小型化MEMS I/O供電連接器技術(shù)為醫療保健設備提供全新優(yōu)勢

隨著(zhù)全球醫療保健費用飛漲，加之人口老齡化，促使病患家庭與醫療服務(wù)水平低下及偏遠地區對便攜式醫療診斷設備和治療的需求大幅上升。據最近的一份行業(yè)報告 （家庭醫療保健市場(chǎng)現有發(fā)展趨勢、機會(huì ) &直至2016年全球預測） 指出，針對病患家居醫療保健需求 （包括呼吸治療、家庭輸液治療、慢性醫療病患的康復服務(wù)和監控） 的新設備和市場(chǎng)正蓬勃發(fā)展。除了預期到2016年家庭醫療保健市場(chǎng)的年平均增長(cháng)率達到7.7%之外，這份報告還指出：

　　最近觀(guān)察到的最重要的醫療保健發(fā)展趨勢是從醫院轉入家庭來(lái)進(jìn)行治療，以獲得成本優(yōu)勢并減少醫院支出。另外，從治療轉向主動(dòng)監測也為家庭醫療保健市場(chǎng)創(chuàng )造了新的機遇。由于便利性和高成本效益的緣故，病患寧愿在家居進(jìn)行醫療保健而不住醫。

　 　
圖1 和圖2 病患監視器正逐漸從醫院病床設備轉移至成為家居保健或連網(wǎng)系統，微型互連I/O解決方案及創(chuàng )新能力，正好配合遠程保健應用要求更小、更輕及集成解決方案的趨勢。

　　隨著(zhù)醫療保健供應商和病患推動(dòng)著(zhù)這些轉變，領(lǐng)先的電子產(chǎn)品創(chuàng )新廠(chǎng)商正在應對技術(shù)挑戰，將傳統上用于醫生辦公室、診所和醫院設置的設備和儀器轉變進(jìn)入病患家庭。在這些挑戰中，針對這類(lèi)醫療設備的病患使用便利性、體積、性能和耐用性而言，電源管理扮演著(zhù)重要的角色。因此，對于進(jìn)行系統級折衷權衡的工程師來(lái)說(shuō)，重要的是在設計周期中盡早做出電源管理決定。

　　電源連接器行業(yè)逐步推出新的極小的低側高連接器，在智能手機行業(yè)進(jìn)行創(chuàng )新，以滿(mǎn)足醫療儀器和設備對改進(jìn)便攜性和小型化不斷增長(cháng)的需求，微機電系統 （Micro-Electrical Mechanical System， MEMS） 是一種創(chuàng )新方法，結合電氣和機械組件來(lái)提供具有前所未有的微小尺寸的系統，而這種方法已經(jīng)成為了蓬勃發(fā)展的醫療保健市場(chǎng)中小型、便攜設計的重要首選技術(shù)。MEMS技術(shù)可以用于生物醫學(xué)應用，比如外科手術(shù)工具、給藥及生物傳感器，以及診斷和其它體外應用。

　　在現有的設計中，MEMS連接器是其它較大型連接器的兼容替代產(chǎn)品，MEMS技術(shù)在電源連接中提供了超低側高解決方案和高性能。MEMS微互連方法在現實(shí)世界擁有成功的應用和客戶(hù)表現記錄，對于滿(mǎn)足醫療保健需求的較小的微型產(chǎn)品的需求的設計工程師，提供了功能強大的可行的工具。

MEMS在醫療應用中的優(yōu)勢

　　MEMS I/O連接器適用于要求產(chǎn)品或系統小型化的任何市場(chǎng)，包括消費產(chǎn)品、移動(dòng)和醫療應用。這項技術(shù)已經(jīng)在醫學(xué)領(lǐng)域做出了突出貢獻，用于提升病患照料和安全，特別用于微創(chuàng )手術(shù)領(lǐng)域，需要頻繁血液和尿液檢測和監測的病患，以及那些通過(guò)傳感器補?。?strong>sensored patches）接受藥物的病患。

　　在醫療儀器和設備中使用MEMS I/O技術(shù)具有多種優(yōu)勢，提供了可靠、靈活的插座式接口，MEMS I/O比眾多傳統連接器更為堅固。MEMS I/O技術(shù)具有零高度，因而是用于采用電子控制方式以設定間隔精確給藥應用的理想技術(shù)，低功耗MEMS I/O意味著(zhù)在便攜監測或其它設備中實(shí)現更好的讀數一致性和較少的電池更換。在創(chuàng )傷性治療步驟中，MEMS I/O能夠實(shí)現較小的儀器占位面積，從而減少病患的疼痛體驗。

　　MEMS I/O連接器在醫療電池連接器、相機模塊，以及片狀連接器I/O應用，比如用于小外形、高密度超聲波連接器的傳感器的連接器產(chǎn)品中，具有公認的獨特創(chuàng )新。超聲波技術(shù)是擁有很大病患需求的領(lǐng)域，是主要的保健設備制造商關(guān)注的焦點(diǎn)。由于體積和其它限制，造成現有的超聲波機器在世界許多地區的使用不切實(shí)際。發(fā)展中國家和新興國家可從更多MEMS-based微產(chǎn)品的涌現中獲益，實(shí)現較小型的便攜式超聲波設備，用于偏遠地區。

　　醫療傳感器市場(chǎng)為MEMS提供了巨大的應用潛力，包括更新傳感器、化學(xué)傳感器、流量傳感器和位置傳感器。今天，在美國市場(chǎng)大約有70%的化學(xué)傳感器用于醫療保健。由于肥胖癥不斷增加，以及糖尿病發(fā)病率一直上升，低側高形式MEMS供電連接器是移動(dòng)便攜血糖監測市場(chǎng)的理想選擇。在家庭和體制醫療保健中，任何儀器或設備問(wèn)題有可能將病患置于風(fēng)險之中。MEMS I/O技術(shù)提供穩定的插座式“拉撥和鎖定”連接，適用于手持式病患血糖和其它一次性監測產(chǎn)品。

　　
圖3 MEMS I/O 連接器經(jīng)驗證，特別適合在醫療電池連接器、相機模塊等要求小尺寸和高密度的連接器

　　便攜式血糖監測儀器使用標準的微型I/O來(lái)連接兩個(gè)電路板，具有大約0.7 mm的側高。使用MEMS技術(shù)，同樣的連接器側高可以減小至僅僅0.15 mm。MEMS連接是一個(gè)前所未有的微小層，看起來(lái)幾乎是一個(gè)平面，與糖尿病測試帶的厚度不同。MEMS連接器通常稱(chēng)作“零高度”連接器，提供了滿(mǎn)足醫療保健需求的微小型電源組解決方案，并且將可靠的監測工具置于病患手中。

　　對于高阻抗限制電纜解決方案，MEMS I/O技術(shù)有助于緩減風(fēng)險，可以與高速銅纜或任何柔性基板共享。有些醫療產(chǎn)品制造商使用具有微小連接的銅纜，用于實(shí)際監測。如果制造商沒(méi)有使用MEMS，則通常采用ACF粘接，將跳線(xiàn)直接焊接到銅纜上。微型相機模塊最初用于移動(dòng)手機，但是適用于醫療設備，微型相機模塊通常是直接焊接 — 并永久安裝 — 在柔性電纜PCB的跳線(xiàn)上。使用這種設計理念，如果相機模塊損壞或需要維修，銅纜可能成為昂貴的跳線(xiàn)，所以更常見(jiàn)的“方法”是斷開(kāi)并替換整個(gè)柔性電纜。

　　然而，MEMS I/O技術(shù)可以將微型相機直接插接在柔性電纜上，而不會(huì )產(chǎn)生較高的側高，并且可以輕易斷開(kāi)和維修，而無(wú)需整體替換電纜。通過(guò)與具視頻功能的相機或micro IDT共享，MEMS I/O可以將一個(gè)HD視頻顯示器連接到主電路板上，用于內窺鏡和其它創(chuàng )傷性醫療步驟的高速視頻流。傳統的內窺鏡用于診斷胃腸結腸癌和其它異物，需要使病患處于鎮靜狀態(tài)，而且僅可查看到小腸的一部分。具有MEMS功能的內窺鏡則可以全面檢查小腸，而無(wú)需鎮靜步驟，實(shí)現數字圖像，一個(gè)發(fā)送器，甚至一個(gè)光源。

　　MEMS的制造優(yōu)勢

　　MEMS器件制造工藝是用于半導體制造的相同工藝的自然演進(jìn)，需要采用光刻和蝕刻步驟，進(jìn)行材料層的沉積，生成所需的電路和組件，比如電源連接器。設計用于醫療設備的標準電源連接器通常由具有壓制成型端子和觸點(diǎn)的模塑塑料組成，因而具有相對較大的整體占位面積。

　　相反地，MEMS技術(shù)基本包括掩模、抓取、電鍍、印刷和層壓，最終獲得極低側高觸點(diǎn)層，MEMS I/O系統通常在極薄的金屬層上進(jìn)行蝕刻和鉆孔，以創(chuàng )建類(lèi)似三明治的絕緣電氣連接。金屬層可以薄至150μm （0.15 mm）。MEMS的優(yōu)勢在于制造商能夠生產(chǎn)顯著(zhù)減小的低功耗連接器，提供超越較大型競爭組件的更高性能。此外，MEMS制造工藝縮短了傳統連接器制造注塑模具和沖壓端子的上市時(shí)間并減少了成本。

　　MEMS I/O技術(shù)采用外形尺寸較小的片狀連接器，在微小型產(chǎn)品中集成了高速連接器的高密度和高速功能和電纜連接，從而消除了EMI干擾。MEMS I/O連接器具有與標準微小型連接器相同的額定插配循環(huán)數目，通常為15-30插配-解插配循環(huán)，但是，某些型款可以達到數千次插配。嚴格的測試顯示MEMS I/O插配接口可以耐受高達6000 G的掉落和振動(dòng)，影響可以忽略不計。

　　通過(guò)削減大部分傳統連接器殼體之余而不犧牲性能或密度，MEMS I/O技術(shù)代表著(zhù)醫療儀器設計人員和制造商的重要的模式改變。MEMS技術(shù)不僅減小了體積和PCB的昂貴空間，而且，通過(guò)使用簡(jiǎn)單的插座式插配接口來(lái)替代永久焊接的PCB連接，MEMS技術(shù)實(shí)現了僅僅較大型連接器和產(chǎn)品設計才有的設計靈活性水平，這并不令人驚訝，在醫療設備和儀器中MEMS-enabled系統的使用已經(jīng)呈現指數級增長(cháng)，其快速增長(cháng)趨勢將很可能延續下去。