Research on Biomedical Engineering
https://rbejournal.org/article/doi/10.4322/rbeb.2012.063
Research on Biomedical Engineering
Original Article

Um sensor de temperatura operando em baixa tensão e baixa potência para aplicações em bio-implantes

A low-voltage low-power temperature sensor for bio-implant applications

Crepaldi, Paulo César; Ferreira, Luis Henrique Carvalho; Moreno, Robson Luiz; Pimenta, Tales Cleber; Vianna, João Batista Macedo; Prado, Gilmar Fernandes do

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Resumo

Sistemas de monitoramento de pacientes encontram aplicações em hospitais, incluindo salas de cirurgia e Centros de Terapia Intensiva – CTI. Quando conectados a uma rede de comuni cação, os dispositivos de monitoramento formam um sistema de telemetria (biotelemetria) em que os pacientes podem ser monitorados de forma remota. A busca de portabilidade des ses sistemas de telemetria promove a necessidade do uso de sensores e condicionadores de sinal que possam ser acoplados diretamente ao paciente ou mesmo implantados. Sistemas im plantados possibilitam ainda maior conforto ao paciente quan do da aquisição dos sinais fisiológicos. Importante também ressaltar que estes sistemas implantados operem, preferencial mente, sem bateria, ou seja, a sua energia de ativação provenha de um enlace de radio freqüência (RF). Circuitos com baixo consumo de potência, baixa tensão de alimentação e uma área reduzida representam importantes características para a viabi lidade destes implantes e principalmente no que diz respeito à segurança do paciente em não ter os seus tecidos submetidos a uma exposição excessiva de RF. Este trabalho apresenta um sensor de temperatura baseado em uma topologia que utiliza transistores CMOS compostos. Por estarem operando em in versão fraca, as correntes de polarização são reduzidas, assim como a tensão de alimentação. Como conse qüência tem-se um circuito que opera tanto na condição de baixa tensão (tensão de alimentação de 1 V) quanto na condição de baixa potência (potência dissipada na faixa de 100 nW). O circuito proposto apresenta uma topologia muito simples garantindo um consu mo de área de silício reduzido (0,01 mm2 ). Este sensor será uti lizado em um sistema implantado de monitoramento da curva de temperatura em avaliações de distúrbios do sono. Medidas obtidas na caracterização dos protótipos corroboram as condi ções de contorno estabelecidas.

Palavras-chave

Sensor de temperatura, Dispositivos implan tados, Sistemas de biotelemetria.

Abstract

Patient monitoring systems can be found in a wide range of applica tion on hospitals like in the Intensive Care Units and surgery rooms. When the systems are connected to a communication network they form a telemedicine system by which the patients can be monitored remotely away. The need of portability promotes a demand for sen sors and signal conditioners that can be placed directly to the pa tient or, even, implanted. Implanted systems provide better comfort for patients during the physiologic data acquisition. These systems should operate preferably without battery, and in that case, the en ergy is obtained by inductive coupling (RF). Implanted devices de mand low voltage and low power circuits in a small silicon area in order to offer comfort and safety to the patient, mainly in terms of excessive exposure to RF. This work presents a temperature sensor for low voltage and low power conditions, suitable for implanted de vices. It is based on a circuit topology that uses composite transistors operating in weak inversion that demands extremely low currents at low power supply voltage (1 V), thus providing just 100 nW power dissipation. The circuit is very simple and its implementation re quires a small silicon area (0.01 mm2 ). The sensor shall be used in an implanted device to monitor temperature measurements during sleeping disorder analysis. The tests conducted in the prototypes validate the circuit operation as temperature sensor.Patient monitoring systems can be found in a wide range of applica tion on hospitals like in the Intensive Care Units and surgery rooms. When the systems are connected to a communication network they form a telemedicine system by which the patients can be monitored remotely away. The need of portability promotes a demand for sen sors and signal conditioners that can be placed directly to the pa tient or, even, implanted. Implanted systems provide better comfort for patients during the physiologic data acquisition. These systems should operate preferably without battery, and in that case, the en ergy is obtained by inductive coupling (RF). Implanted devices de mand low voltage and low power circuits in a small silicon area in order to offer comfort and safety to the patient, mainly in terms of excessive exposure to RF. This work presents a temperature sensor for low voltage and low power conditions, suitable for implanted de vices. It is based on a circuit topology that uses composite transistors operating in weak inversion that demands extremely low currents at low power supply voltage (1 V), thus providing just 100 nW power dissipation. The circuit is very simple and its implementation re quires a small silicon area (0.01 mm2 ). The sensor shall be used in an implanted device to monitor temperature measurements during sleeping disorder analysis. The tests conducted in the prototypes validate the circuit operation as temperature sensor.

Keywords

Temperature sensor, Implanted devices, Biotelemetry systems.
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