Stromversorgung von batteriebetriebenen medizinischen oder IoT-Geräten

Batteriebetriebene, drahtlos verbundene Geräte werden in der heutigen Gesellschaft immer allgegenwärtiger.  Angetrieben von Fortschritten in der Drahtlos- und Batterietechnologie, gekoppelt mit immer kleineren elektronischen Komponenten, die weniger Strom verbrauchen, und cloudbasierten Diensten, die Daten sammeln, analysieren und verbreiten können, sind diese Geräte häufig in Verbraucher-, medizinischen und tragbaren Geräten sowie in kommerziellen und industriellen Anwendungen zu finden.

Unabhängig davon, ob es sich um ein tragbares kontinuierliches Glukosemessgerät (CGM), ein verschluckbares oder implantierbares medizinisches Gerät, ein Smart-Home-Gerät, einen Asset-Tracker oder ein Umweltmessgerät handelt, haben alle Geräte die gleichen Anforderungen: geringe Größe, lange Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit. Eines der Hauptprobleme, mit denen die Entwickler dieser Produkte konfrontiert sind, ist das Einschalten des Geräts bei Bedarf.

Ein IoT-Gerät nur dann einzuschalten, wenn es benötigt wird (oder es vor dem Einsatz auszuschalten), ist von entscheidender Bedeutung, da die Entwickler eine möglichst kleine und kostengünstige Batterie verwenden möchten.  Aus diesem Grund ist die Verlängerung der Batterielebensdauer immer ein Entwicklungsziel; die Batterieentladung muss sowohl während der Nutzung als auch vor dem Einschalten minimiert werden.

Ein bekanntes Beispiel ist das kontinuierliche Glukosemessgerät (CGM), das einem Typ-1- oder Typ-2-Diabetiker verschrieben wird. Dieses Gerät haftet am Körper des Patienten und überwacht kontinuierlich seinen Blutzuckerspiegel.  Die daraus resultierenden Daten werden drahtlos an den Patienten, den Arzt und/oder die Insulinpumpe übertragen.  CGM-Geräte müssen sehr klein, „wasserdicht“ und leicht anzubringen sein und eine relativ lange Lebensdauer haben, bevor die Batterie leer ist. 

Es gibt drei grundlegende Optionen für die Stromversorgung dieser Geräte am Verwendungsort oder am Einsatzort. Bei jeder dieser Optionen sind die wichtigsten Variablen zu berücksichtigen: Batteriestromverbrauch, Größe, Schutz gegen Eindringen und Benutzerfreundlichkeit.

Die erste „Power ON“-Option ist elektromechanisch oder der übliche „Schalter“. Mit dieser Option lassen sich die meisten batteriebetriebenen elektronischen Geräte wie Laptops und Telefone einschalten. Obwohl es Schalter in vielen Formen gibt (z. B. Druckknopf, Schieberegler oder Kippschalter), funktionieren sie alle nach dem gleichen Prinzip, nämlich dem Öffnen und Schließen eines mechanischen Kontakts, um den Stromfluss zu ermöglichen (wenn er geschlossen ist) oder ihn vollständig zu verhindern (wenn er geöffnet ist).  Was den ersten Aspekt der Stromaufnahme betrifft, so ist der elektromechanische Schalter sehr effizient, da er ein passives Gerät ist, das keinen Strom verbraucht.

In Bezug auf die Größe sind mechanische Schalter jedoch eine schlechte Option, insbesondere angesichts der Größenbeschränkungen vieler tragbarer, einnehmbarer und implantierbarer medizinischer Geräte und anderer kleiner IoT-Geräte. Hinsichtlich des Schutzes vor Eindringen von Wasser (oder der Notwendigkeit, ein Gerät zu haben, das wasser- und feuchtigkeitsdicht ist) sind mechanische Schalter nicht die beste Option, da die Entwicklung eines Schalters, der vom Benutzer mechanisch in die Ein-/Aus-Stellung bewegt werden kann, während die Dichtigkeit erhalten bleibt, eine Herausforderung darstellt.

Schließlich ist die Benutzerfreundlichkeit bzw. der Bedienungskomfort bei mechanischen Schaltern aus zwei Gründen schlecht – erstens: Da der Benutzer diesen Schritt tatsächlich tun muss (und viele dazu angeleitet werden müssen), ist die Voraussetzung für viele Geräte das „sofortige Einschalten“ – ein klarer Konflikt mit manuell betätigten Schaltern. Zweitens könnte ein sehr kleiner mechanischer Schalter, der durch ein sehr kleines Gerät erforderlich ist, ein Problem für die Fähigkeit der Benutzer darstellen, den Schalter tatsächlich in die EIN-Stellung zu bringen, was die Benutzerfreundlichkeit beeinträchtigt. Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass mechanische Schalter in Bezug auf den Stromverbrauch sehr gut abschneiden, in Bezug auf den Schutz gegen Eindringen, die Größe und die Benutzerfreundlichkeit jedoch sehr schlecht.

Die zweite zu untersuchende Option ist das drahtlose Einschalten. Da die Geräte bereits über drahtlose Funktionen zur Datenübertragung verfügen, könnten die Konstrukteure technisch gesehen dieselben drahtlosen Funktionen nutzen, um ein Gerät über eine Mobiltelefon-App einzuschalten. Unter dem Gesichtspunkt des Schutzes vor Eindringlingen wird das drahtlose Einschalten sehr hoch bewertet. Auch unter dem Gesichtspunkt der Größe ist das drahtlose Einschalten sehr vorteilhaft, da das Gerät für diese Funktion nicht weiter ausgebaut werden muss. Unter dem Gesichtspunkt der Stromaufnahme schneidet das drahtlose Einschalten jedoch extrem schlecht ab, da ein drahtloser Empfänger im Gerät eingeschaltet sein muss, um ein Signal zum Einschalten zu empfangen. Allein aus diesem Grund wird die drahtlose Einschaltfunktion nur selten für Geräte verwendet, die strenge Anforderungen an die Akkulaufzeit stellen.

Die dritte Möglichkeit ist die Verwendung eines Magnetsensors im Inneren des Geräts, um die Einschaltfunktion auszulösen. In diesem Fall wird ein Magnetfeld an den Sensor angelegt, um das Einschalten auszulösen.  Das Magnetfeld wird in der Regel von einem Magneten erzeugt, der sich in der Verpackung des Produkts oder in einer Zusatzkomponente des Geräts (z. B. einem Applikator für ein CGM) befindet. Das Magnetfeld kann auch dadurch erzeugt werden, dass der Benutzer mit einem Magneten in der Hand über das Gerät streicht. Die magnetische Abtastung bietet einen sehr hohen Schutz gegen Eindringen (da es sich um eine „berührungslose“ Methode handelt).

Magnetische Sensoren sind auch sehr benutzerfreundlich – vor allem, wenn der Magnet in die Verpackung des Geräts eingebettet werden kann (was eine sofortige Inbetriebnahme ermöglicht) oder in einer Zusatzkomponente zum Gerät (z. B. einem Applikator). Manchmal ist das Gerät selbst als zwei Komponenten konzipiert, die zum Zeitpunkt des Einsatzes miteinander verbunden werden müssen.  Was die Stromaufnahme und die Größe betrifft, hängt die Zweckmäßigkeit der magnetischen Abtastung ganz von der magnetischen Abtasttechnologie ab.  Ältere, traditionellere magnetische Sensortechnologien waren entweder klein, aber mit hohem Stromverbrauch (Hall-Effekt) oder groß und ohne Stromverbrauch (Reed-Schalter).  Viele neue Geräte werden jedoch mit einer neueren magnetischen Sensortechnologie namens Tunneling Magnetoresistive (TMR) entwickelt, die sowohl sehr klein ist (so klein wie ein LGA-4) als auch einen extrem niedrigen Stromverbrauch hat, ähnlich wie der Reed-Schalter. TMR-Magnetsensoren bieten in der Tat das Beste aus beiden Welten“.

Angesichts des derzeitigen Ansturms neuer Geräte, die das Leben einfacher, sicherer, berührungslos und/oder aus der Ferne bedienbar machen sollen, müssen Elektronikdesigner neue Technologien einsetzen, um mit den sich entwickelnden Anforderungen von batteriebetriebenen Wearables, Implantaten, Ingestibles und anderen IoT-Geräten Schritt zu halten.  Magnetische Sensoren – und insbesondere die TMR-Sensortechnologie – bieten die besten Eigenschaften in Bezug auf geringe Größe, geringeren Stromverbrauch, Schutz gegen Eindringen und Benutzerfreundlichkeit und tragen dazu bei, „unmögliche“ Designs möglich zu machen.

Für weitere Informationen, einschließlich Beratung zu Batterietypen, die nicht in diesem Bericht enthalten sind, wenden Sie sich bitte noch heute an einen unserer Ingenieure!

Bildunterschrift (für obiges Bild): Der TMR-Magnetsensor verbraucht fast keinen Strom in einem ultrakleinen Gehäuse und ist durch seine kontaktlose Einschaltfunktion sehr benutzerfreundlich.