安森美半導體配合消費類醫療市場趨勢的半導體方案應用案例研究

安森美半導體配合消費類醫療市場趨勢的半導體方案應用案例研究
近年來，世界上不少國家人口老齡化問題加劇，人們的預期壽命更長。同時，心臟病、糖尿病、哮喘乃至聽力障礙等發病率增高。這使人們更加注重醫療保健問題，為消費類醫療市場帶來更大發展動力。與此同時，消費類醫療裝置趨向增加「智慧」及資料儲存能力，可攜性也更強，同時無線/連接型醫療裝置也有利於實現方便的長期病人監測，更不用提最新的人體區域網路也在不斷興起。這使得應用於醫療市場的半導體產品趨向更高整合度、小型化、高能效、採用標準元件及内嵌無線功能。
安森美半導體為消費類醫療市場提供的價值及方案
安森美半導體為消費類醫療市場提供多種價值，使醫療技術開發人員能夠以高性能矽方案克服他們獨特的設計挑戰。首先，安森美半導體針對消費類醫療市場提供豐富的產品陣容，涵蓋助聽器數位訊號處理器(DSP)系統、訂製混合訊號特殊應用積體電路(ASIC)、離散元件，以及有助於實現系統微型化的高階混合製程封裝。
其次，安森美半導體擁有豐富的醫療專業知識、技術和經驗，包括30多年的訂製矽晶片經驗(含高可靠性的植體應用)、自1970年代初已服務助聽器行業、豐富的知識產權(IP)陣容、完全認證及強固的開發流程及技術精湛的系統架構師。
第三，安森美半導體提供醫療市場要求的品質、可靠性和承諾。安森美半導體提供長遠的製程及產品，配合延長產品生命週期，還提供可追蹤能力及長期資料保留、批量驗收測試(LAT)、可靠性及失效分析實驗室、ISO 13485醫療系統品質認證。

圖1：安森美半導體的重點醫療應用及相關產品和服務。
安森美半導體的醫療應用方案主要涵蓋植體醫療裝置(如神經刺激器、除顫器及心臟起搏器)、聽力健康(助聽器、耳蝸植體)、臨床及指定裝置(血糖監測、透皮給藥、可攜式及定點護理(PoC)病人監控)等，參見圖1。
安森美半導體消費類醫療應用案例研究
安森美半導體為消費類醫療應用提供豐富的產品陣容。下文將重點圍繞助聽器及醫療ASIC應用進行案例研究。
1) 助聽器案例研究
助聽器主要包含耳背式(Behind-The-Ear, BTE)和耳內式(In-The-Ear, ITE)。BTE助聽器又包含傳統BTE、微型BTE等不同類型，其中微型BTE又演進出了耳道內置受話器(RIC)類型。
傳統BTE助聽器尺寸較大，外殼中內置所有元件，採用訂製及合身的耳模來確保提供可接受的聲音，但要求採用大電池來提供大功率，故會造成佩戴負擔。ITE助聽器的外殼比傳統BTE助聽器小，其中置有所有元件，但其電池尺寸較小，限制了輸出功率，且長時間佩戴會不舒服。相對而言，微型BTE外殼小巧雅致，能隱藏在耳後，而接收器恰好置於耳道中。這種助聽器電池尺寸小，同時還能支持長使用時間；而且由於接近耳道，提供極佳聲音效果。

圖2：助聽器發展趨勢及安森美半導體用於微型BTE助聽器的Rhythm R3710 DSP系統
安森美半導體提供用於微型BTE助聽器的完整數位訊號處理混合系統方案Rhythm R3710。此元件採用符合RoHS指令的業界最小系統級封裝(SiP)，尺寸僅為4.57 x 3.12 x 1.52 mm，較傳統混合模組小25%。 此混合系統封裝內包括處理語音演算法的數位訊號處理器(DSP)、EEPROM、類比前端、射頻晶片及被動元件，還可根據要求整合其他IC(見圖3)。整合的24位元DSP提供高於50 MIPS的運算能力，1.2 V工作時電流消耗低於700 μA。此SiP適合包括微型BTE助聽器在內的所有類型助聽器，能幫助克服助聽器組裝方面的主要電聲挑戰。
Rhythm R3710除了提供超小尺寸、高整合度和高階的語音處理，其他關鍵特性或優勢包括：整合iSenseDetect環境分類演算法(根據環境自動調節助聽器，不需要記憶體選擇開關)、超低能耗(1枚10號電池正常情況下使用10天)、自適應降噪(提升嘈雜環境下的語音清晰度)、16頻帶音調均衡(靈活調節頻率回應，最佳化聲音品質)、8通道壓縮器、自適應回饋消除(提升適配速度)等。安森美半導體還提供全套軟體支援，ARK軟體易於整合到現有驗配軟體中。

圖3： 安森美半導體業界最小混合系統封裝(SiP)整合了DSP裸片、EEPROM等眾多元件。
安森美半導體為助聽器應用提供寬廣陣容的DSP系統方案，涵蓋兩種類型，以配合客戶的不同應用需求。一為預配置型，預配置了安森美半導體的音頻處理演算法，相關產品除了Rhythm R3710，還包括Ayre SA3291、Rhythm R3910、Rhythm SB3229、Rhythm SB3231、CONSOLIDAT GA3227及FOUNDATION GA3216等；一為公開可編程型，能讓用戶使用自有的音頻處理演算法，產品包括EZAIRO 5900系列。
2) 訂製醫療ASIC案例研究
多種因素導致醫療裝置需要訂製ASIC而非標準離散元件方案。首先是低能耗。電池供電的醫療裝置要求更長的使用時間。採用標準離散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。相比較而言，ASIC方案提供低能耗優勢。其次是小尺寸。醫療裝置通常要求小巧，以提供離散性和舒適度。使用標準元件可能令外形因數過大，而ASIC方案以高整合度提供小尺寸優勢。
其三為高壓。醫療應用的感測器可能要求高壓偏置，同時產生極低電平的訊號。使用離散元件來處理高壓及低壓時，感測器介面電路通常太複雜且太大；而ASIC方案能整合高壓及低壓電路。四為低雜訊。醫療應用的專用人體感測器捕獲到的訊號極為微弱，應當提供低雜訊環境。使用標準離散元件時，漏電流或其他不想要的電流將壓過感測器產生的訊號；而ASIC方案提供高度的訊號通道隔離及低雜訊。其五，長產品生命週期。醫療裝置的產品生命週期可能超過10年，許多標準元件在醫療裝置生產行結束前已被淘汰，而像安森美半導體這樣的聲譽好的ASIC供應商能夠配合長醫療產品生命週期。其六，低物料單(BOM)成本。採用離散元件設計的系統如果元件數量太多，則成本會高；ASIC提供整合方案，降低系統成本。
以連續血糖監測(CGM)應用為例，許多糖尿病患者使用CGM來連續監測血糖水準。在這種應用中，感測器產生的訊號為pA級。由於漏電流的緣故，使用離散方案可能無法採集到感測器產生的訊號。此種應用要求大於2 kV的ESD保護，且無漏電流影響，而使用標準ESD保護機制無法實現。此外，感測器尺寸必須極小，而離散方案可能尺寸太大。不僅如此，此類應用要求電池最少能用6個月，而離散方案的電流消耗可能太大，縮短產品生命週期。
因此，此類應用需要訂製ASIC。安森美半導體提供的CGM感測器介面ASIC提供多重優勢，滿足應用要求。例如，此ASIC的專有類比/數位轉換方案能夠捕獲pA級電流，同時工作能耗極低。它還應用專有的低漏電流半導體製程(C3)，使用低漏電流的ESD保護焊盤，ASIC尺寸小於5 mm2，不影響總體產品尺寸。它的能耗也極低，平均電流消耗低於3 μA。  

圖4：安森美半導體應用專有半導體製程及創新IP設计克服血糖感測器介面挑戰。
此醫療訂製ASIC僅是安森美半導體豐富醫療訂製ASIC陣容的其中一例。安森美半導體當前除了提供CGM應用的ASIC，還提供用於血氧分析儀、心電圖(ECG)病人監測系统、關鍵指標監測、心率監測儀、脈搏血氧儀及自動體外除颤儀(AED)等應用的訂製ASIC。這類醫療應用的客户面臨多種挑戰，如需要更低功率及更小尺寸，要求用於專有感測器的介面，但專有感測器的介面需求通常不能以標準元件來滿足。安森美半導體提供尺寸、功率及成本均令客户滿意的訂製ASIC方案，還提供標準ARM核心，且提供模塊化服務及完整方案。

圖5：安森美半導體具有豐富的高性能、低能耗ASIC IP陣容。
安森美半導體擁有三十多年的醫療應用複雜ASIC設計及製造經驗、專業知識和技術，跟客戶的ASIC合作模式主要包括概念定義、產品規畫、產品開發、產品合格驗證及產品發布等主要ASIC開發流程。
消費類醫療裝置市場正持續穩定發展，醫療裝置製造商需要高性能、高能效、低能耗、小尺寸及長生命週期的半導體方案來幫助他們開發創新的產品，滿足用戶日漸增長的需求。安森美半導體為消費類醫療裝置市場提供多種價值，包括涵蓋助聽器DSP系統、訂製混合訊號ASIC、離散元件以及有助於實現系統微型化之先進封裝的豐富產品陣容，豐富的醫療專業知識、技術和經驗，以及滿足醫療市場嚴格要求的品質、可靠性和承諾。本文還以助聽器DSP及訂製醫療ASIC為例，分析這些產品的獨特優勢及其能為客戶提供的獨特價值，幫助客戶開發創新的醫療產品。
參考資料：
2.        Rhythm R3710 DSP混合系統數據表，
3.        安森美半導體醫療方案小冊子，