實現精確人體生理監控　MEMS革新醫療保健產業

醫療保健已成為全球成長最快、規模最大的產業之一。越來越多的人意識到生命的寶貴和重要，同時個人可支配收入的增加和疾病防範意識增強，讓醫療保健產業保持高速度成長。微機電系統(MEMS)是最具革命性的半導體元件之一，MEMS的問世為醫療保健產業開創一個全新的時代。本文將探討如何利用MEMS晶片重新界定醫療保健市場的需求，為醫療保健應用開啟新的成長空間。

圖1　MEMS主要構造

MEMS是擁有矽的電氣和機械雙重特性的半導體IC，MEMS感測器結構由可動物體、彈簧、穴室、阻尼器等元件構成，能夠偵測動作(如加速度)、重力、角速度、磁場及壓力(圖1)。標準的MEMS感測器是一個雙晶片元件，採用系統封裝(SiP)，其中一顆晶片負責偵測有效參數，並將其轉換成等效電容，另一顆晶片負責把電容轉換成等效電壓，如果是數位輸出，則把電容轉換成數位訊號並發送到I²C匯流排。

現在終於有了一種新的產品可以替代體積龐大的中央控制式醫療裝置，這就是手持式個人醫療裝置。

隨著第一手醫療裝置從醫院商用轉向個人私用，微型化、經濟性、可靠性及電池壽命，便成為醫療保健市場的新需求。

在消費性電子和手機市場引爆一輪應用革命後，MEMS勢必會在醫療保健產業開創一個全新的時代。在醫療保健市場，MEMS主要用於計步器、血壓表、心電圖(ECG)、助聽器等個人診療與可攜式照護產品中。此外，MEMS還可以在複雜的醫療化驗如DNA分析中發揮重要作用。在醫療保健市場上，很多半導體公司大力推廣醫用半導體產品，先後推出實驗室晶片和身體閘道等創新產品。

MEMS醫療保健應用多元

在醫療保健上，MEMS可以應用在許多方面，例如計步器、助聽器、診斷青光眼、血壓計等。

‧	計步器
	計步器是最簡單且最實用的MEMS應用之一。在練習跑步過程中，每邁出一步，身體都會上下顫動，而MEMS能夠偵測每跑出一步時的身體上下顫動，這個功能可用於精確計算步數。MEMS還可用於計算行走或跑步的速度、距離和運動所消耗的熱量。在校準MEMS時，可能需要步長、高度和重量等參數。為保證測量結果更精確，在開發產品時，計步器廠商必須考慮使用者配戴計步器的位置(繫在腰帶還是放在襯衫/褲子的衣袋裡)。三軸加速度計的問世，讓開發人員無須再考慮使用者的使用方式，因為三軸加速度計能夠偵測三個軸向的加速度，只使用一個三軸加速度計即可偵測全部的動作變化。此外，MEMS也能偵測人的重心變化。

‧	助聽器
	MEMS麥克風可以讓小巧精緻的助聽器變得更可靠、更經濟，還能提高助聽器的音質。MEMS麥克風擁有傳統駐極體電容式麥克風(ECM)的價位，同時具有極其出色的可靠性和穩健性。例如意法半導體(STMicroelectronics)的MP45DT具有很強的穩健性，機械振動、溫度變化且電磁干擾對該產品的影響非常小。感測單元具有聲波偵測能力，音訊感測器採用特殊的矽加工製程。MEMS助聽器可以採用隱蔽設計，從而能夠避免常見的社交問題。

‧	及早診斷青光眼
	圖2　將MEMS麥克風與發射天線安裝在一個矽透鏡上，可用於診斷早期青光眼。 當把MEMS麥克風與發射天線安裝在一個矽透鏡上時，這種一次性24小時隱形眼鏡可用於診斷早期青光眼(圖2)。MEMS感測器尺寸非常小，可以安裝在透鏡的周邊，偵測眼壓(IOP)引起的角膜變形現象，而不會影響配戴者的正常視野；而微型天線向接收站發射相關資料。眼壓感測器是一種可發揮換能和天線作用的無線感測器，並為附加的資料讀取元件提供機械支援。醫院可利用這些資訊採取必要的監護措施，在青光眼發病早期診斷病患。

‧	血壓計
	與微型生物相容的生醫微機電(BioMEMS)可以測量人體血液循環系統產生的血壓。人體血壓的產生過程十分複雜，在不同的身體條件下，人體血壓數值變化很大，因此，偵測血壓需要非常特殊的MEMS。BioMEMS可以插入人體，並移到距離心臟最近的位置，測量心臟瓣膜上的壓力梯度，讓醫生可以檢查心臟瓣膜類疾病，診斷和監視心臟衰竭，測量心臟排血量。

‧	人體閘道
	人體閘道(Body Gateway)是一個可以隨身配戴的可攜式裝置，能夠測量重要的生理參數，例如心電圖、心率、呼吸頻率等(圖3)。此外，人體閘道還能偵測人體不正常動作變化，例如摔倒。測量資料或警報訊號可透過藍牙(Bluetooth)發送到網路閘道，再轉發到醫院控制中心。MEMS是實現遠端醫療的關鍵技術，能夠偵測人體動作和血壓變化，測量呼吸頻率。小尺寸和超低功耗的特性使其特別適用於這類應用。MEMS將會引發遠端醫療革命，讓醫生能夠即時監控病患，遠端採取必要的護理措施。由於病患無須住院觀察，從而大幅降低醫療費用。

圖3　人體閘道示意圖

實驗室晶片降低化驗費用

實驗室晶片(Lab on Chip)可以在幾秒內對少量體液進行偵測，所有的化學反應都發生在這款生物晶片的內嵌通道內或晶片表面。因為載片器皿是獨立的一次性耗材，所以這種系統可大幅降低常規多步檢驗的交叉污染風險。憑藉MEMS噴墨印表機晶片的微射流技術，實驗室晶片能夠處理微流體。實驗室晶片能夠在約15分鐘內把DNA樣品數量放大幾倍，因此化驗僅需要非常少的流體，從而能夠節省時間，降低化驗費用。

發揮所長無可限量

MEMS正推動醫療保健產業高速發展，而相關廠商也陸續推出更好的醫療保健服務品質、更低廉的價格、更短的耗時及更容易被人們接受的產品。

(本文作者任職於意法半導體)