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Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables Alfredo Arnaud, Matias Miguez. Depto.de Ingeniería Eléctrica. Universidad Católica.

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1 Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables Alfredo Arnaud, Matias Miguez. Depto.de Ingeniería Eléctrica. Universidad Católica del Uruguay

2 4 – Seguridad y confiabilidad Alfredo Arnaud, Matias Miguez. Depto.de Ingeniería Eléctrica. Universidad Católica del Uruguay

3 ¿Qué es la seguridad, y qué es la confiabilidad? Aún después del testing individual válido, un circuito integrado puede fallar. ¿Porqué causa? - Electromigración, rotura de un dieléctrico, estrés mecánico, corrosión, hot electrons, etc etc …. Simplemente algo que se estaba para romper, se rompe.

4 ¿Qué es la seguridad, y qué es la confiabilidad? Confiabilidad: entiende a la frecuencia y probabilida de ocurrencia de fallas. Confiabilidad: entiende a la frecuencia y probabilida de ocurrencia de fallas. Un circuito confiable = probabilidad de que falle es muy baja.

5 ¿Qué es la seguridad, y qué es la confiabilidad? Seguridad: Una falla simple en el circuito no puede provocar un evento catastrófico. Seguridad: Una falla simple en el circuito no puede provocar un evento catastrófico. ¿Qué es un evento catastrófico? depende de la aplicación. Pero por lo general entregar DC a tejido, o en un marcapasos estimular a más de 200ppm.

6 Confiabilidad. Luego del descarte inicial durante el testing, los CIs y los equipos electrónicos verifican la curva de la bañera. Tiempo. Fallas. Zona de fallas por desgaste. Zona de fallas estables. Distribución de Poisson. Fallas al comienzo o mortalidad infantil. Meses o 1 año.

7 Confiabilidad. Las tasas de fallo son muy bajas, por ejemplo se miden en ppm/K = 1 fallo en un millón de unidades en 1000 horas de uso. Gran problema: ¿Cómo mido la confiabilidad? Respuesta: utilizo estadística e intervalos de confianza para dar un valor ….. Y envejecimiento acelerado para los experimentos. Envejecimiento acelerado = aumentar la temperatura. Asumimos que todos los fenómenos asociados a la confiabilidad se aceleran con la temperatura.

8 120ºC

9 Confiabilidad. Fallas aceleradas, el modelo más usado: Factor de aceleración E a = energia de activación del proceso físico que origina la falla eV k = Boltzmann 8.6x10 -5 eV/ºK T uso, T test = temperatura de uso del ASIC y del test a alta temperatura respectivamente. Entonces mido la confiabilidad, P.ej probando 100 unidades, 2 meses a 130ºC p.ej.

10 Confiabilidad. ¿Puedo hacer algo para aumentar la confiabilidad de mi ASIC?. ¡¡ SI !! Utilizar reglas conservadoras de diseño, hacer mis propias reglas. En especial en los circuitos analógicos. Por ejemplo, no usar ancho minimo si no es necesario, poner muchos contactos y evitar el contacto simple, etc etc etc Sobre-dimensionar los componentes, alejarlos de los límites de operación cuando puedo. Burn-in! Siempre se hace en las fábricas de dispositivos médicos implantables (y otros críticos)

11 Burn-In. Someter todas las unidades fabricadas, a operación p.ej.a 100º durante 200hrs para pasar la mortalidd infantil. Tiempo. Fallas. Se supone que no se llega aquí si el diseño no exige los dispositivos. Operación del implante, varios años a 37ºC. 200hrs a 100ºC Nuevo test luego del Burn-In

12 Seguridad. En un sistema Seguro, ante una falla simple no ocurre un evento catastrófico (daño al paciente). Cuando interactúo con tejido el problema es no entregar corriente contínua, el corazón puede defribrilar, o en otros tejidos se pueden provocar daños irreversibles. Otros eventos también pueden ser catastróficos, ejemplo que una batería recargable se sobrecaliente, o que un marcapasos estimule a 400ppm. A nivel del ASIC es necesario estudiar todas las posibilidades. FCE592 – A.Arnaud Amplificadores de bajo ruido en tecnología HV

13 Ejemplo SEGURIDAD y CONFIABILIDAD de una computadora: Por ejemplo para el servidor de un banco. Por ejemplo para el control del piloto automático de un avión. Por ejemplo para el control de un semáforo. O un marcapasos! FCE592 – A.Arnaud Amplificadores de bajo ruido en tecnología HV

14 Solución clásica para evitar fugas DC: Uso de capacitores en serie para bloquear DC ante una falla. Puedo usar una llave compuesta, pero no es segura sin capacitor serie. Capacitor serie de seguridad.

15 Llaves de estímulo: Al conmutar llaves de estímulo revisar todos los casos. Incluso puede ser útil comandar las llaves con una resistencia, o a través de un RC (por velocidad ) o circuitos especiales ( ver práctico ). Revisar caso del marcapasos. TEJIDO 1 0 digital TEJIDO 1 0 digital

16 Incluso en un amplificador de entrada! En el primer caso hay flujo DC, en el segundo solo ante una falla si p.ej se rompe el gate de un MOS de entrda del amplificdor. TEJIDO

17 Ejemplo para discutir seguridad: Circuito de Salida. Electrodo. Preamplificador de sensado

18 Amplificador operacional del preamplificador. Si se pinchara uno de los gates de entrada puede fluir corriente al corazón. Pero está el capacitor de 47nF, de modo que el canal de sensado deja de funcionar, pero no hay corriente DC de fuga.

19 Ejemplo para discutir seguridad: Circuito de Salida. Electrodo. Preamplificador de sensado Varios Capacitores en serie evitan fuga DC.

20 Trabajo Previo: Amplificador para ENG. No es seguro, si se perfora un gate de entrada. La corriente DC puede dañar el tejido nervioso. En verde: electrodo de referencia para fijar modo común.

21 Trabajo Previo: Solución: RC a la entrada pero - C debe ser externo - Necesariamente pasabanda - Empeora el CMRR En verde: electrodo de referencia para fijar modo común. Vref

22 Otro ejemplo (Neurostream): RC en paralelo para fijar tensión de referencia.

23 Amplificador para sensado cardíaco. Tecnología HV +baja corriente de polarización Protegido contra fallas Amplio rango de entrada Todos los componentes integrados C=100pF, para Ibias 5n

24 Ejemplo: HV DAC para estimulo cardiaco (de Wong et al, JSSC 2004) NO ES SEGURO, o al menos se omite la información UCCOR10 – M.Miguez, A.Arnaud ASICs para Aplicaciones Implantables

25 Finalmente (se discutirá más adelante). Cuidado con las estructuras de ESD a nivel de los PADs que van a tejido!! Biológico!! Si fallan los transistores de ESD puede haber fugas! Siempre pensar en el otro electrodo o quién fija el potencial del cuerpo respecto al circuito en todo caso. TEJIDO V DD GND Electrodo 2º Electrodo a otro potencial Circuito

26 CONCLUSIONES: Confiabilidad y seguridad son dos aspectos importantes para dispositivos implantbles.Confiabilidad y seguridad son dos aspectos importantes para dispositivos implantbles. Se puede mejorar la confiabilidad con prácticas de diseño, y especialmente con un Burn-In.Se puede mejorar la confiabilidad con prácticas de diseño, y especialmente con un Burn-In. La seguridad implica que ante una falla simple no se entregue por ejemplo corriente DC al tejido.La seguridad implica que ante una falla simple no se entregue por ejemplo corriente DC al tejido. Importante pensar ESD con el diseño, en los terminales a tejido.Importante pensar ESD con el diseño, en los terminales a tejido.

27 CONCLUSIONES: Se debe prestar mucha atención a las NORMAS al desarrollar un producto.Se debe prestar mucha atención a las NORMAS al desarrollar un producto. En especial las normas de seguridad: ante una falla simple no se debe provocar un daño al paciente.En especial las normas de seguridad: ante una falla simple no se debe provocar un daño al paciente.


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