医疗半导体正走向更高集成度、小型化、高能效

 中国电子报、电子信息产业网  作者:慕容素娟
发布时间:2012-09-29
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  近年来,医疗半导体市场已经成为增长最迅速的半导体市场领域之一。根据市场研究机构Databeans 2010年关于医疗半导体的预计,2010年至2015年间的年复合增长率(CAGR)将达9.4%。这其中,由于家庭保健趋势及人们对健康、保健设备兴趣增加,消费者健康医疗分类市场开始以较快的速度增长。


  中国医疗设备及医疗半导体趋势


  多种因素将综合推动中国医疗设备市场增长:首先是人口老龄化,到2030年,中国60岁以上人口所占百分比将从2010年的12.3%增加至24.4%,到2050年更估计增加到33.9%;而且人们的预期寿命将更长,心脏病、糖尿病、哮喘的发病率增高;还有中产阶级群体扩大,以及医疗支出增多、健康保险改革等等。


  而从医疗设备来看,中国本土的医疗设备研发增多,且本土制造商极力提供成本低于外国竞争者的产品。面向中国市场的医疗设备也在不断追求提高可靠性、准确度和精密度、易用性及便携性。相应地,用于医疗设备的医疗半导体正走向更高集成度、小型化、高能效,也使消费类健康设备转向采用标准元器件。


  半导体技术在医疗设备创新领域发挥重要作用。安森美半导体拥有深刻理解医疗市场质量、可靠性及长久性要求的资深工程团队,并具有全球制造及物流能力,以高性能的硅方案帮助医疗设备开发人员解决他们独特的设计挑战。


  安森美半导体的医疗半导体产品涵盖植体及临床保健、消费者健康和听力健康等关键医疗分类市场。


  1) 用于血糖仪等便携式医疗设备的Q32M210 32位混合信号MCU方案


  关于中国糖尿病现状的案例研究表明,由于生活方式及饮食结构变化、西式饮食模式影响、缺少运动,以及农业国家转向工业化国家的进程、更多写字楼工作岗位等,也使中国的糖尿病呈上升趋势。更多人需要用血糖仪自己进行监测,以便作变化趋势分析及与医生沟通,推动了血糖仪(BGM)的使用和销售。


  安森美半导体提供应用于血糖仪等便携检测设备的精密混合信号微控制器(MCU) Q32M210。这个器件是专为高精度设计的模拟前端,其关键优势是采用16位低噪声模数转换器(ADC)、业界标准ARM® Cortex™-M3处理器;低泄漏电流及低动态功率可实现超低能耗工作(待机电流< 26 μA,休眠电流 ~750 nA),延长电池使用时间;关键板载功能包括存储器、集成带错误校正控制(ECC)功能的闪存以确保闪存的高可靠性、和片上USB支持,经过优化的高集成度可降低物料单(BOM)开销;可配置前端,OEM可将其用于多种产品,包括血糖仪、心率监测仪和健康监测设备等。


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图:提供超低能耗、精密混合信号处理及高可靠性的Q32M210 32位MCU框图


  Q32M210采用更精密的血糖等级计算,除了延长电池使用时间,在需要换电池之前进行更多的血糖测试,还可降低系统复杂度,减小外部元器件需求,支持更小外形因数的PCB设计及尺寸更小的血糖仪,而减少外部元器件数量也降低了系统成本。


  在产品开发方面,Q32M210具有很好的灵活性,可通过软件配置的模拟前端及数模转换器(DAC)实现可编程增益放大器、可配置采样率,还有三个10位DAC及集成低导通阻抗开关。该器件可以定制,不需要新的外部电路来匹配新的试纸类型,兼容宽范围传感器类型。现有Cortex-M3应用可以轻易移植到Q32M210,简化了软件开发。易于集成、标准化及连接也充分体现了设计灵活性;开发支持包括评估及开发套件(EDK)、固件库、代码范例。


  从Q32M210应用示例可以看出,传统架构血糖仪虽精确、简单,但不灵活,总体半导体BOM成本约为5.75美元(以批量500万片计,下同);而优化架构的血糖仪具有极精确和强固特性,还可重新配置(支持先进的指示器开发),总体半导体BOM成本约为4.50美元。


  图:传统架构(左)与优化架构(右)的血糖仪对比,绿色部分可采用安森美半导体的器件


  2) 用于助听器的DSP系统方案


  2012年全球预计销售近1200万部助听器,推动力来自于人口老龄化、更长预期寿命、更低出生率;新兴市场(中国、印度、巴西及东欧)收入上升;过渡噪声、糖尿病、耳毒性(某些处方药副作用)等疾病所致的听力减退病例蔓延。


  关于中国听力健康现状的案例研究显示,中国有超过1,000万成人患有听力减退,听力减退者中估计仅1%使用助听器(欧洲为16%,美国为25%)。美国的研究显示,由于受到过度噪音的影响,6至19岁儿童及青少年中有12.5%存在永久性听力上损害,中国城市地区的研究显示出类似结果。


  助听器主要分耳背式(Behind The Ear, BTE)和耳内式(In the Ear, ITE),适合不同年龄和不同需要的患者配戴。前者有传统BTE,微型BTE和耳道内置受话器(Receiver In Canal, RIC);而后者有全、3/4、半耳腔式ITE,耳道内置,深耳道(Completely In the Canal, CIC)及耳道内不可见(Invisible In Canal, IIC)等类型。其趋势有三:其一是分立及“不可见”,更小巧的耳道内置受话器(RIE)及新的耳道内不可见(IIC)类型在美国“婴儿潮”一代开始采用助听器时更受欢迎;其二是无线通信及连接:当前技术为2.4 GHz、900 MHz及带蓝牙继电器的近场磁感应(NFMI);其三是完全自动化及“智能”,音量控制及信号处理自动适配声音环境,因而更有效,令用户更方便。满足这些趋势分别需要转移至65 nm或更小节点工艺及微型化封装技术;需要互操作性及先进的封装技术;增加处理功率及算法复杂度。随之而来的设计挑战是功耗约1 V工作电压时的电流消耗、多芯片及芯片面积要小于10mm2、采用混合信号技术。


  从图中可以看到,绿色部分是安森美半导体提供的器件。其系统级封装(SiP)简化了微型助听器的组装过程,适合所有助听器类型助听器。


  安森美半导体为无线助听器应用提供预配置的DSP系统,包括Ayre™ SA3291混合模块及AYRE中转器参考设计等。这些预配置DSP系统提供多种混合选择及功能包,支持所有助听器产品类型,非常适合于要求极少编程配置、要求即可应用的助听器制造商。


  其中,安森美半导体的Ayre SA3291混合模块采用完整特性的助听器算法套件、预配置听觉处理器和NFMI高带宽集成双工无线电,天线是唯一需要的外部元器件,并可同步左耳及右耳参数。而安森美半导体的Ayre中转器参考设计支持立体声音频流、持蓝牙、音量控制和程序选择。


  安森美半导体的助听器数字信号处理软件具有几个明显的特性,如宽动态范围压缩,可柔和放大声音,且不会使增大的声音令人不适,可针对个体的听力减退情况提供个性化定制;反馈消除器可消除由反馈产生的部分助听器输出信号,并通过相位消除来自适应地消除;自适应方向可自动适配极性模式,根据噪声位置调节;利用环境分类持续分析声音环境,自动调节助听器将舒适度和可听性提升至最高。


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  为方便工程师设计,安森美半导体还提供软件开发工具(网上工具),帮助选择及配置算法,创建定制助听器;对电声特性建模、测试算法、微调等。如果客户开发验配软件,可提供接口通信库文件;如果客户没有验配软件,可提供验配软件的定制化。硬件开发工具包括DSP编程器和开发板。


  除了预配置DSP方案,安森美半导体还为助听器应用提供Ezairo® 5900系列开放可编程的DSP系统。此DSP系统提供可高度定制的混合功能配置选择,非常适合于开发自有创新算法或应用第三方供应商提供的全定制算法的助听器制造商。


来源:中国电子报、电子信息产业网            责任编辑:系统管理员
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