FRAM技术为智能安全气囊系统提供“智能性”

shanshen

汽车安全系统在未来数年间将变得越来越趋于精密。推动这一重要规格的趋势将会同时冲击安全气囊系统的数据捕捉率和精密度以及控制系统的稳定性。
      两项主要创新技术


      目前汽车安全气囊系统引入了两项主要的创新技术。

      第一，新型的安全气囊系统增加了「智能性」，不同于以往系统一律採用最大的展开力，好像所有的事故和乘客都是一模一样的。新系统是根据事故和乘客的具体参数来决定气囊的展开力度。这些参数可能包括碰撞的严重程度、乘客的体重和座椅相对气囊的位置等。这种可变的展开力将会大受那些曾有过普通安全气囊冲击而造成不愉快经验的人士欢迎。智能气囊还能识别乘客座椅是否空置，以决定需不需要展开乘客安全气囊。

      第二，越来越多的车辆安装了事故数据记录仪（EDR），是以用来收集碰撞相关的资讯，类似于飞机「黑匣子」。EDR功能一般被包含在安全气囊电子控制单元（ECU）中。这种置配很自然，因为EDR没有飞机黑匣子的那种存活性要求，安全气囊控制器主要是接收各个重要感测器的输入资讯。而车辆製造商也指出没有空间安装独立式的EDR。

      这两种安全气囊储存应用都有记忆体需求，但彼此差异很大。鉴于在严重的事故中，系统很有可能掉电，因此都需要非挥发性记忆体。

      独特记忆体用于新安全气囊


      在「智能安全气囊」系统上ECU设计人员希望针对具体的事故採用合适的展开力。这就不仅需要加速资讯，同时也需要乘客资讯。新型的智能安全气囊系统对记忆体有独特的要求，即需要把直到事故发生前的乘客资讯都记录下来，其中包括座椅位置和乘客体重。为了在事故之前能够获得有关乘客情况的可靠记录，就必需连续储存资讯。送往安全气囊ECU的参数资料是由车辆内部的加速感测器和感应器产生的。这种连续储存需要能够远比传统快闪记忆体写入更频繁的记忆体技术。

      EDR技术的关键在于所需的资料量及储存这些资料所需要的时间。新的规范将大大扩展需要採集的资料。当发生严重事故时，极有可能出现掉电情况。对于这种情况，EDR系统必须赶在系统电源失去之前把资料保存下来。事故中，供电可能会突然失去，而传统的非挥发性储存解决方桉需要很长的时间来对新资讯进行写入。

      非挥发性铁电记忆体


      非挥发性铁电记忆体（FRAM）便提供了能解决上述需求的技术能力。它和其他非挥发性方桉一样都能提供可靠的非挥发性储存能力，特别出众之处在于它的可读写次数非常多，写入速度也极快。

      安全气囊应用中最常选用带有串列外设界面（SPI）的5V工作电压FRAM记忆体。这些器件具有超过1万亿次（1后面12个零）的擦写次数，足以让智能安全气囊连续写入，以提供无缝的乘客资料记录。这些器件也可以在汇流排界面速度下进行写操作，速度可以从5MHz到20MHz搭配无延迟（NoDelay?）写操作能够让主处理器尽可能快地储存资料，几乎没有资讯丢失的风险。FRAM具备的非挥发性特点、无限的擦写次数，以及快速资料写入能力，是下一代安全气囊系统的理想记忆体。

      采用标准CMOS制程制造


      FRAM单元採用业界标准CMOS製程製造，通过两个电极板之间的铁电晶体来形成电容，类似于DRAM电容的构造。但是不像一般的挥发性记忆体那样把数据作为电容上的电荷来储存，FRAM是把数据储存在铁电晶体内。当在铁电晶体上施加一定电场时，晶阵的中心原子在电场作用下沿电场方向在晶体内运动，它通过一个能量壁垒（energy barrier）造成电荷尖峰。内部电路感测到这一电荷尖峰，并且设置记忆体。电场消失后，中心原子会保持在原来的位置，从而保存记忆体的状态。

      所以，FRAM记忆体不需要定期刷新，掉电后仍然会保存数据。它的速度很快，而且实际没有寿命限制。这些特性使它完全能够以极小的时间间隔写入数据，从而确保所保存状态的正确性。例如，一个16-Kbit（2K byte）的器件可以超低功耗在3.3毫秒内被写入。另外，它能够每秒刷新10,000次（每100微秒写一次），工作寿命长达25,000小时。

      最近，韩国现代汽车（Hyundai Autonet）决定在它的下一代智能安全气囊系统中採用非挥发性铁电随机存取记忆体（FRAM）。而现代汽车是继美国、亚洲、日本和欧洲另外8家汽车製造商之后，选用FRAM技术来为智能安全气囊系统和相关的碰撞事故资料记录仪提供「智能性」的又一家知名公司。

       以前汽车应用中所用的主要非挥发性储存技术是浮栅器件，如EEPROM或快闪记忆体。浮栅器件通过一层SiO2 薄膜把多晶硅栅与沟道隔离开来。要对器件进行编程，需在控制栅上产生很高的电压，使得电子可获得足够的动能，穿透隔离层，将电子（N沟道器件）加速到源极。沟道中形成了一个消耗区，这样，在特定的栅极电压下，已被编程的部分被置于「off（较高阻抗）」，而没有被编程或没有被擦写的器件为「on（较低阻抗）」。

      随着汽车设计要求的複杂性日益增加，浮栅储存技术的局限性越来越明显。在智能安全气囊系统中，不仅必需储存碰撞事故中的数据，还需要储存事故发生前的数据。由于安全气囊模组具有很大的电容，以便储存足够的能量来启动安全气囊，故在事故发生之后可能有足够的残馀电量把缓冲器中的数据写入到非挥发性记忆体中。能够写入的数据量取决于尚可用的电量，也即电容中的残馀能量和记忆体的写入速度。典型2K byte浮栅记忆体的写入速度可以达到约每5ms写入4位元组。因此，要写入整个浮栅记忆体可能需要超过1秒以上的时间。

       Ramtron的FRAM技术把铁电材料和标准半导体晶片设计及製造技术结合在一起，推出了非挥发性记忆体和模拟∕溷合信号产品。这些产品具有快速读∕写性能、几乎无限的擦写次数和静态RAM（SRAM）的超低功耗，并在掉电时能够安全储存数据，这些都是标准RAM技术所无法提供的功能。

       铁电薄膜放在CMOS基层之上，并置于两电极板之间，使用金属互连并钝化后完成铁电製造过程。