FRAM在医疗领域和智能电表中的应用及发展

FRAM的产品定位和优点

FRAM（铁电随机存取存储器）是一种使用铁电膜来保存数据的非易失性存储器。这种存储器具有非易失性和随机存取的特性，非易失性意味着即便关闭芯片的电源，存放在存储器里的数据也能保存下来。

与传统非易失性存储器相比，FRAM的功耗要低很多，而且写入速度更快。对于类似的写入，FRAM功耗只有EEPROM的1/1000。FRAM的写入时间是EEPROM的1/40000，达到SRAM和DRAM这些传统易失性存储器的级别。而且，FRAM的读/写耐久性能远远优于EEPROM和Flash存储器。EEPROM和Flash存储器能写入大约100万次（106次），FRAM最高可写入1013次，或者说写入次数可以达到前两种存储器的1000万倍以上。

 

FRAM还有一个特点，即使用极化技术保存数据的铁电存储器在遭受辐射时也不会发生数据丢失问题。如果是EEPROM和Flash存储器，保存数据取决于电荷是否存在于器件的存储区，辐射会引起电荷漂移，导致数据被破坏。

FRAM的另一个独特优点是采用不同的单元结构，这种结构具有优秀的器件级防篡改能力，防范未经授权的数据读取，并通过了一系列严苛的安全认证标准，例如在由法国国防部的DCSSI实施的EAL （基于国际标准ISO/IEC 15408的评估保证级别）认证中，FRAM通过了EAL4+认证，为消费家电类别的最高排名。常用的存储器保存数据取决于在存储单元的储存区是否有电荷。然而，电荷的变化可以被第三方工具扫描到，对存储的数据进行非授权的存取。FRAM通过极化方式来记录数据，用电场改变组成材料的分子方向，因此很少碰到这种风险。

富士通半导体使用成熟技术生产FRAM的时间已经超过10年，可以为用户提供很宽的产品线。在医疗领域和智能电表中的解决方案及应用而备受业界瞩目。

先进的FRAM存储器为医疗设备实现增值

富士通半导体的FRAM在医疗领域备受关注，赢得了更广泛的应用和用户的青睐。FRAM具有很多无可匹敌的优点，包括快速写入、接近无限次读/写耐久性、低功耗和耐辐射性，能够为医疗设备和系统增添新的实用价值。FRAM早已经被用于CT扫描机和其他大型设备当中，在小型医疗设备中的使用也在不断增加。为了在医疗设备和生物制药的生产控制实现认证的目的，具有FRAM的RFID也变得越来越普及。

1.在CT扫描机中使用FRAM：不用更换电池

CT扫描机是一种使用FRAM的医疗设备，早在很多年前就有好几家设备制造商开始采用FRAM。不同的制造商在设备内部使用FRAM的目的是不一样的，其中之一是控制系统以确定什么时候需要对设备进行保养。

CT扫描机里面的摄像头和X射线发生器的性能会随反复使用而恶化，这些元器件必须定期更换。在这些领域，FRAM被用作控制系统的存储器设备，用来记录设备的工作时间和受到辐射的数量。FRAM芯片是具有快速写入、高读/写耐久性和耐辐射特性的非挥发存储器，很适合这种苛刻的工作环境。

2.FRAM用于生物信息监控：生命体征的更多细节信息

FRAM还被用于病人身旁的监护仪，记录或监控病人的生命体征—心率、脉搏、血压、体温等。这些监护仪存储了病人预先记录的基准信息，可以和最近测量的数据进行对照。如果发生异常情况，监护仪就会报警。与EEPROM相比，FRAM可以更频繁地写入，设备可以进行更频繁的测量，这样监护仪就能够记录更多的细节信息。FRAM的快速写入能力还意味着，如果突然断电的话，不会丢失数据，因为FRAM可以在系统的供电中断之前，在最短的时间内储存数据。

3.用于自动CPAP的FRAM：不用电池

设备制造商正在考虑将FRAM用于自动CPAP（连续正气道压力）设备，用来跟踪睡眠呼吸暂停。CPAP监控和记录病人在睡眠时的呼吸数据，在需要的时候帮助病人呼吸。“目前，自动CPAP使用SRAM存储数据，但使用FRAM就不需要保存SRAM上数据的电池。”一些CPAP使用EEPROM来储存设备的初始参数，但是使用FRAM存储这些参数并记录数据，连EEPROM也不用了。

4.在助听器中使用FRAM：噪声控制

一些助听器制造商正在考虑在助听器中使用FRAM。现在的很多助听器可以根据每个人的使用情况进行调整，以达到最优的性能。制造商用一个记录系统来登记这些信息，正在考虑用FRAM作为记录用存储器。现在的助听器通常使用EEPROM来记录信息，但是FRAM可以更快地写入数据，且耗能更少。例如，以同样的频率写入64字节的数据，FRAM的写入速度比EEPROM快20倍，功耗只有后者的1/140，这意味着更换电池的频率更低。

FRAM还有另一个独特的优势，那就是能够减少存储器在写入数据时的噪声。EEPROM要使用内部的10V的高电压来擦除和在存储器中写入数据。在写入时，这个高供电电压会在电路中产生噪声，会转换成助听器使用者可以听到的重复噪声。如果使用FRAM，就不需要高电压来擦除和写入数据，这个问题迎刃而解。

5.FRAM用来控制医疗设备、产品和药品：为辐射消毒提供更多便利

FRAM不仅可以作为单独的元器件，而且还通过带有FRAM的RFID IC进入到医疗领域。例如，RFID标签可用于控制和鉴定医疗设备、产品和药物。一些RFID标签制造商和系统制造商已经把带有FRAM的RFID标签在医疗领域实现商用，在医疗设备和生物药品上得到使用。

RFID标签可以通过无线网络，把信息读取和写入到内部的存储器里。RFID不仅可以记录比条形码多得多的大量信息，信息还可以连续写入，所以RFID标签通常用于跟踪信息，以及物流和生产领域的其他应用。但是在医疗领域，有一个迄今普通RFID还进不去的领域，那就是对贴有标签的物品进行辐射消毒。

为了满足特定的严格卫生标准，医疗设备常常使用特殊气体或其他方法进行消毒，但是辐射消毒在单用途的医疗设备和生物制药设备中的零部件上使用得更为广泛。使用辐射消毒的原因是这种方式产生的环境问题较少，而且已经包装好的物品也可以用这种方法消毒，将消毒后进行下一步加工前的可能污染减至最少。由于辐射会使采用EEPROM的RFID标签上的数据丢失，这样标签就起不到识别器的作用，设备的最终使用者对此有很多怨言。在RFID标签上使用FRAM就可以解决这个问题。

今天，像EEPROM和SRAM这些标准存储器器件已经被广泛应用于医疗设备。使用FRAM将可能改变普通最终用户和医疗专家对助听器噪声，或是需要更换所用设备中的电池而频频抱怨的情况。FRAM产品有助于采集更详尽的数据，提高数据可靠性，还可以改善安全性，提高医疗行业的生产效率。

FRAM加速智能电表发展，优异性能降低产品功耗并提高安全性

在很多国家，FRAM早已经广泛用在智能电表当中，其所具有的快速写入、几乎无限次读/写、低功耗和防篡改等优异特性将推动智能电表未来的发展过程。

1.实时记录数据

常规的智能电表通常包含两个系统，一个是计量系统，提供电表的主要功能，包括一个带有输入接口电路和显示电路的微处理器。另一个是通信系统，这个系统的功能是把计量的数据发送到外面的数据中心，用于数据制表，并与计量系统内部的计量数据进行交换。数据日志系统（图1）可以用于两种系统的通信功能。

图1. FRAM在智能电表上的应用

例如，电网智能电表中的测量单元可使用数据日志系统，实时地记录能耗和相关变化。采用这种系统，要求以大约每秒两次的频率写入数据。通信单元的数据日志系统把数据存储下来，用于监控电网的工作状态和控制数据，保证电能的分配达到最优。比较理想的方法是频繁记录这些数据，这时FRAM的快速写入和可以频繁读/写的特性就变得非常有用。

实时数据记录还能使预付费系统的智能电表变得更加高效。在预付费系统里，要根据每个特定的时间段进行收费，如果收费的间隔变长，会导致按相同价格计算的耗电量的波动范围加大。FRAM具有快速数据写入和功耗小的特点，使用FRAM可以提高数据写入的频率，而不会增加整个电表的能耗。换句话说，可以时常扣除计费，减少每次计费时能耗数量波动的现象。

2.减少能耗

FRAM有助于减少智能电表的总功耗。使用智能电表，需要监控电池的工作过程，以便确保在发生断电或在没有电源的地方出现无法预料的情况下使电表一直处在工作状态，这就是为什么要求电表的耗电量很小的原因。FRAM的功耗非常低，而且在供电中断的情况下也能保存数据，在减小电表功耗方面非常有用。而且FRAM的低功耗有助于延长电池的使用寿命。

3.提高数据安全性

FRAM的第3个优点是具有更好的数据安全性。智能电表存储器保存了家庭用电量的数据。保证私人信息的安全，要求电表具有更高的数据安全性。FRAM具有防篡改功能，使电表的数据安全性比使用传统存储器的系统强得多。

图2. 用于智能电表的FRAM产品线

有生产具有众多优异特性的FRAM技术做支撑，富士通半导体为客户提供了各种产品线，包括独立的FRAM和面向特定应用的LSI，如RFID（射频识别）IC、验证IC和其他采用FRAM的产品。独立FRAM主要用于智能电表。以模块形式提供的独立FRAM兼容3种接口：SPI、I2C和并行接口，密度分别为4Kbit–256Kbit、16Kbit-2Mbit和256Kbit至4Mbit（图2）。为了响应客户对更小安装面积的要求，16Kbit I2C和SPI接口的MB85RC16和MB85RS16增加了小型8 pin SON封装，尺寸为3mm x 2mm。

目前，FRAM已经广泛用于医疗电子、智能电表以及其他领域中，其原因是FRAM比传统存储器具有无可匹敌的优势：在电源发生故障的时候，快速数据写入能力可以避免数据丢失；大量的读/写次数可以让用户频繁地采集数据；低功耗特性可以降低系统功耗和延长电池寿命等。随着更多领域需求的开发，FRAM无疑将发挥更大的作用，所以还请留意和关注富士通半导体在这个领域的未来发展。