中心議題：

• 模擬性能
• 混合信號與低功耗應用
• 封裝技術
• 未來趨勢

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，並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、芯片占位麵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gong藝yi是shi個ge極ji好hao的de選xuan擇ze。但dan是shi，漏lou電dian與yu性xing能neng之zhi間jian的de平ping衡heng也ye很hen關guan鍵jian
，決jue定ding著zhe技ji術shu的de選xuan擇ze。此ci外wai
，在zai這zhe類lei應ying用yong中zhong
，混hun合he信xin號hao集ji成cheng也ye是shi一yi項xiang重zhong要yao要yao求qiu。

高gao效xiao使shi用yong一yi些xie封feng裝zhuang技ji術shu可ke滿man足zu在zai單dan個ge集ji成cheng電dian路lu中zhong實shi現xian大da量liang功gong能neng的de需xu求qiu，比bi如ru在zai支zhi持chi密mi集ji數shu字zi功gong能neng並bing同tong時shi要yao求qiu低di噪zao聲sheng時shi。這zhe種zhong彼bi此ci相xiang悖bei的de需xu求qiu有you時shi也ye可ke采cai用yong多duo芯xin片pian模mo塊kuai輕qing鬆song滿man足zu。

本(ben)文(wen)還(hai)將(jiang)探(tan)討(tao)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)的(de)未(wei)來(lai)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)，包(bao)括(kuo)生(sheng)物(wu)信(xin)號(hao)的(de)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)與(yu)自(zi)供(gong)電(dian)設(she)備(bei)等(deng)。這(zhe)些(xie)趨(qu)勢(shi)將(jiang)推(tui)動(dong)現(xian)有(you)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)的(de)改(gai)良(liang)，以(yi)滿(man)足(zu)能(neng)源(yuan)采(cai)集(ji)特(te)性(xing)和(he)其(qi)它(ta)非(fei)標(biao)準(zhun)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。通過該範例，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
，並檢測雙極性與CMOS工藝技術的適用性。圖1是典型超聲波機器的係統方框圖，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。

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範圍，可通過電壓控製衰減器(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。[page]

下麵將比較雙極性放大器與CMOS放大器的性能。雙極性器件與CMOS器件都可用於設計支持4mA偏置電流的開環放大器模塊

，實現20dB增益。這裏把(TI內部的)BiCMOS工藝為目標工藝技術。

表1是用於放大器的雙極性器件和CMOS器件的尺寸比較。CMOS器(qi)件(jian)較(jiao)大(da)的(de)尺(chi)寸(cun)及(ji)伴(ban)隨(sui)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)嚴(yan)重(zhong)限(xian)製(zhi)了(le)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)帶(dai)寬(kuan)。在(zai)本(ben)例(li)中(zhong)，采(cai)用(yong)雙(shuang)極(ji)性(xing)放(fang)大(da)器(qi)可(ke)實(shi)現(xian)低(di)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)下(xia)的(de)低(di)噪(zao)聲(sheng)。但(dan)使(shi)用(yong)雙(shuang)極(ji)性(xing)器(qi)件(jian)可(ke)能(neng)會(hui)有(you)基(ji)電(dian)流(liu)噪(zao)聲(sheng)，而(er)這(zhe)在(zai)CMOS器件中則可以忽略不計。該基電流噪聲的幅度取決於傳感器的阻抗和係統具體的實施情況。
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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於CMOS器件。但有些應用需要處理混合信號
，對於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。

liru

，xinzangqiboqidengzhirushishebeiyaoyiyouxiandedianyuanchangqigongzuo。zhezhongshebeijixuyaodigonghaomonidianlulaijianceshentideshenglixinhao
，youxuyaodigonghaoshuzijicunchuqigongnenglaizhuanhuanhecunchuzhexiexinhao。ciwai，gaojizhirushishebeihaixuyaodigonghaowuxiantongxinweitiwaidejibendanyuanchuanshuxinxi。

通(tong)過(guo)對(dui)信(xin)號(hao)類(lei)型(xing)和(he)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)進(jin)行(xing)更(geng)深(shen)入(ru)的(de)分(fen)析(xi)，可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)一(yi)般(ban)都(dou)具(ju)有(you)低(di)占(zhan)空(kong)比(bi)。比(bi)如(ru)，它(ta)們(men)隻(zhi)有(you)在(zai)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)或(huo)處(chu)理(li)的(de)極(ji)短(duan)時(shi)間(jian)內(nei)被(bei)激(ji)活(huo)，其(qi)餘(yu)大(da)部(bu)分(fen)時(shi)間(jian)都(dou)處(chu)於(yu)休(xiu)眠(mian)狀(zhuang)態(tai)。占(zhan)空(kong)比(bi)不(bu)足(zu) 1%的(de)情(qing)況(kuang)在(zai)這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)中(zhong)並(bing)不(bu)少(shao)見(jian)。另(ling)一(yi)個(ge)特(te)性(xing)是(shi)大(da)多(duo)數(shu)信(xin)號(hao)本(ben)身(shen)都(dou)處(chu)於(yu)低(di)頻(pin)率(lv)狀(zhuang)態(tai)。因(yin)此(ci)數(shu)據(ju)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)帶(dai)寬(kuan)和(he)采(cai)樣(yang)頻(pin)率(lv)可(ke)限(xian)定(ding)為(wei)數(shu)十(shi)千(qian)赫(he)茲(zi)甚(shen)至(zhi)更(geng)低(di)。此(ci)外(wai)，一(yi)些(xie)使(shi)用(yong)的(de)外(wai)部(bu)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)消(xiao)費(fei)類(lei)設(she)備(bei)也(ye)具(ju)有(you)類(lei)似(si)的(de)性(xing)能(neng)與(yu)功(gong)耗(hao)要(yao)求(qiu)。

除chu了le具ju備bei足zu夠gou的de工gong作zuo性xing能neng外wai
，根gen據ju以yi上shang要yao求qiu，這zhe些xie設she備bei還hai需xu具ju備bei低di斷duan態tai漏lou電dian電dian流liu。這zhe就jiu意yi味wei著zhe在zai這zhe種zhong工gong藝yi技ji術shu中zhong必bi須xu權quan衡heng性xing能neng與yu漏lou電dian。一yi般ban來lai說shuo
，這zhe些xie工gong藝yi的de柵zha極ji長chang度du在zai130nm到350nm之間，將來也可能達到到90nm。對於可移植設備而言，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與溫度變化關係不大，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。由於溫度變化幅度不大，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。
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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。即便在多次工作之後，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、digonghaoshuzixingneng，ketongguojiangliangzhongbutonggongyideguiluopianbuzhizaitongyifengzhuangzhonglaishixian。kejiangguiluopianjinxingduizhan，jieshengdianlubankongjian。suizhefengzhuangjishudebuduanfazhan，haikejiangdianganqiyudianrongqidengwuyuanyuanjianjichengzaifengzhuangnei。banshangluopiantiezhuang(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於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製技術提出了挑戰。

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，而且還可進行全麵分析實驗(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。本文中隻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。