近年來，醫(yī)療半導(dǎo)體市場已經(jīng)成為增長較迅速的半導(dǎo)體市場領(lǐng)域之一。根據(jù)市場研究機構(gòu)Databeans 2010年關(guān)于醫(yī)療半導(dǎo)體的預(yù)計，2010年至2015年間的年復(fù)合增長率(CAGR)將達9.4%。這其中，由于家庭保健趨勢及人們對健康、保健設(shè)備興趣增加，消費者健康醫(yī)療分類市場開始以較快的速度增長。作為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供貨商，安森美半導(dǎo)體提供寬廣陣容的醫(yī)療應(yīng)用產(chǎn)品，幫助創(chuàng)新型醫(yī)療電子產(chǎn)品實現(xiàn)更高的集成度、小型化、高能效、易用性、便攜性和耐久性，配合中國醫(yī)療設(shè)備趨勢的發(fā)展。

 

中國醫(yī)療設(shè)備及醫(yī)療半導(dǎo)體趨勢

多種因素將綜合推動中國醫(yī)療設(shè)備市場增長：首先是人口老齡化，到2030年，中國60歲以上人口所占百分比將從2010年的12.3％增加至24.4％，到2050年更估計增加到33.9%；而且人們的預(yù)期壽命將更長，心臟病、糖尿病、哮喘的發(fā)病率增高；還有中產(chǎn)階級群體擴大，以及醫(yī)療支出增多、健康保險改革等等。

 

而從醫(yī)療設(shè)備來看，中國本土的醫(yī)療設(shè)備研發(fā)增多，且本土制造商極力提供成本低于外國競爭者的產(chǎn)品。面向中國市場的醫(yī)療設(shè)備也在不斷追求提高可靠性、準(zhǔn)確度和精密度、易用性及便攜性。相應(yīng)地，用于醫(yī)療設(shè)備的醫(yī)療半導(dǎo)體正走向更高集成度、小型化、高能效，也使消費類健康設(shè)備轉(zhuǎn)向采用標(biāo)準(zhǔn)元器件。

 

安森美半導(dǎo)體用于消費者健康醫(yī)療設(shè)備的半導(dǎo)體方案

半導(dǎo)體技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備創(chuàng)新領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。安森美半導(dǎo)體擁有深刻理解醫(yī)療市場質(zhì)量、可靠性及長久性要求的資深工程團隊，并具有全球制造及物流能力，以高性能的硅方案幫助醫(yī)療設(shè)備開發(fā)人員解決他們獨特的設(shè)計挑戰(zhàn)。

 

安森美半導(dǎo)體的醫(yī)療半導(dǎo)體產(chǎn)品涵蓋植體及臨床保健、消費者健康和聽力健康等關(guān)鍵醫(yī)療分類市場。本文重點圍繞消費者健康應(yīng)用，探討安森美半導(dǎo)體的高精度、高可靠性及低能耗方案。

 

1) 用于血糖儀等便攜式醫(yī)療設(shè)備的Q32M210 32位混合信號MCU方案

關(guān)于中國糖尿病現(xiàn)狀的案例研究表明，由于生活方式及飲食結(jié)構(gòu)變化、西式飲食模式影響、缺少運動，以及農(nóng)業(yè)國家轉(zhuǎn)向工業(yè)化國家的進程、更多寫字樓工作崗位等，也使中國的糖尿病呈上升趨勢。更多人需要用血糖儀自己進行監(jiān)測，以便作變化趨勢分析及與醫(yī)生溝通，推動了血糖儀(BGM)的使用和銷售。

 

安森美半導(dǎo)體提供應(yīng)用于血糖儀等便攜檢測設(shè)備的精密混合信號微控制器(MCU) Q32M210。這個器件是專為高精度設(shè)計的模擬前端，其關(guān)鍵優(yōu)勢是采用16位低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)ARM® Cortex™-M3處理器；低泄漏電流及低動態(tài)功率可實現(xiàn)超低能耗工作(待機電流< 26 μA，休眠電流 ~750 nA)，延長電池使用時間；關(guān)鍵板載功能包括存儲器、集成帶錯誤校正控制(ECC)功能的閃存以確保閃存的高可靠性、和片上USB支持，經(jīng)過優(yōu)化的高集成度可降低物料單(BOM)開銷；可配置前端，OEM可將其用于多種產(chǎn)品，包括血糖儀、心率監(jiān)測儀和健康監(jiān)測設(shè)備等。

 

圖1：提供超低能耗、精密混合信號處理及高可靠性的Q32M210 32位MCU框圖

 

Q32M210采用更精密的血糖等級計算，除了延長電池使用時間，在需要換電池之前進行更多的血糖測試，還可降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減小外部元器件需求，支持更小外形因數(shù)的PCB設(shè)計及尺寸更小的血糖儀，而減少外部元器件數(shù)量也降低了系統(tǒng)成本。

 

在產(chǎn)品開發(fā)方面，Q32M210具有很好的靈活性，可通過軟件配置的模擬前端及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)實現(xiàn)可編程增益放大器、可配置采樣率，還有三個10位DAC及集成低導(dǎo)通阻抗開關(guān)。該器件可以定制，不需要新的外部電路來匹配新的試紙類型，兼容寬范圍傳感器類型。現(xiàn)有Cortex-M3應(yīng)用可以輕易移植到Q32M210，簡化了軟件開發(fā)。易于集成、標(biāo)準(zhǔn)化及連接也充分體現(xiàn)了設(shè)計靈活性；開發(fā)支持包括評估及開發(fā)套件(EDK)、固件庫、代碼范例。

 

從Q32M210應(yīng)用示例可以看出，傳統(tǒng)架構(gòu)血糖儀雖精確、簡單，但不靈活，總體半導(dǎo)體BOM成本約為5.75美元（以批量500萬片計，下同）；而優(yōu)化架構(gòu)的血糖儀具有極精確和強固特性，還可重新配置(支持先進的指示器開發(fā))，總體半導(dǎo)體BOM成本約為4.50美元。

 

 

圖2：傳統(tǒng)架構(gòu)(左)與優(yōu)化架構(gòu)(右)的血糖儀對比，綠色部分可采用安森美半導(dǎo)體的器件

 

2) 用于助聽器的DSP系統(tǒng)方案

2012年全球預(yù)計銷售近1200萬部助聽器，推動力來自于人口老齡化、更長預(yù)期壽命、更低出生率；新興市場(中國、印度、巴西及東歐)收入上升；過渡噪聲、糖尿病、耳毒性(某些處方藥副作用)等疾病所致的聽力減退病例蔓延。

 

關(guān)于中國聽力健康現(xiàn)狀的案例研究顯示，中國有超過1,000萬成人患有聽力減退，聽力減退者中估計僅1%使用助聽器(歐洲為16%，美國為25%)。美國的研究顯示，由于受到過度噪音的影響，6至19歲兒童及青少年中有12.5%存在永久性聽力上損害，中國城市地區(qū)的研究顯示出類似結(jié)果。

 

助聽器主要分耳背式(Behind The Ear, BTE)和耳內(nèi)式(In the Ear, ITE)，適合不同年齡和不同需要的患者配戴。前者有傳統(tǒng)BTE，微型BTE和耳道內(nèi)置受話器(Receiver In Canal, RIC)；而后者有全、3/4、半耳腔式ITE，耳道內(nèi)置，深耳道(Completely In the Canal, CIC)及耳道內(nèi)不可見(Invisible In Canal, IIC)等類型。其趨勢有三：其一是分立及“不可見”，更小巧的耳道內(nèi)置受話器(RIE)及新的耳道內(nèi)不可見(IIC)類型在美國“嬰兒潮”一代開始采用助聽器時更受歡迎；其二是無線通信及連接：當(dāng)前技術(shù)為2.4 GHz、900 MHz及帶藍牙繼電器的近場磁感應(yīng)(NFMI)；其三是完全自動化及“智能”，音量控制及信號處理自動適配聲音環(huán)境，因而更有效，令用戶更方便。滿足這些趨勢分別需要轉(zhuǎn)移至65 nm或更小節(jié)點工藝及微型化封裝技術(shù)；需要互操作性及先進的封裝技術(shù)；增加處理功率及算法復(fù)雜度。隨之而來的設(shè)計挑戰(zhàn)是功耗約1 V工作電壓時的電流消耗、多芯片及芯片面積要小于10mm2、采用混合信號技術(shù)。

 

從圖3中可以看到，綠色部分是安森美半導(dǎo)體提供的器件。其系統(tǒng)級封裝(SiP)簡化了微型助聽器的組裝過程，適合所有助聽器類型助聽器。

 

圖3：助聽器框圖

 

安森美半導(dǎo)體為無線助聽器應(yīng)用提供預(yù)配置的DSP系統(tǒng)，包括Ayre™ SA3291混合模塊及AYRE中轉(zhuǎn)器參考設(shè)計等。這些預(yù)配置DSP系統(tǒng)提供多種混合選擇及功能包，支持所有助聽器產(chǎn)品類型，非常適合于要求極少編程配置、要求即可應(yīng)用的助聽器制造商。

 

其中，安森美半導(dǎo)體的Ayre SA3291混合模塊采用完整特性的助聽器算法套件、預(yù)配置聽覺處理器和NFMI高帶寬集成雙工無線電，天線是唯一需要的外部元器件，并可同步左耳及右耳參數(shù)。而安森美半導(dǎo)體的Ayre中轉(zhuǎn)器參考設(shè)計支持立體聲音頻流、持藍牙、音量控制和程序選擇。

 

安森美半導(dǎo)體的助聽器數(shù)字信號處理軟件具有幾個明顯的特性，如寬動態(tài)范圍壓縮，可柔和放大聲音，且不會使增大的聲音令人不適，可針對個體的聽力減退情況提供個性化定制；反饋消除器可消除由反饋產(chǎn)生的部分助聽器輸出信號，并通過相位消除來自適應(yīng)地消除；自適應(yīng)方向可自動適配極性模式，根據(jù)噪聲位置調(diào)節(jié)；利用環(huán)境分類持續(xù)分析聲音環(huán)境，自動調(diào)節(jié)助聽器將舒適度和可聽性提升至較高。