專利名稱：適于生物植入的電化學(xué)能量源和電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適于生物植入的電化學(xué)能量源。本發(fā)明還涉及適于生 物植入的電子裝置，所述裝置包括至少 一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量 源以及電連接到所述電化學(xué)能量源的至少一個(gè)電子組件。
背景技術(shù)：
在二十世紀(jì)，能量消耗急劇增加且存在不均衡的能量管理。而這 種需求增長并沒有緩和的跡象(尤其是發(fā)展國家中)，現(xiàn)在意識到不可 再生資源的短暫及對環(huán)境的不可逆轉(zhuǎn)的損害。另外，計(jì)算和通信裝置 有朝著微型化和便攜式發(fā)展的趨勢。這些能量需求應(yīng)用需要尤其在諸 如空間和探險(xiǎn)這樣遙遠(yuǎn)地點(diǎn)能夠長時(shí)間地維持操作的小且輕的電源。 再者，醫(yī)藥科學(xué)的進(jìn)步產(chǎn)生了越來越多的可植入電操作的裝置(例如， 起搏器)。這些項(xiàng)目需要在極長持續(xù)時(shí)間工作的電源，因?yàn)榫S護(hù)必須通 過外科手術(shù)來完成。理想地，可植入裝置將利用體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的自然燃料 物質(zhì)，因而只要人或動(dòng)物活著，將持續(xù)汲取功率。生物燃料電池潛在 地負(fù)責(zé)提供部分地克服這些問題的解決方案。通過將生物燃料電池植 入到活的人或動(dòng)物體內(nèi)，生物燃料電池將容易從可再生源汲取容易得 到的生物燃料，諸如從血流汲取葡萄糖，且將它們轉(zhuǎn)換成無危險(xiǎn)的副 產(chǎn)品，且產(chǎn)生電力。因?yàn)樯锶剂想姵厥褂没瘜W(xué)能的集中的可再生能 源，生物燃料電池通常具有相對高的能量密度和相對長的壽命，其結(jié) 果是生物燃料電池可以做得相對小和輕，因此理想地適于被植入到活 的人或動(dòng)物體內(nèi)。盡管已知的可植入生物燃料電池具有若干顯著優(yōu)點(diǎn)， 該已知生物燃料電池的應(yīng)用還具有若干缺點(diǎn)。已知的微型化生物燃料 電池的主要缺點(diǎn)是，其通常不能運(yùn)送用于向耦合到該生物燃料電池的 電子裝置供電所需的(峰值)功率。由于已知生物燃料電池的一般為 微瓦到毫瓦量級的相對小的功率輸出，因此當(dāng)前應(yīng)用的數(shù)目有限。
本發(fā)明的目的是提供一種改善的可植入電化學(xué)能量源，用其可以 獲得改善的功率輸出。

發(fā)明內(nèi)容
該目的可以通過提供根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源來實(shí)現(xiàn)，該電化
學(xué)能量源包括襯底；沉積在所述襯底上的至少一個(gè)電池疊層(battery stack),該電池疊層包括第一電池電極，第二電池電極，以及分離該 第一電池電極和該第二電池電極的中間固態(tài)電解質(zhì)；以及沉積在所述 襯底上的至少一個(gè)生物燃料電池，該生物燃料電池包括生物燃料電 池陽極，生物燃料電池陰極，并且所述生物燃料電池陽極和所述生物
電解質(zhì)腔而被分離。該電化學(xué)能量源可以被視為微型化的生物可植入 混合能量源，其中使用該生物燃料電池，化學(xué)能被轉(zhuǎn)換為電能，該電 能然后被存儲在能夠運(yùn)送所需的峰值功率的可充電電池疊層中。該電 池疊層和該生物燃料電池二者集成地沉積到相同的支撐襯底上，其結(jié) 果是，根據(jù)本發(fā)明的集成的電化學(xué)能量源的設(shè)計(jì)通常容易優(yōu)化。因?yàn)?全固態(tài)電池疊層的功率密度相對高，相對小的電池疊層通常已經(jīng)適于 滿足功率要求。因?yàn)殡姵丿B層包括固態(tài)電解質(zhì)，因此可以消除電解質(zhì) 的泄漏(通常在液態(tài)電解質(zhì)的情況下發(fā)生)。再者，通過在電池疊層中 應(yīng)用固態(tài)電解質(zhì)，電池疊層的劣化可以被抵消，因?yàn)樵摿踊话銓⑹?反應(yīng)物和液態(tài)電解質(zhì)之間的寄生反應(yīng)的結(jié)果。生物燃料電池的生物燃 料/電解質(zhì)腔用于體液的流通，其結(jié)果是生物燃料/電解質(zhì)的含量將連續(xù) 再生(更新)。因此，對于該生物燃料電池而言，生物燃料和電解質(zhì)具 有基本無窮無盡的儲藏，以允許實(shí)現(xiàn)電能的連續(xù)產(chǎn)生，因此允許電能 到電池疊層的持久存儲。用于該生物燃料電池的能量可以通過用作生 物燃料的葡萄糖和用作氧化劑的氧氣供給，這些化合物在體液中均是 充裕的。電解質(zhì)將通過體液的其他部分(諸如血漿)形成。然而，應(yīng) 當(dāng)注意，生物燃料電池可以針對諸如酒精或甚至廢物材料等各種(其 他)可用燃料工作。再者，生物燃料電池的應(yīng)用可以導(dǎo)致質(zhì)子交換膜 (PEM)的消除，因?yàn)橛捎谑褂玫奶囟?生物)催化劑的應(yīng)用，該生 物燃料電池陽極和該生物燃料電池陰極不需要分離?？蛇x地，分離的 固態(tài)電解質(zhì)，例如PEM，可以沉積在該生物燃料電池陽極和該生物燃 料電池陰極之間，進(jìn)入到生物燃料/電解質(zhì)腔中。然而，期望活性物質(zhì) 將通過(相對低電阻的)體液而不是通過(通常相對高阻抗的)電解質(zhì)傳輸。因此，優(yōu)選地，應(yīng)用液態(tài)電解質(zhì)，且更優(yōu)選地，應(yīng)用體液。
根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源例如可用于對諸如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS ) 這樣的生物可植入微裝置以及諸如心臟起搏器、傳感器、去纖顫器、 疼痛舒緩刺激器、微觀無線通信裝置等可植入生物醫(yī)學(xué)裝置供電。
該第一電池電極優(yōu)選地包括電池陽極，且該第二電池電極優(yōu)選地 包括電池陰極。通常，電池陽極和電池陰極在向襯底沉積疊層的過程 中沉積。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明能量源的至少一個(gè)電池電極用于存儲下 面元素中至少之一的活性物質(zhì)氫(H)、鋰(Li)、鈹(Be)、鎂(Mg)、鋁(A1)、 銅(Cu)、銀(Ag)、鈉(Na)和鉀(K)、或分配到元素周期表的第l族和第2 族的其他合適元素。所以，根據(jù)本發(fā)明的能量系統(tǒng)的電化學(xué)能量源可
以基于各種插入機(jī)制且因此適于形成不同種類的電池，例如，鋰離子 電池，NiMH電池等。在優(yōu)選實(shí)施例中，至少一個(gè)電池電極，更優(yōu)選 地電池陽極，包括下面材料中至少之一C、 Sn、 Ge、 Pb、 Zn、 Bi、 Sb、 Li以及優(yōu)選摻雜的Si。這些材料的組合還可以用于形成(多個(gè)) 電池電極。優(yōu)選地，n型或p型摻雜Si，或者像SiGe或SiGeC這樣的 摻雜Si相關(guān)的化合物，用作電池電極。而且，倘若電池電極的材料被 用于上述反應(yīng)物質(zhì)的插入和存儲，其他合適的材料，優(yōu)選地，分配到 元素周期表第12至16族之一的任意其他合適元素，也可用作電池陽 極。前述材料尤其適于在鋰離子電池中應(yīng)用。在應(yīng)用氫基能量源的情 況下，電池陽極優(yōu)選地包括氫化物形成材料，諸如ABs型材料，尤其 是LaMs,以及諸如鎂基合金，尤其是MgxTi^。
用于鋰離子基能量源的電池陰極優(yōu)選地包括至少一種金屬氧化物 基材料，例如，LiCo02、 LiNi02、 LiMn02或這些材料的組合，例如 Li(NiCoMn)02。在氫基能量源的情況下，電池陰極優(yōu)選地包括Ni(OH)2 和/或NiM(OH)2，其中，M由選自例如Cd、 Co或Bi的一種或多種元 素形成。
在根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源的優(yōu)選實(shí)施例中，生物燃料電池陽 極和生物燃料電池陰極中至少之一 包括至少 一種催化劑，優(yōu)選地至少 一種生物催化劑。 一般將需要催化劑以允許燃料電池內(nèi)或燃料電池上 的特定(電)化學(xué)反應(yīng)，以產(chǎn)生電能。使用的催化劑可以是非生物化 合物，例如，鉑、釕、銠或任意其他合適的材料。然而，本領(lǐng)域技術(shù) 人員還可以想到應(yīng)用選擇性生物催化劑以允許所需的化學(xué)反應(yīng)。 一般
7而言，基于生物催化劑的生物燃料電池分為兩個(gè)不同的類別；利用活 細(xì)胞(微生物燃料電池)的化學(xué)路徑，以及采用隔離的酶。微生物燃 料電池可以在化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)換方面實(shí)現(xiàn)高效率；然而，與該方法
越細(xì)胞;的緩慢質(zhì)量傳遞導(dǎo)致的4氐功率密度。對于燃料電池而;，由 于其高催化活性和選擇性，隔離的酶是有吸引力的催化劑。通過使用 活性為103 U mg-l的酶催化劑能夠產(chǎn)生的理論電流為1.6安培，催化 率大于鉑。在尤其優(yōu)選的實(shí)施例中，生物燃料電池陽極和生物燃料電 池陰極中至少一個(gè)包括其上沉積至少一種選擇性(生物)催化劑的自 組裝單層(SAM )。自組裝單層(SAM )是由村底上的單層分子組成的 表面。不必使用諸如化學(xué)氣相沉積或分子束外延這樣的技術(shù)將分子添 加到表面(通常在分子層的厚度上具有不良的控制)上，SAM可以通 過在襯底表面添加所需分子的溶液且清洗多余物相對簡單和快速地制 備。除了 SAM的相對簡單和快速的沉積工藝之外，SAM的應(yīng)用導(dǎo)致 根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源中所使用材料的最小化，這將有利于能量 源的緊湊的尺寸。而且，SAM—般理想地適于以可持續(xù)方式粘合(錨 定)(生物)催化劑到襯底。
優(yōu)選地，該生物燃料電池陽極和該生物燃料電池陰極均包括生物 燃料電池集流器。還優(yōu)選地，該第一電池電極和該第二電池電極均包 括電池集流器。通過該集流器，該生物燃料電池和該電池疊層一般相 互連接。通常，生物燃料電池和電池疊層的集流器將分別經(jīng)由一個(gè)或 多個(gè)電子組件相互連接，該一個(gè)或多個(gè)電子組件能夠控制從該生物燃 料電池到該電池疊層的電能的傳輸。優(yōu)選地，該至少一個(gè)集流器優(yōu)選 由至少一種下述材料形成Al、 Ni、 Pt、 Au、 Ag、 Cu、 Ta、 Ti、 TaN 和TiN。其他類型的集流器，諸如Si、 GaAs、 InP這樣的優(yōu)選摻雜的 半導(dǎo)體材料也可以應(yīng)用為集流器。沉積在該電池疊層的電池陽極和襯 底之間的電子傳導(dǎo)阻擋層可用作該電池陽極的電池集流器。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該電池疊層和該生物燃料電池沉積在襯底的不 同側(cè)上，以使得該電池疊層和該生物燃料電池通過該襯底物理分離。 該電池疊層和該生物燃料電池在村底的不同側(cè)上(或者在相同側(cè)彼此 分離)的沉積可利于該電池疊層和該生物燃料電池中至少之一的沉積 處理。在備選的優(yōu)選實(shí)施例中，該生物燃料電池和該電池疊層可以彼此連續(xù)堆疊，其中生物燃料電池堆疊在電池疊層頂部或相反。根據(jù)該 實(shí)施例，沉積在生物燃料電池和電池疊層之間的電絕緣分離層的應(yīng)用 一般是需要的，以防止兩個(gè)電源之間的短路。更優(yōu)選地，還應(yīng)用該分 離層以化學(xué)地分離這兩個(gè)電源。
如前所述，該電池疊層通過擴(kuò)散阻擋層從該村底分離。為了防止 生物燃料電池的短路，襯底優(yōu)選地配置有分離襯底和生物燃料電池的 至少一個(gè)電絕緣層。該電隔離層優(yōu)選地由氧化物，更優(yōu)選地由氧化鉿、 氧化硅和/或氧化鋯形成。
該電化學(xué)能量源優(yōu)選地包括至少部分地覆蓋該電池疊層和/或生物 燃料電池的保護(hù)封裝。該保護(hù)封裝主要用于保護(hù)該電池疊層和/或生物 燃料電池。如果電池疊層被該保護(hù)封裝屏蔽，所述封裝將優(yōu)選地進(jìn)一 步用于保全該疊層內(nèi)的活性物質(zhì)和/或用于防止環(huán)繞封裝的諸如氧氣和 氮?dú)膺@樣的氛圍化合物進(jìn)入疊層，以保護(hù)該疊層，從而確保根據(jù)本發(fā) 明的電化學(xué)能量源的長期性能。在本語境中，廣義地，表述的氛圍必 須被考慮，且可以理解為地球(氣體)氛圍和(活)體內(nèi)的局部氛圍。 在尤其優(yōu)選的實(shí)施例中，生物燃料電池基本被保護(hù)封裝覆蓋，其中該 保護(hù)封裝配置有用于生物燃料/電解質(zhì)的至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出 口。采用這樣的方式，生物燃料電池，尤其是生物燃料電池陽極和生 物燃料電池陰極，可以被保護(hù)以防止其受生物燃料電池周圍氛圍的影 響。優(yōu)選地，保護(hù)封裝的至少一部分由電絕緣材料形成以防止經(jīng)由該 保護(hù)封裝的電化學(xué)能量源的短路。
優(yōu)選地，該電化學(xué)能量源包括沉積在襯底和電池疊層之間的至少 一個(gè)阻擋層，該阻擋層用于至少基本上阻止電池疊層的活性物質(zhì)向所 述襯底的擴(kuò)散。該阻擋層優(yōu)選地由電子傳導(dǎo)材料形成。該阻擋層優(yōu)選
地至少基本由下述化合物中至少之一形成鉭、氮化鉭、鈦和氮化鈦。 然而該阻擋層的材料不限于這些化合物。這些化合物具有這樣的共同 特性其具有對于例如鋰(離子)的插入物質(zhì)而言是不可滲透的較致 密結(jié)構(gòu)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，(多個(gè))襯底由至少一種下述材料形成C、 Si、 Sn、 Ti、 Ge、 Al、 Cu、 Ta和Pb。這些材料的組合也可以用于形成(多 個(gè))村底。優(yōu)選地，n型或p型摻雜Si或Ge,或者像SiGe或SiGeC 這樣摻雜的Si相關(guān)和/或Ge相關(guān)化合物，用作襯底。其上沉積了疊層的襯底表面可以基本平坦以獲得基本平面疊層，或者可以被圖形化(通 過彎曲襯底和/或?yàn)橐r底提供溝槽、孔洞和/或柱子)以獲得三維取向電 池疊層和/或生物燃料電池。應(yīng)用三維取向疊層的優(yōu)點(diǎn)是電池疊層的兩
常，根據(jù)本發(fā)明能量源的組件之間的(多個(gè))接觸表面的這種增大導(dǎo) 致該能量源提高的額定容量，且因此提供更佳的電池性能(由于能量 源的層的接觸表面區(qū)域的最佳利用)。這樣，該能量源中的功率密度和
能量密度(印跡/cm2)可以最大化并因此最優(yōu)化。優(yōu)選地，該襯底的至 少一個(gè)圖形化表面配置有多個(gè)腔體，其中電池疊層的至少一部分和/或 生物燃料電池的至少一部分被沉積到所述腔體中。圖形的性質(zhì)、形狀 和尺度可以是任意的，不過優(yōu)選地是規(guī)則的，更優(yōu)選地，由可以以相 對精確的方式應(yīng)用的柱子、溝槽、狹縫或孔洞形成。這樣，該電化學(xué) 能量源的增強(qiáng)性能還可以以相對精確的方式預(yù)判。
本發(fā)明還涉及一種生物可植入電子裝置，該裝置配置有至少一個(gè) 本發(fā)明的電化學(xué)能量源以及連接到所述電化學(xué)能量源的至少一個(gè)電子 組件。微型化的電子裝置例如可以由微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、心臟起搏 器、傳感器、去纖顫器、疼痛舒緩刺激器以及微觀通信裝置形成。應(yīng) 當(dāng)清楚，這種列舉不應(yīng)被視為限制性。該至少一個(gè)電子組件優(yōu)選地至 少部分地嵌入到該電化學(xué)能量源的襯底中。采用這樣的方式，可以實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)級封裝(SiP)。在SiP中，諸如集成電路(IC)、致動(dòng)器、傳感 器、接收器、發(fā)射器等一個(gè)或多個(gè)電子組件和/或裝置，至少部分地嵌 在根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源的襯底內(nèi)。該至少 一個(gè)電子組件優(yōu)選地 選自由傳感裝置、疼痛舒緩刺激器、(無線)通信裝置以及致動(dòng)裝置組 成的組。還可以在需要時(shí)添加一個(gè)或多個(gè)電容器以增加功率輸出。


本發(fā)明通過下面非限制性示例闡述，附圖中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明電化學(xué)能量源的第一實(shí)施例的示意性截面
圖，
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明電化學(xué)能量源的第二實(shí)施例的示意性截面
圖，圖3示出了根據(jù)本發(fā)明電化學(xué)能量源的第三實(shí)施例的透視圖，
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明電化學(xué)能量源的第四實(shí)施例的透視圖，以
及
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明電化學(xué)能量源的第五實(shí)施例的示意圖.
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的單片生物可植入電化學(xué)能量源1的第一 實(shí)施例的示意性截面圖。該微型化能量源1包括電池陽極3、固態(tài)電解 質(zhì)4以及電池陰極5的鋰離子電池疊層2，該電池疊層2沉積到嵌入了 一個(gè)或多個(gè)電子組件7的導(dǎo)電襯底6上。在該示例中，襯底6由摻雜 硅形成，而電池陽極3由非晶硅(a-Si)形成。陰極5由LiCo02形成， 且固態(tài)電解質(zhì)由LiPON形成。在電池疊層2和村底6之間，鋰阻擋層 8沉積到襯底6上。在該示例中，鋰擴(kuò)散阻擋層8由鉭形成。導(dǎo)電鉭層 8用作化學(xué)阻擋，因?yàn)樵搶臃乐闺姵丿B層2最初包含的鋰離子(或其他 活性物質(zhì))擴(kuò)散到襯底6內(nèi)。如果鋰離子離開電池疊層2且進(jìn)入襯底6， 疊層2的性能將受影響。而且，這種擴(kuò)散將嚴(yán)重影響嵌入在襯底6中 的(多個(gè))電子組件7。在該示例中，鋰擴(kuò)散阻擋層8還在電化學(xué)能量 源1中用作電池陽極3的電池集流器。能量源1還包括由沉積在電池 疊層2的頂部且尤其是沉積在電池陰極5頂部上的鋁形成的附加電池 集流器9。可植入能量源1還包括沉積到襯底6上的燃料電池10。該 燃料電池10包括配置有陽極催化層12的燃料電池陽極11以及配置有 陰極催化層14的燃料電池陰極13，其中燃料電池陽極11和燃料電池 陰極13之間的空間形成燃料電池/電解質(zhì)腔15。該燃料電池/電解質(zhì)腔 15用于接收諸如血液的體液16。催化層12、 14用于將特定反應(yīng)物轉(zhuǎn) 換為特定反應(yīng)產(chǎn)物，且由此將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。在所述實(shí)施例中， 燃料電池10代表氧葡萄糖(oxyglucose)細(xì)胞，其將依賴于如下電化 學(xué)過程，其中在工作中，根據(jù)下面方程式，葡萄糖在燃料電池陽極11 被氧化且分子氧氣在燃料電池陰極13被還原
C6H1206 + 6H20—6C02 + 24H+ + 24e_(陽極)
602 + 12H20 + 24e-—240H_(陰極)
燃料電池10和襯底6通過優(yōu)選地由氧化物形成的電絕緣分離層17 分離，以防止燃料電池10的短路。燃料電池陽極11和燃料電池陰極13二者均用作燃料電池集流器。所有的集流器8、 9、 11、 13耦合到嵌 入在襯底6中的一個(gè)或多個(gè)電子組件7 (示意性示出)。在圖l中，清 晰地示出電池疊層2和燃料電池10沉積在襯底6的相對側(cè)上，因而沉 積在襯底6的不同側(cè)上。在根據(jù)本發(fā)明的可植入電化學(xué)能量源1的工 作過程中，體液16內(nèi)存儲的化學(xué)能通過燃料電池10轉(zhuǎn)換成電能且然 后經(jīng)由(多個(gè))電子組件7被存儲在電池疊層2中以能夠運(yùn)送相對高 的(峰值)功率輸出。電化學(xué)能量源1可以植入在人或動(dòng)物身體內(nèi)。 一般地，能量源l被植入到活體中以監(jiān)控或模擬某些生物過程。然而， 還可以想到在死體中植入電化學(xué)能量源1。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源18的第二實(shí)施例的示意性 截面圖。圖2中示出的電化學(xué)能量源18基本類似于根據(jù)圖1的電化學(xué) 源1?？芍踩肽芰吭?8包括電池陽極20、固態(tài)電解質(zhì)21和電池陰極 22的薄膜電池疊層19，該電池疊層19沉積在嵌入了一個(gè)或多個(gè)電子 組件24的導(dǎo)電襯底23上。在電池疊層19和襯底23之間，用于活性物 質(zhì)的阻擋層25沉積到襯底6上。在該示例中，擴(kuò)散阻擋層25還用作 電化學(xué)能量源18中的電池陽極20的電池集流器。附加的電池集流器 26沉積在電池疊層19的頂部，且尤其是電池陰極22的頂部。該可植 入能量源18還包括沉積且實(shí)際堆疊在電池疊層23頂部上的燃料電池 27。該燃料電池27和電池疊層23通過分離層28相互分離。燃料電池 27包括配置有陽極催化層30的燃料電池陽極29以及配置有陰極催化 層32的燃料電池陰極31,其中燃料電池陽極29和燃料電池陰極31之 間的空間形成用于接收體液34的燃料電池/電解質(zhì)腔33。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源35的第三實(shí)施例的透視 圖。與圖l和圖2分別示出的電化學(xué)能量源1、 18對照，圖3中示出的 電化學(xué)能量源35包括一側(cè)圖形化的襯底36，其中電池疊層37沉積在 襯底36的圖形化側(cè)36a上，且其中燃料電池38沉積在襯底36的基本 平面?zhèn)?6b上。電池疊層37和襯底36通過用于活性物質(zhì)的阻擋層39 相互分離。在該示例中，阻擋層39還用作陽極集流器。電池疊層37 包括陽極40、固態(tài)電解質(zhì)41和陰極42。陰極42連接到陰極集流器43。 襯底36的圖形化側(cè)36a包括其中沉積了電池疊層37的多個(gè)狹縫44， 以增加所述層40、 41、 42之間(和內(nèi)的)的接觸面，且因此增強(qiáng)電池 疊層37的性能。燃料電池38包括催化活性燃料電池陽極45和布置在燃料電池陽極45 —定距離的催化活性燃料電池陰極46。燃料電池陽極 45和燃料電池陰極46之間的空間用作用于接收體液(未示出)的接收 腔，該體液兼用作生物燃料和催化劑。應(yīng)用可植入混合電化學(xué)能量源 的優(yōu)點(diǎn)已在上面以全面的方式闡述。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的生物可植入電化學(xué)能量源47的第四實(shí)施 例的透視圖。能量源47包括雙側(cè)圖形化的襯底48。襯底48的第一圖 形化側(cè)48a相繼被用于阻隔活性物質(zhì)的阻擋層49和電池疊層50(示意 性示出)覆蓋。襯底48的第二圖形化側(cè)48b相繼被電絕緣層51和燃 料電池52覆蓋。電池疊層50和燃料電池52優(yōu)選地分別構(gòu)造成類似于 圖1中所示的電池疊層2與燃料電池10。通過應(yīng)用沉積到襯底的圖形 化側(cè)48a、 48b的電池疊層50和燃料電池52，電池疊層50和燃料電池 52 二者的性能可以顯著改善。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源53的第五實(shí)施例的示意 圖。電化學(xué)能量源53適于生物植入，且包括襯底54，該襯底頂部應(yīng)用 了電子組件55以形成電子裝置。這種構(gòu)造也被稱為系統(tǒng)級封裝(SiP )。 電子裝置55由電化學(xué)能量源53供電，該電化學(xué)能量源53還包括微電 池疊層56和間接連接到微電池疊層56的燃料電池57。微電池疊層56 和燃料電池57二者均沉積在襯底54上，且被保護(hù)封裝58屏蔽。保護(hù) 封裝58優(yōu)選地由至少一種絕緣材料形成，且可以包括交替層的堆疊， 所述交替層中的每一層由選自以下材料組的至少一種材料形成金屬、 聚合物和硅質(zhì)化合物。可以在保護(hù)封裝58的疊層中應(yīng)用的交替層的示 例是所謂的NONON層配置，其由以交替方式彼此連續(xù)沉積的氮化硅 (N)和氧化硅(O)層組成。該堆疊通常還將包括金屬層，該金屬層 對于氛圍化合物以及對于微電池疊層56包含的遷移活性物質(zhì)通常基本 都是不可滲透的。該保護(hù)封裝58配置有入口 59和出口 60以允許體液 -兼用作生物燃料和催化劑-連續(xù)流過燃料電池57以用于為所述燃料 電池57添加燃料。
應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例是解釋而非限制本發(fā)明，且在不背離所附 權(quán)利要求的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)許多備選實(shí)施 例。在權(quán)利要求中，置于括號中的任意參考符號不應(yīng)被理解為限制了 權(quán)利要求。動(dòng)詞"包括"及其變形的使用不排除權(quán)利要求未陳述的那些 元件或步驟的存在。元件前的冠詞'一，或"一個(gè)"不排除多個(gè)這種元件的存在。在互不相同的從屬權(quán)利要求中陳述某些措施的純粹事實(shí)并不表 示這些措施的組合不能被有利地使用。
權(quán)利要求
1.適于生物植入的電化學(xué)能量源，包括襯底；和沉積在所述襯底上的至少一個(gè)電池疊層，該電池疊層包括第一電池電極，第二電池電極，以及分離該第一電池電極和該第二電池電極的中間固態(tài)電解質(zhì)；以及沉積在所述襯底上的至少一個(gè)生物燃料電池，該生物燃料電池包括生物燃料電池陽極，生物燃料電池陰極，并且所述生物燃料電池陽極和所述生物燃料電池陰極通過用于接收外部供應(yīng)的生物燃料/電解質(zhì)的生物燃料/電解質(zhì)腔而被分離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該第一電 池電極包括電池陽極，和/或該第二電池電極包括電池陰極。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該電池陽 極和該電池陰極用于存儲至少一種下述元素的活性物質(zhì)H、 Li、 Be、 Mg、 Cu、 Ag、 Na和K。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該電 池陽極和該電池陰極中至少一個(gè)由至少一種下述材料形成C、 Sn、 Ge、 Pb、 Zn、 Bi、 Li、 Sb和優(yōu)選摻雜的Si。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)能量源，其特征在于， 該生物燃料電池陽極和該生物燃料電池陰極中至少之一包括至少一種 催化劑，優(yōu)選地至少一種生物催化劑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該生物燃 料電池陽極和該生物燃料電池陰極中至少一個(gè)包括其上沉積了至少一 種催化劑的自組裝單層(SAM)。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，器。
、 、 、 "
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)能量源，其特征在于， 該第一電池電極和該第二電池電極均包括電池集流器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該至 少一個(gè)集流器由至少一種下述材料形成Al、 Ni、 Pt、 Au、 Ag、 Cu、 Ta、 Ti、 TaN和TiN。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)能量源，其特征在 于，該電池疊層和該生物燃料電池沉積在該襯底的不同側(cè)上。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)能量源，其特征在 于，該生物燃料電池和該電池疊層彼此連續(xù)堆疊。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)能量源，其特征在 于，所述襯底配置有分離該襯底和該生物燃料電池的至少一個(gè)電絕緣 層。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)能量源，其特征在 于，該電化學(xué)能量源包括至少部分覆蓋該電池疊層和/或該生物燃料電 池的保護(hù)封裝。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該生物 燃料電池基本被該保護(hù)封裝覆蓋，其中該保護(hù)封裝配置有用于該生物 燃料/電解質(zhì)的至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的電化學(xué)能量源，其特征在于， 該保護(hù)封裝的至少一部分由電絕緣材料形成。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)能量源，其特征在 于，該電化學(xué)能量源還包括布置在該襯底和該電池疊層之間的至少一 個(gè)電子傳導(dǎo)阻擋層，該阻擋層用于至少基本阻止該電池疊層的活性物 質(zhì)擴(kuò)散到所述襯底內(nèi)。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)能量源，其特征在 于，該至少一個(gè)阻擋層由至少一種下述材料形成Ta、 TaN、 Ti和TiN。
18. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)能量源，其特征在 于，該襯底至少部分地由選自下述組的至少一種材料形成C、 Si、 Sn、 Ti、 Ge、 Al、 Cu、 Ta和Pb。
19. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電化學(xué)能量源，其特征在 于，該襯底配置有至少一個(gè)圖形化表面，該電池疊層和/或該生物燃料 電池沉積到該圖形化表面上。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該襯底 的該至少一個(gè)圖形化表面配置有多個(gè)腔體，其中該電池疊層的至少一 部分和/或該生物燃料電池的至少一部分被沉積到所述腔體中。
21. 根據(jù)權(quán)利要求所述的電化學(xué)能量源，其特征在于，該腔體的 至少一部分形成柱子、溝槽、狹縫或孔洞。
22. 用于生物植入的電子裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1至21中一項(xiàng) 所述的電化學(xué)能量源以及連接到所述電化學(xué)能量源的至少一個(gè)電子組 件。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的電子裝置，其特征在于，該至少一個(gè) 電子組件至少部分地嵌入在該電化學(xué)能量源的襯底中。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的電子裝置，其特征在于，該至 少一個(gè)電子組件選自由檢測裝置、疼痛舒緩刺激裝置、通信裝置以及 致動(dòng)裝置組成的組。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22至24中一項(xiàng)所述的電子裝置，其特征在于， 該電子裝置和該電化學(xué)能量源形成系統(tǒng)級封裝(SiP)。
全文摘要
本發(fā)明涉及適于生物植入的電化學(xué)能量源，該電化學(xué)能量源包括可充電電池和生物燃料電池。本發(fā)明還涉及適于生物植入的電子裝置，所述裝置包括至少一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)能量源以及電連接到根據(jù)本發(fā)明的所述電化學(xué)能量源的至少一個(gè)電子組件。
文檔編號H01M16/00GK101517803SQ200780035090
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月20日
發(fā)明者J·H·G·奧普赫特維爾德, P·H·L·諾滕, R·A·H·尼森, R·H·W·皮南伯格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司