當(dāng)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?fàn)庍^程。線下，各大醫(yī)院與診所的發(fā)熱門診和核酸檢測點(diǎn)排起了長隊(duì)。

不過，在去線下就診的路上，你有沒有注意到每個(gè)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(shí)間發(fā)現(xiàn)患者發(fā)燒的嚴(yán)重程度，并進(jìn)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(kuò)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(yīng)用場景。

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(jìn)行測溫，該種方法優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，但缺點(diǎn)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(jī)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(hù)人員亟需保護(hù)自身在面對洶涌的就診人群時(shí)不會(huì)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(jì)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(dòng)旋轉(zhuǎn)的高溫物體的溫度。過去三年時(shí)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(jì)50年代，硒化鉛 (PbSe)、碲化鉛 (PbTe)銻化銦（InSb）被發(fā)現(xiàn)，這些半導(dǎo)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(dǎo)體，它在受到紅外線照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流。不過窄帶隙材料在使用一段時(shí)間后都需要重新校準(zhǔn)，且探測器需要在低溫下運(yùn)行，基于這兩個(gè)特點(diǎn)，上世紀(jì)的紅外探測器內(nèi)部需要集成主動(dòng)降溫以及復(fù)雜的自動(dòng)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(jì)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(jī)成像的原理類似，從無限遠(yuǎn)處發(fā)射的紅外線經(jīng)過光學(xué)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(jìn)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(yīng)，而不是基于紅外敏感材料的光電效應(yīng)，具有體積小、重量輕、可靠性高的特點(diǎn)。不過相較于制冷型探測器，非制冷型探測距離較短，響應(yīng)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，使紅外探測儀能進(jìn)入廣闊的民用市場。

進(jìn)入21世紀(jì)，第三次紅外探測革命出現(xiàn)，背后主導(dǎo)因素是微測輻射熱計(jì)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(jìn)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(jī)構(gòu)、機(jī)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(gè)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(jì)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(dǎo)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(huì)處理輻射熱計(jì)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(huì)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(dǎo)能力，進(jìn)而直接決定微測輻射熱計(jì)的響應(yīng)時(shí)間。

紅外熱成像芯片（微測輻射熱計(jì)）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(jì)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(dá)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(xué)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(gè)像素點(diǎn)之間的距離，像元中心距越小，單位空間內(nèi)的像素點(diǎn)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(dāng)。

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(yīng)時(shí)間則決定了設(shè)備的工作幀頻與延時(shí)，工作幀頻可以類比為溫度顯示的刷新率。幀頻越高延時(shí)也越低。

由于微測輻射熱計(jì)接收目標(biāo)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

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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(zhǔn)備另一個(gè)與探測器晶圓對應(yīng)的硅窗晶圓，并將每顆紅外芯片與硅窗精準(zhǔn)對接，在真空環(huán)境中焊在一起，然后再進(jìn)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(yīng)用

目前，全國各地疫情正在或已經(jīng)達(dá)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(shí)候，當(dāng)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(huì)在待測物體內(nèi)部和表面流動(dòng)，部分熱量也會(huì)隨之?dāng)U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(huì)在缺陷處流動(dòng)受阻，造成熱量堆積因此會(huì)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(jìn)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

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很多電氣工程師也對熱成像儀很熟悉。當(dāng)辛辛苦苦焊接完一塊板子，接電測試時(shí)卻發(fā)現(xiàn)某處短路，為了檢測短路點(diǎn)只能用萬用表一個(gè)個(gè)針腳測量電流，但面對上百個(gè)針腳的芯片時(shí)，依次檢測就十分費(fèi)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(jìn)行相應(yīng)處理。

在安防領(lǐng)域，紅外探測同樣有廣闊的應(yīng)用空間。例如在防范森林火災(zāi)方面，定點(diǎn)布置的熱成像儀可以替代巡視員24小時(shí)不停的監(jiān)測森林溫度，通過與AI算法結(jié)合，更早更精準(zhǔn)的預(yù)測火情并報(bào)警；在保護(hù)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。