醫療設備的全新供電方案

摘要：本文介紹了一種固態電池與其他集成電路封裝在一起，以創建先進的系統級封裝（SIP）器件的方法。本文網絡版地址：ttp：//www.eepw. com.cn/article/203218.htm

關鍵詞：醫療；供電；固態電池

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.003

小型醫療傳感器和手術器械正在迅速地變得智能化，因此他們必須帶有供電解決方案—經常使用到小型可充電電池。集成化電池必須具有幾個關鍵屬性，以確保安全的操作和保護病人的健康。新型的固態電池已經面世，它們采用標準的半導體制造工藝和封裝技術特制而成。

為了滿足新型醫療傳感器和智能儀器的要求，必須考慮幾個因素：

必須提供創新的電池封裝和連接選項；

集成化電池必須完全沒有細胞毒性；

電池必須不受高溫滅菌操作的影響；

可使用包括能量采集等多種電池充電方法；

尺寸：醫療傳感技術正變成毫米級。

創新的電池封裝和連接能力

固態電池與醫療電子設備中可看到的集成電路一樣，有相同的處理和片芯（die）連接的機制。這使得固態電池可以理想地與其他集成電路封裝在一起，以創建先進的系統級封裝（SIP）器件。圖1所示即為在一個IC堆疊中使用一種固態電池連線邦定附著的實例。

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

使用100%無細胞毒性的固態電池

確保醫療產品的安全性是絕對至關重要的，過去將傳統電池產品集成進產品中一直是一個問題。在許多醫療應用中，固態電池不是應用在體外就是應用于體內。最近，可充電固態電池已經成功通過了針對體外和體內生物相容性的可行性研究的生物安全測試。在這些程序中，裸片芯電池被壓碎并被放入鹽溶液，并在不同的測試條件下進行了測試。

體外電池的生物相容性測試

固態電池的生物相容性使用以下的體外測試方法完成了評估：細胞毒性：中性洗出液法（MEM） - 1 x CMEM細胞生長介質提取；細胞毒性：瓊脂擴散- 固體樣品。

在這些測試中，在采用了中性洗出液法和瓊脂擴散法這兩種可行性篩選程序時，經伽馬射線消毒的Cymbet CBC005-BDC 5μA-hr EnerChip固態電池已被證實無細胞毒性（0%細胞溶菌作用）。在這些非常敏感的體外細胞培養測定沒有任何不利的生物反應，是生物相容性測試結果的象征（雖然不是一個保證），這也是所建議完成的其他生物相容性體外和體內測試，如EN ISO 10993 - 1：2009醫療設備生物評價的第1部分：一個風險管理流程中的評估和測試，以及美國食品和藥物管理局（FDA）藍皮書備忘錄第G95-1準則（1995年）等中建議，因此是完成這些特別而非常敏感的測試的另一個絕佳原因。

體內0% 毒性測試結果

用以檢測一款固態電池本身的生物安全性的最嚴格的方法之一，就是將粉碎的裸片芯注入體內測試設置。粉碎的電池再現了一個由EnerChip供電的植入式醫療設備出現災難性破損時的情況。在這種損傷性場景中，固態電池的材料將直接暴露在體內設置中。結果顯示對暴露的組織沒有有害的組織學影響。

滿足額外的電池標準和規范

此外，目前還有許多全球環境和安全標準及準則來規范電池。固態電池是理想的解決方案，因為他們符合：RoHS、中國RoHS、REACH、CE標志、UL實驗室、JEDEC的IC封裝標準、IEC、NEMA/ANSI、聯合國空中安全條例，WEEE指令、電池指令、MSDS和OSHA信息，用盡產品處理指令和生物相容性標準。

應用于醫療設備和食品滅菌

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

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

毫米級的眼壓傳感器

圖3所示的是一個被用來監控青光眼患者的眼睛健康的小型化毫米級眼內壓力傳感器的實例。它將數種新概念結合在一起，以實現一種微型化的、使用環境能量采集自主供電的智能化傳感器。

能量采集技術被用于諸如太陽能電池板集群和風力集群等大型應用，但也可以用在極微小的設備。在這個毫米級的例子中，光能被轉化為電能，儲存在可充電固態電池中并傳送給傳感器系統。沒有需要維護和更換的傳統電池，且設備可以放在任何地方。

使用能量采集為眼內壓力傳感器供電

圖3照片中的眼內壓力傳感器可用原理圖的方式在圖4中描述出來。該設備是一個四層堆疊，封裝在一個生物兼容的玻璃外殼內。第一層是MEMS壓力傳感器，第二層是一個1μAh可充電Cymbet EnerChip固態電池。一個帶有內存、電源管理和傳感器A / D轉換器的處理器位于EnerChip之上作為第三層。最上面一層是太陽能電池和無線收發器。所有的各層采用提供電力連接的連線邦定在一起。

使用固態電池的創新型新醫療設備

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

參考文獻：

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

[2]固態電池文件 [R/OL].www.cymbet.com