在最近于美國加州舉行的年度微機電產業高峰會(MEMS Executive Congress 2015)上，來自英國的企業Cambridge CMOS Sensors展示了號稱全球第一款為智能手機量身打造的氣體傳感器，該MEMS-CMOS芯片尺寸僅1mm2，而且成本低廉、可望大量普及應用──這也是第一次有新類型的MEMS傳感器在智能手機領域擊敗蘋果(Apple)。

 

Cambridge也宣布該公司已經贏得來自中國企業K-Free Wireless的首個設計方案；K-Free是白牌智能手機制造商，為電信營運商生產貼牌手機。Cambridge的產品總監Jess Brown表示，“我們也很希望能進駐蘋果(Apple) iPhone，而我們也有英國的潛在客戶──在當地有一些密閉空間存在危險氣體積聚的問題。”

 

 

Cambridge的MEMS-CMOS氣體傳感器芯片尺寸僅1mm2

 

K-Free手機設計方案能勝過Apple之處，就在于采用Cambridge的全數字架構MEMS-CMOS傳感器CCS811；Brown表示，該傳感器可以感測揮發性有機化合物(volatile organic compounds，VOC)，例如廉價的加熱器產生之一氧化碳，廉價家具產生的甲醛(formaldehyde)，甚至還能作為警察取締酒駕的呼吸測試器。

 

 

K-Free為中國電信企業生產的貼牌手機，將配備Cambridge的MEMS-CMOS氣體傳感器，鎖定對危害健康之空氣污染的檢測應用

 

針對其他應用市場，全數字的CCS811傳感器能被配置為采用不同的頂部金屬氧化物或過濾器，僅用以偵測二氧化碳、乙醇(ethanol)或其他有害氣體；此外該傳感器也能用來量測戶外空氣質量，包括北京、洛杉磯等城市的二氧化氮。

 

Brown表示：“它能告訴你何時該打開窗戶通風；研究顯示，盡管是非常少量的揮發性有機化合物，也會讓人在做決策時的效率出現61%的低落。”他補充指出，MEMS-CMOS氣體傳感器的最大優勢，在于能跟著國際半導體技術藍圖(ITRS)的步伐不斷微縮。

 

該氣體傳感器已經到達怎樣的水平？

 

該氣體傳感器的最頂端是一層金屬氧化物(例如偵測揮發性有機化合物的錫氧化物)，其下方有金(gold)觸點，可量測金屬氧化物的電阻；在金導線之下的是一個微小的加熱板，會為整個組件加熱，因此改變頂層的電阻值──與(透過孔洞)接觸傳感器的氣體成正比。

 

 

Cambridge的MEMS-CMOS氣體傳感器結構

 

然后該數字傳感器利用Silicon Labs的8051微控制器(與傳感器在同一個封裝中)，來量測金電極之間的電阻，并實時緩沖其變化；當它超過一個既定水平，一個中斷警報就會被發送到智能手機的應用處理器(或是應用處理器會周期性輪詢8051控制器清空緩沖存儲器，并繪制例如空氣質量的PPM記錄圖等，看應用程序如何執行)。

 

該種傳感器的電池壽命可長達五年，僅需使用小型的鋰電池；結合傳感器與微控制器的封裝組件尺寸為2.7mm×4.0mm×0.6mm，配備I2S接口、耗電低于1.2mW，閑置模式時的耗電量甚至低于6μW。

 

Cambridge先前曾推出模擬版本的傳感器，需要OEM客戶添加自己的微控制器，或是借用應用處理器的寶貴資源來啟動微型加熱板、量測金電極之間的電阻并分析結果；而新版的CCS811數位傳感器，則可望讓氣體傳感器進軍數十億臺的大眾市場智能手機、可穿戴式設備與物聯網(IoT)設備。

 

成立于2008年的Cambridge CMOS Sensors花了六年時間開發出模擬版本的氣體傳感器，但最新的數字版產品則只花了一年的時間；接下來他們將在同一個封裝中整合多個CCS811傳感器芯片，以支持更多種類的氣體感測。