植入式微纳器件的无线能量传输的研究

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近年来,随着MEMS技术的发展,越来越多的用于人体的或生物的可植入微纳器件被研发出来,但其供能问题始终是一个瓶颈。如何解决植入式器件供能问题正在被广泛研究。本文设计了一种以腰部缠绕式线圈作为发射器,以PCB电感和MEMS电感作为接收器的无线能量传输方案,可以实现为人体内多个较低能耗植入式器件同时充电的功能。  首先,本文通过分析比较三种可运用于计算无线能量传输效率的理论,讨论了它们各自的适用条件,最终选择了较为适合的松耦合理论并借助电磁仿真软件对传输效率进行了分析计算。为了优化传输效率,分析了发射和接收线圈的物理模型,并对其电阻与两线圈间的互感进行了详细讨论。  接着,结合上面的理论分析,对发射与接收线圈进行了优化设计、制造与测试。运用单芯铜线制作了发射线圈,且详细介绍了被用作接收线圈的MEMS平面电感的厚膜电镀制造工艺及PCB电感的印刷电路板制作工艺。然后,运用阻抗分析仪对其电感值和Q值进行了测试,表明所设计的MEMS电感在40.68MHz时有1μH左右的电感值,得到的Q值为2左右。  再者,详细讨论了人体这种有损色散介质的各个介电特性参量对电磁波传输的影响。研究表明在40.68MHz的工作频率下,磁场强度在人体中会比空气中有所加强。并仿真计算了所设计中的人体SAR最大值,其结果远小于1克人体组织吸收电磁能量不超过1.6的FCC标准。  最后,在空气和生理盐水中,分别对不同的传输频率、接收天线面积、两线圈相对位置对能量传输效率的影响进行了测试和分析,并讨论了端口匹配效率的影响。表明在40.68MHz时测试得到的传输效率在生理盐水中有所提高,而且传输效率主要受发射线圈电磁场分布、接收线圈面积的影响,而端口匹配效率对其影响并不大。然后讨论了常用的三种生物兼容性封装方法,并对所采用的PDMS封装方法进行了稳定性测试。
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