ASICS para dispositivos médicos implantables

Abstract

En este trabajo se estudiará el desarrollo de circuitos integrados en la mayoría de los casos específicos para una aplicación médica implantable, tecnología CMOS de 0.6μm estándar y HV sobre waffer de SOI. El trabajo contiene algunas contribuciones originales obtenidas del trabajo con circuitos para estimuladores cardíacos y sensores. En primer lugar, se presentará la técnica de degeneración de bulk para el incremento del rango lineal de OTAs, sobre la que existe muy poco trabajo previo. Mediante esta técnica se demostrará que se puede alcanzar menores voltajes de alimentación y menor distorsión en comparación con otros trabajos previos publicados. Se implementó y midió un OTA que combina técnicas de degeneración tanto de bulk como de source alcanzando un rango lineal por encima de 1V con una fuente de alimentación que varía desde los 1.8V hasta los 5.5V. Este es el primer estudio sobre degeneración de bulk que incluye medidas, y su aplicación en sistemas de bajo consumo y/o aplicaciones médicas. Como aplicación se implementó un circuito de adaptación para la señal proveniente de un acelerómetro piezoeléctrico para un sistema de tipo marcapaso adaptativo, utilizando filtros Gm-C. Seguidamente, se presentará el desarrollo de adaptadores de nivel ciegos con un amplio rango de voltajes de entrada (desde 1.8V a 5.5V) y salida (desde 0 a 18V e incluso voltajes negativos), orientados a dispositivos médicos implantables. Se establece una arquitectura modificada y metodología de diseño que garantice la operación robusta de los adaptadores de nivel, para todo punto de operación y variaciones del proceso de fabricación. Como ejemplo de aplicación de los adaptadores de nivel, se presenta un multiplicador de voltaje programable del tipo bomba de carga multicanal, capaz de alcanzar hasta 16V. Se verificó la correspondencia de las simulaciones con las mediciones en un amplio rango de la tensión de entradas (1.6V hasta 5.5V). Se realizaron medidas de la eficiencia emulando una configuración tipo marcapasos para 4 estímulos por segundo en un solo canal, mostrando una eficiencia de carga del 95%, y cerca de un 90% de eficiencia en potencia. Finalmente se presentarán algunos bloques del circuito que implementan el concepto de seguridad al estar en contacto directo con tejido biológico, a la hora de estimular. Se describe sistemas de control para estimulación segura de tejido tanto en tensión como en corriente, e incluso un adaptador de nivel modificado (seguro).

In this work, the study and development of integrated circuits for the specific case of implantable medical applications, in a 0.6mm HV CMOS technology on SOI wafer, is presented. The work contains innovative results obtained from working with circuits for cardiac and other stimulators, and sensors. First, the technique of bulk degeneration will be presented for the increase of the linear range of OTAs, on which there is shortness of previous work. By means of this technique, it will be shown that lower supply voltages and less distortion can be achieved in comparison with previous published OTAs. An OTA that combines both bulk and source degeneration techniques was implemented and measured, reaching a linear range above 1V with a power supply that varies from 1.8V to 5.5V. This is the first study on bulk linearization which includes measurements, or its application in low consumption and/or medical circuits. As an application example, an amplifier and signal processing circuit was developed for a piezoelectric accelerometer aimed at physical activity estimation in a rate adaptive pacemaker, using Gm-C filters. Secondly, the development of blind level shifters with a wide range of input voltages (from 1.8V to 5.5V) and output (from 0 to 18V and even negative voltages), aimed at implantable medical devices, will be presented. A modified architecture is proposed and a design methodology that guarantees the robust operation of the level shifters, for any point of operation and variations on the fabrication process. As an application example, a programmable multichannel voltage multiplier charge pump types presented, capable of reaching up to 16V. Correspondence of the simulations with the measurements over a wide range of input voltage (1.6V up to 5.5V) was checked. Efficiency measurements were performed by emulating a pacemaker-like configuration for 4 stimuli per second in a single channel, showing 95% load efficiency, and about 90% power efficiency. Finally, some circuit blocks that implement the concept of safety by being in direct contact with biological tissue, when it comes to stimulating are present. Control systems are described for safe stimulation of tissue in both voltage and current, and even a modified (safe) level shifter.