МНОЖЕСТВО ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ В УСТРОЙСТВАХ С НАЛОЖЕННЫМИ ДРУГ НА ДРУГА ИНТЕГРИРОВАННЫМИ КОМПОНЕНТАМИ
MULTIPLE ENERGIZATION ELEMENTS IN STACKED INTEGRATED COMPONENT DEVICES

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к устройству с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с множеством элементов питания.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Традиционно офтальмологическое устройство, такое как контактная линза, интраокулярная линза или пробка для слезной точки, представляет собой биосовместимое устройство с корректирующими, косметическими или терапевтическими свойствами. Например, контактная линза может выполнять одно или более из коррекции зрения, косметического улучшения и терапевтических функций. Каждая из функций обусловлена определенной физической характеристикой линзы. Конфигурация линзы с учетом светопреломляющего свойства позволяет проводить коррекцию зрения. Введение в материал линзы пигмента позволяет проводить косметическое улучшение. Введение в материал линзы активного агента позволяет использовать линзу в терапевтических целях. Таких физических характеристик можно добиться без перевода линзы в состояние энергообеспечения. Пробка для слезной точки традиционно представляет собой пассивное устройство.
В последнее время высказываются предположения о возможности внедрения в контактную линзу активных компонентов. Некоторые компоненты могут включать в себя полупроводниковые устройства. В некоторых примерах описано внедрение полупроводниковых устройств в контактные линзы, помещенные на глаз животного. Также описано множество возможных способов питания и активации активных компонентов, встроенных в структуру линзы. Топология и размер пространства, доступного в пределах структуры линзы, создает новые сложные условия для реализации различных функциональных возможностей линзы. Описания таких изобретений по существу включают в себя отдельные устройства. Однако требования, предъявляемые к размеру и мощности существующих отдельных устройств, необязательно способствуют включению в устройство, используемое на глазу человека. Технологические варианты осуществления, обеспечивающие решение такой базовой офтальмологической задачи, могут воплощаться в решениях, не только соответствующих офтальмологическим требованиям, но также включающих новые варианты осуществления более общего пространства технологий электрических устройств с электропитанием.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, в настоящем изобретении предложено устройство с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с множеством элементов питания, содержащее: первый слой, содержащий первую поверхность, и второй слой, содержащий вторую поверхность, причем по меньшей мере часть первой поверхности лежит поверх по меньшей мере части второй поверхности; по меньшей мере одно электрическое соединение между электрическим контактом на первой поверхности и электрическим контактом на второй поверхности; по меньшей мере один электрический транзистор, причем электрический транзистор(ы) содержится внутри устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами; по меньшей мере первый и второй отдельные элементы питания, причем отдельные элементы питания содержатся в любом или обоих из первого и второго слоев; и схему внутренней диагностики, содержащую сенсорный элемент, выполненный с возможностью обнаруживать ток, протекающий через элементы питания, причем схема внутренней диагностики выполнена с возможностью определения того, не вызывает ли один из элементов питания состояние избыточного потребления тока.
Схема внутренней диагностики может быть выполнена с возможностью сравнения падения напряжения на резистивном элементе с эталонным напряжением.
Схема внутренней диагностики может быть выполнена с возможностью изолировать причину состояния избыточного потребления тока путем циклического изолирования в данный момент времени по одному каждого из множества блоков элементов питания путем отключения линии возврата тока через землю указанного блока и определения того, уменьшилось ли потребление тока.
Схема внутренней диагностики может быть выполнена с возможностью выполнения дополнительного цикла изоляции, если при изоляции указанного блока потребление тока возвращается к нормальной величине, причем схема внутренней диагностики выполнена с возможностью отсоединения смещения каждого элемента питания в указанном блоке и регистрации потребления тока после изоляции каждого элемента питания.
Схема внутренней диагностики может быть выполнена с возможностью отключения всего указанного блока от системы источника питания, если указанный дополнительный цикл изоляции проходит через все элементы питания в указанном блоке без возвращения потребления тока к приемлемому значению.
Схема внутренней диагностики может быть выполнена с возможностью отключения указанного элемента питания от системы источника питания, если изоляция указанного элемента питания приводит к возвращению потребления тока к нормальному состоянию.
Также предложено устройство с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с множеством элементов питания, содержащее: первый слой, содержащий первую поверхность, и второй слой, содержащий вторую поверхность, причем по меньшей мере часть первой поверхности лежит поверх по меньшей мере части второй поверхности; по меньшей мере одно электрическое соединение между электрическим контактом на первой поверхности и электрическим контактом на второй поверхности; по меньшей мере один электрический транзистор, причем электрический транзистор(ы) содержится внутри устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами; множество отдельных элементов питания, причем отдельные элементы питания содержатся в любом или обоих из первого и второго слоев; переключающие элементы, выполненные с возможностью комбинировать элементы питания для получения различных состояний источника питания; и микроконтроллер, выполненный с возможностью управлять состояниями источника питания, которые получены соединением множества элементов питания.
Устройство с наложенными друг на друга интегрированными компонентами может дополнительно содержать контроллер переключения, выполненный с возможностью преобразовывать изменения уровня управляющего сигнала от микроконтроллера в изменения состояний переключающих элементов.
Отдельные элементы питания имеют толщину менее 200 микрон.
Устройство с наложенными друг на друга интегрированными компонентами может дополнительно содержать первое электрическое соединение общей точки, причем первое электрическое соединение общей точки находится в контакте с соединением на землю первого отдельного элемента питания; второе электрическое соединение общей точки в контакте с соединением на землю второго отдельного элемента питания; первое электрическое соединение смещения в контакте с соединением смещения первого отдельного элемента питания и второе электрическое соединение смещения в контакте с соединением смещения второго отдельного элемента питания.
Первое электрическое соединение общей точки может быть электрически подключено ко второму электрическому соединению общей точки с образованием единого соединения общей точки для по меньшей мере двух элементов питания.
Первое электрическое соединение смещения может быть электрически подключено ко второму электрическому соединению смещения с образованием единого соединения смещения для по меньшей мере двух элементов питания.
Первое электрическое соединение смещения может быть электрически подключено к первому входу источника питания первой интегральной схемы; и второе электрическое соединение смещения может быть электрически подключено ко второму входу источника питания первой интегральной схемы.
Первая интегральная схема может генерировать первое выходное напряжение источника питания; и вторая интегральная схема может быть электрически подключена к указанному первому выходному напряжению источника питания.
Первая интегральная схема может комбинировать, по меньшей мере с использованием первого переключателя, первый вход источника питания и второй вход источника питания для создания первого выходного напряжения источника питания, причем первое выходное напряжение источника питания имеет уровень напряжения, эквивалентный напряжению первого элемента питания и второго элемента питания; и первое выходное напряжение источника питания имеет объединенные возможности по электрическому току первого элемента питания и второго элемента питания.
Первая интегральная схема может комбинировать, по меньшей мере с использованием первого переключателя, первый вход источника питания и второе электрическое соединение общей точки для создания первого выходного напряжения источника питания, причем первое выходное напряжение источника питания имеет возможности по электрическому току, эквивалентные меньшим из возможностей по электрическому току первого элемента питания и второго элемента питания; и первое выходное напряжение источника питания имеет суммарное электрическое смещение первого элемента питания и второго элемента питания.
Все электрические соединения первого и второго слоев могут не быть подключены к какому-либо внешнему проводному соединению устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами.
Количество отдельных элементов питания внутри устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами может составлять более трех.
Количество первичных источников питания, формируемых комбинациями множества элементов питания, может составлять более одного.
По меньшей мере первый первичный источник питания, образованный комбинацией множества элементов питания, можно подключить к емкостному элементу.
Наложенные друг на друга слои могут включать в себя один или более слоев, которые включают в себя источник энергии для по меньшей мере одного компонента, включенного в наложенные друг на друга слои. В некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрена вставка с энергообеспечением, встроенная в офтальмологическое устройство. Вставку можно образовать из множества слоев, которые могут обеспечивать отдельную функциональность для каждого слоя или альтернативно обладать смешанной функциональностью, но во множестве слоев. Слои могут иметь слои, предназначенные для подачи питания, либо активации изделия, либо управления функциональными компонентами внутри тела линзы. Кроме того, представлены способы и устройство для формирования офтальмологической линзы со вставками из наложенных друг на друга функционализированных слоев.
Вставка может содержать слой в состоянии энергообеспечения, который способен обеспечивать энергией компонент, способный потреблять ток. Компоненты могут включать в себя, например, один или более из элемента линзы с изменяемыми оптическими свойствами и полупроводникового устройства, которое можно разместить либо внутри вставки из наложенных друг на друга слоев, либо присоединить к ней иным способом.
Может быть представлена литая силикон-гидрогелевая контактная линза с жесткой или формуемой вставкой из наложенных друг на друга функционализированных слоев, содержащейся в офтальмологической линзе биосовместимым образом, причем по меньшей мере одна функционализированная линза включает в себя источник энергии.
Соответственно, приведено описание технологической схемы для устройств, образованных из множества наложенных друг на друга слоев с энергообеспечением. Настоящее изобретение включает в себя описание офтальмологической линзы с частью наложенных друг на друга функционализированных слоев, устройства для формирования офтальмологической линзы с частью наложенных друг на друга функционализированных слоев и способов такого формирования. Вставку можно образовать из множества слоев разными способами, как описано в настоящем документе, и разместить в непосредственной близости к одной или обеим из первой части формы для литья и второй части формы для литья. Реакционную смесь мономера помещают между первой частью формы для литья и второй частью формы для литья. Первую часть формы для литья помещают в непосредственной близости ко второй части формы для литья, формируя полость для линзы со вставкой подложки с энергообеспечением, а также по меньшей мере с какой-либо реакционной смесью мономера в полости для линзы; на реакционную смесь мономера воздействуют актиничным излучением с образованием офтальмологической линзы. Линзы можно сформировать путем управления актиничным излучением, которым облучают реакционную смесь мономера.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлено устройство узла формы для литья.
На фиг. 2 представлен пример конструкции вставки, которую можно поместить внутрь офтальмологической линзы.
На фиг. 3 представлено трехмерное изображение вставки, образованной наложенными друг на друга функциональными слоями и внедренной в часть формы для литья офтальмологической линзы.
На фиг. 4 представлен вид в сечении части формы для литья офтальмологической линзы со вставкой.
На фиг. 5 представлена вставка, содержащая множество наложенных друг на друга функциональных слоев на поддерживающей и центрирующей структуре.
На фиг. 6 представлены разные формы компонентов, подходящих для формирования слоев во вставке с наложенными друг на друга функциональными слоями.
На фиг. 7 представлена диаграмма слоя источника энергии.
На фиг. 8 представлен пример конструкции источника энергии на основе проволоки.
На фиг. 9 представлена форма примера источника энергии на основе проволоки относительно примера компонента офтальмологической линзы.
На фиг. 10 представлена диаграмма в сечении радиальных пленочных слоев примера источника энергии на основе проволоки.
На фиг. 11 представлен пример устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с компонентами, выполненными с помощью множества технологий, и источниками энергии.
На фиг. 12 представлен пример диаграммы схемы устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с множеством элементов питания.
На фиг. 13 представлен пример гибкого источника питания с использованием множества элементов питания.
На фиг. 14 представлена схема примера стадий способа с процедурами внутренней диагностики для устройств с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с множеством элементов питания.
На фиг. 15 представлен пример устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами, в котором множество элементов питания работают как в режиме заряда, так и в режиме разряда.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение включает в себя устройство-вставку, которое можно образовать в виде подложки путем наложения друг на друга множества функционализированных слоев. Кроме того, настоящее описание относится к способам и устройству для производства офтальмологической линзы с такой подложкой из наложенных друг на друга функционализированных слоев в качестве вставки в образованной линзе. Кроме того, может быть представлена офтальмологическая линза со вставкой подложки из наложенных друг на друга функционализированных слоев, внедренной в офтальмологическую линзу.
В следующих разделах приведено подробное описание одного или более вариантов осуществления настоящего изобретения. Описания как предпочтительных, так и альтернативных вариантов осуществления являются только примерами осуществления, и предполагается, что специалисту в данной области будут понятны возможности создания вариаций, модификаций и внесения изменений. Следовательно, должно быть понятно, что объем настоящего изобретения не ограничивается указанными примерами осуществления.
СПИСОК ТЕРМИНОВ
В данном описании и формуле настоящего изобретения использован ряд терминов, для которых будут приняты следующие определения.
С энергообеспечением - при использовании в настоящем документе термин относится к состоянию, в котором устройство может обеспечивать себя электрическим током или хранить в себе запас электрической энергии.
Энергия - при использовании в настоящем документе термин относится к способности физической системы к совершению работы и может относиться к указанной способности, заключающейся в совершении электрических действий при совершении работы.
Источник энергии - при использовании в настоящем документе термин относится к устройству или слою, который может снабжать устройство энергией или переводить логическое или электрическое устройство в состояние энергообеспечения.
Устройства сбора энергии - при использовании в настоящем документе термин относится к устройству, способному извлекать энергию из окружающей среды и преобразовывать ее в электрическую энергию.
Функционализированный - при использовании в настоящем документе термин относится к получению слоя или устройства, способного выполнять функцию, включая, например, энергообеспечение, активацию или управление.
Линза - при использовании в настоящем документе термин относится к любому офтальмологическому устройству, находящемуся внутри глаза или на его поверхности. Данные устройства могут обеспечивать оптическую или косметическую коррекцию. Например, термин «линза» может относиться к контактной линзе, интраокулярной линзе, накладной линзе, глазной вставке, оптической вставке или другому аналогичному устройству, которое используют для коррекции или модификации зрения или для косметического улучшения физиологии глаза (например, изменения цвета радужной оболочки) без ущерба для зрения. Линзы могут включать в себя мягкие контактные линзы, полученные из силиконовых эластомеров или гидрогелей, которые без ограничений включают в себя силикон-гидрогели и фторгидрогели.
Линзообразующая смесь или «реакционная смесь мономера» (РСМ) - при использовании в настоящем документе термин относится к мономерному или форполимерному материалу, который можно полимеризовать и сшить или сшить с образованием офтальмологической линзы. Линзообразующие смеси могут иметь одну или более добавок, таких как УФ-блокаторы, оттеночные добавки, фотоинициаторы или катализаторы, а также другие желаемые добавки для офтальмологических линз, таких как контактные или интраокулярные линзы.
Линзообразующая поверхность - термин относится к поверхности, используемой для литья линзы. Любая такая поверхность 103-104 может иметь оптическое качество обработанной поверхности, указывая на то, что данная поверхность является достаточно гладкой и сформована таким образом, чтобы поверхность линзы, полученной путем полимеризации линзообразующего материала, который находится в непосредственном контакте с формируемой поверхностью, была оптически приемлемого качества. Более того, линзообразующая поверхность 103-104 может иметь геометрию, необходимую для придания поверхности линзы желаемых оптических характеристик, включая, без ограничений, сферическую, асферическую и цилиндрическую оптическую силу, коррекцию аберраций волнового фронта, коррекцию топографии роговицы и т.п., а также любые их комбинации.
Литий-ионный элемент - термин относится к электрохимическому элементу, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате движения ионов лития через элемент. Данный электрохимический элемент, как правило, называемый аккумуляторной батареей, в своей типичной форме может быть возвращен в состояние с более высоким зарядом или перезаряжен.
Вставка подложки - при использовании в настоящем документе термин относится к формуемой или жесткой подложке, способной поддерживать источник энергии в офтальмологической линзе. В некоторых вариантах осуществления вставка подложки также поддерживает один или более компонентов.
Форма для литья - термин относится к жесткому или полужесткому предмету, который можно использовать для образования линз из неполимеризованных составов. Некоторые предпочтительные формы для литья включают в себя две части формы для литья, образующие переднюю криволинейную поверхность формы для литья и заднюю криволинейную поверхность формы для литья.
Оптическая зона - при использовании в настоящем документе термин относится к области офтальмологической линзы, через которую смотрит пользователь офтальмологической линзы.
Мощность - при использовании в настоящем документе термин относится к совершаемой работе или переданной энергии за единицу времени.
Перезаряжаемый или перезапитываемый - при использовании в настоящем документе термин относится к способности к возвращению в состояние с большей возможностью к совершению работы и может относиться к способности к возвращению в состояние с возможностью обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенного повторяющегося периода времени.
Перезапитывать или заряжать - возвращать в состояние с большей способностью к совершению работы. Данные термины, как правило, могут относиться к восстановлению способности устройства обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенного повторяющегося периода времени.
Извлеченный из формы для литья - термин означает, что линза либо полностью отделена от формы для литья, либо лишь слабо прикреплена и ее можно отсоединить легким встряхиванием или сдвинуть тампоном.
Наложенные друг на друга - при использовании в настоящем документе термин относится к размещению по меньшей мере двух слоев компонентов в непосредственной близости друг к другу таким образом, что по меньшей мере часть одной поверхности одного из слоев контактирует с первой поверхностью второго слоя. Между двумя слоями может находиться пленка, обеспечивающая адгезивное прикрепление или выполняющая иные функции, так что слои находятся в контакте друг с другом через указанную пленку.
Используемый в настоящем документе термин «устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами», иногда именуемые SIC-устройствами, относится к результату применения технологий упаковки, позволяющих собирать тонкие слои подложек, которые могут содержать электрические и электромеханические устройства, в функциональные интегрированные устройства путем наложения друг на друга по меньшей мере части каждого слоя. Слои могут содержать многокомпонентные устройства различных типов, материалов, форм и размеров. Кроме того, слои можно получить с использованием различных технологий производства устройств для получения различных желаемых форм.
Описание
Линза с энергообеспечением 100 со встроенной вставкой подложки 111 может включать в себя источник энергии 109, такой как электрохимический элемент или аккумуляторная батарея, служащая для накопления энергии и необязательно герметизации и изоляции материалов, содержащих источник энергии, от окружающей среды, в которую помещена офтальмологическая линза.
Вставка подложки может также включать в себя набор схем, компонентов и источников энергии 109. Во вставке подложки может быть размещен набор схем, компонентов и источников энергии 109 по периферии оптической зоны, через которую смотрит пользователь линзы. В альтернативном варианте осуществления вставка может включать в себя набор схем, компонентов и источников энергии 109, которые имеют достаточно малый размер, чтобы не оказывать отрицательного влияния на зрение пользователя контактной линзы, и, следовательно, во вставке подложки они могут размещаться внутри или вне оптической зоны.
В целом вставка подложки 111 может быть сформирована внутри офтальмологической линзы с помощью автоматической системы, которая помещает источник питания в желаемое местоположение по отношению к части формы для литья, используемой для формования линзы.
Формы для литья
На фиг. 1 представлена диаграмма примера формы для литья 100 для офтальмологической линзы со вставкой подложки 111. При использовании в настоящем документе термин «форма для литья» включает в себя форму 100 с полостью 105, в которую можно поместить линзообразующую смесь 110, чтобы после реакции или полимеризации линзообразующей смеси получить офтальмологическую линзу желаемой формы. Формы для литья и узлы формы для литья 100 состоят более чем из одной «части формы для литья» 101-102. Части формы для литья 101-102 можно совместить друг с другом таким образом, что между частями формы для литья 101-102 образуется полость 105, в которой можно сформировать линзу. Данная комбинация частей формы для литья 101-102 предпочтительно является временной. После формирования линзы части формы для литья 101-102 можно снова разъединить для извлечения линзы.
По меньшей мере одна из частей формы для литья 101-102 имеет по меньшей мере часть своей поверхности 103-104, которая контактирует с линзообразующей смесью, так что при протекании реакции или при полимеризации линзообразующей смеси 110 данная поверхность 103-104 обеспечивает желаемую форму и геометрию той части линзы, с которой она контактирует. Это также справедливо для по меньшей мере еще одной части формы для литья 101-102.
Таким образом, например, узел формы для литья 100 может быть выполнен из двух частей формы для литья 101-102: вогнутой части (передней части) 102 и выпуклой части (задней части) 101, между которыми формируется полость. Часть вогнутой поверхности 104, находящаяся в контакте с линзообразующей смесью, имеет кривизну передней поверхности офтальмологической линзы, формируемой в узле формы для литья 100, является достаточно гладкой и имеет такую форму, чтобы поверхность офтальмологической линзы, образующейся при полимеризации линзообразующей смеси, находящейся в контакте с вогнутой поверхностью 104, обладала приемлемыми оптическими свойствами.
Передняя часть формы для литья 102 может также иметь кольцевой фланец, выполненный вместе с круговым краем окружности 108, окружающий его и отходящий от него в плоскости, нормальной к оси и проходящей через фланец (не показано на фигуре).
Линзообразующая поверхность может включать в себя поверхность 103-104 оптического качества, то есть достаточно гладкую и имеющую такую форму, чтобы поверхность линзы, изготавливаемой способом полимеризации линзообразующей смеси, находящейся в контакте с поверхностью формы для литья, обладала приемлемыми оптическими свойствами. Более того, линзообразующая поверхность 103-104 может иметь геометрию, необходимую для придания поверхности линзы желаемых оптических характеристик, включая, без ограничений, сферическую, асферическую и цилиндрическую оптическую силу, коррекцию аббераций волнового фронта, коррекцию топографии роговицы и т.п., а также любые их комбинации.
Элементом 111 показана вставка подложки, на которой можно разместить источник энергии 109. Вставку подложки 111 можно получить из любого принимающего материала, на котором можно разместить источник энергии 109, и она может также включать в себя электрические соединения, компоненты и другие аспекты, подходящие для использования источника энергии. Вставка подложки 111 может представлять собой прозрачный слой материала, введенного в линзу при ее формировании. Прозрачный слой может включать в себя, например, пигмент, как описано ниже, мономер или другой биосовместимый материал. Вставка может включать в себя среду, содержащую вставку, которая может быть либо жесткой, либо формуемой. Жесткая вставка может включать в себя оптическую зону, обеспечивающую оптическое свойство (например, такое как свойства, используемые для коррекции зрения), и часть неоптической зоны. Источник энергии можно разместить в одной или обеих из оптической зоны и неоптической зоны вставки. Вставка может включать в себя кольцеобразную вставку, либо жесткую, либо формуемую, либо имеющую некоторую форму, окружающую оптическую зону, через которую смотрит пользователь линзы.
Источник энергии 109 можно разместить на вставке подложки 111 до помещения вставки подложки 111 в часть формы для литья, используемой для формирования линзы. Вставка подложки 111 может также включать в себя один или более компонентов, которые будут получать электрическую энергию от источника энергии 109.
Линза со вставкой подложки 111 может включать в себя конфигурацию с жестким центром и мягким краем, в которой центральный жесткий оптический элемент находится в непосредственном контакте с атмосферой и с поверхностью роговой оболочки глаза на своей передней и задней поверхностях соответственно, причем мягкий край материала линзы (как правило, полученный из гидрогелевого материала) закреплен по периметру жесткого оптического элемента, а жесткий оптический элемент также выступает в качестве вставки подложки, обеспечивая энергию и возможность функционирования для полученной офтальмологической линзы.
Вставка подложки 111 может представлять собой жесткую вставку для линзы, полностью герметизированную в гидрогелевую матрицу. Вставку подложки 111, представляющую собой жесткую вставку для линзы, можно произвести, например, с использованием технологии микролитья под давлением. Вставка может включать в себя, например, смолу из поли(4-метилпент-1-ен) сополимера с диаметром приблизительно от 6 мм до 10 мм, радиусом передней поверхности приблизительно от 6 мм до 10 мм, радиусом задней поверхности приблизительно от 6 мм до 10 мм и толщиной центра приблизительно от 0,050 мм до 0,5 мм. Вставка может иметь диаметр приблизительно 8,9 мм, радиус передней поверхности приблизительно 7,9 мм, радиус задней поверхности приблизительно 7,8 мм, а также толщину центра приблизительно 0,100 мм и профиля края приблизительно 0,050 радиуса. Один пример микролитьевой машины включает в себя пятитонную систему Microsystem 50, поставляемую компанией Battenfield Inc.
Вставку подложки можно поместить в часть формы для литья 101-102, используемой для формирования офтальмологической линзы.
Материал частей формы для литья 101-102 может включать в себя, например, полиолефин одного или более из полипропилена, полистирола, полиэтилена, полиметилметакрилата, а также модифицированные полиолефины. Другие формы для литья могут включать в себя керамический или металлический материал.
Предпочтительный алициклический сополимер состоит из двух различных алициклических полимеров и поставляется компанией Zeon Chemicals L.P. под торговой маркой ZEONOR. ZEONOR выпускается нескольких различных видов. Различные виды материала могут иметь температуры стеклования в диапазоне от 105°C до 160°C. Наиболее предпочтительным материалом является ZEONOR 1060R.
Другие материалы для получения форм для литья, которые в сочетании с одной или более добавками можно использовать для образования форм для литья офтальмологических линз, включают в себя, например, полипропиленовые смолы Циглера-Натта (иногда называемые znPP). Пример полипропиленовой смолы Циглера-Натта выпускается под названием PP 9544 MED. PP 9544 MED представляет собой очищенный статистический сополимер для чистого формования (в соответствии с требованиями рекомендации 21 Управления по контролю за продуктами и лекарствами США, Свод федеральных правил, п. (c) 3.2), поставляемый компанией Exxonmobil Chemical Company. Смола PP 9544 MED представляет собой статистический сополимер типа znPP с этиленовой группой (далее обозначаемый 9544 MED). Другие примеры полипропиленовых смол Циглера-Натта включают в себя смолы Atofina Polypropylene 3761 и Atofina Polypropylene 3620WZ.
Более того, формы для литья могут содержать полимеры, такие как полипропилен, полиэтилен, полистирол, полиметилметакрилат, модифицированные полиолефины, содержащие алициклический фрагмент в основной цепи, и циклические полиолефины. Данную смесь можно использовать на любой или обеих половинах формы для литья, причем предпочтительно данную смесь используют для получения задней криволинейной поверхности, а передняя криволинейная поверхность состоит из алициклических сополимеров.
В некоторых способах получения форм для литья 100 используют литье под давлением в соответствии с известными способами. Однако формы для литья можно получать и другими способами, включая, например, токарную обработку, алмазную обточку и лазерную резку.
Функционализированные многослойные вставки
На фиг. 2 показан пример конфигурации вставки подложки 111, образованной как функционализированная многослойная вставка. Настоящее описание включает в себя способы подготовки и формирования вставки подложки, которую можно использовать и встраивать в офтальмологические линзы. Для ясности описания, но не ограничения объема заявленного изобретения, показан и описан пример вставки подложки 210, содержащий полное кольцо с оптической областью линзы 211. Специалисту в данной области будет понятно, что описанный в данной спецификации вид изобретения имеет сходное применение с различными описанными формами, которые были в общем описаны для вставок подложки различных типов.
На фиг. 3 представлено трехмерное изображение полностью сформированной офтальмологической линзы с использованием вставки подложки из наложенных друг на друга слоев типа элемента 210, показано элементом 300. На фигуре показан частичный срез офтальмологической линзы, позволяющий понять расположение различных слоев внутри устройства. Элементом 320 показан материал корпуса в поперечном сечении через герметизирующие слои вставки подложки. Данный элемент окружает всю периферию офтальмологической линзы. Специалисту в данной области будет понятно, что фактическая вставка может содержать полное кольцо или другие формы, которые тем не менее могут укладываться в пределы ограничений размера типичной офтальмологической линзы.
Элементами 330, 331 и 332 обозначены три из множества слоев, из которых может состоять вставка подложки, сформированная как структура из наложенных друг на друга функциональных слоев. Отдельный слой может включать в себя один или более из: активных и пассивных компонентов и частей со структурными, электрическими или физическими свойствами, служащими для достижения определенной цели.
Слой 330 может включать в себя источник энергии, такой как, например, один или более из аккумуляторной батареи, конденсатора и приемника, находящихся внутри слоя 330. Элемент 331, в не имеющем ограничительного характера смысле, может содержать микросхемы в слое, который обнаруживает возбуждающие сигналы для офтальмологической линзы. Может быть включен слой регулирования питания 332, способный получать питание от внешних источников, заряжать слой аккумуляторной батареи 330 и контролировать использование мощности аккумуляторной батареи из слоя 330, когда линза находится вне заряжающей среды. Кроме того, регулятор питания может также контролировать сигналы, поступающие к примеру активной линзы, показанной как элемент 310 в центральном кольцевом вырезе вставки подложки.
Линза с энергообеспечением со встроенной вставкой подложки может включать в себя источник энергии, такой как электрохимический элемент или аккумуляторная батарея, служащий для накопления энергии и необязательно герметизации и изоляции материалов, составляющих источник энергии, от окружающей среды, в которую помещена офтальмологическая линза.
Вставка подложки может также включать в себя набор схем, компонентов и источников энергии. Во вставке подложки можно разместить набор схем, компонентов и источников энергии по периферии оптической зоны, через которую смотрит пользователь линзы. В альтернативном варианте осуществления вставка может включать в себя набор схем, компонентов и источников энергии, которые имеют такой достаточно малый размер, что не оказывает отрицательного влияния на зрение пользователя контактной линзы, и, следовательно, во вставке подложки они могут размещаться внутри или снаружи оптической зоны.
В целом вставка подложки 111 может быть сформирована внутри офтальмологической линзы с помощью автоматической системы, которая помещает источник питания в желаемое местоположение по отношению к части формы для литья, используемой для формования линзы.
На фиг. 4 показан вид крупным планом в сечении вставки с наложенными друг на друга функциональными слоями 400. В тело офтальмологической линзы 410 вставлена вставка в виде функционализированного слоя 420, которая может окружать активный компонент линзы 450 и соединяться с ним. Специалисту в данной области будет понятно, что в данном примере показана всего одна из множества функциональных вставок, которые могут быть заключены в офтальмологическую линзу.
В многослойной части вставки показано множество слоев. Слои могут содержать множество полупроводниковых слоев. Например, элементом 440 в нижнем слое многослойной структуры может быть обозначен тонкий кремниевый слой, на котором размещены электрические схемы для выполнения различных функций. В многослойной структуре может присутствовать еще один тонкий кремниевый слой, обозначенный элементом 441. В качестве не имеющего ограничительного характера примера такой слой может обеспечивать функцию обеспечения питания устройства. Данные кремниевые слои могут быть электрически изолированы друг от друга промежуточным изолирующим слоем, обозначенным элементом 450. Перекрывающиеся друг с другом части поверхностных слоев, обозначенных элементами 440, 450 и 441, можно адгезивно прикрепить друг к другу с помощью тонкой пленки адгезива. Специалисту в данной области будет понятно, что желаемые характеристики для адгезивного прикрепления и пассивации тонких кремниевых слоев к изолятору могут иметь многочисленные адгезивы, такие как, например, эпоксидная смола.
Множество наложенных друг на друга слоев может включать в себя дополнительные слои 442, которые в качестве не имеющего ограничительного характера примера могут включать в себя тонкий кремниевый слой со схемой, способной активировать и контролировать активный компонент линзы. Как указано выше, если наложенные друг на друга слои нужно электрически изолировать друг от друга, между электрически активными слоями можно включить наложенные друг на друга слои изолятора, и в настоящем примере элемент 451 может представлять собой данный слой изолятора, составляющий часть вставки из наложенных друг на друга слоев. В некоторых описанных в настоящем документе примерах упоминаются слои, полученные из тонких слоев кремния. Возможные материалы для тонких наложенных друг на друга слоев могут включать в себя, в не имеющем ограничительного характера смысле, другие полупроводники, металлы или композитные слои. Функция тонких слоев может включать в себя содержание электрической схемы, однако возможны и другие функции, например, без ограничений, прием сигнала, управление энергией, хранение и прием энергии. В случае использования разных типов материалов может потребоваться выбор разных адгезивов, герметизирующих и других материалов, взаимодействующих с наложенными друг на друга слоями. Например, тонкий слой эпоксидного компаунда может склеивать три кремниевых слоя, обозначенных как 440, 441 и 442, с двумя слоями оксида кремния 450 и 451.
Как указано в некоторых примерах, тонкие наложенные друг на друга слои могут содержать схемы, встроенные в кремниевые слои. Существует множество способов производства таких слоев, однако стандартное современное оборудование для обработки полупроводников в данной области позволяет получать электронные схемы на кремниевых полупроводниковых пластинах с помощью универсальных стадий обработки. После формирования схем в соответствующих местах на кремниевых полупроводниковых пластинах можно использовать оборудование для обработки полупроводниковых пластин для уменьшения их толщины с сотен микрон до 50 микрон или менее. После уменьшения толщины кремниевые микросхемы можно вырезать или «нарезать» с пластины для придания соответствующей формы для включения в офтальмологические линзы или других целей. В следующем разделе описаны другие примеры форм настоящего изобретения с наложенными друг на друга слоями, как показано на Фиг. 6. Более подробно это описано ниже; однако при операции «нарезки» возможно использование разных технических способов нарезки тонких слоев для получения криволинейной, круговой, кольцевой, прямолинейной и других более сложных форм.
Когда наложенные друг на друга слои выполняют функцию, относящуюся к протеканию электрического тока, может потребоваться электрический контакт между наложенными друг на друга слоями. В общей области корпусирования полупроводников для получения данного электрического соединения между наложенными друг на друга слоями имеются стандартные решения, содержащие проводное соединение, соединение столбиковыми выводами и осаждение с помощью проволоки. При осаждении с помощью проволоки можно применять процесс печати, в котором между двумя контактными площадками наносят электропроводные чернила. Дополнительно или альтернативно проводники можно создавать физически с помощью источника энергии, например, лазера, взаимодействующего с газовым, жидким или твердым химическим промежуточным соединением, что приводит к получению электрического соединения там, куда источник испускает энергию. Дополнительные варианты осуществления типов соединений можно получить на основе фотолитографической обработки до или после осаждения металлических пленок различными способами.
Если для одного или более слоев требуется обеспечить передачу электрических сигналов наружу, можно использовать металлическую контактную площадку, не покрытую пассивирующим и изолирующим слоями. Данные площадки могут быть размещены на периферии слоя, чтобы последующие наложенные друг на друга слои не закрывали участок. В примере, показанном на фиг. 4, соединительные проводники 430 и 431 показаны как электрически соединяющие периферические участки слоев 440, 441 и 442. Специалисту в данной области будет понятно, что возможно множество вариантов конфигурации с разным расположением электрических контактных площадок и способами электрического соединения различных площадок. Кроме того, должно быть понятно, что схемотехника может быть разной в зависимости от выбора соединяемых электрических соединительных площадок и других площадок, с которыми они соединены. Кроме того, функция проводного соединения между площадками может быть разной в разных вариантах осуществления, включая, без ограничений, функции соединения для передачи электрического сигнала, приема электрического сигнала от внешних источников, соединения для передачи электрической энергии и механической стабилизации.
В предыдущем описании указано, что один или более из наложенных друг на друга слоев, обладающих признаками изобретения, могут представлять собой неполупроводниковые слои. Должно быть понятно, что возможно огромное разнообразие примеров применения неполупроводниковых слоев. Слои могут содержать источники питания, такие как аккумуляторные батареи. Слой данного типа в некоторых случаях может иметь полупроводник, выполняющий функцию подложки для химических слоев, или в других вариантах осуществления можно использовать металлические или изолирующие подложки. Другие слои могут быть образованы из слоев, преимущественно металлических по своей природе. Данные слои могут образовывать антенны, проводящие дорожки или выполнять другие функции. Возможны многочисленные комбинации полупроводниковых и неполупроводниковых слоев, подходящих для применения в определенных целях в рамках сущности описанного в настоящем документе изобретения.
Если между наложенными друг на друга слоями предусмотрено электрическое соединение, после его создания его необходимо изолировать. Существуют многочисленные способы, которые могут применяться в данной области. Например, возможно повторное нанесение эпоксидного компаунда или других клейких материалов, используемых для скрепления различных наложенных друг на друга слоев вместе, на участки с электрическим соединением. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления возможно осаждение пассивирующих пленок на все устройство, чтобы герметизировать участки, использованные для соединения. Специалисту в данной области будет понятно, что в таких устройствах можно использовать множество схем герметизации для защиты, упрочнения и герметизации устройства с наложенными друг на друга слоями, его соединений и участков соединения.
Сборка функционализированных многослойных вставок
На фиг. 5, элемент 500, показан вид крупным планом примера устройства для сборки функционализированных многослойных вставок. В примере показана техника получения многослойной структуры, в которой края слоев не совмещены друг с другом. Элементы 440, 441 и 442 могут снова обозначать кремниевые слои. Как показано в правой части фигуры, правые боковые кромки элементов 440, 441 и 442 не выровнены друг с другом, что также возможно. Такой способ наложения слоев позволяет придать вставке трехмерную форму, аналогичную общему профилю офтальмологической линзы. Такая техника наложения может позволить максимально увеличить площадь поверхности слоев. В слоях, выполняющих функцию хранения энергии и размещения схемы, такое максимальное увеличение площади поверхности может быть важным.
В целом на фиг. 5 показаны многие свойства описанных ранее многослойных вставок, включая наложенные друг на друга функциональные слои 440, 441 и 442; наложенные друг на друга изолирующие слои 450 и 451; и соединения 430 и 431. Кроме того, для поддержания функционализированной многослойной вставки в процессе ее сборки можно использовать поддерживающий шаблон 510. Должно быть понятно, что профиль поверхности элемента 510 может быть самой различной формы, от которой будет зависеть трехмерная форма получаемой с его помощью вставки.
В целом шаблон 510 может иметь заданную форму. Для ряда целей на него можно нанести покрытие из различных слоев, элемент 520. В качестве не имеющего ограничительного характера примера покрытие может, во-первых, содержать полимерный слой, позволяющий легко встраивать вставку в основной материал офтальмологической линзы и который можно даже образовать из полисиликонового материала. Затем поверхность полисиликона можно покрыть эпоксидным покрытием для адгезивного прикрепления нижнего тонкого функционального слоя 440 к покрытию 520. На нижнюю поверхность следующего изолирующего слоя 450 затем можно нанести аналогичное эпоксидное покрытие и после этого поместить слой в соответствующее местоположение на шаблоне. Должно быть понятно, что шаблон может выполнять функцию центрирования для правильного расположения наложенных друг на друга слоев относительно друг друга по мере сборки устройства. Оставшуюся часть вставки можно собрать путем повторения данных действий, затем можно сформировать соединения и герметизировать вставку. На герметизированную вставку сверху можно нанести полисиликоновое покрытие. Если для элемента 520 используется полисиликоновое покрытие, собранную вставку можно отделить от шаблона 510 путем гидратации полисиликонового покрытия.
Шаблон 510 можно образовать из множества материалов. Шаблон можно образовать и выполнить из материалов, аналогичных материалам, используемым для получения литых изделий при производстве стандартных контактных линз. Такое использование позволяет обеспечить формирование разнообразных типов шаблонов для получения вставок разной формы и конфигурации. В альтернативном варианте осуществления шаблон можно образовать из материалов, которые благодаря своим свойствам или особому покрытию адгезивно не прикрепляются к химическим смесям, используемым для адгезивного прикрепления разных слоев друг к другу. Должно быть понятно, что возможны различные варианты конфигурации такого шаблона.
Другим аспектом шаблона, обозначенного как элемент 510, является тот факт, что его форма физически поддерживает расположенные на нем слои. Соединение между слоями можно образовать с помощью проводных соединений. В процессе соединения проволочными проводниками к проводнику может прикладываться существенное усилие, чтобы гарантировать образование прочного соединения. Структурная поддержка слоев во время такого соединения может иметь большое значение и может осуществляться с помощью поддерживающего шаблона 510.
Другая функция шаблона, обозначенного как элемент 510, заключается в том, что шаблон может иметь на своей поверхности юстировочные элементы, позволяющие центрировать фрагменты функционализированных слоев относительно друг друга как линейно, так и радиально вдоль поверхностей. Шаблон может позволять центрирование функциональных слоев по азимутальному углу относительно друг друга вокруг центральной точки. Независимо от окончательной формы формируемой вставки должно быть понятно, что шаблон узла может подходить для надлежащего центрирования фрагментов вставки для выполнения их функций и правильного соединения.
Более общее описание форм вставок из наложенных друг на друга слоев представлено с отсылкой к Фиг. 6. На ней представлен пример некоторых вариантов формы как подмножества форм в соответствии с известным в данной области. Например, элементом 610 показан вид сверху многослойной вставки, образованной из по существу круговых фрагментов слоев. Заштрихованный участок 611 может представлять собой кольцевой участок, из которого удален материал слоя. Однако должно быть понятно, что фрагменты наложенных друг на друга слоев, используемых для формирования вставки, могут представлять собой диски без кольцевого участка. Хотя применимость такой некольцевой формы вставки при производстве офтальмологических линз может быть ограниченной, сущность представленного в настоящем документе изобретения не ограничивается наличием внутренней кольцевой структуры.
Элементом 620 показана вставка с наложенными друг на друга функциональными слоями. Как показано элементом 621, фрагменты слоя могут быть отдельными не только в направлении наложения, но и вокруг азимутального направления, перпендикулярного направлению наложения. Для формирования вставки можно использовать полукруговые фрагменты. Должно быть понятно, что в формах с кольцевым участком возможно использование частичных форм для уменьшения количества материала для «нарезки» или вырезания после формирования материала слоя в соответствии с его функцией.
Элементом 630 показана возможная нерадиальная, неэллиптическая и некруговая формы вставки. Как показано элементом 630, возможно формирование прямолинейных форм или, как показано элементом 640, других многоугольных форм. С помощью разных форм отдельных фрагментов слоев, используемых для формирования вставки, в трехмерной перспективе можно получить пирамиды, конусы и другие геометрические формы. В трехмерной перспективе можно отметить, что отдельные слои, которые до сих пор были представлены как планарные или плоские фрагменты слоя, сами могут иметь степени свободы в трех измерениях. При достаточном утоньшении кремниевые слои можно изгибать или отклонять от их обычно плоской планарной формы. Данная дополнительная степень свободы для тонких слоев позволяет еще больше расширить спектр форм, которые можно создать для устройств с наложенными друг на друга интегрированными компонентами.
В более широком смысле специалисту в данной области будет понятно, что огромное разнообразие форм компонентов можно сформовать в формы устройств и продукты для получения устройств с наложенными друг на друга интегрированными компонентами, и данные устройства могут выполнять широкий спектр функций, включая, в не имеющем ограничительного характера смысле, обеспечение электропитанием, обнаружение сигнала, обработку данных, проводной и беспроводной обмен данными, управление питанием, электромеханические действия, управление внешними устройствами и широкий спектр функций, которые могут выполнять выполненные в виде слоя компоненты.
Слои с электропитанием
Как показано на фиг. 7, элемент 700, один или более слоев функционализированной многослойной структуры подложек может включать в себя тонкопленочный источник электрической энергии 706. Тонкопленочный источник электрической энергии можно по существу рассматривать как аккумуляторную батарею на подложке.
Тонкопленочная аккумуляторная батарея (иногда сокращенно называемая TFB) может быть выполнена на соответствующей подложке, такой как кремний, с использованием известных способов нанесения для нанесения материалов в виде тонких слоев или пленок. Процесс нанесения одного из данных тонкопленочных слоев может включать в себя осаждение распылением и может использоваться для нанесения различных материалов. После осаждения пленки ее можно обработать перед нанесением следующего слоя. Стандартный процесс обработки нанесенной пленки может включать в себя литографический или масочный процесс с последующим травлением или иным способом удаления материала, что позволяет придать пленочному слою требуемую физическую форму в двух измерениях на поверхности подложки.
2
3
2
На фиг. 7 элементом 700 показан пример тонкопленочного технологического процесса. Тонкопленочную аккумуляторную батарею, как правило, формируют на подложке, в данном процессе, например, для подложки использован оксид алюминия (AlO), элемент 701. Затем на подложку можно нанести типичный слой для создания электрических контактов, как показано на фиг. 7, элемент 702, где катодный контакт может быть сформирован путем осаждения тонкой пленки титана и золота на подложку. Как должно быть понятно из фиг. 7, данную пленку можно затем профилировать и вытравить, например, способами распылительного травления или влажного травления, для получения требуемой формы, как показано элементом 702. Следующей стадией в примере процесса может быть образование катодного слоя в виде пленки поверх катодного контакта, элемент 703. Одна из широко используемых катодных пленок может включать в себя оксид лития и кобальта (LiCoO), и, как показано на фиг. 7, ее также можно подвергнуть процессам профилирования. На следующей стадии, как показано элементом 704, можно нанести тонкую пленку для формирования слоя электролита в аккумуляторной батарее. Для слоя электролита можно выбрать различные материалы и формы, однако можно использовать, например, полимерный слой оксинитрида лития и фосфора (LiPON). На следующей стадии 705 наложенные друг на друга тонкие пленки можно дополнительно обработать с нанесением лития в качестве анодного слоя и затем меди для выполнения функции анодного контактного слоя, которые, как и другие слои, можно затем профилировать для получения требуемой формы контактных элементов или других аналогичных элементов. Затем можно получить собственно тонкопленочную аккумуляторную батарею путем герметизации наложенных друг на друга пленок пассивирующим и герметизирующим слоями. Например, слои можно герметизировать слоями парилена и титана или слоями эпоксидного герметика и стекла, как показано элементом 706. Как и с другими слоями, можно провести профилирование и травление данных последних слоев, например, для получения доступа к элементам, через которые можно выполнить электрическое подключение к герметизированной аккумуляторной батарее. Специалисту в данной области будет понятно, что для каждого из слоев существует широкий выбор возможных материалов.
Как описано для элемента 706, заключение в защитный слой можно использовать для защиты от поступления одного или более из кислорода, влаги, других газов и жидкостей. Следовательно, может быть предусмотрена герметизация в один или более слоев, которые могут включать в себя один или более из изолирующего слоя, который, в качестве не имеющего ограничительного характера примера, может включать в себя, например, парилен, и непроницаемого слоя, который может включать в себя, например, металлы, алюминий, титан и аналогичные материалы, которые образуют слой непроницаемой пленки. Примеры средств для формирования данных слоев могут включать в себя нанесение путем осаждения на образованное устройство тонкопленочной аккумуляторной батареи. Другие способы формирования данных слоев могут включать в себя нанесение органических материалов, например, эпоксидного компаунда, в сочетании с предварительно отформованными непроницаемыми материалами. Предварительно отформованный непроницаемый материал может включать в себя следующий слой устройства с интегрированными компонентами. Непроницаемый материал может включать в себя прецизионно отформованный/вырезанный защитный слой из стекла, окиси алюминия или кремния.
Например, в устройстве с наложенными друг на друга интегрированными компонентами для офтальмологического устройства подложка может включать в себя материал, способный выдерживать высокие температуры, такие как, например, 800C, без химических изменений. Некоторые подложки можно образовать из материала, который обеспечивает электрическую изоляцию, и в альтернативном варианте осуществления некоторые подложки могут быть электрически проводными или полупроводными. Однако данные альтернативные аспекты материала подложки могут быть совместимы с конечной тонкопленочной аккумуляторной батареей, которая может образовывать тонкий компонент, который можно интегрировать в устройство с наложенными друг на друга интегрированными компонентами и по меньшей мере частично обеспечить функцию обеспечения питанием устройства.
В тонкопленочной аккумуляторной батарее, где она представляет собой тонкий компонент многослойного интегрированного устройства, аккумуляторная батарея может иметь соединение с другими тонкими компонентами путем доступа через открытые участки в пассивирующих пленках на контактных площадках, показанные элементами 750 на элементе 706 элемента 700 на фиг. 7. Контакт можно получить через контактные площадки на обратной стороне подложки по отношению к стороне, показанной для элементов 750. Контактные площадки на обратной стороне могут быть электрически подключены к тонкопленочной аккумуляторной батарее путем использования переходных отверстий, проходящих через подложку, которые содержат проводящий материал, покрывающий боковые стенки переходного отверстия или заполняющий переходное отверстие. Наконец, контактные площадки можно образовать как на верхней, так и на нижней поверхностях подложки. Некоторые из данных контактных площадок могут пересекаться с контактными площадками тонкопленочной аккумуляторной батареи, однако альтернативы могут включать в себя контактные площадки на подложке без соединения с аккумуляторной батареей. Как должно быть понятно специалисту в данной области, существует множество способов формирования соединений через подложку и внутри подложки, на которой формируется тонкопленочная аккумуляторная батарея.
Представленное в настоящем документе описание может относиться к функциям, которые могут выполнять электрические соединения. Некоторые соединения могут обеспечивать электропроводный путь для компонентов устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами и их соединения с устройствами за пределами устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами. Что касается соединения за пределами устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами, такое соединение выполняется через прямой электропроводный путь. Внешнее соединение для герметизированного устройства может быть организовано беспроводным образом; причем соединение осуществляется способом, включающим в себя радиочастотное соединение, электрическую емкостную передачу данных, магнитную связь, оптическую связь или иной из множества способов организации беспроводного обмена данными.
Проводной источник энергии
На фиг. 8 представлен пример конфигурации источника энергии, элемент 800, который может включать в себя аккумуляторную батарею 810, сформированную вокруг электропроводного проводника 820. Элемент 820 может включать в себя тонкую медную проволоку, которую можно использовать в качестве основы. На проволоку можно нанести различные слои компонентов аккумуляторной батареи, которые схематически показаны кольцами на элементе 810, используя процессы периодического или непрерывного нанесения покрытия на проволоку. Таким образом при удобном гибком примере конструкции можно получить очень высокий коэффициент наполнения, который может достигать или превышать 60% активных материалов аккумуляторной батареи. Тонкую проволоку можно использовать для образования малых аккумуляторных батарей, таких как, в качестве не имеющего ограничительного характера примера, аккумуляторная батарея, емкость которой может находиться в диапазоне, измеряемом в единицах миллиампер-часов. Выходное напряжение такого компонента аккумуляторной батареи на основе проволоки может составлять приблизительно 1,5 вольта. Специалисту в данной области должно быть понятно, что за счет масштабирования можно получить аккумуляторные батареи большей емкости и с более высоким выходным напряжением, например, закладывая в конфигурацию конечного устройства параллельное или последовательное соединение отдельных аккумуляторных батарей. Множество способов, которыми предмет настоящего изобретения можно использовать для создания подходящих устройств аккумуляторных батарей, входит в объем настоящего изобретения.
На фиг. 9 элементом 900 показано, как компонент аккумуляторной батареи на основе проволоки можно комбинировать с другими компонентами. Например, элемент 910 может представлять собой офтальмологическое устройство, функционирование которого может управляться или изменяться электрическими средствами. Когда такое устройство используется как часть контактной линзы, физические размеры, занимаемые компонентами, могут образовывать относительно небольшое пространство. Однако аккумуляторная батарея на основе проволоки, элемент 920, может иметь идеальный пример конструкции для таких условий, умещаясь на периферии такого оптического компонента в форме, в которую можно уложить проволоку.
На фиг. 10 элементом 1000 представлен результат обработки с использованием примера способа формирования аккумуляторных батарей на основе проволоки. Данные способы и полученные продукты образуют аккумуляторную батарею на основе проволоки. Сначала можно выбрать проволоку, элемент 1010, из меди высокой чистоты, такой как доступная в продаже проволока, например, производства компании McMaster Carr Corp., и затем нанести на нее один или более слоев. Должно быть понятно, что существует множество альтернатив для типа и композиции проволоки, используемой для формирования аккумуляторных батарей на основе проволоки.
Для создания анода для аккумуляторной батареи на основе проволоки, как показано элементом 1020, можно использовать цинковое анодное покрытие. Цинковое анодное покрытие можно изготовить из порошка металлического цинка, полимерных связующих веществ, растворителей и добавок. Покрытие можно нанести и немедленно высушить. Для получения желаемой толщины слоя одно и то же покрытие можно наносить множество раз.
Как показано на фиг. 10, анод и катод аккумуляторной батареи на основе проволоки могут быть отделены друг от друга. Разделительное покрытие, элемент 1030, можно изготовить из непроводящих частиц наполнителя, полимерных связующих веществ, растворителей и добавок. Способ нанесения разделителя может представлять собой способ нанесения покрытия, аналогичный используемому для нанесения анодного слоя 1020.
2
Следующей стадией в процессе получения примера аккумуляторной батареи на основе проволоки, элемент 1000, является формирование катодного слоя. Данный катод, элемент 1040, можно сформировать путем нанесения катодного слоя оксида серебра. Данное катодное покрытие из оксида серебра можно изготовить из порошка AgO, графита, полимерных связующих веществ, растворителей и добавок. Аналогично разделительному слою для нанесения можно использовать тот же способ, который использовался для нанесения других слоев аккумуляторной батареи на основе проволоки.
После формирования катода на пример аккумуляторной батареи на основе проволоки можно нанести слой для сбора тока с катодного слоя. Данный слой может представлять собой проводящий слой из пропитанного углеродом адгезива. В альтернативном варианте осуществления данный слой может представлять собой слой из пропитанного металлом (например, серебром) адгезива. Специалисту в данной области будет понятно, что существует множество материалов, которые позволяют сформировать слой для улучшения сбора тока с поверхности аккумуляторной батареи. Для завершения конфигурации на готовую аккумуляторную батарею можно нанести электролит (раствор гидроксида калия с добавками).
В аккумуляторной батарее на основе проволоки слои, используемые для формирования аккумуляторной батареи, могут обладать способностью выделять газы. Формирующие слои аккумуляторной батареи материалы могут иметь герметизирующий слой, нанесенный поверх слоев аккумуляторной батареи, для удержания электролита и других материалов внутри объема аккумуляторной батареи и для защиты ее от механических повреждений. Однако данный герметизирующий слой, как правило, формируется таким образом, чтобы обеспечивать возможность диффузии выделяемых газов через слой. Такой герметизирующий слой может включать в себя силиконовые или фторполимерные покрытия; однако можно использовать любой материал, используемый в данной области для герметизации аккумуляторных батарей данного типа.
Компоненты соединений между наложенными друг на друга слоями
Как указано в приведенном выше описании, слои устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами, как правило, могут иметь между собой электрические и механические соединения. В предшествующих настоящему описанию разделах описаны определенные схемы соединения, в которых, например, используются проволочные соединения. Однако для помощи в пояснении предмета настоящего изобретения может быть полезно кратко описать отдельно некоторые типы соединений.
Один из стандартных типов соединения основан на использовании «шарикового вывода». Соединение типа шарикового вывода представляет собой тип соединения для корпусирования элементов, который уже много лет используется в полупроводниковой промышленности, как правило, в так называемых приложениях типа «перевернутый кристалл», когда кристаллы соединяются со своими корпусами путем установки перевернутых нарезанных электронных «чипов», на соединения которых нанесены шариковые выводы, на корпус, в котором имеются центрированные контактные площадки для соединения с другой стороной шарикового вывода. Термообработка позволяет шариковому выводу в определенной степени подплавиться с образованием соединения. Развитие техники в данной области привело к использованию соединений шарикового типа для получения схем соединений на любой из сторон или на сторонах слоя. Дополнительные улучшения технологии привели к уменьшению размеров шариковых выводов, которые можно надежно использовать для получения соединений. Размер шарикового вывода может составлять 50 микрон в диаметре или менее.
Когда соединение типа шарикового вывода используется между двумя слоями или, в более общем случае, когда используется схема соединений, которая приводит к образованию зазора между двумя слоями, можно использовать технологическую стадию «подзаливки» для помещения адгезивного материала в зазоры, чтобы обеспечить адгезивное механическое соединение и механическую поддержку для двух слоев. Существует множество способов проведения подзаливки набора слоев с выполненными между ними соединениями. В некоторых способах заливаемый адгезив затягивается в область зазора капиллярными силами. Заливаемый адгезив можно заставить затекать в зазор путем вдавливания жидкости в участок зазора. В области зазора можно создать зону пониженного давления путем создания вакуума под многослойным устройством, а затем нанести заливаемый материал. Любой из множества способов подзаливки зазора между двумя слоями материала согласуется с предметом описанного в настоящем документе изобретения.
Другая развивающаяся технология выполнения соединений относится к соединению одной стороны слоистого компонента с другой стороной через отверстие, проходящее сквозь слой - такой элемент, как правило, называют переходным отверстием. Технология также используется в разных формах уже много лет; однако развитие в данной области привело к возможности получения очень маленьких переходных отверстий диаметром 10 микрон или менее с очень большим коэффициентом пропорциональности, особенно когда материал слоя представляет собой кремний. Независимо от материала слоя переходное отверстие может образовать металлическое электрическое соединение между двумя поверхностями слоя; однако, если слой выполнен из электропроводного или полупроводникового материала, переходное отверстие должно иметь изолирующий слой, изолирующий металлическое соединение от самого слоя. Переходное отверстие может проходить сквозь всю подложку с нанесенными на нее слоями. В альтернативном варианте осуществления переходное отверстие может проходить сквозь подложку, но затем пересекаться с нанесенным элементом на поверхности подложки, с обратной стороны.
В тех переходных отверстиях, где переходник пересекается с металлической площадкой на одной стороне слоя, данная металлическая площадка может быть соединена с другим слоем с использованием различных способов, включая шариковые выводы и проволочные соединения. В том случае, когда переходное отверстие заполнено металлом и проходит сквозь всю многослойную подложку, подходящим решением может быть формирование соединения с помощью шариковых выводов с обеих сторон соединительного переходного отверстия.
Другой тип соединений возникает, когда формируют слой, в котором имеются только переходные отверстия и металлическая распределительная линия. В некоторых случаях такое соединительное устройство можно назвать промежуточным соединительным слоем, или интерпозером. Поскольку слой интерпозера может содержать только металлические распределительные линии и соединительные переходные отверстия, такой слой можно получить из некоторых дополнительных материалов, и, следовательно, возможны альтернативные способы создания переходных отверстий в данных материалах. В качестве не имеющего ограничительного характера примера материал для слоя может представлять собой подложку из диоксида кремния или кварца. В некоторых случаях данный слой кварца можно сформировать путем полива расплавленного кварца на подложку, из поверхности которой выступают металлические волокна. Данные выступы затем формируют металлические соединения между нижней и верхней поверхностями слоя кварца, получаемого в процессе такого типа. Множество способов формирования тонких слоев с соединениями представляют собой область, подходящую для организации соединений между наложенными друг на друга слоями и, следовательно, формирования устройств с наложенными друг на друга интегрированными компонентами.
Техника получения проходящих через подложку переходных отверстий позволяет получить другой тип соединительного элемента. При заполнении проходящих через подложку переходных отверстий различными слоями, включая металлические слои, полученное переходное отверстие может образовать структуру, которую можно разрезать. Переходное отверстие можно «разрезать» по центру, получив половину разрезанного переходного отверстия. Соединительные элементы такого типа можно назвать зубчатым соединением. Такие соединительные элементы обеспечивают соединение между верхней поверхностью и нижней поверхностью и возможность установления соединений с данными поверхностями; однако они также позволяют установить соединение сбоку, обеспечиваемое структурой зубчатого элемента.
В настоящем документе описан ряд технологий выполнения соединений и интегрирования компонентов. Однако раскрываемое в настоящем документе изобретение призвано охватить широкий спектр способов интегрирования, и представленные примеры, которые приведены исключительно с целью иллюстрации, не призваны ограничивать объем настоящего изобретения.
Устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с энергообеспечением
На фиг. 11 элементом 1100 показан пример устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с энергообеспечением, в котором присутствуют 8 наложенных друг на друга слоев. Присутствует верхний слой 1110, используемый как слой обеспечения беспроводной связи. Присутствует выполненный по определенной технологии слой 1115, который соединяется с верхним слоем 1110 и с находящимся под ним соединительным слоем 1125. Кроме того, присутствуют 4 слоя аккумуляторной батареи, показанные как элемент 1130. Возможен нижний слой подложки, элемент 1135, причем подложка включает в себя дополнительный слой антенны. Возможно выполнение множества функций.
Множество элементов питания в устройствах с наложенными друг на друга интегрированными компонентами
На фиг. 12, элемент 1200, показано схематическое представление конструкции типа, показанного на фиг. 11. Множество элементов питания, которые были указаны как элементы 1130 на фФиг. 11, теперь получили отдельные идентификаторы. Должно быть понятно, что показанные количество и взаимное расположение множества элементов являются лишь одним примером из множества различных возможностей и показаны только в целях иллюстрации. Однако, как показано на фигуре, элементы могут быть организованы в 4 блока по 3 или 4 элемента, как показано элементами 1210-1224. Первый блок элементов в данном примере может включать в себя элементы 1210, 1211, 1212 и 1213. Второй блок элементов может включать в себя элементы 1214, 1215, 1216 и 1217. Третий блок элементов может быть представлен элементами 12112, 1219, 1220 и 1221. Кроме того, четвертый блок элементов может быть представлен элементами 1222, 1223 и 1224. В данном примере четвертый элемент аккумуляторной батареи в четвертом блоке может не быть подключен, но может использоваться в качестве соединительного элемента от элемента аккумуляторной батареи к элементу антенны, элемент 1291.
Каждый из данных блоков может иметь единую линию на землю для трех или четырех объединенных в блок элементов. Для целей иллюстрации первый блок, включающий в себя элементы 1210, 1211, 1212 и 1213, может иметь единую линию на землю, показанную элементом 1230. Кроме того, каждый из элементов может также иметь отдельную линию, соединяющую их с соединительным слоем, который может быть представлен элементом схемы 1290. Должно быть понятно, что в объем настоящего изобретения также может входить множество вариантов соединения, количества, а также самой конструкции каждого элемента аккумуляторной батареи. Кроме того, может оказаться возможным обеспечить отдельные соединения с соединительным слоем как общего электрода, так и электрода со смещением для каждого элемента аккумуляторной батареи.
Как указано выше, в некоторых конструкциях типа, показанного элементом 1200, когда блоки элементов аккумуляторной батареи имеют единую линию на землю, данный элемент аккумуляторной батареи 1213 может быть подключен к единой линии на землю, элемент 1230, и одновременно иметь свое отдельное соединение для электрода со смещением, элемент 1235. Данные соединения могут поступать на соединительный элемент 1290 и затем проходить на элемент управления питанием, указанный на данной фигуре как элемент 1205. Два соединения могут иметь соответствующие входные соединения блока управления питанием, где элемент 1240 может быть продолжением линии на землю блока 1230, а элемент 1245 может быть продолжением соединения электрода со смещением 1235 элемента аккумуляторной батареи 1213. Таким образом, отдельный элемент аккумуляторной батареи может быть подключен к системе управления питанием, а его электрическое соединение с остальными элементами можно контролировать переключателями.
Четыре блока из множества из пятнадцати отдельных элементов питания можно соединить в параллельную структуру с получением первичного источника питания, который имеет такое же напряжение, что и элементы аккумуляторной батареи, и способен обеспечивать суммарную емкость пятнадцати элементов. Блок управления питанием, 1205, может соединять каждый из пятнадцати элементов 1210-1224 в такую параллельную структуру. Элемент управления питанием может обработать и изменить входное напряжение источника питания и генерировать обработанное выходное напряжения источника питания, которое можно подавать на все остальные компоненты устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами. Должно быть понятно, что элемент управления питанием может выполнять различную электрическую обработку входного напряжения питания, включая, в не имеющем ограничительного характера смысле, регулировку выходного напряжения всех элементов для соответствия стандартному эталонному выходному напряжению, умножение напряжения отдельных элементов, регулировку выходного тока объединенных элементов аккумуляторной батареи и множество других таких типов обработки.
При любом способе обработки напряжения комбинации 15 элементов первичное выходное напряжение блока управления питанием может быть подключено к соединительному слою, как показано элементом 1250. Данное напряжение питания можно передать через соединительное устройство и электрически подать на элемент интегрированного пассивного устройства 1206 (IPD).
Внутри элемента интегрированного пассивного устройства 1206 могут находиться конденсаторы. Соединение первичного источника питания, выходящее с соединителя 1255, можно использовать для зарядки конденсаторов до напряжения первичного источника питания. Зарядкой можно управлять с использованием активного элемента, либо напряжение для заряда можно непосредственно подавать на элемент конденсатора. Полученное соединение конденсатора можно затем идентифицировать как первое состояние источника питания для устройств с наложенными друг на друга интегрированными компонентами, как указано элементом 1260 на элементе 1200. Хотя хранение энергии в конденсаторах может выполняться в отдельном элементе интегрированного пассивного устройства, в случае, показанном элементом 1206, конденсаторы могут быть включены в состав самого устройства управления питанием или в состав других компонентов, потребляющих ток от устройства управления питанием. Кроме того, можно использовать комбинацию конденсаторов в интегрированных пассивных устройствах и конденсаторов в элементе управления питанием и в потребляющих ток элементах устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с энергообеспечением.
Возможны различные причины для обработки напряжения, генерируемого множеством элементов питания. Примером такой причины могут служить требования к источнику питания относительно подключенных к нему компонентов. Если у данных элементов имеются различные рабочие состояния, требующие разных потребляемых токов, то потребление тока в рабочем состоянии с максимальным потреблением тока можно буферизовать присутствием конденсаторов. Таким образом, конденсаторы за счет накопленного заряда могут обеспечивать существенно больший выходной ток, чем пятнадцать элементов сами по себе в указанный момент времени. В зависимости от состояний потребляющего ток элемента и природы конденсаторов в элементе интегрированного пассивного устройства 1206, возможно ограничение времени, в течение которого может поддерживаться состояние с высоким потреблением тока. Поскольку конденсаторы необходимо перезаряжать после такого броска потребляемого из них тока, должно также быть понятно, что необходимо обеспечить достаточное время между повторными состояниями с высоким потреблением тока. Следовательно, должно быть понятно, что возможны различные аспекты конфигурации, относящиеся к количеству элементов питания, их энергетической емкости, типам соединяемых с ними устройств и требований к источнику питания элементов, получающих питание от данных элементов питания, системе управления питанием и интегрированным пассивным устройствам.
Аспекты напряжения питания множества элементов питания:
В некоторых примерах устройств с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с множеством элементов питания можно варьировать различные схемы параллельного и последовательного соединения для комбинации аккумуляторных батарей. При последовательном соединении двух элементов питания выходные напряжения элементов питания суммируются и дают более высокое выходное напряжение. При параллельном соединении элементов питания напряжение остается тем же, но способности обеспечивать ток суммируются. Должно быть понятно, что взаимное соединение элементов питания может быть обеспечено на аппаратном уровне в конфигурации элемента. Однако элементы можно комбинировать с использованием переключающих элементов для получения различных состояний источника питания, которые можно задавать динамически.
На фиг. 13 элементом 1300 показан пример того, как переключатели можно использовать для получения до 4 различных выходных напряжений при переключении комбинации четырех различных элементов питания. Должно быть понятно, что показанное количество элементов использовано исключительно в целях иллюстрации и что возможно множество различных аналогичных комбинаций в соответствии с сущностью настоящего изобретения. Кроме того, элементы 1301, 1302, 1303 и 1304 могут образовывать соединения на землю четырех различных элементов питания, или они могут представлять соединения на землю четырех различных блоков элементов питания, как показано в описании с отсылкой к фиг. 12. Например, элементы 1305, 1306, 1307 и 1309 могут образовывать соединения электрода со смещением для каждого из четырех показанных элементов питания, где соединение электрода со смещением может иметь номинальный уровень напряжения, который может быть на 1,5 вольта выше уровня соединения на землю четырех индивидуальных элементов 1301, 1302, 1303 и 1304.
Как показано на фиг. 13, может присутствовать микроконтроллер, элемент 1316, включенный в состав устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами, среди множества управляющих функций которого может быть управление количеством источников питания, которые должны образовывать множество подключенных элементов питания. Микроконтроллер может быть подключен к контроллеру переключения, элемент 1315, который может преобразовывать изменения уровня управляющего сигнала микроконтроллера в изменения состояний отдельных переключателей. Для упрощения изложения выход элемента 1315 показан как один элемент 1390. В данном случае данный сигнал соответствует отдельным линиям управления, которые идут к множеству переключателей, показанных как элементы 1320-1385. В целях настоящего изобретения можно использовать множество типов переключателей, однако, в не имеющем ограничительного характера смысле, пример таких переключателей может представлять собой переключатели на основе МОП-транзисторов. Должно быть понятно, что в целях настоящего изобретения можно использовать любые из множества типов механических и электрических переключателей, которыми можно управлять с помощью электрических сигналов.
Управление переключателями можно использовать для получения множества различных состояний напряжения в соответствии со схемой элемента 1300. В качестве первого примера переключатели можно установить таким образом, что будут одновременно получены два состояния с различным напряжением; напряжение 1,5 вольта, показанное элементом 1313, и напряжение 3 вольта, показанное элементом 1312. Существует множество способов получить такое состояние, но в качестве примера будет описан следующий способ, в котором для получения каждого из напряжений используют по два разных элемента. Можно рассматривать комбинацию элементов, представленных элементами соединения на землю 1301 и 1302, как элементы для получения источника питания 1,5 вольта. Для этого, элемент 1305, соединение электрода со смещением для первого элемента питания, может быть уже подключено к линии источника питания напряжением 1,5 вольта, элемент 1313. Для подключения соединения электрода со смещением второго элемента питания 1306 к линии источника питания 1313 переключатель 1342 можно перевести в замкнутое состояние, а переключатели 1343, 1344 и 1345 можно перевести в разомкнутое состояние. Соединение на землю второго элемента питания теперь можно подключить к линии на землю 1314 путем активации переключателя 1330 для получения второй линии источника питания напряжением 3 вольта, элемент 1312, соединения на землю третьего 1303 и четвертого 1304 элементов можно подключить к линии источника питания 1,5 вольта 1313. Чтобы обеспечить это для третьего элемента, можно активировать переключатель 1321 и при этом деактивировать переключатели 1320 и 1322. Это может привести к тому, что соединение 1303 окажется на уровне 1,5 вольта для элемента 1313. В данном случае можно деактивировать переключатель 1350. Для четвертого элемента следует активировать переключатель 1340. Можно также активировать переключатель 1341, однако то же состояние можно получить и при неактивном переключателе. Переключатель 1370 можно деактивировать, чтобы разорвать соединение с линией на землю.
Соединения электрода со смещением третьего элемента 1307 и четвертого элемента 1309 теперь можно подключить к линии источника питания напряжением 3 вольта 1313. Для подключения третьего элемента следует активировать переключатель 1363, а переключатели 1362, 1364 и 1365 можно деактивировать. Для четвертого элемента 1309 можно активировать переключатель 1383 и деактивировать переключатели 1382, 1384 и 1385. Данный набор соединений может позволить получить подобное двухуровневое (1,5 и 3 вольта) напряжение первичного источника питания в представленном примере с использованием 4 элементов питания.
Показанные на фиг. 13 соединения, элемент 1300, могут привести к получению нескольких различных состояний источника питания при использовании четырех элементов питания или четырех блоков элементов питания. Должно быть понятно, что в объем настоящего изобретения также может входить множество других типов соединений элементов питания. В не имеющем ограничительного характера смысле могут присутствовать всего лишь два элемента питания или любое большее их количество, которое согласуется с устройством с наложенными друг на друга интегрированными компонентами. Возможны аналогичные концепции для переключения соединений на землю и соединений электрода со смещением элементов питания параллельным и последовательным образом, которые позволяют получать напряжения, кратные собственному напряжению отдельного элемента питания, если все множество элементов питания является однотипным, или комбинированное напряжение, если используются отдельные элементы питания различных типов и с различными напряжениями.
Описание использования переключательной структуры, представленной на фиг. 13, может содержать описание набора соединений, которые можно запрограммировать в устройство с наложенными друг на друга интегрированными компонентами и затем использовать на протяжении всей работы полученного устройства. Специалисту в данной области будет понятно, что возможны и альтернативные динамические структуры. Например, устройство с наложенными друг на друга интегрированными компонентами может иметь запрограммированные рабочие режимы, в которых количество или природа его источников питания может изменяться динамическим образом. В не имеющем ограничительного характера смысле на Фиг. 13 элемент 1310 может представлять собой линию источника питания устройства, которая в некоторых режимах не подключена ни к какому соединению элементов питания, что может происходить при деактивированных переключателях 1345, 1365 и 1385. Другие структуры данного типа можно получить при активации одного или более из переключателей 1345, 1365 и 1385, приводящей к получению заданного напряжения источника питания на элементе 1310. Данная динамическая активация заданного уровня напряжения может также включать в себя деактивацию через некоторое время или альтернативно динамическое переключение на другое рабочее напряжение питания. Возможно большое разнообразие рабочих конфигураций на основе описанного изобретения, когда в устройство с наложенными друг на друга интегрированными компонентами включено множество элементов питания, которые можно подключать статическим и динамическим образом к другим элементам устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами.
Аспекты внутренней диагностики и надежности множества элементов питания
Природа элементов питания может включать в себя такие аспекты, когда при сборке элементов в устройство с наложенными друг на друга интегрированными компонентами возможны режимы неисправности, которые могут иметь природу исходной неисправности, или неисправности «в нулевой момент времени», или альтернативно могут представлять собой связанные со старением неисправности, когда исходно рабочий элемент может отказать в процессе использования. Характеристики устройств с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с множеством элементов питания допускают схемотехнические и конфигурационные решения, которые позволяют восстанавливаться при таких режимах неисправности и сохранять функциональное рабочее состояние.
На фиг. 12 элементом 1200 в качестве примера показаны некоторые меры внутренней диагностики и восстановления работоспособности. Ниже представлено описание структуры, в которой во множестве из пятнадцати элементов питания 1210-1224 все элементы соединены параллельно для получения одного состояния источника питания на основе стандартного рабочего напряжения каждого элемента. Как указано выше, природа комбинирования данного множества элементов питания может позволить устройству с наложенными друг на друга интегрированными компонентами выполнять внутреннюю диагностику и восстановление работоспособности при наличии или появлении дефектного элемента питания.
На фиг. 14 элемент 1400, принимая во внимание описанные выше структуры, элементом 1410 показано, как можно использовать сенсорный элемент для обнаружения тока, протекающего через устройства питания. Возможны различные способы задания условия в устройстве с наложенными друг на друга интегрированными компонентами, когда его ток может быть установлен на стандартном уровне. Например, устройство может иметь активируемый «спящий режим», в котором потребление тока покоя находится на очень низком уровне. Протокол определения величины тока может быть простейшего типа, с введением резистивного элемента в линию возврата тока через землю источника питания; хотя в целях настоящего изобретения можно использовать и более сложные средства измерения протекающего тока, включая использование магнитных или термопреобразователей или любых иных средств для обеспечения метрологии электрического тока. Если при диагностическом измерении величины протекающего тока, которое может быть представлено величиной падения напряжения на резистивном элементе по сравнению с эталонным напряжением, обнаруживается превышение границы допустимого диапазона, пример схемы внутренней диагностики может перейти к определению того, не вызывает ли один из элементов питания состояние избыточного потребления тока. При выполнении проверки одним из примеров способа определения причины неисправности, как показано элементом 1420, может быть отключение по очереди каждого из четырех блоков путем отключения его линии возврата тока через землю. Как показано на фиг. 12, элемент 1200, например, первым отключаемым блоком может быть блок элементов 1210, 1211, 1212 и 1213. Можно отключить линию на землю 1230. После отключения можно провести такое же измерение потребления электрического тока, как показано элементом 1430. Если регистрируемая величина тока теперь вернулась к нормальной величине потребления тока, проблему можно идентифицировать как возникшую в данном блоке. Если же величина тока по-прежнему находится за пределами установленного диапазона, логический процесс может перейти к следующему блоку и снова вернуться к элементу 1420. Возможен вариант, при котором после перебора всех блоков, что в данном примере может означать четыре блока, потребление тока все равно будет находиться за пределами допустимого диапазона. В таком случае протокол внутренней диагностики может завершить проверку элементов питания и затем либо остановить процедуру внутренней диагностики, либо запустить процедуру внутренней диагностики другой возможной причины повышенного потребления тока. При описании данного протокола внутренней диагностики должно быть понятно, что описан пример протокола для иллюстрации концепций настоящего изобретения и что множество иных протоколов также могут позволить изолировать отдельные элементы питания, которые могут быть неисправны.
Как подразумевается в примере протокола, когда величина тока возвращается к нормальному уровню при отключении блока, можно выполнить следующий цикл изоляции. Как показано элементом 1440, отдельный блок можно снова активировать, однако для каждого из четырех элементов, например, 1210, 1211, 1212 и 1213, можно отключить их соединение электрода со смещением, где, например, элемент 1235 может представлять собой соединение электрода со смещением для элемента 1213. Как и раньше, после отключения элемента можно снова зарегистрировать потребление тока, как показано элементом 1450. Если отключение элемента возвращает потребление тока к нормальному состоянию, данный элемент можно идентифицировать как неисправный и отключить его от системы источника питания. В таких случаях протокол внутренней диагностики может вернуть элемент 1460 в исходное состояние (теперь с отключенным неисправным элементом) и снова проверить, находится ли потребляемый ток в допустимых пределах.
Если второй цикл проверки, показанный элементами 1440 и 1450, проходит по всем элементам питания в блоке без возвращения тока к приемлемому значению, цикл может завершиться, как показано элементом 1441. В таком случае схема внутренней диагностики может либо отключить весь данный блок от системы источника питания, либо перейти к другому способу изоляции элементов внутри блока, которые в данном примере не показаны. Возможны различные способы создания протоколов внутренней диагностики для множества элементов питания и действия, запрограммированные для выполнения на основе работы данных протоколов.
Одновременная зарядка и разрядка для множества элементов питания
На фиг. 15 элементом 1500 показана другая структура, возможная при интегрировании множества элементов питания в устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами. Если присутствует множество элементов питания, элементы 1511-1524, и присутствуют элементы внутри многослойного интегрированного устройства, 1500, которые могут подходить для перезарядки элемента питания, может оказаться возможным обеспечить зарядку некоторых из элементов при одновременном использовании остальных элементов для обеспечения энергией функционирующих компонентов.
Например, устройство с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с множеством элементов питания может быть способно принимать и обрабатывать РЧ-сигналы с антенны, элемент 1570, находящейся внутри устройства. В некоторых вариантах осуществления может присутствовать вторая антенна, элемент 1560, которая может подходить для приема передаваемой беспроводным образом энергии из окружающей устройство среды и передачи данной энергии в устройство управления питанием, элемент 1505. Например, может присутствовать элемент микроконтроллера, элемент 1555, который одновременно потребляет энергию от элементов питания устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами и управляет работой устройства. Данный микроконтроллер 1555 может обрабатывать поступающую на него информацию с использованием запрограммированных алгоритмов для определения того, что система питания из пятнадцати элементов 1511-1524 может содержать достаточно энергии для обеспечения требований к питанию для текущего функционирования устройства, когда только подмножество элементов используется для питания схемы управления питанием, элемент 1540, устройства управления питанием и работающего на его основе источника питания для остальных компонентов, присутствующих в данной схеме. В данном случае остальные элементы можно подключить к схеме зарядки, элемент 1545, компонента управления питанием, который может получать энергию, как указано выше, принимаемую антенной 1560. Например, на Фиг. 15 элементом 1500 показано, что устройство с наложенными друг на друга интегрированными компонентами можно перевести в состояние, при котором три из четырех элементов питания, элементы 1522, 1523 и 1524, можно подключить к электронным компонентам зарядки, как в данном примере показано для элемента 1523 элементом 1150. Одновременно оставшиеся 12 элементов, элементы 1511-1521, можно подключить к схеме источника питания 1540, как в данном примере показано для элемента 1511 элементом 1530. Таким образом при использовании множества элементов питания устройство с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с энергообеспечением можно перевести в рабочий режим, при котором элементы питания одновременно заряжаются и разряжаются. Описание данного примера режима одновременной зарядки и разрядки приводится лишь в качестве одного из множества способов, с помощью которых множество элементов питания можно выполнить с возможностью выполнения множества функций внутри устройства с наложенными друг на друга интегрированными компонентами с энергообеспечением, и данный пример не должен никоим образом ограничивать широкое разнообразие возможных структур.