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，同時對半導(dǎo)體存儲器的容量要求也隨之增長。本文概述了在設(shè)計新一代安全氣囊系統(tǒng)存儲方案時應(yīng)該考慮的問題。

目前汽車安全氣囊系統(tǒng)引入了兩項主要的創(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大受那些曾有過普通安全氣囊沖擊而造成不愉快經(jīng)驗人士的歡迎。智能型氣囊還能識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“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，因為 EDR 沒有飛機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立式的 EDR。

這兩種安全氣囊存儲應(yīng)用對存儲器的要求都相當(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器。事故重建意味著事故前后的相關(guān)數(shù)據(jù)必須存儲在系統(tǒng)可寫入的可靠的非易失性存儲器中。

在“智能安全氣囊”系統(tǒng)上ECU 設(shè)計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也需要乘客信息。新型的智能安全氣囊系統(tǒng)對存儲器有獨特的要求，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)存儲需要能夠遠比傳統(tǒng)閃存寫入更頻繁的存儲技術(shù)。

EDR 技術(shù)的關(guān)鍵在于所需的數(shù)據(jù)量及存儲這些數(shù)據(jù)所需要的時間。新的規(guī)范將大大擴展需要采集的數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重事故時，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，供電可能會突然失去，而傳統(tǒng)的非易失性存儲解決方案需要很長的時間來對新信息進行寫入。

非易失性鐵電存儲器 (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存儲器。這些器件可以在很高的總線接口速度下進行寫操作，具有超過1萬億次 (1后面12個零！) 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數(shù)據(jù)，幾乎沒有信息丟失的風(fēng)險。FRAM具備的非易失性特點、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)的理想存儲器。

以前汽車應(yīng)用中所用的主要非易失性存儲技術(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)計要求的復(fù)雜性日益增加，浮柵存儲技術(shù)的局限性越來越明顯。例如，它的編程處理需要數(shù)毫秒ms時間，這對高安全性的應(yīng)用來說已經(jīng)是非常長的時間了。在碰撞事件中，電源迅速丟失，幾乎沒有信息能夠及時保存到浮柵器件中。

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天中就會達到使用壽命。若是把數(shù)據(jù)緩沖到RAM中，在斷電時再寫入到浮柵非易失性存儲器中，又會在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，不僅必需存儲碰撞事故中的數(shù)據(jù)，還需要存儲事故發(fā)生前的數(shù)據(jù)。利用滾動日志來存儲碰撞前的數(shù)據(jù)是很理想的方法，但對浮柵存儲器件而言，這種解決方案已證實存在問題，因為它們的擦寫次數(shù)有限。由于安全氣囊模塊具有很大的電容，以便存儲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器的寫入速度。典型2K byte浮柵存儲器的寫入速度可以達到約每5us 寫入4 字節(jié)。故而，要寫入整個浮柵存儲器可能需要1秒多的時間。

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)計及制造技術(shù)結(jié)合在一起，推出了非易失性存儲器和模擬/混合信號產(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，并在掉電時能夠安全存儲數(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器那樣把數(shù)據(jù)作為電容上的電荷來存儲，F(xiàn)RAM是把數(shù)據(jù)存儲在鐵電晶體內(nèi)。

當(dāng)在鐵電晶體上施加一定電場時，晶陣的中心原子在電場作用下沿電場方向在晶體內(nèi)運動，它通過一個能量壁壘(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)置存儲器。電場消失后，中心原子會保持在原來的位置，從而保存存儲器的狀態(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存儲器不需要定期刷新，掉電后仍然會保存數(shù)據(jù)。它的速度很快，而且實際沒有壽命限制。這些特性使它完全能夠以極小的時間間隔寫入數(shù)據(jù)，從而確保所保存狀態(tài)的正確性。例如，一個16-Kbit (2K byte) 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25,000小時。

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存取存儲器 (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。