向的至少一个部分。
39. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述物质基本上嵌入、 脱嵌或者合金化于所述第一部分但是没有嵌入、脱嵌或者^r化于所述第二部分。
40. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述第 一部分以与所 述第二部分不同的程度嵌入所述物质以便在所述第 一部分与所述第二部 分之间造成差动应变。
41. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述第一部分以与所 述第二部分不同的程度与所述物质合金化以便在所述第 一部分与所述第 二部分之间造成差动应变。
42. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述第一部分和所述 第二部分是传导性的。
43. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中在充电或者放电时， 所述激励器的至少一部分的移位在储蓄器上施加力从而造成流体从所述 储蓄器的体积移位。
44. 根据权利要求43所述的激励器系统，其中所述流体包含药物。
45. 根据权利要求44所述的激励器系统，其中所述药物是胰岛素。
46. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所"电极和/或负电 极是条、板、片、杯、折叠片或者带的形状。
47. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所i^Jt电极和/或负电 极为非平面的。
48. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负电 极是板或者丸状。
49. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所"电极和/或负电 极包括至少一个槽。
50. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所^Jt电极和/或负电 极具有多个"腿"或者"臂"或者支路。
51. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述电化学电M构 造和布置成自发地放电。
52. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述激励器系统耦合 到做机械功的结构。
53. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述激励器系统没有 耦合到做机械功的结构。
54. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述激励器移位由所 述激励器系统的正容积或者尺寸变化生成。
55. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述激励器移位由所 述激励器系统的零容积或者尺寸变化生成。
56. 根据权利要求29所述的激励器系统，其中所述激励器移位由所 述激励器系统的负容积或者尺寸变化生成。
57. —种激励器系统，其被构造和布置成从第一定向移位到第二定向， 所述激励器系统包括包括负电极和正电极的至少一个电化学电池，其中所述负电极和正电极中的一个或者两个是激励器并且包括第一 部分和第二部分，以及其中在所述第 一部分以与所述第二部分不同的程度氧化和/或还原时 所述第一部分经历相对于所述第二部分而产生的尺寸变化，由此给予所述 激励器在所述第一部分与所述第二部分之间的差动应变且引起所述激励 器的至少一部分的移位，所述激励器的移位做^功且无需耦合到4故所述功的结构。
58. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述第一部分与所述第 二部分电连通。
59. 如权利要求57所述的激励器系统，还包括在所述第一部分的氧 化和/或还原时以与所述第二部分不同的程度嵌入、脱嵌或者合金化于所 述第一部分的物质。
60. 根据权利要求59所述的激励器系统，其中所述物质是嵌入物质。
61. 根据权利要求59所述的激励器系统，其中所述物质是质子。
62. 根据权利要求59所述的激励器系统，其中所述物质是镀覆物质。
63. 根据权利要求57所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二 部分由不同材料形成。
64. 根据权利要求57所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二 部分由基本上相同材料形成。
65. 根据权利要求57所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二 部分具有不同电势。
66. 根据权利要求59所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二 部分以不同程度暴露于所述物质。
67. 根据权利要求57所述的激励器系统，还包括如下结构，所述结 构包括被构造和布置成通过所述激励器的移位从所述第一定向移位到第 二定向的至少一个部分。
68. 根据权利要求59所述的激励器系统，其中所述物质基本上嵌入、 脱嵌或者合金化于所述第 一部分但是没有嵌入、脱嵌或者^T化于所述第 二部分。
69. 根据权利要求59所述的激励器系统，其中所述第一部分以与所 述第二部分不同的程度嵌入所述物质以l吏在所述第 一部分与所述第二部 分之间造成差动应变。
70. 根据权利要求59所述的激励器系统，其中所述第一部分以与所 述第二部分不同的程度与所述物质合金化以便在所述第 一部分与所述第 二部分之间造成差动应变。
71. 根据权利要求57所述的激励器系统，其中所述第一部分和所述 第二部分是传导性的。
72. 根据权利要求57所述的激励器系统，其中在充电或者放电时，所述激励器的至少一部分的移位在储蓄器上施加力从而造成流体从所述 储蓄器的体积移位。
73. 根据权利要求72所述的激励器系统，其中所述流体包含药物。
74. 根据权利要求73所述的激励器系统，其中所述药物是胰島素。
75. 根据权利要求57所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负电 极是条、板、片、杯、折叠片或者带的形状。
76. 根据权利要求57所述的激励器系统，其中所"电极和/或负电 极为非平面的。
77. 根据权利要求57所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负电极是板或者丸状。
78. 根据权利要求57所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负电 极包括至少一个槽。
79. 根据权利要求57所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负电 极具有多个"腿"或者"臂"或者支路。
80. 根据权利要求57所述的激励器系统 造和布置成自发地放电。
81. 根据权利要求57所述的激励器系统 到4故机械功的结构。
82. 根据权利要求57所述的激励器系统 耦合到做机械功的结构。
83. 根据权利要求57所述的激励器系统 述激励器系统的正容积或者尺寸变化生成。
84. 根据权利要求57所述的激励器系统 述激励器系统的零容积或者尺寸变化生成。
85. 根据权利要求57所述的激励器系统 述激励器系统的负容积或者尺寸变化生成。
86. —种激励器系统，其被构造和布置成从第一定向移位到第二定向， 所述激励器系统包括包括负电极和正电极的至少一个电化学电池，其中所述负电极和正电极中的一个或者两个是激励器并且包括第一 部分和第二部分，以及其中在充电和/或放电时，物质以与所述第二部分不同的程度电化学 沉积于所述第一部分并且经历相对于所述第二部分而产生的尺寸变化，由 此给予所述激励器在所述第一部分与所述第二部分之间的差动应变且引 起所述激励器的至少一部分的移位，所述激励器的移位^故机喊功且无需耦合到做所述功的结构。
87. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述第一部分与所述第 二部分电连通。
88. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述物质是嵌入物质。，其中所述电化学电池被构 ,其中所述激励器系统耦合 ，其中所述激励器系统没有 ，其中所述激励器移位由所 ,其中所述激励器移位由所 ,其中所述激励器移位由所
89.根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述物质是质子。
90.根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述物质是镀覆物质。
91. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二 部分由不同材料形成。
92. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二 部分由基本上相同材料形成。
93. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二 部分具有不同电势。
94. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述第一部分和第二 部分以不同程度暴露于所述物质。
95. 根据权利要求86所述的激励器系统，还包括如下结构，所述结 构包括被构造和布置成通过所述激励器的移位从所述第一定向移位到第 二定向的至少一个部分。
96. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述物质基本上嵌入、 脱嵌或者合金化于所述第 一部分但是没有嵌入、脱嵌或者合金化于所述第 二部分。
97. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述第一部分以与所 述第二部分不同的程度嵌入所述物质以便在所述第 一部分与所述第二部 分之间造成差动应变。
98. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述第一部分以与所 述第二部分不同的程度与所述物质合金化以便在所述第一部分与所述第二部分之间造成差动应变。
99. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述第一部分和所述 第二部分是传导性的。
100. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中在充电或者放电时， 所述激励器的至少一部分的移位在储蓄器上施加力从而造成流体从所述 储蓄器的体积移位。
101. 根据权利要求100所述的激励器系统，其中所述流体包含药物。
102. 根据权利要求101所述的激励器系统，其中所述药物是胰岛素。
103. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负电极是条、板、片、杯、折叠片或者带的形状。
104. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负 电极为非平面的。
105. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负 电极是板或者丸状。
106. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负 电极包括至少一个槽。
107. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述正电极和/或负 电极具有多个"腿"或者"臂"或者支路。
108. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述电化学电M构 造和布置成自发地放电。
109. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述激励器系统耦合 到做机械功的结构。
110. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述激励器系统没有 耦合到祸:机械功的结构。
111. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述激励器移位由所 述激励器系统的正容积或者尺寸变化生成。
112. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述激励器移位由所 述激励器系统的零容积或者尺寸变化生成。
113. 根据权利要求86所述的激励器系统，其中所述激励器移位由所 述激励器系统的负容积或者尺寸变化生成。
114. 一种激励器设备，包括至少一个电化学电池，包括负电极、正电极和如下物质，所述物质可 以以与所述电化学电池的第二部分不同的程度来嵌入、脱嵌、合金化于、 氧化、还原或者镀覆所述电化学电池的第一部分，所述第一部分和/或第 二部分由此在放电时经历尺寸变化从而造成做机械功的激励器移位，其中 所述电化学电池被构造和布置成在制造时充电并且在使用之后部分地放 电或者在首次放电之后没有进一步充电。
115. 根据权利要求1所述的激励器系统，其中所述第一部分与所述 第二部分电连通。
116. 根据权利要求114所述的激励器设备在放电时是可随意处理的。
117. 根据权利要求114所述的激励器设备，其中所述设备是流体泵。
118. 根据权利要求114所述的激励器设备，其中所述设备是用于将 流体递送到身体中的输注流体泵。
119. 根据权利要求114所述的激励器设备，其中在放电时所述激励 器移位在储蓄器上施加力从而造成流体从所述储蓄器的体积移位。
120. 根据权利要求119所述的激励器设备，其中所述流体包含药物。
121. 根据权利要求120所述的激励器设备，其中所述药物是胰岛素。
122. 根据权利要求119所述的激励器设备，其中所述体积移位的速 率恒定或者可变。
123. 根据权利要求119所述的激励器设备，其中通过控制所述电池 的放电速率来控制所述体积移位。
124. 根据权利要求119所述的激励器设备，其中通过改变所述电池 放电的电路的电阻来控制所述体积移位。
125. 根据权利要求119所述的激励器设备，所述激励器设备具有占 空比，其中所述占空比通过断开和/或闭合与所述激励器设备关联的外部 电路来控制。
126. 根据权利要求114所述的激励器设备，其中所述尺寸变化由在 离子交换时改变尺寸的有孔电极提供。
127. 根据权利要求126所述的激励器设备，其中所述有孔电极A^ 制粉末致密物或者金属泡沫或者在尺寸活性材料和在尺寸无活性材料的 复合物，所述电极可选地包括添加剂。
128. 根据权利要求126所述的激励器设备，其中所述有孔电^t充 电或者放电时经历包括弯曲、挠曲或者挤压的尺寸变化。
129. 根据权利要求128所述的激励器设备，其中所述有孔电极包括 孔隙度梯度。
130. 根据权利要求128所述的激励器设备，其中所述有孔电极还包 括表面层。
131. 根据权利要求130所述的激励器设备，其中所述表面层以比所 述有孔电极更大的程度被嵌入、脱嵌、合金化、氧化、还原或者镀覆。
132. 根据权利要求114所述的激励器设备，其中所述电化学电池的 在尺寸活性材料在与从质子、碱金属离子、离子络合物、氢氧根离子、碳 酸根离子、氯酸根离子、硫酸根离子和磷酸根离子中选择的物质进行嵌入 或者合金化时膨胀。
133. 根据权利要求114所述的激励器设备，其中所述电化学电池的 在尺寸活性材料与锂进行嵌入或者合金化并且包括A1、 Au、 Ag、 Ga、 Si、 Ge、 Ti、 Sn、 Sb、 Pb、 Zn、碳、石墨、硬碳、介孔碳、氧化物、^V氧 化物、层状氧化物、粘土矿物、硫化物、层状石危化物、TiS2、 MoS2和WS2 中的一个或者多个。
134. 根据权利要求114所述的激励器设备，其中所述电化学电池被 构造和布置成自发地放电。
135. —种输注泵，包括至少一个电化学电池，包括负电极、正电极和嵌入物质，其中所述负 电极和/正电极在充电和/或放电时经历尺寸变化以便使流体输注到身体 中。
136. 根据权利要求135所述的输注泵，其中所述电化学电池被构造 和布置成自发地放电。
137. 根据权利要求135所述的输注泵，其中所述流体包括液体、固 体-液体混合物、浆体或者凝胶体。
138. 根据权利要求135所述的输注泵，其中所述流体包含药物。
139. 根据权利要求135所述的输注泵，其中所述药物是胰岛素。
140. 根据权利要求135所述的输注泵，其中所述输注的速率恒定或 者可变。
141. 根据权利要求114所述的激励器系统，其中通过控制所述电池 的放电速率来控制所述输注的速率。
142. 根据权利要求114所述的激励器系统，其中通过改变所述电池 放电的电路的电阻来控制所述输注的速率。
143. 根据权利要求119所述的激励器系统，所述激励器系统具有占 空比，其中所述占空比通过断开和/或闭合与所述激励器设备关联的外部 电路来控制。
144. 一种激励器，其被构造和布置成用于生理设施中，所述激励器 包括与第二部分相邻的第一部分，其中所述第一部分在暴露于包括物质的 生理流体时经历尺寸变化，并且其中由于与所述物质的接触所导致的所述 物质到所述第一部分中的电化学嵌入、所述物质从所述第一部分中的脱嵌 或者所述第 一部分的氧化/还原造成所述激励器的尺寸变化。
145. 根据权利要求l所述的激励器系统，其中所述第一部分与所述 第二部分电连通。
146. 根据权利要求144所述的激励器，其中所述第一部分和所述第 二部分具有不同电势。
147. 根据权利要求144所述的激励器，其中所述生理流体是血。
148. 根据权利要求144所述的激励器，其中所述物质是质子。
149. 根据权利要求144所述的激励器，其被植入身体中。
150. 根据权利要求144所述的激励器，其中所述激励器被构造和布 置成自发地放电。
151. —种用于将药物施用到身体中的电化学激励器，包括至少一个负电极； 至少一个正电极；以及物质,其中所述电化学激励器受到施加的电压或者电流，由此所述电压或者 电流的施加或者其停止施加包括所述物质在所述电化学激励器的至少一 个电极中的嵌入从而造成所述电化学激励器的容积或者尺寸变化，以及其中所述容积或者尺寸变化导致将药物施用到身体中。
全文摘要
本发明提供涉及到电化学激励的系统、设备和有关方法。在一些情况下，向本发明的系统或者设备施加电压或者电流可以生成产生机械功的容积或者尺寸变化。例如，系统的至少一部分可以被构造和布置成从第一定向移位到第二定向。诸如这些系统的系统在例如包括泵(例如输注泵)和药物递送设备的各种应用中是有用的。
文档编号F03G7/00GK101589230SQ200780035351
公开日2009年11月25日 申请日期2007年7月26日 优先权日2006年7月26日
发明者姜一民, 迈克尔·J·西马, 陈利明 申请人:麻省理工学院