遥控释药胶囊微点火电路的设计与仿真.pdf

2 0 1 2年 第3 1卷 第 1 2期 传感器与微系统 T r a n s d u c e r a n d Mi c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 1 1 1 遥控释药胶囊微点火电路的设计与仿真 李双双 ， 刘洪英 ， 皮喜田 ， 任春辉 1 ． 重庆大学 生物工程学 院。 重庆 4 0 0 0 3 0 ； 2 ． 重庆大学 新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室， 重庆 4 0 0 0 3 0 摘要介绍了用于遥控释药胶囊的微点火电路设计。采用微气体传感器 中的膜式结构， 通过有限元分 析工具 A N S Y S 1 2 ． 1 对不同参数的点火电路进行仿真 ， 分析比较了不同点火电阻器线宽和间距的温度场 分布， 当点火电阻器的线宽为2 0 Ix m、 间距为1 0 m时， 中心有效区域的温度分布比较均匀且功耗最低。当 点火时间为 0 ． 0 5 S ， 点火温度为 3 7 5℃， 点火功率为 2 O m W 时， 结果表明 设计 的微点火电路功耗低至 2 0m W， 满足了低功耗的要求， 提高了遥控释药胶囊的整体性能。 关键词微点火电路； 膜式结构 ； 有限元分析；遥控释药胶囊 中图分类号R 3 1 8 ． 0 8 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 - - 9 7 8 7 2 0 1 2 1 2 - 0 1 1 1 - - 0 3 De s i g n a nd s i mu l a t i o n 0 f mi c r o ． i g n i t i o n c i r c u i t l n r e m 0t e c o nt r o l l e d c a ps ul e ● J l l ’ L I S h u a ng s h u a n g ，L I U Ho n g y i n g ，PI Xi - t i a n ’ ，REN Ch un h ui 1 ． S c h o o l o f B i o e n g i n e e r i n g ， Ch o n g q i n g U n i v e r s i t y ， Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 0 ， C h i n a ； 2 ． Ke y L a b o r a t o r i e s f o r Na ti o n a l De f e n s e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f I n n o v a t i v e Mi c r o - Na n o De v i c e s a n d S y s t e m Te c h n o l o g y ， Ch o n g q i n g Un i v e r s i t y， Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 0， Ch i n a Ab s t r a c t A mi c r o i g n i t i o n c i r c u i t d e s i g n o f r e mo t e c o n t r o l l e d c a p s u l e i s d e s c r i b e d ． T h e mi c r o i g n i t i o n c i r c u i t u t i l i z e s t h e me mb r a n e s t r u c t u r e o f mi c r o s t r u c t u r e g a s s e n s o r ． T h e t e mp e r a t u r e fie l d d i s t r i b u t i o n wi t h d i f f e r e n t w i d t h a n d d i s t a n c e t h r o u g h t h e fin i t e e l e me n t a n a l y s i s t o o 1 AN S YS 1 2 ． 1 a r e a n a l y z e d a n d c o mp a r e d ． W h e n t h e w i d t h a n d d i s t a n c e o f i g n i t i o n r e s i s t a n c e are d e s i g n e d a s 2 0 m a n d 1 0 Ix m ， t h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e c e n t e r o f t h e a c t i ve a r e a t e mpe r a t u r e d i s t r i b ut i o n i s un i f o r m a n d t he p o we r c o n s u mpt i o n i s ．t h e l o we s t ． W h e n t h e i g n i t i o n t i me i s 0 ． 0 5 S a n d t h e i g n i t i o n t e mp e r a t u r e i s 3 7 5℃ ． t h e i g n i t i o n p o we r i s o n l y 2 0 mW ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p o w e r c o n s u mp t i o n o f t h e mi c r o i gn i t i o n c i r c u i t c a n b e r e d u c e d t o 2 0 mW．I t me e t s r e q u i r e me n t s o f l o w p o w e r c o n s u mp t i o n a n d i mp r o v e s t h e o v e r a l l p r o p e r t i e s o f r e mo t e c o n t r o l l e d c a p s u l e ． Ke y wo r d s mi c r o i g n i t i o n c i r c u i t ；me m b r a n e s t r u c t u r e ；fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s F E A ；r e m o t e c o n t r o l l e d c a p s u l e R C C 0引 言 遥控释药胶囊 r e m o t e c o n t r o l l e d c a p s u l e ， R C C 是 近年来获取胃肠道药物吸收特征的重要新技术之～ ， 基于 遥控释药胶囊的胃肠道局部药物吸收研究对新药开发和药 物传输技术具有重要的指导意义。目前 ， 应用于临床的遥 控释药胶囊无法完成主动完全释药， 造成药物吸收数据有 偏差。因此， 随着微推进技术的迅猛发展 ， 本文提出将 微推进器应用于遥控释药胶囊的设计思路， 实现遥控释药 胶囊主动完全释药。由于胶囊的体积有限， 容纳电源的空 间非常小， 故要求微推进器具有高效率的电热转换效率， 一 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 4 - 2 5 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 8 1 1 0 1 1 7 2 般要求功耗在 1 0 0 mW 以内， 而功耗的高低主要取决于点 火电路的设计。目前所研制的点火 电路， 系统功耗高达 1 6 6 mW l 5 J ，主要原因是点火电路工作时有效中心区域的 温度分布不均匀， 使得推进剂的燃烧不充分， 热量的散失较 大， 造成遥控释药胶囊释药不完全 ， 功耗过大。 鉴此， 本文提出了将应用于微气体传感器中的膜式结 构 用于微点火电路， 并通过 A N S Y S有限元仿真软件对 微点火电路的温度分布进行模拟分析， 为点火电路的结构 设计提供理论指导。 1 微点火 电路 的结构设计 微点火电路的组成包括 电路层 、 点火 电阻、 导线及焊 1 1 2 传 感 器 与 微 系 统 第 3 1卷 盘。设计时需重点考虑点火电阻器热量的散失。减少点火 电阻器热量散失主要有两方面 一是通过降低电路层的导 热性 ， 二是通过减少点火电阻器与电路层的直接接触。基 于以上考虑 ， 本文选择广泛应用于微气体传感器中的膜式 结构， 点火电路的结构示意图如图 l所示。倒杯状的结构 设计 ， 减少了点火电阻器与电路层的直接接触， 从而降低了 热量的散失。同时， 电路层选用 S i O 。 - S i - S i O 。相间的方式， 因 S i O 的导热性差， 点火 电阻器与其接触时热量不易散 失， 能够保证推进剂充分燃烧， 提高了热量的利用率， 降低 了功耗。点火电阻器选用金属 c r ， c r 的耐热性强， 且储量 丰富， 价格便宜。此外 ， 为了进一步减少热能损耗， 发热单 元与电路的连接采用硅铝键合丝连接。图2为微点火电路 的正面俯视图， 中间部分为微点火电阻器， 为点火电路提供 热量， 使其达到一定的温度能够引爆推进剂， 从而产生气体 推动胶囊释药， 两边的2个矩形为2个管脚， 用来同外围电 路连接。 C r 点火电阻器 s j o一 图 1 微点火 电路结构示意图 Fi g 1 S t r u t ur e d i a g r a m o f mi c r o - i g n i tio n c i r c u i t 一 图2微点火电阻器的正面俯视图 F i g 2 To p v i e w o f mi c r o- i g n i t i o n r e s i s tan c e 2 不 同点火 电阻器线宽和间距对点火电路的影响 点火电阻器是点火电路中最重要也是制造工艺最复杂 的部分， 点火电路能否正常工作主要取决于点火电阻器。 不同的点火电阻器线宽和间距产生的温度场分布不相同。 点火电路温度场分布的理想状态是中间高温部分均匀分 布， 有利于推进剂的充分燃烧， 一般情况下， 推进剂燃烧释 放气体从而推动胶囊内部药物释放所需要的温度为3 0 0 4 0 0℃； 外围部分保持低温状态， 是系统达到低功耗的必要 条件。因此， 本文对点火电阻器的线宽、 间距进行了不同的 设定， 具体参数如表 l 所示。分别对其产生的温度分布进 行了模拟和分析， 其中， 点火电阻器的生热率设为 2 ． 2 7 1 0“ W／m ，空气的对流换热系数为 l 0 W／ m ℃ ， 空气 温度为3 7 ℃。模拟和分析结果如图3所示。 表 1 四种点火电阻器 的设计参数 Ta b 1 De s i g n p a r a m e t e r s o f f o ur k i n ds o f i g ni ti o n r e s i s t o r s 电阻器编号 电阻器线宽 1 0 m电阻器间距 1 0 m ＼ 赠 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 图 3 不同点火电阻器线宽 、 间距下温度场分布 曲线 图 F i g 3 Te mp e r a t u r e fie l d d i s t r i b u tio n c u r v e o f t he d i ffe r e nt i g n i tio n r e s i s t o rs wi r e wi d t h a n d di s t a n c e 图3为 4种不同点火电阻器从中点到边缘的温度分布 曲线图。当点火电阻器的线宽为4 O m、 间距为 2 0 m时， 点火电路中心温度最高， 但中心有效区域的温度分布不均 匀性明显； 当点火电阻器的线宽为3 0 m、 间距为1 5 m时， 点火电路中心温度有所下降， 同时中心有效区域的温度分 布的不均匀有所减小 ； 当点火电阻器的线宽、 间距分别减小 到2 0 ， 1 0 m时， 点火电路中心温度接近4 0 0℃， 且中心有效 区域的温度分布比较均匀 ； 但当点火电阻器的线宽、 间距分 别减小到 l O ， 5 m时， 点火电路的中心温度低于 3 0 0 C， 不 利于推进剂的点燃。综合 以上分析， 当点火电阻的线宽为 2 O m、 间距为 1 0 m时， 点火电路 中心有效区域的温度分 布比较均匀， 没有较大的起伏， 且 点火 电路的温度高于 3 0 0 ℃， 满足推进剂燃烧的条件 ， 相对于其他 3种更有利于 推进剂的充分燃烧， 且功耗最低。 为进一步研究点火电阻器间距对点火电路的影响， 在 确定点火电阻器线宽为 2 0 m的前提下， 改变点火电阻器 间距， 分别为1 O ， 2 0 ， 3 0 m， 以点火电阻器的中心为基点， 右 边距离其 8 0 m以内的温度分布进行模拟 ， 模拟和分析结 果如图4所示。可看出3种不同间距的点火电阻器最高温 度均达到3 0 0 ℃， 但点火电阻器的间距为 1 0 m时， 在有效 中心区域内温度分布 比较均匀， 要明显好于其他 2种间距 的点火 电阻器， 更有利 于推进剂 的燃烧 ， 并且 当间距为 1 O m时， 点火电路所能达到的最高温度也高于其他 2种。 3 AN S Y S仿真与温度 分布 本文采用 A N S Y S 1 2 ． 1进行仿真。根据设计的模型特 点选择三维实体单元 S O L I D 9 0作为仿真计算单元； 定义材 料属性与有限元模型的建立， 其中， 点火电阻器的线宽为 2 O m， 点火电阻器隙为 l 0 m； 对模型进行网格划分和施加 第 1 2期 李双双 ， 等 遥控释药胶囊微点火电路的设计与仿真 l 1 3 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 距离 ／ 1 O 图 4 点火 电阻器 间距和点火电路的关系 Fi g 4 Re l a ti o n o f d i s t a nc e be t we e n i g n i t i o n r e s i s t o r s a nd i g n i t i o n dr c ni t 载荷， 设定空气对流换热系数为 1 0 W m o C 空气温度为 3 7 ℃， 点火电阻的生热率为 2 ． 2 7 1 0 “W ／ m 。 ； 通过求解得 到点火电路的温度云图分布。图5为微点火电路 0 ． 0 5 s 时 的温度分布云图。 图 5 微点火 电路温度场分布 F i g 5 Te m p e r a t u r e fie l d di s t r i b u tio n i n mi c r o i g nitio n c i r c nit 通过上图可知， 整个微点火电路的最高温度为 3 7 5 o C， 主要集 中在点火 电阻器处， 底座部分的温度最低， 大约为 3 7℃。由仿真结果可知， 高温主要集中在中间部分 ， 从而可 使产生的热能集中用于对推进剂的加热， 有效提高了加热效 率； 在桥面和桥底部分 ， 温差最大， 减小了点火电阻器和底座 之间热量的传递， 2 0 m W 的点火功率达到了低功耗的要求。 4结论 本文采用气体传感器中的膜式结构对遥控释药胶囊中 的微点火电路进行了优化设计 ， 建立了微点火电路的模型， 并通过多组对 比实验分析 ， 确定了点火 电阻器的线宽为 、 、 ＼ 上接第 1 1 0页 [ 8 ] 徐玮鹤 ， 林友玲 ， 车录锋 ， 等 ． 一 种圆 片级硅三层键 合 的三明 治加速度传感器[ J ] ． 传感技术学报， 2 0 0 8 ， 2 1 2 2 3 0 -- 2 3 2 ． [ 9 ] Q u H， F a n g D， X i e H． A m o n o l i t h i c C MO S ME MS 3 - a x i s a c c e l e rom e t e r w i t h a l o w n o i s e ， l o w p o we r d u a l - c h o p p e r a m p l i f i e r [ J ] ． I E E E S e n s o r s J o u rna l ， 2 0 0 8， 8 9 1 5 1 1--1 5 1 8 ． [ 1 O ]J i a n g X ． C a p a c i t i v e p o s i t i o n - s e n s i n g i n t e r f a c e f o r m i c r o m a c h i n e d i n e r t i a l s e n s o rs[ D] ． B e r k l e y ， C a l i fo rni a U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a ， 2 0 0 3． [ 1 1 ]戚玉婕， 车录锋， 孙腾， 等． 反馈补偿对高 Q值加速度计动 态性能的影响[ J ] ． 半导体技术 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 2 6--3 0 ． [ 1 2 ]B a o M H． A n al y s i s a n d d e s i g n p ri n c i p l e s o f ME MS d e v i c e s [ M] ． 2 O m， 间距为 1 0 m时中心区域的温度分布最为均匀， 功 耗最低。最终通过 A N S Y S 仿真分析 ， 可知该结构在 2 O m w 功率下， 最高温度可达 3 7 5 o C， 满足推进剂的燃烧条件 ， 大 大降低了微点火电路的功耗 ， 为提高遥控释药胶囊的整体 性能奠定了基础。 参考文献 [ 1 ] Wi l d i n g I R， P ri o r D V． R e m o t e c o n t r o l l e d c a p s u l e s i n h u man d r u g a b s o r p t i o n H D A s t u d i e s [ J ] ． C ri t i c a l R e v i e w s i n T h e r a - p e u t i c D rug C a r r i e r S y s t e ms ， 2 0 0 3 ， 2 0 6 4 0 5- 4 3 1 ． [ 2 ] S t e i n k e F ， A n d r a W， H e i d e R ， e t a 1 ． R o t a t i n g m a g n e t i c m a c r o s p h e r e s a s h e a t i n g me c h a n i s m for r e mo t e c o n t r o l l e d d rug r e l e a - s e [ J ] ． J o u rnal o f Ma g n e t i s m and Ma g n e t i c Ma t e ri als ， 2 0 0 7 ， 3 1 1 21 6--2 1 8． [ 3 ] R o s s i C ， D o C o n t o T ， E s t e v e D ． D e s i g n ， f abr i c a t i o n a n d m o d e l l i n g o f M E MS b a s e d mi c ro t h rus t e rs for s p a c e a p p l i c a t i o n[ J ] ． S m a r t Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 1 ， 1 0 6 1 1 5 6--1 1 6 2 ． [ 4 ] B a r d a w e e l H K， A n d e r s o n M J ， We i s s L W， e t a 1 ． C h a r a c t e ri z a t i o n an d mo d e l i n g o f t h e d y n a mi c b e h a v i o r o f a l i q u i d v a p o r p h ase c h ang e a c t u a t o r [ J ] ． S e n s o r s and A c t u a t o rs A P h y s i c a l ， 2 0 0 9， 1 4 9 2 2 8 4-2 9 1 ． [ 5] P i X i t i a n ， L i n Y u l i n， We i K a n g ， e t a 1 ． A n o v e l m i c ro f abri c a t e d t h rus t e r f o r d rug r e l e a s e i n r e mo t e c o n t rol l e d c a p s u l e [ J ] ． S e n s o rs and A c t u a t o r s A P h y s i c a l ， 2 0 1 0， 1 5 9 2 2 2 7-- 2 3 2 ． [ 6 ] P i X i t i an， L i u H o n g y i n g ， We i K a n g ， e t a1 ． A n o v e l r e m o t e c o n t r o l l e d c a p s u l e fo r s i t e s p e c i f i c d r u g d e l i v e r y i n h u m a n G I t r a c t [ J ] ． I n t e rna t i o n al J o u rnal o f P h a r ma e e u t i e s ， 2 0 0 9 ， 3 8 2 1 --2 1 6 0 1 6 4 ． [ 7 ] G a r d n e r J W． Mi c r o s e n s o rs P ri n c ip l e s and a p p l i c a t i o n i o n s [ M] ． J o h n Wi l e y＆ S o n s ． 1 9 9 4 3 31--3 3 5 ． [ 8 ] N i c o l as D ， S o u t e y r a n d E ， M a r t i n J R ． G a s s e n s o r c h a r a c t e ri z a t i o n t h r o u g h b o t h c o n t a c t p o t e n t i a l d i f f e r e n c e a n d p h o t o p o t e n t i a l m e a s u re m e n t s [ J ] ． S e n s o rs a n d A c t u a t o rs B C h e m i c a l ， 1 9 9 7 ， 4 4 1 --3 5 0 7- 5 1 1 ． 作者简介 李 双双 1 9 8 6一 ， 女 ， 江西九江人 ， 硕士 ， 主要研究方 向为遥控 释药胶囊 的研究 。 p p S h an g h a i F u d a n Un iv e rsi t y P r e s s， 2 0 0 5 1 3 5--1 3 6． [ 1 3 ] S e l v a k u m a r A， G o l d b e r g H D， Y u D， e t a 1 ． S e n s o r d e s i g n a n d p r o c e s s U S ， 2 7 4 ， 0 7 9 B 2 [ P ] ． 2 0 0 0 - 0 9 - 2 1 ． [ 1 4 ]毛健 ， 车录锋 ， 林友玲 ， 等． 一种 电容 间隙精确 可控 的高对 称加速度传感器[ J ] ． 固体电子学研究与进展， 2 0 0 9 ， 2 9 1 1 4 3-- 1 4 6． [ 1 5 ]尹颢， 杨恒． 驱动信号对电容式传感器特性的影响分 析[ J ] ． 传感技术学报， 2 0 0 0 ， 1 3 3 1 6 8 -- 1 7 3 ． [ 1 6 ]李锦明， 张文栋， 李林． 电容式微机械陀螺品质因子测试方 法研究 [ J ] ． 中北大学学报 ， 2 0 0 6， 2 7 4 3 5 7-- 3 6 0 ． 作者简介 蔡 梅妮 1 9 8 7一 ， 女 ， 湖 南永 州 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 主 要从 事 M E M S 加速度计封装研究。 枷 姗 姗 姗 瑚 m 姗 瑚 抛 赠