可穿戴醫療半導體應用方案

　　中國人口老齡化進(jìn)程正持續加快中：據聯(lián)合國2010年的世界人口展望，2010年中國60歲以上人口所占百分比為12.3%，預計到2030年將增至24.4%，到2050年甚至將達33.9%。同時(shí)，隨著(zhù)人們生活水準的提高，預期壽命越來(lái)越長(cháng)，將會(huì )更加注重醫療及保健，門(mén)診/家中保健將越來(lái)越普遍。而且，人口老齡化或許將催生更高的心臟病、糖尿病、氣喘的發(fā)病率，再加上中國政府計畫(huà)實(shí)現全民醫保等等，中國的醫療設備行業(yè)將會(huì )持續發(fā)展。

　　目前中國醫療設備市場(chǎng)分散，且僅由少數大型醫療設備公司如邁瑞、金科威、歐姆龍等主導，市場(chǎng)潛力極大，眾多小型公司也瞄準此一市場(chǎng)，爭相開(kāi)發(fā)創(chuàng )新的醫療方案。故醫療設備的發(fā)展趨勢包括增加“智慧”及數據儲存功能、可攜性、無(wú)線(xiàn)/連接型方案、人體區域網(wǎng)路等等。而醫療半導體無(wú)疑在醫療設備/方案的創(chuàng )新中發(fā)揮著(zhù)主導作用，朝向更高整合度、小型化、高效能發(fā)展，同時(shí)使消費類(lèi)醫療設備轉向采用標準元件并嵌入無(wú)線(xiàn)功能。

　　將矽引入生活

　　安森美半導體以高性能矽方案幫助醫療技術(shù)開(kāi)發(fā)者解決他們獨特的設計挑戰。作為健康聯(lián)盟的積極成員，安森美半導體高技能的系統架構師、設計、封裝和測試工程師，具備豐富的知識產(chǎn)權(IP)陣容，擁有世界級工廠(chǎng)，憑藉超過(guò)30年的訂制矽經(jīng)驗，提供全面的產(chǎn)品陣容和服務(wù)，包括：訂制的混合訊號專(zhuān)用積體電路(ASIC)、專(zhuān)用標準產(chǎn)品(ASSP)、醫療級分立元件、助聽(tīng)器數字訊號處理(DSP)系統、訂制的和半訂制的超低功耗記憶體、為系統小型化的先進(jìn)封裝、附加代工服務(wù)等等，其開(kāi)發(fā)套件、軟體包、產(chǎn)品庫等保證完全合格和穩定的開(kāi)發(fā)流程，產(chǎn)品使用壽命支援延長(cháng)的產(chǎn)品生命周期，數據可追蹤和保存，品質(zhì)獲ISO 13485醫療系統認證，且設立故障分析實(shí)驗室，可批量驗收測試。

　　安森美半導體的重點(diǎn)醫療細分市場(chǎng)涵蓋植體、聽(tīng)力健康和臨床及指定設備。

　　植體

　　植體應用主要包括除顫器及心臟起搏器、神經(jīng)刺激器、可注射監測器和可吸入電子設備。安森美半導體為此類(lèi)應用提供ASIC、記憶體、分立元件、模組及晶圓代工服務(wù)。

　　以植入式神經(jīng)刺激平臺為例，安森美半導體提供整合控制器、記憶體、數位、類(lèi)比和高壓的單晶片方案，使用多通道突波抑制器(TSS)進(jìn)一步顯著(zhù)減少分立元件數(通常將IC裸片數從3-4顆減少至1-2顆)，有助于減小電路板所占空間，簡(jiǎn)化設備制造和物流，降低成本和功耗，減少對系統/電路板的依賴(lài)，提升品質(zhì)，加快產(chǎn)品上市時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險。

　　圖1 : 安森美半導體用于植入式神經(jīng)刺激平臺的單晶片方案

　　安森美半導體提供二極體、MOSFET、IGBT、電源穩壓器等標準分立元件用于醫療應用，并配合醫療市場(chǎng)需要提供可訂制的選擇 (表1)。

　　表1 : 安森美半導體提供的可訂制選擇

　　安森美半導體可根據醫療應用的獨特需求提供訂制的ASSP，如多通道瞬時(shí)突波抑制器可根據獨特的物理需求和電子參數而訂制，具備極快導通、最大沖擊電流大于12 A等關(guān)鍵功能;并提供引腳少、超低漏電流、儲存容量達8 Mb、實(shí)現超低功耗的SRAM、EEPROM和SRAM-Flash。

　　為實(shí)現更低成本及更高效能等需求，安森美半導體還提供替代EEPROM、FRAM和標準SRAM的串行SRAM記憶體。并行SRAM通常需要3路控制輸入、15路地址輸入和8路數據I/O共26條線(xiàn)路，僅用于低功耗應用。而串行SRAM僅需共4條線(xiàn)路，且占位面積更小，引腳更少，功耗更低，可保存備份平均10年的數據，系統成本更低，非常適合用于心臟監測設備等小尺寸應用。

　　特別的是，為配合特定要求的FDA III，安森美半導體提供醫療級標準元件用于植體或生命攸關(guān)的應用，并提供符合MIL-PRF-1950標準、認證的MIL-STD-750 測試法、支援JAN/JANHC 品質(zhì)水準、于國防后勤局(DLA)批準的生產(chǎn)線(xiàn)制造等軍工標準協(xié)議模式的高可靠性工藝流程。

　　助聽(tīng)器

　　根據佩戴位置的不同，助聽(tīng)器主要分為耳背式(Behind-The-Ear;BTE)和耳內式(In-The-Ear;ITE)。前者包括傳統BTE、微型BTE和耳道內置受話(huà)器(Receiver-In-Canal;RIC)，后者包括全、3/4、半耳腔式ITE、耳道內置(ITC)、深耳道(Completely-In-Canal;CIC)及耳道內不可見(jiàn)(Invisible-In-Canal;IIC)。

　　圖2 : 助聽(tīng)器主要類(lèi)型概覽

　　微型及“不可見(jiàn)”是助聽(tīng)器的一大趨勢，更小巧的RIC及新的IIC類(lèi)型更受歡迎，其要求半導體制造商轉移至65 nm或更小節點(diǎn)的工藝及微型化封裝技術(shù);助聽(tīng)器的第二大趨勢是將添加無(wú)線(xiàn)通訊及連接功能，當前采用2.4 GHz、900 MHz及附藍牙繼電器元件的近場(chǎng)磁感應(NFMI)的技術(shù)，需要互操作性及先進(jìn)的封裝技術(shù);第三，助聽(tīng)器將發(fā)展至更“智慧”且完全自動(dòng)化;如音量控制及訊號處理自動(dòng)適配聲音環(huán)境，令用戶(hù)更舒適，這要求為其帶來(lái)更復雜的功率處理及演算法。助聽(tīng)器的發(fā)展趨勢產(chǎn)生功耗、尺寸、混合訊號處理等方面的設計挑戰，如要求在1 V工作電壓時(shí)電流消耗小于1 mA，多晶片及晶片面積小于10 mm2，數位及類(lèi)比功能等等。

　　圖3 : 展示一個(gè)典型的助聽(tīng)器的組成及安森美半導體可提供的元件。

　　安森美半導體提供完整系列的DSP系統，包括預適配RHYTHM系列、預配置RHYTHM和AYRE系列、以及Ezairo系列。這些系列除了都含DSP、ADC、DAC、NVM等全面的助聽(tīng)器系統，還針對不同目標設計人員提供不同的配置以滿(mǎn)足他們不同的需求：Ezairo系列的可編程IDE，適合有差異化演算法的技術(shù)專(zhuān)家;預配置系列針對老客戶(hù)和具備中等聽(tīng)力學(xué)知識的人提供預載演算法、配套的基礎架構工具(SoundDesigner;ARK)和參考設計;而預適配系列提供預載演算法、配套手冊，并即將推出參考設計，有助于為新的助聽(tīng)器制造商和類(lèi)比助聽(tīng)器制造商解決其設計挑戰。

　　在為助聽(tīng)器廠(chǎng)商解決空間受限的要求方面，安森美半導體擁有超過(guò)40年的經(jīng)驗，主要采用先進(jìn)的2.5D和3D超小型系統級封裝(SiP)，即在同一封裝將不同的矽晶片和分立元件連接在一起，通過(guò)縮減訊號距離大大節省空間并提升電氣性能。SiP是訂制的封裝開(kāi)發(fā)和制造服務(wù)，為注重尺寸、性能和系統整合度的醫療應用而設計。

　　安森美半導體將推出新的采用SiP的整合2.4 GHz無(wú)線(xiàn)模組的方案，尺寸僅為7.39 × 3.94 × 1.4 mm，其關(guān)鍵功能包括：整合完全可編程的多核音頻處理器、適配器可通過(guò)線(xiàn)性介面連接至任何音頻源(TV, HiFi)從而提供遠程麥克風(fēng)適配器的身歷聲流、使用手機的標準配置檔如“Find Me”、“電話(huà)警報配置檔”等進(jìn)行控制、音量和程式可通過(guò)手機控制改變等等。

　　訂制醫療ASIC

　　醫療設備設計人員一般面臨以下設計挑戰：

　　*低能耗：電池供電的醫療設備對電池使用時(shí)間要求較高，而標準分立元件可能消耗太大電流，無(wú)法提供令人滿(mǎn)意的產(chǎn)品使用時(shí)間;

　　*小尺寸：通常要求小巧以提供離散性和舒適度，而使用標準分立元件會(huì )令外形因數太大;

　　*高壓：感測器可能要求高壓偏置，同時(shí)產(chǎn)生極低電平的訊號，當使用分立元件來(lái)處理高壓及低壓時(shí)，感測器介面電路通常太過(guò)復雜;

　　*低雜訊：專(zhuān)用人體感測器捕獲到的訊號極微弱，漏電流或其他不想要的電流將壓過(guò)感測器產(chǎn)生的訊號;

　　*長(cháng)產(chǎn)品生命周期：可能超過(guò)10年，而許多標準元件在醫療設備生產(chǎn)結束前已被淘汰;

　　*低BOM成本：采用分立元件設計的系統元件數量多，成本降不下來(lái)。

　　采用訂制的ASIC方案可提供能耗優(yōu)勢、以高整合度提供尺寸優(yōu)勢、能整合高壓及低壓電路、提供高度的訊號通道隔離及低雜訊、配合產(chǎn)品長(cháng)生命周期、提供整合方案從而降低系統成本，幫助設計人員解決他們的獨特設計挑戰。

　　安森美半導體具備豐富的高性能、低能耗ASIC IP陣容，并可提供系統級方案，如為免提操作的低功耗聲音觸發(fā)功能。在中國，安森美半導體已積累成功的醫療ASIC案例. 如自2007以來(lái)，安森美半導體已為邁瑞開(kāi)發(fā)訂制病人監測ASIC，用于多通道心電圖、心率及呼吸監視儀、血氧飽和度等多種病人監測設備，實(shí)現比分立標準產(chǎn)品方案更低的能耗并降低總體BOM成本。邁瑞后續還將發(fā)布更多使用這ASIC的產(chǎn)品。

　　圖4 : 安森美半導體高性能、低能耗ASIC IP陣容

　　Struix是安森美半導體推出的半訂制組合方案，由訂制的和標準的ASSP元件組成，即根據客戶(hù)的專(zhuān)有規格而訂制的一個(gè)類(lèi)比感測器介面或一個(gè)驅動(dòng)器，和一個(gè)采用ARM Cortex-M3內核 (ULPMC10)的超低功耗唯數位微控制器晶片。“Struix”是“stacked”(疊在一起)的拉丁語(yǔ)形式，它將訂制的晶片和標準晶片疊在一個(gè)封裝中以提供微型的、高效能的半導體方案，提供比標準元件更多的訂制，比完整的系統級晶片(SoC)方案縮短設計時(shí)間并降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險及相關(guān)成本，適用于血糖監測、經(jīng)由過(guò)皮膚給給藥、可攜式及定點(diǎn)護理(PoC)病人監控等微型醫療設備。

　　圖5是基于Struix的產(chǎn)品示例，此堆疊微型封裝充分利用矽整合及模組化，整合度高，易于設計，還進(jìn)一步增強了設計靈活性，因為ULPMC10微控制器可采用安森美半導體未來(lái)的微控制器輕易升級，無(wú)須替換類(lèi)比前端。

　　圖5 : 安森美半導體Struix產(chǎn)品示例

　　結語(yǔ)

　　受市場(chǎng)動(dòng)力、人口趨勢、政府政策、醫療行業(yè)結構及增長(cháng)等綜合因素的推動(dòng)，中國醫療設備行業(yè)頗具發(fā)展前景。醫療設備制造商要想走在市場(chǎng)前端需采用高效能的半導體方案進(jìn)行創(chuàng )新開(kāi)發(fā)。在可穿戴醫療逐漸興起的趨勢下，醫療半導體向更高整合度、小型化、更高效能方向邁進(jìn)。安森美半導體因應市場(chǎng)趨勢，提供完整的醫療半導體產(chǎn)品和服務(wù)、豐富的專(zhuān)長(cháng)和經(jīng)驗，滿(mǎn)足醫療市場(chǎng)嚴格要求的高品質(zhì)和高可靠性，協(xié)助醫療技術(shù)開(kāi)發(fā)者解決他們獨特的設計挑戰。