【晒FRAM铁电存储器样片】+ 使用心得之深入认识富士通FRAM 富士通, 存储器, 中心

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一 FRAM简介



FRAM即铁电存储器。 FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此FRAM保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性，与电磁作用无关，所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件（诸如磁场因素）的影响，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。 FRAM的特点是速度快，能够像RAM一样操作，读写功耗极低，不存在如E2PROM的最大写入次数的问题；但受铁电晶体特性制约，FRAM仍有最大访问（读）次数的限制。 FRAM存储单元结构：
FRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成，但这个电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。前期的FRAM的每个存储单元使用2个场效应管和2个电容，称为“双管双容”（2T2C），每个存储单元包括数据位和各自的参考位。
FRAM具有两种特性：非易失性，即使关闭电源也能保存数据；随机存取，可以快速写入数据。即使发生突然电源故障和停电时，FRAM也可以安全存储正在写入的数据，所以可以在断电前保证立刻保护芯片信息和存储数据，这点是最为重要的。凭借该能力，自从1999年量产后，富士通半导体的FRAM产品一直广泛应用于工业自动化设备、测量设备、银行终端以及医疗设备等。对于包括智能电表和其它测量设备、工业机械以及医疗设备（如助听器），所有的这些设备都需要带串口的1-2 Mbit非易失存储器－现在可以使用富士通半导体的新型FRAM产品取代传统的EEPROM。在快速写入方面的改善可以使性能更高，同时可使由于电压突然下降或者停电引起的数据丢失风险降至最低。针对写入时所消耗的电量，新产品比EEPROM少消耗92%的电量，可以延长电池寿命。
正因为FRAM的这些优点，在某些重要场合中，用来代替EEPROM存储数据更合适。特别是对于工业仪器仪表，医疗电子领域更为重要。

二FRAM与EEPROM、Flash memory的性能比较：

FRAM 存储单元的基本原理是铁电效应，是应用铁电薄膜的自发性极化形式储存的铁电存储器件，由于FRAM通过外部电场控制铁电电容器的自发性极化，与通过热电子
注入或隧道效应而完成写入动作的EEPROM以及Flashmemory相比，FRAM具有写入速度快（为EEPROM、Flash的1000倍以上），因为它在擦写时不需要高压，因此写入时的功耗大为降低（为 EEPROM、Flash的1/1000 - 1/100000），尤其适合用于非接触卡或双界面卡等低功耗的应用场合。另外，由于不需要使用隧道氧化膜，其数据的重写次数，与flashmemory和EEPROM相比也大大提高（EEPROM或flash 为10 5 - 10 6 ，FRAM可以达到10 12 以上）。


下表给出了 FRAM 和Flash Memory、EEPROM的性能对比：

技术类型	FRAM	EEPROM	Flash memory
数据储存	10年	10年	10年
单元结构	2T/2C、1T/1C	2T	1T
单元大小	中等	中等	小
写入电压	2 - 5V	12--18V	10--12V
重写次数	10 10 --10 12	10 5 - 10 6	10 5 - 10 6
平均功耗	低	中等	中等

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三、总结的FRAM应用场合：
1、医疗电子：呼吸机（CPAP Machine）、输液泵（Infusion Pump）、胰岛素注射泵（Insulin Injection Pump）、监护仪（Patient Monitor System，PMS）、有线内视镜（Wired Endoscope）血氧测定仪（Pulse Oximetry）、生理分析仪表（血糖仪/尿液分析仪）、胶囊内镜（Capsule Endoscope）、便携式心电图仪、扫描仪CT-Scanner。
应用特点：节能环保（FRAM无需电池，无需大电容）、储存结构参考数据，执行参数（FRAM的高可靠性）、FRAM高速读写/高读写耐久性，实现实时频繁记录。
2、仪器仪表：

称重仪：需要存储报表,内部有管理功能,


流量计:刮板流量计/超声波流量计:分时累计流量的报表数.
电表: 1度电=3200脉冲,
水表/汽表:电池供电(要求低功耗)
停车咪表:存储停车时间和费用的报表
集中抄表:记录各脉冲电表的用电量(1度电=3200脉冲)
工业绣花机
记录相位(步进电机的轨迹)
工业雕刻机
记录相位(步进电机的轨迹)
工业绕线机
记录绕线次数记录,二次程序开发
工业采集电脑 记录采集的数据,防止瞬间掉电,保护其他存储器
工业数字仪表
如硬度计 加速度计，记录各种采集的数据
电池检测控制器 记录电池的充放电的曲线参数
工业PLC
记录系统运动轨迹
变送器(传感器) 存储配置参数
应用特点：擦写次数,速度快,性能好



汽车行驶记录仪：汽车行驶记录仪中的数据包括二个部分，一部分为汽车实时数据(存放汽车发生事故前后的数据)，另一部分为汽车历史数据(存放汽车和司机的行驶状况)。国标要求最大0.2 秒采集一次数据,以20 秒为一个存储单位, 实时数据需要存储10 次20 秒的数据,也就是说实时数据需要存储200 秒的数据。由于EEPROM 和FLASH 的擦写次数的限制,检测的数据量不能实时写入其中,只能存储在SRAM中,当到一定的时间或检测到掉电后再把数据写入EEPROM和FLASH中,EEPROM,存储实时数据,Flash存储历史数据.此设计的特点:价格可能比较便宜,但是性能很不可靠,发生事故时可能整个系统都没有电,当系统检测到掉电时,再把SRAM 的数据写入EEPROM 和FLASH 中,已经没有时间。所以采用FRAM器件是理想选择。

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四、总结：

在以往产品开发过程中，大量的数据采集对于工程师来说一直是件头疼的事情。数据需要不断地高速写入，传统的存储技术如EERPOM、Flash的写入寿命和读写速度往往不能满足其要求，而FRAM（铁电随机存取存储器）的推出使得这些问题迎刃而解。

和传统的存储技术相比，FRAM在对需要非易失性、高速读写、低功耗、高读写耐久性和抗辐射性这些综合性能的应用领域表现出众、口碑良好。FRAM的特点是
速度快，能够像RAM一样操作，读写功耗极低，不存在如EEPROM的最大写入次数的问题，是一种高可靠性的存储器，目前在仪器仪表、汽车电子、医疗电子、工业控制等领域有广泛应用。

过段时间，将详细测试MB85RC64芯片的各项性能，并计划应用到一个硬度仪样机的样机中进行稳定性测试。