基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统
阅读：1030发布：2020-07-18
专利汇可以提供基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于体内MEMS微振动 能源 收集的 心脏起搏器 能源系统，包括：MEMS人体微振动 能量 收集模 块 ，其用于采集振 动能 量，并且将振动能转化为 电能 以进行存储；MEMS电源磁屏蔽封装；信息采集模块，其用于采集人体心脏的心电 信号 以生成起搏操作指令；脉冲电控模块，其用于生成脉冲 电压 对人体心脏进行起搏刺激。本发明 实施例 的心脏起搏器可以采集人体微振动产生的振动能量，并转化为电能，延长了心脏起搏器的使用寿命，降低了使用成本，提高了心脏起搏器的适应性，更好地保证心脏起搏器的可靠性。，下面是基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统专利的具体信息内容。
1.一种基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统，其特征在于，包括：
MEMS人体微振动能量收集模块，用于采集由人体微振动产生的振动能量，并且将所述振动能量转化为电能，以进行存储，其中，所述MEMS人体微振动能量收集模块包括：
MEMS微振动能源器件，通过人体微振动使器件微敏感结构发生周期性形变，进而通过压电效应持续产生响应的电荷，从而存储所述电能；微振动能源管理电路，用于对信息采集模块与脉冲电控模块进行供电，以及所述MEMS微振动能源器件由MEMS工艺加工而成的中心十字铰链微扭转梁与边缘微悬臂梁阵列组成；
MEMS电源磁屏蔽封装，通过MEMS电镀、溅射或蒸镀薄膜沉积，对MEMS微振动能源封装外壳实现镍层保护，进而通过MEMS键合，实现无缝键合封装；
信息采集模块，用于采集人体心脏的心电信号以生成起搏操作指令；
脉冲电控模块，用于根据所述起搏操作指令通过所述MEMS人体微振动能量收集模块存储的电能生成脉冲电压，并通过所述信息采集模块传导所述脉冲电压，以对所述人体心脏进行起搏刺激。
2.根据权利要求1所述的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统，其特征在于，还包括：
锂电池；
备用能源切换模块，在所述振动能量过低或失效时，用于将所述MEMS人体微振动能量收集模块供电切换为所述锂电池供电。
3.根据权利要求1所述的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统，其特征在于，所述信息采集模块包括：
电极导线，所述电极导线植入所述人体心脏，用于传导心电信号与所述脉冲电压；
传感器，用于采集所述电极导线传导的心电信号；
微处理器，用于根据所述心电信号按照NBG码生成所述起搏操作指令。
4.根据权利要求1所述的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统，其特征在于，所述MEMS微振动能源器件的压电功能层A材料为PZT与AlN其中的任意一种，对应的MEMS加工工艺为Sol-Gel或磁控溅射。
5.根据权利要求4所述的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统，其特征在于，采用的等离子体增强化学气相沉积与低压化学气相沉积的加工工艺实现绝缘层SiO2或Si3N4的生长，生长厚度控制在0.3-0.5μm。
6.根据权利要求4所述的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统，其特征在于，采用的氮气、氩气混合磁控溅射MEMS加工工艺实现压电功能层AlN的生长，生长厚度控制在1-3μm，并且采用电子束蒸发MEMS加工工艺来实现电极层Ti、Pt与Au的生长，Pt、Au的生长厚度控制在0.5-0.8μm，Ti的生长厚度控制在0.04-0.08μm。
7.根据权利要求4所述的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统，其特征在于，所述MEMS微振动能源器件的十字铰链结构微扭转梁与边缘微悬臂梁阵列的形状、尺寸可实现预设的固有频率。
基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统
技术领域
背景技术
[0003] 根据研究表明，患者对于DDDR(dual chambers paces，dual chambers sensed，dual response to this，and rate modifiable，房室全能型起搏频率调整)工作模式心脏
起搏器所占需求率最高，为59％。然而，目前市面上高端进口心脏起搏设备采用的进口锂电
池标称使用寿命为10年，国家对于心脏起搏器电池的使用年限标准为5-7年。
起搏器所占需求率最高，为59％。然而，目前市面上高端进口心脏起搏设备采用的进口锂电
池标称使用寿命为10年，国家对于心脏起搏器电池的使用年限标准为5-7年。
[0004] 对于起搏器电源的要求应为可靠性高，尽量延长电源的使用寿命。然而，长久以来高功率与强磁场环境对心脏起搏器都存在着严重影响，导致一些医疗检查如MRI(Magnetic
Resonance Imaging，核磁共振成像)受到了很大的限制，给患者(尤其是老年患者)带来了
极大的不便，降低了心脏起搏器的适应性。
Resonance Imaging，核磁共振成像)受到了很大的限制，给患者(尤其是老年患者)带来了
极大的不便，降低了心脏起搏器的适应性。
[0005] 具体而言，对于心脏起搏器的影响主要体现在起搏器位移，改变起搏频率，重置起搏器，热效应损伤，损坏电子元件，影响电池寿命几个方面。虽然相关技术中的兼容MRI的心
脏起搏器SureScan pacemaker，从传感器、电路保护，电极导线保护、材料结构改进等方面
使起搏器首次可以应用于MRI检查，但对于电池寿命的影响问题并未真正解决。
脏起搏器SureScan pacemaker，从传感器、电路保护，电极导线保护、材料结构改进等方面
使起搏器首次可以应用于MRI检查，但对于电池寿命的影响问题并未真正解决。
发明内容
[0007] 正常人体内脏振动的固有频率为2-5Hz，在运动状态下时会更高。其中心脏是一种肌肉性的搏动脉，可以将体内化学能转换为心肌和血液的动能，并且心脏本身的平均输出
功率约1.4W，远远大于起搏器的功耗(<10μW，1.8-2.8V AC)；而人类处于运动状态下时的振
动能更大(>10Hz)，因此利用心脏，呼吸，运动等振动能具有稳定的能量输出。
功率约1.4W，远远大于起搏器的功耗(<10μW，1.8-2.8V AC)；而人类处于运动状态下时的振
动能更大(>10Hz)，因此利用心脏，呼吸，运动等振动能具有稳定的能量输出。
[0008] 可再生能源将不同形式能量转换为电能，并将其存在储能元件中，理论上寿命是无限的，并且可以稳定的电压，有利于实现自动化。对于人体而言，自身存在的微能源主要
有：肌肉扩张收缩、振动、血液流动三大类型。
有：肌肉扩张收缩、振动、血液流动三大类型。
[0009] 在人体使用环境下，振动式微能源把环境中的振动能转化为电能，其可以产生稳定的能量，不随时间的长短而发生变化，且相对于肌肉扩张收缩、与血液流动的能量收集方
案，具有非接触式、无污染、低风险的特点。
案，具有非接触式、无污染、低风险的特点。
[0010] 压电式振动微能源系统环境适应性强，与微机电系统(MEMS)技术兼容，换效率高，输出电能密度高，且特别适用于如人体自身运动等低振动频率环境中。同时经济、安全、环
保，可作为能源收集、供给装置，延长微器件的使用寿命，其可再生资源的理念也响应了现
今低碳生活的需求，具有广泛的应用前景和重要的里程碑的意义。
保，可作为能源收集、供给装置，延长微器件的使用寿命，其可再生资源的理念也响应了现
今低碳生活的需求，具有广泛的应用前景和重要的里程碑的意义。
[0011] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0012] 为此，本发明的目的在于提出一种基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统，该系统可以采集人体微振动产生的振动能量，并转化为电能，延长了心脏起搏器的
使用寿命。
使用寿命。
[0013] 为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统，其特征在于，包括：MEMS人体微振动能量收集模块，用于采集由人体微振
动产生的振动能量，并且将所述振动能量转化为电能，以进行存储；MEMS电源磁屏蔽封装，
通过MEMS电镀、溅射与蒸镀薄膜沉积，对MEMS微振动能源封装外壳实现镍层保护，进而通过
MEMS键合，实现无缝键合封装；信息采集模块，用于采集人体心脏的心电信号以生成起搏操
作指令；脉冲电控模块，用于根据所述起搏操作指令通过所述MEMS人体微振动能量收集模
块存储的电能生成脉冲电压，并通过所述信息采集模块传导所述脉冲电压，以对所述人体
心脏进行起搏刺激。
动产生的振动能量，并且将所述振动能量转化为电能，以进行存储；MEMS电源磁屏蔽封装，
通过MEMS电镀、溅射与蒸镀薄膜沉积，对MEMS微振动能源封装外壳实现镍层保护，进而通过
MEMS键合，实现无缝键合封装；信息采集模块，用于采集人体心脏的心电信号以生成起搏操
作指令；脉冲电控模块，用于根据所述起搏操作指令通过所述MEMS人体微振动能量收集模
块存储的电能生成脉冲电压，并通过所述信息采集模块传导所述脉冲电压，以对所述人体
心脏进行起搏刺激。
[0014] 本发明实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统，可同时采集人体心跳、呼吸、肢体运动等常规与非常规运动方式产生的振动能量，具有较大工作频带
宽度，并且特殊的能量驱动原理与磁屏蔽封装实现了正常的生理活动和医疗检查的无干扰
性，由于具有高稳定性、小尺寸、高功率密度的特点，从而可以协同或取代传统式心脏起搏
医疗器械的锂电池式能量供给，在延长了心脏起搏器的使用寿命的同时，降低了使用成本，
从而免去了患者频繁更换电池的痛苦，以及采用的MEMS工艺技术保证了材料具有良好的生
物适应性与无毒性，降低了使用成本，提高了心脏起搏器的适应性，更好地保证心脏起搏器
的可靠性。
宽度，并且特殊的能量驱动原理与磁屏蔽封装实现了正常的生理活动和医疗检查的无干扰
性，由于具有高稳定性、小尺寸、高功率密度的特点，从而可以协同或取代传统式心脏起搏
医疗器械的锂电池式能量供给，在延长了心脏起搏器的使用寿命的同时，降低了使用成本，
从而免去了患者频繁更换电池的痛苦，以及采用的MEMS工艺技术保证了材料具有良好的生
物适应性与无毒性，降低了使用成本，提高了心脏起搏器的适应性，更好地保证心脏起搏器
的可靠性。
[0015] 另外，根据本发明上述实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统还可以具有以下附加的技术特征：
[0016] 进一步地，在本发明的一个实施例中，上述心脏起搏器能源系统还包括：锂电池；备用能源切换模块，在所述振动能过低或失效时，用于将所述MEMS人体微振动能量收集模
块供电切换为所述锂电池供电。
块供电切换为所述锂电池供电。
[0017] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述信息采集模块包括：电极导线，所述电极导线植入所述人体心脏，用于传导心电信号与所述脉冲电压；传感器，用于采集所述电极
导线传导的心电信号；微处理器，用于根据所述心电信号按照NBG码生成所述起搏操作指
令。
导线传导的心电信号；微处理器，用于根据所述心电信号按照NBG码生成所述起搏操作指
令。
[0018] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述MEMS人体微振动能量收集模块包括：MEMS微振动能源器件，通过人体微振动使器件微敏感结构发生形变，进而通过压电效应持
续产生响应的电荷，从而存储所述电能；微振动能源管理电路，用于对所述信息采集模块与
所述脉冲电控模块进行供电。
续产生响应的电荷，从而存储所述电能；微振动能源管理电路，用于对所述信息采集模块与
所述脉冲电控模块进行供电。
[0022] 可选地，在本发明的一个实施例中，采用的氮气、氩气混合磁控溅射MEMS加工工艺实现压电功能层AlN的生长，生长厚度控制在1-3μm，并且采用的电子束蒸发MEMS加工工艺
来实现电极层Ti、Pt与Au的生长，Pt、Au的生长厚度控制在0.5-0.8μm，Ti的生长厚度控制在
0.04-0.08μm。
来实现电极层Ti、Pt与Au的生长，Pt、Au的生长厚度控制在0.5-0.8μm，Ti的生长厚度控制在
0.04-0.08μm。
[0023] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述MEMS微振动能源器件的十字铰链结构微扭转梁与边缘微悬臂梁阵列的形状、尺寸设计为预设的固有频率。
[0025] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0026] 图1为根据本发明实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统的结构示意图；
[0027] 图2为根据本发明一个实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统的工作流程图；
[0028] 图3为根据本发明一个实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统的原理示意图；
[0029] 图4为根据本发明一个实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统的电路示意图；
[0030] 图5为根据本发明一个实施例的MEMS微振动能源器件的结构示意图。
[0031] 图6(a)至(j)为根据本发明一个实施例的MEMS微振动能源器件的加工流程示意图；
[0032] 图7为根据本发明一个实施例的MEMS微振动能源器件经完整加工流程的俯视示意图；
[0033] 图8为根据本发明一个实施例的MEMS电源磁屏蔽封装的结构示意图；以及
[0034] 图9为根据本发明一个实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统的器件示意图。
[0035] 附图标记：
[0036] 1.Si(100)双抛光衬底，2.氧化硅SiO2，3.下电极层Pt/Ti，4.压电材料层AlN(PZT)，5.上电极Au，6.氮化硅Si3N4，7.SU-8；8.十字铰链结构微扭转梁，9.悬臂梁阵列，10.
质量块，11.下电极引脚，12.上电极引脚；13.Si(100)，14.Ni；15.电极导线，16.心室、心房
电极，17.脉冲电控模块，18.心电信号传感器，19.备用电池能源，20.MCU微处理器，21.MEMS
微振动能源器件(包括EMI电源磁屏蔽保护)，22.集成电路PCB电路板，23.系统钛封装外壳；
100.MEMS人体微振动能量收集模块，200.MEMS电源磁屏蔽封装，300.信息采集模块，400.脉
冲电控模块，500.备用能源切换模块。
质量块，11.下电极引脚，12.上电极引脚；13.Si(100)，14.Ni；15.电极导线，16.心室、心房
电极，17.脉冲电控模块，18.心电信号传感器，19.备用电池能源，20.MCU微处理器，21.MEMS
微振动能源器件(包括EMI电源磁屏蔽保护)，22.集成电路PCB电路板，23.系统钛封装外壳；
100.MEMS人体微振动能量收集模块，200.MEMS电源磁屏蔽封装，300.信息采集模块，400.脉
冲电控模块，500.备用能源切换模块。
具体实施方式
[0037] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0038] 下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统。
[0039] 图1是本发明实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统的结构示意图。
[0040] 如图1所示，该基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统包括：MEMS人体微振动能量收集模块100、MEMS电源磁屏蔽封装200、信息采集模块300与脉冲电控模块
400。
400。
[0041] 其中，MEMS人体微振动能量收集模块100用于采集由人体微振动产生的振动能量，并且将振动能量转化为电能，以进行存储。MEMS电源磁屏蔽封装200通过MEMS电镀、溅射与
蒸镀薄膜沉积，对MEMS微振动能源封装外壳实现镍层保护，进而通过MEMS键合(硅-硅、阳极
键合)，实现MEMS微振动能电源的无缝键合封装。信息采集模块300用于采集人体心脏的心
电信号以生成起搏操作指令。脉冲电控模块400用于根据起搏操作指令通过MEMS人体微振
动能量收集模块存储的电能生成脉冲电压，并通过信息采集模块传导脉冲电压，以对人体
心脏进行起搏刺激。本发明实施例的心脏起搏器能源系统可以采集人体微振动产生的振动
能量，并转化为电能，延长了心脏起搏器的使用寿命，降低了使用成本，提高了心脏起搏器
的适应性，更好地保证心脏起搏器的可靠性。
蒸镀薄膜沉积，对MEMS微振动能源封装外壳实现镍层保护，进而通过MEMS键合(硅-硅、阳极
键合)，实现MEMS微振动能电源的无缝键合封装。信息采集模块300用于采集人体心脏的心
电信号以生成起搏操作指令。脉冲电控模块400用于根据起搏操作指令通过MEMS人体微振
动能量收集模块存储的电能生成脉冲电压，并通过信息采集模块传导脉冲电压，以对人体
心脏进行起搏刺激。本发明实施例的心脏起搏器能源系统可以采集人体微振动产生的振动
能量，并转化为电能，延长了心脏起搏器的使用寿命，降低了使用成本，提高了心脏起搏器
的适应性，更好地保证心脏起搏器的可靠性。
[0042] 进一步地，在本发明的一个实施例中，如图1所示，本发明实施例的心脏起搏器还包括：锂电池(图中未具体标识)和备用能源切换模块500。
[0043] 其中，在振动能过低或失效时，备用能源切换模块500用于将MEMS人体微振动能量收集模块供电切换为锂电池供电。
[0044] 在本发明的实施例中，备用能源切换模块500采用锂电池作为备用电源，当振动能量过低或失效时，由电控开关切换为电池供电，该混合驱动能源工作模式，可将器件的使用
寿命提升一倍左右，并提高了器件的可靠性，降低了突发事故的风险。
寿命提升一倍左右，并提高了器件的可靠性，降低了突发事故的风险。
[0045] 可以理解为，本发明实施例的心脏起搏器能源系统可以由电路控制MEMS振动能源与锂电池的工作模式切换，特点具体为：
[0046] 1.该能源供给方案包含了：纯振动能量转化电源与备用锂电源电池电源。
[0047] 2.在人体日间活动状态下，以心脏跳动、呼吸、常规运动所产生的振动能作为系统电路与心脏起搏器的电源。
[0048] 3.在人体夜间休息状态下，振动能量不足时，由电路控制转换为锂电池作为系统电路与心脏起搏器的电源。
[0049] 4.该能源供给方案可实现两种电源模式的交替工作，理论上MEMS微振动能电源可产生无限的电量，因此该方案相对于传统单一电池式供电模式，可将起搏器的使用寿命提
升一倍以上，减少了患者更换电池的频率。
升一倍以上，减少了患者更换电池的频率。
[0050] 5.混合电源方案具有较高的可靠性，即使一种电源无法工作也可以即时启用另一种供电模式，对于预防心脏骤停等突发病症有重要意义。
[0051] 进一步地，在本发明的一个实施例中，信息采集模块300包括：电极导线、传感器和微处理器。
[0052] 其中，电极导线植入人体心脏，电极导线用于传导心电信号与脉冲电压。传感器用于采集电极导线传导的心电信号。微处理器用于根据心电信号按照NBG码生成起搏操作指
令。
令。
[0053] 进一步地，在本发明的一个实施例中，MEMS人体微振动能量收集模块100包括：MEMS微振动能源器件和微振动能源管理电。
[0054] 其中，MEMS微振动能源器件通过人体微振动，使得器件微敏感器件发生形变，进而通过压电效应持续产生响应的电荷，从而存储电能。微振动能源管理电路用于对信息采集
模块与脉冲电控模块进行供电。
模块与脉冲电控模块进行供电。
[0055] 在本发明的实施例中，可以对人体自身产生的振动能量转为电能并暂时收集；收集的电能一方面可为部分系统电路供电，另一方面可以由脉冲电控模块以对应的模式对心
脏给予适当的起搏刺激，起到治疗的效果。
脏给予适当的起搏刺激，起到治疗的效果。
[0056] 进一步地，在本发明的一个实施例中，MEMS微振动能源器件可以由MEMS工艺加工而成的中心十字铰链微扭转梁与边缘微悬臂梁阵列组成。
[0057] 具体地，MEMS微振动能源器件采用的RIE(反应离子刻蚀)MEMS加工工艺来实现SiO2与Si3N4的刻蚀，并且采用的ICP(深硅感应耦合等离子体刻蚀)MEMS加工工艺来实现Si
基的刻蚀与悬臂梁结构释放。
基的刻蚀与悬臂梁结构释放。
[0058] 可选地，在本发明的一个实施例中，MEMS微振动能源器件的压电功能层A材料为PZT与AlN其中的任意一种，对应的MEMS加工工艺为Sol-Gel或磁控溅射。
[0059] 其中，PZT与AlN具有较好的MEMS工艺兼容性，易实现微结构的加工与批量化生产，且所含成分对人体无生理影响，适用于体内器件。
[0061] 可选地，在本发明的一个实施例中，采用的氮气、氩气混合磁控溅射MEMS加工工艺实现压电功能层AlN的生长，生长厚度控制在1-3μm，并且采用的电子束蒸发MEMS加工工艺
来实现电极层Ti、Pt与Au的生长，Pt、Au的生长厚度控制在0.5-0.8μm，Ti的生长厚度控制在
0.04-0.08μm。
来实现电极层Ti、Pt与Au的生长，Pt、Au的生长厚度控制在0.5-0.8μm，Ti的生长厚度控制在
0.04-0.08μm。
[0062] 进一步地，在本发明的一个实施例中，MEMS微振动能源器件的十字铰链结构微扭转梁与边缘微悬臂梁阵列的形状、尺寸设计为预设的固有频率，预设的固有频率可以根据
实际情况进行设置，以接近覆盖人体心脏、呼吸等常规体态振动及运动等非常规状态下的
振动频率。
实际情况进行设置，以接近覆盖人体心脏、呼吸等常规体态振动及运动等非常规状态下的
振动频率。
[0063] 具体而言，由MEMS工艺得到的主结构——中心质量块十字铰链微扭转梁振动结构，尺寸可以为：梁长3000-4000μm，梁宽50-150μm，梁厚5-10μm，固有振动频率可以为2-
20Hz；副结构——边缘微悬臂梁阵列，尺寸可以为：梁长2000-3000μm，梁宽30-100μm，梁厚
5-10μm，固有振动频率可以为5-30Hz；中心质量块尺寸可以为：长800-1000μm，宽800-1000μ
m，厚200-400μm；阵列质量块尺寸可以为：长100-200μm，宽100-200μm，高100-300μm。其中，
MEMS微振动能源器件的十字铰链结构微扭转梁与边缘微悬臂梁阵列的形状、尺寸设计要求
固有频率为尽量接近覆盖人体心脏、呼吸等常规体态振动(<1g)及运动等非常规状态(加速
度6-12g)下的振动频率1-10Hz，以针对性的提高器件的功率密度。
20Hz；副结构——边缘微悬臂梁阵列，尺寸可以为：梁长2000-3000μm，梁宽30-100μm，梁厚
5-10μm，固有振动频率可以为5-30Hz；中心质量块尺寸可以为：长800-1000μm，宽800-1000μ
m，厚200-400μm；阵列质量块尺寸可以为：长100-200μm，宽100-200μm，高100-300μm。其中，
MEMS微振动能源器件的十字铰链结构微扭转梁与边缘微悬臂梁阵列的形状、尺寸设计要求
固有频率为尽量接近覆盖人体心脏、呼吸等常规体态振动(<1g)及运动等非常规状态(加速
度6-12g)下的振动频率1-10Hz，以针对性的提高器件的功率密度。
[0064] 在本发明的实施例中，MEMS微振动能源器件通过上述具体结构设计与制备工艺，使其能够在心跳、呼吸等正常状态下以及运动等非正常状态下有效采集振动能，并转化为
电能进行储存，从而脉冲电控模块400利用适当的脉冲电压进行起搏刺激治疗，实现脉冲起
搏实现治疗，可配合或替代传统植入式心脏起搏器的电池能源供给，在一定程度上延长了
心脏起搏器的使用时间，减少了取出体外更换器件的痛苦，也降低了患者的医疗成本。
电能进行储存，从而脉冲电控模块400利用适当的脉冲电压进行起搏刺激治疗，实现脉冲起
搏实现治疗，可配合或替代传统植入式心脏起搏器的电池能源供给，在一定程度上延长了
心脏起搏器的使用时间，减少了取出体外更换器件的痛苦，也降低了患者的医疗成本。
[0065] 也就是说，MEMS微振动能源器件的主结构为中心十字铰链微扭转梁，具有较低的固有频率(2-20Hz)，与人体运动运动频率相近，易于产生高密度的心跳振动电能量；其主要
特点是：
特点是：
[0067] 2.大质量块设计有利于增大压电层振动运动的形变量，提高输出能量；同时降低了器件的固有频率。
[0068] 3.十字型共质量块悬臂梁结构，相对于同尺寸单悬臂梁质量块结构，在保证运动结构较低的固有频率的前提下，扩大了工作频率带宽，并增大了压电材料的面积，在多个悬
臂梁串联工作模式中，使得输出电压有多倍的提高；同时避免了多悬臂梁在振动下的多模
态频率情况，器件的稳定性得到了保证。
臂梁串联工作模式中，使得输出电压有多倍的提高；同时避免了多悬臂梁在振动下的多模
态频率情况，器件的稳定性得到了保证。
[0069] 进一步地，MEMS微振动能源器件的副结构为边缘微悬臂梁阵列，具有与人体运动相近的固有频率，易于产生高密度的人体运动振动电能量；其主要特点是：
[0070] 1.与十字铰链微扭转梁配合工作，提高能量采集频带宽度(5-30Hz)，增大输出功率。
[0071] 2.充分利用器件的结构空间，不改变MEMS微振动能源器件整体结构尺寸的前提下，提高器件的功率密度。
[0072] 3.可作为MEMS微振动能源器件的备用发电单元，在主结构无法正常工作的情况下，依然保持振动能量的收集与转化。
[0073] 4.微悬臂梁阵列振动结构与十字铰链微扭转梁结构具有相同的工艺方案，可实现统一加工，提高器件的可靠性。
[0074] 另外，在本发明的一个实施例中，MEMS电源磁屏蔽封装(EMI)可以采用电镀工艺，在MEMS微振动能源器件的键合封装外壳表面沉积Ni膜，生长厚度控制在1-200μm。
[0075] 在本发明的实施例中，本发明实施例的MEMS人体微振动能量收集模块具有特殊的磁屏蔽功能，具体体现在：
[0076] 1.微振动能源器件的工作依据为压电原理，即压电材料机械能与电能的直接转化，从工作原理与模式来说，磁场环境对于压电器件的工作无直接影响。
[0078] 3.MEMS微振动能源器件采用MEMS键合工艺，在Si封装外壳的表面采用MEMS电镀工艺生长Ni膜；Ni为磁的良导体，且键合封装工艺精度高、屏蔽率高，从而可以确保MEMS微振
动能电源内的铁磁材料不会受强磁场环境的影响(PZT)，维持MEMS微振动能源器件的正常
工作状态，降低了医疗器件损坏率与患者的治疗风险。(少量Ni元素不会对人体产生生理影
响)
动能电源内的铁磁材料不会受强磁场环境的影响(PZT)，维持MEMS微振动能源器件的正常
工作状态，降低了医疗器件损坏率与患者的治疗风险。(少量Ni元素不会对人体产生生理影
响)
[0080] 具体的，本发明中的MEMS微振动能源器件的制备方法工艺如下：
[0082] S2，通过E-Beam电子束蒸发工艺在正面的SiO2表面生长Pt(111)/Ti下电极层，其中Pt厚度0.8μm，Ti层0.04μm。
[0083] S3，清洗通过之前工艺得到的钛铂晶片，为压电层制作做好准备。
[0084] S4，压电功能层A材料的制备与沉积；利用空磁控反应溅射机完成在钛铂晶片的Pt/Ti层表面溅射沉积高质量AlN(002)薄膜。
[0085] 其中，A材料为PZT与AlN其中的一种，对应的MEMS沉积工艺可为Sol-Gel，催化化学气相沉积，金属有机物气相沉积，键合及射频/反应/磁控溅射等。
[0087] S6，下电极Pt/Ti层的图形化设计，结合光刻工艺，采用剥离的方法，除去晶面不需要的部分，获得所需图形。
[0088] S7，通过E-Beam电子束蒸发工艺在压电层上表面生长Au/Ti上电极层，其中Au厚度0.8μm，Ti层0.04μm。
[0089] S8，结合光刻工艺，采用剥离的方法对Au/Ti上电极层进行图形化，得到所需结构。
[0090] S9，使用PECVD在表面沉积Si3N4绝缘层，厚度为0.3μm；并采用反应离子刻蚀(RIE)技术对Si3N4进行图形化，去除不需要部分，注意漏出上电极焊盘孔。
[0091] S10，制作电极焊盘引线，完成十字扭转梁与周围悬臂梁阵列的上电极单元焊盘，方便后期封装工艺。
[0093] S12，正面刻蚀加工：对微结构正面的SiO2绝缘层进行反应离子刻蚀(RIE)，再通过深硅感应耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀Si基底，达到梁结构所需厚度。
[0094] S13，反面刻蚀加工：对悬臂梁背面的SiO2掩膜层进行反应离子刻蚀(RIE)，图形化光刻胶进制作掩膜层；采用ICP刻蚀硅衬底，预留出中心质量块的运动量程。再图形化光刻
胶保护中心质量块与悬臂梁阵列结构，继续采用ICP刻蚀硅衬底。
胶保护中心质量块与悬臂梁阵列结构，继续采用ICP刻蚀硅衬底。
[0095] S14，微结构释放，采用ICP刻蚀刻穿衬底，释放悬臂梁阵列与十字扭转梁结构。
[0096] S15，完成电极引线与封装。
[0097] 优选地，在上述MEMS微振动能电源的制备方法中，步骤S1与步骤S9的PECVD方法生长SiO2与Si3N4层的工艺参数为：SiO2、Si3N4生长温度都控制在250-350℃，生长速率为SiO2：
0.2-0.4μm/min,，Si3N4：0.1-0.2μm/min；生长厚度控制在0.3-0.5μm。
0.2-0.4μm/min,，Si3N4：0.1-0.2μm/min；生长厚度控制在0.3-0.5μm。
[0098] 优选地，在上述MEMS微振动能电源的制备方法中，S2与S7的E-Beam电子束蒸发工艺参数为：Ti:生长速率为 Pt:生长速率为 Au:生长速率为 Pt、Au厚
度控制在0.6-1μm，Ti厚度控制在0.02-0.06μm。
度控制在0.6-1μm，Ti厚度控制在0.02-0.06μm。
[0099] 优选地，在上述MEMS微振动能源器件的制备方法中，步骤S4的磁控溅射工艺获得高质量AlN(002)压电薄膜的工艺参数为：溅射功率100-300W，衬底温度100-400℃，氮气比
20％-80％，气氛压强3-6mTorr；生长厚度0.3-1μm。
20％-80％，气氛压强3-6mTorr；生长厚度0.3-1μm。
[0100] 优选地，在上述MEMS微振动能源器件的制备方法中，步骤S4的磁控溅射工艺获得高质量AlN(002)压电薄膜，压电系数为：d33＝4.22pC/N,d31＝1.79pC/N。
[0101] 优选地，在上述MEMS微振动能源器件的制备方法中，步骤S12的ICP、RIE工艺，其中RIE对于SiO2的选择比为1.9-3.5，刻蚀速率为 对于Si3N4的选择比为1.5-
2.0，刻蚀速率为
2.0，刻蚀速率为
[0102] 本发明实施例的心脏起搏器能源系统采用MEMS工艺制作的MEMS微振动能源器件与对应的集成电路，可实现批量加工，提高器件的生产效率与稳定性；降低器件的尺寸体积
的同时，具有较高的功率密度，可作为心脏起搏器设备的稳定起搏能源供给，配合传统电池
能源的复合工作模式，大幅度延长了体内医疗设备的使用寿命，并且具有将可再生能源转
换为电能的功能，属于“可循环绿色能源”，除了可用于人体医疗外还可以广泛的应用于军
事、工业、电子业等领域，具有科学技术先进性与广泛的应用价值。
的同时，具有较高的功率密度，可作为心脏起搏器设备的稳定起搏能源供给，配合传统电池
能源的复合工作模式，大幅度延长了体内医疗设备的使用寿命，并且具有将可再生能源转
换为电能的功能，属于“可循环绿色能源”，除了可用于人体医疗外还可以广泛的应用于军
事、工业、电子业等领域，具有科学技术先进性与广泛的应用价值。
[0103] 举例而言，为了便于理解，下面结合附图3对本发明的工作原理做详细介绍：
[0104] 如图2所示，本发明实施例的心脏起搏器能源系统通过手术植入人体胸大肌前皮下组织，系统经由导线15、电极16分别与人体心脏的心房、心室相连。
[0105] MEMS微振动能源器件21置于体内，人体的微振动引起10的具有加速度的运动，从而带动8、9结构产生周期性的形变，结构中的压电层材料AlN(PZT)由于压电效应会持续产
生响应的电荷；将这些电荷收集起来为后续电路与功能性操作供电。
生响应的电荷；将这些电荷收集起来为后续电路与功能性操作供电。
[0106] 其中，电极导线16具有两方面作用：1.作为传感器采集心电信号2.脉冲起搏的传导。
[0107] MEMS微振动能源器件21结构为本发明的主要结构，由MEMS工艺加工而成的中心十字铰链微扭转梁与边缘不同尺寸微悬臂梁阵列。
[0108] 具体地，MEMS微振动能源器件21十字铰链结构微扭转梁的结构尺寸为：梁长3000-4000μm，梁宽50-150μm，梁厚5-10μm；悬臂梁阵列的尺寸为：梁长2000-3000μm，梁宽30-100μ
m，梁厚5-10μm；中心质量块尺寸为：长800-1000μm，宽800-1000μm，厚200-400μm；阵列质量
块尺寸为：长100-200μm，宽100-200μm，高100-300μm。
m，梁厚5-10μm；中心质量块尺寸为：长800-1000μm，宽800-1000μm，厚200-400μm；阵列质量
块尺寸为：长100-200μm，宽100-200μm，高100-300μm。
[0109] MEMS微能量收集与供能系统植入体内后，伴随心跳、呼吸、以及人体活动等自身振动状态，引起MEMS微振动能电源21的十字铰链微扭转梁与边缘微悬臂梁阵列产生共振，根
据扭转梁的固有频率在2-20Hz，悬臂梁阵列的固有频率在5-30Hz，与人体振动频率接近，可
产生较优的输出功率。
据扭转梁的固有频率在2-20Hz，悬臂梁阵列的固有频率在5-30Hz，与人体振动频率接近，可
产生较优的输出功率。
[0110] MEMS微振动能源器件21为本发明的关键技术，下面就图5-图7进行详细介绍。
[0111] 需要说明的是，图6a为上述经过步骤S1工艺后的结构示意图，图6b为上述经过步骤S2工艺后的结构示意图，图6c为上述经过步骤S3和S4工艺后的结构示意图，图6d为上述
经过步骤S5工艺后的结构示意图，图6e为上述经过步骤S6工艺后的结构示意图，图6f为上
述经过步骤S7和S8工艺后的结构示意图，图6g为上述经过步骤S9和S10工艺后的结构示意
图，图6h为上述经过步骤S11工艺后的结构示意图，图6i为上述经过步骤十二工艺后的结构
示意图，图6j为上述经过步S13和S14工艺后的结构示意图。
经过步骤S5工艺后的结构示意图，图6e为上述经过步骤S6工艺后的结构示意图，图6f为上
述经过步骤S7和S8工艺后的结构示意图，图6g为上述经过步骤S9和S10工艺后的结构示意
图，图6h为上述经过步骤S11工艺后的结构示意图，图6i为上述经过步骤十二工艺后的结构
示意图，图6j为上述经过步S13和S14工艺后的结构示意图。
[0112] MEMS微振动能源器件21整体结构如图5、图7所示，包括8.十字铰链结构微扭转梁，9.悬臂梁阵列，10.质量块，11.下电极引脚，12.上电极引脚。
[0113] MEMS微振动能源器件21的制作工艺全部采用MEMS标准工艺流程加工而成，具体加工工艺如图6a-j，其中1.Si(100)双抛光衬底，2.氧化硅SiO2，3.下电极层Pt/Ti，4.压电材
料层AlN(PZT)，5.上电极Au，6.氮化硅Si3N4，7.SU-8。
料层AlN(PZT)，5.上电极Au，6.氮化硅Si3N4，7.SU-8。
[0114] 进一步地，如图5所示，MEMS微振动能源器件21在人体的内工作状态下，十字铰链结构微扭转梁8的振动固有频率为5Hz，加速度为0.8g；悬臂梁阵列9的振动固有频率为
10Hz，加速度为0.3g；MEMS微振动能源器件21的平均输出功率密度约为：3-5μW/cm3。
10Hz，加速度为0.3g；MEMS微振动能源器件21的平均输出功率密度约为：3-5μW/cm3。
[0115] 在本发明的一个具体实施例中，本发明实施例的心脏起搏器能源系统的电路包括微振动能源管理电路、信息采集模块300、脉冲电控模块400、备用能源切换模块500。
[0116] 进一步地，微振动能源管理电路包括：整流电桥模块、二级电容能量收集模块、稳压输出模块。
[0117] 其中，整流电桥模块将MEMS微振动能源器件产生的交流电信号转化为直流电信号。二级电容能量收集模块包括一个μF级的超级电容与电容，超级电容将每次振动周期内
产生的电荷快速收集并释放，存入后端的电容中，完成能量收集，即直流信号首先存入μF级
的超级电容元件，待电容1存满后快速放电，存入电容进行储存，完成能量收集。稳压输出模
块将电容的输出电压设置在一个固定范围内(2-3V)，匹配后端脉冲输出模块的工作电压。
信息采集模块由微处理器，传感器组成。传感器用于接收由植入心脏心室、心房的电极导线
传导的心电信号；微处理器具有超低功耗，正常状态下由锂电池对微处理器进行供电。微处
理器会根据收集的心电信号，按照NBG码，控制起搏器起搏心腔(心房、心室)及感知后的反
应方式(抑制、触发)等相关操作指令。脉冲输出模块受信息采集模块控制，经由稳压输出模
块供电，产生约3V的脉冲电压输出。电池能源切换模块将作为脉冲起搏的稳压输出供电模
式切换为电池供电模式，避免振动能量不足造成的工作停止。
产生的电荷快速收集并释放，存入后端的电容中，完成能量收集，即直流信号首先存入μF级
的超级电容元件，待电容1存满后快速放电，存入电容进行储存，完成能量收集。稳压输出模
块将电容的输出电压设置在一个固定范围内(2-3V)，匹配后端脉冲输出模块的工作电压。
信息采集模块由微处理器，传感器组成。传感器用于接收由植入心脏心室、心房的电极导线
传导的心电信号；微处理器具有超低功耗，正常状态下由锂电池对微处理器进行供电。微处
理器会根据收集的心电信号，按照NBG码，控制起搏器起搏心腔(心房、心室)及感知后的反
应方式(抑制、触发)等相关操作指令。脉冲输出模块受信息采集模块控制，经由稳压输出模
块供电，产生约3V的脉冲电压输出。电池能源切换模块将作为脉冲起搏的稳压输出供电模
式切换为电池供电模式，避免振动能量不足造成的工作停止。
[0118] 如图3所示，MEMS微振动能源器件21由压电效应，将振动能量转换为交流电信号，整流电桥将采集到的交流电信号转化为直流信号；直流信号首先存入μF级的超级电容元
件，待电容1存满后快速放电，存入电容进行储存，完成能量收集；电压稳定器实现直流电压
的稳定的输出，根据后端起搏脉冲需要，一般控制在2-3V；为了便于体内放置，考虑到电路
应尽量减小体积，并具有低功耗的特点，一般情况可直接采用集成芯片。
件，待电容1存满后快速放电，存入电容进行储存，完成能量收集；电压稳定器实现直流电压
的稳定的输出，根据后端起搏脉冲需要，一般控制在2-3V；为了便于体内放置，考虑到电路
应尽量减小体积，并具有低功耗的特点，一般情况可直接采用集成芯片。
[0119] 进一步地，信息采集模块300主要由微处理器20、传感器18与电极16导线15组成，根据电极16导线15采取的心电信号，经过放大、滤波处理，传感器18从噪声信号中提取出可
供起搏判别的心率信号，由低功耗微处理器20对脉冲电控模块做出相应的操作指令，该模
块正常状态下由备用电池电源19供电。
供起搏判别的心率信号，由低功耗微处理器20对脉冲电控模块做出相应的操作指令，该模
块正常状态下由备用电池电源19供电。
[0120] 进一步地，脉冲电控模块17(相当于脉冲电控模块400)为主要功能性操作，通过信息采集模块的分析结果，相应的执行其操作指令；产生的脉冲电流经由导线、电极，实现不
同工作模式下的对心脏的起搏刺激，达到治疗效果。
同工作模式下的对心脏的起搏刺激，达到治疗效果。
[0121] 进一步地，备用能源切换模块500以锂电池作为备用能源，一般状况下只作为信息采集模块的供电；在夜间休息、或MEMS微振动能源器件21工作异常时，通过选择电路启动电
池电源19作为备用能源，为脉冲电控模块供电。
池电源19作为备用能源，为脉冲电控模块供电。
[0122] 进一步地，MEMS电源磁屏蔽封装200利用电镀Ni的MEMS键合(硅—硅)密闭封装工艺对MEMS人体振动微能量收集模块封装部分进行保护，要求键合缝隙小于3μm，Ni层厚度为
100-500μm，从而实现磁屏蔽设计，增强心脏起搏器的环境适应性。
100-500μm，从而实现磁屏蔽设计，增强心脏起搏器的环境适应性。
[0123] 根据本发明实施例的基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统，可同时采集人体心跳、呼吸、肢体运动等常规与非常规运动方式产生的振动能量，具有较大工作
频带宽度，并且特殊的能量驱动原理与磁屏蔽封装实现了正常的生理活动和医疗检查的无
干扰性，由于具有高稳定性、小尺寸、高功率密度的特点，从而可以协同或取代传统式心脏
起搏医疗器械的锂电池式能量供给，在延长了心脏起搏器的使用寿命的同时，降低了使用
成本，从而免去了患者频繁更换电池的痛苦，以及采用的MEMS工艺技术保证了材料具有良
好的生物适应性与无毒性，降低了使用成本，提高了心脏起搏器的适应性，更好地保证心脏
起搏器的可靠性。
频带宽度，并且特殊的能量驱动原理与磁屏蔽封装实现了正常的生理活动和医疗检查的无
干扰性，由于具有高稳定性、小尺寸、高功率密度的特点，从而可以协同或取代传统式心脏
起搏医疗器械的锂电池式能量供给，在延长了心脏起搏器的使用寿命的同时，降低了使用
成本，从而免去了患者频繁更换电池的痛苦，以及采用的MEMS工艺技术保证了材料具有良
好的生物适应性与无毒性，降低了使用成本，提高了心脏起搏器的适应性，更好地保证心脏
起搏器的可靠性。
[0124] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0125] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。
[0126] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0127] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0128] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。
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