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(tīng)力受損的人使用的助聽(tīng)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(lái)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(lái)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(guò)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(tīng)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(guò)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(kāi)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?；赟truix的產(chǎn)品始于一個(gè)專用傳感器接口的開(kāi)發(fā)。該開(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)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(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠在ULPMC10微控制器上開(kāi)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(kāi)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。