FRAM技術(shù)為智能安全氣囊系統(tǒng)提供“智能性”

　　汽車安全系統(tǒng)在未來數(shù)年間將變得越來越趨于精密。這一趨勢會(huì)影響到attach rate 以及安全氣囊系統(tǒng)和汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的的復(fù)雜程度。隨著這些系統(tǒng)中的電子部分越來越重要，同時(shí)對半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的容量要求也隨之增長。本文概述了在設(shè)計(jì)新一代安全氣囊系統(tǒng)存儲(chǔ)方案時(shí)應(yīng)該考慮的問題。

　　目前汽車安全氣囊系統(tǒng)引入了兩項(xiàng)主要的創(chuàng)新技術(shù)。第一，新型的安全氣囊系統(tǒng)增加了“智能性”：不同于以往系統(tǒng)一律采用最大的展開力。仿佛所有的事故和乘客都是一模一樣的，新系統(tǒng)是根據(jù)事故和乘客的具體參數(shù)來決定氣囊的展開力度。這些參數(shù)可能包括碰撞的嚴(yán)重程度、乘客的體重和座椅相對氣囊的位置等。這種可變的展開力將會(huì)大受那些曾有過普通安全氣囊沖擊而造成不愉快經(jīng)驗(yàn)人士的歡迎。智能型氣囊還能識(shí)別乘客座椅是否空置，以決定需不需要使用乘客安全氣囊?？紤]到每輛車的安全氣囊數(shù)目正在增多加上即使發(fā)生小事故也必需更換的成本支出，這種創(chuàng)新的技術(shù)將有助于用戶省下相當(dāng)可觀的維修和保險(xiǎn)成本。

　　第二，越來越多的車輛安裝了事故數(shù)據(jù)記錄儀 (EDR)，用來收集碰撞相關(guān)的信息，類似于飛機(jī)“黑匣子”。EDR 功能一般被包含在安全氣囊電子控制單元 (ECU) 中。這樣置配很自然，因?yàn)?EDR 沒有飛機(jī)黑匣子的那種存活性要求，安全氣囊控制器主要是接收各個(gè)重要傳感器的輸入信息。而車輛制造商也指出沒有空間安裝獨(dú)立式的 EDR。

　　這兩種安全氣囊存儲(chǔ)應(yīng)用對存儲(chǔ)器的要求都相當(dāng)高，但彼此差異很大。鑒于在嚴(yán)重的事故中，系統(tǒng)很有可能掉電，因此都需要非易失性存儲(chǔ)器。事故重建意味著事故前后的相關(guān)數(shù)據(jù)必須存儲(chǔ)在系統(tǒng)可寫入的可靠的非易失性存儲(chǔ)器中。

　　在“智能安全氣囊”系統(tǒng)上ECU 設(shè)計(jì)人員希望針對具體的事故采用合適的展開力。這就不僅需要加速度信息同時(shí)也需要乘客信息。新型的智能安全氣囊系統(tǒng)對存儲(chǔ)器有獨(dú)特的要求，即需要把直到事故發(fā)生前的乘客信息都記錄下來，其中包括座椅位置和乘客體重。為了在事故之前能夠獲得有關(guān)乘客情況的可靠記錄，就必需連續(xù)存儲(chǔ)信息。送往安全氣囊 ECU 的參數(shù)數(shù)據(jù)是由車輛內(nèi)部的加速度傳感器和傳感器產(chǎn)生的。這種連續(xù)存儲(chǔ)需要能夠遠(yuǎn)比傳統(tǒng)閃存寫入更頻繁的存儲(chǔ)技術(shù)。

　　EDR 技術(shù)的關(guān)鍵在于所需的數(shù)據(jù)量及存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。新的規(guī)范將大大擴(kuò)展需要采集的數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，極有可能出現(xiàn)掉電情況。對于這種情況，EDR 系統(tǒng)必須趕在系統(tǒng)電源失去之前把數(shù)據(jù)保存下來。事故中，供電可能會(huì)突然失去，而傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)解決方案需要很長的時(shí)間來對新信息進(jìn)行寫入。

　　非易失性鐵電存儲(chǔ)器 (FRAM) 便提供了能解決上述需求的技術(shù)能力。它和其它非易失性方案一樣都能提供可靠的非易失性存儲(chǔ)能力，特別出眾之處在于它的可擦寫次數(shù)非常多，寫入速度也極快。

　　安全氣囊應(yīng)用中最常選用帶有串行外設(shè)接口 (SPI) 的5V工作電壓FRAM存儲(chǔ)器。這些器件可以在很高的總線接口速度下進(jìn)行寫操作，具有超過1萬億次 (1后面12個(gè)零！) 的擦寫次數(shù)，足以讓智能安全氣囊連續(xù)寫入，以提供無縫的乘客數(shù)據(jù)記錄。串行速度可以從5MHz 到 20MHz間的FRAM 且無延遲寫操作能夠讓主處理器盡可能快地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，幾乎沒有信息丟失的風(fēng)險(xiǎn)。FRAM具備的非易失性特點(diǎn)、無限的擦寫次數(shù)，以及快速數(shù)據(jù)寫入能力，是下一代安全氣囊系統(tǒng)的理想存儲(chǔ)器。

　　以前汽車應(yīng)用中所用的主要非易失性存儲(chǔ)技術(shù)是浮柵器件，如EEPROM或閃存。浮柵器件通過一層SiO2薄膜把多晶硅柵與溝道隔離開來。要對器件進(jìn)行編程，需在控制柵上產(chǎn)生很高的電壓，使得電子可獲得足夠的動(dòng)能，穿透隔離層，將電子 (N溝道器件) 加速到源極。 (見圖1)。

　　溝道中形成了一個(gè)耗盡區(qū)，這樣，在特定的柵極電壓下，已被編程的部分被置于“off (較高阻抗)”，而沒有被編程或沒有被擦寫的器件為“on (較低阻抗)”。

　　隨著汽車設(shè)計(jì)要求的復(fù)雜性日益增加，浮柵存儲(chǔ)技術(shù)的局限性越來越明顯。例如，它的編程處理需要數(shù)毫秒時(shí)間，這對高安全性的應(yīng)用來說已經(jīng)是非常長的時(shí)間了。在碰撞事件中，電源迅速丟失，幾乎沒有信息能夠及時(shí)保存到浮柵器件中。

　　編程處理還對隔離層具有破壞性，因此這類器件的擦寫次數(shù)很有限，一般在10萬次到100萬次之間。就乘客傳感器而言，數(shù)據(jù)更新的次數(shù)即使是對上限100萬次來說也太頻繁了。對于一般的每秒一次的寫入速度要求，浮柵器件使用不到12天中就會(huì)達(dá)到使用壽命。若是把數(shù)據(jù)緩沖到RAM中，在斷電時(shí)再寫入到浮柵非易失性存儲(chǔ)器中，又會(huì)在EDR中產(chǎn)生寫入速度問題，因此并非真正有效的解決方案。

　　在智能安全氣囊系統(tǒng)中，不僅必需存儲(chǔ)碰撞事故中的數(shù)據(jù)，還需要存儲(chǔ)事故發(fā)生前的數(shù)據(jù)。利用滾動(dòng)日志來存儲(chǔ)碰撞前的數(shù)據(jù)是很理想的方法，但對浮柵存儲(chǔ)器件而言，這種解決方案已證實(shí)存在問題，因?yàn)樗鼈兊牟翆懘螖?shù)有限。由于安全氣囊模塊具有很大的電容，以便存儲(chǔ)足夠的能量來激活安全氣囊，故在事故發(fā)生之后可能有足夠的殘余電量把緩沖器中的數(shù)據(jù)寫入到非易失性存儲(chǔ)器中。能夠?qū)懭氲臄?shù)據(jù)量取決于尚可用的電量，也即電容中的殘余能量和存儲(chǔ)器的寫入速度。典型2K byte浮柵存儲(chǔ)器的寫入速度可以達(dá)到約每5ms 寫入4 字節(jié)。故而，要寫入整個(gè)浮柵存儲(chǔ)器可能需要1秒多的時(shí)間。

　　FRAM能夠提供極高的擦寫次數(shù)和速度，有效解決了上述問題。Ramtron的 FRAM技術(shù)把鐵電材料和標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)及制造技術(shù)結(jié)合在一起，推出了非易失性存儲(chǔ)器和模擬/混合信號(hào)產(chǎn)品。這些產(chǎn)品具有快速讀/寫性能、幾乎無限的擦寫次數(shù)和靜態(tài)RAM (SRAM) 的超低功耗，并在掉電時(shí)能夠安全存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這些都是標(biāo)準(zhǔn)RAM技術(shù)所無法提供的功能。

　　FRAM單元采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造，通過兩個(gè)電極板之間的鐵電晶體來形成電容，類似于DRAM電容的構(gòu)造。但是不像一般的易失性存儲(chǔ)器那樣把數(shù)據(jù)作為電容上的電荷來存儲(chǔ)，F(xiàn)RAM是把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在鐵電晶體內(nèi)。

　　當(dāng)在鐵電晶體上施加一定電場時(shí)，晶陣的中心原子在電場作用下沿電場方向在晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，它通過一個(gè)能量壁壘 (energy barrier) 造成電荷尖峰。內(nèi)部電路感測到這一電荷尖峰，并且設(shè)置存儲(chǔ)器。電場消失后，中心原子會(huì)保持在原來的位置，從而保存存儲(chǔ)器的狀態(tài)。(見圖2)。



　　鐵電薄膜放在CMOS基層之上，并置于兩電極板之間，使用金屬互連并鈍化后完成鐵電制造過程。(見圖3)。

　　所以，F(xiàn)RAM存儲(chǔ)器不需要定期刷新，掉電后仍然會(huì)保存數(shù)據(jù)。它的速度很快，而且實(shí)際沒有壽命限制。這些特性使它完全能夠以極小的時(shí)間間隔寫入數(shù)據(jù)，從而確保所保存狀態(tài)的正確性。例如，一個(gè)16Kb (2KB) 的器件可以超低功耗在3.3 微秒內(nèi)被寫入。另外，它能夠每秒刷新10,000次 (每100微秒寫一次)，工作壽命長達(dá)25,000小時(shí)。

　　最近，韓國現(xiàn)代汽車 (Hyundai Autonet) 決定在它的下一代智能安全氣囊系統(tǒng)中采用非易失性鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (FRAM)，這正是FRAM技術(shù)的優(yōu)勢被頂尖汽車系統(tǒng)供應(yīng)商逐步接受并用于高安全性應(yīng)用的又一有力明證。而現(xiàn)代汽車是繼美國、亞洲、日本和歐洲另外8家汽車制造商之后，選用FRAM技術(shù)來為智能安全氣囊系統(tǒng)和相關(guān)的碰撞事故數(shù)據(jù)記錄儀提供“智能性”的又一家知名公司。