Како спречити обрнуту струју у диодама у медицинским електронским уређајима?

一, Физички механизам реверзне струје и медицински ризици
Реверзна струја диоде се углавном састоји од три дела:

Дифузија мањинских носилаца: Под реверзним пристрасношћу, електрони у региону типа П- и рупе у региону типа Н- формирају малу струју под дејством електричног поља, а њена величина је експоненцијално повезана са температуром.
Површинска струја цурења: Локално изобличење електричног поља узроковано дефектима паковања или површинском контаминацијом, што резултира неидеалним путевима цурења.
Реверзни слом: Када обрнути напон пређе критичну вредност, носиоци набоја се нагло повећавају кроз умножавање лавине или ефекат Зенеровог тунелирања, узрокујући трајно оштећење уређаја.
Штета обрнуте струје је посебно значајна у медицинској опреми:

ЕКГ монитор: Реверзна струја може довести до интерференције фреквенције напајања, маскирајући прави сигнал електрокардиограма
МРИ систем: Реверзна струја у окружењу јаког магнетног поља може изазвати лучно пражњење, угрожавајући безбедност пацијената
Уређаји за имплантацију: Реверзна струја на нивоу микро ампера може ометати сигнале неуронске стимулације, утичући на ефикасност лечења
2, Основни стандарди за одабир медицинских диода
Као одговор на високе захтеве за поузданост медицинске опреме, избор диода треба да следи следеће принципе:

1. Оптимизација материјала и конструкција
Ултра брза диода за опоравак (ФРД): коришћењем технологије дифузије допиране златом или платином, време обрнутог опоравка је скраћено на 20-50нс, погодно за високофреквентну пулсну медицинску опрему (као што су ултразвучни дијагностички инструменти)
Шоткијева баријерска диода (СБД): Користећи карактеристике металног полупроводничког интерфејса, постиже ултра-низак пад напона напред од 0,1-0,3В, смањује губитак топлоте и посебно је погодан за преносиве медицинске уређаје
Високонапонска исправљачка диода: усваја више-слојну дифузиону структуру како би повећао повратни пробојни напон на неколико хиљада волти, испуњавајући захтеве високонапонских-примена као што су рендгенски генератори-
2. Контрола кључних параметара
Реверзна струја цурења (ИР): Медицински уређаји захтевају ИР мањи од или једнак 1 μ А на 125 степени, што је 10 пута више од индустријског стандарда
Топлотна отпорност (Р θ ЈА): Топлотна отпорност је смањена на 2 степена/В кроз процес спајања бакарних копчи, осигуравајући да температура споја не прелази 150 степени на температури околине од 40 степени
Отпорност на зрачење: За диоде у опреми за радиотерапију, морају проћи тест гама зрачења од 100 кГи
3, Инжењерска пракса потискивања реверзне струје
1. Дизајн заштите нивоа кола
Заштита од обрнутог паралелног рада: Повежите диоде за брзи опоравак паралелно на оба краја енергетске диоде да бисте формирали двосмерни проводни канал. На пример, у дефибрилаторима, комбинација 1Н4148 и УФ4007 се користи за сузбијање обрнутих скокова напона са 200В на унутар 50В.
РЦ апсорпциона мрежа: За апликације са високо-фреквентним прекидачима, керамички кондензатор од 0,1 μФ и отпорник од угљеничног филма од 10 Ω су повезани паралелно преко диоде да би ефикасно апсорбовали наелектрисање повратног опоравка. Измерени подаци одређене машине за хемодијализу показују да ова шема смањује вршну реверзну струју са 1,2А на 0,3А.
Активно коло стезаљке: користећи комбинацију МОСФЕТ-а и Зенер диоде, активно проводи када обрнути напон пређе сигурносни праг. У имплантабилним пејсмејкерима, ова технологија ограничава реверзну струју на испод 10нА, испуњавајући стандард медицинске безбедности ИЕЦ 60601-1.
2. Иновација процеса и паковања
Технологија пасивизације стакла: Формирањем слоја за пасивирање СиО ₂ на површини ПН споја, површинска струја цурења се смањује на 0,01 нА/мм². Након усвајања ове технологије у одређеном ендоскопском ЦЦД систему за снимање, шум слике је смањен за 3дБ.
Решење за керамичко паковање: Коришћењем Ал ₂ О Ⅲ керамичке подлоге и еутектичког заваривања златног калаја, одговарајући степен коефицијента топлотног ширења се повећава на 95%, а параметри остају стабилни у температурном опсегу од -40 степени до +85 степени.
3Д интегрисана структура: Интегрисање диода, температурних сензора и ЕСД заштитних уређаја на истој силиконској подлози за постизање-надгледања у реалном времену и динамичке компензације. У преносивим ултразвучним сондама, ова шема смањује опсег флуктуације реверзне струје са ± 15% на ± 3%.
4, Типични случајеви примене у медицинској опреми
1. Високо прецизно праћење виталних знакова
У монитору са више параметара, низ диода са ултра-ниском струјом цурења БАС70-04 се користи за постизање:

Input impedance:>10G Ω
струја пристрасности:<50fA
Common mode rejection ratio:>120дБ
Ова шема је успешно смањила грешку аквизиције сигнала електрокардиограма са ± 5% на ± 0,2%, испуњавајући захтеве ААМИ ЕЦ11 стандарда.
2. Минимално инвазивни хируршки енергетски систем
У високо{0}}електричним ножевима, паралелна комбинација ФРД и силицијум карбидних (СиЦ) диода се користи за постизање:

Обрнуто време опоравка:<15ns
Позитиван пад напона: 0,7В (@ 10А)
Капацитет отпорности на ударну струју: 100А (10мс)
Овај дизајн побољшава тачност сечења ткива за 40% док смањује електромагнетне сметње (ЕМИ) за 20 дБ.
3. Преносна инсулинска пумпа
Шотки диода серије БАТ54 упакована у СОТ-23 постиже:

Запремина: 2,1 × 2,4 × 0,9 мм³
Реверзна струја цурења: 0,1 μ А (@ 25 степени)
време почетка:<1ns
Ово решење продужава век трајања батерије уређаја на 7 дана док контролише грешку испоруке лека у оквиру ± 1%.