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為植入式醫療裝置縮小整合元件

上網時間: 2015年06月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:可植入心臟監視器  被動元件  矽電容 

作者:Laetitia Omnes,IPDiA行銷公關經理

除了過去20年來已經取得的進步外,插入/植入式醫療裝置製造商必須進一步挑戰極限,才能持續為人們延長生命、提高生活品質,甚至協助其恢復失去的機能。在開發電子醫療裝置時,尺寸、重量、可靠性和壽命都是非常重要的因素。這項任務還包括被動元件。為了描述被動元件對於電子醫療裝置的最終結構與性能的影響程度,本文詳細介紹了微型化‘可植入’心臟監測器的具體應用案例。

工程和設計挑戰


圖1:包含IPD技術的植入式裝置。

在過去十年中,醫療組織已經體認到以心臟監測植入器檢測心跳異常的必要性。這種裝置被植入於病人胸腔皮膚下方,記錄每一次的心臟跳動,並透過無線方式將所記錄的資訊傳送到醫療中心。因此,心臟的活動情形就可以在遠端進行監測,以利於評估無法預料和異常的心血管現象,判斷是否需要植入心臟起搏器。醫藥業界強烈建議開發更小和更長使用時間的裝置,以便於簡化外科手術進行,而這也成為業界主要醫療裝置製造商面臨的重要挑戰。在‘植入式’裝置中,裝置製造商明確地定義了目標:使電子產品的尺寸縮小10倍,以及透過最佳化功耗將電池壽命延長至3年。

矽基3D整合型被動元件

為了實現這些目標,一些大型的分離式元件必須被替換掉。在此提供的解決方案採用了矽晶整合式被動元件(IPD)技術。



圖2:矽基3D整合型被動元件的內部結構。
(來源:Northeastern University)

在電子醫療裝置中最關鍵的被動元件之一就是電容,它同時也是最難整合的元件,特別是當電容值達到1μF以上時。3D高密度電容技術的發展解決了這些問題。最新一代的技術利用創新的3D結構,以及高達250nF/mm2的密度,可以製造出電容值達幾個μF的微型矽晶電容。

這種技術中使用的材料和製造IC所用的材料是相似的。其最大優勢在於高可靠性和電容內部的最小漏電流,這主要得益於在高溫固化期間產生的高純度電介質層。

使用IPD的不同步驟

回到本文的具體例子,首先推薦一些多計劃性晶圓,採用具有多種容值的單矽晶電容以及矽晶電容陣列,目的在於認證這項技術,以及檢查良率。第一步驟通過後就完成了兩大組電容的設計。第一組是大型矽晶電容陣列,在單個裸片中的總容量超過了3μF。如前所述,矽基IPD技術能以很小尺寸封裝實現很大的電容值,其厚度可低至100μm。因而成功實現邁向微型化的第一步。


圖3:最終模組的原理圖。

第二組由容量為100nF的另一個隔離型矽晶電容陣列組成。這種設計的主要缺點是這些並排放置的矽晶電容造成了干擾,從而對於漏電流帶來負面影響,進而影響到功耗。此處的挑戰在於如何進一步調整技術,使其最終達到從一個節點到另一個節點時的漏電流保持在10nA以下。這種電容陣列設計利用‘高隔離’技術進行了修改,主要在於設法控制與陣列耦合的二極體行為。最終的整合系統總電容超過了7μF,並依靠高隔離設計使最終元件尺寸比前一代‘心臟監測器’更縮小10倍。

在3.2V/25°C/120s條件下的漏電流小於0.2nA/μF。為了更快且更可靠地從原型轉換為工業化產品,可在與工業化步驟相同的條件和環境下開發原型。

醫療技術的新視野

在植入式心臟監測器中利用矽材料實現的整合式被動元件,為改善最終產品的可靠性、使用壽命和性能提供了新機會。在目前的環境架構下,這可為直接病人帶來減少植入式裝置更換的次數。我們還可以想像這種解決方案可擴展應用至其它植入式裝置,特別是在可靠性、使用壽命和性能方面具有相同目標的產品。我們目前正走在新機會層出不窮的時代前端。研發計畫和技術發展藍圖可透過進一步整合,為現有的功能帶來更多嶄新功能與進展。





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