Mise sous tension fiable d'un appareil médical à piles

Les appareils à piles et connectés sans fil deviennent de plus en plus omniprésents dans la société d'aujourd'hui. Poussés par les progrès des technologies sans fil et des batteries, couplés à la réduction des composants électroniques qui consomment moins d'énergie et des services basés sur le cloud prêts à collecter, analyser et diffuser des données, ces appareils se trouvent couramment dans les appareils grand public, médicaux et portables ainsi que dans les applications commerciales et industrielles.

Que l'appareil soit un glucomètre en continu (CGM) portable, un appareil médical ingérable ou implantable, ou un appareil domestique intelligent, un tracker d'actifs ou un moniteur environnemental, tous partagent l'exigence commune de petite taille, de longue durée de vie, de fiabilité et de facilité de utiliser. L'un des principaux problèmes rencontrés par les concepteurs de ces produits est de mettre l'appareil sous tension en cas de besoin.

Allumer un appareil IoT uniquement lorsqu'il est nécessaire (ou le maintenir hors tension avant qu'il ne soit déployé) est d'une importance vitale, car les concepteurs souhaitent utiliser la batterie la plus petite et la moins chère possible. Pour cette raison, prolonger la durée de vie de la batterie est toujours un objectif de conception ; la décharge de la batterie doit être minimisée pendant l'utilisation ainsi qu'avant sa mise sous tension.

Un exemple populaire est le CGM prescrit à un diabétique de type 1 ou de type 2. Cet appareil adhère au corps du patient, surveillant en permanence son taux de glucose. Les données résultantes sont transmises sans fil au patient, au médecin et/ou à la pompe à insuline. Les CGM doivent être très petits, « étanches » et faciles à attacher, ainsi qu'avoir une durée de vie raisonnablement longue avant qu'ils ne soient à court de batterie.

Il existe trois options de base pour mettre ces appareils sous tension au point d'utilisation ou de déploiement. Pour chacune de ces options, les variables essentielles à prendre en compte sont la consommation de courant de la batterie, la taille, la protection contre les infiltrations et la convivialité.

Figure 1 : le capteur magnétique TMR offre une consommation d'énergie presque nulle dans un format de boîtier ultra-miniature, et sa capacité de « mise sous tension » sans contact favorise la facilité d'utilisation.

La première option de « mise sous tension » est électromécanique, ou le « commutateur » commun. Cette option permet d'alimenter la plupart des appareils électroniques fonctionnant sur batterie tels que les ordinateurs portables et les téléphones. Bien que les interrupteurs se présentent sous de nombreuses formes (par exemple, bouton-poussoir, curseur ou bascule), ils fonctionnent sur le même principe d'ouverture et de fermeture d'un contact mécanique pour permettre au courant de circuler (lorsqu'il est fermé) ou l'empêcher complètement de circuler (lorsqu'il est ouvert).

En ce qui concerne la première considération du drain de courant , l'interrupteur électromécanique est très efficace car il s'agit d'un dispositif passif qui ne consomme pas d'énergie. Cependant, en termes de taille, les commutateurs mécaniques sont une mauvaise option, en particulier compte tenu des contraintes de taille de nombreux dispositifs médicaux portables, ingérables et implantables et d'autres petits appareils IoT.

En termes de protection contre les infiltrations (ou la nécessité d'avoir un appareil imperméable à l'eau et à l'humidité), les interrupteurs mécaniques ne sont pas la meilleure option, car la conception d'un interrupteur pouvant être déplacé mécaniquement par l'utilisateur dans des positions marche/arrêt tout en maintenant l'imperméabilité est difficile.

Enfin, la prise en compte de la convivialité, ou de la facilité d'utilisation, vaut mal avec les interrupteurs mécaniques pour deux raisons. Tout d'abord, parce que l'utilisateur doit réellement franchir cette étape (et beaucoup doivent recevoir des instructions pour le faire), l'exigence pour de nombreux appareils est « l'activation prête à l'emploi » - un conflit évident avec les commutateurs actionnés manuellement. Deuxièmement, un très petit interrupteur mécanique, rendu nécessaire par un très petit appareil, pourrait poser un problème pour la capacité des utilisateurs à déplacer réellement l'interrupteur en position marche, réduisant ainsi la convivialité. Ainsi, en résumé, les commutateurs mécaniques obtiennent un score élevé en termes de consommation de courant, mais très faible par rapport à la protection contre les infiltrations, à la taille et à la facilité d'utilisation.

La mise sous tension sans fil est la deuxième option à analyser. Étant donné que les appareils disposent déjà de capacités sans fil pour transmettre des données, les concepteurs pourraient techniquement utiliser cette même capacité sans fil pour allumer un appareil à partir d'une application pour téléphone mobile.

Du point de vue de la protection contre les intrusions, la mise sous tension sans fil est très appréciée. Et du point de vue de la taille, la mise sous tension sans fil est également très appréciée, car il n'y a rien de plus à ajouter à l'appareil pour cette fonctionnalité.

Cependant, du point de vue de la consommation de courant, la mise sous tension sans fil est extrêmement faible, car un récepteur sans fil à l'intérieur de l'appareil doit être sous tension pour recevoir un signal de mise sous tension. Pour cette seule raison, la mise sous tension sans fil est rarement utilisée pour les appareils qui ont des exigences strictes en matière de durée de vie de la batterie.

Figure 2 : comparaisons technologiques

La troisième option est l'utilisation d'un capteur magnétique à l'intérieur de l'appareil pour lancer la fonction de mise sous tension. Dans ce cas, un champ magnétique est appliqué au capteur pour déclencher la mise sous tension. Le champ magnétique est généralement produit par un aimant situé dans l'emballage du produit ou dans un composant auxiliaire de l'appareil (comme un applicateur pour un CGM). Le champ magnétique peut également être appliqué par l'utilisateur en glissant sur l'appareil avec un aimant portatif.

La détection magnétique obtient des scores très élevés pour la protection contre les infiltrations (car il s'agit d'une méthode « sans contact »). La détection magnétique obtient également des notes très élevées en termes de facilité d'utilisation, en particulier lorsque l'aimant peut être intégré dans l'emballage de l'appareil (permettant une « mise sous tension prête à l'emploi ») ou dans un composant auxiliaire de l'appareil (par exemple, un applicateur ). Parfois, l'appareil lui-même est conçu comme deux composants qui doivent être connectés ensemble au moment du déploiement.

En termes de consommation de courant et de taille, l'opportunité de la détection magnétique dépend entièrement de la technologie de détection magnétique. Les types de technologie de détection magnétique plus anciens et plus traditionnels étaient soit de petite taille mais à forte consommation d'énergie (effet Hall) ou de grande taille avec une consommation d'énergie nulle (interrupteurs à lames).

Cependant, de nombreux nouveaux appareils sont conçus avec une technologie de détection magnétique plus récente appelée magnétorésistive à effet tunnel (TMR), qui offre à la fois une très petite taille (aussi petite qu'un LGA-4) et une consommation d'énergie extrêmement faible, similaire au commutateur à lames. En effet, les capteurs magnétiques TMR offrent le « meilleur des deux mondes ».

Avec l'assaut actuel de nouveaux appareils conçus pour rendre la vie plus facile, plus sûre, sans contact et/ou utilisable à distance, les concepteurs électroniques doivent adopter de nouvelles technologies pour suivre l'évolution des exigences des appareils portables, implantables, ingérables fonctionnant sur batterie, et d'autres appareils IoT. En termes de meilleures capacités par rapport à une petite taille, une faible consommation d'énergie, une protection contre les infiltrations et une facilité d'utilisation, les capteurs magnétiques - et la technologie des capteurs TMR, en particulier - contribuent à rendre possibles des conceptions « impossibles ».