看了这个标题,电子行业的朋友一定会先脱口而出,要谈气体传感器!

先来给气体传感器分个类:气体传感器主要包括半导体气体传感器、接触燃烧式气体传感器和电化学气体传感器等,其中用的最多的是半导体气体传感器。

本文即将谈的就是半导体气体传感器。说的通俗点就是当材料遇到指定气体时,会引起材料电阻率的变化,对外表现为其电阻的变化,然后就可以检测出这种气体。

下图为半导体气体传感器的原理图:

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目前在这个市场的半导体公司,笔者听到的只有三家,盛思锐(Sensirion)、博世、以及Cambridge CMOS Sensors(CCS)。早期市场上基本都是一颗模拟器件,外置一个带ADC功能的MCU来实现,但是近日,CCS将MCU集成进去,推出CCS811数字空气传感器。

这款新器件将一个金属氧化物气体传感器(可以理解为是公司上一代产品CCS801)和一个微控制器(选用的是Silicon Labs公司的8051)集成在一起,“将MCU集成进去后,我们为客户提供的是一个完整的子系统,软硬件都已得到优化,可以直接通过数字接口I2C导出测试数据,大大简化了客户设计。”CCS公司产品营销总监Paul Wilson指出。

ECHO2015111102WL 相比CCS801的2mm×3.0mm 它采用10个引脚、尺寸为2.7mm×4.0mm、脚距为0.6mm的平面栅格阵列(LGA)封装,从而适合于空间受限的便携式应用。

CCS811在一万片采购批量时的单价为5.82美金。

早期的CCS801出货量为15万片,主要集中在一些手机配件类的智能硬件类应用,这类经过验证的客户会逐步将产品转移到CCS811上面。

另外,手机的验证时间会更长一点,“已有2-3家手机方案公司采用了我们的CCS811,我们预计明年会看到终端产品流出。” Wilson透露。

商业应用:精度需求与有害气体类型

最新的数字版本CCS881使用的是Silicon Labs 8051微控制器来测量金电极之间的电阻并实时缓冲变化。当超过给定的水平,智能手机应用处理器会收到警报中断信号。

CO是可以直接和半导体层发生反应、夺取氧原子,所以CCS881是可以直接测试低浓度的CO,测量这种200-300ppm就能杀死人的气体对人类来说非常重要。但是像是CO2这种稳态的、无法和半导体涂层反应的气体,则是通过推算得来。

另外,甲醛也不会单独存在,根据对办公室、餐厅等环境的测试,基本VOC×0.4就是甲醛的浓度。

对于测试精度,下图中面红色曲线是红外线传感器测试结果,下图是CCS881的测试结果,两处VOC events的变化是清洁时间使用了部分酒精而引起的。

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Wilson还向EDN记者演示了一个集成了CCS801的手机,当白板笔靠近手机时,可以明显的看到VOC曲线有一个迅速的跳跃——这是由于白板笔中还有的微量酒精所引起的。

ECHO2015111104WL 该芯片的顶部有一个金属氧化物层,其下面的黄金触点可测量金属氧化物的电阻。黄金触点的下方是电热板,电热板通过对整个组件加热,从而与进入的气体成比例改变顶层的电阻。

此外,该传感器基于CCS独有的微加热板技术,可以快速开关,升温到300度,与传统的金属氧化物气体传感器相比,显著地降低了平均功耗。——大中国区总经理Anthony Pan指出,这种加热盘材料采用的是钨(其他材料容易老化),是CCS的专利技术。

而对于下一代产品,Wilson指出,公司会考虑推出多气体传感器用于室外环境,比如测量臭氧、二氧化硫等,因为现在无论是半导体传感器还是电化学传感器,都只有一个涂层、所以只能测一种气体,下一代会用不同涂层的气体传感器阵列,从而实现对不同气体的反应。

气体传感器,测试不准/设计麻烦都会是鸡肋

我们人类已经试用过很多“尝鲜”型的应用,对于这类应用,如果测试不准往往会让人觉得是个鸡肋,失去用户粘性。或者说产品性能老化太快、时间长了就失去了原有的吸引力。

“我们的传感器经过了700万次的测试,性能衰减非常小。”Pan指出。而且该传感器不需要特殊封装,只需要在制造过程中注意SMT时不要流进液体就行。

总结一下CCS811的特性与优点:

● 内置微控制器 — 管理传感器驱动模式与测量挥发性有机化合物(VOC)

● 板载处理能力—无需主机干预即可提供等效二氧化碳(eCO2)等级或总挥发性有机化合物(TVOC)指标

● 标准的数字接口—简化了硬件和软件的集成,实现更快的上市时间

● 优化的低功耗模式—延长了便携式应用中的电池续航时间

● 2.7mm x 4.0mm LGA封装——小尺寸设计

● 外围元件数量低——节省高达60%的PCB占板面积

● 经验证的技术平台——为大批量和可靠性而设计(使用期长于5年)

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检测乙醇和危险气体

基于其微加热板(Micro-hotplate)技术,CCS811可用于检测乙醇(酒精)和危险气体,例如一氧化碳(CO)和各种各样的挥发性有机化合物(VOC)。这种独一无二的技术通过非常快速的测量周期和测量时间,显著地降低了功耗。

优化的低功耗模式

CCS811支持多种低功耗优化测量模式,在进行主动式传感器测量时每分钟的功耗低于1.2mW,空闲模式下低于6μW。

内置微控制器

CCS811带有内置微控制器,该微控制器在使用智能检测算法进行气体检测时,可管理传感器驱动模式、数模转换器测量,并处理原始传感器数据,以表现真实世界环境中的等效二氧化碳(eCO2)等级或总挥发性有机化合物(TVOC)的测量值,真实世界环境中挥发性有机化合物产生的主要原因是人。这种板载处理功能降低了总体系统的功耗,并减少了主系统所需进行的处理。

数字接口

CCS811支持与应用处理器兼容的标准I2C数字接口,提供高度集成的解决方案。与使用分离式气体传感器和微控制器芯片的解决方案相比,分离式方案通常需要2个或更多的附加元件,而CCS811可以节省设备的物料清单成本以及高达60%的占板面积。

警察查酒驾?万一你喝酒了教你一招避免坐牢

气体传感器有个重要的用途就是警察查酒驾,目前警察查酒驾的仪器大部分是采用大化学原理。“这种仪器有个缺点就是不能太靠近浓度高的酒精,而且传感器会积累酒精——我们称为传感器‘中 毒’。”大中国区总经理Anthony Pan指出,“所以这类设备每半年要更新一次,或者换新仪器。”

根据此原理,若是哪位朋友酒驾,可以考虑放瓶白酒在旁边,当被警察要求“吹气”时,可以先猛喝一口白酒,然后一口气“爆表”。

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免责声明:EDN小编和您开个玩笑,千万别当真,首先是酒驾是害人害己的;其次是,万一警察换了半导体气体传感器,您没把表吹爆那就惨了。