Smart Sensors Hautnah dran

Wearables ermöglichen es Verbrauchern, ihre physiologischen Parameter zu überwachen, um Echtzeit-Informationen zum aktuellen Gesundheitszustand wie Herzfrequenz, Blutzucker, Flüssigkeitsversorgung, Sauerstoffverbrauch, Schlafmuster, aufgenommene Kalorien und so weiter zu erhalten. Ziel ist es, Menschen die Möglichkeit zu bieten, durch das physiologische Monitoring Verhaltensweisen zu ändern, um einen angestrebten Gesundheitszustand (niedrigerer Blutdruck, Gewichtsverlust, schnellere Regeneration nach einer Verletzung oder Operation) zu erreichen. Derzeit nimmt das Angebot an tragbaren Technologien (Wearables) mit integrierten physiologischen Sensoren stark zu. Die Besonderheit der neuen Monitoring-Geräte ist, dass man sie nicht mehr wie Blutzuckermessgeräte in der Tasche mitführen muss, sondern direkt am Körper tragen kann. Durch diese fast unsichtbare Integration medizinischer Sensoren lässt sich die Gesundheit in Echtzeit überwachen, und es können deutlich mehr Datenpunkte im Laufe des Tages gesammelt werden.

Unter anderem sind die folgenden Medizinprodukte entweder bereits als Wearable auf dem Markt oder befinden sich in der Entwicklungsphase: Blutzucker- und Blutdruckmessgerät, Pulsoximeter, intelligente Einlegesohle für Schuhe, Geräte zur Muskelüberwachung oder intelligente Kleidung (Näheres zu diesen Geräten siehe Kasten).

Die Entwicklung und Markteinführung dieser neuen Geräte birgt das Versprechen, die Gesundheit der Nutzer zu verbessern. Die Tatsache, dass sie auf der Haut getragen werden, ist aber zugleich ihre große Stärke und auch potenzielle Schwäche.

Schutzmechanismen vor elektrostatischer Entladung

Schließlich werden die Geräte unweigerlich der vom Nutzer verursachten, statischen Elektrizität ausgesetzt, die ihnen ohne entsprechenden Schutz Schaden zufügen kann. Schon eine einfache Berührung kann ausreichen, um eine transiente, elektrostatische Entladung (ESD) herbeizuführen. Alle Sensorenkreisläufe, Knöpfe, Schnittstellen zum Aufladen der Batterien und Daten-Ein- und Ausgänge stellen Wege dar, über die elektrostatische Entladungen in das tragbare Gerät eindringen können.

Hier kommen bieten Anbieter von Halbleiter-basierten Schutzkomponenten gegen elektrostatische Entladungen ins Spiel, die Wearables-Hersteller bei der Entwicklung ihrer Geräte unterstützen. Ein solcher Anbieter ist zum Beispiel Littelfuse, der kontinuierlich in die Entwicklung neuer Prozesse investiert, um seine Schutzprodukte zu optimieren. Um Wearables vor elektrostatischen Entladungen zu schützen, legt dieses Unternehmen den Schwerpunkt auf die Entwicklung von Produkten mit den drei folgenden Eigenschaften:

• Niedrige Klemmspannung: Die integrierten Schaltkreise und Sensoren, die das Herzstück von Wearables darstellen, werden immer empfindlicher gegenüber elektrostatischen Entladungen. Um Beschädigungen zu vermeiden, müssen ESD-Schutzvorrichtung über einen niedrigeren dynamischen Widerstand und eine reduzierte Klemmspannung verfügen. Dies sorgt dafür, dass lediglich eine drastisch verminderte Transientenenergie die integrierten Schaltkreise und Sensoren erreicht. Die TVS-Diodenarrays der Baureihe SP3014 von Littelfuse verfügen beispielsweise über einen dynamischen Widerstandswert von weniger als
  0,1 Ω, durch den höchste Leistungsfähigkeit sichergestellt wird.

• Niedrige Kapazität: Wearables müssen nicht nur Messungen durchführen und Informationen speichern können, sondern diese Informationen auch an den Nutzer beziehungsweise dessen Arzt weiterleiten können. Um diese Daten innerhalb kürzestmöglicher Zeit übertragen zu können, werden die Übertragungsraten weiter ansteigen. Unabhängig davon, ob dies drahtlos (Bluetooth, WiFi etc.) oder über kabelgebundene Verbindungen (USB 2.0 etc.) geschieht, darf die ESD-Schutzvorrichtung die Datenübertragung nicht beeinträchtigen. Das weitere Absenken der Kapazität wird auch künftig ein Schwerpunkt bleiben. Die TVS-Dioden der Littelfuse-Baureihe SP3022 verfügen über einen Kapazitätswert von 0,35 pF, der dafür sorgt, dass die Dioden für Hochgeschwindigkeitssignale „unsichtbar“ bleiben.

• Kleinerer Formfaktor: Damit Wearables erfolgreich sein können, muss der Nutzer sie bequem tragen können und darf sich nicht von ihnen gestört fühlen. Das bedeutet, dass sie sehr klein und sehr leicht sein müssen. Aufgrund des kleiner werdenden Formfaktors wird auch der für den ESD-Schutz zur Verfügung stehende Platz auf der Leiterplatte abnehmen. Diskrete Dioden sind ideal, um Konstrukteuren hohe Flexibilität bei der Planung der Leiterplatten zu bieten. Die Baureihen SP1020 (30 pF) und SP1021 (6 pF) verfügen über eine 01005-Bauform, die nur minimalen Platz benötigt. Darüber hinaus bietet die SP1012-Baureihe für Anwendungen, die eine begrenzte Anzahl an Bauteilen und eine geringe Größe der Schutzvorrichtung erforderlich machen, fünf bidirektionale Schutzkanäle in einem platzsparenden
  0,94 mm x 0,61 mm kleinen Gehäuse. Littelfuse orientiert sich in Richtung diskreter ESD-Dioden an der Größe 01005, um den Platzanforderungen gerecht zu werden.

Schutzkomponenten profitieren vom Wachstum der Wearables

Künftige Wearables-Technologien werden zwar sicherlich zur Verbesserung der Lebensqualität von Nutzern beitragen, gleichzeitig aber auch Herausforderungen für Konstrukteure darstellen, die nicht nur ein gutes Produktdesign kreieren, sondern auch für langfristige Zuverlässigkeit sorgen müssen. Unabhängig von der Intensität des Lebensstils der Nutzer oder der Häufigkeit, mit der die Geräte potenziell schädlichen ESD-Ereignissen ausgesetzt werden, müssen exakte Messungen gewährleistet werden.

Die Hersteller von ESD-Schutzvorrichtungen arbeiten weiterhin ebenso intensiv wie die Konstrukteure von tragbaren Geräten daran, Schutzlösungen für derartige Geräte zu entwickeln, die keine Störungen der Kernfunktionen verursachen.