幾類用于可穿戴醫(yī)療的半導(dǎo)體方案

中國人口老齡化進(jìn)程正持續(xù)加快中：據(jù)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(yù)計(jì)到 2030 年將增至 24.4%，到 2050 年甚至將達(dá) 33.9%。同時，隨著人們生活水準(zhǔn)的提高，預(yù)期壽命越來越長，將會更加注重醫(yī)療及保健，門診、家中保健將越來越普遍。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(jì)劃實(shí)現(xiàn)全民醫(yī)保等，中國的醫(yī)療設(shè)備行業(yè)將會持續(xù)發(fā)展。

目前中國醫(yī)療設(shè)備市場分散，且僅由少數(shù)大型醫(yī)療設(shè)備公司如邁瑞、金科威、歐姆龍等主導(dǎo)，市場潛力極大，眾多小型公司也瞄準(zhǔn)此一市場，爭相開發(fā)創(chuàng)新的醫(yī)療方案。故醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展趨勢包括增加“智能”及數(shù)據(jù)儲存功能、可攜性、無線 / 連接型方案、人體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等。而醫(yī)療半導(dǎo)體無疑在醫(yī)療設(shè)備、方案的創(chuàng)新中發(fā)揮著主導(dǎo)作用，朝向更高整合度、小型化、高效能發(fā)展，同時使消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備轉(zhuǎn)向采用標(biāo)準(zhǔn)元件并嵌入無線功能。

安森美半導(dǎo)體將矽引入生活

安森美半導(dǎo)體以高性能矽方案幫助醫(yī)療技術(shù)開發(fā)者解決他們獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。作為健康聯(lián)盟的積極成員，安森美半導(dǎo)體高技能的系統(tǒng)架構(gòu)師、設(shè)計(jì)、封裝和測試工程師，具備豐富的知識產(chǎn)權(quán)(IP)陣容，擁有世界級工廠，憑藉超過 30 年的訂制矽經(jīng)驗(yàn)，提供全面的產(chǎn)品陣容和服務(wù)，包括：訂制的混合訊號專用集成電路(ASIC)、專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)、醫(yī)療級分立元件、助聽器數(shù)字訊號處理(DSP)系統(tǒng)、訂制的和半訂制的超低功耗內(nèi)存、為系統(tǒng)小型化的先進(jìn)封裝、附加代工服務(wù)等，其開發(fā)套件、軟件包、產(chǎn)品庫等保證完全合格和穩(wěn)定的開發(fā)流程，產(chǎn)品使用壽命支持延長的產(chǎn)品生命周期，數(shù)據(jù)可追蹤和保存，品質(zhì)獲 ISO 13485 醫(yī)療系統(tǒng)認(rèn)證，且設(shè)立故障分析實(shí)驗(yàn)室，可批量驗(yàn)收測試。

安森美半導(dǎo)體的重點(diǎn)醫(yī)療細(xì)分市場涵蓋植體、聽力健康和臨床及指定設(shè)備。

植體

植體應(yīng)用主要包括除顫器及心臟起博器、神經(jīng)刺激器、可注射監(jiān)測器和可吸入電子設(shè)備。安森美半導(dǎo)體為此類應(yīng)用提供 ASIC、內(nèi)存、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(dǎo)體提供整合控制器、內(nèi)存、數(shù)字、類比和高壓的單芯片方案，使用多通道突波抑制器(TSS)進(jìn)一步顯著減少分立元件數(shù)(通常將 IC 裸片數(shù)從 3-4 顆減少至 1-2 顆)，有助于減小電路板所占空間，簡化設(shè)備制造和物流，降低成本和功耗，減少對系統(tǒng)、電路板的依賴，提升品質(zhì)，加快產(chǎn)品上市時間，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

▲ 安森美半導(dǎo)體用于植入式神經(jīng)刺激平臺的單芯片方案。

安森美半導(dǎo)體提供二極體、MOSFET、IGBT、電源穩(wěn)壓器等標(biāo)準(zhǔn)分立元件用于醫(yī)療應(yīng)用，并配合醫(yī)療市場需要提供可訂制的選擇 。

▲ 安森美半導(dǎo)體提供的可訂制選擇。

安森美半導(dǎo)體可根據(jù)醫(yī)療應(yīng)用的獨(dú)特需求提供訂制的 ASSP，如多通道瞬時突波抑制器可根據(jù)獨(dú)特的物理需求和電子參數(shù)而訂制，具備極快導(dǎo)通、最大沖擊電流大于 12A 等關(guān)鍵功能;并提供引腳少、超低漏電流、儲存容量達(dá) 8 Mb、實(shí)現(xiàn)超低功耗的 SRAM、EEPROM 和 SRAM-Flash。

為實(shí)現(xiàn)更低成本及更高效能等需求，安森美半導(dǎo)體還提供替代 EEPROM、FRAM 和標(biāo)準(zhǔn) SRAM 的串行 SRAM 內(nèi)存。并行 SRAM 通常需要 3 路控制輸入、15 路地址輸入和 8 路數(shù)據(jù) I/O 共 26 條線路，僅用于低功耗應(yīng)用。而串行 SRAM 僅需共 4 條線路，且占位面積更小，引腳更少，功耗更低，可保存?zhèn)浞萜骄?10 年的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)成本更低，非常適合用于心臟監(jiān)測設(shè)備等小尺寸應(yīng)用。

特別的是，為配合特定要求的 FDA III，安森美半導(dǎo)體提供醫(yī)療級標(biāo)準(zhǔn)元件用于植體或生命攸關(guān)的應(yīng)用，并提供符合 MIL-PRF-1950 標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證的 MIL-STD-750 測試法、支持 JAN / JANHC 品質(zhì)水準(zhǔn)、于國防后勤局(DLA)批準(zhǔn)的生產(chǎn)線制造等軍工標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議模式的高可靠性工藝流程。

助聽器

根據(jù)佩戴位置的不同，助聽器主要分為耳背式(Behind-The-Ear，BTE)和耳內(nèi)式(In-The-Ear，ITE)。前者包括傳統(tǒng) BTE、微型 BTE 和耳道內(nèi)置受話器(Receiver-In-Canal，RIC)，后者包括全、3/4、半耳腔式 ITE、耳道內(nèi)置(ITC)、深耳道(Completely-In-Canal，CIC)及耳道內(nèi)不可見(Invisible-In-Canal，IIC)。

▲ 助聽器主要類型概覽。

微型及“不可見”是助聽器的一大趨勢，更小巧的 RIC 及新的 IIC 類型更受歡迎，其要求半導(dǎo)體制造商轉(zhuǎn)移至 65 nm 或更小節(jié)點(diǎn)的工藝及微型化封裝技術(shù);助聽器的第二大趨勢是將添加無線通訊及連接功能，當(dāng)前采用 2.4 GHz、900 MHz 及附藍(lán)牙繼電器元件的近場磁感應(yīng)(NFMI)的技術(shù)，需要互操作性及先進(jìn)的封裝技術(shù);第三，助聽器將發(fā)展至更“智能”且完全自動化;如音量控制及訊號處理自動適配聲音環(huán)境，令用戶更舒適，這要求為其帶來更復(fù)雜的功率處理及演算法。助聽器的發(fā)展趨勢產(chǎn)生功耗、尺寸、混合訊號處理等方面的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，如要求在 1 V 工作電壓時電流消耗小于 1 mA，多晶片及芯片面積小于 10 mm2，數(shù)字及類比功能等。

▲ 展示一個典型的助聽器的組成及安森美半導(dǎo)體可提供的元件。

安森美半導(dǎo)體提供完整系列的 DSP 系統(tǒng)，包括預(yù)適配 RHYTHMTM 系列、預(yù)配置 RHYTHM? 和 AYRE 系列、以及 Ezairo? 系列。這些系列除了都含 DSP、ADC、DAC、NVM 等全面的助聽器系統(tǒng)，還針對不同目標(biāo)設(shè)計(jì)人員提供不同的配置以滿足他們不同的需求：Ezairo? 系列的可編程 IDE，適合有差異化演算法的技術(shù)專家;預(yù)配置系列針對老客戶和具備中等聽力學(xué)知識的人提供預(yù)載演算法、配套的基礎(chǔ)架構(gòu)工具(SoundDesigner，ARK)和參考設(shè)計(jì);而預(yù)適配系列提供預(yù)載演算法、配套手冊，并即將推出參考設(shè)計(jì)，有助于為新的助聽器制造商和類比助聽器制造商解決其設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

在為助聽器廠商解決空間受限的要求方面，安森美半導(dǎo)體擁有超過 40 年的經(jīng)驗(yàn)，主要采用先進(jìn)的 2.5D 和 3D 超小型系統(tǒng)級封裝(SiP)，即在同一封裝將不同的矽芯片和分立元件連接在一起，透過縮減訊號距離大大節(jié)省空間并提升電氣性能。SiP 是訂制的封裝開發(fā)和制造服務(wù)，為注重尺寸、性能和系統(tǒng)整合度的醫(yī)療應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

安森美半導(dǎo)體將推出新的采用 SiP 的整合 2.4 GHz 無線模組的方案，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、適配器可透過線性界面連接至任何音頻源(TV，HiFi)從而提供遠(yuǎn)程麥克風(fēng)適配器的身歷聲流、使用手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置檔如“Find Me”、“電話警報(bào)配置檔”等進(jìn)行控制、音量和程序可通過手機(jī)控制改變等。

訂制醫(yī)療 ASIC

醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員一般面臨以下設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：

低能耗：電池供電的醫(yī)療設(shè)備對電池使用時間要求較高，而標(biāo)準(zhǔn)分立元件可能消耗太大電流，無法提供令人滿意的產(chǎn)品使用時間;

小尺寸：通常要求小巧以提供離散性和舒適度，而使用標(biāo)準(zhǔn)分立元件會令外形因數(shù)太大;

高壓：感測器可能要求高壓偏置，同時產(chǎn)生極低電平的訊號，當(dāng)使用分立元件來處理高壓及低壓時，感測器界面電路通常太過復(fù)雜;

低雜訊：專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感測器產(chǎn)生的訊號;

長產(chǎn)品生命周期：可能超過 10 年，而許多標(biāo)準(zhǔn)元件在醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)結(jié)束前已被淘汰;

低 BOM 成本：采用分立元件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)元件數(shù)量多，成本降不下來。

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)品長生命周期、提供整合方案從而降低系統(tǒng)成本，幫助設(shè)計(jì)人員解決他們的獨(dú)特設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

安森美半導(dǎo)體具備豐富的高性能、低能耗 ASIC IP 陣容，并可提供系統(tǒng)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(dǎo)體已積累成功的醫(yī)療 ASIC 案例. 如自 2007 以來，安森美半導(dǎo)體已為邁瑞開發(fā)訂制病人監(jiān)測 ASIC，用于多通道心電圖、心率及呼吸監(jiān)視儀、血氧飽和度等多種病人監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)比分立標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品方案更低的能耗并降低總體 BOM 成本。邁瑞后續(xù)還將發(fā)布更多使用這 ASIC 的產(chǎn)品。

▲ 安森美半導(dǎo)體高性能、低能耗 ASIC IP 陣容。

Struix 是安森美半導(dǎo)體推出的半訂制組合方案，由訂制的和標(biāo)準(zhǔn)的 ASSP 元件組成，即根據(jù)客戶的專有規(guī)格而訂制的一個類比感測器界面或一個驅(qū)動器，和一個采用 ARM? Cortex?-M3 內(nèi)核 (ULPMC10)的超低功耗唯數(shù)字微控制器芯片。“Struix”是“stacked”(疊在一起)的拉丁語形式，它將訂制的芯片和標(biāo)準(zhǔn)芯片疊在一個封裝中以提供微型的、高效能的半導(dǎo)體方案，提供比標(biāo)準(zhǔn)元件更多的訂制，比完整的系統(tǒng)級芯片(SoC)方案縮短設(shè)計(jì)時間并降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)及相關(guān)成本，適用于血糖監(jiān)測、經(jīng)由過皮膚給給藥、可攜式及定點(diǎn)護(hù)理(PoC)病人監(jiān)控等微型醫(yī)療設(shè)備。

下圖是基于 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(shè)計(jì)，還進(jìn)一步增強(qiáng)了設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)?ULPMC10 微控制器可采用安森美半導(dǎo)體未來的微控制器輕易升級，無須替換類比前端。

▲ 安森美半導(dǎo)體 Struix 產(chǎn)品示例。

結(jié)語

受市場動力、人口趨勢、政府政策、醫(yī)療行業(yè)結(jié)構(gòu)及增長等綜合因素的推動，中國醫(yī)療設(shè)備行業(yè)頗具發(fā)展前景。醫(yī)療設(shè)備制造商要想走在市場前端需采用高效能的半導(dǎo)體方案進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)。在可穿戴醫(yī)療逐漸興起的趨勢下，醫(yī)療半導(dǎo)體向更高整合度、小型化、更高效能方向邁進(jìn)。作為高效能創(chuàng)新的供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體因應(yīng)市場趨勢，提供完整的醫(yī)療半導(dǎo)體產(chǎn)品和服務(wù)、豐富的專長和經(jīng)驗(yàn)，并承諾產(chǎn)品和方案具備滿足醫(yī)療市場嚴(yán)格要求的高品質(zhì)和高可靠性，助醫(yī)療技術(shù)開發(fā)者解決他們獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。