““Diseño de Circuitos Integrados para Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables”Aplicaciones Médicas Implantables”

Alfredo Arnaud, Matias Miguez.Alfredo Arnaud, Matias Miguez.

Depto.de Ingeniería Eléctrica.Depto.de Ingeniería Eléctrica.Universidad Católica del UruguayUniversidad Católica del Uruguay

4 – Seguridad y confiabilidad4 – Seguridad y confiabilidad

Alfredo Arnaud, Matias Miguez.Alfredo Arnaud, Matias Miguez.

Depto.de Ingeniería Eléctrica.Depto.de Ingeniería Eléctrica.Universidad Católica del UruguayUniversidad Católica del Uruguay

¿Qué es la seguridad, y qué es la confiabilidad?¿Qué es la seguridad, y qué es la confiabilidad?

Aún después del testing individual Aún después del testing individual válido, un circuito integrado puede válido, un circuito integrado puede fallar. ¿Porqué causa?fallar. ¿Porqué causa?

- Electromigración, rotura de un - Electromigración, rotura de un dieléctrico, estrés mecánico, corrosión, dieléctrico, estrés mecánico, corrosión, ‘hot electrons’ , etc etc …. Simplemente ‘hot electrons’ , etc etc …. Simplemente algo que se estaba para romper, se algo que se estaba para romper, se rompe.rompe.

¿Qué es la seguridad, y qué es la confiabilidad?¿Qué es la seguridad, y qué es la confiabilidad?

• ConfiabilidadConfiabilidad: entiende a la : entiende a la frecuencia y probabilida de ocurrencia frecuencia y probabilida de ocurrencia de fallas.de fallas.

Un circuito confiable = probabilidad de Un circuito confiable = probabilidad de que falle es muy baja. que falle es muy baja.

¿Qué es la seguridad, y qué es la confiabilidad?¿Qué es la seguridad, y qué es la confiabilidad?

• Seguridad:Seguridad: Una falla simple en el Una falla simple en el circuito no puede provocar un evento circuito no puede provocar un evento catastrófico.catastrófico.

¿Qué es un ‘evento catastrófico’? ¿Qué es un ‘evento catastrófico’? depende de la aplicación. Pero por lo depende de la aplicación. Pero por lo general entregar DC a tejido, o en un general entregar DC a tejido, o en un marcapasos estimular a más de marcapasos estimular a más de 200ppm.200ppm.

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.

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.

• Envejecimiento acelerado = aumentar la temperatura. Asumimos que todos los fenómenos asociados a la confiabilidad se aceleran con la temperatura.

120ºC

Confiabilidad. • Fallas aceleradas, el modelo más usado:

Factor de aceleración

Ea = energia de activación del proceso físico que origina la falla 0.3 - 1.3 eV

k = Boltzmann 8.6x10-5 eV/ºK

Tuso, Ttest = 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.

testuso

a

TTk

E

e11

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)

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

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”

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”

Solución clásica para evitar fugas DC: Uso de capacitores en serie para bloquear DC ante una falla.

CsA

A- A channel negative electrode

Gat

e_A

VDD

LOAD

SW0

Possitive electrode

-2V

External NMOS switch

Puedo usar una llavecompuesta, pero no es segura sin capacitor serie.

Capacitor serie de seguridad.

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

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.

To AD

R1

R1

R2

R2

TEJIDO

R1

R1

TEJIDO

Ejemplo para discutir seguridad:

Circuito de Salida.

Electrodo.

Preamplificador de sensado

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.

Ejemplo para discutir seguridad:

Circuito de Salida.

Electrodo.

Preamplificador de sensado

Varios Capacitores en serie evitan fuga DC.

Trabajo Previo: Trabajo Previo: Amplificador para ENG. No es seguro, si Amplificador para ENG. No es seguro, si se perfora un gate de entrada. La corriente DC puede dañar se perfora un gate de entrada. La corriente DC puede dañar el tejido nervioso.el tejido nervioso.

En verde: electrodo de referencia para fijar modo común.

Trabajo Previo:Trabajo Previo: Solución: RC a la entrada peroSolución: RC a la entrada pero- C debe ser externo - Necesariamente pasabanda- C debe ser externo - Necesariamente pasabanda- Empeora el CMRR- Empeora el CMRR

En verde: electrodo de referencia para fijar modo común.

Vref

Vref

Vref

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

VIN- VIN+

IBias=

20nA

VOut+ VOut-

VCmO

VCmO

VRef

VDD

1 : 5

1 : 1

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

Ejemplo: HV DAC para estimulo cardiaco (de Wong et al, JSSC 2004) NO ES SEGURO, o al menos se omite la información

UCCOR’10 – M.Miguez, A.Arnaud “ASICs para Aplicaciones Implantables”

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

VDD

GNDElectrodo

2º Electrodo a otro potencial

Circuito

CONCLUSIONES:CONCLUSIONES:

• Confiabilidad y seguridad son dos Confiabilidad y seguridad son dos aspectos importantes para dispositivos aspectos importantes para dispositivos implantbles.implantbles.

• Se puede mejorar la confiabilidad con Se puede mejorar la confiabilidad con prácticas de diseño, y especialmente prácticas de diseño, y especialmente con un Burn-In.con un Burn-In.

• La seguridad implica que ante una falla La seguridad implica que ante una falla simple no se entregue por ejemplo simple no se entregue por ejemplo corriente DC al tejido.corriente DC al tejido.

• Importante pensar ESD con el diseño, en Importante pensar ESD con el diseño, en los terminales a tejido.los terminales a tejido.

CONCLUSIONES:CONCLUSIONES:

• Se debe prestar mucha atención a las Se debe prestar mucha atención a las NORMAS al desarrollar un producto.NORMAS al desarrollar un producto.

• En especial las normas de seguridad: En especial las normas de seguridad: ante una falla simple no se debe ante una falla simple no se debe provocar un daño al paciente.provocar un daño al paciente.