Биосовместимые перезаряжаемые элементы питания для биомедицинских устройств

Биосовместимые перезаряжаемые элементы питания для биомедицинских устройств

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СМЕЖНЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка испрашивает преимущество по предварительной заявке на патент США № 62/040178, поданной 21 августа 2014 г.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область применения изобретения

В настоящем документе описаны способы и устройство для изготовления биосовместимых элементов питания. В некоторых вариантах осуществления способы и устройство для изготовления биосовместимых элементов питания включают формирование элемента разделителя в элементе питания. Активные элементы, включая аноды, катоды и электролиты, могут быть электрохимически связаны и могут взаимодействовать с формируемыми элементами разделителя. Активные элементы могут быть выполнены таким образом, чтобы батарею можно было заряжать и перезаряжать в рамках шагов или циклов многократного применения. В некоторых вариантах осуществления область применения способов и устройства может включать любое биосовместимое устройство или продукт, для которых необходимы элементы питания.

2. Описание смежных областей

В последнее время число медицинских устройств и их функциональных возможностей быстро растет. Эти медицинские устройства могут включать, например, имплантируемые кардиостимуляторы, электронные таблетки для мониторинга и/или тестирования биологической функции, хирургические устройства с активными компонентами, контактные линзы, инфузионные дозаторы и нейростимуляторы. Теоретизируются и разрабатываются дополнительные функции и повышение эффективности многих из упомянутых выше медицинских устройств. Однако для того чтобы обеспечить теоретический уровень дополнительных функций, многие из этих устройств в настоящее время нуждаются в автономных средствах питания, которые соответствуют требованиям к размеру и форме этих устройств, а также потребностям в энергоснабжении новых компонентов с энергообеспечением.

Некоторые медицинские устройства могут включать такие компоненты, как полупроводниковые устройства, которые выполняют разнообразные функции и могут быть встроены во множество биосовместимых и/или имплантируемых устройств. Однако такие полупроводниковые компоненты нуждаются в энергоснабжении, а потому в такие биосовместимые устройства также предпочтительно должны быть включены элементы питания. Топология и сравнительно небольшой размер биосовместимых устройств создают новые и сложные условия для определения различных функциональных возможностей. Во многих вариантах осуществления важно обеспечить безопасные, надежные, компактные и экономичные средства питания полупроводниковых компонентов внутри биосовместимых устройств. Таким образом, существует потребность в новых вариантах осуществления изготовления биосовместимых элементов питания для их имплантации внутри или на поверхности биосовместимых устройств, причем конструкция элементов батареи должна обеспечивать прочную оболочку для химических компонентов элементов питания, а также повышенный контроль над количеством химических компонентов, содержащихся в элементе питания.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, раскрываются способы и устройство для изготовления биосовместимых элементов питания, которые обеспечивают преимущества с точки зрения производства, позволяя создавать конструкции, которые могут эффективно удерживать химический состав батареи. Конструктивное исполнение также может обеспечивать внутренний контроль количества элементов питания внутри элементов батареи.

Один общий аспект включает биосовместимый элемент питания, который также может включать монтажный слой разделителя. Биосовместимый элемент питания также может включать по меньшей мере первое отверстие, размещенное в монтажном слое разделителя. Биосовместимый элемент питания также может включать монтажный слой катода, причем монтажный слой катода прикреплен к монтажному слою разделителя. Биосовместимый элемент питания также может включать по меньшей мере второе отверстие, размещенное в монтажном слое катода, причем второе отверстие выровнено с первым отверстием, и причем второе отверстие меньше первого отверстия, так что когда первое отверстие и второе отверстие выровнены, в первом отверстии обнажается край монтажного слоя катода. Биосовместимый элемент питания также может включать разделительный слой, причем разделительный слой размещен внутри первого отверстия в монтажном слое разделителя и прикреплен к краю монтажного слоя катода. Биосовместимый элемент питания также может включать полость между сторонами второго отверстия и первой поверхностью разделительного слоя, причем полость заполнена катодными химическими веществами. Биосовместимый элемент питания также может включать первый коллектор тока, покрытый анодными химическими веществами. Биосовместимый элемент питания также может включать второй коллектор тока, причем второй коллектор тока находится в электрической связи с катодными химическими веществами. Биосовместимый элемент питания также может включать электролит, включающий химические вещества электролита.

Варианты реализации могут включать биосовместимый элемент питания, в котором катодные химические вещества, анодные химические вещества и химические вещества электролита совместимы с многократными циклами заряда и разряда элементов питания. Биосовместимый элемент питания также может включать примеры, в которых катодные химические вещества включают литиевую соль. Биосовместимый элемент питания может включать литий-железо-фосфат. Биосовместимый элемент питания также может включать интеркалированные атомы металлов. Биосовместимый элемент питания также может включать интеркалированные атомы лития. Биосовместимый элемент питания также может включать один или более из свинца, никеля, лития, кобальта, цинка, натрия, ванадия, серебра или кремния. Биосовместимый элемент питания также может включать натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы. Биосовместимый элемент питания может также включать примеры, в которых катодные химические вещества включают один или более из синтетического графита и сажи. Биосовместимый элемент питания может также включать примеры, в которых катодные химические вещества включают один или более из бутадиен-стильного каучука. Биосовместимый элемент питания также может включать гексафторфосфат лития. Биосовместимый элемент питания может включать примеры, в которых биосовместимый элемент питания находится в электрической связи с электроактивным элементом внутри биомедицинского устройства. Биосовместимый элемент питания может также включать примеры, в которых биомедицинское устройство представляет собой офтальмологическое устройство. В некоторых примерах офтальмологическое устройство может представлять собой контактную линзу.

Биосовместимый элемент питания также может включать примеры, в которых электролит включает гексафторфосфат лития. Биосовместимый элемент питания также может включать примеры, в которых смесь заготовки разделителя включает один или более из поли(винилиденфторида), поли(диметилсилоксана) и N,N-диметилацетамида. Дополнительные примеры могут также включать глицерин. Биосовместимый элемент питания может быть включен в состав биомедицинского устройства.

Один общий аспект включает биосовместимый элемент питания, который может быть включен в состав офтальмологического устройства, где офтальмологическое устройство представляет собой контактную линзу. Биосовместимый элемент питания также может включать биосовместимый элемент питания, включающий монтажный слой катода; по меньшей мере первое отверстие, размещенное в монтажном слое катода; первый коллектор тока, покрытый анодными химическими веществами, причем первый коллектор тока прикреплен к первой поверхности монтажного слоя катода, и причем между сторонами первого отверстия и первой поверхностью первого коллектора тока, покрытого анодными химическими веществами, создана первая полость; разделительный слой, причем разделительный слой сформирован внутри первой полости после заполнения полости смесью заготовки разделителя; вторую полость между сторонами первого отверстия и первой поверхностью разделительного слоя, причем вторая полость заполнена катодными химическими веществами; второй коллектор тока, причем второй коллектор тока находится в электрической связи с катодными химическими веществами; и электролит. Варианты осуществления могут включать биосовместимые элементы питания, в которых катодные химические вещества, анодные химические вещества и химические вещества электролита совместимы с многократными циклами заряда и разряда элемента питания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1A–1D показаны примеры аспектов биосовместимых элементов питания, соответствующие некоторым примерам использования контактных линз.

На Фиг. 2 показаны примеры форм и размеров отдельных элементов примера конфигурации батареи.

На Фиг. 3А показан первый независимый герметизированный биосовместимый элемент питания с примером расположения анодного и катодного контактов.

На Фиг. 3В показан второй независимый герметизированный биосовместимый элемент питания с примером расположения анодного и катодного контактов.

На Фиг. 4A–4N показаны примеры стадий способа изготовления биосовместимых элементов питания для биомедицинских устройств.

На Фиг. 5 показан пример полностью готового биосовместимого элемента питания.

На Фиг. 6A–6F показаны примеры стадий способа изготовления конструкции биосовместимых элементов питания.

На Фиг. 7A–7F показаны примеры стадий способа изготовления конструкции биосовместимых элементов питания с альтернативным способом электроосаждения.

На Фиг. 8A–8H показаны примеры стадий способа изготовления биосовместимых элементов питания с гидрогелевым разделителем для биомедицинских устройств.

На Фиг. 9A–C показаны примеры стадий способов изготовления конструкции биосовместимых элементов питания с использованием альтернативных вариантов осуществления обработки разделителя.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящей заявке раскрываются способы и устройство для изготовления трехмерных биосовместимых элементов питания. Элемент разделителя внутри элементов питания может быть образован новыми способами и может содержать новые материалы. В следующих разделах приведены подробные описания различных вариантов осуществления. Описания как предпочтительных, так и альтернативных примеров осуществления представляют собой только примеры осуществления, и специалистам в данной области могут быть понятны различные модификации и изменения. Поэтому примеры осуществления не ограничивают объем настоящей заявки. Трехмерные биосовместимые элементы питания выполнены с возможностью применения внутри или вблизи тела живого организма.

Определения

В описании и представленной ниже формуле изобретения могут применяться различные термины, для которых применяются следующие определения.

В настоящем документе термин «анод» относится к электроду, через который электрический ток втекает в поляризованное электрическое устройство. Направление электрического тока, как правило, противоположно направлению потока электронов. Иными словами, электроны текут из анода, например, в электрическую схему.

В настоящем документе термин «связующие» относится к полимеру, который способен показывать упругие отклики на механические деформации и который химически совместим с другими компонентами элемента питания. Например, связующие могут включать электроактивные материалы, электролиты, полимеры и т.д.

В настоящем документе термин «биосовместимый» относится к материалу или устройству, которое функционирует в конкретном приложении при соответствующем отклике носителя. Например, биосовместимое устройство не оказывает токсических или травмирующих воздействий на биологические системы.

В настоящем документе термин «катод» относится к электроду, через который электрический ток вытекает из поляризованного электрического устройства. Направление электрического тока, как правило, противоположно направлению потока электронов. Поэтому электроны текут в катод поляризованного электрического устройства и вытекают, например, из подключенной электрической схемы.

В настоящем документе термин «покрытие» относится к нанесению материала тонким слоем. В ряде применений этот термин будет относиться к тонкому слою, который по существу покрывает поверхность подложки, на которой формируется покрытие. В других более специализированных применениях этот термин может применяться для описания небольших тонких слоев на меньших областях поверхности.

В настоящем документе термин «электрод» может относиться к активной массе в источнике энергии. Например, он может включать один или оба из анода и катода.

В настоящем документе термин «с энергообеспечением» относится к состоянию способности подачи электрического тока или хранения электрической энергии внутри.

В настоящем документе термин «энергия» относится к способности физической системы выполнять работу. Многие варианты применения элементов питания могут относиться к способности выполнять электрические действия.

В настоящем документе термин «источник энергии», или «элемент питания», или «устройство с энергообеспечением» относится к любому устройству или слою, который способен снабжать энергией или переводить логическое или электрическое устройство в состояние с энергообеспечением. Элементы питания могут включать батареи. Батареи могут быть изготовлены из гальванических элементов щелочного типа и могут представлять собой твердотельные батареи или батареи жидкостных элементов.

В настоящем документе термин «наполнители» относится к одному или более разделителям элементов питания, которые не взаимодействуют ни с кислотными, ни с щелочными электролитами. Как правило, наполнители могут включать по существу нерастворимые в воде материалы, такие как сажа; угольную пыль; графит; окиси и гидроксиды металлов, например, кремния, алюминия, кальция, магния, бария, титана, железа, цинка и олова; карбонаты металлов, например, кальция и магния; минералы, такие как слюда, монтмориллонит, каолинит, аттапульгит и тальк; синтетические и природные цеолиты, такие как портландцемент; осажденные силикаты металлов, такие как силикат кальция; полые или сплошные полимерные или стеклянные микросферы, хлопья и волокна и т.д.

В настоящем документе термин «пленка» относится к тонкому слою материала, который может служить укрывающим слоем или покрытием; в ламинатных структурах пленка, как правило, почти равнозначна плоскому слою, имеющему верхнюю поверхность, нижнюю поверхность и тело, причем тело, как правило, гораздо тоньше, чем объем слоя.

В настоящем документе термин «функционализированный» относится к получению слоя или устройства, способного выполнять некоторую функцию, включая, например, энергообеспечение, активацию и/или управление.

В настоящем документе термин «форма для литья» относится к жесткому или полужесткому объекту, который можно применять для формирования трехмерных объектов из неполимеризованных составов. Некоторые предпочтительные формы для литья включают две части формы для литья, которые при соединении друг с другом образуют конструкцию трехмерного объекта.

В настоящем документе термин «мощность» относится к выполняемой работе или энергии, передаваемой за единицу времени.

В настоящем документе термины «перезаряжаемый» или «повторно подключаемый к источнику питания» относятся к возможности восстановления до состояния с более высокой способностью выполнять работу. Во многих случаях эти термины могут относиться к возможности восстановления со способностью обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных, периодически повторяющихся промежутков времени.

В настоящем документе термины «перезаряжать» или «повторно подключать к источнику питания» относятся к восстановлению до состояния повышенной способности выполнять работу. Во многих случаях эти термины могут относиться к возможности восстановления устройства до способности обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных, периодически повторяющихся промежутков времени.

В настоящем документе термин «высвобожденный», или иногда «высвобожденный из формы для литья», означает, что трехмерный объект либо полностью отделен от формы для литья, либо лишь слабо прикреплен к форме для литья, так что может быть извлечен легким встряхиванием.

В настоящем документе термин «наложенный» означает размещение по меньшей мере двух слоев компонента вблизи друг друга таким образом, что по меньшей мере часть одной поверхности одного из слоев контактирует с первой поверхностью второго слоя. В некоторых вариантах осуществления между двумя слоями может находиться покрытие, обеспечивающее сцепление или иные функции, так что слои контактируют друг с другом через указанное покрытие.

В настоящем документе термин «дорожки» относится к компонентам элементов питания, способным соединять вместе компоненты схемы. Например, дорожки схемы могут включать медь или золото, если подложка представляет собой печатную плату, и, как правило, могут представлять собой пленку из меди, золота или печатного слоя в гибкой схеме. Коллектор тока представляет собой «дорожку» особого типа. Коллекторы тока представляют собой дорожки с электрохимической совместимостью, которая позволяет применять коллектор тока для передачи электронов на анод или катод и от них в присутствии электролита.

Представленные в настоящем документе способы и устройство относятся к изготовлению биосовместимых элементов питания для включения внутрь или нанесения на поверхность плоских или трехмерных биосовместимых устройств. К особому классу элементов питания могут относиться батареи, составленные из слоев. Эти слои можно классифицировать как ламинатные слои. Батарею, изготовленную таким образом, можно классифицировать как ламинарную батарею.

Могут быть и другие примеры способов сборки и изготовления батарей в соответствии с настоящим описанием, и некоторые из них могут быть описаны в следующих разделах. Тем не менее для многих из этих примеров существуют выбранные параметры и характеристики батарей, которые могут быть описаны отдельно. В следующих разделах будет уделено внимание некоторым характеристикам и параметрам.

Пример конструкции биомедицинского устройства с биосовместимыми элементами питания

Одним из примеров биомедицинского устройства, в которое могут быть встроены элементы питания, или батареи, согласно настоящему описанию, могут быть электроактивные контактные линзы с переменным фокусом. На Фиг. 1А в качестве примера вставки такой контактной линзы показана вставка 100 контактной линзы. Во вставке 100 контактной линзы может находиться электроактивный элемент 120, который может изменять фокусные характеристики в соответствии с управляющими сигналами напряжения. Схема 105 для обеспечения этих управляющих сигналов напряжения, а также для обеспечения других функций, таких как датчик, контролирующий условия окружающей среды для внешних управляющих сигналов, может получать электропитание от биосовместимого элемента 110 батареи. Как показано на Фиг. 1А, элемент 110 батареи может состоять из множества крупных деталей, в данном случае трех деталей, и может содержать химические элементы батареи различной конфигурации, как описано выше. Элементы 110 батареи могут иметь различные соединительные элементы для соединения деталей, как показано на рисунке, лежащих ниже области соединения 114. Элементы 110 батареи могут быть подключены к элементу схемы, который может иметь собственную подложку 111, на которой могут быть размещены соединительные элементы 125. Схема 105, которая может быть в форме интегральной схемы, может иметь электрическую и физическую связь с подложкой 111 и ее соединительными элементами 125.

На Фиг. 1В показано, что рельеф в поперечном сечении контактной линзы 150 может содержать вставку 100 контактной линзы и ее описанные выше компоненты. Вставка 100 контактной линзы может быть герметизирована в юбку гидрогеля 155 контактной линзы, который может герметизировать вставку и обеспечивать комфортное соприкосновение контактной линзы 150 с глазом пользователя.

Согласно концепциям настоящего описания, элементы батареи могут быть изготовлены в двухмерной форме, как показано в другом примере на Фиг. 1С. В этом отображении может быть две основные области элементов батареи в областях компонента 165 батареи и второй компонент батареи в области химического элемента 160 батареи. Плоский элемент может быть подключен к элементу 163 схемы, который в примере, показанном на Фиг. 1С, может содержать две основные зоны 167 схемы. Элемент 163 схемы может быть подключен к элементу батареи электрическим контактом 161 и физическим контактом 162. Плоскую конструкцию можно согнуть в трехмерную коническую конструкцию, как описано в настоящем описании. В этом способе второй электрический контакт 166 и второй физический контакт 164 можно применять для подключения и физической стабилизации трехмерной конструкции. На Фиг. 1D представлена эта трехмерная коническая структура 180. Также можно увидеть физические и электрические контактные клеммы 181, и иллюстрацию можно рассматривать как трехмерный вид итоговой конструкции. Эта конструкция может содержать модульный электрический компонент и компонент батареи, которые вместе со вставкой для линзы будут встроены в биосовместимое устройство.

Сегментные структуры батареи

На Фиг. 2 показаны примеры разных типов сегментных структур батареи для примера элемента батареи для типового примера контактной линзы. Сегментные компоненты могут быть относительно округлыми 271, квадратными 272 или прямоугольными по форме. В примерах прямоугольных форм прямоугольники могут быть небольшими прямоугольными формами 273, более крупными прямоугольными формами 274 или крупными прямоугольными формами 275.

Индивидуальные формы плоских элементов батареи

В некоторых примерах биосовместимых батарей батареи могут быть изготовлены в виде плоских элементов. На Фиг. 3А показан пример прямоугольного контура 310 элемента батареи с анодным контактом 311 и катодным контактом 312. На Фиг. 3В показан пример округлого контура 330 элемента батареи с анодным контактом 331 и катодным контактом 332.

В некоторых примерах батарей плоской формы контуры формы батареи можно по размерам и геометрии выполнить с возможностью соответствия индивидуальным продуктам. В дополнение к примерам с прямоугольными или округлыми контурами можно изготавливать индивидуальные контуры «свободной формы» или «произвольной формы», что может позволить оптимизировать конфигурацию батареи для соответствия конкретному продукту.

В типовом случае биомедицинского устройства с изменяемыми оптическими свойствами плоский контур свободной формы может быть дугообразным по форме. Свободная форма может быть такой геометрии, что при изготовлении трехмерной формы она может принимать форму конической кольцевой юбки, которая соответствует ограничивающим пределам контактной линзы. Очевидно, что аналогичные эффективные геометрии можно изготавливать в случае медицинских устройств, имеющих ограничивающие требования к двухмерной или трехмерной форме.

Аспекты биосовместимости батарей

В качестве примера, к батареям в соответствии с настоящим описанием могут применяться важные аспекты, касающиеся безопасности и биосовместимости. В некоторых примерах батареи для биомедицинских устройств должны удовлетворять требованиям, выходящим за рамки типовых сценариев применения. В некоторых примерах можно учитывать аспекты конфигурации, касающиеся случаев нагрузки. Например, может потребоваться учесть безопасность электронной контактной линзы для случаев, когда пользователь ломает линзу в процессе ее вставления или извлечения. В другом примере аспекты конфигурации могут учитывать вероятность удара пользователя посторонним предметом в глаз. В дополнительных примерах условия нагрузки, которые можно учитывать при разработке параметров и ограничений конфигурации, могут относиться к вероятности ношения пользователем линз в неблагоприятных условиях окружающей среды, таких как окружающая среда под водой или окружающая среда на большой высоте, в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера.

Безопасность такого устройства может зависеть от материалов, из которых изготовлено устройство, от количеств этих материалов, использованных при изготовлении устройства, а также от оболочки, применяемой для отделения устройств от окружающей среды на теле или внутри тела. В качестве примера, кардиостимуляторы могут быть типичным примером биомедицинского устройства, которое может включать батарею и которое может быть имплантировано пользователю на длительный период времени. Соответственно, в некоторых примерах такие кардиостимуляторы, как правило, могут быть заключены в герметизированные путем сварки титановые корпусы или, в других примерах, в множество слоев обложки. Новые биомедицинские устройства с электропитанием могут представлять дополнительные сложности в том, что касается оболочки, особенно оболочки батарей. Эти новые устройства могут быть намного мельче существующих биомедицинских устройств, например, электронная контактная линза или камера-таблетка могут быть значительно мельче кардиостимулятора. В таких примерах объем и площадь, имеющиеся для оболочки, могут быть значительно сокращены.

Требования по электропитанию микробатарей

Еще один аспект конфигурации может относиться к требованиям по электропитанию устройства, которые предъявляются к устройству батареи. Для функционирования в качестве источника питания для медицинского устройства соответствующей батарее может потребоваться полностью удовлетворять требованиям по электропитанию системы при эксплуатации в автономном режиме или без внешних источников питания. Новая область биомедицинских устройств, работающих автономно или без внешних источников питания, может включать, например, контактные линзы для коррекции зрения, устройства для контроля за состоянием здоровья, камеры-таблетки и другие новые устройства. Последние разработки в области технологии интегральных схем (ИС) могут позволять эксплуатировать электрические устройства на очень низких уровнях тока, например, на уровне пикоампер для тока холостого хода и на уровне микроампер для рабочего тока. ИС могут позволять также значительно уменьшить размеры устройств.

Микробатареям для биомедицинских сфер применения может быть необходимо одновременно удовлетворять ряду сложных требований. Например, от микробатарей может требоваться наличие возможности обеспечивать подходящее рабочее напряжение для встроенных электрических схем. Это рабочее напряжение может зависеть от нескольких факторов, включая функциональный «узел» ИС, выходное напряжение со схемы на другое устройство, а также конкретный целевой показатель по потребляемому току, который также может относиться к расчетному сроку службы устройства.

С точки зрения функции ИС, узлы, как правило, могут различаться по минимальному размеру элемента транзистора, такому как так называемая «ширина линии». Этот физический элемент, наряду с другими параметрами изготовления ИС, такими как толщина слоя подзатворной окиси, может быть связан с итоговым номинальным пороговым напряжением, или напряжением включения полевых транзисторов (FET), изготовленных для конкретного функционального узла. Например, в узле с минимальным размером элемента 0,5 микрон применяются, как правило, полевые транзисторы с напряжением включения 5,0 В. Однако при минимальном размере элемента 90 нм полевые транзисторы могут включаться при напряжении 1,2, 1,8 и 2,5 В. Изготовители ИС могут поставлять стандартные элементы цифровых блоков, например, инвертеры и триггеры, с характеристиками, соответствующими определенным диапазонам напряжения. Конструкторы выбирают функциональный узел ИС на основании ряда факторов, включая плотность цифровых устройств, возможность совмещения аналоговых и цифровых схем, ток утечки, количество слоев соединений и доступность специальных устройств, таких как полевые транзисторы высокого напряжения. Принимая во внимание эти параметрические аспекты электрических компонентов, которые могут получать электропитание от микробатареи, может быть важно обеспечить, чтобы источник питания микробатареи соответствовал требованиям выбранного функционального узла и конфигурации ИС, особенно с точки зрения доступного уровня напряжения и тока.

В некоторых примерах электрическая схема, получающая электропитание от микробатареи, может быть подключена к другому устройству. В качестве примера, не имеющего ограничительного характера, электрическая схема, получающая электропитание от микробатареи, может быть подключена к исполнительному устройству или преобразователю. В зависимости от сферы применения это может быть светодиод (LED), датчик, микроэлектромеханический (MEMS) дозатор и многие другие подобные устройства. В некоторых примерах устройствам, подключаемым таким образом, может требоваться более высокое рабочее напряжение, чем стандартным функциональным узлам ИС, например, линза с переменным фокусом может требовать напряжения 35 В. Следовательно, рабочее напряжение, обеспечиваемое батареей, может быть критическим фактором при проектировании такой системы. В некоторых примерах, связанных с такими факторами, эффективность привода линзы, преобразующего напряжение батареи 1 B в напряжение 35 В, может быть значительно ниже, чем эффективность привода, работающего от батареи 2 В. Дополнительные требования, такие как размер кристалла, могут значительно различаться, в том числе с учетом рабочих параметров микробатареи.

Отдельные элементы батареи, как правило, могут характеризоваться напряжением при разомкнутой цепи, напряжением с нагрузкой и напряжением отсечки. Напряжение при разомкнутой цепи представляет собой потенциал, создаваемый элементом батареи при бесконечном сопротивлении нагрузки. Напряжение с нагрузкой представляет собой потенциал, создаваемый элементом при подключении к выводам элемента нагрузки с соответствующей и, как правило, также установленной величиной полного сопротивления. Напряжение отсечки представляет собой, как правило, напряжение, при котором большая часть батареи разряжена. Напряжение отсечки может представлять собой напряжение, или степень разряда, ниже которого батарею нельзя разряжать во избежание нежелательных последствий, таких как сильное выделение газов. Напряжение отсечки может зависеть, как правило, не от самой батареи, а от схемы, к которой подключена батарея, например, от рабочего напряжения электронной схемы. В одном примере щелочной элемент может иметь напряжение при разомкнутой цепи 1,6 В, напряжение с нагрузкой в диапазоне от 1,0 до 1,5 В и напряжение отсечки 1,0 В. Напряжение, создаваемое элементом микробатареи конкретной конфигурации, может зависеть и от других характеристик используемого химического состава элемента. И поэтому разные по химическому составу ячейки могут иметь разные напряжения элемента.

Для увеличения напряжения элементы можно соединять последовательно, однако эта комбинация может повлечь за собой увеличение размеров, повышение внутреннего сопротивления и усложнение батареи. Элементы также можно объединять в параллельные конфигурации, чтобы снизить сопротивление и увеличить емкость, однако эта комбинация может повлечь за собой увеличение размера батареи и сокращение срока хранения.

Емкость батареи может представлять собой способность батареи производить ток, или выполнять работу, в течение определенного периода времени. Емкость батареи можно, как правило, указать в таких единицах как микроампер-часы. Батарея, которая может обеспечивать 1 микроампер тока в течение 1 часа, имеет емкость 1 микроампер-час. Как правило, емкость батареи можно повысить путем увеличения массы (и, следовательно, объема) реагентов внутри устройства батареи; тем не менее следует учитывать, что биомедицинские устройства могут быть существенно ограничены по доступному объему. Емкость батареи также может зависеть от материала электрода и электролита.

В зависимости от требований к схеме, к которой подключена батарея, от батареи может требоваться служить источником тока определенного диапазона величин. В период хранения до активного применения через схемы, соединения и изоляторы может протекать ток утечки величиной порядка от нескольких пикоампер до нескольких наноампер. В период активной эксплуатации схема может потреблять ток покоя для считывания показаний датчиков, запуска таймеров и выполнения других подобных функций с низким энергопотреблением. Потребление тока покоя может составлять величину порядка от нескольких наноампер до нескольких миллиампер. Схема также может иметь еще большие потребности по пиковому току, например, при записи данных в ПЗУ или при их передаче на радиочастоте (РЧ). Этот пиковый ток может составлять до нескольких десятков миллиампер или более. Активное и полное сопротивление микробатареи также может быть важным для аспектов конфигурации.

Срок хранения, как правило, относится к периоду времени, в течение которого батарея может поддерживать подходящие рабочие параметры. Срок хранения может быть особенно важным для биомедицинских устройств по нескольким причинам. Электронные устройства могут заменять собой устройства, не подключаемые к электропитанию, например, в случае внедрения электронных контактных линз. Продукты в этих существующих сегментах рынка могут иметь установленные требования к срокам хранения, например, три года, исходя из пожеланий потребителей, особенностей цепочки поставок и других требований. Как правило, считается нежелательным, чтобы такие технические требования менялись для новых продуктов. Требования к сроку хранения могут быть также установлены с учетом факторов распределения, инвентаризации и способов применения устройства, содержащего микробатарею. Соответственно, микробатареи для биомедицинских устройств могут иметь конкретные требования к сроку хранения, которые можно измерять, например, в количестве лет.

В некоторых вариантах осуществления трехмерные биосовместимые элементы питания могут быть перезаряжаемыми. Например, индукционная катушка может быть также изготовлена на трехмерной поверхности. Индукционная катушка затем может получать энергообеспечение с помощью радиочастотного (РЧ) импульса. Индукционную катушку можно подключить к трехмерному биосовместимому элементу питания для подзарядки элемента питания при подаче РЧ на индукционную катушку. В другом примере фотоэлектрические устройства также можно изготовить на трехмерной поверхности и подключить к трехмерному биосовместимому элементу питания. Под действием света или фотонов фотоэлектрические устройства будут продуцировать электроны для подзарядки элемента питания.

В некоторых примерах батареи могут функционировать для обеспечения электрической энергии для электрической системы. В этих примерах батареи могут находиться в электрической связи со схемой электрической системы. Связи между схемой и батареей можно классифицировать как соединения. Эти соединения могут со временем стать сложной задачей для биомедицинских микробатарей ввиду нескольких факторов. В некоторых примерах биомедицинские устройства с электропитанием могут быть очень маленькими, предоставляя таким образом малые площади и объемы для соединений. Ограничения по размеру и площади могут отрицательно повлиять на величину электрического сопротивления и надежность соединений.

Кроме того, батарея может содержать жидкий электролит, который может закипать при высокой температуре. Это ограничение может вступать в прямое противоречие с желанием применять соединение пайкой, что м