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气体传感器将大举进军手机?

2015-11-20 15:40:50 深圳市卡卓无线信息技术有限公司 7

在最近于美国加州举行的年度微机电产业高峰会(MEMS Executive Congress 2015)上,来自英国的业者Cambridge CMOS Sensors展示了号称全球第一款为智慧型手机量身打造的气体感测器,该MEMS-CMOS晶片尺寸仅1mm2,而且成本低廉、可望大量普及应用──这也是第一次有新类型的MEMS感测器在智慧型手机领域击败苹果(Apple)。

 

Cambridge也宣布该公司已经赢得来自中国业者K-Free Wireless的首个设计案;K-Free是白牌智慧型手机制造商,为电信营运商生产贴牌手机。Cambridge的产品总监Jess Brown表示,“我们也很希望能进驻苹果(Apple) iPhone,而我们也有英国的潜在客户──在当地有一些密闭空间存在危险气体积聚的问题。”

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Cambridge的MEMS-CMOS气体感测器晶片尺寸仅1mm2

K-Free手机设计案能胜过Apple之处,就在于采用Cambridge的全数位架构MEMS-CMOS感测器CCS811;Brown表示,该元件能被配置为可感测挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOC),例如廉价的加热器产生之一氧化碳,廉价家具产生的甲醛(formaldehyde),甚至还能作为警察取缔酒驾的呼吸测试器。

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K-Free为中国电信业者生产的贴牌手机,将配备Cambridge的MEMS-CMOS气体感测器,锁定对危害健康之空气污染的检测应用

针对其他应用市场,全数位的CCS811感测器能被配置为采用不同的顶部金属氧化物或过滤器,仅用以侦测二氧化碳、乙醇(ethanol)或其他有害气体;此外该感测器也能用来量测户外空气品质,包括北京、洛杉矶等城市的二氧化氮。

Brown表示:“它能告诉妳何时该打开窗户通风;研究显示,尽管是非常少量的挥发性有机化合物,也会让人在做决策时的效率出现61%的低落。”他补充指出,MEMS-CMOS气体感测器的最大优势,在于能跟着国际半导体技术蓝图(ITRS)的步伐不断微缩。

气体感测器的原理

该气体感测器的最顶端是一层金属氧化物(例如侦测挥发性有机化合物的锡氧化物),其下方有金(gold)触点,可量测金属氧化物的电阻;在金导线之下的是一个微小的加热板,会为整个元件加热,因此改变顶层的电阻值──与(透过孔洞)接触感测器的气体成正比。

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Cambridge的MEMS-CMOS气体感测器结构

然后该数位感测器利用Silicon Labs的8051微控制器(与感测器在同一个封装中),来量测金电极之间的电阻,并即时缓冲其变化;当它超过一个既定水准,一个中断警报就会被发送到智慧型手机的应用处理器(或是应用处理器会周期性轮询8051控制器清空缓冲记忆体,并绘制例如空气品质的PPM记录图等,看应用程式如何执行)。

该种感测器的电池寿命可长达五年,仅需使用小型的锂电池;结合感测器与微控制器的封装元件尺寸为2.7mm×4.0mm×0.6mm,配备I2S介面、耗电低于1.2mW,闲置模式时的耗电量甚至低于6μW。

Cambridge先前曾推出类比版本的感测器,需要OEM客户添加自己的微控制器,或是借用应用处理器的宝贵资源来启动微型加热板、量测金电极之间的电阻并分析结果;而新版的CCS811数位感测器,则可望让气体感测器进军数十亿台的大众市场智慧型手机、可穿戴式装置与物联网(IoT)设备。

成立于2008年的Cambridge CMOS Sensors花了六年时间开发出类比版本的气体感测器,但最新的数位版产品则只花了一年的时间;接下来他们将在同一个封装中整合多个CCS811感测器晶片,以支援更多种类的气体感测。