一种植入式能量收集器件

摘要

本发明提供一种植入式能量收集器件，在被封装的摩擦纳米发电机上设置缓冲气囊，气囊结构由弹性伸缩材料构成，通过气孔或者单独设计的气体通道与摩擦纳米发电机两个摩擦层之间的空间相连。当摩擦纳米发电机的摩擦层受外力作用相互接触时，两摩擦层之间的气体通过气孔或气体通道进入缓冲气囊暂存；当外力撤去，缓冲气囊会自发将暂存的空气排入两个摩擦层之间的空间，帮助摩擦层完成分离动作。本发明提供的能量收集器件结构既保证摩擦纳米发电机有效的完成接触分离实现正常的输出性能，又避免了内部气体对封装层的直接作用，增强了器件的稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及植入式器件领域，具体地，涉及一种植入式收集能量的器件。

背景技术

近年来，植入式脉冲发生器(如心脏起搏器，脑起搏器等)被广泛应用于医学诊断和治疗领域，植入式脉冲发生器的体积、质量以及电池续航等方面仍然面临巨大的挑战。

纳米发电机可利用在摩擦电势序列(Triboelectricity series)中位置不同的材料相互接触和/或摩擦时发生电子转移的现象发电。纳米发电机具有柔性、体积小、质量轻等特点，它能够将人体体内外的生物机械运动产生的能量转化为电能，非常适合于驱动植入式、便携式和小型自驱动式电子设备。

植入式摩擦纳米发电机作体内植入时,需进行柔性封装,以保证内部器件在体内复杂环境下工作的稳定性。基于经典接触式摩擦纳米发电机的工作原理，封装时会内部预留一定量的气体以保证器件的两个摩擦层能够正常的接触分离或互相摩擦。但这部分气体在发电机工作时，受到外力作用时，会对封装层四周接合处以及导线与封装层的接合处等相对薄弱部位产生明显的挤压，从而增加从内部破坏器件封装的风险。封装时封存的气体越少，对封装层的挤压越弱，发电机的稳定性会提高，但由于内部气压降低，外部对发电机的压力会变大，因此不利于发电机接触分离过程的进行，从而降低发电机的输出。反之亦然。因此基于封装内气体留存所产生的发电机性能与封装稳定性之间的矛盾是制约摩擦纳米发电机体内长期使用的一个重要问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有缓冲气囊的能量收集器件，将封装在一起的缓冲气囊与摩擦纳米发电机相连通，能够保证摩擦纳米发电机的正常输出性能，也避免了内部气体对封装层的直接作用，增强了器件的稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供一种植入式能量收集器件，包括：被封装层封装的摩擦纳米发电机和缓冲气囊，其中，

所述摩擦纳米发电机具有能够互相接触分离的两个发电部分，两个发电部分之间封装有气体；

所述缓冲气囊为弹性伸缩的气囊结构，所述摩擦纳米发电机和缓冲气囊之间通过气孔或者气体通道连通。

优选的，所述缓冲气囊设置在所述摩擦纳米发电机的一端。

优选的，所述摩擦纳米发电机和所述缓冲气囊之间连通的气孔或者气体通道设置在所述两个发电部分之间。

优选的，所述缓冲气囊的高度和宽度不超过所述摩擦纳米发电机的高度和宽度。

优选的，所述摩擦纳米发电机包括：

紧密贴合的第一电极层和第一摩擦层；

第二摩擦层与所述第一摩擦层面对面隔开一定空间设置；

第一摩擦层与第二摩擦层之间设置隔离部件在两个摩擦层之间形成空隙；

在所述隔离部件上设置所述气孔或者气体通道；或者，在所述第一摩擦层与第二摩擦层之间留有部分空间不设置所述隔离部件，形成所述气孔或者气体通道。

优选的，所述缓冲气囊设置在所述摩擦纳米发电机的下方。

优选的，所述摩擦纳米发电机和缓冲气囊之间连通的气孔或者气体通道设置在一个发电部分上。

优选的，所述缓冲气囊长度和宽度不超过所述摩擦纳米发电机的长度和宽度。

优选的，所述摩擦纳米发电机包括：

紧密贴合的第一电极层和第一摩擦层；

第二摩擦层与所述第一摩擦层面对面隔开一定空间设置；

所述第一摩擦层与第二摩擦层之间设置隔离部件在两个摩擦层之间形成空隙；

在所述第二摩擦层上设置气孔或者气体通道。

优选的，所述气孔或者气体通道至少有两个。

优选的，所述摩擦纳米发电机包括金属支架层，所述金属骨架层、第一电极层和第一摩擦层依次紧密贴合。

优选的，所述金属骨架层采用记忆金属。

优选的，所述缓冲气囊采用弹性材料。

优选的，所述封装层的材料为有机硅、金属、金属氧化物或高分子材料。

与现有技术相比，本发明提供的植入式能量收集器件的有益效果是：

在摩擦纳米发电机上设置缓冲气囊，气囊结构由弹性伸缩材料构成，通过气孔或者单独设计的气体通道与摩擦纳米发电机两个摩擦层之间的空间相连。当摩擦纳米发电机的摩擦层受外力作用相互接触时，他们之间的气体通过气孔(气体通道)进入缓冲气囊暂存；当外力撤去，缓冲气囊会自发将暂存的空气排入两个摩擦层之间的空间，帮助摩擦层完成分离动作。这样一来既能够使摩擦纳米发电机有效的完成接触分离的过程，保证正常的输出性能，又避免了内部气体对封装层的直接作用，增强了器件的稳定性。

另外，传统的摩擦纳米发电机接触后的分离，主要基于高分子材料(如kapton、PET等)自身的弹性回复能力。封装后由于封装层厚度、重量以及内部气压变化，都会影响发电机的分离过程，造成输出降低。因此本发明的 另一个创新点在于，利用形变回复能力更强的记忆金属制作骨架，与发电机其中一个主要受力形变的摩擦层固定，提高其在上述不利条件下恢复形变的能力，从而维持发电机的输出能力。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为实施例一中的植入式能量收集器件的结构示意图；

图2为实施例一中的摩擦纳米发电机的具体结构示意图；

图3为实施例一中的植入式能量收集器件的工作过程示意图；

图4为实施例二中的植入式能量收集器件的结构示意图；

图5为实施例二中的摩擦纳米发电机的具体结构示意图；

图6为实施例二中的植入式能量收集器件的工作过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”是指示图中的方向；“内”指朝向相应结构内部，“外”指朝向相应结构外部。

本申请针对关于目前植入式纳米发电机封装稳定性不佳的问题，植入式纳米发电机封装内的气体受外力作用时，这部分气体会对封装层薄弱部位进行挤压，容易从内部破坏发电机封装结构的密闭性。

基于上述原因本发明设计了一种新的植入式能量收集器件，是一种带有缓冲气囊的能量收集器件，将封装在一起的缓冲气囊与摩擦纳米发电机相连 通，在摩擦发电机在机械外力作用下产生电能的同时，其中的气体被挤压到缓冲气囊中，使摩擦发电机的两部分容易实现接触分离过程，能够保证摩擦纳米发电机的正常输出性能，也避免了内部气体对封装层的直接作用。

下面结合附图详细介绍本发明的带有缓冲气囊的能量收集器件。

实施例一：

参见图1，本实施例提供的植入式能量收集器件的典型结构，包括摩擦纳米发电机10和缓冲气囊11，缓冲气囊11设置在摩擦纳米发电机10的一端，二者被封装在封装层30中，其中，摩擦纳米发电机10具有能够互相接触分离的两个发电部分，两个发电部分之间封装有气体，缓冲气囊11为弹性伸缩的气囊结构，摩擦纳米发电机10和缓冲气囊11之间通过气孔或者气体通道连通。

缓冲气囊11采用弹性材料构成，例如橡胶类，有机硅类，树脂类等高分子材料，也可以是其他具有高弹性的天然或人工合成材料。

缓冲气囊11的尺寸与摩擦纳米发电机10相适应，由于位于摩擦纳米发电机的侧方，其高度和宽度以不超过摩擦纳米发电机10的高度和宽度为宜。优选的，当植入式能量收集器件不受外力作用时，缓冲气囊11的高度和宽度与所述摩擦纳米发电机10的高度和宽度相当。

当植入式能量收集器件不受外力作用时，缓冲气囊11中气体的容积不做特别限定，可以基本没有气体，也可以与摩擦纳米发电机10中两个摩擦层之间(即两个发电部件之间)形成空间的体积相当。

本实施例中，摩擦纳米发电机10的结构可以是现有的所有摩擦纳米发电机，其典型结构为具有能够互相接触分离的两个发电部分，在互相接触分离过程中由于摩擦起电和静电感应作用形成电输出。本实施例的植入式能量收集器件中，摩擦纳米发电机10和缓冲气囊11之间连通的气孔或者气体通道设置在该两个发电部分之间。

以图2中摩擦纳米发电机10的典型结构为例，结合图3，说明本实施例中植入式能量收集器件的工作过程。摩擦纳米发电机10包括依次紧密贴合的金属骨架层101、第一电极层102和第一摩擦层103，形成第一发电部分；第二摩擦层105与第一摩擦层103面对面隔开一定空间设置，第二摩擦层105形成第二发电部分；第一摩擦层103与第二摩擦层105之间可以设置隔离部件104在两个摩擦层之间形成空隙，在隔离部件104上设置气孔或者气体通道，将设置在摩擦纳米发电机10一端的缓冲气囊11之间连通。或者，也可以在第一摩擦层103与第二摩擦层105之间留有部分空间不设置隔离部件104，形成气孔或者气体通道。当摩擦纳米发电机10的摩擦层受外力F作用相互接触时，两个摩擦层之间的气体通过气孔(气体通道)进入缓冲气囊11暂存，如图3中(b)图中箭头所示；当外力撤去，缓冲气囊11会自发将暂存的空气排入两个摩擦层之间的空间，见图3中(C)图，帮助摩擦层完成分离动作。这样一来既能够使摩擦纳米发电机有效的完成接触分离的过程，保证正常的输出性能，也避免了内部气体对封装层30的直接作用，增强了器件的稳定性。

摩擦纳米发电机10中，第一摩擦层103和第二摩擦层105的材料选择范围很广，在这里不做特别的限定，可以为导体、半导体或者绝缘体材料，只要两种摩擦层的材料存在得失电子能力差异即可。

本实施例的示意图中略去了摩擦纳米发电机用于电信号输出的导线部分，在实际器件中摩擦纳米发电机的电极层通过导线引出封装层。

另外，传统的摩擦纳米发电机中两个摩擦层接触后的分离，主要基于摩擦层采用高分子材料(如kapton、PET等)自身的弹性回复能力。采用这样的摩擦纳米发电机，封装后由于封装层厚度、重量以及内部气压变化，都会影响发电机的分离过程，造成输出降低。本实施例中，利用形变回复能力更强的记忆金属制作骨架作为金属骨架层101，与摩擦纳米发电机其中一个主 要受力形变的摩擦层固定，该金属骨架层101具有良好的形变恢复能力，能够帮助摩擦纳米发电机的两个摩擦层更有效的完成接触-分离过程，提高其在上述不利条件下恢复形变的能力，从而维持摩擦纳米发电机的输出能力。

金属骨架层101所用材料可以是铁、钛等具单一金属，也可以是两种或多种金属的合金，以具有较强的弹性恢复能力为准。

封装层30的材料可以为有机硅、金属、金属氧化物或高分子材料等，例如PDMS，橡胶，Au，Al2O3，PTFE，PARYLENE等均可以作为封装层的材料。

实施例二：

参见图4，本实施例提供的植入式能量收集器件的典型结构，包括摩擦纳米发电机20和缓冲气囊21，缓冲气囊21设置在摩擦纳米发电机20的下方，二者被封装在封装层30中，其中，摩擦纳米发电机20具有能够互相接触分离的两个发电部分，两个发电部分之间封装有气体，缓冲气囊21为弹性伸缩的气囊结构，摩擦纳米发电机20和缓冲气囊21之间通过气孔或者气体通道连通。

与实施例一不同的地方在于，本实施例中用于气体流动的气孔或者气体通道设置的位置不同。

本实施例中，摩擦纳米发电机20的结构可以是现有的所有摩擦纳米发电机，其典型结构为具有能够互相接触分离的两个发电部分，在互相接触分离过程中由于摩擦起电和静电感应作用形成电输出。本实施例的植入式能量收集器件中，摩擦纳米发电机20和缓冲气囊21之间连通的气孔或者气体通道设置在一个发电部分上。

以图5中摩擦纳米发电机20的典型结构为例，结合图6，说明本实施例中植入式能量收集器件的工作过程。摩擦纳米发电机20包括依次紧密贴合的金属骨架层201、第一电极层202和第一摩擦层203，形成第一发电部分； 第二摩擦层205与第一摩擦层203面对面隔开一定空间设置，第二摩擦层205形成第二发电部分；第一摩擦层203与第二摩擦层205之间可以设置隔离部件204在两个摩擦层之间形成空隙，在第二摩擦层205(第二发电部分)上设置气孔或者气体通道，将在摩擦纳米发电机20与缓冲气囊11之间连通。设置气孔或者气体通道的个数可以为1个也可以为多个，为了使气体更顺畅的在摩擦纳米发电机20与缓冲气囊21之间流动，如图4中所示可以设置至少2个气孔或者气体通道。当摩擦纳米发电机20的摩擦层受外力F作用相互接触时，两个摩擦层之间的气体通过气孔(气体通道)进入缓冲气囊21暂存，如图6中(b)图中箭头所示；当外力撤去，缓冲气囊21会自发将暂存的空气排入两个摩擦层之间的空间，见图6中(C)图，帮助摩擦层完成分离动作。这样一来既能够使摩擦纳米发电机有效的完成接触分离的过程，保证正常的输出性能，也避免了内部气体对封装层30的直接作用，增强了器件的稳定性。

缓冲气囊21的材料可以与实施例一中的材料相同。缓冲气囊21的尺寸与摩擦纳米发电机20相适应，由于位于摩擦纳米发电机的下方，其长度和宽度以不超过摩擦纳米发电机20的长度和宽度为宜。优选的，当植入式能量收集器件不受外力作用时，缓冲气囊21的长度和宽度与所述摩擦纳米发电机20的长度和宽度相当。

当植入式能量收集器件不受外力作用时，缓冲气囊21中气体的容积不做特别限定，可以基本没有气体，也可以与摩擦纳米发电机20中两个摩擦层之间形成空间的体积相当。

本实施例中摩擦纳米发电机中的金属支架层能够帮助摩擦纳米发电机的两个摩擦层更有效的完成接触-分离过程，提高其在上述不利条件下恢复形变的能力。在其他实施例中，也可以没有该金属支架层。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。