Alimentação confiável em um dispositivo médico operado por bateria

Dispositivos operados por bateria e conectados sem fio estão se tornando cada vez mais difundidos na sociedade de hoje. Impulsionados por avanços em tecnologias sem fio e de bateria, juntamente com componentes eletrônicos cada vez menores que consomem menos energia e serviços baseados em nuvem prontos para coletar, analisar e disseminar dados, esses dispositivos são comumente encontrados em dispositivos de consumo, médicos e vestíveis, bem como em aplicações comerciais e industriais.

Quer o dispositivo seja um monitor de glicose contínuo vestível (CGM), um dispositivo médico ingerível ou implantável ou um dispositivo doméstico inteligente, rastreador de ativos ou monitor ambiental, todos compartilham o requisito comum de tamanho pequeno, vida longa, confiabilidade e facilidade de usar. Um dos principais problemas enfrentados pelos designers desses produtos é ligar o dispositivo quando necessário.

Ligar um dispositivo IoT apenas quando for necessário (ou mantê-lo desligado antes de ser implantado) é de vital importância porque os designers desejam usar a menor bateria de menor custo possível. Por esse motivo, estender a vida útil da bateria é sempre um objetivo do projeto; o consumo da bateria deve ser minimizado durante o uso e também antes de ser ligada.

Um exemplo popular é o CGM prescrito para diabéticos tipo 1 ou tipo 2. Este dispositivo adere ao corpo do paciente, monitorando continuamente seu nível de glicose. Os dados resultantes são transmitidos sem fio ao paciente, médico e / ou bomba de insulina. Os CGMs devem ser muito pequenos, “à prova d'água” e fáceis de conectar, bem como ter uma vida útil razoavelmente longa antes de ficarem sem bateria.

Existem três opções básicas para ligar esses dispositivos no ponto de uso ou implantação. Para cada uma dessas opções, as variáveis ​​essenciais a serem consideradas são o consumo de corrente da bateria, o tamanho, a proteção contra entrada e a facilidade de uso.

Figura 1:O sensor magnético TMR oferece consumo de energia quase zero em um tamanho de pacote ultra-miniatura e sua capacidade de "ligar" sem contato promove facilidade de uso.

A primeira opção de "ligar" é eletromecânica, ou a "chave" comum. Esta opção é o meio para ligar a maioria dos dispositivos eletrônicos operados por bateria, como laptops e telefones. Embora os interruptores venham em muitas formas (por exemplo, botão, controle deslizante ou alternador), eles operam no mesmo princípio de abertura e fechamento de um contato mecânico para permitir que a corrente flua (quando fechado) ou evita completamente que ele flua (quando aberto).

Com relação à primeira consideração do dreno atual , a chave eletromecânica é altamente eficiente porque é um dispositivo passivo que não consome energia. No entanto, em termos de tamanho, os interruptores mecânicos são uma opção pobre, especialmente devido às restrições de tamanho de muitos dispositivos médicos vestíveis, ingeríveis e implantáveis ​​e outros pequenos dispositivos IoT.

Em termos de proteção de entrada (ou necessidade de um dispositivo impermeável à água e umidade), as chaves mecânicas não são a melhor opção, pois projetam uma chave que pode ser movida mecanicamente pelo usuário para as posições liga / desliga, mantendo a impermeabilidade é desafiador.

Por último, a consideração da facilidade de uso, ou facilidade de uso, avalia mal com interruptores mecânicos por dois motivos. Em primeiro lugar, porque o usuário deve realmente realizar esta etapa (e muitos precisam ser instruídos a fazê-lo), o requisito para muitos dispositivos é “ligar fora da caixa” - um conflito claro com interruptores operados manualmente. Em segundo lugar, um interruptor mecânico muito pequeno, exigido por um dispositivo muito pequeno, pode representar um problema para a capacidade dos usuários de realmente mover o interruptor para a posição ligado, reduzindo assim a usabilidade. Portanto, em resumo, os interruptores mecânicos têm uma pontuação elevada em termos de consumo de corrente, mas muito baixa em relação à proteção de entrada, tamanho e facilidade de uso.

A ativação sem fio é a segunda opção para analisar. Como os dispositivos já possuem recursos sem fio para transmitir dados, os designers poderiam tecnicamente usar esse mesmo recurso sem fio para ligar um dispositivo a partir de um aplicativo de telefone móvel.

Do ponto de vista da proteção contra ingresso, ligar sem fio tem uma classificação muito alta. E do ponto de vista do tamanho, ligar sem fio também tem uma boa pontuação, pois não há nada mais a adicionar ao dispositivo para essa funcionalidade.

No entanto, do ponto de vista do dreno de corrente, a pontuação de ativação sem fio é extremamente baixa porque um receptor sem fio dentro do dispositivo deve ser ligado para receber um sinal para ligar. Apenas por esse motivo, a ativação sem fio raramente é usada para dispositivos que possuem requisitos de vida útil da bateria rigorosos.

Figura 2:Comparações de tecnologia

A terceira opção é o uso de um sensor magnético dentro do dispositivo para iniciar a função power-on. Nesse caso, um campo magnético é aplicado ao sensor para acionar a energia. O campo magnético é normalmente produzido por um ímã que está localizado dentro da embalagem do produto ou em um componente auxiliar do dispositivo (como um aplicador para um CGM). O campo magnético também pode ser aplicado pelo usuário deslizando o dispositivo com um ímã portátil.

A detecção magnética tem pontuação muito alta para proteção contra ingresso (porque é um método “sem contato”). A detecção magnética também pontua muito em facilidade de uso - especialmente quando o ímã pode ser incorporado na embalagem do dispositivo (permitindo "ativação imediata") ou em um componente auxiliar do dispositivo (por exemplo, um aplicador ) Às vezes, o próprio dispositivo é projetado como dois componentes que devem ser conectados no momento da implantação.

Em termos de dreno de corrente e tamanho, a conveniência do sensoriamento magnético depende inteiramente da tecnologia de sensoriamento magnético. Os tipos de tecnologia de sensoriamento magnético mais antigos e tradicionais eram pequenos em tamanho, mas alto em consumo de energia (efeito Hall) ou grandes em tamanho com consumo de energia zero (interruptores reed).

No entanto, muitos novos dispositivos são projetados com uma tecnologia de sensoriamento magnético mais recente chamada magnetorresistiva de tunelamento (TMR), que oferece um tamanho muito pequeno (tão pequeno quanto um LGA-4) e um consumo de energia extremamente baixo, semelhante ao reed switch. Com efeito, os sensores magnéticos TMR oferecem o "melhor dos dois mundos".

Com o atual ataque de novos dispositivos projetados para tornar a vida mais fácil, segura, sem contato e / ou operável remotamente, os designers eletrônicos estão tendo que adotar novas tecnologias para acompanhar os requisitos em evolução de wearables operados por bateria, implantáveis, ingeríveis, e outros dispositivos IoT. Em termos de melhores recursos em relação ao tamanho pequeno, menor consumo de energia, proteção contra entrada e facilidade de uso, os sensores magnéticos - e a tecnologia de sensor TMR, em particular - estão ajudando a tornar possíveis projetos “impossíveis”.