问题的核心是压电能量收集技术

您只需要更换电池就可以避免直视，这是外科专家的愿望之一. 起搏器电池的平均寿命约为7年能量收集器，有时长达10年. 已经有足够的健康问题可以解决，因此不必仅更换起搏器电池就进行此类. 任何外科都可能导致感染，大出血或其他并发症. 例如，对于需要使用起搏器纠正心律不齐的年轻患者，将需要长期接受外科，以延长他们的寿命.

因此，长期以来，自供电起搏器一直是医疗设备开发商追求的目标. 将心跳振动转换为电能以为起搏器供电是世界上许多研究项目中最受欢迎的方法和研究主题.

图1: KAIST正在开发的柔性压电发电机的假想图，这将使自供电起搏器成为现实.

人的心跳可以产生高达30 Hz的低频振动. 由于收集器的制造材料易碎，因此难以在如此低的频率下实现能量收集. 当今的大部分研究都围绕“智能”材料，例如柔性聚合物纳米材料. 此外，植入式装置必须具有生物相容性，并需要经过多年的测试和特殊认证.

同时，压电能量收集技术在外部可穿戴设备中通常具有巨大的潜力. 运动器材和健康监测产品就是明显的例子. 用于监视人们跑步，骑自行车和使用体操器械时的心率和功能的监视器已经很普遍. 在医疗领域，越来越多地使用手表，手镯和贴片来监测患者的状况，糖尿病或其他慢性疾病. 最近，谷歌眼镜（Google Glass）在医疗保健领域显示出一些潜力.

本文将回顾专门针对压电起搏器的最新研究和开发，并特别介绍所使用的材料和所要求的性能. 在面向工业和消费者应用（尤其是可穿戴设备）时，该技术将如何发展，阅读本文后，您将对此有一定的了解.

市场上的压电能量收集装置越来越小，因此它们更适合可穿戴产品. 现在，有互补的电源管理电路可用于开发和利用这些设备. 让我们看一下基于MidéTechnology的Volture系列压电能量采集器和Linear Technology的DC1459B能量采集演示板的典型设计方法. 后者基于LTC3588-1压电能量收集电源和相应的升压转换器.

更换电池

韩国科学技术大学（KAIST）和延世大学遣散医院科的研究团队开发了一种使用柔性压电纳米功率的自供电人造起搏器. 半永久的方式. 1在实验中，微小动作收集的电能可以达到8.2 V，0.22 mA. 研究团队使用一块大的单晶PMN-PT膜来制造高性能的柔性纳米发电机.

一旦成功开发，这种柔性压电发生器不仅可以为起搏器提供足够的功率，还可以用于实时监控. 该设备最终可以为其他类型的可植入医疗设备供电.

美国正在开发类似的方法（伊利诺伊大学香槟分校）. 他们采用柔性压电贴片式设备设计，从人体的自然运动中收集能量. 2该贴片包含500 nm厚的钛酸锆钛酸铅（PXT）薄带，包裹金和铂电极，并封装在聚酰亚胺外壳中.

各种测试表明能量收集器，这种生物相容性设备可以从心跳中收集足够的能量为现代起搏器供电. 现代起搏器需要大约0.3 µW的电能. 当这些贴片固定在右心室时，结果证实它们可以产生0.18 µW /cm²的能量. 这些贴片可以使用多层板结构来产生更多的能量.

在加拿大，滑铁卢大学（UW）的研究人员正在开发一种宽带混合能源采集器，该采集器旨在显着延长电池寿命并减少所需的内工作. 如果振动源的运动速率降低，则频率降低，并且所产生的能级也会降低.

但是，即使在低频下，也可以确认该原型设备可以继续使用振动源. 在8 Hz至12 Hz频率范围内收集的能量可以产生接近1 mW的输出功率. 预计当前的原型产品将用于为无线传感器供电，以帮助检测建筑物的裂缝和损坏.

血压

巴黎南大学（UniversitéParis-Sud）正在使用不同的方法来开发一种无铅起搏起搏器，该起搏器直接放置在心房而不是固定在壁上. 将导线插入静脉. 收集的能量来自血压的周期性变化效应，然后胶囊起搏器的柔性包装将血液产生的压力传输到内部3D静电发射器. 这种方法的主要优点还在于研究人员声称其功率密度高，对心跳频率的适应性以及它的小型化.

实验测试表明，使用复杂电极的大行程优化压电旋转变送器每周期产生3 µJ /cm³的功率密度. 研究人员坚信，经过进一步开发，该设备可以自动为下一代起搏器提供足够的动力.

巴黎南大学与由爱尔兰科克大学廷杜尔国家研究所领导的欧洲联盟MANpower项目团队合作. 4该项目已投入大量资金开发用于医疗植入物的永久供电设备. 研发的关键领域是低频振动下的能量收集，高能量密度的微能量存储，小型化以及生物相容性包装.

成功收集能量并为起搏器供电的关键问题是确保压电设备不会干扰的正常运行，从而避免出现预期会减轻的问题，同时确保这些设备能够正常工作. 十年. 以上.

技术渗透

这项高端技术最终将渗透到工业和商业应用中. 小型化和能效是这些设备扩展的关键参数. 当然，振动能量收集技术已被广泛用于为各种遥感设备提供动力，例如机械，车辆和建筑物监控设备. 这些设备已用于某些可穿戴产品（例如训练鞋和其他运动器材）和健康监测设备中.

Measurement Specialties开发了各种类型的振动感应产品，其中一些适合植入式设备. 对于更易于访问的工业和商业应用，该公司的产品还包括Minisense 100系列，可以将其集成到监测和监测生命体征的设备中. 1005939是一种按重量加载的低成本悬臂振动传感器. 该设备设计用于0 Hz至40 Hz的低频运行.

当悬臂水平安装时，由于悬臂尖端的惯性质量，垂直平面中的加速度将使悬臂弯曲. 悬臂中的应力产生压电响应，可以将其检测为传感器电极上的电荷或输出电压. 该设备的总尺寸仅为18 x 7毫米.

MidéTechnology的Volture系列压电振动能量收集器旨在满足无线传感器网络中对远程电源不断增长的需求. 这些设备可以替换电池或补充能量存储资源以延长维护时间. V22BL的频率检测范围是26 Hz至110 Hz，这是该系列中的最低频率.

通过预先固定导线，然后用保护层封装器件，Midé消除了通常易碎的压电材料的缺点，这也是新研究通过开发智能材料而努力避免的一个特征. Volture收集器可靠且耐用，具有完全密封的结构，适用于各种恶劣环境.

与凌力尔特公司（Linear Technology）的LTC3588压电电源电路兼容，这是Volture系列的另一个有用功能. 实际上，Midé的EHE004能量收集调节电路充分利用LTC3588将其Volture集电器的交流输出转换为直流稳压输出. 该器件包括一个全波整流器，并集成了电荷管理和DC-DC转换功能. 其中，直流输出可配置为1.8 V，2.5 V，3.3 V和3.6V，并且该板还包括200µF储能电容器.

LTC3588-1被描述为一种具有欠压锁定模式，静态电流为450 nA且具有较宽的磁滞窗口的纳功率能量收集电源，因此它可以在输入电容器上累积电荷，直到电压降低为止. 有效地将部分存储的电荷转换为输出. 典型应用如图2所示.

图2: 一个简单的采样应用电路中的LTC3588-1压电能量采集电源.

当前有许多评估板可用，包括使用LTC3588-1的DC1459B-A演示板. 现有的快速入门指南可供下载. 该指南包含详细的工作原理和电路图.

摘要

研究压电能量收集的新材料，特别是在自供电起搏器和其他植入式设备中，很可能会实现更小，更灵活和更节能的设备，然后应用于工业，商业，和健康监测和运动器材.

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