Feature Article

Figure 1 : la stabilité des condensateurs PICS en comparaison avec des condensateurs standards.

Les appareils implantables médicaux représentent l’une des innovations clés de ces 20 dernières années, permettant d’allonger la durée de vie des patients et/ou de réduire des handicaps importants. Le meilleur exemple à donner est l’implant cardiaque. On peut également citer l’implant cochlear grâce auquel des personnes malentendantes ont pu totalement recouvrer l’ouïe. De multiples fonctions peuvent ainsi être stimulées à l’aide de dispositifs électroniques implantables. Ces dispositifs se comptent aujourd’hui par millions. Comme d’autres systèmes électroniques, ils ont vu leur puissance et leur popularité augmenter grâce aux techniques de miniaturisation et à l’amélioration de leurs performances.

Les dispositifs les plus récents sont non seulement plus petits et performants, mais ils peuvent aussi être commandés ou programmés à distance.

Deux autres données techniques importantes sont également à considérer pour les systèmes implantables: la durée de vie de leur batterie et leur fiabilité.

Dans tous ces cas, l’intégration de composants passifs sur silicium apporte des améliorations significatives.

Une Solution fiable
De nombreuses entreprises ont utilisé les capacités des circuits intégrés pour développer de nouvelles technologies et ainsi créer ce qui est désormais appelé Integrated Passive Devices (systèmes de passifs intégrés).

IPDiA fait partie de ces entreprises innovantes et a choisi de développer une technologie d’intégration 3D de passifs intégrés dans le silicium. Dans le cas des appareils médicaux, le composant passif le plus difficile à intégrer est le condensateur, et plus particulièrement le condensateur à forte capacitance (>1µF). IPDiA a concentré une bonne partie de ses efforts à développer une technologie 3D appelée PICS (Passive Integration Connective Substrate), qui a permis dans un premier temps de fabriquer des réseaux de condensateurs avec une densité d’intégration de 80nF/mm2. La technologie PICS la plus récente utilise des structures 3D encore plus innovantes et atteint 250nF/mm2 pour des condensateurs silicium miniatures de quelques µFarads.

Les performances intrinsèques du matériau rendent cette technologie très attractive en termes de stabilité (température et voltage), de taille et de coût d’application.

La figure 1 illustre la stabilité des condensateurs PICS en comparaison avec des condensateurs standards.

Les matériaux utilisés pour les couches diélectriques sont extrêmement purs et minimisent ainsi le courant de fuite au sein même des condensateurs. Par exemple, le courant de fuite d’un condensateur PICS 33 nF est inférieur à 70pA.

Il en résulte une augmentation significative de la durée de vie de la batterie de l’appareil implantable.

Pour illustrer la fiabilité, nous pouvons donner des résultats sur le MTTF (mean time to failure) : 4.16×106 années pour un condensateur PICS 33nF, soit 100 fois meilleur que les résultats obtenus avec des composants passifs discrets.

Passons maintenant au gain d’espace et à la miniaturisation des applications électroniques avec un exemple, celui de l’’intégration d’un circuit complet de communication radio fréquence dans un petit morceau de silicium. L’intégration de filtres et de condensateurs en découplage permet de réduire la taille d’un facteur 12, ce qui conduit à un gain de surface de 550mm2. Il apparait également évident qu’avec une telle approche d’intégration, le remplacement d’une centaine de composants discrets par une seule puce silicium réduit de façon significative le nombre d’interconnexions et améliore la fiabilité du produit final.

Exemples d’applications
IPDiA a déjà commencé à travailler avec de nombreuses entreprises du domaine du médical miniature, soit par collaboration directe soit au travers de partenariats R&D.

Un exemple intéressant d’un prototype innovant est une pilule électronique dans laquelle ont été placés une sonde, un mo-
dule sans fil de communication sécurisé et un microcontrôleur, le tout dans un emballage final de 15mm de long et 6mm de diamètre. La réalisation de ce produit n’a été possible que grâce à l’intégration de 150 composants passifs sur une puce PICS de 5×6mm.  Il est actuellement testé dans de nombreux programmes d’évaluations lancés par des sociétés reconnues et dans des programmes d’évaluations précliniques.

Bien d’autres programmes de qualification en partenariat avec des fabricants de défibrillateurs et pacemakers sont en cours.
Ces programmes d’évaluation sont couverts par des contrats de confidentialité et ne sont pas encore rendus publiques.

Conclusion
Les passifs intégrés sur silicium permettent donc de réaliser des condensateurs hautes performances ainsi que des modules de communication sans fil miniatures.

L’intégration de composants passifs dans le silicium est une nouvelle technologie qui apporte et apportera des évolutions pour les systèmes médicaux électroniques comme elle en a apporté dans le domaine de la communication mobile.

S’appuyant sur la technologie PICS, les appareils médicaux implantables ont donc tout à gagner : en taille tout d’abord, mais aussi en consommation d’énergie et en fiabilité, limitant le nombre et le coût des interventions chirurgicales ainsi que les risques pour les patients.

Le planning des programmes et les projets R&D en cours permettent d’imaginer, dans un futur proche, l’élaboration d’autres nouvelles fonctions ou l’amélioration des fonctions existantes.

www.ipdia.com