醫(yī)療設(shè)備的全新供電方案

摘要：本文介紹了一種固態(tài)電池與其他集成電路封裝在一起，以創(chuàng)建先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）器件的方法。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：ttp：//www.eepw. com.cn/article/203218.htm

關(guān)鍵詞：醫(yī)療；供電；固態(tài)電池

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.003

小型醫(yī)療傳感器和手術(shù)器械正在迅速地變得智能化，因此他們必須帶有供電解決方案—經(jīng)常使用到小型可充電電池。集成化電池必須具有幾個(gè)關(guān)鍵屬性，以確保安全的操作和保護(hù)病人的健康。新型的固態(tài)電池已經(jīng)面世，它們采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝和封裝技術(shù)特制而成。

為了滿足新型醫(yī)療傳感器和智能儀器的要求，必須考慮幾個(gè)因素：

必須提供創(chuàng)新的電池封裝和連接選項(xiàng)；

集成化電池必須完全沒有細(xì)胞毒性；

電池必須不受高溫滅菌操作的影響；

可使用包括能量采集等多種電池充電方法；

尺寸：醫(yī)療傳感技術(shù)正變成毫米級(jí)。

創(chuàng)新的電池封裝和連接能力

固態(tài)電池與醫(yī)療電子設(shè)備中可看到的集成電路一樣，有相同的處理和片芯（die）連接的機(jī)制。這使得固態(tài)電池可以理想地與其他集成電路封裝在一起，以創(chuàng)建先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）器件。圖1所示即為在一個(gè)IC堆疊中使用一種固態(tài)電池連線邦定附著的實(shí)例。

可充電的固態(tài)電池處在第二層，可看到被邦定到Vout 和 GND觸片的連線。這個(gè)器件堆疊是本文稍后將描述的眼內(nèi)壓力傳感器所用的真實(shí)的實(shí)現(xiàn)方式。固態(tài)電池也可以采用標(biāo)準(zhǔn)的塑料DFN封裝方式提供，以編帶和卷盤方式發(fā)貨，以便用表面貼裝和回流焊簡單、方便地安裝在印刷電路板上。

使用100%無細(xì)胞毒性的固態(tài)電池

確保醫(yī)療產(chǎn)品的安全性是絕對(duì)至關(guān)重要的，過去將傳統(tǒng)電池產(chǎn)品集成進(jìn)產(chǎn)品中一直是一個(gè)問題。在許多醫(yī)療應(yīng)用中，固態(tài)電池不是應(yīng)用在體外就是應(yīng)用于體內(nèi)。最近，可充電固態(tài)電池已經(jīng)成功通過了針對(duì)體外和體內(nèi)生物相容性的可行性研究的生物安全測(cè)試。在這些程序中，裸片芯電池被壓碎并被放入鹽溶液，并在不同的測(cè)試條件下進(jìn)行了測(cè)試。

體外電池的生物相容性測(cè)試

固態(tài)電池的生物相容性使用以下的體外測(cè)試方法完成了評(píng)估：細(xì)胞毒性：中性洗出液法（MEM） - 1 x CMEM細(xì)胞生長介質(zhì)提取；細(xì)胞毒性：瓊脂擴(kuò)散- 固體樣品。

在這些測(cè)試中，在采用了中性洗出液法和瓊脂擴(kuò)散法這兩種可行性篩選程序時(shí)，經(jīng)伽馬射線消毒的Cymbet CBC005-BDC 5μA-hr EnerChip固態(tài)電池已被證實(shí)無細(xì)胞毒性（0%細(xì)胞溶菌作用）。在這些非常敏感的體外細(xì)胞培養(yǎng)測(cè)定沒有任何不利的生物反應(yīng)，是生物相容性測(cè)試結(jié)果的象征（雖然不是一個(gè)保證），這也是所建議完成的其他生物相容性體外和體內(nèi)測(cè)試，如EN ISO 10993 - 1：2009醫(yī)療設(shè)備生物評(píng)價(jià)的第1部分：一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)管理流程中的評(píng)估和測(cè)試，以及美國食品和藥物管理局（FDA）藍(lán)皮書備忘錄第G95-1準(zhǔn)則（1995年）等中建議，因此是完成這些特別而非常敏感的測(cè)試的另一個(gè)絕佳原因。

體內(nèi)0% 毒性測(cè)試結(jié)果

用以檢測(cè)一款固態(tài)電池本身的生物安全性的最嚴(yán)格的方法之一，就是將粉碎的裸片芯注入體內(nèi)測(cè)試設(shè)置。粉碎的電池再現(xiàn)了一個(gè)由EnerChip供電的植入式醫(yī)療設(shè)備出現(xiàn)災(zāi)難性破損時(shí)的情況。在這種損傷性場(chǎng)景中，固態(tài)電池的材料將直接暴露在體內(nèi)設(shè)置中。結(jié)果顯示對(duì)暴露的組織沒有有害的組織學(xué)影響。

滿足額外的電池標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

此外，目前還有許多全球環(huán)境和安全標(biāo)準(zhǔn)及準(zhǔn)則來規(guī)范電池。固態(tài)電池是理想的解決方案，因?yàn)樗麄兎希篟oHS、中國RoHS、REACH、CE標(biāo)志、UL實(shí)驗(yàn)室、JEDEC的IC封裝標(biāo)準(zhǔn)、IEC、NEMA/ANSI、聯(lián)合國空中安全條例，WEEE指令、電池指令、MSDS和OSHA信息，用盡產(chǎn)品處理指令和生物相容性標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備和食品滅菌

像在醫(yī)療設(shè)備和食品滅菌的高壓滅菌器中所能達(dá)到的處理溫度，通常都不適合包含電池的設(shè)備。在圖2所示的這樣的滅菌設(shè)備中，溫度達(dá)到137℃是很常見的，這對(duì)于含有揮發(fā)性溶劑和其他添加劑的常規(guī)電池可能是災(zāi)難性的。然而，現(xiàn)如今已有許多智能醫(yī)療設(shè)備和儀器采用了集成電池，而且必須經(jīng)過消毒設(shè)備和流程來處理。這些設(shè)備包括帶有嵌入式RFID標(biāo)簽的外科手術(shù)工具、植入式傳感器、以及設(shè)備中用以支持其具有更精確的溫度控制并對(duì)內(nèi)容物進(jìn)行消毒的溫度傳感器。此外，這樣的傳感器和 RFID標(biāo)簽被嚴(yán)格密封來與環(huán)境進(jìn)行隔離常常是必要的，以防止水分進(jìn)入到設(shè)備或防止從設(shè)備脫氣到環(huán)境，如一個(gè)高壓滅菌器，或者又如一個(gè)人體植入式傳感器。為確保一臺(tái)設(shè)備是密閉的，使用諸如Cymbet 的EnerChip固態(tài)電池這樣的密封電池是非常有益的。

空間受限的醫(yī)療設(shè)備需要一種小型供電電源，它只占用很少的體積并不需要外部組件（支架或插座）來保持一個(gè)堅(jiān)固的連接，并將不會(huì)在惡劣的醫(yī)療環(huán)境中破開、斷裂或被腐蝕。實(shí)際上，除了固態(tài)電池，還沒有其他電能存儲(chǔ)器件可滿足這些要求。固態(tài)電池能以裸片芯形態(tài)用焊料焊接或連接線邦定來使用，或采用低剖面的表面安裝封裝（有或無集成電池管理）在一起，并且可以方便地充電使用，例如采用電感近場(chǎng)充電。同樣重要的是，固態(tài)電池能耐受高壓滅菌器和類似設(shè)備中的高溫。

毫米級(jí)的眼壓傳感器

圖3所示的是一個(gè)被用來監(jiān)控青光眼患者的眼睛健康的小型化毫米級(jí)眼內(nèi)壓力傳感器的實(shí)例。它將數(shù)種新概念結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)一種微型化的、使用環(huán)境能量采集自主供電的智能化傳感器。

能量采集技術(shù)被用于諸如太陽能電池板集群和風(fēng)力集群等大型應(yīng)用，但也可以用在極微小的設(shè)備。在這個(gè)毫米級(jí)的例子中，光能被轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在可充電固態(tài)電池中并傳送給傳感器系統(tǒng)。沒有需要維護(hù)和更換的傳統(tǒng)電池，且設(shè)備可以放在任何地方。

使用能量采集為眼內(nèi)壓力傳感器供電

圖3照片中的眼內(nèi)壓力傳感器可用原理圖的方式在圖4中描述出來。該設(shè)備是一個(gè)四層堆疊，封裝在一個(gè)生物兼容的玻璃外殼內(nèi)。第一層是MEMS壓力傳感器，第二層是一個(gè)1μAh可充電Cymbet EnerChip固態(tài)電池。一個(gè)帶有內(nèi)存、電源管理和傳感器A / D轉(zhuǎn)換器的處理器位于EnerChip之上作為第三層。最上面一層是太陽能電池和無線收發(fā)器。所有的各層采用提供電力連接的連線邦定在一起。

使用固態(tài)電池的創(chuàng)新型新醫(yī)療設(shè)備

為了給下一代微型智能醫(yī)療傳感器和儀器供電，固態(tài)電池是正確的選擇。這些可充電電池滿足了將成功的新產(chǎn)品推向市場(chǎng)所需求的安全性、體積大小、集成化和連接性等功能。此外，所有使其適用于醫(yī)療設(shè)備的屬性都可以在許多其他類型的小型電子產(chǎn)品中得到發(fā)揮，例如小型化的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境傳感器。

參考文獻(xiàn)：

[1]密歇根大學(xué).眼內(nèi)壓力傳感器文件[R/OL].[R/OL].http：//www. cymbet.com/content/products-embedded-energy.asp

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