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，2，任春辉

(1.重庆大学 生物工程学院，重庆400030;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400030)

0 引 言

遥控释药胶囊(remote controlled capsule，RCC)［1，2］是近年来获取胃肠道药物吸收特征的重要新技术之一，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［3，4］，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，一般要求功耗在100 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166 mW［5，6］，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［7，8］用于微点火电路，并通过 ANSYS 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1 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 SiO2－Si－SiO2相间的方式，因SiO2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Cr，Cr 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。

图2 微点火电阻器的正面俯视图Fig 2 Top view of micro-ignition resistance

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300 ～400 ℃;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1 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2.27 ×1011W/m3，空气的对流换热系数为10 W/(m2·℃)，空气温度为37 ℃。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Tab 1 Design parameters of four kinds of ignition resistors

图3 不同点火电阻器线宽、间距下温度场分布曲线图Fig 3 Temperature field distribution curve of the different ignition resistors wire width and distance

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40 μm、间距为20 μm 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30 μm、间距为15 μm 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20，10 μm 时，点火电路中心温度接近400 ℃，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10，5 μm 时，点火电路的中心温度低于300℃，不利于推进剂的点燃。综合以上分析，当点火电阻的线宽为20 μm、间距为10 μm 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300 ℃，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20 μm 的前提下，改变点火电阻器间距，分别为10，20，30 μm，以点火电阻器的中心为基点，右边距离其80 μm 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300 ℃，但点火电阻器的间距为10 μm 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10 μm时，点火电路所能达到的最高温度也高于其他2 种。

3 ANSYS 仿真与温度分布

本文采用ANSYS 12.1 进行仿真。根据设计的模型特点选择三维实体单元SOLID 90 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20 μm，点火电阻器隙为10 μm;对模型进行网格划分和施加载荷，设定空气对流换热系数为10 W(m2·℃)空气温度为37 ℃，点火电阻的生热率为2.27 ×1011W/m3;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0.05 s 时的温度分布云图。

图4 点火电阻器间距和点火电路的关系Fig 4 Relation of distance between ignition resistors and ignition circuit

图5 微点火电路温度场分布Fig 5 Temperature field distribution in micro-ignition circuit

通过上图可知，整个微点火电路的最高温度为375 ℃，主要集中在点火电阻器处，底座部分的温度最低，大约为37 ℃。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，20 mW 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20 μm，间距为 10 μm 时中心区域的温度分布最为均匀，功耗最低。最终通过ANSYS 仿真分析，可知该结构在20 mW功率下，最高温度可达375 ℃，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。

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