超小型無線電SoC與創(chuàng)新的電池技術(shù)結(jié)合，使低成本的醫(yī)療電子產(chǎn)品也能連網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在很短的時間里顛覆了很多行業(yè)。但是，醫(yī)療和醫(yī)藥領(lǐng)域在采用物聯(lián)網(wǎng)的進程中受到了很大的阻礙。

這并不完全令人驚訝。醫(yī)療領(lǐng)域的高度監(jiān)管措施，加上推出新的醫(yī)護技術(shù)關(guān)系到患者的性命，使得新醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)周期變得更長。但是，圍繞功率、尺寸和成本的設(shè)計工程困難是使一次性智慧醫(yī)療設(shè)備無法廣泛開發(fā)和采用的最大因素。

對于開發(fā)人員而言，想要設(shè)計能滿足必要的尺寸、功耗和成本要求的基于IoT的醫(yī)療設(shè)備，現(xiàn)在有一個途徑可供選擇。

開發(fā)一次性智慧醫(yī)療設(shè)備的主要障礙之一是成本。在小尺寸的設(shè)計中集成SoC和必要的外部元件，例如血壓儀、血糖儀或藥物吸入器，成本會比較昂貴。成本貴的原因在于：需要兩個晶振而不是單個低功耗晶振；四層PCB板，而不是相對便宜且簡單的雙層電路板；以及昂貴的電池。只要物料清單（BOM）成本依然很高，并且產(chǎn)品沒有做到小型化，那么聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設(shè)備被大眾市場采用的速度就會非常慢。

除了BOM成本外，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計人員還必須應(yīng)對功耗問題。一次性醫(yī)療產(chǎn)品必須具有較長的貨架壽命。18個月到幾年的產(chǎn)品保質(zhì)期并不罕見，加上幾周到幾個月的相對較短的活躍使用壽命。在貨架期間，產(chǎn)品可能會因自放電、泄漏電流、以及產(chǎn)品本身原因而導(dǎo)致電池容量下降。那么當(dāng)開始使用產(chǎn)品時，可能沒有足夠的電池容量來支撐完成整個使用周期。顯然，患者和醫(yī)生都需要IoT醫(yī)療設(shè)備是可靠的，既能治療患者，又能提供必要的數(shù)據(jù)以確保劑量和測試正確進行。

最后還有個一次性的問題。一次性醫(yī)療設(shè)備的性質(zhì)是，它們只被使用14天到2個月不等?？紤]到使用壽命短和成本高，保險公司自然不愿意把它們納入到保險范圍中。

解決所有這些挑戰(zhàn)的答案在于電池，具體來說，是實現(xiàn)一次性氧化銀或印刷電池的使用。近來，高能量薄膜鋰電池和印刷可充電鋅電池都已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化。但是，對于這些技術(shù)是否已準(zhǔn)備好進行大規(guī)模采用還存在疑問。

與傳統(tǒng)的電池制造技術(shù)相比，通過3D打印制造電池具有多個優(yōu)勢。一方面，可以將電池組件直接印刷在裝有其它電子器件的PCB板上。這樣一來，可以去掉分立電池所需的組裝和封裝步驟。另外，印刷工藝也可以實現(xiàn)較復(fù)雜的電池架構(gòu)，這種架構(gòu)或許無法通過其他方式實現(xiàn)。印刷方法可以調(diào)節(jié)電極的形狀和厚度，并印刷穩(wěn)定且安全的固態(tài)電解液。

印刷鋅電池看起來比較有前景。Impact Energy的一種此類電池使用了穩(wěn)定、可充電且不需要密封容器的高電導(dǎo)率聚合物電解液（HCPE）。由于化學(xué)物質(zhì)是基于鋅而不是鋰，因此避免了一些鋰技術(shù)相關(guān)的安全問題。此外，鈦酸鋰（LTO）和磷酸鐵鋰（LFP）是3D打印電池中常用的陽極和陰極材料，不過，碳納米材料也有望用作電極。碳納米管和碳納米纖維由于其高機械強度、高化學(xué)穩(wěn)定性、大比表面積、以及優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，而被廣泛用于印刷油墨中。

此外，印刷電池電解液也有助于降低制造成本。電解液充當(dāng)催化劑，促進離子在充電時從陰極到陽極的移動，并在放電時進行相反方向的移動。電解液材料在電池的電化學(xué)性能、壽命周期和安全性方面起著關(guān)鍵作用。

在印刷電池可以實現(xiàn)廣泛的商業(yè)化之前，仍然存在許多挑戰(zhàn)。其中一個問題是，目前只有少數(shù)可印刷活性材料可用作印刷油墨。此外，要表征電池油墨作用在其他油墨上時的行為表現(xiàn)，還有很多工作要做。盡管在電極和電解液材料方面已經(jīng)進行了大量工作，但集流材料還需要進行一系列的優(yōu)化。

技術(shù)就緒后，醫(yī)療保健應(yīng)用將可能從超薄3D打印的電池中受益匪淺。使用印刷電池的智能皮膚貼片（skin patch）已經(jīng)商業(yè)化。智能皮膚貼片使用層狀（laminar）電池，通常采用部分印刷，再加上印刷的電極圖案，通過皮膚輸送藥物、護膚品和其他化學(xué)物質(zhì)。醫(yī)療診斷設(shè)備或?qū)⑹芤妗?/p>

無線傳感器/網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也將受益。在這個領(lǐng)域，趨勢是將能量收集與薄型電池相結(jié)合，以減小封裝尺寸。類似的，新的小型電池將成為電池供電無源RFID的福音，盡管目前主要使用紐扣電池。智能卡應(yīng)用程序是另一種應(yīng)用，一些薄膜電池技術(shù)已對層壓入卡進行了優(yōu)化，不過對于一次性使用而言價格可能太高。

高峰值電流會降低電池容量和縮短使用壽命。DC-DC轉(zhuǎn)換器中可能會產(chǎn)生高浪涌電流，這些電流傾向于在電源輸入上合并大量電容，以避免電源軌上發(fā)生壓降。最初通電時，這些電容器的充電會導(dǎo)致浪涌電流，可能會超過額定負載電流。如果不解決這個問題，那么高電流會導(dǎo)致電壓軌失調(diào)，可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定或使其處于不可預(yù)測的狀態(tài)。有多種限制浪涌電流的方法。例如，一些BLE器件內(nèi)置了限流器。

總而言之，醫(yī)療設(shè)備的審核周期很長，在進入主流市場前，可能需要幾年的過程。但是，這些設(shè)備在患者護理方面具有改變游戲規(guī)則的潛力，而這一切從解決這些長期存在的設(shè)計挑戰(zhàn)開始。

Dialog半導(dǎo)體公司的SmartBond藍牙低功耗5.1系統(tǒng)級芯片DA14531是用于設(shè)計智慧醫(yī)療設(shè)備的一個平臺示例，以上圖片是該器件的開發(fā)套件主板和子板。DA14531是用于信標(biāo)和追蹤器設(shè)備等應(yīng)用的小型低功耗SoC，可以使用任何類型的（一次性）電池，包括3V紐扣電池、1.5V堿性紐扣電池、1.4V鋅空電池、以及印刷電池。DA14531支持DC-DC峰值電流控制，允許使用具有較高內(nèi)阻的小容量（例如<20 mAh）電池工作。該SoC支持2.5 dBm的輸出功率和96.5 dBm的鏈路預(yù)算。使用帶有外部喚醒觸發(fā)器的休眠模式時，睡眠電流可低至700 nA。DA14531可用于（一次性）智能標(biāo)簽、信標(biāo)或追蹤器。