從先進的半導體與微機電(MEMS)技術看下世代醫療產業新商機：材料世界網

醫療產業已是MEMS下世代可觀商機來源，原因在於MEMS產品兼具穩定性及體積小特性，因此可進入到一些過去些傳統的測量儀器所無法達到的地方，比方說像是將MEMS產品結合量測儀器後，直接進入到人體各個不同器官進行測試。目前已有許多科技公司，運用半導體、MEMS的技術，於醫療領域進行應用開發，開發的主要目的在提高性能與降低成本。所運用的技術包括微細加工技術、CMOS積體迴路技術以及構裝技術，應用產品主流目前放在生物晶片與醫療機用LSI，並預計相關零組件將從2008~2010年開始陸續投產。

醫療市場
根據Bourne Research公司的報告，全球MEMS市場規模在2006年達到77.8億美元，預估將在2011年達到109.1億美元，複合年成長率(CAGR)為6.7%。日本政府於2002年於生物技術戰略會議中預測的日本國內醫療市場(含醫療元件)，2010年將達8兆4000億日圓，此數值相當於2006年世界半導體市場的約1/3規模；根據日經Biocenter的調查，2006年的日本國內市場規模未滿一兆日圓。也有預測，生物晶片等分子診斷之世界市場，到2011年將達178億美元。由圖一可看出生物晶片將在2007年開始成長，2010~2015年正式在醫療領域普及，普及期的市場將擴大為1000億 ~1500億日圓，由於目前生物晶片的分析設備價格高昂、檢出感度未臻理想，許多廠商(如東芝、義法ST)均致力改良。另外再生醫療市場於2015年，預估將達300億日圓(如圖二所示，為三洋電機預測)。

圖一、醫療用DNA Chip在醫療領域之普及，將帶動市場需求

圖二、再生醫療相關產品市場規模

醫療元件將成為半導體的下一個殺手級應用
醫療元件可望成為半導體下一個殺手級的應用(如圖三)，科技公司為掌握時機積極投入、加速開發運用半導體、MEMS 技術的醫療元件，以創造附加價值高、利潤高的事業。目前的成果主要在生物晶片與醫療機器用LSI等。表一為科技公司、研發單位在醫療元件、設備之開發現況。

圖三、醫療將成為半導體的下一個殺手級應用

上述醫療器材市場的成長的原動力，來自半導體與MEMS中的微細加工技術與CMOS迴路技術的整合應用，同時帶來高性能化與低成本化的優勢，其中最典型的例子是生物晶片。目前運用半導體、MEMS技術製作的晶片或感測器埋入而成的生物晶片元件種類有：
● 與疾病關係很深的生物體物質分析用生物晶片(DNA晶片、蛋白質晶片、細胞分析晶片)
● 生物晶片分析設備(DNA晶片分析設備、蛋白質晶片分析設備)
● 體內組織或腫瘤影像化之Image設備(核磁共振(MRI)、斷層攝影(PET)、分子Image設備)
● 生物感測器(SNP感測器、葡萄糖感測器、病毒感測器)
● 再生醫療用材料(細胞培養晶片、細胞培養片、人工組織)以及器官機能取代之植入型醫療元件(人工網膜、人工內耳、腦刺激元件、植入型醫療機器用LSI)等。

生物晶片技術發展與趨勢
現用DNA晶片又稱DNA Micro Array，係在玻璃載片或Si基板上高密度配列DNA陣列，使其固著而成，利用此晶片可以一次檢查數萬個~數十萬個遺傳子。現用常用之DNA晶片有兩種，一是由Affymetrix開發之Genechip(圖四)； Affymetrix 是第一個將半導體製程引進生物晶片製造的公司，Affymetrix研發出來的寡核甘酸晶片(Oligonucleotide chip),利用半導體製程的光罩法，將DNA的A.T.C.G四種鹼基,以堆疊方式，築上25個鹼基當作探針,直接合成在1.28cm ×1.28cm的矽晶片上,晶片上約有百萬個區塊,每個區塊又有百萬條的鹼基對。運用此種方式來可以減少點製的尺寸,並有效增加可以點製的基因數量。

圖四、GeneChip (AFFYMETRIX, Inc.)

再生醫療
「再生醫療」的相關研究目前已積極地走向實用化的階段，它是利用人體的再生能力來治療身體因生病或受傷喪失的器官機能。雖然現今仍有諸多課題尚待釐清，但在卓越的技術發展之下，許多的研究領域已接近臨床應用的階段，成果指日可待。「再生醫療」包括細胞培養皿或細胞培養片的利用，培養細胞過去都利用平坦的面，現在則認為有微細圖案的結構體更為合適，因為用3次元培養的細胞將更為接近生物體(人體)3次元結構生長的細胞特性，更容易為醫學領域所利用，因此最新的研發方向乃為應用微細加工技術。例如:Covalent Material開發出富含微細孔洞之陶瓷製細胞培養皿晶片如圖七所示。

http://www.covalent.co.jp/eng/rd/new_technologies/bio.html
圖七、Covalent Material開發出富含微細孔洞之陶瓷製細胞培養皿晶片

另一家SCIVAX為一家致力Nano-Implant設備開發公司，開發在厚度數十μm樹脂片上，利用Nano-Implant技術製作線寬數百nm圖案，可製作的圖案包括蜂巢等各種形狀，相關產品已於2007年7月推出，如圖八所示。

http://www.scivax.com/cell/shouhin/plate_1.htm
圖八、SCIVAX所開發之產品

MEMS在醫療器材擁有無限發展空間
對處於醫療危險期或有摔倒危險的人進行監視是非常重要的，病患監視系統就是一個成長中的MEMS市場。運動感測器一直被用於醫療監測和診斷系統中。義法半導體(ST)公司在2007年推出了，針對健康監視系統的超微型低重力(low-g)線性加速度計LIS244AL，可提供+/-2.0g的全程輸出範圍。該元件體積小、功耗低，適用於由電池供電的可攜式產品。它可滿足許多對於封裝尺寸和功耗要求較嚴苛的應用系統，如資料完整性保護、遠端設備控制、智慧型動態電源管理，以及運動和健康監視設備。

這種加速度計在單一封裝中結合了一個雙軸MEMS感測器和一個CMOS介面晶片，可在同一時間中提供兩個即時的類比輸出：一個用於左右方向(橫向)，另一個用於前後方向(縱向)。據ST公司表示，該產品採用低成本的塑膠封裝，大小為4x4x1.5mm，但可提供高達1萬公克的抗衝擊能力。

Omron的腕帶式血壓計(如圖九)目前使用了ADI公司的ADXL311雙軸加速度計。此加速度計被用於測量手臂的角度或位置，透過測量腕帶的位置判定，可使血壓測量結果更為準確。

資料來源：http://www.eettaiwan.com/ARTP_8800510060_480502.HTM
圖九、在Omron的腕帶式血壓計中，ADI公司的雙軸加速度計可用於測量病患前臂的傾斜角度