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Fortschritte im Gesundheitswesen mit FRAM RFID

Artikel | von Fujitsu Electronics | 28. November 2013
RFID-Technologie ermöglicht das Lesen mehrerer Tags gleichzeitig auch durch optische Hindernisse hindurch. RFID-Technologie ermöglicht das Lesen mehrerer Tags gleichzeitig auch durch optische Hindernisse hindurch. BILD: Fujitsu Semiconductor

RFID im Gesundheitswesen

Schneller und strahlungsresistenter Speicher schafft durch Kombination mit RFID Vorteile in der Medizin

Mangelnde Hygiene in der Medizin ist heute wieder ein großes Problem – multiresistente Keime sind medikamentös nur schwer zu behandeln. Das Europäische Zentrum für Prävention und Krankheitskontrolle schätzt, dass in Europa jährlich 4,3 Millionen Menschen im Krankenhaus eine Infektion erleiden. Die Deutsche Gesellschaft für Krankenhaushygiene geht von 40.000 Infektionstoten pro Jahr allein in Deutschland aus. Abhilfe schaffen höhere Hygienestandards, die in Zeiten von überlastetem Klinikpersonal am besten mithilfe von moderner Technik eine lückenlose Rückverfolgbarkeit von Geräten und Hilfsmitteln gewährleisten. Ideal hierfür sind RFID-Etiketten (sog. „Tags“), die auf Ferroelectric Random Access Memory (FRAM) Speicher basieren, da diese bei Bestrahlung mit Gamma-Teilchen im Gegensatz zu EEPROM-Tags nicht die Daten verlieren. FRAM ist die nichtflüchtige Speichertechnologie der Zukunft, weil sie die Vorteile von S-/DRAMs und EEPROM/ Flash vereint. Durch die Kombination mit der RFID-Funktechnologie kann insbesondere in der Medizin viel erreicht werden.

Von Jozsef Miho, Product Marketing Engineer bei Fujitsu Semiconductor Europe

Bestrahlung ist die wirksamste Sterilisation

Die Methoden zur Sterilisation von medizinischem Gerät sind vielfältig und gehen mit verschiedenen Vor- und Nachteilen einher. Bei der Autoklave z.B. wirken üblicherweise 121°C bei zwei bar Druck über eine Dauer von 20 Minuten auf das Sterilisationsgut ein. Für viele Materialien eine zu hohe Belastung. Bei der chemischen Sterilisation (Gassterilisation) besteht das Risiko von Rückständen, was eine aufwendige Reinigung notwendig macht. Immer häufiger wird inzwischen Sterilisation durch Gammabestrahlung eingesetzt. Enorme Vorteile entstehen durch die hohe Durchdringungsfähigkeit der Gammastrahlen. Insbesondere im Herstellungsprozess können so viele Objekte kurz vor der Auslieferung sogar Palettenweise sterilisiert werden. Der Prozess findet materialschonend bei Zimmertemperaturen statt und macht einen teuren keimfreien Produktionsprozess überflüssig. Üblich für den Medizinbereich sind je nach Anforderung Strahlungsdosen von 25kGy bis 45kGy. Diese hohen Strahlungsdosen sind für herkömmliche auf EEPROM basierende Tags ein Problem. Sie verlieren ihre Daten meistens schon bei unter 2kGy. FRAM-Produkte haben in Tests diese Mengen ohne einen einzigen Ausfall bestanden.

Schneller und strahlungsresistenter Speicher

FRAM gehört – wie EEPROM und Flash – zu den nichtflüchtigen Speichertechnologien, im Fachjargon nonvolatile Speicher genannt, das heißt, dass gespeicherte Werte auch ohne vorhandene Spannung beibehalten werden. Sie vereinigt die Vorteile von den nichtflüchtigen EEPROMs und den schnellen SRAMs. FRAM basiert auf der Polarisation einer ferroelektrischen Schicht. Dieses Dielektrikum wird durch die Gammastrahlung nicht entladen beziehungsweise verliert nicht seine Polarisation. EEPROM- oder Flash-Technologien verlieren hier die gespeicherten Daten, da sie auf Ladungen (sog. „Floating Gates“) basieren.

Die ferroelektrische Schicht, die aus Blei-Zirkonat-Titanat (Pb(ZrTi) O3) besteht, wird wie ein Kondensator mit zwei Elektroden polarisiert und behält diese Polarisierungsrichtung auch nach Entfernen des elektrischen Feldes bei. Durch das Umkehren des Feldes kann die Richtung entsprechend umgekehrt werden. Auf diese Weise werden die logischen Werte 0 und 1 gespeichert.

FRAM-Technologie basiert auf Polarisation des PZT Materials.FRAM-Technologie basiert auf Polarisation des PZT Materials. BILD: Fujitsu Semiconductor

Die FRAM-Zelle setzt sich wie eine DRAM-Zelle aus einem Widerstand und einem (FRAM-)Kondensator zusammen. Entsprechend ist die Zugriffsgeschwindigkeit vergleichbar mit einem DRAM. Diese ist beim Schreiben um circa den Faktor 33.000 schneller als andere nichtflüchtige Speicher. Es gibt bei FRAM keinen umständlichen Blockzugriff bei Schreib- und Löschvorgängen, was den Umgang für Anwender beschleunigt und erleichtert.

Energieeffiziente Dauerläufer

Ein weiterer großer Vorteil von FRAM gegenüber Konkurrenztechnologien ist die Energieeffizienz. Da nur geringe Ladungsmengen beim Beschreiben bewegt werden müssen, wird nur eine niedrige Programmierspannung benötigt. Das ermöglicht eine längere Lebensdauer bei batteriebetriebenen Anwendungen sowie größere Lese- und Schreibreichweiten. Eine weitere Besonderheit der FRAM-Technologie ist der identische Energiebedarf für den Schreib- und Lesezugriff. Bei EEPROM-Tags funktioniert der Schreibzugriff aufgrund des höheren Energiebedarfs nur über kürzere Distanzen. Bei FRAM sind der Leseund Schreibabstand gleich und ermöglichen einen größeren Abstand zur Antenne.

Häufige Schreib- und Löschzugriffe, wie sie beispielsweise mit Logging-Anwendungen einhergehen, sind eine Herausforderung für jeden Speicher. Bei der EEPROM-Technologie liegt die Größenordnung für garantierte Schreibzugriffe üblicherweise bei 100.000 bis 1 Million. FRAM bietet 10 Milliarden (1010) bis 1 Billion (1012) garantierte Zugriffe – eine Grenze, die kaum eine Applikation erreicht. Durch die häufige Wiedereinsetzbarkeit lassen sich Kosten und Wartungsarbeiten reduzieren.

FRAM RFID von Fujitsu

Fujitsu bietet FRAM RFID ICs sowohl in dem HF- (13,56MHz, ISO15693) als auch in dem UHF- (860MHz - 960MHz, ISO18000, EPC Class 1, Gen 2) Frequenzband in verschiedenen Speichergrößen (bis zu 8KByte User Memory) an. Durch den Einsatz des schnellen FRAMs kann mit diesem IC auch in der Praxis das theoretische Maximum, das mit der HF-Technologie möglich ist, erreicht werden. In beiden Frequenzbändern sind sowohl reine RFID-Produkte als auch Dual-Interface-Produkte verfügbar. Die Dual-Interface-Produkte sind als reiner Die oder in einem Package erhältlich.

In Teil 2 berichtet Herr Miho über Möglichkeiten zur Umsetzung des globalen UDI-Projekts (Unique Device Identification), das in Europa bis 2018 schrittweise eingeführt wird.

Der komplette Beitrag ist erschienen in der Novemberausgabe 2013 des Fachmagazins "RFID im Blick".

Letzte Änderung am Mittwoch, 04 Dezember 2013 12:21
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Jozsef Miho

Marketing Engineer
Fujitsu Electronics Europe GmbH

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