有沒有想過有一天，你的手機、可穿戴設備和聯網家用設備也能擁有嗅覺，幫你實現室內空氣質量監測？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品系列CCS800的首款數字產品CCS811。

 

CCS811基于CCS獨有的微加熱板技術，將金屬氧化物氣體傳感器和微控制器子系統集成在一起，可用于檢測乙醇（酒精）和危險氣體，例如一氧化碳（CO）和各種各樣的揮發性有機化合物（VOC）。這種獨一無二的技術通過非常快速的測量周期和測量時間，顯著地降低了功耗。

 

“客戶可以輕松地將CCS811集成至智能手機、可穿戴設備與聯網設備中，實現室內空氣質量監測，從而使其產品實現差異化。”CCS產品營銷總監Paul Wilson如是說。

 

 

 

 

CCS800的秘密武器：微加熱板技術

 

氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉換成可以被人員、儀器儀表、計算機等利用的信息的裝置。它包括：半導體氣體傳感器、電化學氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、熱導式氣體傳感器、紅外線氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器等。而CCS811就屬于半導體氣體傳感器。

 

據了解，紅外氣體傳感器及儀器應用廣泛，適用于監測幾乎各種氣體。具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中|毒、不依賴于氧氣、受環境干擾因素較小、壽命長等顯著優點。不過，由于正處于起步階段，技術壁壘高，市場占有率低，規模化生產程度低，造成成本高。據潘俊杰介紹，紅外線傳感器比半導體式傳感器的成本高30美金左右。

 

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

 

而傳統的半導體式傳感器，其加熱板采用的材質往往是銅片或鐵片，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，20微秒內可以完成加熱過程，而傳統的其他檢測加熱板，需要5-10分鐘。另外，CCS的加熱板埋在標準的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非常適合用在消費類電子領域，因為其體積小，功耗低，而且本身經過了傳統消費電子的測試，如防摔、高低溫測試、靜電測試等，我們經過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？

 

實際上，基于CCS獨有的微加熱板技術，CCS早前已經發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集成在一起，大大簡化了設計，延長了電池續航時間，縮減了系統成本。

 

據 Paul Wilson介紹，CCS811將金屬氧化物（MOX）氣體傳感器、微控制器、模數轉換器（ADC）和I2C數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。

 

 

 

 

此外，CCS811支持與應用處理器兼容的標準I2C數字接口，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可以節省設備的物料清單成本以及高達60%的占板面積。”Paul Wilson說。

 

Paul Wilson稱，CCS811主要針對室內空氣的品質，可用于檢測乙醇（酒精），CO、CO2、甲醛等各種揮發性有機化合物（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。“因為只有一種涂層，所以酒精、CO、甲醛都會反應，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進一步表示，CO2沒法與半導體式傳感器做反應，因為CO2結構很穩定。CCS811之所以可以偵測CO2，是因為在密封的空間呼出CO2后，也會呼出微量的VOC，這與CO2濃度息息相關，由于二者成正比關系，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，根據歐洲的研究報告，用戶可以用TVOC的值乘以0.4，推斷出甲醛的含量，而且這個推斷很嚴謹。

 

 

 

 

 

 

 

 

CCS811支持三種低功耗優化測量模式：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。

 

根據歐洲標準，室內空氣質量分為三個等級，綠色、橙色和紅色分別代表空氣質量的高中低，對應的CO2、濃度分別為600ppm以下，600-5000ppm，5000ppm以上。“在消費電子產品里面，一般用顏色對空氣質量進行區分，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，第一代產品CCS801早已量產，出貨量已達到15萬片。CCS811的量產時間則在明年1月，不過現在已經有大量樣品給一些客戶做參考設計，今年年底應該有整機產品上市。至于價格，Paul Wilson表示，CCS采用標準的CMOS制程做氣體傳感器，所以在產能、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。

 

 

 

還有哪些新的應用場景？減肥氣體？

 

據介紹，CCS801和CCS811皆可以應用在智能手機、可穿戴設備、智能家居設備、手機配件等領域。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，加上手機的驗證周期較長，需要考慮ID、防水等因素，實際上，早期的客戶多用在手機配件、物聯網智能家居上。不過，CCS811的結構已經優化，非常適合用在智能手機上。

 

Paul Wilson直言，CCS811在進行主動式傳感器測量時每分鐘的功耗為1.2mW，在接下來的產品規劃中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來，這也是CCS規劃的重點。此外，CCS也會考慮將多種傳感器集成在一個傳感器里面，這樣可以更準確地知道氣體的種類。“因為現在只有一個加熱板，一種化學涂層，很難確切知道各種氣體的含量，當有兩個化學涂層，就有能力知道具體是哪種氣體。”Paul Wilson稱，關鍵在于消費者需要什么樣的氣體傳感器。

 

在應用方面，CCS也在考慮更多新的應用場景。Paul Wilson舉例稱，以前物聯網設備偵測到CO2只是發出警告，在手機里面，還有很多想象空間，比如偵測到CO2，自動打電話報警，或者通知家人。再比如，現在智能手表、智能手環都有計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，關鍵在于是否有辦法實現。

 

據悉，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空氣質量，還可以偵測室外氣體，而且還能確切測出各種氣體的含量，其應用前景將更加廣闊。此外，毫無疑問的是，在應用場景方面，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、可穿戴設備增加一個差異化的賣點。