安森美半導體的可穿戴醫療半導體應用方案

中國人口老齡化進程正持續加快中：據聯合國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%，預計到2030年將增至24.4%，到2050年甚至將達33.9%。同時，隨著人們生活水準的提高，預期壽命越來越長，將會更加注重醫療及保健，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、氣喘的發病率，再加上中國政府計畫實現全民醫保等等，中國的醫療設備行業將會持續發展。

目前中國醫療設備市場分散，且僅由少數大型醫療設備公司如邁瑞、金科威、歐姆龍等主導，市場潛力極大，眾多小型公司也瞄準此一市場，爭相開發創新的醫療方案。故醫療設備的發展趨勢包括增加「智慧」及數據儲存功能、可攜性、無線/連接型方案、人體區域網路等等。而醫療半導體無疑在醫療設備/方案的創新中發揮著主導作用，朝向更高整合度、小型化、高效能發展，同時使消費類醫療設備轉向採用標準元件並嵌入無線功能。

安森美半導體將矽引入生活
安森美半導體以高性能矽方案幫助醫療技術開發者解決他們獨特的設計挑戰。作為健康聯盟的積極成員，安森美半導體高技能的系統架構師、設計、封裝和測試工程師，具備豐富的知識產權(IP)陣容，擁有世界級工廠，憑藉超過30年的訂製矽經驗，提供全面的產品陣容和服務，包括：訂製的混合訊號專用積體電路(ASIC)、專用標準產品(ASSP)、醫療級分立元件、助聽器數字訊號處理(DSP)系統、訂製的和半訂製的超低功耗記憶體、為系統小型化的先進封裝、附加代工服務等等，其開發套件、軟體包、產品庫等保證完全合格和穩定的開發流程，產品使用壽命支援延長的產品生命週期，數據可追蹤和保存，品質獲ISO 13485醫療系統認證，且設立故障分析實驗室，可批量驗收測試。

安森美半導體的重點醫療細分市場涵蓋植體、聽力健康和臨床及指定設備。

植體
植體應用主要包括除顫器及心臟起博器、神經刺激器、可注射監測器和可吸入電子設備。安森美半導體為此類應用提供ASIC、記憶體、分立元件、模組及晶圓代工服務。

以植入式神經刺激平臺為例，安森美半導體提供整合控制器、記憶體、數字、類比和高壓的單晶片方案，使用多通道突波抑制器(TSS)進一步顯著減少分立元件數(通常將IC裸片數從3-4顆減少至1-2顆)，有助於減小電路板所占空間，簡化設備製造和物流，降低成本和功耗，減少對系統/電路板的依賴，提升品質，加快產品上市時間，降低開發風險。

圖1：安森美半導體用於植入式神經刺激平臺的單晶片方案

安森美半導體提供二極體、MOSFET、IGBT、電源穩壓器等標準分立元件用於醫療應用，並配合醫療市場需要提供可訂製的選擇 (表1)。

表1：安森美半導體提供的可訂製選擇

安森美半導體可根據醫療應用的獨特需求提供訂製的ASSP，如多通道瞬時突波抑制器可根據獨特的物理需求和電子參數而訂製，具備極快導通、最大衝擊電流大於12 A等關鍵功能；並提供引腳少、超低漏電流、儲存容量達8 Mb、實現超低功耗的SRAM、EEPROM和SRAM-Flash。

為實現更低成本及更高效能等需求，安森美半導體還提供替代EEPROM、FRAM和標準SRAM的串行SRAM記憶體。並行SRAM通常需要3路控制輸入、15路地址輸入和8路數據I/O共26條線路，僅用於低功耗應用。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，可保存備份平均10年的數據，系統成本更低，非常適合用於心臟監測設備等小尺寸應用。

特別的是，為配合特定要求的FDA III，安森美半導體提供醫療級標準元件用於植體或生命攸關的應用，並提供符合MIL-PRF-1950標準、認證的MIL-STD-750 測試法、支援JAN/JANHC 品質水準、於國防後勤局(DLA)批準的生產線製造等軍工標準協議模式的高可靠性工藝流程。

助聽器

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

圖2：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，其要求半導體製造商轉移至65 nm或更小節點的工藝及微型化封裝技術；助聽器的第二大趨勢是將添加無線通訊及連接功能，當前採用2.4 GHz、900 MHz及附藍牙繼電器元件的近場磁感應(NFMI)的技術，需要互操作性及先進的封裝技術；第三，助聽器將發展至更「智慧」且完全自動化；如音量控制及訊號處理自動適配聲音環境，令用戶更舒適，這要求為其帶來更複雜的功率處理及演算法。助聽器的發展趨勢產生功耗、尺寸、混合訊號處理等方面的設計挑戰，如要求在1 V工作電壓時電流消耗小於1 mA，多晶片及晶片面積小於10 mm2，數字及類比功能等等。

圖3：展示一個典型的助聽器的組成及安森美半導體可提供的元件。

安森美半導體提供完整系列的DSP系統，包括預適配RHYTHMTM系列、預配置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，還針對不同目標設計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專家；預配置系列針對老客戶和具備中等聽力學知識的人提供預載演算法、配套的基礎架構工具(SoundDesigner, ARK)和參考設計；而預適配系列提供預載演算法、配套手冊，並即將推出參考設計，有助於為新的助聽器製造商和類比助聽器製造商解決其設計挑戰。
在為助聽器廠商解決空間受限的要求方面，安森美半導體擁有超過40年的經驗，主要採用先進的2.5D和3D超小型系統級封裝(SiP)，即在同一封裝將不同的矽晶片和分立元件連接在一起，通過縮減訊號距離大大節省空間並提升電氣性能。SiP是訂製的封裝開發和製造服務，為注重尺寸、性能和系統整合度的醫療應用而設計。

安森美半導體將推出新的採用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，其關鍵功能包括：整合完全可編程的多核音頻處理器、適配器可通過線性介面連接至任何音頻源(TV, HiFi)從而提供遠程麥克風適配器的身歷聲流、使用手機的標準配置檔如「Find Me」、「電話警報配置檔」等進行控制、音量和程式可通過手機控制改變等等。

訂製醫療ASIC

醫療設備設計人員一般面臨以下設計挑戰：

• 低能耗：電池供電的醫療設備對電池使用時間要求較高，而標準分立元件可能消耗太大電流，無法提供令人滿意的產品使用時間；
• 小尺寸：通常要求小巧以提供離散性和舒適度，而使用標準分立元件會令外形因數太大；
• 高壓：感測器可能要求高壓偏置，同時產生極低電平的訊號，當使用分立元件來處理高壓及低壓時，感測器介面電路通常太過複雜；
• 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生的訊號；
• 長產品生命週期：可能超過10年，而許多標準元件在醫療設備生產結束前已被淘汰；
• 低BOM成本：採用分立元件設計的系統元件數量多，成本降不下來。

採用訂製的ASIC方案可提供能耗優勢、以高整合度提供尺寸優勢、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、配合產品長生命週期、提供整合方案從而降低系統成本，幫助設計人員解決他們的獨特設計挑戰。

安森美半導體具備豐富的高性能、低能耗ASIC IP陣容，並可提供系統級方案，如為免提操作的低功耗聲音觸發功能。在中國，安森美半導體已積累成功的醫療ASIC案例. 如自2007以來，安森美半導體已為邁瑞開發訂製病人監測ASIC，用於多通道心電圖、心率及呼吸監視儀、血氧飽和度等多種病人監測設備，實現比分立標準產品方案更低的能耗並降低總體BOM成本。邁瑞後續還將發佈更多使用這ASIC的產品。

圖4：安森美半導體高性能、低能耗ASIC IP陣容

Struix是安森美半導體推出的半訂製組合方案，由訂製的和標準的ASSP元件組成，即根據客戶的專有規格而訂製的一個類比感測器介面或一個驅動器，和一個採用ARM® Cortex®-M3內核 (ULPMC10)的超低功耗唯數字微控制器晶片。「Struix」是「stacked」（疊在一起）的拉丁語形式，它將訂製的晶片和標準晶片疊在一個封裝中以提供微型的、高效能的半導體方案，提供比標準元件更多的訂製，比完整的系統級晶片(SoC)方案縮短設計時間並降低開發風險及相關成本，適用於血糖監測、經由過皮膚給給藥、可攜式及定點護理(PoC)病人監控等微型醫療設備。

圖5是基於Struix的產品示例，此堆疊微型封裝充分利用矽整合及模組化，整合度高，易於設計，還進一步增強了設計靈活性，因為ULPMC10微控制器可採用安森美半導體未來的微控制器輕易升級，無須替換類比前端。

圖5：安森美半導體Struix產品示例

結語
受市場動力、人口趨勢、政府政策、醫療行業結構及增長等綜合因素的推動，中國醫療設備行業頗具發展前景。醫療設備製造商要想走在市場前端需採用高效能的半導體方案進行創新開發。在可穿戴醫療逐漸興起的趨勢下，醫療半導體向更高整合度、小型化、更高效能方向邁進。作為高效能創新的供應商，安森美半導體因應市場趨勢，提供完整的醫療半導體產品和服務、豐富的專長和經驗，並承諾產品和方案具備滿足醫療市場嚴格要求的高品質和高可靠性，助醫療技術開發者解決他們獨特的設計挑戰。