今天你發(fā)燒了嗎？這顆芯片第一時間回答你

導覽：

• 紅外熱成像儀，稀缺到大眾

• 紅外測溫芯片的結(jié)構(gòu)與參數(shù) 

• 紅外探測的其他應用

  
  

當新冠病毒已經(jīng)成功在我們身邊站穩(wěn)了腳跟，“你陽了嗎？”“今天燒多少度？”已經(jīng)成為跟“吃了嗎”一樣平常的打招呼方式。網(wǎng)絡(luò)上分享新冠痊愈過程的帖子一篇接著一篇，其中有不少都是介紹他們與高燒癥狀的抗爭過程。線下，各大醫(yī)院與診所的發(fā)熱門診和核酸檢測點排起了長隊。

不過，在去線下就診的路上，你有沒有注意到每個醫(yī)院的門口都有一只并不起眼的“眼睛”在盯著你？有了它，醫(yī)生可以第一時間發(fā)現(xiàn)患者發(fā)燒的嚴重程度，并進行針對性處理；它也可以用在公共場所的門口，攔住那些已經(jīng)發(fā)熱的人減少疫情擴散；在工業(yè)領(lǐng)域，它還能瞬間找到金屬的缺陷部位。這只眼睛就是紅外熱成像儀。本篇文章，與非網(wǎng)將為你介紹紅外熱成像儀關(guān)鍵芯片的發(fā)展過程、結(jié)構(gòu)以及應用場景。

車站門口的熱成像儀

圖源 | 蘇州軌道交通

紅外熱成像儀，稀缺到大眾

目前對物體測溫的方式主要有兩種，接觸式和非接觸式。

接觸式測溫主要利用熱電阻或者熱電偶溫度探測器，通過測溫元件對被測對象進行測溫，該種方法優(yōu)點是操作簡單，但缺點是測量的精度低、速度慢，在高溫環(huán)境中很難發(fā)揮作用。過去接觸式測溫儀作為水銀測溫儀的上位替代品已經(jīng)在各大醫(yī)療機構(gòu)占據(jù)一定的市場，不過現(xiàn)階段疫情傳播速度很快，醫(yī)護人員亟需保護自身在面對洶涌的就診人群時不會被病毒擊倒，因此非接觸式測溫儀逐漸流行起來。

非接觸式測溫主要是基于物體的熱輻射原理設(shè)計而成的，在測量的過程中不需要與被測物體接觸，具有較高的測溫上限、安全可靠、測量快速等優(yōu)勢，適合測量移動旋轉(zhuǎn)的高溫物體的溫度。過去三年時間，我們可以在各級醫(yī)院門口、小診所大夫的醫(yī)療箱中、小區(qū)門口的保安手里、甚至街邊小吃店廚師手中，都能看到測溫槍的身影。

非接觸式紅外探測器又分為制冷式與非制冷式兩種。

紅外探測器的技術(shù)發(fā)展要追溯到上世紀50年代，硒化鉛 (PbSe)、碲化鉛 (PbTe)銻化銦（InSb）被發(fā)現(xiàn)，這些半導體化合物軍對紅外線敏感，可探測大氣中3-5μm中波長紅外線。InSb等化合物屬于窄帶隙半導體，它在受到紅外線照射時會產(chǎn)生電流。不過窄帶隙材料在使用一段時間后都需要重新校準，且探測器需要在低溫下運行，基于這兩個特點，上世紀的紅外探測器內(nèi)部需要集成主動降溫以及復雜的自動掃描校正模塊，因此體積很大，主要用于軍事領(lǐng)域。也被稱為制冷式紅外探測技術(shù)。

制冷型紅外探測器

圖源 | 智東西

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，上世紀60年代末，第二代紅外探測技術(shù)，也是非制冷式紅外探測技術(shù)出現(xiàn)。電荷耦合器件（CCD）與CMOS的發(fā)明讓探測器陣列與焦平面電子模擬信號讀出器結(jié)合成為可能。與相機成像的原理類似，從無限遠處****的紅外線經(jīng)過光學系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上，接收光電信號轉(zhuǎn)換后將電信號進行積分放大等操作，最終形成圖像。

紅外焦平面陣列探測器

圖源 | 百度百科

相比前一代技術(shù)，第二代紅外技術(shù)利用探測器探測物體的紅外熱效應，而不是基于紅外敏感材料的光電效應，具有體積小、重量輕、可靠性高的特點。不過相較于制冷型探測器，非制冷型探測距離較短，響應速度較慢，靈敏度較低。但非制冷紅外探測器技術(shù)解決了制冷型紅外探測器需要在低溫下工作的問題，除此之外，非制冷紅外探測器成本低廉，可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，使紅外探測儀能進入廣闊的民用市場。

進入21世紀，第三次紅外探測革命出現(xiàn)，背后主導因素是微測輻射熱計與熱釋電感測器等技術(shù)逐漸成熟。第三代紅外探測器與第二代成像原理相同，基本特征就是像素高，熱靈敏度高，并且可以搭配AI算法對紅外成像進行無損放大。有了第三代紅外探測技術(shù)，我們才能在各大醫(yī)療機構(gòu)、機場以及地鐵站門口看到那些大型屏幕上顯示的紅外測溫影像。

紅外測溫芯片的結(jié)構(gòu)與參數(shù)

打開任意購物網(wǎng)站搜索紅外測溫儀，我們可以看到不少產(chǎn)品都宣傳自己的產(chǎn)品擁有超高清晰度、畫面清晰度高、測溫范圍更廣等優(yōu)勢。而紅外焦平面探測器（熱成像儀芯片、紅外測溫芯片）是整個紅外探測儀或測溫儀的核心，探測器的性能也直接決定了熱成像系統(tǒng)的整體性能。

我們以微測輻射熱計式紅外測溫芯片舉例。目前大部分熱成像芯片都是基于氧化釩材料，約占市場份額的70%以上。該類型芯片由MEMS技術(shù)工藝制造，由底部反射鏡、互聯(lián)電極、絕熱橋腿、熱敏電阻和紅外吸收橋面組成。紅外吸收橋面能夠高效吸收外界紅外輻射并引起溫度變化，導致集成于橋面之中的熱敏材料的電阻發(fā)生改變。下方的芯片（通常是ASIC）會處理輻射熱計陣列電阻變化的模擬信號最終輸出。此外，芯片底反射鏡還會與紅外吸收橋面之間構(gòu)成能夠吸收特定波長的共振吸收腔，以此來增加橋面的紅外線吸收能力。絕熱橋結(jié)構(gòu)用于降低橋面熱敏電阻與讀出電路襯底之間的熱交換，使熱敏電阻對紅外輻射敏感。絕熱橋的材料尺寸和制造工藝決定了整塊芯片的分辨率以及熱傳導能力，進而直接決定微測輻射熱計的響應時間。

紅外熱成像芯片（微測輻射熱計）結(jié)構(gòu)

圖源 | 紅外芯聞

而熱成像儀的關(guān)鍵參數(shù)，如分辨率、靈敏度、工作頻率、噪聲系數(shù)等參數(shù)都與微測輻射熱計熱敏材料的選擇與工藝相關(guān)。理論上焦平面探測器的陣列規(guī)模越大，圖像分辨率就越大，目前常規(guī)陣列規(guī)模包括160 ×120、320 ×240、384 ×288、640×512、1024 ×768 和1920 ×1080，不少特種設(shè)備甚至達到了4k分辨率。

像元中心距也是關(guān)鍵參數(shù)之一，它與光學系統(tǒng)共同決定了成像系統(tǒng)的空間分辨率。簡單來說，像元中心距就是單個像素點之間的距離，像元中心距越小，單位空間內(nèi)的像素點就越多。目前非制冷紅外焦平面探測器的像元中心距已有8μm產(chǎn)品，與長波紅外光的中心波長相當。

NETD被稱為探測器靈敏度，靈敏度越高，傳感器區(qū)分微小溫度變化的速度也越快。目前民用級熱成像儀基本可以區(qū)分0.1K（開爾文）的溫度變化，而軍用設(shè)備則可以做到50mK（即0.05℃）。熱敏材料的響應時間則決定了設(shè)備的工作幀頻與延時，工作幀頻可以類比為溫度顯示的刷新率。幀頻越高延時也越低。

由于微測輻射熱計接收目標紅外輻射后的僅能產(chǎn)生微弱的維度變化，為了維持熱量，需要盡量杜絕芯片與外界的熱量交換，因此需要將芯片置于真空環(huán)境下工作。早期紅外探測芯片均采用真空封裝，即利用金屬、陶瓷等外殼將芯片包裹在內(nèi)，并內(nèi)置吸氣劑等組件。不過這種芯片成本較高。

采用金屬封裝的紅外測溫芯片

圖源 | 智東西

隨著封裝技術(shù)發(fā)展，晶圓級封裝提供了另一種解決方案。這種方案需要提前準備另一個與探測器晶圓對應的硅窗晶圓，并將每顆紅外芯片與硅窗精準對接，在真空環(huán)境中焊在一起，然后再進行切割工作。這種封裝方式具有更高的集成度，生產(chǎn)速度也能提高不少。

紅外探測的其他應用

目前，全國各地疫情正在或已經(jīng)達到高峰期，紅外測溫儀等設(shè)備也受到廣泛歡迎。不過疫情總有過去的時候，當人體測溫市場減少后，紅外測溫儀還將回歸它的主流賽道——工業(yè)、電子設(shè)備溫度檢測以及安防領(lǐng)域上來。

紅外熱成像無損檢測在疫情前是紅外測溫儀的主流賽道。在檢測前，可以向待測物體注入熱量，熱量會在待測物體內(nèi)部和表面流動，部分熱量也會隨之擴散出來。無缺陷物體在熱量主入后，熱流能夠均勻的從物體表面散發(fā)出來，物體表面熱場均勻。而缺陷物體注入熱量后，部分熱量會在缺陷處流動受阻，造成熱量堆積因此會出現(xiàn)局部高溫區(qū)。因此我們可以利用紅外測溫儀對其進行無損探傷，通過檢測儀的顯示器顏色區(qū)別快速區(qū)分物體有無缺陷，并找到缺陷位置。

紅外熱成像無損檢測

圖源 | 知乎

很多電氣工程師也對熱成像儀很熟悉。當辛辛苦苦焊接完一塊板子，接電測試時卻發(fā)現(xiàn)某處短路，為了檢測短路點只能用萬用表一個個針腳測量電流，但面對上百個針腳的芯片時，依次檢測就十分費力了。若給板子接通恒壓直流電源，然后直接用熱成像儀掃描整塊電路板，很容易就發(fā)現(xiàn)短路位置，再進行相應處理。

在安防領(lǐng)域，紅外探測同樣有廣闊的應用空間。例如在防范森林火災方面，定點布置的熱成像儀可以替代巡視員24小時不停的監(jiān)測森林溫度，通過與AI算法結(jié)合，更早更精準的預測火情并報警；在保護生態(tài)環(huán)境方面，全天候工作的紅外安防設(shè)備可以有效打擊夜行的偷獵者與偷捕者；我國的安防監(jiān)控系統(tǒng)也可以與紅外探測結(jié)合，高效打擊犯罪行為。

總結(jié)

紅外熱成像芯片，依靠其非接觸式快速測溫的能力，在各行各業(yè)都有應用場景。雖然并非所愿，但近期疫情高峰正在沖擊每個人的生活，同時疫情防護常態(tài)化作為人類或?qū)⑿枰L期共存的一種生活方式，反而促成紅外熱成像領(lǐng)域的研發(fā)與推廣的重要機遇，換個角度想，也是在印證技術(shù)進步永遠是從改善人類的生活這一點出發(fā)。

來源：與非網(wǎng)