用FRAM RFID改善医疗灭菌过程

    医院和医疗机构正面临在使用、消毒、储存和销毁医疗设备和用品的过程中如何记录的难题。首先，医疗和设备供应商必须确保他们的医疗设备和用品从制造到被专业医护人员使用的整个过程中做到安全和无菌。如今，医护人员还需要一种防患于未然的方法，记录这些设备在医疗机构内的使用情况。这种记录对于确保医疗设备和医疗用品的清洁和无污染非常必要。

    现在，富士通(Fujitsu)公司的铁电随机存取存储器(FRAM)结合射频识别(RFID)技术，正在简化确保这些关键产品的安全这一过程。RFID技术为医疗用品提供了一种快捷和高效的电子方法来跟踪和保存使用记录，然而大部分RFID技术缺乏医疗环境中所需的耐久性和可靠性。例如，医疗机构常用的伽玛射线灭菌方法会破坏标准的RFID标签。

    本文将介绍富士通的FRAM RFID技术。该技术将高性能和高容量的RFID跟踪能力与抗辐射特性相结合，能够承受伽玛射线灭菌(图1)。

图1：富士通RFID芯片提供了24pF和96pF的阻抗选项，能够实现更简单的标签设计以适应各种形态。

富士通FRAM RFID的优势

    通过电子方式管理材料和资产已经成为必然趋势而不仅是一个参考，RFID的应用将成指数增长。标签物品和远程数据库之间的数据完整性已经成为至关重要的管理问题。在物品所附的RFID标签中本地储存基本信息比起完全依赖只能通过在线网络访问的后端数据库更为明智。

    这是富士通FRAM RFID技术的核心优势。富士通FRAM RFID既可以被附加在各种移动物品上，也可以应用在固定设施上。医生、护士和医院的工作人员都可以第一时间看到这些信息，而不再需要依赖于保存在其他地方的记录(图2)。

图2：FRAM RFID可以在第一时间向医生、护士以及医务工作人员提供重要信息。即便标签受到污染或难以认清，RFID也能无线传输标签中的准确数据。

    与仅提供识别的RFID相比，富士通的大容量RFID可以包含更多信息，并且可以与读写器实现更多互动。这些RFID本质上来讲是具有唯一识别码(UID)的移动数据库。

    对移动物品而言，RFID的标签功能远远超出条形码的功能。由于RFID的存储器容量增加了，储存的信息可以包括详细的产品信息、使用说明或其它历史记录，由此可以在供应链乃至整个生命周期中追踪该物品。用户几乎可以随时随地离线查询，在第一时间获得所查物品的重要信息。

    FRAM的另一个主要优势是抗辐射性，这在涉及CT扫描X射线、用于消毒的紫外线和伽马射线等医学和生物处理领域的RFID应用中显得至关重要。如前所述，FRAM对辐射有很强的耐受性。基于FRAM的RFID可以轻松通过标准的医疗灭菌过程，而基于E2PROM的RFID在这一过程会被擦除(图3)。为了实现这些应用以及其他更多的RFID应用，富士通提供的基于FRAM的高频(13.56MHz)RFID产品符合ISO/IEC 15693和ISO/IEC18000-3标准。这些器件具有256B和2kB两种不同的内存选择。这些高频RFID可以在不同应用领域的感应卡或标签中广为使用，包括工厂自动化、资产追踪以及医疗用途。

图3：FRAM比EEPROM更耐辐射。

消毒方法

    高压灭菌器是相对便宜的小型消毒设备，通常在医院和诊所用于对无需深度清洁的物品进行现场消毒，比如剪刀、钳子、医疗袍服和夹具。高压灭菌时，需要消毒的物品暴露在约125℃的高压蒸汽或水中经过一段设定的时间进行消毒。高压灭菌器为许多诊所提供简便的消毒过程，然而却无法做到去除所有有害物质的深度清洁。

    其它受欢迎的消毒方法有电子束灭菌、环氧乙烷(EtO)气体灭菌和伽马射线灭菌，它们都已经使用了很长一段时间。在产品被送往终端用户(如医院和医疗机构)之前，伽马射线消毒经常用在器械、试管和酶这些产品的制造过程当中。伽马射线消毒在很大程度上是在受控环境下制造过程的一部分。

    这种方法有几大优点。由于伽马射线具有高穿透性，产品可以在包装后、在大箱子中或在托盘中进行常温消毒。物品的消毒实际上被安排在生产过程的最后一步，这样往往可以节省生产过程中昂贵的清洁室费用。

    辐射量取决于物品的原始微生物状况和期望达到的安全水平。通常需要约20kGy的辐射量(kGy是电离辐射所吸收辐射量的国际度量单位)。

    由于辐射会产生危害，消毒过程需要严格监管。辐射设施价格昂贵，而且通常由专业机构运作。

FRAM和FRAM RFID简介

    FRAM将闪存和E2PROM的非易失性特点与SRAM类似的性能相结合，为独立存储器芯片和嵌入式存储器带来了一系列独一无二的优点。富士通开创了FRAM技术，并在该领域耕耘了超过10年，FRAM在对需要非易失性存储、高安全性、高速、低功耗、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的应用包括智能卡、RFID标签和航空航天设备，但最引人注目的应用领域是医疗领域。

    和非接触式智能卡类似，RFID标签通过射频电磁场与阅读器进行数据传输。FRAM非常适合用于智能卡，同样，它也是RFID的理想选择：快速数据写入、低功耗、高耐久性。为充分发挥FRAM的独特优势，富士通将重点放在具有大容量内存的高性能RFID上。

使用RFID标签跟踪灭菌产品并扩展内存容量

    培育酶、培养物、疫苗和药物需要无污染的环境，连接器、试管和容器等设备都需要仔细对待并保持清洁。富士通RFAM RFID为医疗环境中的这类严重问题提供了解决方案。

    有许多方法可以杀死细菌、真菌及病毒等微生物。最常见的方法是在高压灭菌器中通过热量和高压进行杀菌。在生产过程中杀菌有一种更精细的方法——用伽马射线或电子束照射或用EtO气体处理杀菌。

    用这些方法消毒的产品需要进行跟踪。通常情况下会使用一个简单的标记(例如，当已被使用时，化学指示剂会改变颜色)标识该物品已消毒。有时候物品本身没有任何标记，但是其包装上却有(比如覆盖注射器的塑料包装袋)。问题是使用现有的标识手段很难防止已消毒产品重复使用的发生。

    在这一过程中RFID技术非常有用。RFID在物流中已应用了很长一段时间，通过一个类似于条形码标签的唯一识别码来实现电子RFID的作用。然而，RFID标签和条形码不同的是，它可以通过空中接口来读取。这一非接触式接口无需传统条形码所需的视线和直接光学接触。例如，RFID技术的重要特性——防撞结构可以清楚地识别RF场附近的许多RFID。因此，无需开启或拆开外部包装，就可以跟踪和识别相关的产品或物件。

    电子RFID标签有了大容量的存储空间后，就可以存储除标签上简单ID码之外的更多数据(图4)。数据可以在生产过程中写入(如批号、生产日期和失效日期)，也可以贯穿整个供应链过程(如出厂日期、杀菌日期和物流合作伙伴名称)。

图4：更大容量的RFID可以使重要数据(除了简单的ID)被离线读出。

    医疗器械和产品尤其需要得到可靠的识别，而它们的治疗和生产过程也要得到记录。监测和检查流程可以包括在物流操作中，以防假冒产品和保证产品的可靠性。RFID可以用来确保经授权的一次性部件恰到好处地连接到相应的设备，尽量减少被误用的潜在风险。RFID可以连接到一次性部件，必须通过连接设备中的阅读器来验证，确保使用的是经过授权的部件。

    RFID还有一个优点，就是如果没有RFID，就没有便捷的方式来追踪经消毒的设备是否被重新使用。RFID有助于防止再次使用，这是因为RFID中的数据不能被用户或其他医疗工作人员轻易更改。

    不过，基于E2PROM的传统RFID产品面临着一个重大缺陷，即它们无法承受辐射过程。内存的内容经照射会被擦除或损坏。为了充分发挥RFID在医疗应用方面的优势，有必要将伽玛射线照射过程同采用铁电技术的RFID技术融合在一起。这就是富士通FRAM技术的用武之地。

    同传统的非易失性存储器、闪存以及E2PROM相反的是，FRAM内存的内容并非以“浮栅”电荷载体的形式存储。而信息(逻辑“0”或“1”)则包含在铁电材料锆钛酸铅(PZT，Pb(Zr,Ti)O3) 的极化中(图5)。该材料以薄膜的形式置于两个电极之间，同电容器结构相类似。在施加电场的条件下，该材料在一个方向实现极化，而且即便在电场消失后，其仍然保持这一结构。如果电场的方向被翻转，原子也会相应地进行反向极化。FRAM内存结构和DRAM一样，包含了一个晶体管和一个电容器。但是在这种情况下，FRAM内存包含了一个带铁电介质的电容器。

图5：FRAM信息(二进制0或1)包含于铁电材料锆钛酸铅(PZT，Pb(Zr,Ti)O3)的极化中。

    在照射过程中所用的能量消除了E2PROM中的浮栅电荷，但是不会影响FRAM实现极化。尽管典型的伽玛射线消毒过程所用剂量大约在20kGy左右，但考虑到抗辐射性，大多数的测试要求达到25kGy的剂量。独立的科学研究验证了FRAM对高达50kGy剂量放射的抵抗力。这就相当于受到连续两次25kGy的辐射，总共为50kGy，而这一剂量基本没必要。

    因此，FRAM比其他用于存储产品的典型材料要更耐辐射。FRAM还提供了其它优势，特别是在RFID产品应用中，它无需采用产生高编程电压的电荷泵。因此，FRAM技术要比E2PROM更节能。这会对RFID标签的运行范围产生直接积极影响。由于FRAM耗电量微乎其微，因此为给定电场强度或功率密度提供了要大的工作范围。

    而且，FRAM存储器可以以与读取一样快的速度写入数据。FRAM写访问要比E2PROM写访问大约快25倍。闪存和E2PROM的最大删/写周期数在10,000和100,000之间。如果超过这个范围，材料疲劳问题就会导致内存内容不能被可靠地存储。比较起来，FRAM存储器的读/写周期超过100亿次(1010)，使用寿命几乎没有限制。这就意味着FRAM标签可以被使用很多次。对于有许多写要求的应用而言，FRAM比传统的非易失存储器选择(例如E2PROM和闪存)拥有不可否认的优势。

    尽管有时候FRAM同铁磁特性不是很吻合，但是磁场不会影响铁电材料。

采用FRAM技术

    与基于E2PROM/闪存的传统RFID芯片相比，富士通FerVID系列能够实现相同的远程读写高速数据传输速率。100亿周期的写能力要远高于传统RFID标签，减少了应用中的成本和时间。富士通提供HF和UHF FRAM RFID产品。ISO 15693兼容设备覆盖13.56MHz工作频率，分别具备2kB和256B内存。在860~960MHz的UHF波段中，富士通提供4kB和64kB的FRAM存储器，同EPCglobal C1G2标准兼容。除了标准的ISO命令，产品还具备防撞能力和自定义快速读/写传输命令。

    另外，双接口器件有两种类型：一种是传统的非接触式EPCglobal RFID产品，另一种是具备额外接触式SPI接口的衍生品。这种双接口类型可以作为微控制器嵌入式系统的一部分来实现。

    FRAM具有同类产品无法企及的显著优势，将其与RFID的追踪能力相结合，简化了医疗设备的追踪过程，从而确保关键医疗产品的安全性。

FerVID FRAM RFID系列

    富士通提供了带有嵌入式FRAM的HF和UHF RFID产品。同基于RFID芯片的传统E2PROM/闪存相比，FerVID系列使具有相同数据传输速率的远程读写成为可能。100亿周期条件下的写能力要远远高于传统RFID标签，因此可以节省应用中的成本和时间。这些产品同ISO/IEC15693、ISO/IEC 18000-3 或EPCglobal C1G2相兼容。富士通提供晶圆、锯状晶圆或封装芯片，也提供带非接触式和接触式SPI集成接口的衍生产品。富士通RFID产品具有256B至4KB的FRAM。

抗辐射性

    与E2PROM不同，铁电存储器不会因受到辐射而遗失内容。因此，基于FRAM的RFID标签非常适合医疗应用或食品行业应用(这些行业中杀菌通过辐射实现)。FRAM可防止高达50kGy伽玛射线消毒对数据造成影响。

双接口

    FerVID系列包括传统的非接触式EPCglobal RFID产品和带有基于SPI接口的附加接触方式的衍生产品。这一双接口类型可以作为微处理器嵌入式系统的一部分来实现。由传感器和微控制器捕捉到的数据会被存储在FRAM设备中。用户可以通过非接触式UHF接口轻松获得这一数据。反之，用户可以通过RF场将配置和控制数据传给嵌入式系统。许多应用可以从中受益，例如物流追踪系统、数据采集、信息显示或自动售货机。