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作者: Laёtitia Omnès 除了在過(guò)去20年中已經(jīng)取得的進(jìn)步外，可插入/可植入醫(yī)療器件制造商必須進(jìn)一步挑戰(zhàn)自己的極限，以便延長(zhǎng)人們的生命，提高生活質(zhì)量，甚至恢復(fù)失去的機(jī)能。在開(kāi)發(fā)電子醫(yī)療器件時(shí)，尺寸、重量、可靠性和壽命都是非常重要的因素。這里面也包括了無(wú)源元件。為了描述無(wú)源元件對(duì)電子醫(yī)療器件的最終結(jié)構(gòu)和性能的影響程度，我們將在這篇文章中詳細(xì)介紹微型化“可植入”心臟監(jiān)視器這個(gè)具體例子。 工程和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) 在過(guò)去十年中，醫(yī)療組織已經(jīng)認(rèn)識(shí)到需要用心臟監(jiān)視植入器來(lái)檢測(cè)心跳異常情況。這種器件被植入在病人胸部皮膚下方，它記錄著心臟的每次跳動(dòng)，記錄的信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸?shù)结t(yī)療中心。這樣就實(shí)現(xiàn)了心臟活動(dòng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視，有利于評(píng)估無(wú)法預(yù)料的和異常的心血管事件，最終判斷是否需要植入心臟起搏器。醫(yī)療行業(yè)強(qiáng)烈建議開(kāi)發(fā)更小和更長(zhǎng)使用時(shí)間的器件，以便簡(jiǎn)化外科手術(shù)，這也成為了一些主要的醫(yī)療器件制造商面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在我們作為例子看待的“可植入”器件中，最終器件制造商明確地定義了目標(biāo)：將電子器件的尺寸減小10倍，通過(guò)優(yōu)化功耗將電池壽命延長(zhǎng)至3年。 
圖1：包含IPD技術(shù)的植入式設(shè)備。 基于硅材料的3D集成式無(wú)源元件 為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，一些大的分立元件必須被替換掉。以下提供的解決方案采用了硅集成式無(wú)源器件(IPD)技術(shù)。
圖2：基于硅材料的3D集成式無(wú)源元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 電子醫(yī)療器件中最關(guān)鍵的無(wú)源元件之一，也是最難集成的一種元件，就是電容。特別是當(dāng)電容容量達(dá)到1μF以上時(shí)。3D高密度電容技術(shù)的開(kāi)發(fā)解決了這些問(wèn)題。最新代技術(shù)使用了創(chuàng)新的3D結(jié)構(gòu)，密度高達(dá)250nF/mm2，可以制造出電容容量達(dá)幾個(gè)μF的微型硅片電容。 這種技術(shù)中使用的材料和制造IC所用的材料是相似的。其最大優(yōu)勢(shì)在于高可靠性和電容內(nèi)部最小的漏電流，這主要得益于在高溫固化期間產(chǎn)生的高純度電介質(zhì)層。
圖3：最終模塊原理圖。 使用IPD的不同步驟 回到我們這個(gè)具體例子，首先推薦的是一些多項(xiàng)目晶圓，它們采用具有多種容量的單個(gè)硅電容以及硅電容陣列，目的是認(rèn)證這種技術(shù)，并檢查良率。這第一步通過(guò)后就完成了兩大組電容的設(shè)計(jì)。第一組是大的硅電容陣列，在單個(gè)裸片中的總?cè)萘砍^(guò)了3μF。如前所述，硅基IPD技術(shù)能用很小的封裝尺寸實(shí)現(xiàn)很大的電容容量，厚度可以低至100μm。至此邁向微型化的第一步也就成功了。 第二組由每個(gè)容量為100nF的另外一個(gè)隔離型硅電容陣列組成。這種設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)是由這些并排放置的硅電容造成的干擾，它們會(huì)對(duì)漏電流有負(fù)面影響，進(jìn)而影響到功耗。這里的挑戰(zhàn)在于進(jìn)一步調(diào)整技術(shù)，最終達(dá)到從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)的漏電流始終保持在10nA以下。這種電容陣列設(shè)計(jì)后來(lái)使用“高隔離”技術(shù)進(jìn)行了修改，主要是設(shè)法控制與陣列耦合的二極管的行為。最終的集成系統(tǒng)總電容超過(guò)了7μF，并依靠高隔離設(shè)計(jì)使最終器件尺寸比前代“心臟監(jiān)視器”小了10倍。 在3.2V/25℃/120s條件下的漏電流小于0.2nA/μF。為了更快更可靠地從原型轉(zhuǎn)換為工業(yè)化產(chǎn)品，原型的開(kāi)發(fā)是在與工業(yè)化步驟要求的相同條件和環(huán)境下進(jìn)行的。 醫(yī)療技術(shù)的新標(biāo)桿 “可插入”心臟監(jiān)視器中使用硅材料實(shí)現(xiàn)的集成式無(wú)源元件為改善最終產(chǎn)品可靠性、壽命和性能提供了新的機(jī)會(huì)。在這種大背景下，可直接帶來(lái)減少病人可植入器件的更換次數(shù)。我們還可以想像，這種解決方案還能改造為在可靠性、壽命和性能方面具有相同目標(biāo)的其它可植入器件。我們正處于新機(jī)會(huì)層出不窮的時(shí)代前沿。研發(fā)計(jì)劃和技術(shù)路線(xiàn)圖允許我們充分想像通過(guò)集成技術(shù)對(duì)現(xiàn)有功能帶來(lái)的許多新功能和新改進(jìn)。 |
