打中穿戴医疗精准量测需求 MCU/传感器/AFE方案当红不让

文.黄耀玮/李依频

微控制器(MCU)、传感器和模拟前端(AFE)跃升医疗用穿戴式电子市场热门绩优股。为创造产品新亮点、刺激市场买气,穿戴式装置品牌厂纷纷锁定高附加价值的行动医疗应用,扩大内建高精确度生物传感器、AFE,以及高效能且支持多种无线通信协议的MCU,因而带动相关芯片需求急遽升温。因应此一发展趋势,芯片商已加码投入新一代解决方案研发,藉以抢占智慧穿戴医疗市场更大版图。

医疗穿戴电子发展热潮掀动新一轮半导体组件设计商机。医疗用穿戴式电子装置在系统开发上须面对许多技术挑战,首先是精准度要求极高的体征讯号量测(Vital Signs Monitoring, VSM),再来则是大量感测数据的转换、链结、嵌入式处理,以及低功耗无线通信设计,可望带动庞大的光学式生物讯号传感器、微控制器(MCU)和模拟混合讯号(Analog Mixed-signal)组件的导入需求。

图1 Maxim Integrated健康照护部门策略营销工程师John DiCristina提到,硬件安全防护亦是穿戴医疗关键。

据工研院IEK研究显示,2015年将是智慧行动医疗(mHealth)的起飞年,各种具备生理信息搜集、分析功能的医疗用穿戴式电子设备将陆续出笼,发展至2017年医疗用穿戴式装置市场出货量规模将超过四千五百万台,商机可期;因此相关芯片商正酝酿产品大军,以抢占市场第一桶金。

Maxim Integrated健康照护部门策略营销工程师John DiCristina(图1)表示,医疗用穿戴装置主要用途系搜集有意义的生理资料,并从量测点一直到最终目的地都须维护数据完整性和安全性。目前业界正以二种方法达成此项目标,其一是开发灵敏且强韧的传感器,以及连接至传感器的模拟前端(AFE),从而在极低功耗下提供最大化讯噪比(SNR),确保信息精确度。

其二则是将安全性与认证能力建置到硬件内;若是以软件算法维护数据安全,除了将导致运算功耗增加之外,亦将产生许多的资安漏洞,数据可能仅在无线传输期间才具有足够的安全性,在传输前与传输后皆有遭窃取的风险。

医疗穿戴电子风云起 感测/嵌入式处理兴变革

DiCristina强调,上述两项考虑已衍生新的芯片设计概念,组件商如何巧妙融合精准量测、硬件安全性与低功耗电源管理技术,将是促进穿戴式医疗应用成形的关键。对此Maxim Integrated己建构一个芯片模块平台,整合传感器、模拟前端、MCU、安全认证、接口到电池与电源管理等医疗穿戴电子核心技术,以达精省尺寸、成本和功耗的效益。

无独有偶,意法半导体(ST)近期亦推出Nucleo开发板,整合旗下32位MCU、MEMS传感器、AFE模块、无线通信芯片及软件链接库(Library)组成一套参考设计,可依穿戴装置开发商需求配置,加速验证各种新功能设计。

至于芯科实验室(Silicon Labs)亦紧跟产业脉动,提出物联网系统单芯片(SoC)概念,将灵活配置旗下MCU、光学式生物传感器、蓝牙(Bluetooth)/Thread/Sub-GHz无线通信方案,以及软件开发工具,以弹性达成各种医疗穿戴电子装置设计需求,甚至能广泛满足工业、家庭物联网设备开发。

整合算法/AFE功能 光学传感器精准度大增

尽管医疗穿戴装置已牵动一连串芯片设计变革,但追本溯源来看,其系统零组件要角还是首推光学式生物传感器。此类感测方案基于近接/环境光传感器(Proximity/Ambient Light Sensor)架构,利用光谱数据分析并搭配心率监测(HRM)、呼吸、血压及血氧等算法,实现健康照护和辅助医疗决策的目的。

DiCristina分析,光学式生物传感器有二大吸引人的理由,包括属于非侵入式量测,以及其功能泛用性,可量测许多生物讯号,未来还有许多医疗相关应用潜力值得探索。

现阶段,光学式生物传感器供货商一致的发展方向为提升功能整合度,不仅是整合传感器与模拟前端改善精准度,还包括内建软件算法让数据分析更实时,同时也开始结合硬件安全防护机制,以保障极度隐私的个人生理信息。最终设计目标则是能被简单地置入穿戴装置。

综合上述考虑,再加上穿戴装置扩增人机接口(HMI)、环境感测功能的需求,微机电系统(MEMS)芯片大厂已开始酝酿下世代的多功能整合(Combo)传感器方案,将为传感器技术发展注入新的活水。

MEMS整合度再翻升 声控/环境感测「穿」上身

MEMS传感器整合度再「声」级。穿戴装置引进多元传感器及语音控制接口的趋势日益成形,刺激芯片商竞相展开布局;其中,MEMS开发商看好各式环境传感器和MEMS麦克风的发展潜力,同时基于两类组件封装皆须开孔的特性,正研拟以系统封装(SiP)架构打造整合型方案,在设计空间吃紧的穿戴装置中实现声控功能。

图2 意法半导体模拟、微机电与传感器技术营销经理苏振隆(右)认为,语音控制和环境感测将是强化穿戴装置功能体验的关键。左为意法半导体资深技术营销工程师庄维焘

意法半导体模拟、微机电与传感器技术营销经理苏振隆(图2右)表示,感测功能是穿戴装置设计演进的主轴之一,相关系统厂及芯片开发商正不遗余力延伸技术布局,以增添动作感测以外的功能。现阶段,业界大多聚焦生物讯号和环境感测两大热门技术,并运用MEMS制程/封装技术,分头研发光学式生物传感器,以及各式环境感测方案,抢搭穿戴感测设计商机。

在动作、生物及环境感测功能相互搭配下,将能创造更多元、创新的医疗监测应用情境。举例来说,医疗照护人员可透过室内温/湿度监测及调整,提供病患最舒适环境,而动作传感器亦可实时感知老人、婴孩跌倒等意外事件,达到远距照护;这些不同感测机制将能各司其职,实现全方位的医疗照护应用。

此外,创新人机接口则是穿戴装置另一项发展重点。新型态穿戴电子装置如手表、眼镜等皆有操作空间不足的先天限制,导致其搭载触控接口的便利性不如手机、平板来得明显;也因此,品牌业者纷纷将目光投注至更直觉的语音识别或手势(Gesture)控制接口,带动相关的MEMS麦克风与环境光传感器导入需求。

然而,在穿戴装置极致轻薄的设计前提下,制造商要加入更多新功能势必改用高整合度零组件,因而激励业界亟思各种整合型IC设计策略。苏振隆透露,由于MEMS麦克风,以及各种环境传感器如环境光传感器、压力计(Pressure Sensor)、紫外光(UV)、温/湿度和气体传感器(Gas Sensor)等,在封装结构上都有须开孔以撷取外界信息的共通点,遂成为芯片商整合设计标的。

据悉,目前包括意法半导体、Bosch Sensortec等一线MEMS组件供货商,以及MEMS晶圆代工业者,皆开始研拟以SiP封装打造整合型环境传感器;如MEMS麦克风加压力计、环境光加UV光传感器等,下一阶段可望再纳入PM 2.5、一氧化碳(CO)及酒精等气体感测方案,一举扩充穿戴装置环境感测功能,甚至还能增添声控、手势操作的卖点。

意法半导体资深技术营销工程师庄维焘(图2左)强调,MEMS麦克风/传感器与整个系统讯号链、数据处理和算法设计息息相关,芯片商必须跳脱单一组件的角度,将产品开发视野放大到系统层级,并提升嵌入式处理器及周边组件性能。

穿戴医疗设计快狠准 芯片商强打AFE性能

图3 台湾东芝电子半导体技术部副协理水沼仁志表示,个人预防保健、医疗照顾/老人看护等两个新兴市场备受瞩目。

台湾东芝电子(Toshiba)半导体技术部副协理水沼仁志(图3)进一步指出,今年智能医疗穿戴式装置支持的传感器系统增多,意味着将搜集更多模拟讯号。

然而,为顺利将模拟讯号转换成数字讯号,势必需要更进阶的模拟数字转换器(ADC)进行作业,也导致未来穿戴式装置,将更加注重模拟数字转换功能;此外,半导体厂商也纷纷聚焦提升穿戴式装置的省电功能。

水沼仁志解释,该公司看好个人预防保健、医疗照顾/老人看护等领域,近年积极投入研发处理器,以及相关生医感测技术,譬如脉搏(PPG)、心电图(ECG)、筋电图(EMG)、眼电图(EOG)和脑电图等,现阶段已经量产处理器系列--TZ1000。同时考虑生医感测讯号比较微弱,再加上容易受到周遭环境以及个人身体特质影响搜集之讯号,所以需要更高阶的ADC和算法处理讯号。

因此,东芝预计今年底再推出新款处理器抢市,将大幅增强模拟数字转换器(ADC)和AFE功能,并能支持脑电图(EEG)感测,以提升穿戴式装置感测精准度。

据了解,该公司的处理器具有较小封装和低功耗等优点,整合微处理器(MPU)、蓝牙低功耗(Bluetooth Low Energy)和传感器于一体,包括生医传感器和三到九轴的运动微机电感测组件,像是三轴加速计、三轴陀螺仪和三轴磁力计等,并提供相关软件开发平台,锁定医疗睡眠分析、穿戴式装置、机器对机器(M2M)和社会基础设施等应用;同时也与合作伙伴提供活动监测和心率量测等中间件(Middleware),藉以抢攻新兴的智能穿戴医疗版图。

而除了传感器、AFE设计之外,无线通信以及电源管理亦是智能穿戴医疗的关键技术环节。

支持多协议/低功耗设计 SoC功能整合度飙高

DiCristina表示,无线标准五花八门,必须取决于穿戴装置数据应用目的和地点,如住家内的可穿戴健康照护装置以低功耗无线局域网络(Wi-Fi)、Bluetooth Smart为主,医疗环境用穿戴设备则分成专属协议(Sub-GHz)、Wi-Fi,及同样建构于IEEE 802.15.4规范上的ZigBee和Thread,故未来很可能是多标准并存,将引发SoC支持多重通讯协议需求。

另一方面,穿戴装置的电池续航力更是一大挑战,即便锂电池技术不断改进,但其步调仍跟不上今日穿戴装置的电力需求。由于电池技术与电力需求之间的这项落差,刺激半导体公司设计超低功耗IC以克服挑战;其中,Maxim Integrated针对穿戴装置SoC开发微型电源和电池管理方案,并透过高度整合的电路设计有效节省空间,可显著延长装置使用时间。

看好医疗穿戴装置市场潜力,意法半导体也规画在未来的1∼2年间,大举扩充内建Cortex-M系列MCU核心的蓝牙或6LoWPAN无线通信单芯片,以及动作/环境传感器模块。庄维焘透露,今年10月该公司将抢先推出搭载Cortex-M0核心、AFE的蓝牙4.1 SoC;同时将透过旗下Nucleo开发板,以「乐高积木堆栈」的概念,帮助系统业者达成效能、功耗及成本优化的医疗穿戴式装置软硬件设计。

来源:新通讯

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