体内微机电系统的三维无线能量传输装置的设计和实验

　　0 引言

　　随着微机电技术的发展，越来越多的微机电系统已经应用到各领域中，其中体内无线内窥镜就是微机电系统应用的一个成功事例。目前，化学电池是这类微机电系统的主要动力源，但是化学电池存在容量有限和安全性差等问题，于是能解决此类问题的无线能量传输技术得到了广泛地研究，以色列日本以及欧美国家在该项技术上的发展尤为迅速^[1-3]。比利时天主教鲁汶大学的 Lenaerts 对耦合线圈的传输效率进行了分析和研究，实验证明耦合线圈的次级侧采用有两个或更多接收线圈比初级侧采个发射线圈的耦合效率高^[4-5]。韩国翰林大学的 Lee^[6]等提出一种机器人胶囊的无线能量传输方案，次级绕组采用二维的线圈。在初级线圈位置保持不变，次级线圈位置变化的情况下，均能得到较稳定的输出电压和输出功率。刘修泉建立了无线能量传输系统的数学模型，搭建了体内微机电无线能量传输系统的实验台^[7-8]，实验测试表明，该系统可以输出功率为 110～240mW，可驱动体内温度采集系统和无线视频采集系统工作，但该系统存在着不稳定的缺点，也尚未进行系统微型化和集成。对于无线能量传输技术，虽然已经取得了一些有价值的成果，但是无线能量传输技术在人体微机电系统方面还存在一些题，尤其是它的传输效率很低并且不够稳定。本文设计了三维接收线圈的无线能量传输系统，并对该系统进行了有限元分析和实验。之后又设计了接收线圈的微型化整流稳压电路，实验证明该电路能够满足体内微机电系统的实际应用需要。

　　1 三维无线能量传输系统的有限元仿真

　　1. 1 三维无线能量传输系统的原理

　　三维无线能量传输系统的原理是基于电磁感应定律，通过发射线圈和接收线圈之间的电磁感应来达到传递能量的目的。在实际应用中，采用三维接收线圈绕组技术能从三个方向上接收能量，且三个绕组之间能有效地进行互补，克服了单维接收线圈能量接收效率较低且受空间姿态影响大的缺点。另外，由于铁磁芯具有良好的导磁性，使接收线圈内部空间的磁阻减小，从而增加了磁感应强度^[9]。

　　图1 中，Vs为高频正弦波电源; Ls、Lr分别为发射线圈和接收线圈的自感; Rs和 Rr分别为两个线圈的内阻; C_¹为发射电路补偿电容; M 为发射线圈和接收线圈之间的互感; 系统工作时，发射电路电流为 Is，接收线圈感应电动势为 Vr。各参量的表达式如下。

　　式中: f 为频率，Hz。

　　感应耦合系数 k 定义为: