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用于能量传输的生物体植入式MEMS电感线圈的设计

研究简报 生命科学仪器 2009第7卷/10月刊 用于能量传输的生物体植入式MEMS 电感线圈的设计 1 2 3 * 骆明辉 ,卢露 , 郭航 (厦门大学萨本栋微纳米技术研究中心,厦门 3 6 10 0 5 ) 摘要 为了能得到植入在生物体内,用于体内微型电子系统与体外设备信号和能量传输的高品质因数Q 值和高电感量 L 值的MEMS 电感线圈,本文首先对MEMS 电感模型做了理论分析,然后在充分考虑功率传输要求、植入器件体积的限 制以及制作工艺的可实现性的情况下,用高精度的3D 电磁仿真软件HFSS,对电感的主要参数如圈数N 、线宽W、导线 间隙S、导线厚度H 、导线材料M 和衬底电导率σ作了优化设计。最终确定N= 10 、W=25 μm 、S=50 μm 、H=48 μm 、 M 为Cu 、σ=0. 1S/m 。数值仿真的结果显示Q= 17 .6 ,L=55nH , =24 0MHz , = 1.2GHz ,它们能很好地符合 能量传输的功率要求和信号传输的带宽要求。 关键词 集成电感,可植入式微器件,M E M S ,能量耦合,SU -8 ,电镀 [5] [6] 引言 适合在植入系统中应用 。MEMS 高Q 值电感 的研 [7] 究,陈石清等 已有了些进展,本文的设计是以高阻硅 对于像心脏起搏器之类的应用于生命科学的可植 [8] 为衬底,相对其在玻璃衬底 上能更好地与电路兼容, 入微系统,需要有直流电源进行驱动。但直流电源的 且本文提供的工艺方案能制作出厚度更高的线圈,功 寿命一般短于可植入器件的寿命,开发长寿命的微型 率传输的容量更大。 直流电源很困难。为了减少更换旧电源时而开刀做手 术给病人带来的危险与痛苦以及经济上的负担,建立 一种行之有效的体外与体内无线式的能量传输机制势 在必行。在这方面前人已做出些研究,应用于生命科学 的可植入式无线传感器网络已成为将微纳米技术、无 线传感器网络技术与生物遥测技术等相结合来检测与 [1] 治疗疾病、保证生命健康的一个新领域 。如图1 所 示,这种系统是由体外和体内两部分组成。体外部 分包括电源与控制电路、信号发射电路和接收电路以 及一个贴装在皮肤表面的电感线圈。体内植入部分包 图1 体外与体内之间的信号与能量传输示意图 括接发收电感线圈与信号转换电路。分离的两部分利 1 MEMS 电感的物理模型 用通过电磁耦合后,电磁信号和能量在生物组织中传 播,从而实现由体外对植入的传感器芯片的信号和能 对于本文要设计的内置硅片上的集成电感其几何 量的传递。在这个系统中,高Q 值电感是提高耦合 剖面图如下图2 所示,最底下的是硅衬底,中间是聚 [2] 酰亚胺支撑隔离层,在其中包有下导线及通孔导线, 效率的重要因素。Heetderks 等 证明了毫米和亚毫米 量级的电

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