So überstehen RFID-Tags die Sterilisation mit Gammastrahlen

Mit FRAM zur keimfreien Kennzeichnung

6. Mai 2011, 11:50 Uhr | Dirk FIscher

Eindeutige Kennzeichnung und eine lückenlose Rückverfolgbarkeit sind bei vielen medizinischen Geräten und Hilfsmitteln ein Muss. Hier bieten sich RFID-Tags an, deren übliche Speicher verlieren jedoch bei Sterilisationsprozeduren mit Gammastrahlung ihre Daten. Tags mit FRAM-Speicher sind dagegen bestrahlungsfest und erlauben zudem mehr Schreib/Lösch-Zyklen.

Auf saubere, nicht mit pathogenen Keimen verunreinigte Gegenstände und Materialien sind wir in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens angewiesen. Besonders wichtig ist die Keimfreiheit bei medizinischen Diagnose- und Medizingeräten wie zum Beispiel Operationsbestecken, Injektionspumpen oder Endoskopen. Verordnungen, Normen und Gesetze legen entsprechende Sterilisationsanforderungen fest, und öffentliche Behörden kontrollieren die Einhaltung dieser Regeln.

Es gibt verschiedene Methoden, ein Produkt oder Instrument zu sterilisieren. Üblicherweise tötet Hitze Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze und Viren ab. In einem so genannten »Autoklaven« werden medizinische Geräte hierzu Dampf bei einer Temperatur von etwa +125 °C über eine bestimmte Zeit ausgesetzt.

Die hohe Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie der Druck des Dampfes sind aber echte Nachteile, denn einige Materialien halten diesen Bedingungen nicht stand. Aus diesem Grund findet immer häufiger ein anderes Sterilisationsverfahren Anwendung: Gamma-bestrahlung. Dieses Verfahren bietet verschiedene Vorteile. Da Gammastrahlen eine sehr starke Durchdringung haben, lassen sich die Waren nach dem Verpacken in größeren Kartons oder sogar auf Paletten bei Zimmertemperatur desinfizieren. Das bedeutet, dass die Objekte während der letzten Phase des Produktionsprozesses sterilisiert werden können.

Damit erübrigen sich meist die kostspieligen und anspruchsvollen Reinraumbedingungen während der Produktion. Die Bestrahlungsdosis hängt vom ursprünglichen mikrobiellen Zustand der Waren sowie dem gewünschten Sicherheitsgrad ab. Üblicherweise muss eine Dosis von 25 kGy bis 45 kGy angewendet werden - ein kGray ist die SI-Einheit der absorbierten Strahlungsdosis der ionisierenden Strahlung.

Sterilisierte Produkte nachverfolgen

Um Objekte zu etikettieren und nachzuverfolgen, setzen moderne Logistikprozesse auf RFID-Technik (Radio Frequency Identification). In der einfachsten Form enthält ein elektronischer RFID-Tag eine eindeutige ID, ähnlich einem Strichcode-Etikett, lässt sich jedoch im Gegensatz zu diesem kontaktlos und ohne direkten optischen Zugriff lesen. Wenn mehrere Produkte in einem größeren Karton verpackt sind, ist jedes einzelne Objekt identifizierbar, ohne den Außenkarton öffnen oder das Produkt auspacken zu müssen.

Noch wichtiger ist jedoch, dass die elektronischen RFID-Etiketten die Speicherung zusätzlicher Daten ermöglichen. Daten können während des Herstellungsprozesses auf den Tag geschrieben werden (beispielsweise Chargennummer, Herstellungsdatum, Ablaufdatum, Produkttyp) und auch während das Produkt die Lieferkette durchläuft (zum Beispiel Auslieferungsdatum ab Werk, Sterilisationsdatum, Name des Logistikpartners). Bei medizinischen Instrumenten und Produkten ist es besonders wichtig, die Objekte zuverlässig zu identifizieren und deren Behandlungs- und Herstellungshistorie zu dokumentieren.

Fehler können zu ernsten Problemen führen und Lebensgefahr für die Patienten darstellen. Um die Möglichkeiten der Nachverfolgung bei medizinischen Anwendungen voll und ganz nutzen zu können, muss die Gammabestrahlung mit der bereits erwähnten RFID-Technik kombiniert werden. Herkömmliche RFID-Produkte auf EEPROM-Basis halten dem Bestrahlungsprozess jedoch nicht stand, denn der Speicherinhalt wird gelöscht, während sie der Bestrahlung ausgesetzt sind. Hier bietet die »FRAM«-Technologie, wie sie Fujitsu beispielsweise mit der »FerVID«-Familie anbietet, klare Vorteile.

FRAM hält Strahlung stand

Im Gegensatz zu den herkömmlichen nichtflüchtigen Speichertechnologien Flash und EEPROM wird der Inhalt einer FRAM-Zelle nicht in Form von Ladungsträgern in einem »Floating Gate« gespeichert. Die Information - eine logische »0« oder eine logische »1« - ist in der Polarisation des ferroelektrischen Materials »PZT« (Blei-Zirkonat-Titanat, Pb(ZrTi)O3) enthalten. Dieses Material befindet sich in Form eines dünnen Films zwischen zwei Elektroden, ähnlich der Struktur eines Kondensators.

Bild 1: Kristallstruktur des ferroelektrischen Materials PZT (Pb(ZrTi)O3 ), dessen Polarisation die Information einer FRAM-Speicherzelle trägt

Liegt ein elektrisches Feld an, polarisiert das Material in einer Richtung und behält diese Polarisierung auch nach dem Wegnehmen des Feldes bei (Bild 1). Wird die Richtung des elektrischen Feldes umgekehrt, polarisieren die Atome entsprechend in umgekehrter Richtung.

Eine FRAM-Speicherzelle besitzt dieselbe Struktur wie eine DRAM-Zelle, besteht also aus einem Transistor und einem Kondensator - allerdings einem speziellen Kondensator mit ferroelektrischem Dielektrikum. Die während eines Bestrahlungsprozesses aufgewendete Energie beseitigt die Ladung in den Floating-Gates von EEPROM-Zellen, die Polarisierung von FRAM-Zellen wird jedoch nicht beeinflusst.

Wissenschaftliche Studien haben die Bestrahlungsfestigkeit von FRAM bei Dosen bis zu 50 kGy nachgewiesen. FRAM bietet jedoch noch weitere Vorteile, insbesondere für RFID-Produkte.

Da keine großen Ladungsmengen bewegt werden müssen, sind keine Ladungspumpen für das Erzeugen hoher Programmierspannungen erforderlich. Demzufolge ist die FRAM-Technologie wesentlich energiesparender als EEPROM.

Aus der geringen Leistungsaufnahme von FRAM ergibt sich eine größere Schreib/Lese-Reichweite bei gegebener Feldstärke oder Leistungsdichte. Zusätzlich lassen sich FRAM-Speicher genauso schnell beschreiben wie lesen. Deswegen ist der Schreibzugriff auf FRAM etwa 25-mal so schnell wie der Schreibzugriff auf EEPROMs. Die Höchstanzahl der Schreib/Lösch-Zyklen bei Flash und EEPROM liegt zwischen 10000 und 100000.

Nach Überschreiten dieses Grenzwerts ist kein zuverlässiges Speichern des Zelleninhalts mehr möglich. Im Vergleich dazu weist ein FRAM-Speicher mit über zehn Milliarden Schreib/Lösch-Zyklen (1010) eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer auf. Somit lassen sich FRAM-Tags viele Male wiederverwenden, was in vielen Anwendungen Zeit und Geld spart. Gelegentlich wird FRAM fälschlicherweise mit Ferromagnetismus in Verbindung gebracht. Magnetfelder beeinträchtigen das ferroelektrische Material von FRAM aber in keiner Weise. Fujitsu bietet HF- und UHF-RFID-Produkte auf FRAM-Basis an, mit FRAM-Speichergrößen von 256 Byte bis zu 4 KByte. Die Produkte weisen Kollisionsschutz-, Bündelbefehle sowie Befehle für schnelle Lese/Schreib-Übertragungen auf und erlauben die Kombination der Gammabestrahlungssterilisation mit allen Vorteilen der RFID-Technologie.


Über den Autor:

Dirk Fischer ist Product Marketing Engineer, Business Unit Automotive & Embedded bei Fujitsu Semiconductor Europe

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