Компоненты с множественными элементами питания для биомедицинских устройств - RU2665698C2
Код документа: RU2665698C2
Чертежи
Описание
ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СМЕЖНЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 62/040178, поданной 21 августа 2014 года, и является частичным продолжением заявки на патент США № 13/358916, поданной 26 января 2012 года, которая испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 61/454205, поданной 18 марта 2011 года.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область применения изобретения
Описаны способы и устройства для изготовления биосовместимых элементов питания. В некоторых вариантах осуществления способы и устройства для изготовления биосовместимых элементов питания включают в себя создание сепаратора элемента питания. Активные элементы включают в себя аноды, катоды и электролиты, которые могут быть соединены электрохимически и взаимодействовать с образованием отдельных элементов. В некоторых вариантах осуществления область применения способов и устройств может включать в себя любое биосовместимое устройство или изделие, для которых необходимы элементы питания.
2. Описание смежных областей
В последнее время резко выросло количество разработок новых медицинских устройств, а также значительно расширились их функции. К таким медицинским устройствам можно отнести, например, имплантируемые кардиостимуляторы, электронные таблетки для мониторинга и/или тестирования той или иной биологической функции, хирургические устройства с активными компонентами, контактные линзы, инфузионные дозаторы и нейростимуляторы. Была проведена теоретическая оценка и разработка дополнительных функций с увеличением производительности многих медицинских устройств, которые были упомянуты выше. Чтобы обеспечить теоретический уровень дополнительных функций, многие из таких устройств в настоящее время нуждаются в автономных средствах питания, которые соответствуют требованиям к размерам и форме таких устройств, а также потребностям в энергоснабжении новых компонентов с электропитанием.
Некоторые медицинские устройства, такие как полупроводниковые устройства, могут содержать компоненты, которые выполняют множество функций и могут быть встроены во множество биосовместимых и/или имплантируемых устройств. Тем не менее подобным полупроводниковым компонентам необходимо питание, вследствие чего предпочтительно, чтобы подобные биосовместимые устройства также содержали 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 экономически эффективные средства питания полупроводниковых компонентов в биосовместимых устройствах. Таким образом, существует потребность в принципиально новых вариантах осуществления, предусматривающих изготовление биосовместимых элементов питания для имплантации внутри или снаружи биосовместимых устройств, причем структура элементов аккумуляторной батареи обеспечивает повышенное содержание химических компонентов в элементе питания, а также улучшенный контроль количества химических компонентов, содержащихся в элементе питания.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, описаны способы и устройства для изготовления биосовместимых элементов питания, которые обладают преимуществами при производстве за счет создания структур, которые могут по существу содержать химические составляющие аккумулятора. Кроме того, конфигурация структуры также может обеспечивать саморегуляцию количества элементов питания, находящихся в элементах аккумуляторной батареи.
В одном основном аспекте предусматривается биосовместимый элемент питания, который также содержит слой, заполняющий зазор. Биосовместимый элемент питания также может содержать по меньшей мере первое отверстие, расположенное в слое, заполняющем зазор. Биосовместимый элемент питания также может содержать слой катодной прокладки, причем слой катодной прокладки прикреплен к слою, заполняющему зазор. Биосовместимый элемент питания также может содержать по меньшей мере второе отверстие, расположенное в слое катодной прокладки, причем второе отверстие выровнено относительно первого отверстия и второе отверстие меньше первого отверстия, вследствие чего при выравнивании первого отверстия со вторым отверстием кромка слоя катодной прокладки входит в первое отверстие. Биосовместимый элемент питания также может содержать слой сепаратора, причем слой сепаратора находится внутри первого отверстия в слое, заполняющем зазор, и прилегает к кромке слоя катодной прокладки. Биосовместимый элемент питания также может содержать полость между сторонами второго отверстия и первой поверхностью слоя сепаратора, причем эта полость заполнена химическими компонентами катода. Биосовместимый элемент питания также может содержать первый токоотвод, покрытый химическими компонентами анода. Биосовместимый элемент питания также может содержать второй токоотвод, причем второй токоотвод находится в электрической связи с химическими компонентами катода. Биосовместимый элемент питания также может содержать электролит, содержащий химические компоненты электролита.
Воплощения могут предусматривать биосовместимый элемент питания, в котором химические компоненты катода, химические компоненты анода и химические компоненты электролита обеспечивают множество циклов разряда и заряда для питания. Биосовместимый элемент питания также может быть представлен примерами, в которых химические компоненты катода включают в себя соль лития. Биосовместимый элемент питания может содержать фосфат железа-лития. Биосовместимый элемент питания также может содержать интеркалированные атомы металла. Биосовместимый элемент питания также может содержать интеркалированные атомы лития. Биосовместимый элемент питания также может содержать один или более атомов свинца, никеля, лития, кобальта, цинка, натрия, ванадия, серебра или кремния. Биосовместимый элемент питания также может содержать карбоксиметилцеллюлозу натрия. Биосовместимый элемент питания также может быть представлен примерами, в которых химические компоненты катода включают в себя одно или более вещество из синтетического графита и угля. Биосовместимый элемент питания также может быть представлен примерами, в которых химические компоненты катода включают в себя один или более видов бутадиенстирольного каучука. Биосовместимый элемент питания также может содержать гексафторфосфат лития. Биосовместимый элемент питания также может быть представлен примерами, в которых биосовместимый элемент питания может находиться в электрическом соединении с электроактивным элементом внутри биомедицинского устройства. Биосовместимый элемент питания также может быть представлен примерами, в которых биомедицинское устройство является офтальмологическим устройством. В некоторых примерах офтальмологическое устройство может представлять собой контактную линзу.
Биосовместимый элемент питания также может быть представлен примерами, в которых электролит содержит гексафторфосфат лития. Биосовместимый элемент питания также может быть представлен примерами, в которых смесь-предшественник сепаратора содержит одно (или более) вещество из поливинилиденфторида, полидиметилсилоксана и N,N-диметилацетамида. Дополнительные примеры также включают глицерин. Биосовместимый элемент питания также может включать в себя биосовместимый элемент питания, в котором сепаратор содержит глицерин в концентрации по меньшей мере 90% и данная концентрация может быть снижена по сравнению с концентрацией глицерина в смеси-предшественнике сепаратора. Биосовместимый элемент питания может быть включен в биомедицинское устройство.
Один из основных аспектов включает биосовместимый элемент питания, который может быть включен в офтальмологическое устройство, причем офтальмологическое устройство является контактной линзой. Биосовместимый элемент питания также может включать: биосовместимый элемент питания, содержащий слой катодной прокладки; по меньшей мере первое отверстие, расположенное в слое катодной прокладки; первый токоотвод, покрытый химическими компонентами анода, причем первый токоотвод прикреплен к первой поверхности слоя катодной прокладки, в то время как первая полость образована между сторонами первого отверстия и первой поверхностью первого токоотвода, покрытого химическими компонентами анода; слой сепаратора, причем слой сепаратора образуется внутри первой полости после распределения в упомянутой полости смеси-предшественника сепаратора; вторую полость между сторонами первого отверстия и первой поверхностью слоя сепаратора, причем вторая полость заполнена химическими компонентами катода; второй токоотвод, причем второй токоотвод находится в электрической связи с химическими веществами катода; и электролит. Воплощения могут предусматривать биосовместимые элементы питания, в которых химические компоненты катода, химические компоненты анода и химические компоненты электролита обеспечивают множество циклов разряда и заряда элемента питания.
Один из основных аспектов включает способ управления биомедицинским устройством, данный способ включает получение слоистого аккумуляторного устройства с множественными элементами питания для биомедицинского устройства, включающего в себя запитываемые компоненты. Слоистое аккумуляторное устройство содержит слой катодной прокладки, первое отверстие, расположенное в слое катодной прокладки, и первый токоотвод, покрытый химическими компонентами анода, причем первый токоотвод прикреплен к первой поверхности слоя катодной прокладки. Слоистое аккумуляторное устройство также может быть представлено примерами, в которых первая полость создана между сторонами первого отверстия и первой поверхностью первого токоотвода, покрытого химическими компонентами анода. Слоистое аккумуляторное устройство также содержит слой сепаратора, причем слой сепаратора образован внутри первой полости после распределения в упомянутой полости смеси-предшественника сепаратора. Способ также содержит вторую полость между сторонами первого отверстия и первой поверхностью слоя сепаратора, причем вторая полость заполнена химическими компонентами катода. Способ также включает слоистое аккумуляторное устройство, которое содержит второй токоотвод, причем второй токоотвод находится в электрической связи с химическими компонентами катода. Способ также содержит электролит, содержащий химические компоненты электролита. Способ также содержит размещение слоистого аккумуляторного устройства в электрическом контакте с запитываемыми компонентами, причем электрический ток из слоистого аккумуляторного устройства проходит по меньшей мере через один электрический транзистор, причем по меньшей мере один электрический транзистор расположен внутри контроллера, причем по меньшей мере первый и второй дискретные элементы питания расположены внутри слоистого аккумуляторного устройства, причем первый дискретный элемент питания генерирует первую исходную мощность аккумулятора, а второй дискретный элемент питания генерирует вторую исходную мощность аккумулятора, при этом к первому и второму дискретным элементам питания электрически подключен блок управления питанием. В некоторых примерах блок управления питанием получает первую исходную мощность аккумулятора от первого дискретного элемента питания и вторую исходную мощность аккумулятора от второго дискретного элемента питания.
Способ может дополнительно включать использование второго измерения для определения неисправности второго дискретного элемента питания. Способ также может включать пример, в котором проводится определение неисправности второго дискретного элемента питания, в случае которого контроллер переключения управляет изменением состояния второго переключателя, подключенного ко второму дискретному элементу питания. Способ также может включать пример, в котором изменение состояния второго переключателя, подключенного ко второму дискретному элементу питания, заключается в подаче первого выхода питания.
Один из основных аспектов включает устройство для питания биомедицинского устройства; данное устройство может включать слоистое аккумуляторное устройство с множественными элементами питания для биомедицинского устройства, включающего в себя запитываемые компоненты. Прибор может содержать слой катодной прокладки и первое отверстие, расположенное в слое катодной прокладки. Прибор также содержит первый токоотвод, покрытый химическими компонентами анода, причем первый токоотвод прикреплен к первой поверхности слоя катодной прокладки, в то время как первая полость создана между сторонами первого отверстия и первой поверхностью первого токоотвода, покрытого химическими компонентами анода. Прибор также содержит слой сепаратора, причем слой сепаратора образован внутри первой полости после распределения в упомянутой полости смеси-предшественника сепаратора. Прибор также содержит вторую полость между сторонами первого отверстия и первой поверхностью слоя сепаратора, причем вторая полость заполнена химическими компонентами катода. Прибор также содержит второй токоотвод, причем второй токоотвод находится в электрической связи с химическими компонентами катода. Устройство также содержит третий токоотвод, причем третий токоотвод физически сегментирован от второго токоотвода и находится в электрической связи с химическими компонентами катода внутри второго отверстия, расположенного в слое катодной прокладки, и элемент соединения межсоединений, причем элемент соединения межсоединений образует электрическую связь с первым токоотводом, вторым токоотводом и третьим токоотводом, причем электрический диод внутри элемента соединения межсоединений образует соединение по меньшей мере с одним из первого токоотвода, второго токоотвода и третьего токоотвода.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ
На ФИГ. 1A-1D представлены аспекты примеров биосовместимых элементов питания совместно с примером применения контактных линз.
На ФИГ. 2 представлены примеры размеров и формы отдельных элементов из примера конструкции аккумулятора.
На ФИГ. 3A представлен первый самостоятельный упакованный биосовместимый элемент питания с примерами соединений с анодом и катодом.
На ФИГ. 3B представлен второй самостоятельный упакованный биосовместимый элемент питания с примерами соединений с анодом и катодом.
На ФИГ. 4A-4N представлен пример способа с этапами изготовления биосовместимых элементов питания для биомедицинских устройств.
На ФИГ. 5 представлен пример полностью изготовленного биосовместимого элемента питания.
На ФИГ. 6A-6F представлен пример способа с этапами образования структуры биосовместимых элементов питания.
На ФИГ. 7A-7F представлен пример способа с этапами образования структуры биосовместимых элементов питания с помощью другого способа нанесения гальванического покрытия.
На ФИГ. 8A-8H представлен пример способа с этапами изготовления биосовместимых элементов питания с гидрогелевым сепаратором для биомедицинских устройств.
На ФИГ. 9A-C представлен пример способа с этапами изготовления биосовместимых элементов питания с помощью альтернативных вариантов осуществления обработки сепаратора.
На ФИГ. 10A и 10B представлены примеры схем соединений и соединительных элементов для устройств с множественными элементами питания.
На ФИГ. 10C и 10D представлены примеры изображений в поперечном сечении примеров, представленных на ФИГ. 10A и 10B.
На ФИГ. 11 представлен пример коммутационной системы, которая может быть использована для создания множества выходов питания с множественными элементами питания устройств.
На ФИГ. 12 представлен пример устройства с множественными элементами питания, причем элементы могут быть перезаряжаемыми.
На ФИГ. 13 представлен пример устройства с множественными элементами питания, причем элементы могут быть одноразовыми.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В данной заявке раскрываются способы и устройство для изготовления трехмерных биосовместимых элементов питания. Сепаратор из элементов питания может быть изготовлен с помощью принципиально новых способов и содержать принципиально новые материалы. В следующих разделах приведено подробное описание различных вариантов осуществления настоящего изобретения. Описания как предпочтительных, так и альтернативных вариантов осуществления являются только примерами осуществления, и специалистам в данной области будут понятны возможности внесения различных модификаций и изменений. Поэтому представленные примеры осуществлений не ограничивают объем настоящей заявки. Трехмерные биосовместимые элементы предназначены для использования внутри тела живого организма или в непосредственном контакте с ним.
Определения
В описании и представленных ниже пунктах формулы изобретения использован ряд терминов, для которых будут приняты следующие определения.
Используемый 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, поток электронов поступает из анода, например, в электрическую схему.
Используемый в настоящем документе термин «связующее» относится к полимеру, который способен проявлять упругие свойства под воздействием механической деформации и который химически совместим с другими компонентами элементов питания. Например, связующие могут включать в себя электроактивные материалы, электролиты, полимеры и т. д.
Используемый в настоящем документе термин «биосовместимый» относится к материалу или устройству, которые выполняют свои функции в конкретном приложении при соответствующем отклике носителя. Например, биосовместимое устройство не оказывает токсического или травмирующего воздействия на биологические системы.
Используемый в настоящем документе термин «катод» относится к электроду, по которому электрический ток вытекает из поляризованного электрического устройства. Направление электрического тока, как правило, противоположно направлению потока электронов. Поэтому поток электронов поступает в катод поляризованного электрического устройства и вытекает, например, из подключенной электрической схемы.
Используемый в настоящем документе термин «покрытие» относится к нанесению материала тонким слоем. В ряде применений такой термин будет относиться к тонкому слою, по существу покрывающему поверхность подложки, на которой формируется покрытие. В других, более специализированных применениях термин может использоваться для описания небольших тонких покрытий в более ограниченных участках поверхности.
Используемый в настоящем документе термин «электрод» может относиться к активной массе в источнике питания. Например, он может включать или анод, или катод или оба - и анод и катод.
Используемый в настоящем документе термин «с электропитанием» относится к возможности подачи электрического тока или хранения электрической энергии внутри устройства.
Используемый в настоящем документе термин «энергия» относится к способности физической системы совершать работу. Многие варианты применения элементов питания могут быть связаны с возможностью выполнять электрические действия.
Используемый в настоящем документе термин «источник энергии», или «элемент питания», или «устройство с энергообеспечением», относится к любому устройству или слою, который может снабжать устройство энергией или переводить логическое или электрическое устройство в состояние с электропитанием. Элементы питания могут включать в себя аккумуляторные батареи. Аккумуляторные батареи могут быть основаны на гальванических элементах щелочного типа и могут представлять собой твердотельные аккумуляторные батареи или жидкостные батареи.
Используемый в настоящем документе термин «наполнители» относится к одному или более разделителям в элементах питания, которые не взаимодействуют с кислотными или щелочными электролитами. В целом наполнители могут включать по существу нерастворимые в воде материалы, такие как уголь, угольная пыль, графит, оксиды и гидроксиды металлов, таких как кремний, алюминий, кальций, магний, барий, титан, железо, цинк и олово, карбонаты металлов, таких как кальций и магний, минералы, такие как слюда, монтмориллонит, каолинит, аттапульгит и тальк, синтетические и естественные цеолиты, такие как портландцемент, осажденные силикаты металлов, такие как силикат кальция, полые или цельные полимерные или стеклянные микросферы, хлопья, волокна и т. д.
Используемый в настоящем документе термин «функционализированный» относится к получению слоя или устройства, способного выполнять некоторую функцию, включая, например, энергообеспечение, активацию и/или управление.
Используемый в настоящем документе термин «форма для литья» относится к жесткому или полужесткому предмету, который может использоваться для формирования трехмерных объектов из неполимеризованных композиций. Некоторые примеры форм для литья состоят из двух частей формы для литья, которые при наложении друг на друга определяют структуру трехмерного объекта.
Используемый в настоящем документе термин «мощность» относится к совершаемой работе или переданной энергии за единицу времени.
Используемые в настоящем документе термины «перезаряжаемый» или «повторно подключенный к источнику питания» относятся к возможности восстановить состояние с более высокой способностью выполнять работу. В рамках настоящего изобретения упомянутая способность, как правило, может относиться к восстановлению способности обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных, периодически повторяющихся промежутков времени.
Используемый в настоящем документе термин «перезаряжать» или «повторно подключать к источнику питания» относится к восстановлению до состояния повышенной способности к совершению работы. В рамках настоящего изобретения упомянутая способность, как правило, может относиться к восстановлению способности устройства обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных, периодически повторяющихся промежутков времени.
Используемый в настоящем документе термин «высвобожденный» или иногда «высвобожденный из формы для литья» означает, что трехмерный объект либо полностью отделен от формы, либо лишь слабо прикреплен к ней с возможностью отделения легким встряхиванием.
Используемый в настоящем документе термин «наложение» означает размещение по меньшей мере двух слоев-компонентов в непосредственной близости друг к другу таким образом, что по меньшей мере часть одной поверхности одного из слоев контактирует с первой поверхностью второго слоя. В некоторых примерах между двумя слоями может находиться покрытие, обеспечивающее сцепление или выполняющее иные функции, так что слои контактируют друг с другом через указанное покрытие.
Используемый в настоящем документе термин «дорожки» относится к компонентам элементов питания, способным соединять между собой компоненты схемы. Например, дорожки схемы могут быть изготовлены из меди или золота, если подложкой является печатная плата, и обычно могут быть изготовлены из меди, золота или печатной пленки в гибкой схеме. Особым типом «дорожки» является токоотвод. Токоотводы являются дорожками, обладающими электрохимической совместимостью, которая делает токоотводы пригодными для использования при движении электронов между анодом и катодом в присутствии электролита.
Представленные в настоящем документе способ и устройство относятся к изготовлению биосовместимых элементов питания для включения в структуру или нанесения на поверхность плоских или трехмерных биосовместимых устройств. В отдельный класс могут быть выделены элементы питания в виде аккумуляторов, изготовленных в виде слоев. Слои также можно классифицировать как слои слоистого материала. Батарея, изготовленная таким образом, может классифицироваться как слоистый аккумулятор.
Существуют другие примеры сборки и настройки аккумуляторов в соответствии с настоящим изобретением, и некоторые из них могут быть описаны в следующих разделах. Тем не менее для многих из этих примеров выбраны параметры и характеристики аккумуляторов, которые могут быть описаны произвольно. В следующих разделах будет уделено внимание некоторым характеристикам и параметрам.
Пример конструкции биомедицинского устройства с биосовместимыми элементами питания
Пример биомедицинского устройства, которое может содержать элементы питания, аккумуляторы, составляющие предмет настоящего изобретения, может представлять собой электроактивную контактную линзу с возможностью настройки фокусировки. Как представлено на ФИГ. 1А, в качестве примера подобной вставки контактной линзы изображена вставка контактной линзы 100. Во вставке контактной линзы 100 может находиться электроактивный элемент 120, который может обеспечивать изменения фокусной характеристики линзы в ответ на подачу регулирующего напряжения. В целях обеспечения подачи таких сигналов регулирующего напряжения, а также выполнения других функций, таких как регуляция восприятия окружающей среды с помощью внешних регулирующих сигналов, схема 105 может получать питание от биосовместимого аккумуляторного элемента 110. Как представлено на ФИГ. 1A, аккумуляторный элемент 110 может иметь вид множества основных фрагментов, в данном случае трех фрагментов, и иметь различные конфигурации химических составляющих аккумуляторного элемента, что обсуждалось ранее. Аккумуляторные элементы 110 могут иметь различные соединительные приспособления для объединения фрагментов воедино, которые могут быть изображены находящимися в области соединения 114. Аккумуляторные элементы 110 могут быть соединены с элементом схемы, который может иметь собственную подложку 111, на которой расположены соединительные приспособления 125. Схема 105, которая может иметь вид интегральной схемы, может быть соединена электрически и физически с подложкой 111 и ее соединительными приспособлениями 125.
Как представлено на ФИГ. 1B, на поперечном сечении поверхности контактной линзы 150 может содержаться вставка контактной линзы 100 и ее обсуждаемые составные части. Вставка контактной линзы 100 может быть заключена в гидрогелевый край контактной линзы 155, который может вмещать вставку контактной линзы 100 и обеспечивать комфортное взаимодействие контактной линзы 150 с глазом пользователя.
Что касается концепций настоящего изобретения, аккумуляторные элементы могут иметь двухмерную форму, представленную на ФИГ. 1С. В данном описании предусмотрены две основные области гальванических элементов аккумулятора, находящихся в областях аккумуляторного компонента 165, и второго аккумуляторного компонента, находящегося в области химических составляющих аккумуляторного элемента 160. Аккумуляторные элементы, которые изображены плоскими на ФИГ. 1С, могут соединяться с элементом схемы 163, который в примере, представленном на ФИГ. 1С, может содержать две основные области схемы 167. Элемент схемы 163 может соединяться с аккумуляторным элементом с образованием электрического контакта 161 и физического контакта 162. Плоская структура может быть преобразована в трехмерную коническую структуру, которая была описана в соответствии с настоящим изобретением. В рамках данного процесса второй электрический контакт 166 и второй физический контакт 164 могут использоваться для соединения и физической стабилизации трехмерной структуры. На ФИГ. 1D представлено изображение данной трехмерной конической структуры 180. Также могут быть представлены поверхности физического и электрического контакта 181, а на изображении может быть приведена полученная структура в трехмерном виде. Данная структура может содержать модульный электрический и аккумуляторный элемент, который может быть встроен со вставкой линзы в биосовместимое устройство.
Схемы сегментированных аккумуляторов
Как представлено на ФИГ. 2, в случае примера аккумуляторного элемента для примерного типа контактной линзы изображены примеры различных типов схем сегментированных аккумуляторов. Сегментированные компоненты могут иметь почти круглую форму 271, квадратную форму 272 или прямоугольную форму. В примерах прямоугольной формы прямоугольники могут быть небольшими прямоугольными фигурами 273, большими прямоугольными фигурами 274 или еще большими прямоугольными фигурами 275.
Формы плоских аккумуляторных элементов для продуктов, изготавливаемых на заказ
В некоторых примерах биосовместимых аккумуляторов аккумуляторы могут иметь вид плоских элементов. На ФИГ. 3A изображен пример прямоугольного контура 310 аккумуляторного элемента, имеющего соединение с анодом 311 и соединение с катодом 312. На ФИГ. 3B изображен пример круглого контура 330 аккумуляторного элемента, имеющего соединение с анодом 331 и соединение с катодом 332.
В некоторых примерах аккумуляторов плоской формы контуры аккумулятора могут иметь такие размеры и геометрическую форму, чтобы подходить для продуктов, изготовленных на заказ. В дополнение к примерам с контурами прямоугольной или круглой формы могут быть получены контуры «произвольной», или «свободной», формы, которые могут обеспечить оптимизацию конфигурации аккумулятора для установки в заданный продукт.
В случае примера биомедицинского устройства с изменяемой оптической силой пример плоского контура «произвольной формы» должен иметь изогнутую форму. Произвольная форма может иметь такой вид с точки зрения геометрии, что при построении трехмерной формы она позволяет получить край конической или кольцевой формы, формируемый ограничивающими границами контактной линзы. Должно быть ясно, что аналогичная пригодная геометрическая форма может быть получена в том случае, если существуют ограничительные требования к двухмерной или трехмерной форме медицинского устройства.
Аспекты биосовместимости аккумуляторов
В соответствии с настоящим изобретением в качестве примера аккумуляторы могут иметь важные характеристики, касающиеся безопасности и биосовместимости. В некоторых примерах аккумуляторы для биомедицинских устройств должны соответствовать требованиям, приведенным выше и выходящим за пределы типичных сценариев использования. В некоторых примерах конструкционные особенности могут считаться взаимосвязанными с действием нагрузки. Например, безопасность электронной контактной линзы должна рассматриваться для случая, в котором пользователь ломает линзу во время вставки или извлечения. В другом примере конструкционные особенности должны учитывать вероятность попадания в глаз пользователя инородного тела. При разработке параметров конструкции и ограничений, связанных с возможностями пользователя при ношении линзы в неблагоприятных условиях, можно рассмотреть такие их примеры, как подводная среда или большая высота, при этом такие примеры не имеют ограничительного характера.
На безопасность подобных устройств могут влиять материалы, с помощью которых и из которых изготовлено устройство, в зависимости от количества этих материалов, использованных при производстве устройства, а также корпус, предназначенный для отделения устройств от среды, находящейся на поверхности тела или внутри него. В качестве примера кардиостимуляторы могут рассматриваться как обыкновенный тип биомедицинских устройств, которые могут содержать аккумулятор и имплантироваться в тело пользователя на длительный период времени. Соответственно, в некоторых примерах подобные кардиостимуляторы обычно могут быть упакованы в сварные герметичные титановые корпуса, или в других примерах для их инкапсуляции может быть использовано множество слоев материала. Перспективные запитываемые биомедицинские устройства могут предъявлять новые требования к корпусам, особенно в случае корпусов аккумуляторов. Подобные новые устройства могут быть намного меньше существующих биомедицинских устройств, например электронная контактная линза или эндоскопическая капсула могут быть существенно меньше кардиостимулятора. В подобных примерах могут быть существенно уменьшены объем и площадь, доступные для заключения в упаковку.
Требования по электропитанию микроаккумуляторов
Еще одна область конструктивных соображений может затрагивать требования по электропитанию устройства, которое может обеспечиваться аккумулятором. Для использования в качестве источника питания медицинского устройства соответствующий аккумулятор должен соответствовать всем требованиям по электропитанию системы во время работы в режиме, который не подразумевает подсоединения или подключения к внешнему источнику питания. Перспективная область биомедицинских устройств, которые не подсоединены или не подключены к внешнему источнику питания, может включать, например, контактные линзы для коррекции зрения, устройства для контроля за состоянием здоровья, эндоскопические капсулы и новые устройства. Недавние разработки в области интегральных схем (ИС) могут обеспечить эффективное электроснабжение при очень низком уровне тока, например при пикоамперах тока в режиме ожидания и микроамперах тока в режиме работы. Применение ИС также обеспечивает получение очень малых устройств.
Микроаккумуляторы для биомедицинского применения должны одновременно соответствовать многим нестандартным требованиям. Например, может потребоваться, чтобы микроаккумулятор имел возможность подачи подходящего рабочего напряжения на встроенную электрическую схему. На данное рабочее напряжение могут влиять некоторые факторы, такие как изготовление «узла» ИС, выходное напряжение, подающееся от схемы на другое устройство, и, в частности, потребление тока целевым устройством, что также может влиять на желаемый срок службы устройства.
Что касается изготовления ИС, обычно узлы могут различаться по минимальному размеру элемента транзистора, также называемого каналом транзистора. Данная физическая особенность наряду с другими параметрами, учитываемыми при изготовлении ИС, такими как толщина оксидного слоя затвора, может иметь отношение к итоговой стандартной оценке напряжения «включения» или «порогового» напряжения полевых транзисторов (ПТ), изготовленных на заданном этапе процесса. Например, узел с наименьшим размером элемента 0,5 микрона характерен для ПТ с напряжением включения 5,0 В. Тем не менее при минимальном размере элемента 90 нм ПТ может иметь напряжение включения, составляющее 1,2; 1,8 и 2,5 В. Завод-изготовитель ИС может поставлять стандартные гальванические элементы для цифрового блока, например инверторы и триггерные схемы, которые были описаны и рассчитаны на использование при нескольких диапазонах напряжений. Разработчики выбрали рабочий узел ИС на основании нескольких факторов, включая плотность цифровых устройств, аналого-цифровых приборов смешанного типа, ток утечки, слои соединений и доступность специализированных устройств, таких как ПТ высокого напряжения. С учетом данных аспектов параметров электрических компонентов, которые могут потреблять энергию от микроаккумулятора, может быть важно, чтобы выбранный микроаккумуляторный источник питания соответствовал требованиям выбранного рабочего узла и конструкции ИС, особенно с точки зрения доступного напряжения и тока.
В некоторых примерах электрическая схема, запитываемая от микроаккумулятора, может соединяться с другим устройством. В примерах, не имеющих ограничительного характера, электрическая схема, запитываемая от микроаккумулятора, может соединяться с приводом или преобразователем. В зависимости от области применения это может быть светоизлучающий диод (СИД), датчик, насос в микроэлектромеханической системе (МЭМС) или любое другое аналогичное устройство. В некоторых примерах подобные подключенные устройства могут требовать большего рабочего напряжения, чем обычные рабочие узлы ИС. Например, для активации линзы с изменяемым фокусным расстоянием может потребоваться 35 В. Таким образом, при разработке подобной системы критическим фактором может стать рабочее напряжение, подаваемое аккумулятором. В некоторых примерах соображений такого типа эффективность устройства запуска линзы позволяет вырабатывать напряжение в 35 В от аккумулятора на 1 В, что существенно ниже, чем при работе от аккумулятора на 2 В. Дополнительные требования, такие как размер кристалла, могут разительно отличаться в зависимости от рабочих параметров микроаккумулятора.
Отдельные элементы аккумулятора обычно можно оценить по напряжению холостого хода, напряжению нагрузки и запирающему напряжению. Напряжение холостого хода является потенциалом, создаваемым элементом аккумулятора при бесконечно большом нагружающем сопротивлении. Напряжение нагрузки является потенциалом, создаваемым гальваническим элементом при соответствующем и обычно установленном полном сопротивлении нагрузки между терминалами элемента. Запирающее напряжение обычно является напряжением, при котором большая часть аккумулятора разряжена. Запирающее напряжение может представлять собой напряжение или степень разрядки, ниже которой аккумулятор не может разрядиться, во избежание пагубных последствий, таких как чрезмерное выделение газа. На запирающее напряжение обычно оказывает влияние схема, к которой подсоединен аккумулятор, но не сам аккумулятор, например, имеет значение минимальное рабочее напряжение электрической схемы. В одном примере гальванический элемент щелочного типа может иметь напряжение холостого хода 1,6 В, напряжение нагрузки от 1,0 до 1,5 В и запирающее напряжение 1,0 В. Напряжение заданной конструкции гальванического элемента аккумулятора может зависеть от других факторов, связанных с использованными химическими компонентами гальванического элемента. Вследствие этого при использовании различных химических компонентов гальванического элемента может быть получено различное напряжение.
Для увеличения напряжения гальванические элементы могут быть подсоединены последовательно, тем не менее такая комбинация может отразиться негативно на размере, внутреннем сопротивлении и сложности конструкции аккумулятора. Для уменьшения напряжения и увеличения емкости гальванические элементы могут быть подсоединены параллельно, тем не менее такая комбинация может отразиться негативно на размере и сроке годности.
Емкость аккумулятора может представлять собой способность аккумулятора к подаче тока или выполнению работы в течение некоторого периода времени. Емкость аккумулятора обычно указывают в единицах, таких как микроамперы в час. Аккумуляторы, которые могут подавать 1 микроампер тока в течение 1 часа, имеют емкость 1 микроампер в час. Емкость обычно может быть увеличена за счет увеличения массы (и, как следствие, объема) реагентов в аккумуляторном устройстве, тем не менее следует учесть, что биомедицинские устройства могут быть существенно ограничены в доступном объеме. На емкость аккумулятора также может влиять материал электрода и электролита.
В зависимости от требований схемы, к которой подключен аккумулятор, может потребоваться выдача аккумулятором тока в различном интервале значений. Во время хранения перед активным использованием ток утечки порядка пикоампер или микроампер может течь через схемы, соединения и изоляционный материал. При активной работе электрическая схема может потреблять собственный ток для обеспечения работы образцов датчиков, таких как датчики времени запуска, и выполнения подобных функций, потребляющих малое количество энергии. Собственный потребляемый ток может иметь порядок от наноампер до миллиампер. Для работы схемы может требоваться больший пиковый ток, например, при считывании флеш-памяти или передаче данных по радиочастотной (РЧ) связи. Данный пиковый ток может достигать десятков миллиампер или более. Сопротивление и полное сопротивление микроаккумуляторного устройства также может иметь значение с конструкционной точки зрения.
Сроком годности обычно называют период времени, в течение которого аккумулятор должен выдерживать хранение и сохранять необходимые рабочие параметры. Срок годности особенно важен для биомедицинских устройств по нескольким причинам. Электронные устройства могут служить заменой устройств без энергообеспечения, например в случае применения электронной контактной линзы. Изделия, представленные на существующем рынке, могут обладать установленными требованиями по сроку годности, составляющими, например, три года, с учетом требований заказчика, системы поставок и других требований. Обычно желательно, чтобы подобные технические характеристики не изменялись для новых продуктов. Требования по сроку годности также могут быть установлены с учетом распространения, наличия и способов применения устройства, содержащего микроаккумулятор. Соответственно, микроаккумуляторы для биомедицинских устройств могут иметь определенные требования по сроку годности, которые могут быть измерены, например, в годах.
В некоторых примерах трехмерные биосовместимые элементы питания могут быть перезаряжаемыми. Например, на трехмерной поверхности может быть сформирована индукционная катушка. Индукционную катушку затем можно возбуждать радиочастотным (в дальнейшем «РЧ») импульсом. Индукционную катушку можно подключить к трехмерному биосовместимому элементу питания для подзарядки элемента питания при подаче РЧ на индукционную катушку. В другом примере на трехмерной поверхности можно также изготовить фотоэлектрические устройства, которые подключаются к трехмерному биосовместимому элементу питания. Под действием света или фотонов фотоэлектрические устройства будут вырабатывать электроны для подзарядки элемента питания.
В некоторых примерах аккумулятор имеет функцию обеспечения электрической энергией электрической системы. В данных примерах аккумулятор может быть соединен электрически со схемой электрической системы. Соединения между схемой и аккумулятором могут классифицироваться как межкомпонентные соединения. Применение подобных межкомпонентных соединений в биомедицинских микроаккумуляторах может стать более затруднительным по нескольким причинам. В некоторых примерах запитываемого биомедицинского устройства должны иметь очень малый размер, вследствие чего под межкомпонентные соединения отводится небольшая площадь и объем. Ограничения по размеру и площади могут влиять на электрическое сопротивление и надежность межкомпонентных соединений.
Кроме того, аккумулятор может содержать жидкий электролит, который может кипеть при высокой температуре. Данное ограничение может конкурировать с желанием использовать паяное межкомпонентное соединение, которое может плавиться, например, при относительно высоких температурах, таких как 250 градусов Цельсия. Хотя в некоторых примерах химические компоненты аккумулятора, содержащие электролит, и источник тепла, используемый для изготовления паяных межкомпонентных соединений, могут быть отделены пространственно друг от друга. В случае перспективных биомедицинских устройств малый размер может препятствовать разделению электролита и паяных соединений расстоянием, достаточным для уменьшения теплопередачи.
Межкомпонентные соединения
Межкомпонентные соединения могут обеспечивать течение тока как в аккумулятор, подключенный к внешней цепи, так и из него. Подобные межкомпонентные соединения могут взаимодействовать со средами внутри и снаружи аккумулятора, выходя за его границы или находясь в герметичном покрытии между этими средами. Подобные межкомпонентные соединения могут рассматриваться как дорожки, обеспечивающие подключение к внешней цепи за счет прохождения через герметичное покрытие аккумулятора с последующим соединением с токоотводами за пределами аккумулятора. Таким образом, к подобным межкомпонентным соединениям могут предъявляться некоторые требования. За пределами аккумулятора межкомпонентные соединения могут иметь сходство с обычными печатными дорожками схемы. Они могут быть припаяны или иным образом соединены с другими дорожками. В примере, в котором аккумулятор является физическим элементом, отделенным от монтажной платы, содержащей интегральную схему, межкомпонентное соединение аккумулятора может обеспечивать подключение к внешней цепи. Данное соединение может быть образовано из припоя, проводящей ленты, проводящих чернил, эпоксидной смолы или других средств. Дорожки межкомпонентного соединения должны быть устойчивы в среде за пределами аккумулятора, например не поддаваться коррозии в присутствии кислорода.
Поскольку межкомпонентное соединение проходит через герметичное покрытие аккумулятора, особенно важно, чтобы межкомпонентное соединение было совместимо с герметичной оболочкой и обеспечивало герметичность. В дополнение к сцеплению, необходимому между герметичной оболочкой и корпусом аккумулятора, может потребоваться сцепление герметичной оболочки с межкомпонентным соединением. Целостность герметичной оболочки должна сохраняться в присутствии электролита и других материалов, находящихся за пределами аккумулятора. Межкомпонентные соединения, которые обычно должны быть металлическими, известны как точки отказа корпуса аккумулятора. Электрический потенциал и/или подача тока могут увеличить склонность электролита к «вползанию» вдоль межкомпонентного соединения. Соответственно, межкомпонентное соединение должно быть спроектировано с учетом поддержания целостности герметичной оболочки.
Внутри аккумулятора межкомпонентные соединения могут взаимодействовать с токоотводами или фактически образовывать токоотводы. В этом случае межкомпонентное соединение должно отвечать требованиям к токоотводам, описанным в данном документе, или образовывать электрическую связь с подобными токоотводами.
Одним из классов подходящих межкомпонентных соединений и токоотводов является металлическая фольга. Доступная на рынке подобная фольга имеет толщину 25 микрон или менее, что делает ее пригодной для использования в очень тонких аккумуляторах. Поставляемая фольга также должна иметь очень малую шероховатость и загрязненность поверхности, эти два фактора имеют критическое значение для функционирования аккумулятора. Фольга может содержать цинк, никель, латунь, медь, титан, другие металлы и различные сплавы.
Электролит
Электролит является компонентом аккумулятора, который облегчает протекание химической реакции между химическими материалами электродов. Обычные электролиты могут быть электрохимически активны в отношении электродов, например обеспечивают протекание реакций окисления и восстановления. В некоторых примерах необходимая электрохимическая активность может служить препятствием при создании биосовместимых устройств. Например, гидроксид калия (KOH) может широко использоваться в качестве электролита в гальванических элементах щелочного типа. При высокой концентрации данное вещество имеет высокое значение pH и может оказывать неблагоприятное воздействие на различные живые ткани. С другой стороны, в некоторых примерах могут использоваться электролиты, которые могут быть менее электрохимически активны, тем не менее применение подобных веществ обычно приводит к ухудшению электрических характеристик, таких как снижение напряжения гальванического элемента и увеличение сопротивления гальванического элемента. Соответственно, одним из ключевых аспектов при конструировании и проектировании биомедицинских микроаккумуляторов может быть электролит. Может потребоваться, чтобы электролит был достаточно активен для соответствия электрохимическим требованиям и в то же время относительно безопасен для использования на поверхности тела или внутри него.
Для определения безопасности компонентов аккумулятора, в частности электролита, для живых клеток могут использоваться различные сценарии испытаний. Результаты подобных испытаний в сочетании с испытаниями корпуса аккумулятора могут обеспечить получение спроектированной конструкции аккумуляторной системы, которая отвечает требованиям. Например, при разработке запитываемой контактной линзы электролиты аккумулятора должны испытываться с помощью модели клеток роговицы человека. Подобные испытания могут включать опыты, касающиеся концентрации, времени воздействия и присадок к электролиту. Результаты подобных испытаний могут указывать на характер клеточного метаболизма и другие физиологические аспекты. Испытания также могут включать испытания на животных и людях in-vivo.
Электролиты, пригодные для использования в настоящем изобретении, могут содержать хлорид цинка, ацетат цинка, ацетат аммония и хлорид аммония с массовой концентрацией от около 0,1 до 50%, и в примере, не имеющем ограничивающего характера, концентрация может составлять около 25%. Конкретные концентрации могут зависеть от электрохимической активности, функционирования аккумулятора, срока годности, целостности герметичного покрытия и биосовместимости.
В некоторых примерах в состав аккумуляторной системы могут быть включены некоторые классы присадок. Присадки могут быть смешаны с основой электролита для изменения ее характеристик. Например, загустители, такие как агар, могут снижать способность электролита к утечке из корпуса, за счет чего повышается безопасность. Например, в электролит могут быть добавлены ингибиторы коррозии для увеличения срока годности за счет снижения нежелательного растворения цинкового анода в электролите. Подобные ингибиторы могут оказывать положительное или отрицательное воздействие на профиль безопасности аккумулятора. Например, для обеспечения смачивания сепаратора или заполнения корпуса аккумулятора электролитом могут быть добавлены смачивающие вещества или поверхностно-активные вещества. Аналогичным образом подобные смачивающие вещества могут оказывать положительное или отрицательное влияние на безопасность. Добавление поверхностно-активного вещества в электролит может повысить полное сопротивление гальванического элемента. Соответственно, для обеспечения необходимой смачиваемости или других свойств необходимо использовать меньшую концентрацию поверхностно-активного вещества. Примеры поверхностно-активных веществ могут включать Triton™ X-100, Triton™ QS44 и Dowfax™ 3B2 в концентрациях от 0,01 до 2%.
Также появляются принципиально новые электролиты, которые могут значительно улучшить профиль безопасности биомедицинских микроаккумуляторов. Например, класс твердых электролитов может быть по существу устойчивым к утечке, в то же время обладая необходимыми электрическими характеристиками.
Аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется соленая вода, обычно применяются в море для резервных гальванических элементов. Подобные аккумуляторы используются в торпедах, буйках и аварийном освещении. Резервные гальванические элементы являются аккумуляторами, в которых активные материалы, электроды и электролит разделены до момента использования. В связи с данным разделением значительно снижена вероятность саморазряда гальванических элементов и существенно увеличен срок годности. При разработке аккумуляторов с соленой водой может использоваться множество материалов электрода, таких как цинк, магний, алюминий, медь, олово, оксид марганца и оксид серебра. Электролит может быть представлен настоящей морской водой, например водой из океана, заполняющей аккумулятор при контакте, или специально разработанным солевым составом. Данный тип аккумуляторов может быть особенно полезным для применения в контактных линзах. Солевой электролит имеет повышенную биосовместимость в сравнении с классическими электролитами, такими как гидроксид калия и хлорид цинка. Контактные линзы хранятся в «упаковочном растворе», который обычно является раствором хлорида натрия с возможным добавлением других солей и буферных веществ. Данный раствор был использован в качестве электролита для аккумулятора в сочетании с цинковым анодом и катодом из диоксида марганца. Возможны другие комбинации электролита и электрода. Контактная линза, в которой используется аккумулятор с соленой водой, может содержать электролит на основе хлорида натрия, упаковочного раствора или даже специально разработанный электролит, схожий со слезной жидкостью. Подобный аккумулятор может быть активирован, например, с помощью упаковочного раствора, при этом оставаться открытым по отношению к глазу и продолжать работу при взаимодействии с человеческими слезами.
Помимо или вместо этого возможно получение преимуществ с точки зрения биосовместимости при использовании электролита, более схожего со слезами или фактически являющегося слезой, в связи с чем резервный гальванический элемент может использоваться для соответствия требованиям по сроку годности полученной контактной линзы. Обычные контактные линзы предназначены для хранения в течение 3 лет или более. Это сложное требование для аккумуляторов с тонким и небольшим корпусом. Резервный гальванический элемент для применения в контактной линзе может иметь конструкцию, аналогичную представленной на ФИГ. 1 и 3, однако электролит может не добавляться во время производства. Электролит может храниться в ампуле внутри контактной линзы и сообщаться с аккумулятором, или в качестве электролита может использоваться солевой раствор, окружающий аккумулятор. Внутри контактной линзы и корпуса аккумулятора может быть предусмотрен клапан или канал, служащие для разделения электролита и электродов до момента активации линзы пользователем. Сразу после активации, возможно, путем простого нажатия на край контактной линзы (по аналогии с активацией химического источника света) электролит получит возможность затекания в аккумулятор с образованием тока ионов между электродами. Это может включать однократный перенос электролита или его постоянную диффузию в аккумуляторе.
Некоторые аккумуляторные системы могут использовать или поглощать электролит во время химической реакции. Соответственно, может возникнуть потребность в разработке хранения некоторого объема электролита в системе из одного корпуса. Данный электролит может храниться в различных местах, включая сепаратор или емкость.
В некоторых примерах конструкция аккумуляторной системы может включать компонент или компоненты, которые могут ограничивать емкость разряда аккумуляторной системы. Например, может потребоваться, чтобы материалы конструкции и количество материалов анода, катода и электролита были такими, чтобы один из данных материалов заканчивался раньше в ходе реакций в аккумуляторной системе. В подобном примере расходование одного из анода, катода или электролита может снизить вероятность нежелательного разряда и побочных реакций, которые не протекают при меньшем напряжении разряда. Данные нежелательные реакции могут приводить, например, к получению избытка газа или побочных продуктов, которые могут негативно влиять на безопасность и другие факторы.
Модульные аккумуляторные компоненты
В некоторых примерах модульный аккумуляторный компонент может быть изготовлен в соответствии с некоторыми аспектами и примерами настоящего изобретения. В подобных примерах модульный аккумулятор в сборке может быть компонентом, который отделен от других частей биомедицинского устройства. В примере устройства для офтальмологической контактной линзы подобная конструкция может содержать модульный аккумулятор, который отделен от остального материала вставки. Изготовление модульного аккумуляторного компонента обладает множеством преимуществ. Например, в примере контактной линзы модульный аккумуляторный компонент может быть изготовлен в ходе отдельного неполного процесса, который может снизить потребность в использовании жестких трехмерных оптических компонентов из пластика. Кроме того, источники производства могут быть более гибкими, в связи с чем производство чаще может проводиться параллельно производству других компонентов биомедицинского устройства. Более того, производство модульных аккумуляторных элементов может быть не связано с характеристиками устройств трехмерной формы. Например, в случае необходимости получения трехмерных готовых форм модульная аккумуляторная система может быть изготовлена в плоском или почти двухмерном виде, а затем преобразована в соответствующую трехмерную форму. Модульный аккумуляторный компонент может быть испытан независимо от остальных частей биомедицинского устройства, и перед сборкой могут быть определены потери выхода из-за аккумуляторных компонентов. Полученный модульный аккумуляторный компонент может использоваться в различных конструкциях из материала вставки, не имеющих относительно жестких участков, на которых могут быть сформированы компоненты аккумуляторов; в еще одном дополнительном примере применение модульных аккумуляторных компонентов может облегчить выбор различных параметров технологий изготовления, которые могли бы использоваться в ином случае, таких как технология применения рулонов (рулон за рулоном), технология применения слоев (слой за слоем), печать, литография и обработка ракелем. В некоторых примерах модульного аккумулятора аспект, предусматривающий отдельное нанесение изоляции в подобном устройстве, может привести к добавлению материала в общую конструкцию биомедицинского устройства. Подобные эффекты могут ограничивать применение модульных аккумуляторных решений, если параметры доступного пространства требуют минимальной толщины или объема конструкции.
Требования к форме аккумулятора могут быть по меньшей мере частично обусловлены практическим применением аккумулятора. Традиционными конструктивными решениями аккумуляторов являются цилиндрические формы или прямоугольные призмы, изготовленные из металла, адаптированные для изделий, которые требуют большего количества энергии для большей продолжительности работы. Подобные приспособления могут быть достаточно большими, поскольку они содержат аккумуляторы больших размеров. В другом примере плоские твердотельные аккумуляторы являются тонкими прямоугольными призмами, обычно изготовленными из гибкого кремния или стекла. В некоторых примерах подобные плоские твердотельные аккумуляторы могут быть изготовлены с помощью технологий производства кремниевых подложек. В другом типе конструктивных решений аккумуляторов низкой мощности гибкие аккумуляторы могут быть изготовлены в виде кармана из тонкой фольги или пластика, содержащего химические компоненты аккумулятора. Подобные аккумуляторы могут быть изготовлены плоскими и сконструированы для работы в непосредственном контакте с малой неплоскостной (трехмерной) кривизной.
В некоторых подобных примерах устройства аккумуляторов, составляющих предмет настоящего изобретения, аккумулятор может использоваться в линзе с изменяемой оптической силой, конструктивное решение может требовать наличия трехмерной кривизны аккумуляторного компонента, причем радиус этой кривизны может составлять приблизительно 8,4 мм. Подобная кривизна может считаться достаточно сильно выраженной, в качестве приблизительного примера кривизны такого типа может быть приведен кончик пальца человека. Относительно крутой характер кривизны создает трудности при производстве. В некоторых примерах настоящего изобретения модульный аккумуляторный компонент может быть сконструирован таким образом, чтобы он мог быть изготовлен в плоском двухмерном виде, а затем преобразован в трехмерную форму с относительно большой кривизной.
Толщина модульного аккумулятора
При разработке аккумуляторных компонентов биомедицинских устройств для уравновешивания требований к техническим характеристикам, безопасности и функционированию может быть проверена совместимость различных параметров. Толщина аккумуляторного компонента может быть важным и ограничительным параметром. Например, при применении оптической линзы возможность комфортного ношения устройства пользователем может критически зависеть от толщины устройства медицинского назначения. Таким образом, при разработке аккумуляторов с меньшей толщиной критическое значение могут иметь аспекты обеспечения возможностей устройства. В некоторых примерах толщина батареи может определяться по комбинированной толщине верхнего и нижнего слоев, зазора между слоями и толщине герметизирующего слоя. Практические аспекты производства могут быть обусловлены некоторыми параметрами, от толщины пленки до стандартных значений, характерных для листового материала. Кроме того, пленки имеют минимальные значения толщины, которые могут быть приняты на основании технических соображений, касающихся химической совместимости, непроницаемости для влаги или газа, характера поверхности и совместимости с покрытиями, которые могут быть нанесены на слои пленки.
В некоторых примерах необходимая, или целевая, толщина готового аккумуляторного компонента может представлять собой толщину компонента, составляющую менее 220 мкм. В подобных примерах такая желаемая толщина может быть обусловлена трехмерной геометрией примера офтальмологического линзового устройства, в котором аккумуляторный компонент должен соответствовать изнутри доступному объему, предусмотренному формой гидрогелевой линзы, обеспечивающей комфорт, биосовместимость и ограничения по приемлемости для конечного пользователя. Данный объем и его влияние на необходимую толщину аккумуляторного компонента могут быть представлены в виде зависимости от спецификации толщины и спецификации устройства в отношении его ширины, угла конусности и внутреннего диаметра. Другое важное конструктивное соображение, относящееся к итоговой конструкции аккумуляторного компонента, может быть связано с объемом, отводимым для размещения активных химических компонентов аккумулятора и материалов, входящих в состав конструкции указанного аккумуляторного компонента, с учетом количества химической энергии, которое может быть получено в такой конструкции. Полученная химическая энергия затем может быть скомпенсирована с учетом электрических требований к целевому сроку службы и условий работы функционирующего биомедицинского устройства.
Гибкость модульного аккумулятора
Другим значимым признаком, касающимся конструкции аккумулятора и конструкции сопутствующих устройств, которые в качестве источника питания используют аккумулятор, является гибкость аккумуляторного компонента. С аккумуляторами плоской формы связано множество преимуществ. Например, гибкий аккумуляторный модуль может обеспечивать указанную ранее возможность изготовления аккумулятора из двухмерной плоской формы. Гибкость данной формы может обеспечивать последующее преобразование двухмерного аккумулятора в соответствующую трехмерную форму, подходящую для биомедицинского устройства, такого как контактная линза.
В другом примере польза, которая может быть связана с гибкостью аккумуляторного модуля в случае, если аккумулятор и последующее устройство обладают гибкостью, обусловлена преимуществами при использовании такого устройства. В одном из примеров форма контактной линзы, входящей в состав биомедицинского устройства, может обеспечивать преимущества при вставке/извлечении с учетом вставки материала в контактную линзу, которые аналогичны вставке/извлечению стандартной контактной линзы, которая не заполнена гидрогелем.
При проектировании аккумулятора может иметь большое значение количество изгибов. Например, аккумулятор, который был изогнут лишь один раз для превращения плоской формы в форму, пригодную для контактной линзы, существенно отличается по конструкции от аккумулятора, который может быть изогнут множество раз. Сгибание аккумулятора также может выходить за пределы возможностей механического восстановления. Например, электрод должен иметь физическую возможность к изгибанию без разрыва, однако механические и электрохимические свойства электрода могут изменяться при сгибании. Изменения, вызванные сгибанием, могут появиться немедленно, например в виде изменений полного сопротивления, или сгибание может привести к появлению изменений, которые заметны лишь при исследовании после долгосрочного хранения.
Ширина модульного аккумулятора
Существует множество устройств, в которых могут использоваться биосовместимые элементы питания или аккумуляторы, составляющие предмет настоящего изобретения. В целом требования к ширине аккумулятора в большей степени зависят от области его применения. В типичном случае аккумуляторная система контактной линзы должна быть ограничена спецификацией ширины модульного аккумуляторного компонента. В некоторых примерах офтальмологического устройства, в которых устройство имеет изменяемую оптическую силу и получает питание от аккумуляторного компонента, часть устройства с изменяемой оптической силой может занимать центральный сферический участок диаметром около 7,0 мм. Примеры аккумуляторных элементов могут рассматриваться как трехмерные объекты, которые окружают центральную оптическую часть кольцевым коническим краем и выполнены в виде усеченного конического кольца. Если необходимый максимальный диаметр жесткой вставки составляет 8,50 мм, а касательная может быть проведена к некоторому диаметру сферы (диаметр которой, например, составляет около 8,40 мм), то геометрические построения могут указывать на допустимую ширину аккумулятора. Могут существовать геометрические модели, пригодные для расчетов требуемых спецификаций полученной геометрической формы, которая в некоторых примерах может быть названа усеченным конусом, уплощенным в виде сектора кольца.
Ширина уплощенного аккумулятора обусловлена двумя характеристиками аккумуляторного элемента, а именно активными аккумуляторными компонентами и шириной герметичной оболочки. В некоторых примерах, относящихся к офтальмологическим устройствам, целевая толщина стороны составляет от 0,100 до 0,500 мм, а целевая ширина активных аккумуляторных компонентов может составлять приблизительно 0,800 мм. Другие биомедицинские устройства могут иметь другие конструкционные ограничения, однако принципы, применимые к гибким плоским аккумуляторным элементам, будут аналогичными.
Полости, служащие элементом конструкции аккумуляторного компонента
В некоторых примерах аккумуляторные элементы могут быть разработаны таким образом, чтобы участки с активными химическими компонентами аккумулятора были отделены друг от друга. Существуют различные подходы к разделению активных химических компонентов аккумулятора посредством их размещения в дискретных сегментах. В примере, не имеющем ограничивающего характера, изготовление дискретных элементов меньшего размера может облегчить их производство. Функционирование аккумуляторных элементов подразумевает наличие множества элементов меньшего размера, которые могут быть улучшены. Дефекты различных видов могут быть отделены, а нефункционирующие элементы в некоторых случаях могут быть изолированы, что приводит к меньшему снижению функциональности. Это может иметь значение в примерах, в которых происходит потеря электролита, находящегося в аккумуляторе. Изоляция отдельных компонентов может осуществляться при наличии дефекта, приводящего к утечке электролита за пределы критически важных участков аккумулятора, в целях ограничения снижения функциональности меньшего сегмента целого аккумуляторного элемента, в то время как утечка электролита через дефект может привести к опорожнению существенно большего участка аккумуляторов, которые имеют конструкцию в виде одного гальванического элемента. Применение меньших по размерам гальванических элементов может приводить к снижению объема активных химических компонентов аккумулятора в общей перспективе, однако сеть из материала, окружающего каждый из уменьшенных гальванических элементов, может обеспечить укрепление общей структуры.
Внутренние герметичные оболочки аккумуляторного элемента
В некоторых примерах аккумуляторных элементов, предназначенных для использования в биомедицинских устройствах, химическая активность в аккумуляторах основана на водорастворимых химических компонентах, причем вода или влага является важной составляющей, подлежащей контролю. Поэтому большое значение могут иметь механизмы герметизации, которые замедляют или предупреждают проникновение влаги в корпус аккумулятора или выход влаги из него. Гидроизолирующие слои могут быть разработаны для поддержания внутреннего уровня влаги на уровне, установленном при разработке, с некоторым допуском. В некоторых примерах гидроизолирующий слой может быть разделен на две части или два компонента, называемых корпусом и герметичной оболочкой.
Корпус может состоять из основного материала покрытия. В некоторых примерах корпус может содержать объемный материал. Скорость проникновения водяных паров (СПВП) может быть показателем функционирования с учетом стандартов ISO и ASTM для контроля проведения испытания, включая условия окружающей среды, действующие во время испытания. В идеальном варианте СПВП для хорошего корпуса аккумулятора должна равняться нулю. Примерами материалов с почти нулевой СПВП могут служить стекло и металлическая фольга. С другой стороны, пластики могут быть по существу пористыми для влаги, однако это свойство значительно различается в разных видах пластиков. Разработанные материалы, полученные путем наслоения или соэкструдирования, обычно являются гибридами обычных материалов для корпусов.
Герметичная оболочка может быть поверхностью раздела между двумя поверхностями корпуса. Соединение поверхностей герметичной оболочки замыкает покрытие вдоль корпуса. Во многих примерах характер конструкции герметичной оболочки может затруднять определение их СПВП в связи с трудностью проведения испытаний согласно стандарту ISO или ASTM, поскольку размер образца или площадь поверхности может не подходить для данных процедур. В некоторых примерах практическим подходом к испытанию целостности герметичной оболочки может быть функциональное испытание фактической конструкции герметичной оболочки при некоторых заданных условиях. Функционирование герметичной оболочки может зависеть от материала герметичной оболочки, толщины герметичной оболочки, длины герметичной оболочки, ширины герметичной оболочки и прикрепления или близости герметичной оболочки к подложке корпуса.
В некоторых примерах герметичные оболочки могут быть изготовлены в процессе сварки, который может включать обработку теплом, лазером, растворителем, трением, ультразвуком или сварочной дугой. В других примерах герметичные оболочки могут быть изготовлены с помощью клеевых герметиков, таких как животный клей, эпоксидные смолы, акрил, растительный каучук и синтетический каучук. Другие примеры могут опираться на применение уплотнительного материала, который может быть изготовлен из пробки, растительного и синтетического каучука, политетрафторэтилена (PTFE), полипропилена и силиконов, каковыми примерами список возможных вариантов не исчерпывается.
В соответствии с настоящим изобретением в некоторых примерах могут быть разработаны аккумуляторы с определенным сроком службы. Срок службы может быть установлен путем количественного определения фактической влагопроницаемости, которая может быть получена для конкретной аккумуляторной системы, с последующим определением того, когда подобная утечка влаги может привести к окончанию срока службы данного аккумулятора. Например, если аккумулятор хранится во влажной среде при минимальной разнице парциальных давлений внутри и снаружи аккумулятора, это может привести к уменьшению скорости потери влаги, вследствие чего срок службы аккумулятора может быть увеличен. Тот же пример аккумулятора, хранившийся в особенно сухой и жаркой среде, может иметь значительно меньший ожидаемый срок службы, что преимущественно обусловлено потерей влаги.
Сепараторы аккумуляторного элемента
В типе аккумуляторов, описанном в настоящем изобретении, может использоваться сепаратор, который физически и электрически отделяет анод и токоотводные части анода от катода и токоотводных частей катода. Сепаратор может быть мембраной, которая проницаема для воды и растворенных компонентов электролита, тем не менее обычно она не проводит электричества. Хотя специалистам в данной области известно большое число коммерчески доступных сепараторов, принципиально новое конструктивное решение, составляющее предмет настоящего изобретения, может уникальным образом сузить круг задач при выборе, обработке и эксплуатации сепаратора.
Поскольку конструкции, составляющие предмет настоящего изобретения, имеют ультратонкое сечение, выбор может быть ограничен самыми тонкими сепараторами, которые обычно имеются в продаже. Например, могут потребоваться сепараторы толщиной около 25 микрон. В некоторых примерах дополнительные преимущества могут иметь сепараторы толщиной около 12 микрон. Существует множество пригодных сепараторов, имеющихся в продаже, включая служащие в качестве сепаратора микрофибриллированные, микропористые однослойные мембраны из полиэтилена и/или трехслойные мембраны из полипропилена-полиэтилена-полипропилена (PP/PE/PP), такие как продукция компании Celgard (Шарлотт, Северная Каролина). Подходящим примером сепаратора может служить трехслойная мембрана Celgard M824 PP/PE/PP толщиной 12 микрон. Альтернативные примеры сепараторов, пригодных для примеров настоящего изобретения, могут включать мембраны, служащие в качестве сепаратора и содержащие регенерированную целлюлозу (например, целлофан).
Хотя сепараторы в виде трехслойных мембран из PP/PE/PP могут иметь полезную толщину и механические свойства в связи с полиолефиновым составом, они также могут обладать множеством недостатков, которые необходимо устранить, чтобы они стали пригодными примерами настоящего изобретения. Рулонные или листовые трехслойные материалы сепаратора из PP/PE/PP могут иметь множество складок или других дефектов формы, которые могут оказывать отрицательное воздействие на допуски микронного порядка, применимые к описанным в данном документе аккумуляторам. Более того, полиолефиновые сепараторы должны разрезаться с ультратонкими допусками для соответствия настоящим конструкциям, в связи с чем обработка может включать лазерную резку в качестве примера способа образования дискретных токоотводов необходимой формы с узким допуском. Полиолефиновый характер этих сепараторов может представлять собой проблему, так как некоторые режущие лазеры, пригодные для микрообработки, работают на длине волны лазера, например, 355 нм, при которой не происходит разрезания полиолефинов. Полиолефины не поглощают лазерную энергию в сколько-нибудь значительной степени, вследствие чего не поддаются абляции. И наконец, может быть так, что полиолефиновые сепараторы практически не смачиваются электролитами на водной основе, которые используются в аккумуляторах, описанных в данном документе.
Несмотря на это, существуют способы преодоления подобных существенных ограничений применения мембран полиолефинового типа. Для резки микропористой мембраны сепаратора с помощью высокоточного режущего лазера на фрагменты типа сегментов дуги или других полезных конструкций сепаратора мембрана должна быть плоской и ровной. Если эти два условия не соблюдены, мембрана сепаратора не может быть полностью разрезана, поскольку режущий луч может быть ослаблен в результате расфокусировки или любого другого рассеивания падающего излучения лазера. Кроме того, если мембрана сепаратора неплоская и неровная, для мембраны сепаратора практически не может быть получена точная форма и геометрические допуски. Приемлемые допуски для сепараторов из настоящих примеров могут составлять, например, от +0 до -20 микрон в отношении длины и радиуса. Преимущества могут иметь более узкие допуски от +0 до -10 микрон, а также допуски от +0 до -5 микрон. Листовой материал сепаратора может быть создан плоским и ровным путем временного наслоения материала на носитель из полированного листового стекла с помощью соответствующей низколетучей жидкости. Низколетучие жидкости могут иметь преимущества перед временными клеящими веществами в связи с хрупкостью мембраны сепаратора и продолжительностью обработки, которая потребуется для отсоединения мембраны сепаратора от клеящего слоя. Более того, в некоторых примерах было обнаружено, что получение плоской и ровной мембраны сепаратора путем наслоения на полированное листовое стекло с помощью жидкости легче, чем применение клеящего вещества. Перед наслоением мембрана сепаратора должна быть очищена от инородных частиц. Это может быть достигнуто путем ультразвуковой очистки мембраны сепаратора, предназначенной для удаления каких-либо частиц, прикрепленных к поверхности. В некоторых примерах работа с мембраной сепаратора может проводиться в подходящей среде с низким содержанием инородных частиц, такой как вытяжной шкаф с ламинарным потоком или чистая комната с классом чистоты по меньшей мере 10 000. Более того, подложка из полированного листового стекла может быть очищена от инородных частиц путем промывания соответствующим растворителем, ультразвуковой очистки и/или влажной уборки помещения.
Хотя для механического наслоения микропористых полиолефиновых мембран сепаратора на носитель из полированного листового стекла может применяться множество низколетучих жидкостей, определенные требования могут быть предъявлены к жидкости, облегчающей последующую лазерную резку сепаратора на дискретные элементы установленной формы. Одно из требований может заключаться в том, что жидкость должна иметь достаточно низкое поверхностное натяжение для проникновения в поры материала сепаратора, что может быть легко определено при визуальном осмотре. В некоторых примерах материал сепаратора превращается из белого в прозрачный при заполнении жидкостью микропор материала. Может потребоваться, чтобы выбранная жидкость была неядовитой и безопасной для рабочих, которые будут с ней контактировать во время подготовки и резки сепаратора. Может потребоваться, чтобы давление паров выбранной жидкости было достаточно низким, чтобы во время обработки (порядка 1 дня) не происходило значительного испарения. В конечном счете в некоторых примерах жидкость может иметь достаточную сольватационную силу для растворения полезных УФ-поглотителей, которые могут облегчить проведение операции лазерной резки. В примере наблюдалось, что 12% (вес./вес.) раствор УФ-поглотителя авобензона в растворителе бензилбензоате может соответствовать упомянутым ранее требованиям и обеспечивать облегчение лазерной резки полиолефиновых сепараторов с высокой точностью и узким допуском без лишних проходов режущего лазерного луча. В некоторых примерах сепараторы могут быть разрезаны наносекундным твердотельным лазером с диодной накачкой мощностью 8 Вт и длиной волны 355 нм в рамках данного подхода, в котором мощность лазера затухает (например, на 3% мощности) с умеренной скоростью от 1 до 10 мм/с лишь при 1-3 проходах лазерного луча. Хотя было доказано, что УФ-поглотитель на масляной основе эффективен для облегчения процессов ламинирования и резки, специалисты в данной области могут без ограничений рассматривать другие маслянистые составы.
В некоторых примерах может разрезаться сепаратор, зафиксированный на полированном листовом стекле. Одним из преимуществ сепараторов, зафиксированных на носителе из полированного листового стекла и нарезанных лазером, может быть очень высокая плотность сепараторов, которые можно вырезать из одного листа материала сепараторов, что делает их похожими на полупроводниковые кристаллы, которые можно плотно разместить на кремниевой подложке. Подобный подход может обеспечивать экономию, обусловленную ростом масштаба производства, и получение преимуществ параллельной обработки, присущих процессам полупроводникового производства. Более того, может быть минимизировано образование отходов при обработке мембраны сепаратора. Сразу после вырезания сепараторов маслянистые жидкости, облегчающие протекание процесса, могут быть удалены в ходе последовательности этапов выделения с использованием смешиваемых растворителей, в некоторых примерах последнее выделение может быть проведено с помощью высоколетучего растворителя, такого как изопропиловый спирт. После выделения дискретные сепараторы могут храниться неограниченное время в любых подходящих условиях с низким содержанием инородных частиц.
Как упоминалось ранее, полиолефиновые мембраны сепаратора могут быть по существу гидрофобными и требовать смачивания поверхностно-активными веществами на водной основе, используемыми в аккумуляторах, составляющих суть настоящего изобретения. Одним из подходов к повышению смачиваемости мембран сепаратора может быть обработка кислородной плазмой. Например, сепараторы могут обрабатываться от 1 до 5 минут в 100%-й кислородной плазме при широком спектре настроек мощности и скорости подачи кислорода. Хотя данный подход может улучшить смачиваемость на некоторое время, хорошо известно, что модификация поверхности плазмой дает временный эффект, который не может сохраняться достаточно долго для обеспечения полноценного смачивания растворами электролитов. Другим подходом к улучшению смачиваемости мембран сепаратора может быть обработка поверхности, достигаемая путем включения в мембрану подходящего поверхностно-активного вещества. В некоторых случаях поверхностно-активное вещество может использоваться в сочетании с гидрофильным полимерным покрытием, которое остается в порах мембраны сепаратора.
Другим подходом к обеспечению более стабильной гидрофильности, придаваемой в ходе обработки кислородной плазмой, может быть последующая обработка подходящим гидрофильным органосиланом. Таким образом, кислородная плазма может применяться для активации и создания функциональных групп по всей площади поверхности микропористого сепаратора. Затем органосилан может ковалентно связываться и/или нековалентно соединяться с поверхностью, обработанной плазмой. В примерах с использованием органосилана естественная пористость микропористого сепаратора не может быть существенно изменена, также возможно и желательно однослойное покрытие поверхности. Способы, известные на данном уровне техники, включают применение поверхностно-активных веществ в сочетании с полимерными покрытиями и требуют строгого контроля фактического количества нанесенного на мембрану покрытия, а в дальнейшем могут быть причиной изменчивости процесса. В крайних случаях поры сепаратора могут быть заблокированы, что негативно отразится на полезности сепаратора для работы электрохимического элемента. Примером органосилана, пригодного для использования в настоящем изобретении, может быть 3-аминопропилтриэтоксисилан. Другие гидрофильные органосиланы должны быть известны специалистам в данной области и могут применяться без ограничений.
Еще в одном способе обеспечения смачиваемости мембран сепаратора электролитом на водной основе происходит включение подходящего поверхностно-активного вещества в состав электролита. Одним из обоснований выбора поверхностно-активного вещества для обеспечения смачиваемости мембран сепаратора может быть действие, которое оказывает поверхностно-активное вещество на активность одного или более электродов в электрохимическом элементе, например, путем увеличения полного электрического сопротивления гальванического элемента. В некоторых случаях поверхностно-активные вещества обладают полезными антикоррозионными свойствами, особенно это касается цинковых анодов, погруженных в электролит на водной основе. Цинк может служить примером металла, вступающего в медленную реакцию с водой с выделением газообразного водорода, которая может быть нежелательной. Специалистам в данной области может быть известно множество поверхностно-активных веществ, способных к ограничению скорости протекания подобных реакций до приемлемых уровней. В иных случаях поверхностно-активное вещество может настолько сильно взаимодействовать с поверхностью цинкового электрода, что функционирование аккумулятора может быть затруднено. Следовательно, особое внимание должно быть уделено выбору соответствующих типов поверхностно-активных веществ и уровня наполнения, которые обеспечивают смачиваемость сепаратора без негативного влияния на электрохимическую активность гальванического элемента. В некоторых случаях может быть использовано множество поверхностно-активных веществ, одно из которых может быть добавлено для обеспечения смачиваемости мембраны сепаратора, а другие могут быть введены для придания антикоррозионных свойств цинковому аноду. В одном примере мембрана сепаратора не подвергалась обработке для придания гидрофильности, а поверхностно-активное вещество или множество поверхностно-активных веществ были добавлены в состав электролита в количестве, достаточном для влияния на смачиваемость мембраны сепаратора.
Дискретные сепараторы могут быть объединены в слоистый микроаккумулятор путем непосредственного размещения в приспособлении для хранения, таком как разработанная полость, карман или структура в сборке. Может потребоваться, чтобы данные приспособления для хранения могли быть образованы слоистой структурой со срезом, который может быть геометрически смещен от формы сепаратора, что приводит к получению полости, кармана или структуры в сборке. Более того, приспособления для хранения могут иметь выступ или ступеньку, на которые опирается сепаратор во время сборки. Выступ или ступенька не обязательно могут содержать чувствительный к давлению клейкий слой, который удерживает дискретный сепаратор. Предпочтительно, чтобы чувствительный к давлению клейкий слой был представлен тем же веществом, которое используется при сборке конструкции и наложении других элементов примера слоистого микроаккумулятора.
Чувствительный к давлению клейкий слой
В некоторых примерах множество компонентов, входящих в состав слоистых микроаккумуляторов, составляющих суть настоящего изобретения, могут удерживаться вместе с помощью чувствительного к давлению клейкого слоя (ЧДКС), который также служит герметиком. Хотя может существовать большое число имеющихся в продаже составов чувствительного к давлению клейкого слоя, подобные составы почти всегда содержат компоненты, которые делают их неприменимыми для использования внутри биосовместимого слоистого микроаккумулятора. Примерами нежелательных компонентов чувствительного к давлению клейкого слоя могут служить низкомолекулярные выщелачиваемые компоненты, антиоксиданты, например бутилгидрокситолуол и/или параметоксифенол, пластификаторы, примеси, нестойкие к окислению соединения, содержащие, например, ненасыщенные химические связи, остаточные растворители и/или мономеры, фрагменты инициатора полимеризации, ионизированные усилители клейкости и т.п.
С другой стороны, подходящие ЧДКС могут обладать следующими свойствами. Они могут наноситься на слоистые компоненты для получения тонких слоев порядка 2-20 микрон. Кроме того, они могут содержать минимальное количество, например нулевое количество, нежелательных и небиосовместимых компонентов. В качестве дополнения они могут обладать способностью к адгезии и когезии, обеспечивающей связывание компонентов слоистого аккумулятора друг с другом. Кроме того, они могут затекать в микронные неровности, находящиеся в устройствах настоящей конструкции, в то же время обеспечивая надежную герметизацию электролита в аккумуляторе. В некоторых примерах подходящих ЧДКС подобные ЧДКС могут обладать малой проницаемостью для водных паров, что обеспечивает постоянство необходимого состава электролита на водной основе внутри аккумулятора, даже если аккумулятор может подвергаться воздействию экстремальной влажности в течение длительного времени. ЧДКС могут обладать хорошей химической стойкостью к компонентам электролитов, таким как кислоты, поверхностно-активные вещества и соли. Они могут быть нечувствительны к погружению в воду. Подходящие ЧДКС могут иметь низкую проницаемость для кислорода, тем самым обеспечивая снижение скорости прямого окисления, которое может привести к саморазряду цинковых анодов. Кроме того, они могут увеличивать предельную проницаемость для газообразного водорода, который может медленно выделяться на цинковых анодах, погруженных в электролит на водной основе. Эта особенность предельной проницаемости для газообразного водорода может способствовать снижению внутреннего давления.
С учетом этих требований полиизобутилен (PIB) может быть примером имеющегося в продаже материала, который может входить в состав ЧДКС и соответствовать многим, если не всем, необходимым требованиям. Более того, PIB может служить прекрасным изолирующим герметиком с крайне низкой способностью к поглощению воды и низкой проницаемостью для кислорода. Примером PIB, пригодным для примеров настоящего изобретения, может быть Oppanol® B15, поставляемый компанией BASF Corporation. Oppanol® B15, может быть растворен в углеводородных растворителях, таких как толуол, гептан, додекан, уайт-спирит и т. п. Один пример состава ЧДКС может включать 30% Oppanol® B15 (вес./вес.) в смеси растворителей, содержащей 70% (вес./вес.) толуола и 30% додекана. Адгезионные и реологические свойства ЧДКС на основе PIB в некоторых примерах могут быть определены путем смешивания PIB с различной молекулярной массой. Распространенный подход заключается в использовании большего количества низкомолекулярного PIB, например Oppanol® B10 для влияния на смачивание, липкость и клейкость, и меньшего количества высокомолекулярного PIB для влияния на тягучесть и сопротивление протеканию. Следовательно, могут быть предусмотрены смеси любого количества PIB с различной молекулярной массой, которые могут быть испытаны в рамках объема настоящего изобретения. Более того, в состав ЧДКС могут быть добавлены усилители клейкости в том количестве, которое соответствует упомянутым выше требованиям. Усилители клейкости имеют ионный характер и придают составам ЧДКС полярность, в связи с чем их следует применять с осторожностью во избежание отрицательного влияния на изолирующие свойства ЧДКС. Более того, в некоторых случаях усилители клейкости могут быть нестойкими к окислению и содержать антиоксидант, который может выщелачиваться из ЧДКС. По этим причинам примеры усилителей клейкости для применения в ЧДКС из биосовместимых слоистых микроаккумуляторов могут включать усилители клейкости из полностью или большей частью гидрогенизированных углеводородных смол, такие как серия усилителей клейкости Regalrez, поставляемых компанией Eastman Chemical Corporation.
Соображения касательно дополнительного корпуса и подложки в биосовместимых аккумуляторных модулях
Существует множество соображений касательно корпуса и подложки, которые могут предписывать необходимые характеристики для конструкций корпуса, используемого в биосовместимых слоистых микроаккумуляторах. Например, может потребоваться, чтобы корпус главным образом состоял из фольги и/или пленки, причем слои корпуса должны быть как можно тоньше, например иметь толщину от 10 до 50 микрон. Кроме того, корпус может служить достаточным диффузионным барьером, предотвращающим увеличение или снижение влажности в течение срока годности. Во многих предпочтительных примерах корпус служит достаточным диффузионным барьером для проникающего кислорода, тем самым ограничивая разрушение цинковых анодов в ходе прямого окисления.
В некоторых примерах корпус может обладать ограниченной проницаемостью для газообразного водорода, который может выделяться в связи с прямым восстановлением воды цинком. Кроме того, предпочтительно, чтобы корпус в достаточной мере удерживал и изолировал содержимое аккумулятора, вследствие чего его возможное влияние на пользователя может быть сведено к минимуму.
В настоящем изобретении конструкции корпуса могут включать следующие типы функциональных компонентов: верхний и нижний слои корпуса, ЧДКС, разделительные слои, области межкомпонентных соединений, каналы для наполнения и вторичный корпус.
В некоторых примерах верхний и нижний слои корпуса могут содержать металлическую фольгу или полимерные пленки. Верхний и нижний слои корпуса могут представлять собой многослойную пленочную конструкцию, состоящую из множества полимерных и/или изолирующих слоев. Подобные пленочные конструкции могут называться соэкструдированными изолирующими слоистыми пленками. Примером имеющейся в продаже соэкструдированной изолирующей слоистой пленки, которая особенно подходит для настоящего изобретения, может служить основа пленки 3M® Scotchpak 1109, которая состоит из несущей сетки из полиэтилентерафталата (PET), изолирующего слоя из алюминия, осажденного из газовой фазы, и слоя полиэтилена, общая толщина пленки составляет 33 микрона. В продаже имеется множество других похожих многослойных изолирующих пленок, которые могут быть использованы в альтернативных примерах настоящего изобретения.
В разработанных конструкциях, содержащих ЧДКС, шероховатость поверхности слоев корпуса может иметь особую важность, поскольку ЧДКС также должен герметизировать противоположные стороны слоев корпуса. Шероховатость поверхности может быть следствием процесса производства фольги и пленки, например процессов, включающих, помимо прочего, прокатку, экструзию, тиснение и/или производство пленки в виде листа или пласта. Если поверхность слишком шероховата, ЧДКС не может быть нанесен с одинаковой толщиной, причем требуемая толщина ЧДКС может быть того же порядка, что и шероховатость поверхности Ra (среднее арифметическое профиля шероховатости). Более того, ЧДКС не может обеспечить достаточную герметичность соединения противоположных сторон, если противоположные стороны имеют шероховатость того же порядка, что и толщина слоя ЧДКС. В настоящем изобретении приемлемые примеры материалов корпуса могут иметь шероховатость поверхности Ra менее 10 микрон. В некоторых примерах значение шероховатости поверхности может составлять 5 микрон или менее. Кроме того, в дополнительных примерах шероховатость поверхности может составлять 1 микрон или менее. Значения шероховатости поверхности могут быть измерены с помощью множества способов, включающих в том числе такие методики измерения, как интерферометрия белого света, профилометрия с помощью щупа и т. п. В данной области можно привести много примеров измерений поверхности, в которых шероховатость поверхности описывается множеством альтернативных параметров, и обсуждаемые в данном документе значения средней шероховатости поверхности Ra могут оцениваться как репрезентативные для типов характеристик, связанных с описанными выше производственными процессами.
Изображение примера обработки биосовместимых элементов питания - вложенный сепаратор
Примеры этапов, которые могут быть включены в обработку биосовместимых элементов питания, можно найти на ФИГ. 4A-4N. На отдельных фигурах приведен технологический процесс, осуществляемый на некоторых примерных этапах. На ФИГ. 4A представлен пример сочетания слоя катодной прокладки, изготовленного из PET 401, и слоя, заполняющего зазор, также изготовленного из PET 404. Слой катодной прокладки, изготовленный из PET 401, может быть получен путем нанесения пленок из PET 403, которые, например, могут иметь толщину около 76 микрон (3 миля). На другой стороне слоя, изготовленного из PET, можно обнаружить ЧДКС или ЧДКС, покрытые разделительным слоем, изготовленным из PVDF 402, который может иметь толщину около 25 микрон (1 миль). Заполняющий зазор между слоями PET разделитель 404 может быть получен из слоя PVDF 409, который может иметь толщину около 76 микрон (3 миля). Защитный слой из PET 405 может иметь толщину около 13 микрон (0,5 миля). В некоторых примерах между слоем из PVDF 409 и защитным слоем из PET 405 может находиться ЧДКС.
На ФИГ. 4В можно видеть, что отверстие 406 в разделителе между слоями PET 404 может быть получено в процессе лазерной резки. На следующей ФИГ. 4C разрезанный слой разделителя между слоями PET 404 может быть наслоен 408 на слой катодной прокладки из PET 401. На ФИГ. 4D можно видеть, что отверстие 410 в слое катодной прокладки может быть получено в процессе лазерной резки. Выравнивание на данном этапе резки может вписываться в предыдущие особенности резки разделителя слоев PET 404. На ФИГ. 4E слой из мембраны Celgard 412 для готового слоя сепаратора может быть прикреплен к носителю 411. На ФИГ. 4F можно видеть, что материал Celgard может быть разрезан до значений, которые находятся в промежутке между размерами двух предыдущих отверстий, прорезанных лазером, и приблизительным размером отверстия 406 в слое, заполняющем зазор, из PET с образованием предварительно разрезанного сепаратора 420. На ФИГ. 4G монтажный захватывающий инструмент 421 может быть использован для перемещения дискретных частей мембраны Celgard в необходимые положения на создаваемом устройстве. На ФИГ. 4H перемещенные части мембраны Celgard 422 зафиксированы на месте, после чего может быть удален разделительный слой из PVDF 423. На ФИГ. 4I структура создаваемого устройства может быть соединена с пленкой, покрывающей анод 425. Анод 425 может содержать анодный пленочный токоотвод, поверх которого гальваническим способом была нанесена цинковая анодная пленка.
Как видно на ФИГ. 4J, в образованный зазор может быть помещена катодная суспензия 430. В некоторых примерах ракель 431 может быть использован для распределения катодной смеси по рабочей части и заполнения зазоров в формируемых аккумуляторных устройствах. После заполнения оставшийся разделительный слой из PVDF 432 может быть удален, что приведет к получению структуры, изображенной на ФИГ. 4K. На ФИГ. 4L вся структура может подвергнуться процессу сушки, который должен привести к усушке катодной суспензии 440 до высоты верхнего слоя из PET. Если обратиться к ФИГ. 4M, можно видеть, что к создаваемой структуре может быть добавлен пленочный слой катода 450, на который уже был нанесен катодный пленочный токоотвод. На итоговом изображении на ФИГ. 4N в ходе процесса лазерной резки были удалены боковые участки 460 и получен аккумуляторный элемент 470. В пределах замысла настоящего изобретения может существовать множество исправлений, исключений и изменений, касающихся пригодных материалов и целевой толщины.
Результат примера обработки может быть изображен более подробно на ФИГ. 5. В примере могут быть установлены следующие контрольные параметры. Химические компоненты катода 510 могут находиться в контакте с катодом и катодным токоотводом 520. Чувствительный к давлению клейкий слой 530 может удерживать и герметизировать катодный токоотвод 520 вместе с разделительным слоем из PET 540. С другой стороны разделительного слоя из PET 540 может быть другой ЧДКС 550, который герметизирует и соединяет разделительный слой из PET 540 со слоем, заполняющим зазор, из PET 560. Другой ЧДКС 565 может герметизировать и соединять разделитель слоев из PET 560 с анодом и анодными слоями пленочного токоотвода. Слой цинкового покрытия 570 может быть нанесен на анодный токоотвод 580. Слой сепаратора 590 может быть расположен внутри структуры, выполняющей связанные с ним функции в соответствии с указанным в настоящем изобретении. В некоторых примерах во время обработки устройства может быть добавлен электролит, в других примерах сепаратор уже содержит электролит.
Изображение примера обработки биосовместимых элементов питания - осажденный сепаратор
Примеры этапов, которые могут быть включены в обработку биосовместимых элементов питания, можно найти на ФИГ. 6A-6F. На отдельных фигурах приведен технологический процесс, осуществляемый на некоторых примерных этапах. В пределах замысла настоящего изобретения может существовать множество исправлений, исключений и изменений, касающихся пригодных материалов и целевой толщины.
На ФИГ. 6A представлен пример слоистой конструкции 600. Слоистая структура может содержать два разделительных слоя слоистой конструкции (602 и 602а), два герметизирующих слоя слоистой конструкции (604 и 604a), расположенные между разделительными слоями слоистой конструкции (602 и 602a), и сердцевину слоистой конструкции 606, находящуюся между двумя герметизирующими слоями слоистой конструкции (604 и 604a). Разделительные слои слоистой конструкции 602 и 602а и герметизирующие слои слоистой конструкции 604 и 604a могут быть изготовлены или приобретены, как и имеющаяся в продаже, чувствительная к давлению клейкая переводная лента с первичным изолирующим слоем. Герметизирующие слои слоистой конструкции могут представлять собой слои из PVDF толщиной около 1-3 миллиметров и покрывать сердцевину слоистой конструкции 606. Сердцевина слоистой конструкции 606 может содержать термопластичную полимерную смолу, такую как полиэтилентерафталат, толщина которой составляет около 3 миллиметров. Как видно на ФИГ. 6B, приспособления для хранения катодной смеси, такие как полость для катодного кармана 608, могут быть вырезаны в слоистой конструкции в ходе лазерной резки.
На следующей ФИГ. 6C показано, что нижний разделительный слой слоистой конструкции 602a может быть удален из слоистой конструкции, тем самым открывая герметизирующий слой слоистой конструкции 604a. Затем герметизирующий слой слоистой конструкции 604a может быть использован для прикрепления анодной соединительной фольги 610 к покрытию нижнего отверстия катодного кармана 608. На ФИГ. 6D можно видеть, что анодная соединительная фольга 610 может быть защищена вместе с открытым нижним слоем путем прикрепления маскирующего слоя 612. Маскирующий слой 612 может быть имеющейся в продаже, чувствительной к давлению клейкой переводной лентой с первичным изолирующим слоем. На следующей ФИГ. 6E показано, что соединительная фольга 610 может быть гальванически покрыта схожим металлом 614, например цинком, который покрывает открытую часть анодной соединительной фольги 610 за пределами катодного кармана. На ФИГ. 6F можно увидеть, что маскирующий слой анодного токоотвода 612 удаляют с нижней части анодной соединительной фольги 610 после гальванического нанесения.
На ФИГ. 7A-7F представлены этапы альтернативного режима обработки, которые были приведены ранее на ФИГ. 6A-6F. На ФИГ. 7A-7B представлены аналогичные процессы, которые были приведены ранее на ФИГ. 6A-6B. Слоистая структура может содержать два разделительных слоя слоистой конструкции, 702 и 702a, по одному слою на каждом электроде, два герметизирующих слоя слоистой конструкции, 704 и 704a, расположенные между разделительными слоями слоистой конструкции 702 и 702a, и сердцевину слоистой конструкции 706, находящуюся между двумя герметизирующими слоями слоистой конструкции 704 и 704a. Разделительные слои слоистой конструкции и герметизирующие слои слоистой конструкции могут быть изготовлены или приобретены, как и имеющаяся в продаже, чувствительная к давлению клейкая переводная лента с первичным изолирующим слоем. Герметизирующие слои слоистой конструкции могут представлять собой слои из поливинилиденфторида (PVDF) толщиной около 1-3 миллиметров и покрывать сердцевину слоистой конструкции 706. Сердцевина слоистой конструкции 706 может содержать термопластичную полимерную смолу, такую как полиэтилентерафталат, толщина которой составляет около 3 миллиметров. См. ФИГ. 7B, приспособления для хранения, такие как полость для катодного кармана 708, могут быть вырезаны в слоистой конструкции в ходе лазерной резки. На ФИГ. 7C показано, что может быть приобретена анодная соединительная фольга 710, на одну из ее сторон нанесен защитный маскирующий слой 712. На следующей ФИГ. 7D показано, что на анодную соединительную фольгу 710 может быть гальванически нанесен слой сходного металла 714, например цинка. Как показано на ФИГ. 7E, слоистые конструкции, представленные на ФИГ. 7B и 7D, могут комбинироваться с образованием новой слоистой конструкции, представленной на ФИГ. 7E, путем прикрепления конструкции, представленной на ФИГ. 7B, к слою 714, который был нанесен гальванически и представлен на ФИГ. 7D. Разделительный слой 702a, представленный на ФИГ. 7В, может быть удален для открывания герметизирующего слоя 704a, представленного на ФИГ. 7B, с целью прикрепления к слою 714, который был нанесен гальванически и представлен на ФИГ. 7D. Как показано на ФИГ. 7F, анодный защитный маскирующий слой 712 может быть удален с нижней поверхности анодной соединительной фольги 710.
На ФИГ. 8A-8H изображено воплощение элементов питания с биосовместимой слоистой структурой, которую в данном документе иногда называют слоистой структурой в сборке, которая аналогична структурам, которые изображены, например, на ФИГ. 6A-6F и 7A-7F. Как показано на ФИГ. 8A, смесь-предшественник гидрогелевого сепаратора 820 может быть помещена на поверхность слоистой структуры в сборке. В некоторых примерах изображено, что смесь-предшественник гидрогеля 820 может быть нанесена на разделительный слой 802. На следующей ФИГ. 8B показано, что смесь-предшественник гидрогелевого сепаратора 820 может быть внесена ракелем 850 в катодный карман, в то же время ее удаляют с разделительного слоя 802. Термин «обработка ракелем» обычно обозначает использование выравнивающего или скребкового инструмента, предназначенного для полировки поверхности, нанесения жидкого материала на поверхность и внесения жидкого материала в полости, если они имеются. Процесс обработки ракелем может проводиться с помощью оборудования, схожего со скребковым устройством или в качестве альтернативы выравнивающим устройством, таким как лезвие ножа, лезвие бритвы и т. п., которое может быть изготовлено из множества материалов и химически совместимо с материалами, с которыми оно должно взаимодействовать.
Обработка, изображенная на ФИГ. 8B, может проводиться несколько раз для обеспечения покрытия катодного кармана и увеличения толщины полученных изделий. На следующей ФИГ. 8C показано, что смеси-предшественнику гидрогелевого сепаратора дают высохнуть для испарения материалов, которые обычно являются растворителями или разбавителями различных видов, из смеси-предшественника гидрогелевого сепаратора, а затем распределенные и нанесенные материалы должны быть отверждены. В некоторых примерах существует возможность комбинированного повторения процессов, изображенных на ФИГ. 8В и 8C. В некоторых примерах смесь-предшественник гидрогелевого сепаратора может быть отверждена при воздействии тепла, в то время как в других примерах отверждение происходит при воздействии фотонной энергии. В дополнительных примерах отверждение может включать воздействие и фотонной энергии, и тепла. Существует множество способов отверждения смеси-предшественника гидрогелевого сепаратора.
Результат отверждения заключается в превращении смеси-предшественника гидрогелевого сепаратора в стенку полости или участок поверхности в непосредственной близости от анодного или катодного устройства, которое в настоящем изобретении может быть представлено анодным устройством. Прикрепление материала к боковым стенкам полости может быть полезно с точки зрения разделительной функции сепаратора. Результат отверждения может заключаться в образовании безводного концентрата полимеризованной смеси-предшественника 822, который может рассматриваться как сепаратор гальванического элемента. На ФИГ. 8D можно видеть, что катодная суспензия 830 может быть нанесена на поверхность разделительного слоя слоистой конструкции 802. На следующей ФИГ. 8E показано, что катодная суспензия 830 может быть внесена ракелем в катодный карман и нанесена на безводный концентрат полимеризованной смеси-предшественника 822. Катодная суспензия может быть перемещена в необходимый участок полости при одновременном удалении с большей части разделительного слоя слоистой конструкции 802. Процесс, представленный на ФИГ. 8E, может быть повторен несколько раз для обеспечения нанесения катодной суспензии 830 поверх безводного концентрата полимеризованной смеси-предшественника 822. На следующей ФИГ. 8F показано, что катодная суспензия может высыхать с образованием изолированного наполнителя катода 832, расположенного поверх безводного концентрата полимеризованной смеси-предшественника 822, который заполняет оставшееся пространство в катодном кармане.
Как показано на ФИГ. 8G, состав электролита 840 может быть добавлен в изолированный наполнитель катода 832 для обеспечения гидратации изолированного наполнителя катода 832 и безводного концентрата полимеризованной смеси-предшественника 822. На следующей ФИГ. 8Н показано, что катодная соединительная фольга 816 может быть прикреплена к оставшейся части герметизирующего слоя слоистой конструкции 804 путем удаления оставшейся части разделительного слоя слоистой конструкции 802 и опрессовки соединительной фольги 816 на месте. Итоговое расположение может быть образовано при покрытии гидратированного наполнителя катода 842, а также обеспечении электрического контакта с наполнителем катода 842 в качестве катодного токоотвода и средства подключения.
На ФИГ. 9A-9C изображен альтернативный пример полученной слоистой структуры в сборке, представленной на ФИГ. 7D. На ФИГ. 9А показано, что может быть приобретена анодная соединительная фольга 710, на одну из ее сторон нанесен защитный маскирующий слой 712. На анодную соединительную фольгу 710 может быть нанесен гальванически слой сходного металла 714, например цинка. Это происходит таким же образом, как было показано на предыдущих фигурах. На ФИГ. 9B можно видеть, что гидрогелевый сепаратор 910 может быть нанесен без использования способа обработки ракелем, представленного на ФИГ. 8E. Смесь-предшественник гидрогелевого сепаратора может быть нанесена различными способами, например заранее сформированная пленка из смеси может быть прикреплена за счет физической адгезии, в качестве альтернативы разведенная смесь-предшественник гидрогелевого сепаратора может быть распределена, а затем скорректирована по толщине с помощью центрифугирования. В качестве альтернативы материал может быть нанесен распылением или в ходе любого другого аналогичного процесса. На следующей ФИГ. 9C показано создание в ходе обработки сегмента гидрогелевого сепаратора, который должен выполнять функцию ограничения участка сепаратора. В ходе обработки создается участок, который ограничивает течение или диффузию материалов, таких как электролит, за пределы внутренней структуры сформированного аккумуляторного элемента. Таким образом, формируется блокирующее приспособление 920 различных типов. В некоторых примерах блокирующее приспособление может соответствовать участку слоя сепаратора с большим количеством поперечно сшитых полимеров, который в некоторых примерах может быть получен путем дополнительного воздействия фотонной энергии на необходимый участок блокирующего приспособления 920. В другом примере материалы могут быть добавлены в материал гидрогелевого сепаратора перед его отверждением для создания частей, отличающихся по пространственному расположению, которые при отверждении превращаются в блокирующее приспособление 920. В дополнительных примерах участки гидрогелевого материала сепаратора могут быть удалены или перед отверждением, или после него с помощью различных методик, таких как, например, химическое травление слоя с маскированием для обозначения размера участка. Удаляемый участок материала может сам по себе образовывать блокирующее приспособление или в качестве альтернативы может быть фактически возвращен в полость для создания блокирующего приспособления. Обработка непроницаемого сегмента может проводиться несколькими способами, включая обработку выходного изображения, повышение содержания поперечно сшитого полимера, жесткое фотооблучение, обратную засыпку или отсутствие прикрепления гидрогеля для создания полости. В некоторых примерах тип слоистой конструкции или сборки, описанный как результат обработки, приведенной на ФИГ. 9C, может быть сформирован без блокирующего приспособления 920.
Полимеризуемые сепараторы аккумуляторного элемента
В некоторых конструкциях аккумулятора использование дискретного сепаратора (описанного в предыдущем разделе) может быть исключено по многим причинам, неограничивающими примерами которых являются стоимость, доступность материалов, качество материалов и сложность обработки некоторых материалов. В подобных случаях определенными преимуществами будет обладать, например, литой или формируемый на месте сепаратор, который изображен в рамках выполнения процессов, представленных на ФИГ. 8A-8H. Хотя в коммерческих масштабах гелеобразные или пастообразные сепараторы успешно применяются в аккумуляторах типа AA, аккумуляторах Лекланше других форматов или угольно-цинковых элементах, подобные сепараторы могут быть по некоторым причинам непригодными для использования в некоторых примерах слоистых микроаккумуляторов. Особое внимание следует уделить единообразию и постоянству геометрической формы любого сепаратора, используемого в аккумуляторах, составляющих суть настоящего изобретения. Точный контроль объема сепаратора может потребоваться для облегчения последующего точного введения известного объема материала катода, что обеспечит постоянство разрядной емкости и функционирования гальванического элемента.
Способ получения однородного и надежного с точки зрения механики деформируемого сепаратора может подразумевать использование гидрогелевых композиций, отверждаемых УФ-излучением. В различных отраслях промышленности, например отрасли производства контактных линз, может быть известно множество водопроницаемых составов гидрогеля. Примером обычного гидрогеля, используемого в отрасли производства контактных линз, может служить поперечно сшитый гель полигидроксиэтилметакрилата (pHEMA). Во многих областях применения настоящего изобретения pHEMA может обладать множеством привлекательных свойств для использования в аккумуляторах Лекланше и угольно-цинковых элементах. Содержание воды в pHEMA обычно поддерживается на уровне приблизительно 30-40% в гидратированном состоянии при модуле упругости около 0,7 МПа (100 фунтов/кв. дюйм) или более. Более того, модуль упругости и содержание воды в поперечно сшитых гидрогелях могут корректироваться специалистом в данной области путем введения дополнительных гидрофильных мономерных (например, метакриловая кислота) или полимерных (например, поливинилпирролидон) компонентов. Таким образом, содержание воды или, говоря более конкретно, ионная проницаемость гидрогеля может регулироваться путем изменения состава.
В некоторых составах особенно предпочтительно, чтобы пригодный к литью полимеризуемый состав гидрогеля мог содержать один или более разбавителей для облегчения обработки. Выбранный разбавитель может быть летучим, поскольку пригодная к литью смесь может быть внесена ракелем в полость, а затем высушена в течение времени, достаточного для удаления летучего компонента растворителя. После сушки может быть начата фотополимеризация объемного материала, осуществляемая при воздействии актинического излучения с длиной волны, соответствующей выбранному фотоинициатору, такому как CGI 819, например синего УФ-света с длиной волны 420 мм. Летучий разбавитель может обеспечить получение рабочей вязкости, необходимой для облегчения отливки в полости однородного слоя полимеризуемого материала. Летучий разбавитель также может оказывать положительное воздействие на снижение поверхностного натяжения, особенно в случае, если в состав включены сильно полярные мономеры. Другой аспект заключается в том, что важное значение может иметь обеспечение вязкости отлитого однородного слоя полимеризуемого материала. Распространенные низкомолекулярные реактивные мономеры обычно не обладают очень высокой вязкостью, и, как правило, их вязкость достигает лишь нескольких сантипуаз. В попытках обеспечить благоприятную вязкость пригодного к литью полимеризуемого материала сепаратора для включения в состав может быть выбран высокомолекулярный полимерный компонент, совместимый с полимеризуемым материалом. Примеры высокомолекулярных полимеров, которые пригодны для включения в примеры составов, могут включать поливинилпирролидон и полиэтиленоксид.
В некоторых примерах пригодный к литью полимеризуемый материал сепаратора преимущественно вносится в предусмотренную полость описанным ранее образом. В альтернативных примерах на момент полимеризации полость может отсутствовать. Вместо этого пригодный к литью полимеризуемый состав сепаратора может быть нанесен на подложку, содержащую электрод, например латунь со структурированным цинковым гальваническим покрытием, а затем подвергнут облучению актиническим излучением с использованием фотошаблона для избирательной полимеризации материала сепаратора в определенных областях. Непрореагировавший материал сепаратора затем может быть удален при промывании соответствующими растворителями. В подобных примерах материал сепаратора может быть обозначен как сепаратор, сформированный методом фотолитографии.
Пример первичного аккумулятора
В некоторых примерах обработки биосовместимых элементов питания с осажденными сепараторами может формироваться первичный аккумулятор. Обычный первичный аккумулятор может характеризоваться одноразовым использованием. В примере, соответствующем послойной обработке, может формироваться аккумулятор со следующими характеристиками и элементами.
Существует множество составов с химическими компонентами катода, которые могут соответствовать данному раскрытию сути изобретения. В качестве примера, не имеющего ограничивающего характера, состав может содержать смесь электролитического диоксида марганца в графите. В примере порошкообразная смесь может быть получена путем помола в струйной мельнице электролитического диоксида марганца (JMEMD) и графита KS6, поставляемого компанией Timcal (первичный синтетический графит TIMCAL TIMREX® KS6), в отношении 80% JMEMD к 20% KS6 по массе. Смешивание может проводиться с помощью различных приспособлений, например JMEMD и KS6 могут смешиваться в течение длительного периода времени после измельчения до двух порошков в помольной установке. В некоторых примерах полученная порошкообразная смесь может быть смешана с 10%-м раствором полиизобутилена (PIB) в толуоле. 10%-й раствор PIB может быть получен из полиизобутилена высокой чистоты (B50), смешанного с толуолом в пропорции приблизительно 10 частей PIB B50 к 90 частям толуола по массе. 10%-й раствор PIB может быть смешан с дополнительным количеством толуола и порошком JMEMD/K6 для получения суспензии для обработки катода. Данная смесь может содержать эти материалы в отношении приблизительно 1,5 части раствора PIB B50/толуол к 2,3 части толуола к 4,9 части порошка JMEMD/KS6. Смешивание может продолжаться до тех пор, пока не будет получена однородная суспензия пастообразной консистенции. Количество растворителя (толуола в данном примере) в системе может изменяться для влияния на характеристики полученной суспензии, в других примерах относительное содержание PIB B50 в суспензии может быть различным.
Продолжая рассмотрение примера первичного аккумулятора, следует заметить, что гидрогелевый сепаратор может быть изготовлен из смеси-предшественника способами, которые обсуждались в данном раскрытии сути изобретения. Пример смеси-предшественника может быть получен смешиванием гидроксиэтилметилметакрилата (HEMA) с этиленгликольдиметакрилатом (EGDMA) и поливинилпирролидоном (PVP). В смесь могут быть добавлены другие компоненты, такие как фотоинициаторы. Примером фотоинициатора может служить фенилбис-2,4,6-триметилбензоилфосфиноксид, доступный в таких коммерческих составах, как Irgacure® 819, который в данном документе также называют CGI 819. Также существует множество растворителей, которые могут использоваться в различных количествах для получения смеси с необходимыми реологическими свойствами. В примере, не имеющем ограничивающего характера, в качестве подходящего растворителя может использоваться 2-пропанол.
Во многих общих обсуждениях элементов биосовместимых устройств питания, таких как катод и катодная суспензия, приводились примеры, касающиеся первичных аккумуляторных элементов и их производных, причем можно предположить, что примеры подобных различных элементов содержат другие примеры первичных аккумуляторных элементов, пригодные для настоящей спецификации.
В некоторых примерах цинковый анод может быть изготовлен путем нанесения гальванического покрытия цинка на контактный материал. Как обсуждалось ранее, в других примерах нанесение гальванического покрытия может происходить только на открытых участках контактного материала слоистой структуры. Существует множество способов нанесения анодных материалов, в других аккумуляторных системах могут использоваться другие химические реагенты, отличные от цинка, неограничивающим примером которых может служить серебро.
Аккумулятор может содержать различные виды составов электролита. В состав электролита может входить щелочной раствор на основе гидроксида. Тем не менее в некоторых примерах биосовместимых аккумуляторов могут использоваться менее щелочные составы электролита. Электролиты, пригодные для использования в настоящем изобретении, могут содержать хлорид цинка, ацетат цинка, ацетат аммония и хлорид аммония с массовой концентрацией приблизительно от 0,1 до 25%. В качестве примера, не имеющего ограничивающего характера, 5% вес. раствора хлорида цинка и хлорида аммония может быть растворено в воде. Кроме того, в состав электролита могут быть добавлены поверхностно-активные вещества. Примеры поверхностно-активных веществ могут включать Triton™ X-100, Triton™ QS44 и Dowfax™ 3B2 в концентрациях от 0,01 до 2%. В качестве примера в раствор хлорида цинка и хлорида аммония может быть добавлен Triton™ X-100.
Примеры вторичных аккумуляторов
Структура и процесс производства, описанные в настоящем раскрытии сути изобретения, могут быть в целом полезны для производства вторичных аккумуляторов. Существует множество соображений, касающихся вторичных аккумуляторных элементов, которые отличаются от соображений, касающихся первичных элементов. Процесс перезарядки аккумуляторного элемента может привести к набуханию и усушке аккумуляторных компонентов, поэтому в некоторых вариантах осуществления размеры деталей и защитных слоев, как и состав аккумулятора, могут быть скорректированы. Использование гелеобразных полимерных слоев для электролитов допускает некоторое набухание и усыхание слоя, поскольку ионы электродов перемещаются по устройству в течение циклов заряда и, как следствие, разряда.
Во вторичных аккумуляторах анодные и катодные слои могут менять свое назначение в зависимости от того, заряжается устройство или разряжается, в связи с чем их можно рассматривать как первый и второй электроды. Таким образом, при указании анода и катода полезно учитывать, заряжен ли аккумуляторный элемент, поскольку в заряжающемся состоянии он может считаться электролитической ячейкой, а в разряжающемся состоянии он может считаться гальваническим элементом. Таким образом, под катодом в гальваническом элементе понимают первую электродную структуру, функция которой заключается в самопроизвольном получении электронов из внешней цепи. По аналогии с физической точки зрения катодом в электролизном элементе является второй электрод вторичного аккумуляторного элемента, который получает электроны из внешнего зарядного элемента.
Хотя в некоторых примерах аккумуляторы на основе цинка и диоксида марганца могут выполнять функцию вторичного аккумулятора, существуют намного более распространенные примеры вторичных аккумуляторов. В распространенном классе вторичных аккумуляторов ионы лития химически обеспечивают хранение энергии. Существует множество способов изготовления электродов в литий-ионных аккумуляторах. В типе устройств, соответствующих настоящему изобретению, существует множество соединений с интеркалированными атомами лития, которые могут находиться в аноде гальванического элемента. Например, катодная суспензия может содержать, помимо прочего, оксид лития-никеля-марганца-кобальта, оксид лития-марганца и фосфат железа-лития.
Второй электрод может быть анодом гальванического элемента и в некоторых примерах может изготавливаться из графита или других форм углерода или покрываться ими. В других примерах могут использоваться различные формы осажденного кремния. По аналогии с нанесением гальванического покрытия из цинка, обсуждавшегося в связи с первичными аккумуляторами, кремний может быть нанесен в виде гальванического покрытия на участки или плоский слой подложки. Гальваническое покрытие из кремния может быть нанесено на слой токоотвода, поверхность которого в некоторых примерах может быть покрыта платиной, титаном или тонким слоем кремния. Нанесение гальванического покрытия на материал электрода может происходить в безводной среде, содержащей SiCl4, SiHCL3, SiBr4, Si(Ch2Ch3)4 или Si(OOCCH3)4 в качестве примеров, не имеющих ограничивающего характера. В других примерах слои из графита или кремния могут быть нанесены распылителем на поверхность токоотвода с образованием второго электродного участка тем же образом, что и на ФИГ. 7D.
Электроды могут быть изготовлены на металлических листах способами, которые были обсуждены ранее в связи с обработкой слоистого материала. Подобные электроды и металлические листы могут образовывать основной слой, который находится под наложенными друг на друга слоями, которые образуют полость. Кроме того, токоотвод, соединенный с другим электродом, может использоваться для защиты слоистой структуры после формирования катода и заполнения гальванического элемента электролитом.
Для получения растворов электролита соли лития обычно растворяют в безводных системах растворителей. Таким образом, подобные безводные системы растворителей могут взаимодействовать со множеством герметизирующих слоев различными способами, и, поскольку может быть важна целостность герметичных оболочек аккумуляторных устройств, выбор герметизирующих систем должен быть изменен в зависимости от используемого безводного растворителя. Для литий-полимерных аккумуляторов, содержащих полимерные электролиты, известны гелеобразные формы полимерных электролитов. Способы образования сепараторов начинаются с заполнения полости жидкостью-предшественником, которое может быть выполнено в данном типе вторичных аккумуляторов, причем полимеризуемый сепаратор может быть сформирован из полимеров, таких как PVDF или полиакрилонитрил. В некоторых примерах возможно использование предшественников гидрогелей, причем полимер образует гель с обычными солями, находящимися в литиевых гальванических элементах. Например, в примере, не имеющем ограничивающего характера, предшественник сепаратора может быть смешан с гексафторфосфатом лития в безводных растворителях, неограничивающими примерами которых могут служить этиленкарбонат, диметилкарбонат и диэтилкарбонат. Полученный гелеобразный слой может быть образован при избытке растворителя, за счет устранения которого возможно дальнейшее уменьшение объема геля, что было описано в связи с обработкой предшественника гидрогеля.
В конкретном примере, не имеющем ограничивающего характера, может быть сформирована слоистая структура на основе полости, что было описано ранее при обсуждении обработки слоистого материала, причем нижний слой может быть токоотводом, на который был нанесен слой графита или кремния. Слоистые слои, прикрепляющиеся к токоотводу, могут иметь полости, которые были сформированы в них описанным выше образом. В примере, не имеющем ограничивающего характера, раствор для литья может быть получен путем смешивания приблизительно двух частей поливинилиденфторида (PVDF) с одной частью полидиметилсилоксана (PDMS) в смеси растворителей, содержащей N-N-диметилацетамид (DMAc) и глицерин. Соотношение между DMAc и глицерином может изменяться и влиять на характеристики, например пористость полученного слоя сепаратора. Избыток смеси растворителей может применяться для последующего уменьшения высоты полученного слоя внутри полости с образованием тонкого слоя сепаратора. В некоторых примерах, особенно при высоких концентрациях растворителя, герметизирующая система для слоистой структуры может быть изменена для оптимизации консистенции системы DMAc-глицериновых растворителей. После обработки ракелем раствора для литья, находящегося в образованных полостях, полученная структура может сушиться при комнатной температуре или повышенной температуре в течение некоторого времени. Другие способы распределения раствора для литья могут соответствовать процессам, описанным в данном документе. Затем структура может быть погружена в емкость с водой комнатной температуры на 20-40 часов для вымывания глицерина из слоя сепаратора и получения слоя с требуемой пористостью. После этого полученная структура может сушиться под вакуумом в течение 20-40 часов.
В некоторых примерах полученный слой сепаратора может обрабатываться раствором электролита. В примере, не имеющем ограничивающего характера, может быть получен 1М раствора гексафторфосфата лития в смеси с приблизительной пропорцией 1/1/1 этиленкарбоната (EC), диметилкарбоната (DMC) и этилметилкарбоната (EMC), а затем помещен в полость. В некоторых других примерах взаимодействие с электролитом может происходить после создания в полости катода.
В примере другого типа слоистая структура может быть создана способом, описанным со ссылкой на ФИГ. 4A-4N. Сепаратор, такой как пленка Celgard, может быть урезан до размеров приспособления для слоя, заполняющего зазор, а затем помещен в слоистую структуру напротив входного отверстия полости. Установленный сепаратор также может быть обработан электролитом перед дополнительной обработкой «катодной суспензией».
Теперь полученная структура готова к обработке катодной суспензией. Может использоваться множество катодных суспензий, содержащих различные типы соединений лития, хотя возможно применение других химических реагентов вместо лития. В примере, не имеющем ограничительного характера, может использоваться суспензия на основе фосфата железа-лития (LiFePO4). В некоторых примерах суспензия с фосфатом железа-лития может быть получена путем первого смешивания натриевой формы карбоксиметилцеллюлозы с деионизированной водой. В полученную смесь может быть добавлен порошок, содержащий фосфат железа-лития и проводящие агенты, такие как синтетический графит и уголь, а затем смесь тщательно перемешивают. После этого суспензия может быть дополнительно усовершенствована путем добавления бутадиенстирольного каучука и тщательного перемешивания. Затем суспензия может быть обработана внутри полости структуры с помощью способов, описанных в настоящем раскрытии сути изобретения, таких как обработка ракелем. Реология суспензии может быть скорректирована для оптимизации непрерывности процесса наполнения ракелем, например, посредством добавления или удаления растворителя или регулировкой относительного содержания добавленного бутадиенстирольного каучука. После этого полученная наполненная структура может сушиться под вакуумом в течение 20-40 часов.
В некоторых примерах полученные слои катода и сепаратора могут обрабатываться раствором электролита. В примере, не имеющем ограничивающего характера, может быть получен 1М раствора гексафторфосфата лития в смеси с приблизительной пропорцией 1/1/1 этиленкарбоната (EC), диметилкарбоната (DMC) и этилметилкарбоната (EMC), а затем помещен в полость. В некоторых примерах электролит может быть добавлен на катод для пропитки под давлением или вакуумной обработки, которые необходимы для усиления диффузии смеси электролита в слои.
Слой со вторым токоотводом может быть прикреплен к слоистой структуре после удаления из слоистой структуры разделительного слоя. Прикрепленный токоотвод может контактировать с нанесенной суспензией и обеспечивать электрическое соединение между металлическим токоотводом и катодом, пропитанным электролитом, что приводит к получению аккумуляторной структуры.
Аспекты соединений между несколькими аккумуляторами
Слоистая структура, основанная на полостях, служит основой естественного аккумуляторного устройства, которое содержит множество отдельных аккумуляторных элементов. Аккумуляторные устройства, содержащие отдельные элементы, обладают множеством преимуществ и описаны в заявке на патент США, сер. № 13/358916, поданной 26 января 2012 года под названием «Составные элементы питания в устройстве с наложенными друг на друга интегрированными компонентами», содержание которой включено в данный документ посредством ссылки. На ФИГ. 10A изображены примеры электрических межкомпонентных соединений для элементов из нескольких аккумуляторов. В качестве аккумуляторных элементов 1010-1020 может быть изображено одиннадцать отдельных аккумуляторных полостей. Каждый аккумуляторный элемент может иметь соответствующую дорожку, которая отходит от аккумулятора к элементу соединения межсоединений 1025. Например, аккумуляторный элемент 1010 может иметь межкомпонентное соединение 1001, а независимый аккумуляторный элемент 1011 может иметь независимое межкомпонентное соединение 1002. Дорожки могут быть проложены независимо друг от друга и изолированы вплоть до элемента соединения межсоединений 1025. В некоторых примерах все одиннадцать аккумуляторов могут образовывать соединения с общим проводом заземления, расположенным позади элемента из нескольких аккумуляторов. В других примерах каждый из отдельных аккумуляторных элементов может иметь независимый второй контакт, аналогичный первому контакту, представленному на ФИГ. 10A.
На ФИГ. 10B изображен альтернативный пример с одиннадцатью аналогичными аккумуляторными элементами. В качестве примера первый аккумуляторный элемент 1010 может быть снова изображен на ФИГ. 10B пунктирными линиями для указания возможности использования другой схемы соединений. На ФИГ. 10B линии соединения могут быть пространственно расположены выше или ниже аккумуляторных элементов, причем коммутирующее соединение 1026 может увеличивать высоту устройства, а не ширину, как в случае, представленном на ФИГ. 10A.
Коммутирующие соединительные устройства 1025 или 1026 могут содержать различные устройства. В некоторых упрощенных примерах устройство коммутирующего соединения может обеспечивать только обеспечение обычных соединений из числа межкомпонентных соединений, которые могут быть полезны, помимо прочего, для определения напряжений множества аккумуляторов. В следующем наборе примеров элемент соединения межсоединений элемент может содержать межкомпонентные соединения и диодные структуры. Диоды могут быть стандартными диодами с переходом p-n или в более предпочтительных примерах диодами с низким прямым падением напряжения, такими как диоды Шоттки. Диоды могут обладать пассивными средствами изоляции дефектного или маломощного элемента от других устройств. Например, каждый аккумулятор может иметь различные значения напряжения холостого хода и нагрузки, полного сопротивления и емкости разряда. Подобные различия могут возникать из-за незначительных отличий при обработке, сборке, хранении и износе, а также из-за значительных дефектов внутри гальванического элемента. Например, каждый положительный/катодный выход аккумулятора может соединяться с общим узлом, аналогичная схема соединений может быть применена к анодам. В подобном примере все аккумуляторы напрямую соединены параллельно с образованием «сильных» аккумуляторов, которые могут иметь большее напряжение, меньшее внутреннее сопротивление и разряжаться через «слабые» аккумуляторы, которые могут иметь меньшее напряжение и внутренние короткие замыкания. В подобном примере параллельного подключения производительность всех аккумуляторов может быть приведена к наименьшему общему знаменателю. В крайнем случае в примере все аккумуляторы могут разряжаться через один гальванический элемент с внутренним коротким замыканием. В качестве альтернативы примеры, в которых катодный (положительный) вывод каждого аккумулятора соединен с общим узлом через диод, могут ограничивать снижение производительности. В подобных примерах при наличии слабого гальванического элемента диод может ограничить обратный ток таким образом, чтобы один гальванический элемент не мог нарушить общий порядок. В некоторых, более сложных примерах могут быть добавлены интегральные схемы, которые обеспечивают более тонкое управление дефектными элементами и предоставляют программируемые средства для создания управляемых выходных напряжений различных видов, которые могут превышать максимальное выходное напряжение в любой простой суммируемой комбинации элементов.
На ФИГ. 10C и 10D можно видеть, что примеры, изображенные в поперечном сечении, соответствуют примерам, представленным на ФИГ. 10A и 10В. На ФИГ. 10C поперечное сечение соответствует некоторым примерам, которые можно обнаружить на ФИГ. 10A. Катод аккумулятора 842, расположенный в полости слоистой структуры, может иметь катодный контакт 1031 и анодный контакт 816. Отдельные аккумуляторные элементы могут иметь разделенные катодные контакты 1031, в которых металл может быть удален из структуры между аккумуляторными элементами с образованием изоляционных приспособлений 1030. Вид катодного контакта сверху указывает на то, что катодный контакт аккумулятора 1031 может быть разрезан таким образом, чтобы иметь приспособления для проведения межкомпонентных соединений к каждому отдельному катодному контакту. На ФИГ. 10D можно видеть, что возможна более сложная структура межкомпонентных соединений, причем изоляционный слой 1040 может иметь контактные окна, вырезанные в его структуре для получения контактного окна 1050. В некоторых примерах катодные контакты 1031, изоляционные приспособления 1030 и изоляционный слой 1040 могут содержать слоистый материал, который может быть добавлен в аккумуляторное устройство с помощью способов, которые были описаны в предыдущих разделах. В некоторых примерах для создания контактного окна 1050 в структуру контактного окна может быть добавлена проводящая паста или клеящее вещество. После этого могут быть созданы линии межкомпонентного соединения 1060, предназначенные для электрического соединения аккумуляторных элементов с приспособлениями, такими как элемент соединения межсоединений. В некоторых примерах может предусматриваться множество элементов соединения межсоединений для объединения аккумуляторных элементов.
Аспекты напряжения питания элементов питания с несколькими аккумуляторами
В некоторых примерах устройств с множественными элементами питания различные варианты осуществления могут предусматривать различные схемы параллельного и последовательного соединения. При последовательном соединении двух элементов питания выходные напряжения элементов питания суммируются и дают более высокое выходное напряжение. Если два блока питания соединены параллельно, напряжение останется тем же, однако допустимая сила тока суммируется, в идеале приводя к удвоению емкости одного гальванического элемента при одновременном снижении внутреннего сопротивления наполовину. Должно быть понятно, что в некоторых вариантах осуществления взаимное соединение элементов питания может быть обеспечено на аппаратном уровне в конфигурации элемента. Однако в других вариантах осуществления элементы можно комбинировать с использованием переключающих элементов для получения различных состояний источника питания, которые можно задавать динамически.
На ФИГ. 11 можно видеть, что здесь представлен пример того, как переключатели (включая примеры переключателей 1120-1122, 1130, 1140-1145, 1150, 1160-1165, 1170 и 1180-1185) могут использоваться для получения до 4 различных напряжений питания с помощью сочетаний переключений четырех различных элементов питания. Должно быть понятно, что показанное количество элементов использовано исключительно в целях иллюстрации и что возможно множество различных аналогичных комбинаций в соответствии с сущностью настоящего изобретения. Кроме того, элементы 1101, 1102, 1103 и 1104 могут образовывать соединения с общим проводом четырех различных элементов питания, или в некоторых вариантах осуществления они могут представлять соединения с общим проводом четырех различных блоков элементов питания, как показано в описании с отсылкой к ФИГ. 8. Например, элементы 1105, 1106, 1107 и 1109 могут образовывать соединения электрода со смещением для каждого из четырех показанных элементов питания, где соединение электрода со смещением может иметь номинальный уровень напряжения, который может быть на 1,5 вольта выше уровня соединения с общим проводом четырех индивидуальных элементов 1101, 1102, 1103 и 1104.
Как показано на ФИГ. 11, может присутствовать микроконтроллер, элемент 1116, включенный в состав устройства питания, среди множества управляющих функций которого может быть управление количеством источников питания, которые должны образовывать множество подключенных элементов электропитания. В некоторых вариантах осуществления микроконтроллер может быть подключен к контроллеру переключения (элемент 1115), который может преобразовывать изменения уровня управляющего сигнала микроконтроллера в изменения состояний отдельных переключателей. Для упрощения изложения выход элемента 1115 показан как один элемент 1110. В данной совокупности вариантов осуществления подобный сигнал соответствует отдельным линиям управления, которые идут ко множеству переключателей, показанных как элементы 1120-1185. В целях настоящего изобретения можно использовать множество типов переключателей, однако в смысле, не имеющем ограничительного характера, пример таких переключателей может представлять собой переключатели на основе МОП-транзисторов. Должно быть понятно, что в целях настоящего изобретения можно использовать любые из множества типов механических и электрических переключателей, которыми можно управлять с помощью электрических сигналов.
В соответствии с вариантом осуществления схемы, представленной на ФИГ. 11, управление переключателями может применяться для получения множества различных значений напряжения. В качестве первого примера переключатели можно установить таким образом, что будут одновременно получены два состояния с различным напряжением: напряжение 1,5 вольта, показанное элементом 1113, и напряжение 3 вольта, показанное элементом 1112. Существует множество способов получить такое состояние, но в качестве примера будет описан следующий способ, в котором для получения каждого из напряжений используют по два разных элемента. Можно рассматривать комбинацию элементов, представленных элементами соединения с общим проводом 1101 и 1102, как элементы для получения источника питания 1,5 вольта. Для этого элемент 1105, соединение электрода со смещением для первого элемента питания, может быть уже подключен к линии источника питания напряжением 1,5 вольта, элемент 1113. Для подключения соединения электрода со смещением второго элемента питания 1106 к линии источника питания 1113 переключатель 1142 можно перевести в замкнутое состояние, а переключатели 1143, 1144 и 1145 можно перевести в разомкнутое состояние. Теперь общий провод второго элемента питания может быть подключен к линии общего провода 1114 посредством активации переключателя 1130. Для определения второй линии источника питания 1112, являющейся линией источника питания на 3 вольта, соединения с общим проводом третьего 1103 и четвертого 1104 элементов могут быть подключены к линии источника питания 1113 на 1,5 вольта. Чтобы обеспечить это для третьего элемента, можно активировать переключатель 1121, при этом деактивировать переключатели 1120 и 1122. Это может привести к тому, что соединение 1103 окажется на уровне 1,5 вольта для элемента 1113. В данном случае можно деактивировать переключатель 1150. Для четвертого элемента следует активировать переключатель 1140. Можно также активировать переключатель 1141, однако то же состояние можно получить и при неактивном переключателе. Переключатель 1170 можно деактивировать, чтобы разорвать соединение с линией общего провода.
Соединения электрода со смещением третьего 1107 и четвертого 1109 элементов теперь можно подключить к линии источника питания 1113 напряжением 3 вольта. Для подключения третьего элемента следует активировать переключатель 1163 и переключатели 1162, 1164 и 1165 можно деактивировать. Для четвертого элемента 1109 можно активировать переключатель 1183 и деактивировать переключатели 1182, 1184 и 1185. Данный набор соединений может входить в состав одного из вариантов осуществления, что позволит получить подобное двухуровневое (1,5 и 3 вольта) напряжение первичного источника питания в представленном примере с использованием 4 элементов питания.
Варианты осуществления соединений, показанных на ФИГ. 11, могут привести к получению нескольких различных состояний источника питания при использовании четырех элементов питания или четырех блоков элементов питания. Должно быть понятно, что в объем настоящего изобретения также может входить множество других типов соединений элементов питания. В не имеющем ограничительного характера смысле могут присутствовать всего лишь два элемента питания или любое большее их количество, которое согласуется с устройством электропитания. В любом из подобных вариантов осуществления могут быть аналогичные концепции переключения соединений с общим проводом и соединений с электродом со смещением для элементов питания, подключенных параллельно и последовательно, что может привести к получению напряжения питания, кратного напряжению отдельного элемента питания. Описание варианта осуществления, в котором используется переключательная структура, представленная на ФИГ. 11, в некоторых вариантах осуществления может содержать описание набора соединений, которые можно запрограммировать в устройство электропитания и затем использовать на протяжении всей работы полученного варианта осуществления устройства. Например, устройство питания может иметь запрограммированные рабочие режимы, в которых количество или природа его источников электропитания может изменяться динамическим образом. В не имеющем ограничительного характера смысле на ФИГ. 11 элемент 1110 может представлять собой линию источника питания устройства, которая в некоторых режимах работы устройства не подключена ни к какому соединению элементов питания, что может происходить при деактивированных переключателях 1145, 1165 и 1185. Другие варианты осуществления данного типа можно получить при активации одного или более переключателей 1145, 1165 и 1185, приводящей к получению заданного напряжения источника питания на элементе 1110. Данная динамическая активация заданного уровня напряжения может также включать в себя деактивацию через некоторое время или альтернативно динамическое переключение на другое рабочее напряжение питания. Возможно большое разнообразие рабочих вариантов осуществления на основе описанного изобретения, когда в устройство питания включено множество элементов электропитания, которые можно подключать статическим и динамическим образом к другим элементам устройства питания.
Множество элементов питания в устройствах электропитания
На ФИГ. 12 можно видеть, что на ней изображен элемент 1200, служащий схематическим обозначением варианта осуществления с аккумуляторным элементом, тип которого представлен на ФИГ. 10A. Множество элементов питания, которые были указаны как элементы 1010-1020 на ФИГ. 10А, теперь получили отдельные идентификаторы, указывающие на аккумуляторы. Должно быть понятно, что показанные количество и взаимное расположение множества элементов являются лишь одним примером из множества различных возможностей и показаны только в целях иллюстрации. Несмотря ни на что, в некоторых приведенных вариантах осуществления элементы могут быть выровнены в виде блоков. Следовательно, на ФИГ. 12 первый блок элементов может включать в себя элементы 1210, 1211, 1212 и 1213. Второй блок элементов может включать в себя элементы 1214, 1215, 1216 и 1217. Третий блок элементов может быть представлен элементами 1218, 1219 и 1220. Также может быть представлен элемент антенны.
В некоторых вариантах осуществления каждый из данных блоков может иметь единую линию общего провода для трех или четырех объединенных в блок элементов. Для целей иллюстрации первый блок, включающий в себя элементы 1210, 1211, 1212 и 1213, может иметь единую линию общего провода, показанную элементом 1230. Кроме того, каждый из элементов может также иметь отдельную линию, соединяющую их с соединительным элементом, который может быть представлен элементом схемы 1290. Должно быть понятно, что в объем настоящего изобретения также может входить множество вариантов соединения, количества и самой конструкции каждого элемента аккумуляторной батареи. Кроме того, может оказаться возможным обеспечить отдельные соединения с соединительным слоем как общего электрода, так и электрода со смещением для каждого элемента аккумуляторной батареи.
Как указано выше, в некоторых вариантах осуществления, когда блоки элементов аккумуляторной батареи имеют единую линию общего провода, данный элемент аккумуляторной батареи 1213 может быть подключен к общему проводу 1230 и одновременно иметь свое отдельное соединение для электрода со смещением 1235. Данные соединения могут входить на соединительный элемент 1290 и затем проходить на элемент управления питанием, указанный на данной фигуре как элемент 1205. Два соединения могут иметь соответствующие выходные соединения в блоке управления питанием, где элемент 1240 может быть продолжением блока. Соединение с общим проводом 1230 и элемент 1245 могут быть продолжением соединения электрода со смещением 1235 аккумуляторного элемента 1213. Таким образом, отдельный элемент аккумуляторной батареи может быть подключен к системе управления питанием, а его электрическое соединение с остальными элементами можно контролировать переключателями. В некоторых вариантах осуществления предусмотрены три блока из множества из одиннадцати отдельных элементов питания, в которых все элементы могут быть фактически подключены параллельно. Соединение в параллельную структуру позволяет получить исходную мощность аккумулятора, который имеет такое же напряжение, что и аккумуляторные элементы, а емкость его равна суммарной емкости одиннадцати элементов. Блок управления питанием 1205 может соединять каждый из одиннадцати элементов 1210-1220 в такую параллельную структуру. В альтернативных вариантах осуществления элемент управления питанием может обработать и изменить входное напряжение источника питания и генерировать обработанный выход питания, которое можно подавать на все остальные компоненты устройства питания. Должно быть понятно, что элемент управления питанием может выполнять различную электрическую обработку входного напряжения питания, включая в не имеющем ограничительного характера смысле регулировку выходного напряжения всех элементов для соответствия стандартному эталонному выходному напряжению, умножение напряжения отдельных элементов, регулировку выходного тока объединенных элементов аккумуляторной батареи и множество других таких типов обработки.
В некоторых вариантах осуществления прозрачный вывод блока управления питанием может быть соединен с соединительным слоем, указанным как элемент 1250. Данное напряжение питания можно передать через соединительное устройство и электрически подать на элемент встроенного пассивного устройства (ВПУ) 1206, которое может быть соединено с элементом из множества аккумуляторов. Внутри элемента интегрированного пассивного устройства 1206 могут находиться конденсаторы. Соединение первичного источника питания, выходящее с соединителя 1255, можно использовать для зарядки конденсаторов до напряжения первичного источника питания. В некоторых вариантах осуществления зарядкой можно управлять с использованием активного элемента, в других вариантах осуществления напряжение для заряда можно непосредственно подавать на элемент конденсатора. Полученное соединение с конденсатором затем может быть обозначено как первое состояние источника питания.
Конденсаторы могут быть помещены во встроенный пассивный элемент устройства для хранения энергии, используемой различными электроактивными элементами. В других примерах конденсаторы могут быть включены в качестве части устройства управления питанием самостоятельно или в сочетании с другими компонентами, которые потребляют энергию от устройства управления питанием. В дополнительных примерах конденсаторы могут быть включены в целое устройство в качестве пассивных элементов и интегрированных элементов других устройств, таких как устройство управления питанием.
Возможны различные причины для обработки напряжения, генерируемого множеством элементов питания. В некоторых вариантах осуществления примером такой причины могут служить требования к источнику питания относительно подключенных к нему компонентов. Если у данных элементов имеются различные рабочие состояния, требующие разных потребляемых токов, то потребление тока в рабочем состоянии с максимальным потреблением тока можно буферизовать присутствием конденсаторов. Таким образом, конденсаторы за счет накопленного заряда могут обеспечивать существенно больший выходной ток, чем одиннадцать аккумуляторных элементов сами по себе в указанный момент времени. В зависимости от состояний потребляющего ток элемента и природы конденсаторов в элементе интегрированного пассивного устройства 1206 возможно ограничение времени, в течение которого может поддерживаться состояние с высоким потреблением тока. Поскольку конденсаторы необходимо перезаряжать после сильного броска потребляемого из них тока, должно также быть понятно, что необходимо обеспечить достаточное время между повторными состояниями с высоким потреблением тока. Следовательно, должно быть понятно, что возможны различные аспекты конфигурации, относящиеся к (1) количеству элементов питания, (2) их энергетической емкости, (3) типам соединяемых с ними устройств и (4) требованиям к источнику питания элементов, получающих питание (a) от данных элементов питания, (b) системы управления питанием и (c) интегрированных пассивных устройств.
Аспекты внутренней диагностики и надежности множества элементов питания
Природа элементов питания может включать в себя такие аспекты, когда при сборке элементов в устройство электропитания возможны режимы неисправности, которые могут иметь природу исходной неисправности, или неисправности «в нулевой момент времени», или альтернативно могут представлять собой связанные со старением неисправности, когда исходно рабочий элемент может отказать в процессе использования. Характеристики устройств с компонентами электропитания с множественными элементами питания допускают варианты осуществления схемотехнических и конфигурационных решений, которые позволяют восстанавливаться при таких режимах неисправности и сохранять функциональное рабочее состояние.
В качестве примера на ФИГ. 12 представлены некоторые варианты осуществления мер внутренней диагностики и восстановления работоспособности. Ниже представлен тип варианта осуществления, в котором во множестве из одиннадцати элементов питания 1210-1220 все элементы соединены параллельно для получения одного состояния источника питания на основе стандартного рабочего напряжения каждого элемента. Как указано выше, природа комбинирования данного множества элементов питания может позволить устройству электропитания выполнять внутреннюю диагностику и восстановление работоспособности при наличии или появлении дефектного элемента питания. Чувствительный элемент может быть использован для обнаружения тока, проходящего через устройства питания.
Возможны различные способы задания условия в устройстве электропитания, когда его ток может быть установлен на стандартном уровне. Например, устройство может иметь активируемый «спящий режим», в котором потребление тока покоя находится на очень низком уровне. Протокол определения величины тока может быть простейшего типа с введением резистивного элемента в линию соединения с общим проводом источника питания, хотя в целях настоящего изобретения можно использовать и более сложные средства измерения протекающего тока, включая использование магнитных или термопреобразователей или любых иных средств для обеспечения метрологии электрического тока. Если при диагностическом измерении величины протекающего тока, которая в некоторых вариантах осуществления может быть представлена величиной падения напряжения на резистивном элементе по сравнению с эталонным напряжением, обнаруживается превышение границы допустимого диапазона, приведенная в качестве примера схема внутренней диагностики может перейти к определению того, не вызывает ли один из элементов питания состояние избыточного потребления тока. При выполнении проверки одним из примеров способа определения причины неисправности может быть отключение по очереди каждого из четырех блоков путем отключения его линии соединения с общим возвратным проводом заземления. Как показано на ФИГ. 12, первым отключаемым блоком может быть блок элементов 1210, 1211, 1212 и 1213. Можно отключить линию общего провода 1230. После отключения можно провести такое же измерение потребления электрического тока. Если измеряемая величина тока теперь вернулась к нормальной величине потребления тока, проблему можно идентифицировать как возникшую в данном блоке. Если же величина тока по-прежнему находится за пределами установленного диапазона, логический процесс может перейти к следующему блоку. Возможен вариант, при котором после перебора всех блоков, что в данном примере может означать три блока, потребление тока все равно будет находиться за пределами допустимого диапазона. В таком случае и в некоторых вариантах осуществления протокол внутренней диагностики может завершить проверку элементов питания и затем либо остановить процедуру внутренней диагностики, либо запустить процедуру внутренней диагностики для другой возможной причины повышенного потребления тока. При описании данного протокола внутренней диагностики должно быть понятно, что описан пример протокола для иллюстрации концепций настоящего изобретения и что множество иных протоколов также могут позволить обнаруживать и определять отдельные элементы питания, которые могут быть неисправны.
Как показано в примере протокола, дефект был обнаружен и определен, после чего параметры тока, протекающего во время испытания, возвращаются к нормальным требованиям спецификации, затем может быть проведен следующий цикл обнаружения. Теперь, когда определен и обнаружен источник проблем (на уровне блока), в ходе следующей проверки может произойти уже обнаружение дефектного элемента в рамках блока. Таким образом, отдельный блок снова может быть активирован, тем не менее соединение электрода со смещением каждого из четырех элементов, например 1210, 1211, 1212 и 1213, может быть отключено. На ФИГ. 12 элемент 1235 может обозначать соединение электрода со смещением элемента 1213, причем при активации блока и наличии дефектной части подача тока значительно снизится до тех пор, пока соединение электрода со смещением не будет отключено. Таким образом, после отключения элемента можно снова измерить потребление тока. Если отключение элемента возвращает потребление тока к нормальному состоянию, данный элемент можно идентифицировать как неисправный и впоследствии отключить его от системы источника питания.
Если второй цикл проверки проходит по всем элементам питания в блоке без возвращения тока к приемлемому значению, цикл может завершиться. В таком случае схема внутренней диагностики может либо отключить весь данный блок от системы источника питания, либо в некоторых вариантах осуществления перейти к другому способу определения и обнаружения элементов внутри блока. Возможны различные способы создания протоколов внутренней диагностики для множества элементов питания и действия, запрограммированные для выполнения на основе работы данных протоколов.
Перезаряжаемые элементы в устройствах с множественными элементами питания
На ФИГ. 12 приведен также другой набор вариантов осуществления, который достигается объединением множества элементов электропитания в запитываемых устройствах, причем элементы питания могут быть перезаряжаемыми. В некоторых вариантах осуществления, в которых множество элементов питания (таких как элементы 1210-1220) являются элементами, которые входят в состав запитываемого устройства и могут использоваться для перезарядки элемента питания, реализуется возможность зарядки некоторых элементов.
В примере совокупности вариантов осуществления запитываемое устройство с множественными элементами питания может быть способно принимать и обрабатывать РЧ-сигналы с антенны (элемент 1270), находящейся внутри устройства. В некоторых вариантах осуществления может существовать вторая антенна 1291, которая может быть полезна для беспроводного получения энергии (например, индукционной передачи энергии, РЧ-энергии, световой энергии и т. д.) из среды, окружающей устройство, и передачи этой энергии в устройство управления питанием 1205. Например, может присутствовать элемент микроконтроллера 1255, который может одновременно потреблять энергию от элементов электропитания запитываемого устройства и управлять работой устройства. Данный микроконтроллер 1255 может обрабатывать информацию, которая была введена в него с помощью запрограммированных алгоритмов определения того, обладает ли система питания из одиннадцати элементов, 1210-1220, достаточным количеством энергии для удовлетворения потребности устройства в питании при текущем функционировании. Данная обработка может происходить только в том случае, если подмножество элементов использовано для подачи питания на управляющую схему устройства управления питанием. В подобных примерах остальные элементы затем подключаются к заряжающей цепи 1245 компонента управления питанием, который может получать питание от антенны 1291, о чем упоминалось ранее. Например, в варианте осуществления, представленном на ФИГ. 12, запитываемое устройство может находиться в состоянии, при котором три элемента, 1218, 1219 и 1220, из множества элементов питания могут быть подключены к зарядному электронному оборудованию. При этом остальные 8 элементов, 1210-1217, могут быть подключены к схеме блока питания, элемент 1240. Таким образом, при использовании множества элементов электропитания устройство с энергообеспечением можно перевести в рабочий режим, при котором элементы питания одновременно заряжаются и разряжаются.
Одноразовые элементы питания с электроактивными элементами
На ФИГ. 13 можно видеть, что на ней изображен пример биосовместимого устройства с множественными элементами питания, в котором элементы питания предназначены для одноразового использования. В некоторых примерах элементы питания могут быть аккумуляторами, сформированными при обработке слоистой пленки с полостями. В некоторых примерах предусмотрено одиннадцать аккумуляторных элементов, представленных в виде элементов 1310-1320. Элементы могут быть выровнены в виде блоков, причем каждый блок может иметь единую линию общего провода и отдельные соединения электрода со смещением. Общий провод и соединения электрода со смещением могут быть проложены через элемент соединения межсоединений 1330. Элемент соединения межсоединений может соединять систему управления питанием 1340, контроллер системы 1350 и различные проводящие устройства 1360. Устройство может получать внешние сигналы от чувствительного элемента 1305. Устройство может подавать сигналы для управления элементом электроактивного устройства 1390 через межкомпонентные соединения 1355. В некоторых примерах электроактивное устройство может быть электроактивной фокусировочной линзой, входящей в состав биосовместимого офтальмологического устройства, такого как контактная линза. Одноразовые аккумуляторные элементы могут быть обнаружены для подтверждения рабочего состояния, объединены и использованы в схемах управления питанием для продления срока службы, даже если некоторые одноразовые элементы питания не функционируют. Чувствительный элемент может использоваться для получения сигнала активации и/или сигнала с измененным уровнем, который может менять текущее состояние электроактивного элемента.
Биосовместимые устройства могут представлять собой, например, имплантируемые электронные устройства, в частности кардиостимуляторы и микроисточники энергии, электронные таблетки для мониторинга и/или тестирования той или иной биологической функции, хирургические устройства с активными компонентами, офтальмологические устройства, микронасосы, дефибрилляторы, стенты и т. п.
Выше были описаны конкретные примеры исключительно для иллюстрации различных вариантов осуществления формирования, способов формирования и устройств формирования биосовместимых элементов питания, содержащих сепараторы. Такие примеры предназначены для указанных целей иллюстрации и никоим образом не призваны ограничивать объем пунктов формулы изобретения. Таким образом, настоящее описание предполагает охват всех вариантов осуществления, которые могут быть очевидны для специалистов в данной области.
Реферат
Изобретение относится к области медицины и электротехники и может быть использовано, в частности, в офтальмологическом линзовом устройстве, в котором аккумуляторный элемент питания соответствует внутреннему доступному объему слоистой аккумуляторной структуры. Способ работы биомедицинского устройства предусматривает использование в слоистой аккумуляторной структуре объемов, заполненных электрохимическим активным веществом, при этом активные компоненты катода и анода загерметизированы с помощью слоистого листа биосовместимого материала. В процессе работы устройства также предусмотрен контроль выходной мощности дискретных элементов питания за счет использования блока управления, содержащего контроллер и транзисторы. Предложен также прибор для питания биомедицинского устройства, в котором выполнено соединение, по меньшей мере, первого, второго и третьего токоотводов слоистого аккумуляторного устройства, с диодом внутри элемента соединения межсоединений. В некоторых вариантах осуществления изобретения область применения заявленного способа и устройства может включать в себя любое биосовместимое компактное устройство или изделие, для которых необходимы элементы питания, содержащие химические компоненты. Повышение надежности и безопасности работы устройства со множественными элементами питания является техническим результатом изобретения. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 13 ил.
Формула
Документы, цитированные в отчёте о поиске
Накожный аппликатор
