當(dāng)氣體傳感器賦予便攜式設(shè)備“嗅覺”，將催生哪些新應(yīng)用？

有沒有想過有一天，你的手機(jī)、可穿戴設(shè)備和聯(lián)網(wǎng)家用設(shè)備也能擁有嗅覺，幫你實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測？這一天已然到來。近日，Cambridge CMOS Senser（CCS）正式宣布，推出其超低功耗微型氣體傳感器產(chǎn)品系列CCS800的首款數(shù)字產(chǎn)品CCS811。

 

CCS811基于CCS獨(dú)有的微加熱板技術(shù)，將金屬氧化物氣體傳感器和微控制器子系統(tǒng)集成在一起，可用于檢測乙醇（酒精）和危險(xiǎn)氣體，例如一氧化碳（CO）和各種各樣的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）。這種獨(dú)一無二的技術(shù)通過非?？焖俚臏y量周期和測量時間，顯著地降低了功耗。

 

“客戶可以輕松地將CCS811集成至智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備與聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測，從而使其產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)差異化。”CCS產(chǎn)品營銷總監(jiān)Paul Wilson如是說。

 

 

 

 

CCS800的秘密武器：微加熱板技術(shù)

 

氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計(jì)算機(jī)等利用的信息的裝置。它包括：半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、熱導(dǎo)式氣體傳感器、紅外線氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器等。而CCS811就屬于半導(dǎo)體氣體傳感器。

 

據(jù)了解，紅外氣體傳感器及儀器應(yīng)用廣泛，適用于監(jiān)測幾乎各種氣體。具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中|毒、不依賴于氧氣、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)。不過，由于正處于起步階段，技術(shù)壁壘高，市場占有率低，規(guī)模化生產(chǎn)程度低，造成成本高。據(jù)潘俊杰介紹，紅外線傳感器比半導(dǎo)體式傳感器的成本高30美金左右。

 

潘俊杰稱，電化學(xué)式傳感器雖然功耗非常低，但體積大，而且有一個嚴(yán)重的問題，即壽命短。CCS大中華區(qū)總經(jīng)理潘俊杰指出，電化學(xué)式傳感器一旦接近高濃度酒精就會中|毒，這個傳感器就會報(bào)銷。如交警用于查酒駕的儀器，里面采用的就是電化學(xué)式傳感器，基本半年就要換一次。

 

而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體式傳感器，其加熱板采用的材質(zhì)往往是銅片或鐵片，體積大，功耗大，而且容易老化，壽命短。“CCS推出的傳感器，其加熱板以鎢為材質(zhì)，20微秒內(nèi)可以完成加熱過程，而傳統(tǒng)的其他檢測加熱板，需要5-10分鐘。另外，CCS的加熱板埋在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS的制程里面，不會與空氣接觸，不容易老化，壽命更長。而且我們將這個加熱板做的很小，所以叫微加熱板。”潘俊杰表示，“CCS811非常適合用在消費(fèi)類電子領(lǐng)域，因?yàn)槠潴w積小，功耗低，而且本身經(jīng)過了傳統(tǒng)消費(fèi)電子的測試，如防摔、高低溫測試、靜電測試等，我們經(jīng)過700多萬次的測試，使用期限長于5年。”

 

 

 

 

 

CCS811如何偵測出有害氣體？

 

實(shí)際上，基于CCS獨(dú)有的微加熱板技術(shù)，CCS早前已經(jīng)發(fā)布了第一代氣體傳感器CCS801，只不過是模擬的，而且需要花很長的時間去做軟體、硬體和氣體的校正。CCS811則將金屬氧化物氣體傳感器和微控制器子系統(tǒng)集成在一起，大大簡化了設(shè)計(jì)，延長了電池續(xù)航時間，縮減了系統(tǒng)成本。

 

據(jù) Paul Wilson介紹，CCS811將金屬氧化物（MOX）氣體傳感器、微控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和I2C數(shù)字接口這些功能都集成到單一小型化的、尺寸為2.7mm×4.0mm、腳距為0.6mm的平面柵格陣列（LGA）封裝中，適用于低成本的PCB技術(shù)。

 

 

 

 

此外，CCS811支持與應(yīng)用處理器兼容的標(biāo)準(zhǔn)I2C數(shù)字接口，提供高度集成的解決方案。“與使用分離式氣體傳感器和微控制器芯片的解決方案相比，分離式方案通常需要2個或更多的附加元件，價格也不便宜，在10美金左右，而CCS811可以節(jié)省設(shè)備的物料清單成本以及高達(dá)60%的占板面積。”Paul Wilson說。

 

Paul Wilson稱，CCS811主要針對室內(nèi)空氣的品質(zhì)，可用于檢測乙醇（酒精），CO、CO2、甲醛等各種揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）。不過，CCS811只是測出整體的VOC的值，并不能直接測出每種氣體的含量。“因?yàn)橹挥幸环N涂層，所以酒精、CO、甲醛都會反應(yīng)，沒法分辨出各種氣體的具體含量，但可以通過演算法推算出CO2和甲醛的濃度。”Paul Wilson進(jìn)一步表示，CO2沒法與半導(dǎo)體式傳感器做反應(yīng)，因?yàn)镃O2結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定。CCS811之所以可以偵測CO2，是因?yàn)樵诿芊獾目臻g呼出CO2后，也會呼出微量的VOC，這與CO2濃度息息相關(guān)，由于二者成正比關(guān)系，所以可以推測出CO2的濃度。至于甲醛，只有紅外線傳感器才可以準(zhǔn)確地測出甲醛的濃度，CSS811測出來的是兩個值——TVOC和eVOC的值，根據(jù)歐洲的研究報(bào)告，用戶可以用TVOC的值乘以0.4，推斷出甲醛的含量，而且這個推斷很嚴(yán)謹(jǐn)。

 

 

 

 

 

 

 

 

CCS811支持三種低功耗優(yōu)化測量模式：1秒鐘偵測一次，10秒鐘偵測一次，60秒鐘偵測一次，在進(jìn)行主動式傳感器測量時每分鐘的功耗低于1.2mW，空閑模式下低于6μW。

 

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)空氣質(zhì)量分為三個等級，綠色、橙色和紅色分別代表空氣質(zhì)量的高中低，對應(yīng)的CO2、濃度分別為600ppm以下，600-5000ppm，5000ppm以上。“在消費(fèi)電子產(chǎn)品里面，一般用顏色對空氣質(zhì)量進(jìn)行區(qū)分，在與使用者溝通時，也會用好、有問題、很糟幾個顏色的代表值去跟使用者溝通。”paul Wilson如是說。

 

 

 

 

Paul Wilson透露，第一代產(chǎn)品CCS801早已量產(chǎn)，出貨量已達(dá)到15萬片。CCS811的量產(chǎn)時間則在明年1月，不過現(xiàn)在已經(jīng)有大量樣品給一些客戶做參考設(shè)計(jì)，今年年底應(yīng)該有整機(jī)產(chǎn)品上市。至于價格，Paul Wilson表示，CCS采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制程做氣體傳感器，所以在產(chǎn)能、成本方面非常有競爭力。在一萬片批量采購時的單價為5.82美金。

 

 

 

還有哪些新的應(yīng)用場景？減肥氣體？

 

據(jù)介紹，CCS801和CCS811皆可以應(yīng)用在智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、智能家居設(shè)備、手機(jī)配件等領(lǐng)域。不過，由于CCS801是模擬傳感器，工程師需要花較長時間做軟體、硬體和氣體校正，另外，加上手機(jī)的驗(yàn)證周期較長，需要考慮ID、防水等因素，實(shí)際上，早期的客戶多用在手機(jī)配件、物聯(lián)網(wǎng)智能家居上。不過，CCS811的結(jié)構(gòu)已經(jīng)優(yōu)化，非常適合用在智能手機(jī)上。

 

Paul Wilson直言，CCS811在進(jìn)行主動式傳感器測量時每分鐘的功耗為1.2mW，在接下來的產(chǎn)品規(guī)劃中CCS會考慮把功耗做的更低。另外，涂層部分，也會考慮除了針對室內(nèi)氣體外，是不是也將臭氧、二氧化硫、汽車尾氣等室外氣體囊括進(jìn)來，這也是CCS規(guī)劃的重點(diǎn)。此外，CCS也會考慮將多種傳感器集成在一個傳感器里面，這樣可以更準(zhǔn)確地知道氣體的種類。“因?yàn)楝F(xiàn)在只有一個加熱板，一種化學(xué)涂層，很難確切知道各種氣體的含量，當(dāng)有兩個化學(xué)涂層，就有能力知道具體是哪種氣體。”Paul Wilson稱，關(guān)鍵在于消費(fèi)者需要什么樣的氣體傳感器。

 

在應(yīng)用方面，CCS也在考慮更多新的應(yīng)用場景。Paul Wilson舉例稱，以前物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備偵測到CO2只是發(fā)出警告，在手機(jī)里面，還有很多想象空間，比如偵測到CO2，自動打電話報(bào)警，或者通知家人。再比如，現(xiàn)在智能手表、智能手環(huán)都有計(jì)步器和測心跳的功能，未來是不是還可以偵測所謂的減肥氣體。他說，類似的概念還在慢慢醞釀，關(guān)鍵在于是否有辦法實(shí)現(xiàn)。

 

據(jù)悉，所謂的減肥氣體，是偵測呼出氣體CO2。正常情況下，人體呼出的CO2為1ppm，運(yùn)動后，呼出的CO2會從1ppm增加到4ppm，從而通過呼出氣體測出消耗熱量和減肥效果。

 

如果CCS未來推出的氣體傳感器不僅可以偵測室內(nèi)空氣質(zhì)量，還可以偵測室外氣體，而且還能確切測出各種氣體的含量，其應(yīng)用前景將更加廣闊。此外，毫無疑問的是，在應(yīng)用場景方面，氣體傳感器還有無限的想象空間，若真能偵測所謂的減肥氣體，這無疑將給智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備增加一個差異化的賣點(diǎn)。