打中穿戴醫療精準量測需求　MCU/感測器/AFE方案紅不讓

醫療穿戴電子發展熱潮掀動新一輪半導體元件設計商機。醫療用穿戴式電子裝置在系統開發上須面對許多技術挑戰，首先是精準度要求極高的體徵訊號量測(Vital Signs Monitoring, VSM)，再來則是大量感測資料的轉換、鏈結、嵌入式處理，以及低功耗無線通訊設計，可望帶動龐大的光學式生物訊號感測器、微控制器(MCU)和類比混合訊號(Analog Mixed-signal)元件的導入需求。

圖1 Maxim Integrated健康照護部門策略行銷工程師John DiCristina提到，硬體安全防護亦是穿戴醫療關鍵。

Maxim Integrated健康照護部門策略行銷工程師John DiCristina(圖1)表示，醫療用穿戴裝置主要用途係搜集有意義的生理資料，並從量測點一直到最終目的地都須維護資料完整性和安全性。目前業界正以二種方法達成此項目標，其一是開發靈敏且強韌的感測器，以及連接至感測器的類比前端(AFE)，從而在極低功耗下提供最大化訊噪比(SNR)，確保資訊精確度。

其二則是將安全性與認證能力建置到硬體內；若是以軟體演算法維護資料安全，除了將導致運算功耗增加之外，亦將產生許多的資安漏洞，資料可能僅在無線傳輸期間才具有足夠的安全性，在傳輸前與傳輸後皆有遭竊取的風險。

醫療穿戴電子風雲起　感測/嵌入式處理興變革

DiCristina強調，上述兩項考量已衍生新的晶片設計概念，元件商如何巧妙融合精準量測、硬體安全性與低功耗電源管理技術，將是促進穿戴式醫療應用成形的關鍵。對此Maxim Integrated己建構一個晶片模組平台，整合感測器、類比前端、MCU、安全認證、介面到電池與電源管理等醫療穿戴電子核心技術，以達精省尺寸、成本和功耗的效益。

無獨有偶，意法半導體(ST)近期亦推出Nucleo開發板，整合旗下32位元MCU、MEMS感測器、AFE模組、無線通訊晶片及軟體程式庫(Library)組成一套參考設計，可依穿戴裝置開發商需求配置，加速驗證各種新功能設計。

至於芯科實驗室(Silicon Labs)亦緊跟產業脈動，提出物聯網系統單晶片(SoC)概念，將靈活配置旗下MCU、光學式生物感測器、藍牙(Bluetooth)/Thread/Sub-GHz無線通訊方案，以及軟體開發工具，以彈性達成各種醫療穿戴電子裝置設計需求，甚至能廣泛滿足工業、家庭物聯網設備開發。

整合演算法/AFE功能　光學感測器精準度大增

儘管醫療穿戴裝置已牽動一連串晶片設計變革，但追本溯源來看，其系統零組件要角還是首推光學式生物感測器。此類感測方案基於近接/環境光感測器(Proximity/Ambient Light Sensor)架構，利用光譜資料分析並搭配心率監測(HRM)、呼吸、血壓及血氧等演算法，實現健康照護和輔助醫療決策的目的。

DiCristina分析，光學式生物感測器有二大吸引人的理由，包括屬於非侵入式量測，以及其功能泛用性，可量測許多生物訊號，未來還有許多醫療相關應用潛力值得探索。

現階段，光學式生物感測器供應商一致的發展方向為提升功能整合度，不僅是整合感測器與類比前端改善精準度，還包括內建軟體演算法讓資料分析更即時，同時也開始結合硬體安全防護機制，以保障極度隱私的個人生理資訊。最終設計目標則是能被簡單地置入穿戴裝置。

綜合上述考量，再加上穿戴裝置擴增人機介面(HMI)、環境感測功能的需求，微機電系統(MEMS)晶片大廠已開始醞釀下世代的多功能整合(Combo)感測器方案，將為感測器技術發展注入新的活水。

MEMS整合度再翻升　聲控/環境感測「穿」上身

MEMS感測器整合度再「聲」級。穿戴裝置引進多元感測器及語音控制介面的趨勢日益成形，刺激晶片商競相展開布局；其中，MEMS開發商看好各式環境感測器和MEMS麥克風的發展潛力，同時基於兩類元件封裝皆須開孔的特性，正研擬以系統封裝(SiP)架構打造整合型方案，在設計空間吃緊的穿戴裝置中實現聲控功能。

圖2 意法半導體類比、微機電與感測器技術行銷經理蘇振隆(右)認為，語音控制和環境感測將是強化穿戴裝置功能體驗的關鍵。左為意法半導體資深技術行銷工程師莊維燾

意法半導體類比、微機電與感測器技術行銷經理蘇振隆(圖2右)表示，感測功能是穿戴裝置設計演進的主軸之一，相關系統廠及晶片開發商正不遺餘力延伸技術布局，以增添動作感測以外的功能。現階段，業界大多聚焦生物訊號和環境感測兩大熱門技術，並運用MEMS製程/封裝技術，分頭研發光學式生物感測器，以及各式環境感測方案，搶搭穿戴感測設計商機。

在動作、生物及環境感測功能相互搭配下，將能創造更多元、創新的醫療監測應用情境。舉例來說，醫療照護人員可透過室內溫/濕度監測及調整，提供病患最舒適環境，而動作感測器亦可即時感知老人、嬰孩跌倒等意外事件，達到遠距照護；這些不同感測機制將能各司其職，實現全方位的醫療照護應用。

此外，創新人機介面則是穿戴裝置另一項發展重點。新型態穿戴電子裝置如手表、眼鏡等皆有操作空間不足的先天限制，導致其搭載觸控介面的便利性不如手機、平板來得明顯；也因此，品牌業者紛紛將目光投注至更直覺的語音辨識或手勢(Gesture)控制介面，帶動相關的MEMS麥克風與環境光感測器導入需求。

然而，在穿戴裝置極致輕薄的設計前提下，製造商要加入更多新功能勢必改用高整合度零組件，因而激勵業界亟思各種整合型IC設計策略。蘇振隆透露，由於MEMS麥克風，以及各種環境感測器如環境光感測器、壓力計(Pressure Sensor)、紫外光(UV)、溫/濕度和氣體感測器(Gas Sensor)等，在封裝結構上都有須開孔以擷取外界資訊的共通點，遂成為晶片商整合設計標的。

據悉，目前包括意法半導體、Bosch Sensortec等一線MEMS元件供應商，以及MEMS晶圓代工業者，皆開始研擬以SiP封裝打造整合型環境感測器；如MEMS麥克風加壓力計、環境光加UV光感測器等，下一階段可望再納入PM 2.5、一氧化碳(CO)及酒精等氣體感測方案，一舉擴充穿戴裝置環境感測功能，甚至還能增添聲控、手勢操作的賣點。

意法半導體資深技術行銷工程師莊維燾(圖2左)強調，MEMS麥克風/感測器與整個系統訊號鏈、資料處理和演算法設計息息相關，晶片商必須跳脫單一元件的角度，將產品開發視野放大到系統層級，並提升嵌入式處理器及周邊元件性能。

穿戴醫療設計快狠準　晶片商強打AFE性能

圖3 台灣東芝電子半導體技術部副協理水沼仁志表示，個人預防保健、醫療照顧/老人看護等兩個新興市場備受矚目。

然而，為順利將類比訊號轉換成數位訊號，勢必需要更進階的類比數位轉換器(ADC)進行作業，也導致未來穿戴式裝置，將更加注重類比數位轉換功能；此外，半導體廠商也紛紛聚焦提升穿戴式裝置的省電功能。

水沼仁志解釋，該公司看好個人預防保健、醫療照顧/老人看護等領域，近年積極投入研發處理器，以及相關生醫感測技術，譬如脈搏(PPG)、心電圖(ECG)、筋電圖(EMG)、眼電圖(EOG)和腦電圖等，現階段已經量產處理器系列--TZ1000。同時考量生醫感測訊號比較微弱，再加上容易受到周遭環境以及個人身體特質影響蒐集之訊號，所以需要更高階的ADC和演算法處理訊號。

因此，東芝預計今年底再推出新款處理器搶市，將大幅增強類比數位轉換器(ADC)和AFE功能，並能支援腦電圖(EEG)感測，以提升穿戴式裝置感測精準度。

據了解，該公司的處理器具有較小封裝和低功耗等優點，整合微處理器(MPU)、藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)和感測器於一體，包括生醫感測器和三到九軸的運動微機電感測元件，像是三軸加速計、三軸陀螺儀和三軸磁力計等，並提供相關軟體開發平台，鎖定醫療睡眠分析、穿戴式裝置、機器對機器(M2M)和社會基礎設施等應用；同時也與合作夥伴提供活動監測和心率量測等中介軟體(Middleware)，藉以搶攻新興的智慧穿戴醫療版圖。

而除了感測器、AFE設計之外，無線通訊以及電源管理亦是智慧穿戴醫療的關鍵技術環節。

支援多協定/低功耗設計　SoC功能整合度飆高

DiCristina表示，無線標準五花八門，必須取決於穿戴裝置資料應用目的和地點，如住家內的可穿戴健康照護裝置以低功耗無線區域網路(Wi-Fi)、Bluetooth Smart為主，醫療環境用穿戴設備則分成專屬協定(Sub-GHz)、Wi-Fi，及同樣建構於IEEE 802.15.4規範上的ZigBee和Thread，故未來很可能是多標準並存，將引發SoC支援多重通訊協定需求。

另一方面，穿戴裝置的電池續航力更是一大挑戰，即便鋰電池技術不斷改進，但其步調仍跟不上今日穿戴裝置的電力需求。由於電池技術與電力需求之間的這項落差，刺激半導體公司設計超低功耗IC以克服挑戰；其中，Maxim Integrated針對穿戴裝置SoC開發微型電源和電池管理方案，並透過高度整合的電路設計有效節省空間，可顯著延長裝置使用時間。

看好醫療穿戴裝置市場潛力，意法半導體也規畫在未來的1∼2年間，大舉擴充內建Cortex-M系列MCU核心的藍牙或6LoWPAN無線通訊單晶片，以及動作/環境感測器模組。莊維燾透露，今年10月該公司將搶先推出搭載Cortex-M0核心、AFE的藍牙4.1 SoC；同時將透過旗下Nucleo開發板，以「樂高積木堆疊」的概念，幫助系統業者達成效能、功耗及成本最佳化的醫療穿戴式裝置軟硬體設計。