多维无线能量传输体内微机电系统的设计与实验研究

　　随着微传感器技术、无线通讯及生物电磁等技术的发展，结合这些技术的体内微机电系统得到了快速发展，微创和无创技术成为医疗技术发展的新方向[1]。由微型电池供能体内微机电系统存在供能时间短和安全性等问题，而无线能量传输技术可以提供安全和有效的供能方法。

　　笔者之前设计了一维无线能量传输系统，试验测试表明，该系统能成功驱动体内温度采集系统和无线视频采集系统。对无线能量传输系统结构进行微型化后，仍可以在体内正常工作[2]。但是上述系统存在输出功率不稳定的缺点。从国内外的研究状况来看，改进系统传输功率的稳定性主要有三种方法: 1) 在初级端采用多个发射线圈[3，4]，从不同方向发射能量，而次级端只采用一个线圈; 2) 次级端采用多个接收线圈[3-5]，从不同方向接收能量，而初级端只采用一个线圈; 3) 分别在初级端和次级端引入控制模块，通过接收信息反馈，调节初级能量发射参数，使次级能量接收系统能够为负载提供稳定的传输功率[6-8]。

　　本文综合分析比较三种方法后，决定采用“次级端用多个接收线圈，从不同方向接收能量，而初级端只采用一个线圈”的方法设计次级能量传输系统的耦合结构和外围电路。

　　1 多维接收线圈的整流和连接模式

　　多维接收线圈是在次级绕组上采用两个或三个线圈分别在三个不同方向上接收能量。每两个正交的线圈通过电磁耦合获得电能之后，可以通过不同的连接方式为负载供应电能。在次级绕组上两个线圈的连接和整流方式可分为四种模式，见图 1。串联后整流( 见图 1a) 和并联后整流( 见图 1b) 两种模式不利于机构连续工作，甚至可能导致机构不能工作。

　　整流后串联( 见图 1c) 模式可以在任何时刻有效利用两个线圈的感应电动势，但是当其中一个线圈的感应电动势不足以导通整流电路时，需要另外一个线圈的感应电动势来导通，所得到的电压比任何一个线圈的感应电动势要小。

　　整流后并联( 见图1d) 模式可以得到两个线圈中的最大感应电动势输出，为了保证得到较稳定的电压，所以采用先整流后并联连接模式。该模式不但适用于两个正交线圈，同样适用于三个相互正交的线圈。

　　2 二维无线能量传输系统

　　2. 1 二维无线能量耦合结构

　　系统从空间上的两个正交方向来接收能量，以此来提高系统传输功率的稳定性。设计铁芯尺寸为9mm × 6mm，如图 2a 所示。缠绕铜线为 0. 10mm ×3 的漆包线，分别在平面 YZ 和 XZ 绕制，匝数分别为15 匝和 14 匝，二维次级线圈的铁芯结构如图 2 所示。