中心議題：

• 模擬性能
• 混合信號與低功耗應用
• 封裝技術(shù)
• 未來(lái)趨勢

可植入、可消化、可互動(dòng)、可互操作以及支持因特網(wǎng)，這些醫療設備現在及未來(lái)獨特的需求都要求合適的IC工藝技術(shù)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(jìn)行比較，并將對需要重點(diǎn)注意的部分封裝問(wèn)題進(jìn)行闡述。

醫療應用的開(kāi)發(fā)人員必須在功耗、噪聲、線(xiàn)性度、可靠性以及成本之間進(jìn)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(jìn)行比較，幫助用戶(hù)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(wèn)題。

功耗在許多電池供電應用中都非常重要。在這類(lèi)應用中，CMOS工藝是個(gè)極好的選擇。但是，漏電與性能之間的平衡也很關(guān)鍵，決定著(zhù)技術(shù)的選擇。此外，在這類(lèi)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(shù)可滿(mǎn)足在單個(gè)集成電路中實(shí)現大量功能的需求，比如在支持密集數字功能并同時(shí)要求低噪聲時(shí)。這種彼此相悖的需求有時(shí)也可采用多芯片模塊輕松滿(mǎn)足。

本文還將探討醫療設備的未來(lái)發(fā)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(dòng)現有工藝技術(shù)的改良，以滿(mǎn)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(lái)探討模擬性能需求。通過(guò)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(jìn)行權衡，并檢測雙極性與CMOS工藝技術(shù)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(gè)部分。這兩個(gè)部分負責驅動(dòng)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。

在設計這種類(lèi)型的接收模塊時(shí)需要考慮的問(wèn)題包括輸入噪聲、線(xiàn)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(guò)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(xiàn)性度都是非常重要的性能參數。要適應這種大的動(dòng)態(tài)范圍，可通過(guò)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(guò)器件的總體增益隨VCA上電壓變化的情況。[page]

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(kāi)環(huán)放大器模塊，實(shí)現20dB增益。這里把(TI內部的)BiCMOS工藝為目標工藝技術(shù)。

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(shí)現低偏置電流下的低噪聲。但使用雙極性器件可能會(huì )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(shí)施情況。
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混合信號與低功耗應用

據觀(guān)察，在特定的醫療應用中，雙極性器件的模擬性能優(yōu)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(lèi)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(cháng)期工作。這種設備既需要低功耗模擬電路來(lái)檢測身體的生理信號，又需要低功耗數字及存儲器功能來(lái)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(wú)線(xiàn)通信為體外的基本單元傳輸信息。

通過(guò)對信號類(lèi)型和工作模式進(jìn)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(jìn)行測量或處理的極短時(shí)間內被激活，其余大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)。占空比不足 1%的情況在這些應用中并不少見(jiàn)。另一個(gè)特性是大多數信號本身都處于低頻率狀態(tài)。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(lèi)設備也具有類(lèi)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(tài)漏電電流。這就意味著(zhù)在這種工藝技術(shù)中必須權衡性能與漏電。一般來(lái)說(shuō)，這些工藝的柵極長(cháng)度在130nm到350nm之間，將來(lái)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(gè)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(dòng)電流(Idrive)隨溫度變化而變化的情況。Idrive與溫度變化關(guān)系不大，而Ioff則具有顯著(zhù)的溫度相關(guān)性。圖5是PMOS設備的溫度相關(guān)性圖。由于溫度變化幅度不大，Ioff隨溫度變動(dòng)的情況可以接受。圖6所示的是環(huán)形振蕩器頻率，是一項顯示設備電源電壓功能典型的品質(zhì)因數，在實(shí)際應用中也可作為權衡漏電與性能的準則。
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設計低功耗混合信號設備的另一個(gè)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(lèi)似RAM的快速寫(xiě)入速度、低電壓低功耗寫(xiě)入工作、超長(cháng)使用壽命以及高靈活度的架構等。該存儲器已經(jīng)集成至上文所述的低功耗數字工藝技術(shù)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(wèn)題主要涉及寫(xiě)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(yōu)異的非周期和周期位性能。

封裝技術(shù)

當需要在同一IC中實(shí)現不同性能指標時(shí)，可高效使用封裝技術(shù)。例如，一些應用需要同時(shí)具有低噪聲、低功耗數字性能，可通過(guò)將兩種不同工藝的硅裸片布置在同一封裝中來(lái)實(shí)現?？蓪⒐杪闫M(jìn)行堆棧，節省電路板空間。隨著(zhù)封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，還可將電感器與電容器等無(wú)源元件集成在封裝內。板上裸片貼裝(Chip on Board)技術(shù)能夠將整個(gè)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(lái)趨勢

醫療電子產(chǎn)業(yè)涉及廣泛的領(lǐng)域，工藝與封裝在這些領(lǐng)域中的革新有助于產(chǎn)生創(chuàng )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(shù)正推動(dòng)著(zhù)彈性基板及專(zhuān)用粘合劑的改進(jìn)。隨藥片服下的IC既可跟蹤藥物適用性也可發(fā)揮測量或傳送藥物的作用。這類(lèi)應用對可消化電子產(chǎn)品、藥片包衣以及人體排異抑制技術(shù)提出了挑戰。

高壓(約100V)工藝的改進(jìn)可成比例實(shí)現超聲波傳輸通道密度的增量。微型機械加工的創(chuàng )新不但可實(shí)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(chǎn)以及大通道數量，而且還可進(jìn)行全面分析實(shí)驗(片上實(shí)驗室或者LOC)。

能源采集是另一個(gè)新興領(lǐng)域，通過(guò)部分或完全取代電池延長(cháng)設備的使用壽命。值得考慮的幾項技術(shù)是熱能、振動(dòng)能和太陽(yáng)能。這些能源采集技術(shù)將帶來(lái)對電路設計與工藝的新一輪需求。

醫療電子產(chǎn)業(yè)正在不斷發(fā)展，其對性能、功耗以及集成度有著(zhù)獨特的需求。本文中只介紹了這些需求及未來(lái)發(fā)展趨勢的一部分，但還有許多東西需要探討。