醫(yī)療IC設(shè)計(jì)工藝:雙極性與CMOS - 全文

　　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(yī)療設(shè)備現(xiàn)在及未來獨(dú)特的需求都要求合適的IC工藝技術(shù)與封裝。本文將對(duì)醫(yī)療半導(dǎo)體器件采用的雙極性（bipolar）與CMOS工藝進(jìn)行比較，并將對(duì)需要重點(diǎn)注意的部分封裝問題進(jìn)行闡述。

　　醫(yī)療應(yīng)用的開發(fā)人員必須在功耗、噪聲、線性度、可靠性以及成本之間進(jìn)行權(quán)衡，需要根據(jù)這些要求精心選擇工藝與設(shè)計(jì)架構(gòu)。

　　本文將對(duì)雙極性器件與CMOS器件進(jìn)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(shè)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題。

　　功耗在許多電池供電應(yīng)用中都非常重要。在這類應(yīng)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，決定著技術(shù)的選擇。此外，在這類應(yīng)用中，混合信號(hào)集成也是一項(xiàng)重要要求。

　　高效使用一些封裝技術(shù)可滿足在單個(gè)集成電路中實(shí)現(xiàn)大量功能的需求，比如在支持密集數(shù)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足。

　　本文還將探討醫(yī)療設(shè)備的未來發(fā)展趨勢(shì)，包括生物信號(hào)的直接測(cè)量與自供電設(shè)備等。這些趨勢(shì)將推動(dòng)現(xiàn)有工藝技術(shù)的改良，以滿足能源采集特性和其它非標(biāo)準(zhǔn)傳感器功能。

　　模擬性能

　　首先以超聲波設(shè)備為例來探討模擬性能需求。通過該范例，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(quán)衡，并檢測(cè)雙極性與CMOS工藝技術(shù)的適用性。圖1是典型超聲波機(jī)器的系統(tǒng)方框圖，展示了傳輸與接收兩個(gè)部分。這兩個(gè)部分負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)傳感器與數(shù)字處理部分（未顯示），從而構(gòu)成完整的超聲波設(shè)備。

　　圖1：超聲波系統(tǒng)框圖

　　在設(shè)計(jì)這種類型的接收模塊時(shí)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(shù)量決定了集成度。從傳感器接收到的信號(hào)可支持超過100dB的振幅變化。因此，低級(jí)信號(hào)（約10uV）端上的輸入噪聲與大型輸入信號(hào)（約1V）的線性度都是非常重要的性能參數(shù)。要適應(yīng)這種大的動(dòng)態(tài)范圍，可通過電壓控制衰減器（VCA）和可編程增益放大器（PGA）調(diào)節(jié)通道增益。圖3顯示了幾種PGA設(shè)置下，通過器件的總體增益隨VCA上電壓變化的情況。

　　圖2：圖1中執(zhí)行接收功能部分的詳細(xì)方框圖

　　圖3：接收模塊增益隨電壓控制變化的曲線圖

　　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(shè)計(jì)支持4mA偏置電流的開環(huán)放大器模塊，實(shí)現(xiàn)20dB增益。這里把（TI內(nèi)部的）BiCMOS工藝為目標(biāo)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(yán)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(xiàn)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(jì)。該基電流噪聲的幅度取決于傳感器的阻抗和系統(tǒng)具體的實(shí)施情況。

　　表1：雙極性器件和COMS器件的尺寸比較

　　混合信號(hào)與低功耗應(yīng)用

　　據(jù)觀察，在特定的醫(yī)療應(yīng)用中，雙極性器件的模擬性能優(yōu)于CMOS器件。但有些應(yīng)用需要處理混合信號(hào)，對(duì)于模擬和數(shù)字兩種處理能力都有要求。這類應(yīng)用一般都需要有極低功耗的運(yùn)行能力。

　　例如，心臟起搏器等植入式設(shè)備要以有限的電源長(zhǎng)期工作。這種設(shè)備既需要低功耗模擬電路來檢測(cè)身體的生理信號(hào)，又需要低功耗數(shù)字及存儲(chǔ)器功能來轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)這些信號(hào)。此外，高級(jí)植入式設(shè)備還需要低功耗無線通信為體外的基本單元傳輸信息。

　　通過對(duì)信號(hào)類型和工作模式進(jìn)行更深入的分析，可以看出這些設(shè)備一般都具有低占空比。比如，它們只有在進(jìn)行測(cè)量或處理的極短時(shí)間內(nèi)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(yīng)用中并不少見。另一個(gè)特性是大多數(shù)信號(hào)本身都處于低頻率狀態(tài)。因此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的帶寬和采樣頻率可限定為數(shù)十千赫茲甚至更低。此外，一些使用的外部電池供電的消費(fèi)類設(shè)備也具有類似的性能與功耗要求。

　　除了具備足夠的工作性能外，根據(jù)以上要求，這些設(shè)備還需具備低斷態(tài)漏電電流。這就意味著在這種工藝技術(shù)中必須權(quán)衡性能與漏電。一般來說，這些工藝的柵極長(zhǎng)度在130nm到350nm之間，將來也可能達(dá)到到90nm。對(duì)于可移植設(shè)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(shù)，因?yàn)樗鼘⒅苯佑绊戨姵氐氖褂脡勖?。圖4顯示了采用NMOS工藝設(shè)備的漏電流（Ioff）與驅(qū)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則具有顯著的溫度相關(guān)性。圖5是PMOS設(shè)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(xiàng)顯示設(shè)備電源電壓功能典型的品質(zhì)因數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中也可作為權(quán)衡漏電與性能的準(zhǔn)則。

　　圖4：NMOS設(shè)備中漏電流與驅(qū)動(dòng)電流隨溫度變化

　　圖5：PMOS設(shè)備中漏電流與驅(qū)動(dòng)電流隨溫度變化

　　圖6：環(huán)形振蕩器頻率被看作電源功能之一

　　設(shè)計(jì)低功耗混合信號(hào)設(shè)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(chǔ)器。鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）可提供獨(dú)特的性能，是眾多應(yīng)用中極具吸引力的非易失性存儲(chǔ)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(zhǎng)使用壽命以及高靈活度的架構(gòu)等。該存儲(chǔ)器已經(jīng)集成至上文所述的低功耗數(shù)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(chǔ)器一樣，其可靠性問題主要涉及寫入/讀取周期持久性、數(shù)據(jù)保持以及高溫使用壽命。即便在多次工作之后，F(xiàn)RAM也可保持優(yōu)異的非周期和周期位性能。

　　封裝技術(shù)

　　當(dāng)需要在同一IC中實(shí)現(xiàn)不同性能指標(biāo)時(shí)，可高效使用封裝技術(shù)。例如，一些應(yīng)用需要同時(shí)具有低噪聲、低功耗數(shù)字性能，可通過將兩種不同工藝的硅裸片布置在同一封裝中來實(shí)現(xiàn)?？蓪⒐杪闫M(jìn)行堆棧，節(jié)省電路板空間。隨著封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，還可將電感器與電容器等無源元件集成在封裝內(nèi)。板上裸片貼裝（Chip on Board）技術(shù)能夠?qū)⒄麄€(gè)IC完全嵌入到印刷電路板中，為密集型應(yīng)用節(jié)省寶貴的空間。

　　未來趨勢(shì)

　　醫(yī)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(cè)量生理信號(hào)的技術(shù)正推動(dòng)著彈性基板及專用粘合劑的改進(jìn)。隨藥片服下的IC既可跟蹤藥物適用性也可發(fā)揮測(cè)量或傳送藥物的作用。這類應(yīng)用對(duì)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(zhàn)。

　　高壓（約100V）工藝的改進(jìn)可成比例實(shí)現(xiàn)超聲波傳輸通道密度的增量。微型機(jī)械加工的創(chuàng)新不但可實(shí)現(xiàn)超聲波探針（CMUT，即電容式微機(jī)械超聲波傳感器）的微型化、批量生產(chǎn)以及大通道數(shù)量，而且還可進(jìn)行全面分析實(shí)驗(yàn)（片上實(shí)驗(yàn)室或者LOC）。

　　能源采集是另一個(gè)新興領(lǐng)域，通過部分或完全取代電池延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。值得考慮的幾項(xiàng)技術(shù)是熱能、振動(dòng)能和太陽能。這些能源采集技術(shù)將帶來對(duì)電路設(shè)計(jì)與工藝的新一輪需求。

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