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

隨著全球醫(yī)療保健費(fèi)用飛漲，加之人口老齡化，促使病患家庭與醫(yī)療服務(wù)水平低下及偏遠(yuǎn)地區(qū)對(duì)便攜式醫(yī)療診斷設(shè)備和治療的需求大幅上升。據(jù)最近的一份行業(yè)報(bào)告 （家庭醫(yī)療保健市場(chǎng)現(xiàn)有發(fā)展趨勢(shì)、機(jī)會(huì) &直至2016年全球預(yù)測(cè)） 指出，針對(duì)病患家居醫(yī)療保健需求 （包括呼吸治療、家庭輸液治療、慢性醫(yī)療病患的康復(fù)服務(wù)和監(jiān)控） 的新設(shè)備和市場(chǎng)正蓬勃發(fā)展。除了預(yù)期到2016年家庭醫(yī)療保健市場(chǎng)的年平均增長(zhǎng)率達(dá)到7.7%之外，這份報(bào)告還指出：

　　最近觀察到的最重要的醫(yī)療保健發(fā)展趨勢(shì)是從醫(yī)院轉(zhuǎn)入家庭來(lái)進(jìn)行治療，以獲得成本優(yōu)勢(shì)并減少醫(yī)院支出。另外，從治療轉(zhuǎn)向主動(dòng)監(jiān)測(cè)也為家庭醫(yī)療保健市場(chǎng)創(chuàng)造了新的機(jī)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(yī)療保健而不住醫(yī)。

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

　　隨著醫(yī)療保健供應(yīng)商和病患推動(dòng)著這些轉(zhuǎn)變，領(lǐng)先的電子產(chǎn)品創(chuàng)新廠商正在應(yīng)對(duì)技術(shù)挑戰(zhàn)，將傳統(tǒng)上用于醫(yī)生辦公室、診所和醫(yī)院設(shè)置的設(shè)備和儀器轉(zhuǎn)變進(jìn)入病患家庭。在這些挑戰(zhàn)中，針對(duì)這類醫(yī)療設(shè)備的病患使用便利性、體積、性能和耐用性而言，電源管理扮演著重要的角色。因此，對(duì)于進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)折衷權(quán)衡的工程師來(lái)說(shuō)，重要的是在設(shè)計(jì)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(cè)高連接器，在智能手機(jī)行業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新，以滿足醫(yī)療儀器和設(shè)備對(duì)改進(jìn)便攜性和小型化不斷增長(zhǎng)的需求，微機(jī)電系統(tǒng) （Micro-Electrical Mechanical System， MEMS） 是一種創(chuàng)新方法，結(jié)合電氣和機(jī)械組件來(lái)提供具有前所未有的微小尺寸的系統(tǒng)，而這種方法已經(jīng)成為了蓬勃發(fā)展的醫(yī)療保健市場(chǎng)中小型、便攜設(shè)計(jì)的重要首選技術(shù)。MEMS技術(shù)可以用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)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(yīng)用。

　　在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)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(cè)高解決方案和高性能。MEMS微互連方法在現(xiàn)實(shí)世界擁有成功的應(yīng)用和客戶表現(xiàn)記錄，對(duì)于滿足醫(yī)療保健需求的較小的微型產(chǎn)品的需求的設(shè)計(jì)工程師，提供了功能強(qiáng)大的可行的工具。

MEMS在醫(yī)療應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

　　MEMS I/O連接器適用于要求產(chǎn)品或系統(tǒng)小型化的任何市場(chǎng)，包括消費(fèi)產(chǎn)品、移動(dòng)和醫(yī)療應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)，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(cè)和監(jiān)測(cè)的病患，以及那些通過(guò)傳感器補(bǔ)丁（sensored patches）接受藥物的病患。

　　在醫(yī)療儀器和設(shè)備中使用MEMS I/O技術(shù)具有多種優(yōu)勢(shì)，提供了可靠、靈活的插座式接口，MEMS I/O比眾多傳統(tǒng)連接器更為堅(jiān)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(shè)定間隔精確給藥應(yīng)用的理想技術(shù)，低功耗MEMS I/O意味著在便攜監(jiān)測(cè)或其它設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更好的讀數(shù)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?qū)崿F(xiàn)較小的儀器占位面積，從而減少病患的疼痛體驗(yàn)。

　　MEMS I/O連接器在醫(yī)療電池連接器、相機(jī)模塊，以及片狀連接器I/O應(yīng)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(rèn)的獨(dú)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(shè)備制造商關(guān)注的焦點(diǎn)。由于體積和其它限制，造成現(xiàn)有的超聲波機(jī)器在世界許多地區(qū)的使用不切實(shí)際。發(fā)展中國(guó)家和新興國(guó)家可從更多MEMS-based微產(chǎn)品的涌現(xiàn)中獲益，實(shí)現(xiàn)較小型的便攜式超聲波設(shè)備，用于偏遠(yuǎn)地區(qū)。

　　醫(yī)療傳感器市場(chǎng)為MEMS提供了巨大的應(yīng)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(guó)市場(chǎng)大約有70%的化學(xué)傳感器用于醫(yī)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(cè)高形式MEMS供電連接器是移動(dòng)便攜血糖監(jiān)測(cè)市場(chǎng)的理想選擇。在家庭和體制醫(yī)療保健中，任何儀器或設(shè)備問(wèn)題有可能將病患置于風(fēng)險(xiǎn)之中。MEMS I/O技術(shù)提供穩(wěn)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(jiān)測(cè)產(chǎn)品。

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

　　便攜式血糖監(jiān)測(cè)儀器使用標(biāo)準(zhǔn)的微型I/O來(lái)連接兩個(gè)電路板，具有大約0.7 mm的側(cè)高。使用MEMS技術(shù)，同樣的連接器側(cè)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(cè)試帶的厚度不同。MEMS連接器通常稱作“零高度”連接器，提供了滿足醫(yī)療保健需求的微小型電源組解決方案，并且將可靠的監(jiān)測(cè)工具置于病患手中。

　　對(duì)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(xiǎn)，可以與高速銅纜或任何柔性基板共享。有些醫(yī)療產(chǎn)品制造商使用具有微小連接的銅纜，用于實(shí)際監(jiān)測(cè)。如果制造商沒(méi)有使用MEMS，則通常采用ACF粘接，將跳線直接焊接到銅纜上。微型相機(jī)模塊最初用于移動(dòng)手機(jī)，但是適用于醫(yī)療設(shè)備，微型相機(jī)模塊通常是直接焊接 — 并永久安裝 — 在柔性電纜PCB的跳線上。使用這種設(shè)計(jì)理念，如果相機(jī)模塊損壞或需要維修，銅纜可能成為昂貴的跳線，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(jī)直接插接在柔性電纜上，而不會(huì)產(chǎn)生較高的側(cè)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(jī)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(nèi)窺鏡和其它創(chuàng)傷性醫(yī)療步驟的高速視頻流。傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡用于診斷胃腸結(jié)腸癌和其它異物，需要使病患處于鎮(zhèn)靜狀態(tài)，而且僅可查看到小腸的一部分。具有MEMS功能的內(nèi)窺鏡則可以全面檢查小腸，而無(wú)需鎮(zhèn)靜步驟，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像，一個(gè)發(fā)送器，甚至一個(gè)光源。

　　MEMS的制造優(yōu)勢(shì)

　　MEMS器件制造工藝是用于半導(dǎo)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(shè)計(jì)用于醫(yī)療設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(cè)高觸點(diǎn)層，MEMS I/O系統(tǒng)通常在極薄的金屬層上進(jìn)行蝕刻和鉆孔，以創(chuàng)建類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(shì)在于制造商能夠生產(chǎn)顯著減小的低功耗連接器，提供超越較大型競(jìng)爭(zhēng)組件的更高性能。此外，MEMS制造工藝縮短了傳統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)微小型連接器相同的額定插配循環(huán)數(shù)目，通常為15-30插配-解插配循環(huán)，但是，某些型款可以達(dá)到數(shù)千次插配。嚴(yán)格的測(cè)試顯示MEMS I/O插配接口可以耐受高達(dá)6000 G的掉落和振動(dòng)，影響可以忽略不計(jì)。

　　通過(guò)削減大部分傳統(tǒng)連接器殼體之余而不犧牲性能或密度，MEMS I/O技術(shù)代表著醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)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(xiàn)了僅僅較大型連接器和產(chǎn)品設(shè)計(jì)才有的設(shè)計(jì)靈活性水平，這并不令人驚訝，在醫(yī)療設(shè)備和儀器中MEMS-enabled系統(tǒng)的使用已經(jīng)呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，其快速增長(zhǎng)趨勢(shì)將很可能延續(xù)下去。