CMOS生物感测器系统平台的建置文图林建甫蔡瀚辉国家晶片系统.doc

CMOS生物感測器系統平台的建置 林建甫 蔡瀚輝前言 根據統計，截至九十年止，台灣六十五歲以上老人人口已達總人口百分之，從人口結構觀之，我國已達高齡化的社會，到一百二十一年台灣的老人人口將佔總人口比率達百分之二十 ，即每五位人口中，就有一位是六十五歲以上的老人（資料來源：內政部）。而全世界各國也面臨了不同程度的人口老化的問題高齡化社會的到來，老人的長期居家照護將成為重要的課題。人們飲食的精緻化，生活壓力的增加與運動量不足等習慣，造成了很多文明疾病，監控惡性腫瘤、腦血管疾病、心臟疾病、糖尿病、肺炎、慢性肝病及肝硬化、腎炎、腎徵症候群及腎性病變、高血壓等，因此有一套居家照護或監控系統就顯的相當重要生物晶片。而所謂『生物晶片』是指在玻璃、矽、塑膠等材質上，利用微電子、微機械等工業技術來製成應用於生化分析的產品，其作用對象可以為基因、蛋白質或細胞組織等。其應用範圍非常廣泛，諸如基因及蛋白質功能研究、新藥開發、臨床檢驗、菌種檢測、法學檢定及軍事偵防等。生物晶片技術的主要特點是其分析靈敏度及專一性高、分析速度快，所使用的檢測樣品及試劑少，平行檢測等。總體來說，生物晶片研究在國際上仍屬於初期發展階段，依功能用途來區分，主要可分為二大類，第一類為檢測型晶片(微陣列晶片)，諸如基因晶片 (DNA Microarray)、蛋白質晶片(protein chip)。第二類為處理型晶片，諸如微流體晶片 (Microfluidics) 及縮微實驗室晶片 (Lab-on-a-chip, LOC)。 目前以微陣列晶片(Microarray)發展較為成熟，而LOC會是最終目標。世界各國皆積極投入這個工具型的產業，可預期生物晶片將是繼半導體產業後蓬勃發展的重要新興，當然其所帶來的衍生利益是無可限量的。 生醫感測晶片及其應用 急速發展的工業化現代，文明讓人們生活更便利，但也衍生出很多文明病，儘管醫學技術如此發達，還是有一些無法醫治的疾病，此時『早期發現，即早治療』的觀念就會顯更重要，因此生物晶片作為疾病篩檢的研究便越來越重要，應用面也越來越廣泛，中心將基於原本IC設計與製作部分切入，使用了原本現有CMOS標準製程，加上部分的後製程，製作出生物感測器，最後再以微流體系統將晶片封裝，成為所謂的『CMOS Bio-MEMS System』，此流程的優點在於目前相當成熟的，搭配後製程所製作之生物感測器，Digital, Analog, RF等電路以SiP (系統級封裝,System-n-Package，SP)進行異質性的整合其系統完整檢體的導入與導出檢體感測與電路讀取更後端的無限傳輸、記憶、危急警示等。以下幾個目前重要的相關整合性產品： 1. 膠囊內視鏡(Smart Pill)（圖一）：以色列團隊研發出將影像感測器（Image sensor）放置於膠囊內，並整合了包括光源、擷取電路、電源與無線傳輸等模組，當膠囊在消化系統中運動時，會即時的將影像無傳出，可避免病友吞胃鏡的痛苦，且可以將死角拍攝更清楚，在新一代的膠囊更加裝了噴藥系統，在看見腸胃病變的同時，即時的將藥物噴達患處。 圖一膠囊內視鏡 2. 非侵入式血糖監測器(glouwatch) （圖二）：傳統的血糖監控必須要每次血液的採集，造成相當的不便與痛苦，但利用此發明，可以利用電極將驅動到感測器上，此項技術更帶領出了非侵入式檢測的概念，讓一般大眾更容易上手也不會因為有疼痛而排斥。 圖二非侵入式血糖監測器 3. 穿戴式戒指感測器（Wearable Ring Sensor）：在此戒指裡頭內建有發光二極體、光感測器、壓力感測器、加速度計等，分別偵測血液流率、心跳和血液氧含量。此系統更適合隨身攜帶同時間多樣生理資訊監控。 圖三穿戴式戒指感測器4. 遠端照護無傳輸系統：前述三項應用提到有許多穿戴式電子醫療產品已商品化，這一類產品可說是個人健康看護中應用最為廣泛的一種，將複雜的感測與信號處理機，利用系統晶片或是單晶片的方式，縮小模組的體積，使受測者不會受到干擾或是覺得不便。但是往往這類產品只能顯示量测的結果，無法將感測訊號傳送到後端的醫療系統做長時間的統計與分析，以便讓醫生能夠有更完整更豐富的資訊來做醫療上更正確的診斷。換句話說，若不能結合後端的醫療專家系統，醫生不能掌握病人平時日常生活的狀況，病人也無法得知自己的情況是否良好，這樣會使得即時監控失去了意義。而無線生醫單晶片系統（圖四）亦可當作無線近身網路晶片，與各種穿戴式電子醫療產品結合，可將接收到的資訊，直接傳送到本地控制中心，一方面可隨時監控病人是否有突發狀況，這對於獨居老人或獨自在家中的老人的安全是相當重要的；另一方面也可以收集足夠的資訊讓專業的醫療人員能夠更精確的診斷是否有異狀，以便達到早期發現早期治療的預防醫療措施。如此一來，家人不必再擔心老人在家中出現狀