后来者居上 FRAM助力中国高端医疗电子系统关键设计

 如今，当您在一些医院就诊时，您可能会看到医生正拿着平板电脑诊疗、查房。这可不是普通的平板电脑，它采用了防酒精的专业面板。您知道吗，其实在医院中，电子设备除了要防酒精外，还必须抗辐射，这是因为医院常常要对贴有RFID标签的物品进行辐射消毒，而采用富士通半导体的能够抵抗高达50kGy伽玛射线消毒的非易失性随机存储器——FRAM(铁电随机存储器)的RFID在通过辐射消毒后数据不会被破坏。

除了抗辐射，FRAM还具有高速/高读写耐久性和低功耗的特性，这些独一无二的优势使得FRAM在医疗领域脱颖而出，赢得了更广泛的应用和用户的青睐。“FRAM早已经被用于CT扫描机和其他大型设备当中，在较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，内嵌FRAM的RFID也变得越来越普及。”在日前举行的第七届中国国际医疗电子技术大会(CMET2014)上，全球领先的FRAM供应商富士通半导体的系统存储器事业部副总裁松宫正人先生表示。

图1. 富士通半导体系统存储器事业部副总裁松宫正人先生在CMET2014上演讲。

非易失性、高速、无需后备电池——满足医疗电子系统设计苛刻的性能要求

在关乎人们生命安全的医疗电子领域，迫切需要即使是在电源关闭的状态下也能存储数据的存储器，而且还要在低功耗下高速工作，要求存储器具有高读写循环耐久性。此外，由于通过伽马射线和电子灭菌在医疗领域也是很普遍的，这要求存储器具有抗辐射性， 而FRAM所具有的独特优势能够满足所有这些医疗领域的苛刻要求。

与传统的非挥发存储器相比，FRAM的功耗要小很多，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(10^ 6次)，FRAM最高可写入1万亿次，或者说写入次数可以达到前两种存储器的100万倍以上。

图2. 铁电FRAM相比E2PROM的优势。

特别值得一提的还有FRAM是利用铁电极化技术保存数据的铁电存储器，这意味着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。

“富士通半导体使用成熟技术生产FRAM的时间已经超过10年。我们从1999年开始量产，15年已经累计销售达到25.8亿片FRAM产品。去年我们扩展了大容量的FRAM产品线，在市场上受到广泛好评。”松宫正人先生表示。

宽泛的FRAM产品线——涵盖SPI、IIC、并行接口，容量向8Mb迈进

如下图3所示，富士通半导体提供宽泛的FRAM产品，容量从4Kb到4Mb，涵盖SPI和IIC串行接口、并行接口。采用串行接口的FRAM可以替代EEPROM或串行闪存，而采用并行接口的FRAM产品可以代替低功耗SRAM或PSRAM (Pseudo SRAM)。

图3.富士通半导体 FRAM产品线涵盖SPI、IIC、并行接口。

“唯一的不足是目前的最大容量只能支持到4Mbit，未来富士通半导体还会不断推出更多新品，逐步实现大容量化。我们已经在着手研发8Mb的产品。”松宫正人透露。

而在封装方面，目前FRAM基本可以直接替换EEPROM，如下图4所示，FRAM的封装和EEPROM的封装是完全兼容的。

图4. FRAM单体存储器封装系列。

此外，FRAM的成本问题是所有使用者所关心的一个除了性能以外最重要的因素。FRAM的价格和存储容量相关，容量不同，价格不同。现在FRAM和EEPROM一般的价格差距在2～5倍，而在大容量方面，例如1M～2M的FRAM和EEPROM的价格差距就只有1～2倍，未来随着FRAM的市场不断扩大，其成本会逐渐接近EEPROM，这样FRAM就可被更多的用户接受。

另一方面，掌握着从FRAM的研发,设计到量产及封装的整个流程，加上多年的经验，富士通半导体因而能始终保证FRAM产品的高质量和稳定供应。富士通半导体还在低功耗制造工艺上不断创新，进一步降低成本价格，实现大容量化。

“在要求高可靠性，高速/高耐久性数据读写，低功耗，抗辐射等这些人命关天的医疗设备中，FRAM将得到100%的应用。” 松宫正人先生表示。

实例分享——为医疗电子应用增添实用价值

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。而使用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备用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。下面将通过实例来讲述使用FRAM带来的好处。

图5. FRAM单体存储器在医疗器械领域的应用

首先，在CT扫描机中使用FRAM，不用更换电池。早在3、4年前就有设备制造商开始在CT扫描机中使用FRAM。不同的制造商在设备内部使用FRAM的目的是不一样的，目的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因为反复使用而恶化，这些元器件必须定期更换。在这些地方，FRAM被用作控制系统的存储器设备，用来记录设备工作了多少小时和受到辐射的数量。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。另一方面，FRAM还非常适于在CT中用作扫描回转数，断层扫描信息的存储器。

其次，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，监护仪就会发出警报声。

“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。” 松宫正人先生说。

第三，当FRAM用于呼吸机(CPAP)中，同样无需后备电池。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。

松宫正人先生还指出：“目前，自动CPAP使用SRAM存储数据，但使用FRAM就不需要为保存SRAM上的数据所需要的电池。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。”

最后，在助听器中使用FRAM能够降低更换电池的频率和减少噪声。现在的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，相比使用EEPROM来记录信息，使用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。

在RFID标签上使用FRAM——助力RFID IC进入医疗领域

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。

图6. 富士通半导体FRAM RFID产品系列一览。

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。由于放射线会使采用内置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。

如上图7所示为富士通半导体展台现场展示的搭载FRAM的RFID芯片，此类电子标签具有大容量存储(UHF容量分别为36bytes、4Kbytes;HF容量分别为256bytes 、2Kbytes、9Kbytes)、高速写入、高耐久性(静态功耗小于1uA)、耐放射线性、嵌入式RF(具有SPI串口，可实现与微处理器的连接)的特点。

为中国市场提供技术支持——提高FRAM在中国市场认知度

“去年，我们在RFID产品上花了很多功夫，也取得了一定的成绩。而如何将RFID在中国普及开来，这对我们是很大的挑战，但同时也是我们的市场机遇。”松宫正人先生说，“因为RFID是根据客户使用的场景不同而做的设计，这意味着即使从日本拿完全一样的系统过来，中国客户也不能直接用。所以，富士通半导体及其合作伙伴可以根据中国客户的要求提供各个层面的技术支持。”

此外，虽然FRAM在医疗领域目前已经商用了，但是从广泛性的角度来看它还处于起步阶段。相比日本和欧洲市场，FRAM在中国市场的认知度还有待提高。松宫正人先生最后表示：“FRAM是非常好的存储器，希望更多的中国客户能了解和体验到它的优势和功能。”