雙極性還是CMOS，為醫療設計選擇合適的IC

可植入、可消化、可互動、可互操作以及支持因特網，這些醫療設備現在及未來獨特的需求都要求合適的IC工藝技術與封裝。本文將對醫療半導體器件采用的雙極性(bipolar)與CMOS工藝進行比較，并將對需要重點注意的部分封裝問題進行闡述。

醫療應用的開發人員必須在功耗、噪聲、線性度、可靠性以及成本之間進行權衡，需要根據這些要求精心選擇工藝與設計架構。

本文將對雙極性器件與CMOS器件進行比較，幫助用戶判斷每款器件的適用之處。文中將以高性能超聲波設備為例，探討如何平衡噪聲、功耗、芯片占位面積以及集成度等問題。

功耗在許多電池供電應用中都非常重要。在這類應用中，CMOS工藝是個極好的選擇。但是，漏電與性能之間的平衡也很關鍵，決定著技術的選擇。此外，在這類應用中，混合信號集成也是一項重要要求。

高效使用一些封裝技術可滿足在單個集成電路中實現大量功能的需求，比如在支持密集數字功能并同時要求低噪聲時。這種彼此相悖的需求有時也可采用多芯片模塊輕松滿足。

本文還將探討醫療設備的未來發展趨勢，包括生物信號的直接測量與自供電設備等。這些趨勢將推動現有工藝技術的改良，以滿足能源采集特性和其它非標準傳感器功能。

模擬性能

首先以超聲波設備為例來探討模擬性能需求。通過該范例，本文將介紹如何在性能、功耗、尺寸以及集成度之間進行權衡，并檢測雙極性與CMOS工藝技術的適用性。圖1是典型超聲波機器的系統方框圖，展示了傳輸與接收兩個部分。這兩個部分負責驅動傳感器與數字處理部分(未顯示)，從而構成完整的超聲波設備。

圖1：超聲波系統框圖

在設計這種類型的接收模塊時需要考慮的問題包括輸入噪聲、線性度、增益以及功耗。給定封裝尺寸的接收通道數量決定了集成度。從傳感器接收到的信號可支持超過100dB的振幅變化。因此，低級信號(約10uV)端上的輸入噪聲與大型輸入信號(約1V)的線性度都是非常重要的性能參數。要適應這種大的動態范圍，可通過電壓控制衰減器(VCA)和可編程增益放大器(PGA)調節通道增益。圖3顯示了幾種PGA設置下，通過器件的總體增益隨VCA上電壓變化的情況。

圖2：圖1中執行接收功能部分的詳細方框圖

圖3：接收模塊增益隨電壓控制變化的曲線圖

下面將比較雙極性放大器與CMOS放大器的性能。雙極性器件與CMOS器件都可用于設計支持4mA偏置電流的開環放大器模塊，實現20dB增益。這里把(TI內部的)BiCMOS工藝為目標工藝技術。

表1是用于放大器的雙極性器件和CMOS器件的尺寸比較。CMOS器件較大的尺寸及伴隨的輸入電容嚴重限制了放大器的輸入帶寬。在本例中，采用雙極性放大器可實現低偏置電流下的低噪聲。但使用雙極性器件可能會有基電流噪聲，而這在CMOS器件中則可以忽略不計。該基電流噪聲的幅度取決于傳感器的阻抗和系統具體的實施情況。

表1：雙極性器件和COMS器件的尺寸比較

混合信號與低功耗應用

據觀察，在特定的醫療應用中，雙極性器件的模擬性能優于CMOS器件。但有些應用需要處理混合信號，對于模擬和數字兩種處理能力都有要求。這類應用一般都需要有極低功耗的運行能力。

例如，心臟起搏器等植入式設備要以有限的電源長期工作。這種設備既需要低功耗模擬電路來檢測身體的生理信號，又需要低功耗數字及存儲器功能來轉換和存儲這些信號。此外，高級植入式設備還需要低功耗無線通信為體外的基本單元傳輸信息。

通過對信號類型和工作模式進行更深入的分析，可以看出這些設備一般都具有低占空比。比如，它們只有在進行測量或處理的極短時間內被激活，其余大部分時間都處于休眠狀態。占空比不足 1%的情況在這些應用中并不少見。另一個特性是大多數信號本身都處于低頻率狀態。因此數據轉換器的帶寬和采樣頻率可限定為數十千赫茲甚至更低。此外，一些使用的外部電池供電的消費類設備也具有類似的性能與功耗要求。

除了具備足夠的工作性能外，根據以上要求，這些設備還需具備低斷態漏電電流。這就意味著在這種工藝技術中必須權衡性能與漏電。一般來說，這些工藝的柵極長度在130nm到350nm之間，將來也可能達到到90nm。對于可移植設備而言，漏電流性能可隨工藝、溫度或電源的變化而變化，這是一個重要參數，因為它將直接影響電池的使用壽命。圖4顯示了采用NMOS工藝設備的漏電流(Ioff)與驅動電流(Idrive)隨溫度變化而變化的情況。Idrive與溫度變化關系不大，而Ioff則具有顯著的溫度相關性。圖5是PMOS設備的溫度相關性圖。由于溫度變化幅度不大，Ioff隨溫度變動的情況可以接受。圖6所示的是環形振蕩器頻率，是一項顯示設備電源電壓功能典型的品質因數，在實際應用中也可作為權衡漏電與性能的準則。

圖4：NMOS設備中漏電流與驅動電流隨溫度變化

圖5：PMOS設備中漏電流與驅動電流隨溫度變化

圖6：環形振蕩器頻率被看作電源功能之一

設計低功耗混合信號設備的另一個重要組件是高可靠性、小型、低功耗非易失性存儲器。鐵電存儲器(FRAM)可提供獨特的性能，是眾多應用中極具吸引力的非易失性存儲器選擇，其與眾不同的特性包括類似RAM的快速寫入速度、低電壓低功耗寫入工作、超長使用壽命以及高靈活度的架構等。該存儲器已經集成至上文所述的低功耗數字工藝技術中。

FRAM的工作電壓為1.5V，與浮柵器件不同，它不需要充電泵。與所有非易失性存儲器一樣，其可靠性問題主要涉及寫入/讀取周期持久性、數據保持以及高溫使用壽命。即便在多次工作之后，FRAM也可保持優異的非周期和周期位性能。

封裝技術

當需要在同一IC中實現不同性能指標時，可高效使用封裝技術。例如，一些應用需要同時具有低噪聲、低功耗數字性能，可通過將兩種不同工藝的硅裸片布置在同一封裝中來實現。可將硅裸片進行堆棧，節省電路板空間。隨著封裝技術的不斷發展，還可將電感器與電容器等無源元件集成在封裝內。板上裸片貼裝(Chip on Board)技術能夠將整個IC完全嵌入到印刷電路板中，為密集型應用節省寶貴的空間。

未來趨勢

醫療電子產業涉及廣泛的領域，工藝與封裝在這些領域中的革新有助于產生創新的解決方案。例如：使用傳感器在體表或者甚至插入皮下測量生理信號的技術正推動著彈性基板及專用粘合劑的改進。隨藥片服下的IC既可跟蹤藥物適用性也可發揮測量或傳送藥物的作用。這類應用對可消化電子產品、藥片包衣以及人體排異抑制技術提出了挑戰。

高壓(約100V)工藝的改進可成比例實現超聲波傳輸通道密度的增量。微型機械加工的創新不但可實現超聲波探針(CMUT，即電容式微機械超聲波傳感器)的微型化、批量生產以及大通道數量，而且還可進行全面分析實驗(片上實驗室或者LOC)。

能源采集是另一個新興領域，通過部分或完全取代電池延長設備的使用壽命。值得考慮的幾項技術是熱能、振動能和太陽能。這些能源采集技術將帶來對電路設計與工藝的新一輪需求。

醫療電子產業正在不斷發展，其對性能、功耗以及集成度有著獨特的需求。本文中只介紹了這些需求及未來發展趨勢的一部分，但還有許多東西需要探討。

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