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气体传感器技术进步将产生新应用

空气质量正成为一项重要的环境问题。污染会降低我们吸入的空气质量,进而导致身体健康问题。例如糟糕的空气会加重过敏和呼吸系统疾病,如引发哮喘。此外,某些日常活动可能会释放出有害气体,在极端情况下,类似一氧化碳的有害气体会导致死亡。因此,气体传感器吸引了越来越多厂商的兴趣。气体感测并不是一项新技术,集成气体传感器的气体探测设备已经应用于国防和工业安全,并形成了一个高度管制和成熟的市场。

面对空气质量带来的挑战及不断增强的环保意识,人们正在创造新的应用与机遇,包括消费类气体传感器,如家用设备、可穿戴设备和智能手机,或者用于楼宇、汽车的气体传感器,如室内/车内空气质量监测。气体传感技术是一项有多种不同敏感方式组成的复杂领域。总体而言,对气体传感技术的选择取决于价格、尺寸、功耗、灵敏度和响应时间。CMOS技术可以满足减小尺寸和降低成本的需求,特别是一些将尺寸和价格定为关键参数的应用,因此CMOS技术在气体传感器领域变得很受欢迎。我们最近发表了一篇新的市场、应用和技术趋势分析报告:《气体传感器技术和市场》。

气体传感器发展路线图

基于上述背景,我们采访了Cambridge CMOS Sensors(以下简称CCS)产品市场总监Paul Wilson。,Wilson分享了他对气体传感器市场的一些看法,以及CCS如何凭借其创新的CMOS技术成为该领域的领导厂商。

Yole Développement (以下简称YD):您能简单介绍一下CCS公司及其发展历程吗?

Paul Wilson(以下简称PW):CCS成立于2008年,是一家行业领先的消费类应用气体传感器解决方案供应商。CCS产品都基于独特的CMOS硅基智能平台,可以将其产品方便地集成于一系列用于空气质量监测和呼吸分析的终端产品。

CCS产品的关键特性包括超低功耗、快速响应时间、嵌入式智能和超小尺寸。这些特性使得CCS产品很适合集成于智能手机、可穿戴设备和智能家居等设备。此外,通过使用标准化大批量半导体制造工艺,CCS的气体传感器解决方案具有可扩展性并且成本较低。

CCS总部位于英国剑桥,在中国、欧洲、日本、韩国、台湾和美国都拥有本地工程和商业支持。CCS是一家经ISO9001:2008认证的无晶圆厂(Fabless)半导体公司,并且已经建立了可供大批量生产的供应链。

YD:CCS产品在不同应用领域的商业化现状是怎样的?

PW:CCS拥有不同类型的产品,并且也在研发更多产品。CCS801可用于室内空气质量监测,CCS803可用于乙醇/呼吸分析。目前,这些金属氧化物(MOS)气体传感器已经进入批量生产。我们的下一代传感器,用于室内空气质量监测的CCS811,正在送样,预计2016年3月份将进入批量生产。

CCS811是一款超低功耗数字气体传感器,将具备微加热板处理能力的微控制器与多芯片模块(MCM)集成在一起进行组件封装。CCS正在为先进的多气体传感平台研发集成电路(ASIC),帮助更进一步的集成封装。

YD:对CCS而言,哪类应用领域增长最快?

PW:未来五年,CCS主要的增长市场在智能家居领域,该市场已经开始采用空气质量传感器。由于糟糕的室内空气质量已严重影响到大们的日常生活,因此空气质量成为大家关注的重要问题。室内和建筑物内成为挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOC)污染的源头之一,长期暴露于高浓度挥发性有机化合物环境下,将引起严重的健康问题,包括神经系统损伤、癌症等。我们已经将空气质量传感器提供给智能手机和平板电脑一线OEM厂商评估测试,但是项目推动和产品导入过程较为缓慢。

YD:CCS的技术为何独一无二?与其它技术相比,你们的技术有什么优势?

PW:我们拥有独一无二的CMOS兼容工艺技术,该技术可以应用于不同的技术平台:金属氧化物(MOX)或非色散红外(NDIR)气体传感。非色散红外技术不仅可以应用于气体传感器的红外发射源或热电堆探测器,也可以应用于非接触式测温或近接式感应。CCS提供适用于大批量消费类应用的唯一解决方案,该解决方案基于标准化CMOS技术,具有可扩展性并且申请了相关知识产权以保护技术。

可以监测当地环境的CCS微型气体传感器解决方案

YD:我们看到CCS的气体传感器已经被集成于由Atmotube研发的个人空气质量检测器,您可以为我们预测一下:近期将会把气体传感器集成到智能手机中去吗?

PW:我们正与几家一线和二线智能手机制造商展开洽谈,并进行CCS气体传感器技术评估工作,但是推动他们采用CSS气体传感器的过程是缓慢的。我们相信强大的市场驱动力首先来自于智能家居及配套应用,然后智能手机和平板电脑可能采用CCS气体传感器。

YD:你们是否计划将技术平台应用于其它类型的传感器?如湿度传感器或压力传感器?你们的技术发展路线包括组合环境传感器吗?

PW:我们已经展开了一些合作,如与其它半导体公司共同设计和演示应用方案,以测试CSS气体传感器集成于不同微控制器和无线平台解决方案的情况。CCS确实设想过将气体传感器与其它传感器集成在一起,如利用湿度传感器和温度传感器补偿气体传感器的响应时间,并改善其由于环境改变而带来的精度问题。针对不同类型的气体,CCS目前正在研发拥有不同灵敏度和选择性的多气体传感器平台,如可燃性气体或二氧化氮(NO2)。CCS气体传感器也非常适合与用于室外空气污染检测的PM1.0或PM2.5颗粒传感器集成在一起。

YD:根据Yole分析,MEMS技术使得传感器尺寸减小了50%, 如果将气体传感器进一步小型化,那么还需要哪些进一步的举措?3D集成技术还是晶圆级封装(WLP)?

PW:对CSS而言,下一步举措是将更多的功能和更多的传感器集成到同一个封装中,并且保持现有尺寸不变。CCS也正在研究如何进一步减小尺寸,与前一代气体传感器相比,CCS的下一代产品将缩减20~30%的尺寸。

YD:你们的技术适用于不同的检测原理,包括金属氧化物、红外线和催化可燃传感器,你们认为哪一类传感器更适合于便携式应用?

PW:这取决于终端设备类型。对于智能手机而言,红外线解决方案是笨重且昂贵,并且需要复杂的光学元件。金属氧化物技术虽然有漂移的缺点,但可以采用校正算法,只是通常功耗较高。CCS金属氧化物气体传感器在后台模式运行时,平均功耗小于1 mW。价格永远是最大的瓶颈,通常,一部智能手机所能接受的气体传感器最大预算小于2美元。

YD: CCS下一步的发展计划是什么?

PW:今年和未来几年,我们计划发布二氧化氮气体传感器和能检测4种不同类型气体的组合气体传感器。我们的红外技术对其它应用而言也非常具有吸引力,如人数统计和手势控制应用。CCS将持续关注除气体传感以外的新应用领域。

采访对象简介:

Paul Wilson,2013年12月加入Cambridge CMOS Sensors,拥有超过20年的市场、产品管理、应用和研发方面国际经验,此前曾任职于剑桥矽晶无线电(Cambridge Silicon Radio)、欧胜微电子(Wolfson Microelectronics)、飞思卡尔半导体(Freescale Semiconductor)和飞利浦(Philips)。Paul拥有出色的原始设备制造商和原始设计制造商管理、研发经验,并且在极具竞争的不同国际市场得以验证,如亚洲、欧洲、中东和非洲、日本和美国市场。他的职业生涯横跨音频、消费、企业和手机等不同领域。