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几类用于可穿戴医疗的半导体方案
作者:安森美半导体
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医疗设备/医疗器械展厅
B超诊断仪, 心电图仪, CT机, 眼科设备, 裂隙灯, ...
中国人口老龄化进程正持续加快:据联合国2010年世界人口的展望,2010年中国60岁以上人口所占百分比为12.3%,预计到2030年将增至24.4%,到2050年甚至将达33.9%。同时,随着人们生活水平的提高,预期寿命越来越长,将会更加注重医疗及保健,门诊/家中保健将越来越普遍。而且,人口老龄化或将催生更高的心脏病、糖尿病、哮喘的发病率,再加上中国政府计划实现全民医保等等,中国的医疗设备行业将会持续地发展。

目前中国医疗设备市场分散,且仅由少数大型医疗设备公司如迈瑞、金科威、欧姆龙等主导,市场潜力巨大,众多小型公司也瞄准这一市场,争相开发创新的医疗方案。故医疗设备的发展趋势包括增加“智能”及数据存储特性、便携性、无线/连接型方案、人体区域网络等等。而医疗半导体无疑在医疗设备/方案的创新中发挥着主导作用,朝向更高集成度、小型化、高能效发展,同时使消费类医疗设备转向采用标准元器件并嵌入无线功能。

安森美半导体将硅引入生活

安森美半导体以高性能硅方案帮助医疗技术开发者解决他们独特的设计挑战。作为健康联盟的活跃成员,安森美半导体高技能的系统架构师、设计、封装和测试工程师,具备丰富的知识产权(IP)阵容,自有世界级工厂,凭借超过30年的定制硅经验,提供全面的产品阵容和服务,包括:定制的混合信号专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、医疗级分立元件、助听器数字信号处理(DSP)系统、定制的和半定制的超低功耗存储器、为系统小型化的先进封装、附加代工服务等等,其开发套件、软件包、产品库等保证完全合格和强固的开发流程,产品使用寿命支持延长的产品生命周期,数据可追踪和保存,品质获ISO 13485医疗系统认证,且设立故障分析实验室,可批量验收测试。

安森美半导体的重点医疗细分市场涵盖植体、听力健康和临床及指定设备。

植体

植体应用主要包括除颤器及心脏起博器、神经刺激器、可注射监测器和可吸入电子。安森美半导体为此类应用提供ASIC、存储器、分立元件、模块及晶圆代工服务。

以植入式神经刺激平台为例,安森美半导体提供集成控制器、存储器、数字、模拟和高压的单芯片方案,使用多通道浪涌抑制器(TSS)进一步显著减少分立元件数(通常将IC裸片数从3-4颗减少至1-2颗),有助于减小电路板所占空间,简化设备制造和物流,降低成本和功耗,减少对系统/电路板的依赖,提升品质,加快产品上市时间,降低开发风险。

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图1:安森美半导体用于植入式神经刺激平台的单芯片方案

安森美半导体提供二极管、MOSFET、IGBT、电源稳压器等标准分立元件用于医疗应用,并提供可定制的选择配合医疗市场需要(表1)。

表1:安森美半导体提供可定制的选择
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安森美半导体可根据医疗应用的独特需求提供定制的ASSP,如多通道瞬态浪涌抑制器可根据独特的物理要求和电气参数而定制,具备极快导通、最大浪涌电流大于12 A等关键特性;并提供引脚少、漏电流超低、存储容量达8 Mb、实现超低功耗的SRAM、EEPROM和SRAM-Flash。

为实现更低成本、更高能效,安森美半导体还提供替代EEPROM、FRAM和标准SRAM的串行SRAM存储器。并行SRAM通常需要3路控制输入、15路地址输入和8路数据I/O共26条线路,仅用于低功耗应用。而串行SRAM仅需共4条线路,且占位面积更小,引脚更少,功耗更低,可保存备份平均10年的数据,系统成本更低,非常适合用于心脏监测设备等小尺寸应用。

特别地,为配合特定要求的FDA III,安森美半导体提供医疗级标准元件用于植体或生命攸关的应用,并提供符合MIL-PRF-1950标准、认证的MIL-STD-750 测试法、支持JAN/JANHC 品质水平、于国防后勤局(DLA)批准的生产线制造等军工标准协议模式的高可靠性工艺流程。

助听器

根据佩戴位置的不同,助听器主要分为耳背式(Behind-The-Ear, BTE)和耳内式(In-The-Ear, ITE)。前者包括传统BTE、微型BTE和耳道内置受话器(Receiver-In-Canal, RIC),后者包括全、3/4、半耳腔式ITE、耳道内置(ITC)、深耳道(Completely-In-Canal, CIC)及耳道内不可见(Invisible-In-Canal, IIC)。

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图2:助听器主要类型概览

微型及“不可见”是助听器的一大趋势:更小巧的RIC及新的IIC类型更受欢迎,这要求半导体制造商转移至65 nm或更小节点的工艺及微型化封装技术;助听器的第二大趋势是将添加无线通信及连接功能:当前采用2.4 GHz、900 MHz及带蓝牙继电器器件的近场磁感应(NFMI)的技术,需要互操作性及先进的封装技术;第三,助听器将发展至更“智能”且完全自动化:如音量控制及信号处理自动适配声音环境,令用户更舒适,这要求为其增加处理功率及算法复杂度。助听器的发展趋势产生功耗、尺寸、混合信号处理等方面的设计挑战,如要求在1 V工作电压时电流消耗小于1 mA,多芯片及芯片面积小于10 mm2,数字及模拟功能等等。

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图3:展示一个典型的助听器的组成及安森美半导体可提供的元件

安森美半导体提供完整系列的DSP系统,包括预适配RHYTHM系列、预配置RHYTHM和AYRE系列、以及Ezairo系列。这些系列除了都含DSP、ADC、DAC、NVM等全面的助听器系统,还针对不同目标设计人员提供不同的配置以满足他们不同的需求:Ezairo系列的可编程IDE,适合有差异化算法的技术专家;预配置系列针对老客户和具备中等听力学知识的人提供预载算法、配套的基础架构工具(SoundDesigner, ARK)和参考设计;而预适配系列提供预载算法、配套手册,并即将推出参考设计,有助于为新的助听器制造商和模拟助听器制造商解决其设计挑战。

在为助听器厂商解决空间受限的要求方面,安森美半导体拥有超过40年的经验,主要采用先进的2.5D和3D超小型系统级封装(SiP),即在同一封装将不同的硅芯片和分立元件连接在一起,通过缩减信号距离大大节省空间并提升电气性能。SiP是定制的封装开发和制造服务,为注重尺寸、性能和系统集成度的医疗应用而设计。

安森美半导体将推出新的采用SiP的集成2.4 GHz无线模块的方案,尺寸仅为7.39 × 3.94 × 1.4 mm,其关键特性包括:集成完全可编程的多核音频处理器、适配器可通过线性接口连接至任何音频源(TV, HiFi)从而提供远程麦克风适配器的立体声流、使用手机的标准配置文件如“Find Me”、“电话警报配置文件”等进行控制、音量和程序可通过手机控制改变等等。

定制医疗ASIC

医疗设备设计人员一般面临以下设计挑战:

*低能耗:电池供电的医疗设备对电池使用时间要求较高,而标准分立元件可能消耗太大电流,无法提供令人满意的产品使用时间;*小尺寸:通常要求小巧以提供离散性和舒适度,而使用标准分立元件会令外形因数太大;*高压:传感器可能要求高压偏置,同时产生极低电平的信号,当使用分立元件来处理高压及低压时,传感器接口电路通常太过复杂;*低噪声:专用人体传感器捕获到的信号极微弱,漏电流或其它不想要的电流将压过传感器产生的信号;*长产品生命周期:可能超过10年,而许多标准元件在医疗设备生产结束前已被淘汰;*低BOM成本:采用分立元件设计的系统元件数量多,成本降不下来。

采用定制的ASIC方案可提供能耗优势、以高集成度提供尺寸优势、能集成高压及低压电路、提供高度的信号通道隔离及低噪声、配合长产品生命周期、提供集成方案从而降低系统成本,帮助设计人员解决他们的独特设计挑战。

安森美半导体具备丰富的高性能、低能耗ASIC IP阵容,并可提供系统级方案,如为免提操作的低功耗声音触发功能。在中国,安森美半导体已积累成功的医疗ASIC案例. 如自2007以来,安森美半导体已为迈瑞开发定制病人监测ASIC,用于多通道心电图、心率及呼吸监视仪、血氧饱和度等多种病人监测设备,实现比分立标准产品方案更低的能耗并降低总体BOM成本。迈瑞后续还将发布更多使用这ASIC的产品。

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图4:安森美半导体高性能、低能耗ASIC IP阵容

Struix是安森美半导体推出的半定制组合方案,由定制的和标准的ASSP元件组成,即根据客户的专有规格而定制的一个模拟传感器接口或一个驱动器,和一个采用ARM Cortex-M3内核 (ULPMC10)的超低功耗唯数字微控制器芯片。“Struix”是“stacked”t叠在一起)的拉丁语形式,它将定制的芯片和标准芯片叠在一个封装中以提供微型的、高能效的半导体方案,提供比标准元件更多的定制,比完整的系统级芯片(SoC)方案缩短设计时间并降低开发风险及相关成本,适用于血糖监测、透皮给药、便携式及定点护理(PoC)病人监控等微型医疗设备。图5是基于Struix的产品示例,这堆叠微型封装充分利用硅集成及模块化,集成度高,易于设计,还进一步增强了设计灵活性,因为ULPMC10微控制器可采用安森美半导体未来的微控制器轻易升级,无须替换模拟前端。

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图5:安森美半导体Struix产品示例

结语

受市场动力、人口趋势、政府政策、医疗行业结构及增长等综合因素的推动,中国医疗设备行业颇具发展前景。医疗设备制造商要想走在市场前沿需采用高能效的半导体方案进行创新开发。在可穿戴医疗逐渐兴起的趋势下,医疗半导体向更高集成度、小型化、更高能效方向迈进。作为高能效创新的供应商,安森美半导体因应市场趋势,提供完整的医疗半导体产品和服务、丰富的专长和经验,并承诺产品和方案具备满足医疗市场严格要求的高品质和高可靠性,助医疗技术开发者解决他们独特的设计挑战。
文章内容仅供参考 (投稿) (2015-5-20)
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