用於信號耦合和直流阻斷的方法和系統的製作方法

2023-06-14 04:41:11 2

專利名稱：：用於信號耦合和直流阻斷的方法和系統的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種信號耦合方法和電路結構的種類。尤其是，本發明涉及一種信號耦合的方法和系統，通過用對稱碳雙層電容器來替代不同傳統耦合電路中的傳統膜型或片式陶瓷耦合電容器。
背景技術：
：電容現象已被發現多個世紀。最早的蓄電裝置，萊頓(Leyden)瓶，就是簡單的電容器。在其最簡單的概念形式中，如圖1所示電容器10被看作是兩個平行放置的導電極板12a和12b，兩者之間有電絕緣空間14。如果每個極板的面積16為S，極板之間的距離18為d，且如果d遠小於S的平方根，那麼電容器10的電容值C可由下式給出C=εS/d其中C以法(farad)為單位，其等於施加1伏電壓時所儲存的電荷庫倫值(coulomb),ε是填充空間14的任何物質的介電常數。對於真空(或近似地對於大多數氣體)，介電常數εCl=SJAgX10_12法/米。對於其他物質，ε簡單認為是εC1乘以^的結果，其中εκ是物質的無量綱數字特性。εR通常的範圍是，從例如Γ明cm的全氟碳化物大約為2，大多數塑料或礦物的通常為36，鋁氧化物為8.8，鉭氧化物為30以及蒸餾水為80，直至經過特殊處理形式的鈦酸鋇約為1200。如圖Ia所示，通過兩個分別與極板12a和12b連接的導體20a和20b使電容器10與外界進行電連通。因此，在電子線路中用圖Ib中的符號22表示電容器，以表示兩個極板、極板間的空間和引出的導體。幾乎不變地，除了上述部件，如圖Ia中虛線24所示，實際電容器還包括外絕緣套或塗層以防止不需要的電流或漏洩。從剛剛給出的等式容易看出，電容量隨S的增加、ε的增加或d的減少而增加。如圖2a中30所示，早期電容器在兩極板之間使用真空(或更實際的，空氣)，電容值C非常小，大約為幾皮法(10_12法)至幾百皮法。這種電容器可使用於頻率非常高或電壓有幾千伏的情形下，但在其他現代低壓電子設備中卻很少使用。如圖2b所示的下一代電容器，導電極板相互放置得更接近，極板被雲母、蠟紙或塑料的薄(通常大約是10_4米)膜32隔離。通常極板由金屬箔構成，且為了緊湊將膜和金屬箔軋制在一起。這種結合可增加S、減少d和增加ε並使實際值提高2至3個數量級，從大約1納法(10_9法)提高到幾百納法，但是一般會將工作電壓降低至幾百伏。鐵電陶瓷的發展使被稱為片式電容器的新一代電容器成為可能，鐵電陶瓷中的大多數以經過特殊處理的鈦酸鋇為基礎。如圖2c所示，這種「單片」電容器由陶瓷34和例如鈀的金屬的交替的薄(大約10_4米)層構成，兩者燒制在一起以形成單個陶瓷片。儘管實際裝置小，但是與膜式電容器相比更易製造且更耐用。陶瓷34的εκ值很大，通常大約是1200，這對必須減小的S進行了補償，在通常工作電壓是10至30伏的情況下可產生幾納法至大約1微法(10_6法)的實際值。鐵電陶瓷還可用於「盤式」電容器，其中陶瓷取代了前例中的材料32，產生更小的電容值但是能工作於更高的電壓。隨著進一步發展，出現了圖2d中所示的電解電容器，可以容許通過大面積S和非常小的距離d實現小體積的大電容值。此處至少一個極板由例如鋁或鉭的金屬構成，被蝕刻或其他方式處理以使極板表面積最大化，並與電解質36接觸。通過應用可控的電流和電壓，在表面生成氧化物38的薄(大約10_6米)層並形成電介質。因為εκ適當大(但是沒有鐵電陶瓷中的大)且距離d與機械裝配結構中可能的值相比小了數量級，所以在工作電壓為幾伏至幾百伏時可容易地實現1微法(10_6法)至幾千微法的電容值。通過經濟地實現相對大的電容值，電解電容器的發展徹底變革了電子設備。但是，電解電容器的缺陷在於固有的單向性或被極化。這是製造工藝以及金屬與電解質的化學反應所造成的。只要所施加的電壓與最初用於形成氧化物層的電壓具有相同的極性電容器就會具有所期望的功能。但是如果電壓反向，就會損壞氧化物層且電容器變為極度洩漏，基本上處於短路。這就要求在使用電解電容器時特別小心，從而限制了其應用於例如儲能的場合，儲能時所施加的電壓始終是相同的、正確的極性。值得指出的是，如圖2e中所示，對電解電容器40的兩個、而不是一個極板的處理可生成有近似對稱特徵的裝置。這種對稱電解電容器有時使用於信號處理中，例如使用在像濾波器和圖形均衡器的低阻抗音頻設備中。然而，由於製造的更大複雜性和所帶來的相對高的成本，所以對稱電解電容器40通常是在別無他選時的最後的辦法。更常用的方法就是將兩個常規、極化、等值的電解電容器簡單地背靠背(back-to-back)串聯放置。每個電容器中漏電流沿著其相反方向迅速對電容器公共端充電至足夠高的電壓以防止進一步反向偏置，且該成對的電容器的功能接近於一個每個組件具有二分之一額定值的單獨的對稱電容器。電容器的最新發展是稱作「超大容量電容器(ultracapacitor)」、「超級電容器(supercapacitor)」、「雙層」或「電化學」(「EC」)電容器，並且這些構成下面描述的本發明的組成部分。這與圖2e中所示的電解電容器大體相似，但是取代了金屬氧化物層，其依靠在例如碳的半導體和另一材料之間的任何結處出現的表面勢壘電位形成它的「電介質」。如圖2f所示，當第二材料是電解質36時，勢壘因自發形成的「雙層」而出現，其中雙層的一層由碳42中的移動電子形成，另一層由電解質36中的移動離子形成。施加於該雙層上的電壓牽引異性電荷分開，從而留下一薄的空白帶以形成電介質。因為該層非常薄，通常小於1納米(10_9米)，並且因為活性碳碳體或碳氣凝膠的表面積S非常大，所以該類型裝置的實際電容值的範圍為從最小大約0.05法(50，000微法)直至幾法。這種薄度的缺點在於由於要依靠自身結構和形成電介質的液體，因此就限制此類型單個電容器的最大工作電壓不超過2或3伏。對於更高電壓，必須將多個單元串聯連接。在早期的雙層電容器中，僅使用多孔碳42的一面碳體，電線通過多孔碳後面的金屬極板與所述碳體連接，到金屬的另一電線上布滿特殊處理過的鎳44以直接接觸電解質。如圖2f所示，該裝置有類似電解電容器(圖2e所示)的特性僅以一種極性操作，如果施加電壓錯誤則易致破損或毀壞。它所含的鎳44也使得其相對昂貴且由於可能釋放有毒物而在處置上需要特殊處理。但是自21世紀初以來，技術的發展使得將碳貼到對稱雙層電容器46的雙極板而不是單極板變得更簡單、經濟。此類電容器如圖2g所示。因而此類電容器適合批量生產並且價格迅速降低。每個單元的工作電壓通常是2或3伏，如圖2h所示，將兩個或更多單元串聯成疊層48以獲得更高電壓。適合印刷電路板安裝的小組件的商業批發價格現在已低至大約每隻1美元。此系列裝置中的一種是ELNA的「Dynacap"DX系列，包括額定電壓均在5.5伏的0.047,0.1,0.22,0.33和1.0法的裝置。但是一般都沒意識到，新式碳-碳雙層電容器48的對稱特性的用途遠不止儲能。可能原因就是例如電解電容器的先前幾代高價值電容器幾乎都是單向的且容易被反向極性損壞。而由於可以通過碳-電解質結產生雙電層，所以不會遭受上述損壞。不管以何種方式破壞它，都能幾乎馬上再形成。現代對稱雙層電容器48有兩個塗覆有多孔碳的極板，一個極板變得活躍且對一個極性端提供大電容，同時另一個極板基本上為短路，在相反的極性端兩者的作用互換。例如，圖3圖示了測量的典型ELNADX-5R5V473」Dynacap"(0.047法、5.5伏)電容器48在標記的「正」向和標記的「反」向上的自放電曲線。在各種情形中，用9伏無線鹼性電池通過100歐電阻對電容器48充電，直到所連接的伏特表讀數為8.50伏，充分超過Dynacap的最大額定工作電壓5.5伏，如圖3a中線60所示。然後與電池斷開。以不斷增加的時間間隔測量電容器電壓並以時間的對數繪圖。圖3a中所示的平滑曲線62和64分別表示標稱的「正向」和「反向」數據點。根據連續數據點間的電壓變化，可依下列關係確定內部漏電流formulaseeoriginaldocumentpage7並用對數繪圖以示電壓函數。如圖3b所示，漏電流從點70(額定電壓線60之上)附近相對大的值下降至額定電壓處的大約40微安，然後到達曲線的平頂處(點72附近)，大約20微安、電壓在4至5伏之間。在4伏以下，漏電流再次下降至較低的值(點74附近)。標記的「正向」漏電流值76和標記的「反向」值78之間有差值，但是該差值絕不大於額定工作電壓範圍的一半。電容器的一種典型應用是電容耦合。具體地，電容耦合就是利用電路元件之間的電容將電能從一個電路元件傳送至另一個電路元件。通常是將電容器與要耦合的信號串聯以實現電容耦合。這種電容器就稱為耦合電容器。耦合電容器用於連接兩個電路，其中只有來自第一電路的交流(AC)信號能通過並傳送到下一個電路而直流(DC)則被阻斷。該技術可用於在電路互相連接時，避免改變每個電路的DC偏置設定。因此電容耦合也稱為AC華禹合。耦合電容器可作為DC斷流電容器。電容耦合的缺點在於，由於每個耦合電容器和下一級的輸入阻抗構成了高通濾波器並且連續的每個濾波會導致累加濾波，從而降低了包含電容耦合單元的系統的低頻性能。因此，對於適當的低頻響應，通常耦合電容器必須有足夠大的電容以使電抗(在最低頻率的效益)遠大於下一級的輸入阻抗。耦合電容器的不良低頻性能會使有大時間常數的A/C電信號傳送變得複雜。現有技術裝置，例如美國5，217，009,5,413，596,6,011，994,6,321，119、6，535，767,7,117，034號專利和美國公布的20040267333號申請中描述的生物電子刺激器，都要求使用背靠背(back-to-back)式電解電容器以輸出直流斷流，其中上述申請的全部內容通過引用併入此處。但考慮到電容器的實際尺寸，在任何給定時間只能使含有少量不平衡電荷的信號耦合成功。即使是在相對短時間內有明顯不平衡，信號也可能會失真。如此，該領域就需要有非常好的低頻性能的電容耦合電路。這種低頻性能可在信號有大時間常數分量時保持高效的信號傳播。還需要可基本阻斷直流信號分量的傳送但仍能保持令人滿意的低頻性能的電容耦合。同時，在某些情形中，尤其是醫學應用，還需要包含出於安全考慮的系列冗餘元件的電容耦合電路。
發明內容下面描述一種通過使用一個或多個雙層電容器耦合低頻信號的方法和電路結構的種類，其中信號是從電子設備的一級耦合到另一級、從外界耦合到該級，或從該級耦合到外界。可將該雙層電容器與例如電阻的其他應用在電子電路設計中的使用方便、成本低廉的電子元件組合。本發明的一個重要特徵是將緊湊、經濟的對稱雙層電容器使用於信號傳輸，而有別於用來儲能。本方法有利於將來自電子設備的信號引入生物物質中，例如活的人體或動物體、其他有機物、或培養中的細胞或組織。使用雙層電容器可對實際尺寸小、成本低的裝置提供更大電容值，可容許失真很小的信號在可能更大範圍內傳輸，同時仍然阻斷任何明顯的直流。另一重要特徵是雙層電容器可在信號流的通路上與電容器兩個浮空端子連接，而不是如往常的雙層電容器至少有一個端子與地或另一個固定電壓點連接。這允許信號的交流分量通過電容器從電子設備的一級到另一級、從外界到該級或該級到外界，同時阻斷任何直流分量。該特徵尤其是對生物電子刺激器和類似的醫學裝置很重要，在上述裝置中施加到活組織上的任何淨直流都能引起有害的電解反應。本發明另一個重要特徵是使用串聯連接的多個、分立的雙層電容器器件，不論每個器件是包含單個單元還是兩個或多個的層疊，而保持足夠電容以成功耦合。例如，串聯連接兩個這樣的器件。雙層電容器的新式對稱將其帶入新的應用領域，其中尤其是電容值為1法以下的雙層電容器，由於其更大數量級的值，可同樣被用於其它非極化電容器會有異常擴展時間特性的場合。例如，當使用非常用的低阻抗或對於某些醫學應用必須要最小化失真時，可將此類電容器用於耦合特殊低頻交流(A/C)信號，如常規阻抗規格的20Hz或更低，或IOOHz範圍內的低音頻頻率。其它低頻可包括但不局限於5-15Hz的頻帶，和0.00056Hz(每15分鐘轉換，每30分鐘一周期，其中的信號生成技術通常參考Borgens關於神經再生長的應用)和低至0.OOOlHz的頻率。其它低頻可包括但不局限於IHertz(Hz)，IHertz的1/10、3/10、1/100、3/100、1/1000、3/1000、1/10000、3/10000。但是，其它低頻率也未超出本發明的範圍。電容器可將此類低頻A/C信號從電子設備的一級耦合到另一級，從外界耦合到該級，或從該級耦合到外界，同時仍然阻斷上述信號的任何直流分量，且無需保證特定、不變的極性存在於電容器中。具體地，應用領域包括耦合電子設備與人或動物體、培養中的細胞、組織或完整有機物之間的低頻信號，以用於診斷、治療、加速生長或癒合、或電子生物和電刺激領域的其它用途，而沒有因為長時間暴露在會不慎含有一些直流分量的信號下伴有電解效應的危險。在美國出售的任何醫學裝置，美國食品和藥物管理局要求在任何可能的信號分量失效的情況下都要保證其安全性。滿足此要求的簡單方式是「三數法則」，就是通過足以安全運行的三個子分量中任意兩個來三重冗餘地形成任何關鍵分量。串聯設置的三重冗餘輸出電容器可用於支持任何醫學裝置的安全運行，並仍保證較小的信號失真。或者，在信號電壓很大而有要求時，可使用多於三個的分立器件以使所有操作都在額定電壓範圍內。本發明另一個重要特徵是將雙層電容器與相對低值的電阻一起使用以匹配典型生物物質的阻抗，同時保持大時間常數，如7、16、36、120、150、500、1200和1500秒，這裡僅列舉少許示例。還可包括但不局限於其他值的大時間常數，例如10、30、100、300、1000、3000秒或可能長達1萬秒中的一個。對於被電容耦合於電阻負載中的施加電壓或電流的步驟，衰減時間或信號下降至Ι/e或大約其原始值36.8%的時間，由下式給出T=(R1+R2+R3+.··)/(l/C.+l/C^l/C,+.··)其中Ri、R2、R3等和CpCyC3等是所有串聯連接的電阻和電容。如果所有各電阻值以單個等值串聯電阻Rs表示，且所有各電容以單個等值串聯電容Cs表示，則可由下式簡單計算衰減時間T=RsCs並因此保持給定的希望的衰減時間，如果Rs下降，則Cs必須按一定比例量增加。在Rs小的情況下，如在多數生物物質或系統中，就要求值大的Cs以滿足傳輸。使用雙層電容器，尤其是在冗餘「三數法則」結構中，可以保證上述各值的電容器所提供的大時間常數保持足夠大，以補償多個電容器串聯連接所造成的損失。例如，所得的耦合電路可以經濟地實現特殊大的時間常數(10、30、100、300、1000、3000秒或可能長達1萬秒)和大電荷位移(0.25庫(coulomb))，以及因此將特殊低頻或包含這種低頻分量的信號、尤其是耦合低於20Hz的信號耦合至生物物質中，以用於診斷、治療或加速生長或癒合，同時仍然阻斷信號的任何直流分量。本部分提供的對電容耦合電路的討論僅用於說明。通過下文所揭示實施例的詳細描述和參考所附附圖與權利要求，可以更清楚理解和領會本發明的各方面。此外，基於對下列附圖和詳細描述的檢驗，本領域技術人員應清楚明白本發明的其他方面、系統、方法、特徵、優點和目標。旨在將所有方面、系統、方法、特徵、優點和目標包括在該說明書中，並包括在本發明的範圍內，以及被所附權利要求保護。圖Ia和Ib是現有技術中普通電容器的示意圖。圖2a圖2h是一組現有技術中利用各種不同技術製造的電容器的示意性橫剖面圖。圖3a和圖3b是說明傳統商用雙層電容器的自放電特性和計算出的內部漏電流的一對曲線圖。圖4是使用冗餘電解電容器的現有技術生物電子刺激器的輸出部分示意圖。圖5是使用根據本發明一個示例性實施例的按照「三數法則(ruleofthree)，，的雙層電容器重新配置的相同輸出部分的示意圖。圖6a圖6c是被耦合於標準測試負載中的波形對照圖，其使用根據本發明一個示例性實施例的圖4和圖5的耦合方法來模擬典型生物系統的阻抗。圖7說明根據本發明一個示例性實施例耦合第一電路和第二電路之間信號的雙層電容器。圖8說明根據本發明一個示例性實施例耦合第一電路和第二電路之間信號的三個串聯雙層電容器。圖9是使用根據本發明一個示例性實施例的雙層電容器對兩個電路之間的A/C電信號耦合處理的邏輯流程圖。參考上述附圖可更好理解本發明的許多方面。圖中所示的元件和特徵不是按比例繪製，重點在於清楚地說明本發明各示例性實施例的原理。此外，可能擴大某些尺寸以有助於視覺上表示這些原理。在附圖中，附圖標記表示各圖中相似或相應但不一定相同的元件。具體實施例方式本發明能以多種不同形式來實現且不應解釋成局限於下文所述的各實施例；更確切地，提供這些實施例是為了使公開內容徹底、完整，並對本領域普通技術人員全面表述本發明的範圍。此外，文中給出的所有「示例」或「示例性實施例」並不是用來限制本發明表述所支持的內容。本發明包括一種方法和電路結構的種類，通過使用一組或優選是多組的複數個雙層電容器與例如電阻的其它使用方便、成本低廉的電子元件組合，該方法和電路用於耦合從電子設備的一級至級、從外界到一級或從一級到外界的低頻信號。與雙層電容器至少一個末端與地或其他固定電壓電位相連的傳統用法相反，雙層電容器可在信號流的通路上與電容器兩個浮空端子連接。本發明可應用於生物電子刺激領域，其中將特定強度和波形的信號施加到生物物質中以引出所希望的響應，如加速生長或癒合。如圖4所示，美國6，535，767號專利描述了傳統生物電子信號生成裝置的輸出部分的示例，其全部內容通過弓I用併入此處。電路中串聯有三個冗餘電阻，包括100、102和由開關106的位置所確定的選自電阻104a、104b和104c中的一個。計算所述電阻的值，使得如果它們中任一個因為短路失效，剩餘兩個電阻與驅動器108和電路其它元件中的其它分布電阻也足以使輸出終端110的電流限制在安全標準。但是單個電阻本身不能從直流信號中辨別出交流，因此就不能保證終端110處的信號是滿足安全使用的電荷平衡(即，沒有D.C.分量)。二極體103和105對於電路運行不是必須的，是用於提供電流流向的視覺或電子指示。如圖中所示105，上述二極體中至少一個是發光二極體(LED)，可以是可見發光二極體或光學隔離器中例如對微處理器提供電子輸入的紅外線發光二極體。或者，兩個二極體103和105都是LED。以如圖所示的反平行(非平行)方向設置二極體(其中一隻二極體的正極與另一隻二極體的陰極相連)的情況下，該對二極體能通過高頻信號並與電流成正比地發光。因此就提供了一種同步顯示即顯示電池被提供足夠的運行電壓、所有電路塊供電正確運行、以及電流適當地流向與終端110連接的負載。還如圖4中所示電容器112a、112b、112c和112d。上述電容器分別形成兩個背靠背的對，使得如果它們中任一個失效，則另一個同極相連的單元仍然足以阻斷直流輸出，從而保證安全運行。遺憾的是，當電容器如此串聯連接時，總電容值由下式給出formulaseeoriginaldocumentpage11其中CpCyC3等是如此相連的單個電容。當所有單元等值時，等式可簡單寫成Cs=C/N其中N是單獨單元的數目，C是每個單元的值。將四個10微法單元這樣連接成串，生成僅2.5微法的串聯電容值。將所述電容串與500歐的典型生物負載串聯，生成僅1.25毫秒的衰減時間常量，嚴格限制了所施加的信號和頻率的範圍。使用大值電容能實現更大的時間常數，因此可在更寬的頻率範圍內運行，但是卻帶來尺寸、體積、成本以及重量增加的缺陷。在圖5中，圖4中相同的輸出耦合部分通過使用根據本發明的雙層電容器而被重新調整。至少使用三個這樣的電容器114a、114b和114c，由此滿足「三數法則」。選擇單元的工作電壓，以使任何電容器因為短路失效時，剩餘單元仍然一起安全阻斷任何直流信號分量而不超出它們的額定電壓。例如，施加最大9伏的信號時，可使用三個5.5伏雙層電容器，例如ELNADX系列中的電容器，任何兩個都足以安全運行。使用DX系列中的最低值器件，特性如圖3所示的DX5R5V473，每個器件電容值為0.047法，因此三個器件組成的電容器串的串聯電容值大約為0.0157法，即15，700微法，比圖4中相同串的值大6000倍以上。再次通過該串施加信號至500歐的典型生物負載，生成的時間常數是7.83秒。使用來自相同系列或像表1所示的具有標準的、10%公差餘量值的其它器件，仍然可以容易地實現大時間常數。例如，大時間常數可包括但不局限於7、16、36、120、150、500、1200和1500秒(如表1所示)中的一個，僅列舉少許示例。大時間常數的其他值還可包括但不局限於10、30、100、300、1000、3000秒或可能長達1萬秒中的一個。因此，本發明支持的某些時間常數可在10至10000秒的範圍內，以及例如100至1000秒的其它範圍。這為低頻A/C信號建立了新的寬範圍，如在20Hz.至0.0001Hz.，這證實了對生物電子刺激有巨大價值。此外低頻還可包括但不局限於IHertz(Hz)UHertz的1/10、3/10、1/100,3/100,1/1000,3/1000,1/10000,3/10000o但其他低頻未超出本發明的範圍。表1-電容器倌和相關時間常數tableseeoriginaldocumentpage11tableseeoriginaldocumentpage12例如，由Purdue中心主任RichardBorgens進行的癱瘓研究中指出，可以通過大約每15分鐘轉換一次極性的頻率非常低的方波刺激神經再生長。使用三個串聯連接、各電容值為10法的雙層電容器，可以允許此類信號導入500歐的典型生物負載中而沒有無法接受的信號失真，也不將治療組織暴露在可能有損害的電解效應下。本發明生成的低頻可包括但不局限於5-15Hz頻帶以及0.00056Hz(每15分鐘轉換一次，整個周期30分鐘，其中的信號生成技術通常參考Borgens關於神經再生長的應用)和低至0.OOOlHz的頻率。此外低頻還可包括但不局限於IHertz(Hz)UHertz的1/10、3/10、1/100,3/100,1/1000,3/1000,1/10000,3/10000o但其他低頻未超出本發明的範圍。圖6說明並比較了圖4中現有技術輸出部分與圖5中體現本發明的輸出部分的信號耦合特性。圖6a中的軌跡120示出了驅動器108的差分輸出電壓。信號以短且不對稱的脈衝序列122的形式施加，然後是均衡脈衝124，其中由於該均衡脈衝近似等於序列122中正負極所耗時間之差，所以恢復電平衡至淨電荷零點(不含D.C.)。但是，因為對於實際分量，無法確保其不失效或其它值變化影響平衡，所以為了安全仍然要求電容D.C.斷流。並希望，在被處理的生物物質中可以幾乎不變地複製軌跡120中的同一電壓模式。現有技術圖6b中的軌跡126示出了出現在設於兩個終端110之間、代表典型生物負載的500歐電阻上的輸出部分的信號。清楚可見，因電容器112a至112d的組合而引起的失真以電壓隨著序列122的長度下降的形式體現，導致正脈衝的強度隨著時間減小而負脈衝強度增加。所有脈衝形狀也都明顯失真，均衡脈衝124失真尤其顯著。根據本發明一個實施例的圖6c中的軌跡128示出了在三個如上所述的雙層電容器124a至124c替代電容器112a至112d時的相同信號。正如所見，在施加的電壓和負載上出現的電壓之間沒有檢測到失真。現在參考圖7和圖8，圖7說明了根據本發明一個示例性實施例的耦合第一電路700a與第二電路700b之間的信號710的雙層電容器46。導體20a和20b使第一電路700a與耦合電容器46以及耦合電容器與第二電路700b互連。該互連為交流(A/C)電信號710通過雙層電容器46從一個電路至其他電路提供了電通路。電容器46可基本阻斷由其耦合的第一電路700a與第二電路700b之間的任何信號710的直流(D.C.)分量。但是，電容器46還能耦合A/C信號710中包含的其它低頻能量的相當多的部分，其中電容器46用於在第一電路700a與第二電路700b之間耦合。雙層電容器可包括呈現對稱雙層特性的任何電容器，例如所說明的兩面碳超級電容器46。或者，儘管通常較少期望，但是可將兩個相同的、不對稱的超級電容器以類似圖4中所示的電容器對的背靠背結構的形式來代替所示每個電容器。參照圖2g的相關敘述，當由碳42中的移動電子形成一層而電解質36中的移動離子形成另一層時，此類電容器就可實現所期望的雙層。通過在該雙層上施加的正確極性的電壓牽引異性電荷分離，從而留下一薄的空白帶以形成電容器的電介質。更一般的是，電介質是以在例如碳的半導體和其他材料之間的任何結處出現的表面勢壘電位為基礎。雙層電容器還可包括參照圖2h所述的層疊電容器48。還可使用圖8所示的多個串聯設置的電容器。圖8所示的電容器可以每個是所示的兩層電容器組46，或每個可是每隻層疊電容器48有2個、3個或多於3個單元的層疊雙層電容器單元組48(見圖2h)。串聯和/或層疊電容器可在信號通路上提供冗餘、在各個單獨電容器46有一個或多個失效時保護負載。所述冗餘的示例就是上述的「三數法則」。在示例性實施例中(未圖示)，可將電路700a連接至與生物物質連接的兩層電容器組46。生物物質可包括活體。活體例如包括組織、培養中的細胞、活的人體、除了人體之外的活的動物和類似活體的其它物質。儘管說明了圖7和圖8中所示電容器為平行極板12a和12b電容器，但是它們還可以有本領域已知的任何其它幾何或電化學構造，以達到雙層超級電容器或超大容量電容器效應。其它幾何構造的示例可以是纏繞線圈、同軸極板、層疊極板、徑向交錯極板、表面被處理過或有紋理以增加表面積的極板。電容器46中的材料可包括例如，碳、矽、天竺葵、砷化鎵、摻雜半導體及其組合或其它任何半導體；電解液、氣體、格爾(gell)電解質、糊狀電解質、固體電解質、電解質基質或任何電解質材料；以及如銅、鎳、鋁、合金、其它任何導體、金屬氧化物、矽氧化物，或任何合金或其組合等的金屬或氧化物層。現在描述圖9，該圖是使用根據本發明一個示例性實施例的雙層電容器對電路和部件之間的A/C電信號耦合處理的邏輯流程圖900。該部件可包括另一個電路或生物物質。為使本發明具有上述作用，下文所附所有邏輯流程圖中描述的處理過程或處理流程中的某些步驟必須自然先於其它步驟。但是，如果步驟的順序或次序不改變本發明的作用，則本發明不局限於所描述步驟的順序。即，應認識到，在不背離本發明的範圍或精神的情況下，某些步驟可以先執行或者後執行，或者和其它步驟同時執行。使用雙層電容器來耦合電路和部件之間的A/C電信號的方法900可從步驟910開始，其中將來自第一電路700a的A/C電信號710提供給第一導體20a。接著，在步驟920中，A/C電信號710沿著第一導體20a傳導。該導體可以是第一電路700a和雙層耦合電容器46之間的電連通。接著，在步驟930中，將A/C電信號710從第一導體20a傳導至雙層電容器46。此處將電容器46作耦合電容器使用。雙層電容器46可以是具有雙層電容器特性的單個電容器單元，或可以是串聯連接的一個或多個此類電容器，或可是一個或多個層疊電容器48。此類雙層電容器還可以是已知的超級電容器或超大容量電容器。接著，在步驟940中，通過雙層電容器46耦合A/C電信號710。可將通過雙層電容器46耦合A/C電信號認為是傳導A/C電信號710的交流分量。在步驟950中，通過雙層電容器46的耦合，A/C電信號710的任何直流(D.C.)分量基本上被阻斷。在步驟960中，將A/C電信號從雙層電容器46傳導至第二導體20b。第二導體20b可與電容器46的第二極板12b電連通。接著，在步驟970中，A/C電信號710沿著第二導體20b傳導。最後，在步驟980中將A/C電信號710從第二導體20b傳送至例如圖8中的第二電路700b的組件或例如生物物質的部件。所傳送的信號應該與步驟910中最初提供的信號基本相似，但是，任何直流(D.C.)分量已基本被雙層電容器46阻斷。A/C信號的傳送可顯現出出色的低頻性能，並因此有利於傳導具有大時間常數分量的信號710。例如，本發明支持的大時間常數可包括但不局限於7、16、36、120、150、500、1200和1500秒中的一個，這裡僅列舉少許示例。因此，本發明支持的一些時間常數可在5至7200秒的範圍內，和例如150至1200秒的其它範圍。本發明支持的低頻A/C信號可包括但不局限於頻率例如在20Hz.至0.OOOlHz範圍的信號。通過雙層電容器46耦合A/C電信號的步驟可以比單層電容器30更有效地耦合A/C電信號710的低頻分量。前文描述被認為僅是說明本發明的原理。由於本領域技術人員可以容易地進行大量修改和變換，所以並不將本發明限制為圖示和描述的精確結構和操作，相應地，所有適當的修改和等同物都可被認為落入本發明的範圍內。因此，本領域技術人員清楚明白在不脫離所附權利要求限定的本發明精神和範圍的情況下，可對此處描述的優選實施例做各種變換或替代。此外，僅由所附權利要求對本發明的範圍進行限制。權利要求一種耦合電路，其包括與第一外圍電路進行電連通的第一導體；與第二外圍電路進行電連通的第二導體；以及位於所述第一導體和所述第二導體之間並用於耦合所述第一外圍電路和所述第二外圍電路之間的A/C電信號的雙層電容元件，該雙層電容元件還用於基本上阻斷所述A/C電信號的直流分量。2.如權利要求1所述的耦合電路，其中，所述雙層電容元件包括與電解材料接觸的半導體。3.如權利要求1所述的耦合電路，其中，所述雙層電容元件包括與電解材料接觸的第一半導體和與所述電解材料接觸的第二半導體。4.如權利要求1所述的耦合電路，其中，所述雙層電容元件包括多個串聯連接的雙層電容器。5.如權利要求1所述的耦合電路，其中，所述雙層電容元件包括一個或多個超級電容器6.如權利要求1所述的耦合電路，其中，所述A/C電信號包括不平衡電荷。7.如權利要求1所述的耦合電路，還包括與所述雙層電容元件進行電連通的電阻，所述電阻用於改善所述第一外圍電路與所述第二外圍電路之間的匹配阻抗。8.如權利要求1所述的耦合電路，還包括電阻，所述電阻和所述雙層電容元件用於建立時間常數。9.如權利要求1所述的耦合電路，還包括電阻，其中所述電阻和所述雙層電容元件生成超過10秒的時間常數。10.如權利要求1所述的耦合電路，還包括電阻，其中所述電阻和所述雙層電容元件生成超過30秒的時間常數。11.如權利要求1所述的耦合電路，還包括電阻，其中所述電阻和所述雙層電容元件生成超過100秒的時間常數。12.如權利要求1所述的耦合電路，還包括電阻，其中所述電阻和所述雙層電容元件生成超過1000秒的時間常數。13.如權利要求1所述的耦合電路，還包括電阻，其中所述電阻和所述雙層電容元件生成大約或低於20Hz的頻率。14.如權利要求1所述的耦合電路，還包括電阻，其中所述電阻和所述雙層電容元件生成大約在5Hz15Hz之間的頻率。15.如權利要求1所述的耦合電路，還包括電阻，其中所述電阻和所述雙層電容元件生成大約在1Hz的萬分之一1Hz的萬分之三之間的頻率。16.一種通過雙層電容元件耦合電路和負載之間的信號的方法，該方法包括以下步驟向第一導體提供含有交流(AC)分量和直流(DC)分量的信號，所述信號沿所述第一導體傳導至雙層電容元件，通過所述雙層電容元件耦合所述信號的AC分量，通過所述雙層電容元件阻斷所述信號的DC分量，將僅含有所述AC分量的信號從所述雙層電容元件傳導至第二導體，以及將所述信號從所述第二導體傳送至所述負載。17.如權利要求16所述的方法，其中，所述信號沿所述第一導體傳導至雙層電容元件的步驟還包括通過單個雙層電容器耦合所述信號。18.如權利要求16所述的方法，其中，所述信號沿所述第一導體傳導至雙層電容元件的步驟還包括通過多個雙層電容器耦合所述信號。19.如權利要求16所述的方法，其中，將所述信號從所述第二導體傳送至所述負載的步驟還包括將所述信號從所述第二導體傳送至生物物質。20.如權利要求16所述的方法，其中，將所述信號從所述第二導體傳送至所述負載的步驟還包括將所述信號從所述第二導體傳送至另一電路。21.—種在兩個元件之間傳導A/C信號的耦合電路，其包括連接在所述兩個元件之間的信號流的通路上的一個或多個雙層電容元件，每個電容器包括端子，每個電容器的每個端子相對於地和固定電壓之一處於浮空狀態。22.如權利要求21所述的耦合電路，其中，所述兩個元件是電子設備的一部分，所述信號流的通路是從所述電子設備的一級至另一級。23.如權利要求21所述的耦合電路，其中，所述信號流的通路的方向是從外圍環境至電子設備。24.如權利要求21所述的耦合電路，其中，所述信號流的通路的方向是從電子設備至外圍環境。25.如權利要求21所述的耦合電路，其中，所述信號流的通路的方向是從電子設備至生物物質。26.如權利要求25所述的耦合電路，其中，所述生物物質包括活的人體。27.如權利要求25所述的耦合電路，其中，所述生物物質包括活的動物體。28.如權利要求25所述的耦合電路，其中，所述生物物質包括除了人類或動物之外的活的有機物。29.如權利要求25所述的耦合電路，其中，所述生物物質包括培養中的生物細胞。30.如權利要求25所述的耦合電路，其中，所述生物物質包括培養中的組織。31.如權利要求21所述的耦合電路，其中，所述雙層電容元件包括多個串聯連接的單兀。32.如權利要求21所述的耦合電路，還包括多個雙層電容元件，每個所述雙層電容元件包括多個串聯連接的單元。33.如權利要求29所述的耦合電路，其中，所述多個雙層電容元件包括三個雙層電容ο34.如權利要求33所述的耦合電路，其中，所述多個雙層電容元件包括在額定電壓範圍內工作的雙層電容器。35.如權利要求21所述的耦合電路，其中，所述AC信號伴有包括不平衡電荷量的DC信號分量。36.如權利要求35所述的耦合電路，其中，所述不平衡電荷量持續一段時間。37.如權利要求21所述的耦合電路，其中，所述雙層電容元件與電阻被一起使用以匹配生物物質的阻抗，同時保持大於6秒的時間常數。38.如權利要求37所述的耦合電路，其中，所述時間常數大於30秒。39.如權利要求37所述的耦合電路，其中，所述時間常數大於100秒。40.如權利要求37所述的耦合電路，其中，所述時間常數大於300秒。41.如權利要求37所述的耦合電路，其中，所述時間常數大於1000秒。42.如權利要求37所述的耦合電路，其中，所述時間常數大於3000秒。43.如權利要求37所述的耦合電路，其中，所述時間常數大於10000秒。44.如權利要求21所述的耦合電路，其中，所述雙層電容元件與電阻被一起使用以生成大約或低於20Hz的頻率。45.如權利要求21所述的耦合電路，其中，所述雙層電容元件與電阻被一起使用以生成低於20Hz的頻率。46.如權利要求21所述的耦合電路，其中，所述雙層電容元件與電阻被一起使用以生成大約在5Hz15Hz的頻率。47.如權利要求21所述的耦合電路，其中，所述雙層電容元件與電阻被一起使用以生成大約在IHz的萬分之一IHz的萬分之三的頻率。全文摘要本發明揭示了一種通過使用與其他電子部件組合的多個對稱雙層電容器耦合低頻信號的電路結構的種類和方法，其中信號是從電子設備的一級耦合至另一級，從外界耦合至該級或從該級耦合至外界。使用電容器進行信號傳送並阻斷直流，而不是儲能。使用取代了多個傳統電容器的雙層電容器可以使信號的傳送範圍更大且失真極小。本技術尤其適合用於醫學裝置，包括生物電子刺激器，其中為了信號分量失效時的安全而要求有冗餘裝置，此時若使用傳統組件則可會產生不能接受的失真。文檔編號H01G9/155GK101820945SQ200880100562公開日2010年9月1日申請日期2008年6月26日優先權日2007年6月27日發明者詹姆斯·W·克朗伯格申請人:麥哲利夫有限公司