Альтернативный источник энергии - биотопливные батареи

Введение

Обеспечение стабильного энергопотребления является одной из наиболее важных текущих задач в носимых и имплантируемых медицинских устройствах, которые связаны с анализом больших данных. Для решения данной проблемы было проведено достаточно много научных работ, которые касались разработки батарей, беспроводной подачи питания и сбора энергии. Хотя технические модернизации в этих областях имели высокие темпы развития, ни одно из усовершенствований полностью не удовлетворяла всем необходимым требованиям. Батареи непригодны для использования вблизи человеческого тела по соображениям безопасности. Несмотря на то, что в кардиостимуляторах обычно используются батарейки в оболочке, некоторые люди не хотят соглашаться с тем, что батарейки будут находиться в их организме из психологических причин. Кроме того, как правило, изготовление батареек в оболочке обходится дорого. Для беспроводной подачи энергии необходимо использовать большую антенну для приема энергии, при этом процесс сбора энергии является нестабильным для медицинских устройств. Кроме этого, для организации последних вариантов необходимы мощные приборы для управления питанием, такие как силовые приемники и преобразователи АС-DC и DC-DC, которые занимают большую площадь и имеют очень высокую цену.
Как альтернативный источник энергии, биотопливные батареи интенсивно применялись в таких областях, как одноразовые трансдермальные ионофорезные пластыри и интерфейсе мозг-машина. Биотопивные батареи безопасны, стабильны и не нуждается в антенне или преобразователе AC-DC. Кроме этого, величина энергии, получаемой от человеческого тела, может использоваться как биочувствительные данные, и, таким образом, электроды чувствительного элемента и внешний интерфейс становятся ненужными. Из всех биотопливных батарей наиболее перспективными являются органические биотопливные батареи, потому что они являются наиболее дешевыми и экологически чистыми, что позволяет использовать их в здравоохранении. Однако выходное напряжение питания биотопливной батареи обычно ниже, чем 0,4 В. Поэтому традиционные схемы не могут работать с биотопливными батареями без использования силовых схем управления. Таким образом, для работы без преобразователя необходимо разработать новую схему.
В данной работе будет проведен обзор статьи, которая посвящена описанию автономной энергочувствительной платформе биосенсора, которая работает на биотопливной батарее и низковольтном недорогом КМОП-управляемом кольцевом генераторе с индукционным передатчиком. Данная платформа предназначена для работы с медицинскими приложениями. Преимущество разработки, которая была осуществлена в данной работе, заключается в ее низкой стоимости и существенно меньших размерах.

1 Измерительно-питающая платформа биосенсора
1.1 Основные принципы
На рисунке 1 приведена принципиальная схема предлагаемой автономной энергочувствительной платформы биосенсора.


Рисунок 1 – Принципиальная схема платформы

Данная платформа состоит из трех основных частей:
- биотопливная батарея;
- кольцевой генератор управления питанием;
- инждукционный передатчик.
Отличие предложенной схемы от традиционных вариант заключается в следующем:
- отсутствуют силовые цепи питания, генераторы тактовой частоты и АЦП;
- используются цифровые кольцевые генераторы управления питанием;
- в схеме используется индукционный передатчик, который управляется током.
Данные изменения помогут существенно снизить:
- потребляемую мощность готового изделия;
- минимально допустимое рабочее напряжение;
- занимаемую площадь на кристалле.
При создании данной структуры использовались транзисторы с нулевым пороговым напряжением, благодаря чему конечное устройство может работать при величине напряжения ниже 0,4 В

. С целью снижения энергопотребления, в данной работе применялась импульсно-интервальная модуляция (см. рисунок 2).


Рисунок 2 – Импульсно-интервальная модуляция

1.2 Биотопливные батареи
В структуре разрабатываемой энергочувствительной платформы биосенсора, биотопливные батареи выполняют две функции:
- сбор энергии;
- внешний интерфейс.
Типовые биотопливные батареи могут выдавать величину напряжения питания, которая составляет менее 0,4 В. Таким образом, для того, чтобы реализовать автономную работу без использования больших и дорогих силовых схем управления, таких как повышающие преобразователи, цепи в устройстве должны сохранять работоспособность при величине напряжения, которая может составить менее 0,4 В.
В рамках проведения предварительного исследования, авторы работы выбрали фруктозный топливный элемент. Поскольку механизм выработки энергии в биотопливных элементах из фруктозы аналогичен механизму выработки энергии в топливных элементах из глюкозы и лактата, то проведенный предварительный эксперимент станет подспорьем для последующих опытов. В работе применялись следующие реакции:
- величина тока анода определяется концентрацией фруктозы;
- величина тока катода определяется концентрацией кислорода.
В качестве биотопливного элемента, который использовался при разработке платформы, применяется ферментативный топливным элемент. На рисунке 3 показано схематическое изображение механизма выработки энергии из данных элементов.


Рисунок 3 – Схематическое изображение механизма выработки энергии

Выбранные биотопливные элементы в данной работе являются полностью безопасными и наиболее пригодными для применения в медицинской технике.

1.3 Кольцевой генератор управления питанием
Для того, чтобы создать импульсно-интервальную модуляцию, напряжение питания должно быть смодулировано. Для этого в работе используются импульсные интервалы. Для того, чтобы платформа работала при низкой величине рабочего напряжения, в рамках проведенного эксперимента в схему устанавливается кольцевой генератор управления питанием. Он состоит из нормального кольцевого генератора с инвертором. В качестве инвертора применяется обычный логический элемент, который построен на основе одного n-МОП транзистора и одного p-МОП транзистора. Количество периодов кольцевого генератора управления питанием должно быть оптимизировано для того, чтобы он занимал наименьшую площадь на кристалле и имел наименьшее потребление.
Наиболее влияние на величину энергопотребления оказывает коэффициент заполнения, который в свою очередь, определяется выходной частотой кольцевого генератора. Также важным параметром является целевая частота генератора, которая должна быть несколько ниже его выходной частоты. В рамках выполнения данного исследования число периодов было выбрано равным 17.

1.4 Низковольтный индукционный передатчик
Беспроводной передатчик, используемый в данной работе, представляет собой индукционный передатчик, управление которым происходит за счет изменения величины тока. Никакой защиты передатчика в рамках данной разработки не предусмотрено.
На практике бесконтактная электрическая связь может быть получена двумя способами:
- созданием емкостной связи;
- созданием индуктивной связи.
На рисунке 4 схематично показаны принципы работы таких устройств.


Рисунок 4 – Принципы организации электрической беспроводной связи

На рисунке 5 приведено сравнение эффективности используемого метода получения электрической беспроводной связи с современными средствами бесконтактной связи