使用半定制系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)方案的醫(yī)療傳感器接口

醫(yī)療市場(chǎng)范圍非常廣泛，涵蓋用于監(jiān)測(cè)和治療的臨床醫(yī)療保健設(shè)施，以及家庭醫(yī)療保健設(shè)備。這些設(shè)備包括聽力受損的人使用的助聽器、肥胖癥患者用作一部分減肥管理的活動(dòng)監(jiān)視器、需要持續(xù)治療的人的藥物監(jiān)測(cè)儀，以及用作一部分疼痛管理的經(jīng)皮給藥的膏藥。

盡管臨床及便攜設(shè)備有著重要的作用，醫(yī)療行業(yè)近來卻轉(zhuǎn)向家庭醫(yī)療保健方面發(fā)展，且該細(xì)分市場(chǎng)正以高于9%的年增率擴(kuò)張(Databeans，2014)。隨著“嬰兒潮”一代步入老年，醫(yī)療護(hù)理需求增加，行業(yè)變得越來越依賴替代措施治療病人。加上大眾對(duì)健身和健康的興趣增加，這使更便宜便攜的選擇成為必然(圖1)。通過使用便攜式設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定點(diǎn)設(shè)施(醫(yī)院、診所)，可監(jiān)視和治療病人而免卻必須經(jīng)常去看醫(yī)生的不便。這使依賴治療的病人提高了生活品質(zhì)，為保險(xiǎn)公司和其他設(shè)施優(yōu)化了產(chǎn)業(yè)成本。

圖1：帶有生命體征監(jiān)測(cè)功能的智能手表。

可穿戴醫(yī)療設(shè)備半導(dǎo)體方案的特點(diǎn)

安森美半導(dǎo)體重點(diǎn)研發(fā)四個(gè)關(guān)鍵的醫(yī)療保健類別：聽力健康、病人監(jiān)視、健身以及理療(如疼痛管理)。這些設(shè)備的特點(diǎn)是要求體積小、可穿戴和電池供電，包括下列兩至三種關(guān)鍵技術(shù)特性：

● 超低電平信號(hào)感測(cè);

● 信號(hào)處理及控制;

● 互操作性。

超低電平信號(hào)檢測(cè)需要捕捉源自皮膚外部傳感器或穿透皮膚的微創(chuàng)傳感器的微弱生理信號(hào)。皮外傳感器的一個(gè)例子是心電圖(ECG)電極。心電圖電極捕捉在每次心跳過程中心肌互相去極化引起的皮膚上微弱電變化。

同樣，微創(chuàng)傳感器的一個(gè)例子是連續(xù)式血糖監(jiān)測(cè)儀(CGM)。它使用傳感器輕輕穿透皮膚，并測(cè)量細(xì)胞間液的葡萄糖濃度。

平衡系統(tǒng)性能與尺寸

大多數(shù)醫(yī)療半導(dǎo)體公司提供放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、電源管理等獨(dú)立的分立元器件，或提供含微控制器的、結(jié)合基本的模擬電路和電源管理的系統(tǒng)單芯片(SoC)解決方案，解決傳感器接口需求。為了優(yōu)化終端應(yīng)用的尺寸及性能，這都不是醫(yī)療行業(yè)理想的方案。

醫(yī)療器件制造商往往花費(fèi)數(shù)年開發(fā)并改進(jìn)其傳感器，以便以持續(xù)低電平捕捉關(guān)鍵的生理信號(hào)，同時(shí)尋求更低產(chǎn)品總成本，擴(kuò)大客戶的選擇范圍。

分立方案通常設(shè)計(jì)為將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合A/ D轉(zhuǎn)換的電壓或電流。然而， 這些方案所占線路板(PCB)空間大，通?；ㄙM(fèi)昂貴，且最終影響終端設(shè)備的尺寸。確保采用可穿戴技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵因素是尺寸最小化和用戶舒適度優(yōu)化，這使分立解決方案難以實(shí)現(xiàn)。

此外，分立解決方案可能會(huì)受容差引起的聚合偏置影響。偏置電流的變化、動(dòng)態(tài)范圍以及漏電流會(huì)影響設(shè)備性能。

相比之下，系統(tǒng)單芯片(SoC)方案通常尺寸更小，并提供模擬電路和微控制器改進(jìn)的集成。然而，由于大多SoC半導(dǎo)體工藝的限制，SoC設(shè)計(jì)師通常在可實(shí)現(xiàn)什么樣的模擬性能方面受限。這些工藝往往以希望達(dá)到很高的數(shù)字集成水平為主(如每平方毫米芯片上內(nèi)存越多和數(shù)字功能越多則越好)。這意味著必須在更高漏電流和SoC模擬部分有更多噪聲之間作出取舍，為達(dá)到醫(yī)療設(shè)備傳感器的最佳性能，這通常是不可取的。

安森美半導(dǎo)體方案用于可穿戴醫(yī)療設(shè)備

2014年秋，安森美半導(dǎo)體推出一個(gè)新品概念—Struix。Struix在拉丁文中的含義是“疊在一起”，它在微型的高性能SoC方案中結(jié)合一個(gè)定制的專用集成電路(ASIC)和一個(gè)專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)微控制器。這個(gè)概念向醫(yī)療設(shè)備制造商提供了兩全其美的方案：定制的芯片能解決特定專用傳感器接口的需求，而使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品通常能減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)及相關(guān)成本。圖2所示為一個(gè)典型的基于Struix的產(chǎn)品。

圖2：Struix堆疊芯片。

圖2中，上層的芯片是一個(gè)專用傳感器接口，下層芯片是一個(gè)采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M3控制器的微處理器(ULPMC10) 。ULPMC10微控制器專門設(shè)計(jì)為低功耗和芯片堆疊。本例中， 兩個(gè)器件堆疊在一個(gè)6mm×6mm的QFN封裝中，但也有其他封裝方式交貨。基于Struix的產(chǎn)品始于一個(gè)專用傳感器接口的開發(fā)。該開發(fā)過程利用了安森美半導(dǎo)體在低功耗、低噪聲信號(hào)調(diào)理、放大和轉(zhuǎn)換方面的知識(shí)產(chǎn)權(quán)( IP)。一些現(xiàn)有的關(guān)鍵IP模塊包括每次轉(zhuǎn)換低于2.4pJ的24位轉(zhuǎn)換器，以及僅在幾十微安工作的低噪聲、差分放大器。

專用傳感器接口的開發(fā)流程通常源于客戶的專用傳感器接口規(guī)范，其次是設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試和認(rèn)證階段。

與此同時(shí)，客戶的應(yīng)用開發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠在ULPMC10微控制器上開發(fā)必要的終端應(yīng)用代碼。安森美半導(dǎo)體提供了一個(gè)適合獨(dú)立工作的小型開發(fā)板，以及專用傳感器接口的原型。這使客戶能夠在全面生產(chǎn)前對(duì)終端應(yīng)用的性能進(jìn)行評(píng)估。

大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備以占空比的方式工作(如設(shè)備在睡眠模式比工作模式花費(fèi)更多時(shí)間)。ULPMC10微控制器針對(duì)此工作方式提供200nA的極低睡眠模式電流，且實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路始終運(yùn)行。當(dāng)完全加載ARM Cortex-M3處理器并直接執(zhí)行片上閃存的應(yīng)用程序代碼， 工作模式所消耗的電流小于200μA/MHz。這可以延長(zhǎng)電池壽命，結(jié)合更小電池的使用，其將誕生出更小、更具吸引力的醫(yī)療設(shè)備。