人工关节内压电陶瓷供能及电路设计

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1、人工关节内压电陶瓷供能与电路设计本文由weaa9k52jn贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。人工关节内压电陶瓷供能与电路设计陈虹，贾晨，刘鸣，王志华（清华大学微电子学研究所，北京100084）摘要：为了利用压电陶瓷作为人工关节无线监视系统的能量来源，从理论上分析了坚硬锆钛酸铅（PZT）陶瓷元件的能量产生特性和等效电路，利用非线性拟合算法计算出等效电路的参数拟合值，并分析了PZT元件的输入输出特性、输出信号频谱特性以及在植入设备内的位置摆放。仿真结果表明：等效电路参数拟合值是正确的，当4个PZT

2、元件呈直线摆放时能输出最大能量（约为1.2mW）。通过对PZT供电的电源电路设计和仿真发现，PZT的能量能够转换为电路稳定可用电源。关键词：专用集成电路；压电陶瓷；能量产生；电源电路；人工关节无线监视系统中图分类号：TN492PowerharvestingusingpztceramicsinorthopaedicimplantsandcircuitdesignCHENHong,JIAChen,LIUMing,WANGZhihua(InstituteofMicroelectronics,TsinghuaUniversity,Beijing10008

3、4,China)Abstract:Thepowerforthewirelessmonitoringsystemsinorthopaedicimplantcanbesuppliedbystiffleadzirconatetitanate(PZT)ceramics.ThispaperdescribesthepowergenerationcharacteristicsofPZTceramics,anditsequivalentcircuit,input/outputcharacteristicsandpositions.Thesecharacteris

4、ticswereverifiedbysimulationsandexperimentswithasinglePZTandfourPZTsrespectively.Apowercircuitdesignandamonitoringsystemdesignarealsogiven.TheresultsverifythatthepowerfromthePZTcanberegulatedintouseful,steadypowerforthecircuit.Keywords:applicationspecificintegratedcircuit;lea

5、dzirconatetitanate;powergeneration;powercicuit;wirelessmonitoringsystemoforthopaedicimplant的能量特性和能量获取进行了大量的分析和研究[1-6][1-2]，包括压电材料的供电特性，以及压电材料[3-6]的能量优化及电路接口。大部分的工作（除了文[6]外）均以研究为目的，本文则讨论如何将自供电的传感器应用在实际临床植入设备中。和文[6]相比，本文采用了更小的锆钛酸铅（PZT）陶瓷元件来解决植入设备内空间有限的问题，因而更具有实用价值。一般来说，工业采用的压电材

6、料包括聚偏氟乙稀（PVDF）和PZT等2种。作为多晶陶瓷，PZT用[3]途最广泛。在人工膝关节置换（TKR）的应用中，植入部分的运动学要求承受面的偏转要很小（小于，而且植入设备内部的可用空间非常有限。10μm）因此采用坚硬的PZT陶瓷元件。本文以TKR作为应用背景，研究PZT元件在人工关节内压力下的能量产生特性。PZT元件的从等效电路入手，利用实验和仿真结果验证等效电路参数拟合值的正确性。由于1个PZT元件产生的能量有限，4个PZT元件产生的能量将为人工关节无线监视系统的提供电源。另外，本文通过实验结果得到PZT元件的输入压力和输出电压之间的关系

7、，以及其输出信号频谱特性，并分析了它们在植入设备内的位置摆放问题。1压电陶瓷元件的等效电路压电陶瓷材料能够将机械能量转化为电能，关于这种压电现象，IEEE标准描述了机械压力及张力与电场及电位移之间的关系，以及测量压电材料特[7][6]性的方法。这些典型线性关系为：Sp=spqTq+dkpEk，Di=diqTp+εikEk.(1)其中：Sp为机械张力；Di为电位移；T为机械压力；由于寿命和物理尺寸的限制，传统电池不能作为长期服务的实时嵌入式应用系统的能量来源，如无线传感器等。压电材料则具有能将机械能转化为电能的特点，它们在机械压力下能产生电荷，反之

8、，在电压输入情况下则能发生一定的尺寸改变。这种压电特性得到了人们的广泛关注。人们对压电材料dEk为电场；pq为在不变的电场里的弹性柔量；