US8868189B2 Internally grounded flat through filter with hermetically sealed insulative body with internal ground plates

摘要

• 问题：先有平板穿透电容器(174)因主动电极两端暴露，在约 100 MHz 以上发生 RF 跨耦合，衰减特性骤降；其薄膜电极串联电阻高，电流额定值仅数毫安至数安，无法承载 ICD 除颤脉冲(>20 A)；MLCC 在自谐振频率(SRF)以上丧失宽带滤波能力；传统圆形馈通电容器成本高且低频衰减有限。
• 方案：将大面积主动电极板(176)以上下接地屏蔽板(194/194’)夹持，集成于混合基板(192，柔/刚复合结构)，装配于 AIMD 密封穿透处，形成屏蔽三端平板穿透 EMI 滤波器(190)；可共面嵌入 Wheeler 螺旋电感形成多节低通滤波器；可表面贴装 MLCC、带阻滤波器、瞬态抑制二极管及 RFID 芯片。
• 效果：含嵌入电感的 L 段结构(平板穿透电容 + 表面贴 MLCC)在 1.5 T(64 MHz)和 3 T(128 MHz) MRI 频率处衰减比传统馈通电容器提高 10 至逾 20 dB；主动电极电流额定值达 30 A 以上；完全消除先有平板电容器的高频跨耦合衰减劣化。
• 形态：39 项权利要求；混合基板支持全柔性、刚柔复合、全刚性三种构型；适用单极至 16 引线多极 AIMD，亦适用于军事/航天/通信 EMI 滤波连接器。

机理与方案

先有技术缺陷根源

先有 MLCC 为两端器件，内部等效串联电感 L 与电容 C 在 SRF $f_r=1/(2\pi \sqrt{LC})$ 处互相抵消；SRF 以上器件呈感性，衰减随频率升高骤降(图18)。先有平板穿透电容器(174)虽为三端器件，但主动电极两端迹线裸露，约 100 MHz 以上时 RF 信号经杂散电容、天线效应或互感绕过电容体，出现图40所示的跨耦合衰减骤降。此外，薄膜电极工艺限制使串联电阻偏高，电流额定值仅数毫安至数安。

核心结构：屏蔽夹持（图47、58）

本发明将主动电极板(176)同时作为电流导体和滤波元件，以介质层与上下接地屏蔽板(194, 194’)绝缘，三者叠层后形成分布式平板穿透电容。专利正文明确给出电容公式：

$C=\frac{k\cdot A\cdot (n-1)}{d}$

其中：$k$ 为介质介电常数（聚酰亚胺 $k=3$–$4$；氧化铝 $k=9$–$11$；钛酸钡/钛酸锶 $k>5000$）；$A$ 为主动电极板与屏蔽板的有效重叠面积(ECA)；$n$ 为总电极板数（3板时 $n-1=2$，生成两个并联电容 $C$ 与 $C^{\prime }$）；$d$ 为主动电极板与相邻屏蔽板间的介质厚度。提升 $C$ 的路径：扩大 ECA、提高 $k$、减薄 $d$、增加冗余叠层数 $n$。电压额定值主要由 $d$ 决定，高压应用(如 ICD)需增大 $d$ 并相应扩大 ECA 以保持目标电容值。

消除 RF 跨耦合（图58、60、64）

主动电极板 176 被接地屏蔽板在上下方向完全包覆；边缘可加共面屏蔽迹线(224)及外周金属化层(208)，形成连续 Faraday 笼。缝合通孔(230，图64)将各屏蔽层多点互连，依矩形波导截止原理缩短等效腔体电长度，将边缘 RF 泄漏截止频率推至 5–10 GHz（远超 AIMD 所需的 3 GHz 上限，参见 ANSI/AAMI PC69）。由此根除先有平板电容器固有的跨耦合衰减劣化。

高电流能力

以铜片等厚导体取代薄膜电极，大幅降低主动电极串联电阻，电流额定值达 30 A 以上，可满足 ICD 除颤脉冲需求。

嵌入电感升阶（图61、69、75）

在主动电极层共面光刻/蚀刻 Wheeler 螺旋电感迹线(158)，使滤波器由单C节(20 dB/decade)升级：L 节 40 dB/decade → π/T 节 60 dB/decade → LL 节 80 dB/decade → 5 元件节 100 dB/decade（图75）。嵌入电感同时增大 ECA，进一步提升寄生平板穿透电容值，属于近零额外制造成本的改进。

接地路径（图54、56、77）

屏蔽板经外周金属化层(208)或多点导电材料(210)连接至密封穿透件的金钎焊(124)，而非直接连接钛铁素体(120)，规避 TiO₂ 氧化膜所引入的高阻抗，确保低阻抗 RF 接地。

典型多元件配置（图88、89）

体液侧引线 → 平板穿透电容 $C_p$（分布参数，高频衰减）→ 并联 LC 带阻滤波器(BSF，阻断 MRI 单频)→ 串联电感 $L_2$ → 并联 MLCC $C_2$（低频补充衰减）→ 串联 $L_3$ → 瞬态抑制二极管阵列(DA)→ 引线焊盘，构成 5 元件低通 + 带阻复合滤波电路，覆盖 MRI 频段与宽带 EMI。

效果与证据

定量数据：有限，均来自说明书图形文字描述，非实测数据表格或仿真波形数值。

1. 衰减改善（图76正文陈述）：含嵌入电感的 L 段结构（平板穿透电容 + 表面贴 MLCC）在 1.5 T(64 MHz)和 3 T(128 MHz) MRI 频率处，衰减比相同电容值传统馈通电容器提高「10 至逾 20 dB」。注意：此数值针对完整 L 段组合结构，非裸平板穿透滤波器单独性能；图76为概念性曲线图，无原始测量数值。薄 stub 中的「10–20 dB」与全文一致，但 stub 未注明该结论的前提配置。
2. 最小寄生电容规格（权利要求 17、21、32）：主动电极板 ECA 须保证寄生平板穿透电容不低于 20 pF。
3. 截止频率变化（图68、76描述）：无嵌入电感时，平板穿透电容曲线的 3 dB 截止点约在 1000 MHz；加入嵌入电感后 3 dB 截止点降至约 40 MHz，同时衰减斜率由 20 dB/decade 升至 40 dB/decade。
4. 电流额定值（正文明确陈述）：主动电极可承载 30 A 以上；先有平板穿透电容器额定值仅数毫安至数安。
5. 频段覆盖声明（定性，无量化）：MLCC + 平板穿透电容复合结构据称可从 kHz 覆盖至 10 GHz；58 kHz EAS 门禁场景亦有提及，但无对应衰减量化值。

全文无独立第三方测试报告，无实验测量原始数据表格，图68/75/76 所有曲线均为发明人示意性绘制。

对我方产品的意义

编目级（Tier2），§对我方产品的意义 见同簇代表件深卡。

关联

• 原文(Google Patents):https://patents.google.com/patent/US8868189B2/en
• 危害:Hazard-rf-heating