Способы и устройство для изготовления биосовместимых элементов питания со встроенными топливными элементами для биомедицинских устройств

Способы и устройство для изготовления биосовместимых элементов питания со встроенными топливными элементами для биомедицинских устройств

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область применения изобретения

Описаны способы и устройство для изготовления биосовместимых элементов питания. В некоторых вариантах осуществления способы и устройства для изготовления биосовместимых элементов питания включают создание элемента мембраны в элементе питания. Активные элементы, включая аноды, катоды и растворы топливных элементов, могут быть электрохимически связаны и могут взаимодействовать с формируемыми элементами мембраны. В некоторых вариантах осуществления область применения способов и устройства может включать любое биосовместимое устройство или продукт, для которых необходимы элементы питания.

2. Обсуждение предшествующего уровня техники

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 энергоснабжения, которые соответствуют требованиям к размеру и форме для 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, и потому в такие биосовместимые устройства также могут 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 может быть 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 должна обеспечивать прочную оболочку для химических компонентов элементов питания, а также повышенный контроль над количеством химических компонентов, содержащихся в элементе питания. Топливные элементы, в частности те, в которых используются биодоступные источники топлива, могут быть хорошим решением в качестве элементов питания. В некоторых случаях энергию для биомедицинских устройств может обеспечивать комбинация топливных элементов и батарей.

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 топливного элемента. Конструктивное исполнение также может обеспечивать внутренний контроль количества элементов питания внутри топливных элементов.

В некоторых вариантах осуществления элемент питания может быть изготовлен путем накладывания слоев структуры в стопку. Монтажный слой анода может иметь первое отверстие, вырезанное из анодного слоя. Боковые стенки отверстия в монтажном слое могут быть частями полости, которая формируется при размещении множества слоев в стопку. Монтажный слой катода может иметь второе отверстие, вырезанное на нем. В некоторых примерах второе отверстие может быть выровнено с первым отверстием. Второе отверстие может быть больше первого отверстия, так что когда первое отверстие и второе отверстие выровнены, в первом отверстии может обнажаться край материала монтажного слоя анода. Мембранный слой может быть вырезан такого размера и такой формы, что он поместится во втором отверстии и будет больше первого отверстия. Мембранный слой можно разместить внутри второго отверстия и прикрепить к краю материала монтажного слоя анода. Структура может образовать первую полость между сторонами первого отверстия и первой поверхностью мембранного слоя. Первая полость может быть заполнена анодной жидкостью. Вторая полость может получиться в результате размещения мембранного слоя и может содержать поверхности мембранного слоя и обнаженных участков боковых стенок второго отверстия в монтажном слое катода. В некоторых примерах по краю материала монтажного слоя анода могут быть участки, которые могут находиться внутри второй полости. Вторая полость может быть заполнена катодной жидкостью. Кроме того, может иметься третья полость, заполненная топливным раствором. В некоторых примерах может быть образован канал, который обеспечивает перемещение жидкости между третьей полостью и первой полостью. В некоторых примерах анодная жидкость может содержать первый фермент. В некоторых примерах анодная жидкость содержит глюкоза-6-фосфатдегидрогеназу. В некоторых примерах анодная жидкость содержит α-глюкан фосфорилазу. Анодная жидкость может также содержать фосфоглюкомутазу в некоторых примерах. В некоторых примерах анодная жидкость может содержать 6-фосфоглюконатдегидрогеназу. По меньшей мере, один из различных видов элементов питания, включающих в себя один или несколько вариантов примера, может быть электрически соединен с электроактивным элементом внутри биомедицинского устройства. Биомедицинское устройство может представлять собой офтальмологическое устройство. Офтальмологическое устройство может представлять собой контактную линзу. Топливный раствор, а также другие растворы внутри элемента питания могут содержать один или несколько из мальтодекстрина и глюкозы. Внутри элемента питания может быть образовано множество уплотнительных слоев для изоляции различных полостей друг от друга, а также для изоляции материала внутри элемента питания от внешней части элемента питания. Уплотнительные слои могут быть образованы между монтажным слоем анода и монтажным слоем катода. В некоторых примерах между монтажным слоем анода и монтажным слоем катода могут находиться промежуточные слои, образованные после обработки в уплотнительном слое. Уплотнительный слой может быть образован вследствие одного или нескольких из следующих процессов: лазерной сварки, ультразвуковой сварки и прямой термической сварки. Уплотнительный слой может также быть образован методом фотолитографии полимерных уплотнительных слоев.

В другом примере биосовместимый элемент питания может быть образован из множества слоев. Может быть образован монтажный слой анода, а первое отверстие может быть вырезано в монтажном слое анода различными способами, включая лазерную резку и штамповку. Также возможно образование катодного слоя. Второе отверстие может быть размещено в монтажном слое катода. Второе отверстие может быть выровнено с первым отверстием. В некоторых примерах мембранный слой может размещаться между анодным слоем и катодным слоем. В других примерах второе отверстие может быть вырезано большего размера, чем первое отверстие. Второе отверстие и первое отверстие могут быть выровнены в устройстве. Выровненные первое отверстие и второе отверстие могут образовывать край материала монтажного слоя анода, который может обнажаться во втором отверстии. Мембранный слой может иметь такую форму, чтобы помещаться во втором отверстии. Мембрану можно разместить внутри второго отверстия и прикрепить к краю материала монтажного слоя анода. Структура может образовать первую полость между сторонами первого отверстия и первой поверхностью мембранного слоя. Первая полость может быть заполнена анодной жидкостью. Вторая полость может получиться в результате размещения мембранного слоя и может содержать поверхности мембранного слоя и обнаженных участков боковых стенок второго отверстия в монтажном слое катода. В некоторых примерах по краю материала монтажного слоя анода могут быть участки, которые могут находиться внутри второй полости. Вторая полость может быть заполнена катодной жидкостью. Кроме того, может иметься третья полость, заполненная топливным раствором. В некоторых примерах может быть образован канал, который обеспечивает перемещение жидкости между третьей полостью и первой полостью. Канал может включать в себя механизм блокировки канала на электрическом приводе, где механизм блокировки канала блокирует канал, соединяющий третью полость с первой полостью, и где электрический привод позволяет топливу перемещаться из третьей полости в первую полость. В некоторых примерах анодная жидкость может содержать первый фермент. В некоторых примерах анодная жидкость содержит глюкоза-6-фосфатдегидрогеназу. В некоторых примерах анодная жидкость содержит α-глюкан фосфорилазу. Анодная жидкость может также содержать фосфоглюкомутазу в некоторых примерах. В некоторых примерах анодная жидкость может содержать 6-фосфоглюконатдегидрогеназу. По меньшей мере, один из различных видов элементов питания, включающих в себя один или несколько вариантов примера, может быть электрически соединен с электроактивным элементом внутри биомедицинского устройства. Биомедицинское устройство может представлять собой офтальмологическое устройство. Офтальмологическое устройство может представлять собой контактную линзу. Топливный раствор, а также другие растворы внутри элемента питания могут содержать один или несколько из мальтодекстрина и глюкозы. Внутри элемента питания может быть образовано множество уплотнительных слоев для изоляции различных полостей друг от друга, а также для изоляции материала внутри элемента питания от внешней части элемента питания. Уплотнительные слои могут быть образованы между монтажным слоем анода и монтажным слоем катода. В некоторых примерах между монтажным слоем анода и монтажным слоем катода могут находиться промежуточные слои, образованные после обработки в уплотнительном слое. Уплотнительный слой может быть образован вследствие одного или нескольких из следующих процессов: лазерной сварки, ультразвуковой сварки и прямой термической сварки. Уплотнительный слой может также быть образован методом фотолитографии полимерных уплотнительных слоев.

Кроме того, могут быть примеры элементов питания, как описано в настоящем изложении сущности изобретения, которые также включают в себя один или несколько элементов батареи. Элемент батареи может иметь множество функциональных аспектов. В некоторых примерах элемент батареи может использоваться с элементом активации для начала активной эксплуатации элемента питания. Активация может включать в себя электрическое изменение уплотнительного слоя между полостью, содержащей источник топлива, и одним или несколькими растворами элемента питания, которые могут включать анодную жидкость топливного элемента. Батарея также может работать в течение времени, пока топливный элемент не войдет в рабочее состояние.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеизложенные и прочие признаки и преимущества изобретения станут понятны после следующего, более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, показанных на прилагаемых чертежах.

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

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

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

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

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

На Фиг. 5А-В показаны примеры конструктивных признаков топливных элементов на основе полостей.

На Фиг. 6А-В показаны альтернативные примеры конструктивных признаков топливных элементов на основе полостей.

На Фиг. 7 показано увеличенное изображение анодной области и области топливного хранилища примера топливных элементов на основе полостей.

На Фиг. 8 показано увеличенное изображение катодной области примера топливных элементов на основе полостей.

На Фиг. 9А-С показаны примеры схем соединений для примеров топливных элементов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящей заявке раскрываются способы и устройство для изготовления трехмерных биосовместимых элементов питания. Элемент мембраны 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 использоваться различные термины, для которых применяются приведенные ниже 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 цепь.

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 за пределы 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 тонких слоев материала. В ряде видов применения этот термин будет относиться к тонкому нанесенному слою, который по существу покрывает поверхность подложки, на которой он образован. В других более специализированных видах применения этот термин может применяться для описания небольших тонких нанесенных 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 энергоснабжения могут относиться к способности выполнять электрические действия.

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

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.

Термин «многослойный» в настоящем документе относится к размещению по меньшей мере двух слоев компонентов поблизости друг от друга таким образом, что по меньшей мере участок 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 энергоснабжения, выполненным с возможностью соединения вместе компонентов цепи. 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. Токоотвод 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.

Представленные в настоящем документе способы и устройство относятся к изготовлению биосовместимых элементов энергоснабжения для включения внутрь или нанесения на поверхность плоских или трехмерных биосовместимых устройств.

Могут быть и другие примеры способов сборки и изготовления топливных элементов 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 топливных элементов, которые могут быть описаны отдельно. В следующих разделах будет уделено внимание некоторым характеристикам и параметрам.

Пример конструкции биомедицинского устройства с биосовместимыми элементами энергоснабжения

Одним из примеров биомедицинского устройства, в которое могут быть встроены элементы питания или топливные элементы, согласно настоящему описанию, могут быть электроактивные контактные линзы с переменным фокусом. На Фиг. 1А в качестве примера вставки для такой контактной линзы показана вставка 100 для контактной линзы. Во вставке 100 для контактной линзы может находиться электроактивный элемент 120, который может изменять фокусные характеристики в ответ на управляющие сигналы 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 топливного элемента 110. Как показано на Фиг. 1А, топливный элемент 110 может состоять из множества крупных деталей, в данном случае трех деталей, и может включать в себя химические элементы топливных элементов различной конфигурации. Топливные элементы могут иметь различные соединительные элементы для соединения деталей, как показано на рисунке, лежащих ниже области соединения 114. Топливные элементы могут быть подключены к элементу схемы, который может иметь собственную подложку 111, на которой могут быть размещены соединительные элементы 125. Цепь 105, которая может быть в форме интегральной схемы, может быть электрически и физически подключена к подложке 111 и ее соединительным элементам 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, топливные элементы могут быть изготовлены в двухмерной форме, как показано в другом примере на Фиг. 1С. В этом отображении могут быть две основные области топливных элементов в областях компонента 165 топливного элемента и второй компонент топливного элемента в области химического элемента 160 топливного элемента. Плоский элемент может быть подключен к элементу 163 схемы, который в примере, показанном на Фиг. 1С, может содержать две основные зоны 167 схемы. Элемент схемы может быть подключен к топливному элементу 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 полученной конструкции. Эта конструкция может содержать модульный электрический компонент и компонент топливного элемента, которые вместе со вставкой для линзы будут встроены в биосовместимое устройство.

Сегментные структуры топливного элемента

На Фиг. 2 показаны примеры разных типов сегментных структур топливного элемента для примера топливного элемента 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. Такие различные виды сегментации обеспечивают компромиссы в отношении конфигурации для таких параметров топливного элемента, как емкость, внутреннее сопротивление, технологичность, допустимое напряжение, устойчивость к сбоям и изолирующая оболочка.

Индивидуальные формы плоских топливных элементов

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

В некоторых примерах топливных элементов плоской формы контуры формы топливного элемента 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 топливного элемента 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 (3D) 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 (2D) или трехмерной форме.

Аспекты биосовместимости топливных элементов

В качестве примера, к топливным элементам в соответствии с настоящим описанием могут применяться важные аспекты, касающиеся безопасности и биосовместимости. В некоторых примерах топливные элементы для биомедицинских устройств должны удовлетворять требованиям, выходящим за рамки типовых сценариев применения топливных элементов. 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 в себя топливный элемент 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, множество слоев обложки. Новые биомедицинские устройства с электропитанием могут представлять дополнительные сложности в том, что касается изолирующей оболочки, особенно изолирующей оболочки топливных элементов. 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 микроэлементов питания

Еще один аспект конфигурации может относиться к требованиям по электропитанию устройства, которые предъявляются к устройству топливного элемента. Для функционирования в качестве источника питания для медицинского устройства соответствующему топливному элементу может потребоваться полностью удовлетворять требованиям по электропитанию системы при эксплуатации в автономном режиме или без внешних источников питания. Развивающаяся 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.

Топливным микроэлементам для биомедицинских сфер применения может быть необходимо одновременно удовлетворять ряду сложных требований. Например, от топливных микроэлементов может требоваться наличие возможности обеспечивать подходящее рабочее напряжение для встроенных электрических схем. Это рабочее напряжение может зависеть от нескольких факторов, включая функциональный «узел» ИС, выходной сигнал напряжения из цепи 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 называемый «канал транзистора». 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 или 2,5 В. Изготовители ИС могут поставлять стандартные элементы цифровых блоков, например, инверторы 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. С учетом этих параметрических аспектов электрических компонентов, которые могут получать электропитание от топливного микроэлемента, может быть важно обеспечить, чтобы источник питания топливного микроэлемента 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 топливного микроэлемента, может быть подключена к другому устройству. В качестве примера, не имеющего ограничительного характера, электрическая схема, получающая электропитание от топливного микроэлемента, 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 топливным элементом, может быть критическим фактором при проектировании такой системы. В некоторых примерах, связанных с такими факторами, эффективность привода линзы, преобразующего напряжение топливного элемента 1 В в напряжение 35 В, может быть значительно ниже, чем эффективность привода, работающего от топливного элемента 2 В. Дополнительные требования, такие как размер кристалла, могут значительно различаться, в том числе с учетом рабочих параметров топливного микроэлемента.

Отдельные топливные элементы, как правило, могут характеризоваться напряжением при разомкнутой цепи, напряжением с нагрузкой и напряжением отсечки. Напряжение при разомкнутой цепи представляет собой потенциал, создаваемый топливным элементом при бесконечном сопротивлении нагрузки. Напряжение с нагрузкой представляет собой потенциал, создаваемый гальваническим элементом при подключении к выводам гальванического элемента нагрузки с соответствующей и, как правило, также установленной величиной полного сопротивления. В некоторых примерах топливный элемент может быть дополнен конденсаторами и батареями, которые могут использоваться для буферизации в режимах кратковременной и динамической нагрузки, когда удельная мощность топливного элемента может быть недостаточной.

Срок хранения, как правило, относится к периоду времени, в течение которого топливный элемент 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. Изделия 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, изменение таких технических требований для новых изделий считается нежелательным. Требования к сроку хранения могут быть также установлены с учетом факторов распределения, инвентаризации и способов применения устройства, содержащего топливный микроэлемент. Соответственно, топливные микроэлементы для биомедицинских устройств могут иметь конкретные требования к сроку хранения, которые можно измерять, например, в количестве лет.

В некоторых примерах топливный элемент может функционировать для обеспечения электрической энергии для электрической системы. В этих примерах топливный элемент может находиться в электрической связи со схемой электрической системы. Связи между схемой и топливным элементом можно классифицировать как соединения. Эти соединения могут со временем стать сложной задачей для биомедицинских топливных микроэлементов 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, топливный элемент может содержать жидкости, которые могут закипать при высокой температуре. Это ограничение может вступать в прямое противоречие с желанием применять соединение пайкой, что может, например, потребовать относительно высокие температуры, такие как 250 градусов С, для расплавления припоя. Несмотря на то что в некоторых примерах химический состав топливного элемента и источник тепла, применяемый для выполнения соединений пайкой, могут быть пространственно отделены друг от друга, в случаях новых биомедицинских устройств маленький размер может помешать отделению водных растворов от паяных соединений достаточным расстоянием для снижения теплопередачи.

Соединения

Соединения могут позволять току течь от топливного элемента, находящегося в соединении с внешней схемой. Такие соединения могут взаимодействовать с окружающей средой внутри и снаружи топливного элемента и могут пересекать границу или уплотнительный слой между этими средами. Эти соединения можно рассматривать как дорожки, выпо