3.1.2. Energy storage.To achieve lo

3.1.2. Energy storage.To achieve long operational lifetimes, most portable and implantable biomedical devices have local reserves of energy. These local reserves are often stored electrically in a capacitor or chemically in a battery. Primary (nonrechargeable) batteries are used for single-use biomedical applications, such as swallowable capsules, or for devices with a sufficiently long battery life, such as wristwatches or pacemakers, where replacing the battery is not a burden. Silver-oxide primary batteries have been used to power swallowable capsules for the 8-h examination of a patient's digestive tract (28). In long-lifetime applications where primary batteries become prohibitively expensive or inconvenient to replace, secondary (rechargeable) batteries are preferred. A common application of secondary batteries is to power the behind-the-ear instrument of cochlear implants. Two important issues facing secondary batteries are that their capacity degrades over time and that not all batteries can supply the high peak currents required by applications, including cardioverter-defibrillators.

An emerging energy storage technology that has the potential to solve these problems is thin-film batteries (29). Thin-film batteries possess long lifetimes of thousands of charges and discharges, low series resistance, and comparable energy density to existing batteries. These batteries can be hundreds of micrometers thin and are amenable for implantable applications where volume must be minimized. A second emerging technology that promises to improve upon capacitors by increasing their energy storage density is ultracapacitors. In an ultracapacitor, the aluminum electrodes of a traditional capacitor are coated with a thin layer of extremely porous electrically conductive activated carbon, the separator is made of a porous nonconducting material, and the interior is filled with a liquid electrolyte rather like a battery. When a voltage is applied, the positive ions from the electrolyte are absorbed into the activated carbon on the negative electrode and vice versa. The Helmholtz principle of double layers combined with the extremely high surface area of the activated carbon yield more than one hundred times the energy density of traditional capacitors. Although they have extremely high power density compared with chemical batteries, traditional ultracapacitors have only approximately 5% the energy density of lithium batteries. However, there has been research in using a coating of vertically aligned carbon nanotubes in place of the activated carbon (30). If successful, this has the potential to achieve comparable energy densities to lithium ion batteries.


3.1.3. Voltage converter.As load devices often operate at different voltages than the battery voltage or the voltage out of the energy harvester, a voltage converter is used to generate an appropriate and stable supply for the load. By generating an appropriate voltage for the load, a voltage converter can extend battery life by allowing the load device to operate at its optimal energy point. The key challenge of voltage converters for biomedical applications is achieving high efficiencies at ultralow-power levels and in a small volume (31). Moreover, the output voltage must not fluctuate from its desired value even though the converter can suffer from a variable battery voltage, varying load current, and switching noise (32).

The voltage converter for a biomedical device must be optimized for the voltage and current required by the load. Energy-efficient digital complimentary metal oxide semiconductor (CMOS) circuits operate off a supply voltage at or below 1 V, and most biomedical applications require currents between a few microamps to a few milliamps. To generate these voltages from a higher-voltage battery, a step-down (buck) converter is required. When only a small step-down is required, a low drop-out linear regulator is a simple and robust approach; however, for a large step-down, the efficiency of an LDO is poor and switching regulators are preferred.

Micropower switching converters have demonstrated efficiencies greater than 80% for loads down to 1 μW (33). The two main voltage converter topologies are switched capacitor–based and inductor/transformer–based switching converters. These converters can be configured in both step-down (buck) and step-up (boost) configurations. The power conversion efficiency of a switching converter is dictated by the following equation:

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

3.1.2 พลังงานทันที เพื่อให้อายุงานยาวนาน แบบพกพา และปรุงอุปกรณ์แพทย์ส่วนใหญ่มีเครื่องสำรองพลังงาน กองหนุนท้องถิ่นเหล่านี้มักจะเก็บไฟฟ้า ในตัวเก็บประจุ หรือสารเคมี ในแบตเตอรี่ แบตเตอรี่หลัก (ถึงแบตเตอรี่ลิเธียมหลัก) มีการใช้งานใช้ครั้งเดียวชีวการแพทย์ แคปซูล swallowable หรือสำหรับอุปกรณ์ที่มีแบตเตอรี่นานพอ ชีวิต เช่นนาฬิกาข้อมือหรือเครื่องกระตุ้น เปลี่ยนแบตเตอรี่ไม่ภาระ แบตเตอรี่หลักซิลเวอร์ออกไซด์มีการใช้พลังงาน swallowable แคปซูลตรวจ 8-h ของระบบทางเดินอาหารของผู้ป่วย (28) ในการใช้งานอายุการใช้งานที่ยาวนานที่แบตเตอรี่หลักกลายเป็นพิมพ์มีราคาแพง หรือไม่สะดวกการแทน รองแบตเตอรี่ (ชาร์จ) เป็นที่ต้องการ ใช้งานทั่วไปของแบตเตอรี่ทุติยภูมิคือ พลังดนตรีข้างหลังหูของประสาทหูเทียม ปัญหาสำคัญที่สองหันรองแบตเตอรี่มีความจุลดเวลา และว่า แบตเตอรี่ไม่สามารถจัดหากระแสสูงตามงาน cardioverter เครื่องเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานเกิดใหม่ที่มีศักยภาพในการแก้ปัญหาเหล่านี้แบตเตอรี่ฟิล์มบาง (29) ฟิล์มบางแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานที่ยาวนานของค่าธรรมเนียม และปล่อย ความต้านทานต่ำชุด และหนาแน่นของพลังงานเทียบเท่ากับแบตเตอรี่ที่มีอยู่ แบตเตอรี่เหล่านี้สามารถเป็นของไมโครมิเตอร์บาง และจะคล้อยตามสำหรับปรุงที่ต้องลดระดับเสียง Ultracapacitors เป็นเทคโนโลยีเกิดใหม่สองที่การปรับปรุงตัวเก็บประจุ โดยเพิ่มความหนาแน่นของพวกเขาเก็บพลังงาน ในการ ultracapacitor อลูมิเนียมขั้วไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแบบเคลือบ ด้วยชั้นบาง ๆ ของคาร์บอนไฟฟ้ามีรูพรุนมาก ตัวคั่นที่ทำจากวัสดุ nonconducting มีรูพรุน และการตกแต่งภายในเต็มไป ด้วยอิเล็กโทรไลต์เหลวอย่างแบตเตอรี่ เมื่อแรงดันไฟฟ้า ไอออนบวกจากอิเล็กโทรไลต์จะถูกดูดซึมเป็นคาร์บอน บนขั้วลบ และในทางกลับกัน หลักการ Helmholtz ของชั้นสองรวมกับพื้นที่ผิวสูงมากของถ่านได้มากกว่าหนึ่งร้อยครั้งพลังงานความหนาแน่นของตัวเก็บประจุแบบดั้งเดิม แต่ มีความหนาแน่นสูงมากเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่เคมี ultracapacitors แบบดั้งเดิมมีเพียงประมาณ 5% ความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่ลิเธียม อย่างไรก็ตาม มีการวิจัยในการใช้สีของคาร์บอนที่จัดตำแหน่งแนวตั้งแทนถ่าน (30) ถ้าสำเร็จ นี้มีศักยภาพในการบรรลุความหนาแน่นของพลังงานเทียบเท่ากับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน3.1.3 การดันแปลง เป็นอุปกรณ์โหลดมักจะมีแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกว่าแบตเตอรี่แรงดันไฟฟ้าหรือแรงดันจากการเก็บเกี่ยวพลังงาน ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าถูกใช้เพื่อสร้างการจ่ายที่เหมาะสม และมีเสถียรภาพสำหรับการโหลด โดยการสร้างแรงดันไฟฟ้าเหมาะสมสำหรับโหลด ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าสามารถยืดอายุแบตเตอรี่ โดยให้อุปกรณ์โหลดการใช้งานในจุดพลังงานที่เหมาะสม ความท้าทายสำคัญของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าสำหรับการใช้งานชีวการแพทย์จะบรรลุประสิทธิภาพสูงระดับ ultralow พลังงาน และไดรฟ์ข้อมูลขนาดเล็ก (31) นอกจากนี้ ผลแรงดันต้องไม่ผันผวนจากค่าที่ต้องการแม้ว่าการแปลงสามารถประสบจากแรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่ผันแปร แตกต่างโหลดปัจจุบัน และเปลี่ยนเสียง (32)ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์การแพทย์ต้องเป็นปัจจุบัน และเหมาะสมที่สุดสำหรับแรงดันไฟฟ้าตามโหลด พลังงานดิจิตอลฟรีวงจรสารกึ่งตัวนำ (CMOS) oxide โลหะงานออกแรงดันไฟฟ้า หรือต่ำ กว่า 1 V และใช้งานมากที่สุดแพทย์ต้องใช้กระแสระหว่าง microamps กี่ให้พลังงานกี่มิลลิแอมป์ การสร้างแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้จากแบตเตอรี่ที่แรงดันสูง ตัวแปลง (บัค) ขั้นตอนลงถูกต้อง เมื่อเพียงมีขนาดเล็กขั้นตอนลงเป็นต้อง การควบคุมเชิงเส้นหล่นออกมาต่ำเป็นวิธีการที่ง่าย และมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม สำหรับใหญ่ขั้นตอนลง ประสิทธิภาพของ LDO ไม่ดี และเป็นที่ต้องการเปลี่ยนผู้กำกับดูแลMicropower เปลี่ยนแปลงได้แสดงให้เห็นประสิทธิภาพมากกว่า 80% โหลดลงไป μW 1 (33) โครงสร้างการแปลงแรงดันหลักสองจะสลับ ใช้ตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำ/หม้อแปลงไฟฟ้าใช้เปลี่ยนแปลง ตัวแปลงเหล่านี้สามารถกำหนดค่าในขั้นตอนลง (บัค) และตั้งค่าคอนฟิกช่วงก้าว (เพิ่ม) ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของการเปลี่ยนแปลงจะบอก ด้วยสมการต่อไปนี้:

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

3.1.2 storage.To พลังงานบรรลุชีวิตการดำเนินงานยาวที่สุดแบบพกพาและอุปกรณ์ Implantable ชีวการแพทย์มีเงินสำรองในท้องถิ่นของพลังงาน ขอสงวนท้องถิ่นเหล่านี้มักจะถูกเก็บไว้ในระบบไฟฟ้าตัวเก็บประจุหรือสารเคมีในแบตเตอรี่ ประถมศึกษา (ที่ชาร์จไฟไม่) แบตเตอรี่ที่ใช้สำหรับการใช้ครั้งเดียวการใช้งานทางการแพทย์เช่นแคปซูล swallowable หรือสำหรับอุปกรณ์ที่มีแบตเตอรี่ที่ยาวนานพอสมควรเช่นนาฬิกาข้อมือหรือเครื่องกระตุ้นหัวใจที่เปลี่ยนแบตเตอรี่ไม่ได้เป็นภาระ ซิลเวอร์ออกไซด์แบตเตอรี่หลักได้รับการใช้อำนาจแคปซูล swallowable สำหรับการตรวจสอบ 8-H ของระบบทางเดินอาหารของผู้ป่วย (28) ในการใช้งานระยะยาวอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่หลักกลายเป็นแพงหรือไม่สะดวกที่จะมาแทนที่รองแบตเตอรี่ (แบบชาร์จไฟ) เป็นที่ต้องการ การประยุกต์ใช้ร่วมกันของแบตเตอรี่ที่สองคือการใช้พลังงานเครื่องดนตรีที่อยู่เบื้องหลังที่หูของประสาทหูเทียม สองประเด็นที่สำคัญหันหน้าไปทางแบตเตอรี่สำรองที่กำลังการผลิตของพวกเขาลดช่วงเวลาและที่ไม่ได้แบตเตอรี่ทั้งหมดสามารถจัดหากระแสสูงสุดสูงจำเป็นต้องใช้โดยการใช้งานรวมทั้ง cardioverter-เครื่องช็อกไฟฟ้า. เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานที่เกิดขึ้นใหม่ที่มีศักยภาพในการแก้ปัญหาเหล่านี้เป็นฟิล์มบาง แบตเตอรี่ (29) แบตเตอรี่แบบฟิล์มบางมีช่วงชีวิตที่ยาวนานของพันของค่าใช้จ่ายและการปล่อยต้านทานชุดต่ำและความหนาแน่นของพลังงานเปรียบได้กับแบตเตอรี่ที่มีอยู่ แบตเตอรี่เหล่านี้นับเป็นร้อยไมโครเมตรบางและมีความคล้อยตามสำหรับการใช้งานที่ฝังในปริมาณที่จะต้องลดลง เทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ที่สองที่สัญญาว่าจะปรับปรุงตัวเก็บประจุโดยการเพิ่มความหนาแน่นของการจัดเก็บพลังงานของพวกเขาคือ Ultracapacitors ใน ultracapacitor, อลูมิเนียมขั้วไฟฟ้าของตัวเก็บประจุแบบดั้งเดิมจะเคลือบด้วยชั้นบาง ๆ ของรูพรุนมากถ่านนำไฟฟ้าคั่นที่ทำจากวัสดุที่มีรูพรุน nonconducting และการตกแต่งภายในที่เต็มไปด้วยอิเล็กโทรไลของเหลวค่อนข้างเหมือนแบตเตอรี่ เมื่อมีการใช้ไฟฟ้าที่ประจุบวกจากอิเล็กโทรจะถูกดูดซึมเข้าสู่คาร์บอนเปิดใช้งานในขั้วลบและในทางกลับกัน หลักการของ Helmholtz สองชั้นรวมกับพื้นที่ผิวสูงมากของผลผลิตถ่านมากกว่าหนึ่งร้อยครั้งความหนาแน่นของพลังงานของตัวเก็บประจุแบบดั้งเดิม แม้ว่าพวกเขาจะมีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงมากเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่เคมี Ultracapacitors แบบดั้งเดิมมีเพียงประมาณ 5% ความหนาแน่นของการใช้พลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียม อย่างไรก็ตามได้มีการวิจัยในการใช้สารเคลือบผิวในแนวตั้งของท่อนาโนคาร์บอนในสถานที่ของถ่านกัม (30) หากประสบความสำเร็จนี้มีศักยภาพที่จะบรรลุความหนาแน่นพลังงานเปรียบได้กับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน. 3.1.3 อุปกรณ์โหลดแรงดัน converter.As มักจะทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกว่าแรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่หรือแรงดันไฟฟ้าจากเครื่องเกี่ยวนวดและพลังงานเป็นแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในการสร้างอุปทานที่เหมาะสมและมีเสถียรภาพสำหรับการโหลด โดยการสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมสำหรับการโหลดแปลงแรงดันไฟฟ้าที่สามารถยืดอายุแบตเตอรี่โดยการอนุญาตให้อุปกรณ์ภาระในการดำเนินงานที่จุดพลังงานที่ดีที่สุด ความท้าทายที่สำคัญของการแปลงแรงดันไฟฟ้าสำหรับการใช้งานด้านชีวการแพทย์คือการบรรลุประสิทธิภาพสูงในระดับ ultralow พลังงานและในปริมาณขนาดเล็ก (31) นอกจากนี้แรงดันขาออกจะต้องไม่ผันผวนจากค่าที่ต้องการของตนแม้ว่าจะแปลงสามารถประสบจากแรงดันแบตเตอรี่ตัวแปรที่แตกต่างกันโหลดปัจจุบันและเปลี่ยนเสียง (32). แปลงแรงดันไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ชีวการแพทย์จะต้องมีการปรับให้เหมาะสมกับแรงดันและกระแส จำเป็นโดยโหลด พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพดิจิตอลฟรีโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (CMOS) วงจรดำเนินการปิดแรงดันที่หรือต่ำกว่า 1 V และการใช้งานด้านชีวการแพทย์ส่วนใหญ่ต้องการกระแสระหว่างไม่กี่ microamps ไปไม่กี่มิลลิแอมป์ เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าจากแบตเตอรี่แรงดันสูงที่มีขั้นตอนลง (เจ้าชู้) แปลงเป็นสิ่งจำเป็น เมื่อมีเพียงขนาดเล็กขั้นตอนลงจะต้องหล่นออกมาควบคุมเชิงเส้นต่ำเป็นวิธีการที่ง่ายและมีประสิทธิภาพ; แต่สำหรับที่มีขนาดใหญ่ขั้นตอนลงอย่างมีประสิทธิภาพของ LDO เป็นที่น่าสงสารและควบคุมการสลับเปลี่ยนเป็นที่ต้องการ. แปลง Micropower เปลี่ยนได้แสดงให้เห็นประสิทธิภาพมากขึ้นกว่า 80% สำหรับโหลดลงไป 1 μW (33) ทั้งสองหลักโครงสร้างแปลงแรงดันไฟฟ้ามีการสลับตัวเก็บประจุที่ใช้และเหนี่ยวนำ / หม้อแปลงไฟฟ้าตามแปลงในการสลับ แปลงนี้สามารถกำหนดค่าทั้งในขั้นตอนลง (เจ้าชู้) และขั้นตอนขึ้น (เพิ่ม) การกำหนดค่า ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของแปลงเปลี่ยนเป็น dictated โดยสมการต่อไปนี้: