醫療設備的全新供電方案--毫米級的眼壓傳感器

 

作者：Steven C. Grady

職務：Cymbet 公司市場行銷副總裁

小型醫療感測器和手術器械正在迅速地變得智慧化，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，它們採用標準的半導體製造工藝和封裝技術特製而成。

 

為了滿足新型醫療感測器和智慧型儀器器的要求，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
• 可使用包括能量採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積體電路一樣，有相同的處理和片芯連接的機制。這使得固態電池可以理想地與其他積體電路封裝在一起，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(wire bond attachment)的實例：

 

圖一：在 IC 堆疊中的固態電池邦定連線附著

 

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後將描述的眼內壓力感測器所用的真實的實現方式。固態電池也可以採用標準的塑膠 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於體內。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。在這些程式中，裸片芯電池被壓碎並被放入鹽溶液，並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，在採用了中性洗出液法和瓊脂擴散法這兩種可行性篩選程式時，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徵（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範

此外，目前還有許多全球環境和安全標準及準則來規範電池。固態電池是理想的解決方案，因為他們符合：RoHS、中國 RoHS、REACH、CE 標誌、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 資訊，用盡產品處理指示和生物相容性標準。

 

應用於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°C 是很常見的，這對於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，現如今已有許多智慧醫療設備和儀器都採用了集成電池，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 標籤的外科手術工具、植入式感測器、以及設備中用以支援其具有更精確的溫度控制並對內容物進行消毒的溫度感測器。此外，這樣的感測器和 RFID 標籤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感測器。為確保一台設備是密閉的，使用諸如 Cymbet 的EnerChip 固態電池這樣的密封電池是非常有益的。

 

圖 2：智慧醫療儀器的滅菌設備

 

空間受限的醫療設備需要一種小型供電電源，它只佔用很少的體積並不需要外部元件（支架或插座）來保持一個堅固的連接，並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，還沒有其他電能記憶體件可滿足這些要求。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，或採用低剖面的表面安裝封裝（有或無集成電池管理）在一起，並且可以方便地充電使用，例如採用電感近場充電。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。

 

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感測器的實例。它將數種新概念結合在一起，以實現一種微型化的、使用環境能量採集自主供電的智慧化感測器。

能量採集技術被用於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並傳送給感測器系統。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。

 

圖 3：眼內壓力感測器（承蒙來自密西根大學）

 

可在以下這個連結中找到描述這種設備背景的一份來自密西根大學的文件：

 

圖 3 照片中的眼內壓力感測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，封裝在一個生物相容的玻璃外殼內。第一層是 MEMS 壓力感測器，第二層是一個 1µAh可充電 Cymbet EnerChip 固態電池。一個帶有記憶體、電源管理和感測器 A / D 轉換器的處理器位於 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。所有的各層用用提供電力連接的連線邦定在一起。

 

圖 4：眼內壓力感測器分層示意圖

 

為了給下一代微型智慧醫療感測器和儀器供電，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、集成化和連線性等功能。此外，所有使其適用於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感測器。如需瞭解更多資訊，並註冊贏得一個固態電池測試板，請訪問www.cymbet.com。

 

作者簡歷：

Steve Grady 先生在 Cymbet 公司負責戰略行銷、產品路線圖、客戶關係管理、網路行銷、宣傳品和需求創造等所有事務，他在技術行銷、銷售、業務拓展、產品管理、硬體和軟體工程、網路軟體和通用管理、嵌入式系統、半導體和軟體行業方面具有全球性的經驗。Grady 先生也曾經參與過創業公司和大型公司等環境下的國際業務。在加入 Cymbet 之前，Grady 先生在 ADC 電信、馬可尼、Timesys、Rwltec 和 AT&T 貝爾實驗室等機構擔任過高級管理和技術職位。他擁有伊利諾斯州大學香檳分校（University of Illinois Champaign-Urbana）的電氣工程理學學士學位元，電氣工程和商業理學碩士學位。