（微电子学与固体电子学专业论文）可植入式微器件中若干技术的研究.pdf

摘要 随着m e m s 技术的迅速发展，许多种微型器件被研究开发以用于生物医学 领域。可植入式微器件是目前m e m s 技术应用于医学领域的一个前沿课题。本 文主要研究了可植入式器件中的若干问题，包括三个部分： 第一部分：一种用于可植入微型射频m e m s 电感线圈的研究 首先分析了硅衬底上电感模型及影响其品质因数的各个因素，在此基础上 研究玻璃衬底上的微型射频m e m s 电感线圈，运用h f s s 软件进行优化设计， 确定了制作工艺，完成了器件的微制造并进行了测试。 第二部分：可植入式器件封装技术的研究 在对可植入式器件的要求、性质进行分析的基础上，研究了可植入式器件 的封装技术。然后以微型射频m e m s 电感线圈作为样品分别使用两种方法：金 属封装法与复合s i x n y - s i 0 2 s i x n v 介质薄膜和有机硅胶连用的封装法对其进行 封装，对封装好的样品在模拟人体环境的生理盐水中进行了测试。测试结果表 明，使用复合介质薄膜和有机硅胶进行封装具有更好的性能，能使微器件在植 入环境中长期工作。 第三部分：可植入式信号发射系统的初步研究 在分析了可植入式信号发射与接收系统的工作要求的基础上对其信号发射 与接收电路进行了分析，接着研究了一种脉冲振荡器芯片，结果表明：这个脉 冲振荡器芯片能够满足可植入式信号发射系统的要求。 关键词：可植入式器件；m e m s ；电感线圈；封装技术 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm e m st e c h n o l o g yd u r i n gt h ep a s t2 0y e a r s ， m a n ym i c r od e v i c e sh a v eb e e nd e v e l o p e da n du s e di nt h eb i o m e d i c a le n g i n e e r i n g t h ei m p l a n t a b l ed e v i c ei sac u t t i n g e d g et o p i cw h i c hi sam e m st e c h n o l o g y a p p l i c a t i o nu s e di nt h em e d i c a lf i e l d s e v e r a lt e c h n i c a li s s u e so ft h ei m p l a n t a b l e d e v i c ew e r es t u d i e di nt h i sp a p e rw h i c hm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ： p a r ti ：s t u d yo fa ni m p l a n t a b l em i c r or fm e m si n d u c t i v ec o i l f i r s t ，t h ei n d u c t a n c em o d e lo nt h es i l i c o ns u b s t r a t ea n df a c t o r sw h i c hi m p a c tt h e q u a l i t yf a c t o ro ft h ei n d u c t i v ec o i lw e r ea n a l y z e d b a s e do nt h a t ，t h em i c r or fm e m s i n d u c t i v ec o i lo nt h eg l a s ss u b s t r a t ew a ss t u d i e d t h eh f s ss o f t w a r ew a su s e dt o o p t i m i z et h ed e s i g no ft h e c o i la n dd e t e r m i n et h e p r o d u c t i o np r o c e s s t h e m i c r o f a b r i c a t i o na n dt e s to ft h ed e v i c ew e r ec o m p l e t e d p a r ti i ：s t u d yo ft h ep a c k a g i n gt e c h n o l o g yf o ri m p l a n t a b l em i c r o d e v i c e s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e q u i r e m e n ta n dp e r f o r m a n c eo ft h ei m p l a n t a b l e d e v i c e ，t h ep a c k a g i n gt e c h n o l o g yw a ss t u d i e d t w op a c k a g i n gm e t h o d sw e r e d e v e l o p e db yu s i n gt h ei m p l a n t a b l em i c r or fm e m si n d u c t i v ec o i la st h es a m p l e t h ef i r s tm e t h o du s e dm e t a lt op a c k a g ea n dt h es e c o n do n eu s e dt h es i x n y - s i 0 2 - s i x n y d i e l e c t r i ct h i nf i l ma n do r g a n i cs i l i c o n es i m u l t a n e o u s l y a n dt h e nt h et w op a c k a g e d d e v i c e sw e r et e s t e db yb e i n gp u ti n t ot h es a l i n ew h i c hw a ss i m i l a rt ot h eh u m a nb o d y e n v i r o n m e n t t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e v i c ew h i c hw a sp a c k a g e d b y s i x n y s i 0 2 - s i x n yd i e l e c t r i ct h i nf i l m sa n do r g a n i cs i l i c o n eh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ea n d l o n g e rw o r k i n gh o u r s i ni m p l a n t e de n v i r o n m e n t p a r t i i i ：p r e l i m i n a r ys t u d yo ft h es i g n a le m i t t i n gs y s t e mf o ri m p l a n t a b l e m i c r o d e v i c e s t h ec i r c u i t so ft h ei m p l a n t a b l es i g n a le m i t t i n ga n dr e c e i v i n gs y s t e mw e r e a n a l y z e db a s e do nt h ew o r k i n gr e q u i r e m e n ta n a l y s i s a n dt h e na ni m p l a n t a b l ep u l s e o s c i l l a t o rc h i pw a ss t u d i e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep u l s eo s c i l l a t o ri m p l a n t a b l ec h i p c a nm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ei m p l a n t a b l es i g n a le m i t t i n gs y s t e m k e y w o r d s ：i m p l a n t a b l ed e v i c e s ；m e m s ；i n d u c t o rc o i l ；p a c k a g et e c h n o l o g y 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体己经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：李件方 3 1 刈时日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ， ( 、) 2 。不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：蓬斜么 年彳月o 日 第一章绪论 m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 技术，即微电子机械系统技术 是在近几十年发展起来的前沿研究领域，其目标是采用一定的微细加工工艺将 微米尺度下的微机械部件和i c 电路制作在同一个芯片上形成高度集成的功能 单元，集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体，实现 结构、器件和系统的批量制造【1 1 。m e m s 技术以体硅工艺、表面牺牲层技术、 深刻蚀、键合等工艺为代表，为各种新型高性能传感器、电子器件与系统的开 发提供了强有力的手段。现在，随着m e m s 技术的迅速发展，各种各样的微型 器件被深入研究与开发，应用于各个领域，其中m e m s 与生命科学、医学研究 等相结合形成了一个新的研究领域：b i o m e m s 。在生物体中，分子、病毒和细 胞的典型尺度分别为l n m 、1 0 n m 、1 0 9 m ，m e m s 技术已被用来探测d n a 分子 【2 】，细胞f 3 】等。在医学领域，心脏起搏器 4 1 、可植入式压力传感器【5 】和助听器【6 】 等都在深入研究与开发应用当中。b i o m e m s 能够实现器件和系统的微型化， 使生物医学的诊断和治疗可以快速、自动化、高通量、较小损伤地完成。 b i o m e m s 的研究内容可以划分为生物体外进行生物医学诊断的微系统和在生 物体内进行生物医学治疗的微系统，其中，在生物体内的微系统又以可植入式 器件为主要的研究对象。 1 1可植入式器件简介 可植入式器件是指埋置在生物体或人体内的器件，主要用来观察和测量生 命体内生理生化参数的长期变化，诊断、治疗某些疾病，实现在生命体自然状 态下体内的直接测量和控制功能，也可用来代替功能已丧失的器官。由于其突 出的作用，可植入式器件已成为医疗电子器件中的一个极为重要的组成部分， 它的发展是2 1 世纪生物医学电子发展的一个重要方向。可植入式器件具有如下 优点【7 】： ( 1 ) 能被方便的植入生物体，并能够实时测量与控制生物体在处于自然的 生理状态条件下的各种生理、生化参数。 ( 2 ) 能够方便的对器官和组织进行直接调控，获得理想的刺激和控制响应， 厦门大学硕士学位论文可植入微器件中若干技术的研究 有利于生物体损伤功能的恢复。 ( 3 ) 可以用来治疗某些传统医学无法治愈的疾病，比如帕金森病、瘫痪的 四肢等。 ( 4 ) 用来代替生物体某些器官的功能，比如肾脏、四肢、耳蜗等。 ( 5 ) 能够节省大量人力和物力方面的医疗开支。 可植入式器件主要包括：植入式刺激器，如植入式心脏起搏【8 】与除颤器【9 】； 植入式测量器件，如胶囊式内窥镜；植入式药疗器件；植入式人工器官及辅助 装置，如人工心脏。下面介绍一下几种典型的可植入式器件。 植入式心脏起搏器【8 】是一个以电池为动力，体积小而能植入体内，可产生 连续稳定的电脉冲的装置。心脏起搏器发出的一定形式的微弱脉冲电流，能刺 激心脏的起搏或诱导功能有障碍但尚有兴奋，收缩及心肌纤维间传动功能的心 脏起搏，即以代替正常的起搏点刺激心肌，使之有效地收缩，对心律失常的治 疗有良好的效果。整个心脏起搏系统由脉冲发生器，电极导线和程控器三部分 组成。在心脏起搏器中，由m e m s 工艺制成的微型i c 加速度传感器起着关键 性的作用，极大地改善了心脏起搏器的工作性能。心脏除颤器与心脏起搏器相 似，用于治疗心动过速等疾病。目前各类植入式起博器与除颤器由于微电子器 件功能的日益完善，其功能也日益扩大，技术日臻完善，程控起搏器，双腔起 搏器、频率自适应起搏器、自动复律除颤器( i c d ) 以及兼有起博与除颤功能 的起搏除颤器( p c d 、已相继问世。 电子耳蜗【1 0 】是一种可植入式电子器件，是具有仿生功能的人造器官。它能 将声能转换为电能，通过植入电极，直接刺激耳蜗内残余的听神经纤维，使双 耳听阈大于9 0 d b h l 以上且佩戴大功率助听器无效的重度耳聋患者产生听觉。 人工耳蜗由体外和体内装置两部分组成，体外部分包括麦克风、言语转换器、 发射线圈；体内的部分包括接收线圈、处理器、刺激电极及参照电极。麦克风 接收声信号，通过言语处理器，将声信号进行数字编码等处理，通过发射线圈 经皮肤传送到植入体内的接收线圈，将这种携带有相应频率及电流强度的脉冲 继续传送到多个刺激电极，信号通过听神经传到听觉中枢进行辨别处理产生听 觉。 微针不但可以探测人体内相关参数，还可以作为治疗装置，通过电刺激等 2 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 形式对肌体进行治疗。“脑起搏器”在医学上被称为“脑深部电刺激器”p h ，它是 植入式神经刺激器( i m p l a n t a b l en e u r o - - s t i m u l a t o r ) 的一种。其作用机理是把 刺激电极放入大脑的特定部位，通过慢性电刺激达到治疗效果。这是一种可逆 性的神经调节治疗，不破坏脑组织或神经，不影响今后其它新的治疗方法，是 2 0 世纪末脑科学研究的重要成果。“脑起搏器”的刺激方案可以通过体外仪器调 控，随时调节刺激强度和频率，以找到最佳刺激触点，在治疗帕金森病、癫痫、 疼痛等脑部神经疾病方面具有疗效更好、受持久等优点。 表1 1 ：植入式电子器件的大致分类及功能总结 分类名称功能 植入式刺激器心脏起搏器 电刺激心肌使心肌恢复有效的功能 植入式脑起搏器 大脑起搏，唤醒植物人，治疗抑郁症 颤动控制植入 刺激丘脑，阻断颤动，治疗帕金森病 植入式测量系统 固定植入式遥测利用双向通信，测量体内生理与生化参 数，例如心电，血蘧等 吞服无线电胶囊测量消化道内生理与生化参数，例如压 力、温度、p h 德等 植入医疗系统植入医疗系统采用植入式注射泵输送药物，治疗疾病 或缓解疼痛 人工心脏 替代或部分替代自然心脏功能 人工器官及辅助 大脑植入 自然大脑功能的仿真 装置 刺激耳蜗，恢复部分听力 人工耳蜗 人工视网膜 改善失聪人的视力 植入式微血液流体擦制器【1 2 1 位于受损组织处，可以线性地控制特殊器富或 局部区域的血流量，当它探测到血流或血氧含量减少时，将发出“请求帮助 3 厦门大学硕上学位论文可植入微器件中若干技术的研究 的无线信号。这种装置可用来监测伤口的康复、组织移植和器官移植；帮助急 诊医生诊断外伤创伤；协助医生对特护病人如肾衰、多器官衰竭及死亡的监护 管理。 人工视网膜【1 3 】。【1 4 】是最具代表性的微型人工器官，基于c m o s 技术研制的 人工视网膜由微阵列式光电二极管( m p d ) 组成，m p d 将光信号转换微电流信 号，通过微电极，电流信号再传输到组织或神经细胞，是改善失明人视力的一 条极好的途径。 表1 1 对植入式电子器件进行了大致分类与功能的总结。 1 2 可植入式器件研究中的关键技术问题 可植入式器件埋植在人体内部并在人体环境下工作，由于人体环境空间小， 周围环境复杂，而且植入式器件也将与人体中的组织，血液，细胞等发生相互 作用，从而可植入式器件的各种技术组合必须满足生物相容性 ( b i o c o m p a t i b i l i t y ) 、抗生物降解作用( b i o r e s i s t a n c e ) 、体积小、功耗低等条件在生 理温度下可靠运行。为了能够使可植入式器件在人体环境中长期、正常、稳定 地工作，必须解决的技术有很多，其中关键的技术有：微机电系统技术，通信 技术，电源技术，封装技术，植入技术，电极和连接电缆技术。 1 2 1 集成电路与微电子机械系统技术n 纠帕 可植入式器件是植入人体的器件，由于人体环境空间小，如果植入器件体 积太大则无法植入人体或使人体部分受到很大的伤害，这样给植入带来很大的 麻烦。而可植入式器件通常具有目标组织的生理参数检测、刺激功能、信号处 理、数据通信等功能，因此，现代可植入式器件通常可包含微处理器、存储器、 传感器、信号处理电路、功能电路( 刺激电路或检测电路) 、通信电路等，功能 如此复杂的电子系统必须采用集成电路技术实现。随着集成电路工艺尺寸的进 一步缩小，芯片的面积也越来越小。现在，集成电路技术在体积上已经能很好 的满足可植入式器件的要求。另外，c m o s 集成电路技术还具有功耗低、可靠 性高等优点，因此，可植入式器件通常采用c m o s 工艺。近年来，微机电系统 技术也得到了快速发展，某些可植入式器件也开始大量使用微机电元件，形成 4 厦门火学硕士学位论文 第一章绪论 微机电系统，必须采用m e m s 技术制造。以体硅工艺、表面牺牲层技术、深刻 蚀、键合等工艺为代表的m e m s 技术，为各种新型高性能传感器、电子器件与 系统的开发提供了强有力的手段。 。2 。2 通信技术秘喇 植入电子器件通常分成体外部分和体内部分。主要原因是：( 1 ) 有限的植 入部位空间限制了植入电子器件的体积，例如深部脑刺激器，其作用的目标器 官是脑部，允许的植入空间很小，否则会妨碍脑的正常功能；( 2 ) 有限的电源 能量限制了植入电子器件的电子电路规模；( 3 ) 某些植入电子器件的信息源在 体外，如视网膜假体和耳蜗假体；( 4 ) 医生是治疗过程的控制者，必须知道患 者生理参数和植入电予器件的状态参数，发出指令控制植入电子器件的工作。 可植入式器件的体外部分和体内部分的通信分为有线和无线方式。目前， 可植入式器件实用的通信方式是无线射频通信，其原理是利用发射线圈和接收 线圈闻的电磁耦合实现射频通信。 1 2 3 电源技术2 嘲1 植入式医疗电子设备需要能量供给才能工作，它的能量供给方式主要有植 入式电池供电和电感耦合供电两种方式。 广泛用于植入式医疗电子器件中的充电电池有镍镉电池、镍氢电池和锂离 子充电电池嘲。以植入式心脏起搏器的电源为例，植入式心脏起搏器最初采用 镍镉充电电池作为电源，通过感应充电进行能量的传递。单个电池电压有1 2 5 v ， 容量1 9 0 m a h ，这种电池的主要问题是寿命短，充电的可靠性依靠患者本人。 目前镍镉充电电池供电的植入式心脏起搏器己不再销售。在2 0 世纪6 0 年代， 锌汞电池广泛地应用于植入式心脏起搏器中。这种电池有很高的电荷体积密度 和稳定的电压，但这种电池不能做到完全密封，易使液体渗入起搏器引起短路 和故障。目前已经不再使用这种电池作为植入式心脏起搏器的电源。放射性核 素电池也曾经用作植入式心脏起搏器的电源。放射性元素钋具有8 7 年的半衰 期，焉这种元素制成的核素电池在1 0 年内输出电压下降只有1 。放射性核素 电池具有相当长的使用寿命，但体积大、毒性、放射性等诸多问题限制了它的 5 厦门大学硕士学位论文可植入微器件中若干技术的研究 应用f 4 】。2 0 世纪7 0 年代中期研制成功了锂电池，这种电池具有高能量密度，高 可靠性，自放电小以及应用固体电解质，可以完全密封等特点，替代了锌汞电 池，使植入式起搏器的寿命延长到5 一l o 年。在这些电池中，锂离子充电电池以 其高工作电压、高循环寿命和高能量密度等优异性能而备受世人青睐，被认为 是目前综合性能最好的电池。另外，锂电池充电也有其局限性。对于心脏起搏 器，锂离子电池的理论设计寿命是5 7 年，但实际寿命是2 5 年，另一方面， 植入电池占总体积的比例超过5 0 ，是妨碍植入式器件微型化的主要因素。 随着可植入式器件微型化的要求越来越高，器件的体积越来越小，而在整 个器件中，电池所占的体积比重最大，影响了可植入式器件的微型化。另外， 电涟加重了可植入式器件的重量以及电池中包含有毒纯学物质，一旦泄漏，将 严重危害人的健康等原因，科研人员发明了电磁耦合供电技术【2 1 】。瞄1 ，如图1 1 所示。这种供电方式是将一个由体乡 电池供电的射频振荡器的输出经射频功率 放大器后加至体外初级射频感应线圈( 发射线圈) ，该线圈放置在人体外面，植 入系统的小型次级感应线圈( 接收线圈) 则平行置予体终初级射频感线圈，并 从中感应出射频电压。该射频电压经整流、滤波、稳压后产生稳定的直流电压， 或对体内充电电池充电，或直接供给体内电子电路工作。这种供电方式菲常适 合植入装置体积非常小而无法容纳电池的情况。比如人工耳蜗，它是需要手术 植入替代内耳毛细胞发挥作用的一项电予装置。它由体外和体内装置两部分组 成，体外部分包括麦克风、言语转换器、发射线圈；体内的部分包括接收线圈、 处理器、刺激电极及参照电极组成。麦克风接收声信号，通过言语处理器，将 声信号进行数字编码等处理，通过发射线圈经皮肤传送到植入体内的接收线圈， 将这种携带有相应频率及电流强度的脉渖继续传送到多个刺激电极，信号通过 听神经传到听擞中枢进行辨别处理产生听觉。 6 厦门大学硕士学位论文第一章绪论 厂 啦 二 稳 i 植 入 l 部 压t分 一 图1 1 电磁感应供电方式结构示意图 采用电磁耦合供电方式能为可植入式器件连续提供高电能。这种技术不但 可以实现信号与能量的传输，同时也可以对可植入式器件进行控制和查询，另 外，可植入式器件的使用寿命和储存寿命也不再受电池的限制。对于很多可植 入式器件而言，电磁耦合供电方式已经成为一种可靠的供电方式，另外还有生 物燃料电池技术、热电技术、超声换能技术等仍处在实验研究中，未见其临床 应用。 1 2 4 封装技术硼 封装技术在可植入式技术中起着举足轻重的作用，换句话说，没有适当的 封装技术就没有临床应用的植入式器件。 植入式器件的封装与一般集成电路的封装是不相同的，这主要是采用的材 料不同。集成电路常用的封装材料如陶瓷等在生物学环境下是不稳定的，所以 可植入式器件的封装必须采用与其不同的封装材料。可植入式器件的封装材料 必须满足生物相容性和抗生物降解作用的要求。生物相容性是指生物材料与生 物体内的组织和血液中的生化成份相容，材料不被腐蚀且对生物体不产生毒副 作用的特性与能力。可植入式器件封装材料只有在满足了生物相容性才能用于 器件的封装。现在，科研人员已经开发出可用于植入式封装的材料，比如已用 于心脏起搏器的钛和已用于电子耳蜗的硅橡胶等。另外在封装技术上，集成电 路的封装与可植入式器件的封装也有不同，集成电路的封装适应于工业化，己 趋近成熟，而可植入式器件的封装仍在大量研究中，在第三章我们将深入研究 7 厦门大学硕士学位论文可植入微器件中若干技术的研究 可植入式器件的封装技术。 1 ，2 5 植入技术箱1 将可植入式电子器件植入人体或动物体内有2 种方式：注射植入和手术植 入。注射植入采用1 0 号或1 2 号皮下注射针，将米粒大小的植入电子器件注射 植入到皮下的目标部位。这种方式首先用于动物的射频标识。注射植入方式简 单易行，费用低廉，但对植入电子器件的体积有严格的限制。手术植入方式是 外科医生通过手术的形式将其植入人体中，这种技术费用昂贵，而且这类手术 植入的方式极易感染。 1 2 6 电极和联结电缆技术嘲 电极直接和目标生物组织接触，将可植入式器件的电信号能量传递给生物 组织或者将生物信息传递给植入器件，实现可植入式器件即定的功能。为了传 递足够的能量以刺激目标组织，在电极表面必须有足够的电流密度，它与电极 的材料、纤维包装量、面积以及电极电压脉冲的宽度和幅度有关。以心脏起搏 器为例，电源能量的大部分用于其输出电脉冲。电脉冲的强度与诸多因素有关， 电极设计是最重要的因素之一。目前，已从面积较大的铂铱电极发展为面积较 小的电极( 4 1 2 伽砰) ，例如，氧化铱表面的钛电极，氮化钛电极，黑铂电极，碳 化锰电极。这些优秀的电极大大地减少了驱动能量，延长了电池的使用寿命。 早期的联接电缆直径为5 - 6 m m ，长度可达2 5 r a m 。现在直径为3 2 m m ，长度为 5 0 r a m 。双电极采用同轴联接器技术，大大地减少了双极起搏器联接电缆的尺 寸。电缆的绝缘材料可采用硅树脂、多尿苷酸等。因为电极和联接电缆直接与 目标生物组织接触，上述材料都应满足生物相容性和抗生物降解作用的要求。 1 3 可植入式器件研究技术中存在的问题 在目前，可植入式器件研究技术已成为生物医疗电子领域的热点，各种有 关技术的研究正在进行之中。尽管植入式电子器件存在多种可能的供电方案， 但只有磁感应供电和电池供电技术得到广泛的临床应用。电池供电技术主要是 锂电池供电，虽然锂电池供电已成为一种很好的选择，但是锂电池供电也存在 8 厦门大学硕士学位论文第一章绪论 一些缺点： ( 1 ) 锂电池可以很好的进行能量供给，已经应用于心脏起搏器，也能使用 相当长的时间，但随着可植入式器件微型化的要求越来越高，从而使器件的体 积越来越小，而在整个器件中，电池所占的体积比重最大，减少体积势必减少 电池的体积，从而减小了电池工作的寿命。 ( 2 ) 电池加重了可植入式器件的重量。 ( 3 ) 电池中包含有毒化学物质，一旦泄漏，将严重危害人的健康。 在心脏起搏器中，锂离子电池与心脏起搏器的集成电路一起被密封在钛盒 内，通过手术植入在左胸内。由于植入到目标组织的空间受限，电池体积较小， 电池的容量有限。锂离子电池的理论设计寿命是5 7 年，但实际寿命是2 5 年( 心 脏起搏器1 。在电池能量耗尽之前，必须通过手术重新植入。这不但给患者带来 很大的痛苦，而且手术费用昂贵。一例心脏起搏器植入的手术费超过1 万美元， 与廉价的锂电池相比，简直是天文数字。因此，研究人员在不断地寻求新的、 有效的供电方案。 由于上述原因的存在，电磁耦合感应技术得到很大的应用，成为现在更有 效的供电方案，尤其是在需要较大能量的可植入式电子器件中通常采用电磁耦 合感应技术供电。电磁耦合感应供电技术在很大程度上减少了器件的体积与重 量，减少了植入手术的麻烦，而且还能够进行信号与能量的传输，方便医生进 行远程控制。但是，它也存在一些缺点 2 6 】： ( 1 ) 磁感应耦合系数小，能量传递效率低。原因是：( 1 ) 生物组织的传导 特性对磁感应耦合有强烈的屏蔽作用，使磁感应耦合系数小；f 2 ) 植入电子器件 必须满足生物兼容性要求，导致植入电子器件的体积小，内部磁感应线圈尺寸 也相应地小，进一步使磁感应耦合系数减小。 ( 2 ) 因能量传递效率低，为了传递足够的能量，外部线圈的驱动电流很大 ( 安培级) 导致外部电池的容量和体积大，而且重，患者携带不方便。 ( 3 ) 用磁感应技术供电或通信的植入电子器件还可能与医疗设备( 例如 m 成像设备) 、通讯设备( 例如移动电话) 等发生相互干扰，限制患者行动 自由。 ( 4 ) 要求植入电子器件不间断地工作时，采用磁感应供电的植入电子器件 9 厦门大学硕士学位论文可植入微器件中若干技术的研究 的体内部分必须含有备用电池。消耗较少能量的植入电子器件可采用电池供电， 如心脏起搏器。 1 。4 论文内容及组织结构 本文主要研究了可植入微器件中的若于问题。首先研究了一种应用于可植 入式器件的微型射频m e m s 电感线圈的设计与制造，接着在此基础上研究了可 植入式器件的封装技术，然后分析了可植入信号发射与接收电路的工作原理， 最后研究了一个用于可植入式信号发射的脉冲振荡器芯片的工作原理并对其进 行了测试。本文的主要内容包括： ( 1 ) 可植入式器件简介 ( 2 ) 玻璃衬底微型射频m e m s 电感线圈的设计与制造。 ( 3 ) 可植入式器件封装技术的研究。 4 ) 可植入式系统信号发射与接收电路的分析 ( 5 ) 脉冲振荡器芯片的工作原理与测试。 论文的结构如下： 第一章，绪论。介绍研究了可植入式器件的基本知识，可植入式器件研究 中的关键问题，以及可植入式器件研究技术中存在的问题。 第二章，一种应用子可植入式器件的微型射频m e m s 电感线圈。介绍了硅 基集成电感，然后分析了硅衬底上的m e m s 电感的物理模型，接着在总结m e m s 电感性能隧电感参数变化的基础上提出了玻璃衬底上微型射频m e m s 电感线 圈，然后用h f s s 软件优化设计其结构参数，并研究了玻璃衬底上微型射频 m e m s 电感线圈的制作工艺，最后实现其微制造。 第三章，可植入式器件封装技术的研究。首先介绍了可植入式器件封装的 概念、作用、封装材料，然后采用微型射频m e m s 电感线圈作为样晶分别使用 两种方法t 金属封装以及复合介质薄膜和有机硅胶封装对其进行封装，接着分 别对两种封装好的样品进行了封装性熊测试，最瑟得出结论。 第四章，可植入式信号发射系统的初步研究。首先分析了可植入式信号发 l o 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 射与接收系统的工作要求，然后对可植入式系统信号发射与接收电路进行了分 析，接着研究了一种用于可植入信号发射的脉冲振荡器芯片的工作原理并对其 进行了测试，最后得出结论。 第五章，总结论文的主要内容、成果和创新点及对进一步研究工作的展望。 厦门大学硕士学位论文 可植入微器件中若干技术的研究 参考文献： 【1 】陈忠民高q 值r f m e m s 平面电感的研究 d 】清华大学硕士学位论文，2 0 0 4 【2 】 k a w a i ，t n a n o t e c h n o l o g yf o rt h ef u t u r em e m s j m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ， 2 0 0 3 ，1 3 3 】 n a d i mi m a l u f , g r e g o r yt a k o v a c sa n dd a l eg e e r e c e n ta d v a n c e si nm e d i c a l a p p l i c a t i o n so f m e m s j w e s c o n 9 6 ，19 9 6 ，6 0 - 6 3 【4 】w g r e a t b a t c h ，c e h o l m e s h i s t o r yo fi m p l a n t a b l ed e v i c e s j i e e ee n g m e d b i 0 1 m a g ，1 9 9 1 ，1 0 ( 3 ) ：3 8 4 1 【5 】 c s s a n d e r , j w k n u a i am o n o l i t h i cc a p a c i t i v ep r e s s u r es e n s o rw i t hp u l s e p e r i o d o u t p u t j i e e et r a n s e l e c t r o nd e v i c e s ，1 9 8 0 ，2 7 ( 5 ) ：9 2 7 9 3 0 【6 】d a r r i nj y o u n g , m a z u r c h e r ，w e nhk o i m p l a n t a b l em e m sa c c e l e r o m e t e r m i c r o p h o n ef o rc o c h l e a rp r o s t h e s i s j p r o c o fi e e ei n t e r s y m p o o nc i r c u i t s & s y s t e m s ，2 0 0 7 ，3 1 1 9 3 1 2 2 【7 】 武文君植入式电子装置经皮感应充电系统设计【d 】天津大学硕士学位论文， 2 0 0 6 8 】 r i c h a r ds s a n d e r s ，m i c h a e lt l e e i m p l a n t a b l ep a c e m a k e r s j p r o c e e d i n g so ft h ei e e e , 19 9 6 ，8 4 ( 3 ) ：4 8 0 4 8 6 【9 】 w i l l i a m m s m i t ha n d r a y m o n d e i d e k e r a u t o m a t i c i m p l a n t a b l e c a r d i o v e r t e r - d e f i b r i l l a t o r s 四a n n a r e v b i o m e d e n g 1 9 9 9 ，1 ：3 3 1 - 3 4 6 【1 0 】 b l a k es w i l s o n , d e w e yt l a w s o n ，j o a c h i mm m u l l e r , r i c h a r ds t y l e r , a n dj a nk i e f e r c o c h l e a ri m p l a n t ss o m el i k e l yn e x ts t e p s j a n n u r e v b i o m e d e n g , 2 0 0 3 ， 5 ：2 0 7 - 4 9 11 】y k s o n g ，w r p a t t e r s o n , c w b u l l ，j b e a l s d e v e l o p m e n to fac h i p s c a l ei n t e g r a t e d m i c r o e l e c t r o d e m i c r o e l e c t r o n i cd e v i c ef o rb r a i n i m p l a n t a b l en e u r o e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s j i e e et r a n s n e u r a ls y s t e m sa n dr e h a b i l i t a t i o ne n g ，2 0 0 5 ，1 2 ( 2 ) ： 2 2 0 2 2 6 【12 m a r t i ns c h u e t t l e r , k l a u sp e t e rk o c h i m p l a n t a b l eb i o m e d i c a lm i c r o s y s t e m sf o rn e u r a l p r o s t h e s e s j i e e ee n g m e d & b i 0 1 m a g ，2 0 0 5 ，1 0 ：5 8 6 5 1 2 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 【1 3 】 j a m e sd w e i l a n d , w e n t a il i u , a n dm a r ks h u m a y u n r e t i n a lp r o s t h e s i s j a n n u r e v b i o m e d e n g ，2 0 0 5 ，7 ：3 6 1 - 4 0 1 【1 4 】m s c h w a r z , l e w e ，n h i j 捆，b j h o s t i c k a , j h u p p e r t z , s k o l n s b e r g ，w m o k w a , a n dh kt r i e u m i c r oi m p l a n t a b l ev i s u a lp r o s t h e s e s j 1s ta n n u a li n t e r n a t i o n a l j e e e - e m b ss p e c i a lt o p i cc o n f e r e n c eo nm i c r o t e c h n o l o g i e si nm e d i c i n e & b i o l o g y , 2 0 0 0 ，4 6 1 - 4 6 5 【15 】w l 沁m s i v a p r a k a s a m ，gw a n g i m p l a n t a b l e b i o m i m e t i cm i c r o e l e c t r o n i c s y s t e m s d e s i g n j i e e ee n g m e d & b i 0 1 m a g ，2 0 0 5 ，1 0 ：6 6 - 7 4 【1 6 】 d l p o l l a , e ( 2 e r d m a n m i c r o d e v i c e si nm e d i c i n e j a n n u r e v b i o m e d 。e n g ，2 0 0 0 ， 2 ：5 5 1 0 6 【17 】 k h a l i ln a j a f i r e c e n tp r o g r e s si nm i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o ni n i m p l a n t a b l eb i o m e d i c a ls y s t e m s j i e e es i x t hi n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo i lm i c r o m a c h i n ea n dh u m a ns c i e n c e ，19 9 5 ，11 - 2 0 【l8 】a c r g r a y s o n , r s s h a w g o ，a m j o h n s o n , n t f l y n n , y w l i ，m i c h a e lj c i m a , a n d i l l a n g e r ab i o m e m sr e v i e w ：m e m st e c h n o l o g yf o rp h y s i o l o g i c a l l yi n t e g r a t e d d e v i c e s j p r o c e e d i n g so f l e e e ，2 0 0 4 ，9 2 ( 1 ) ：6 2 1 19 】w l i u , m s i v a p r a k a s a m ，g w a n g i m p l a n t a b l eb i o m i m e t i cm i c r o e l e c t r o n i cs y s t e m s d e s i g n j i e e ee n g m e d & b i 0 1 ，2 0 0 5 ，10 ：6 6 - 7 4 【2 0 】 e v a l d d s t r i ，a m e n c i a s s i ，a a r e n aa n de d a r i o a ni m p l a n t a b l et e l e m e t r yp l a t f o r m s y s t e mf o ri nv i v om o n i t o r i n go fp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s j i e e et r a n i n f o t e c h