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當(dāng)新冠病毒已經(jīng)成功在我們身邊站穩(wěn)了腳跟，“你陽(yáng)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(guò)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^(guò)程。線下，各大醫(yī)院與診所的發(fā)熱門(mén)診和核酸檢測(cè)點(diǎn)排起了長(zhǎng)隊(duì)。
不過(guò)，在去線下就診的路上，你有沒(méi)有注意到每個(gè)醫(yī)院的門(mén)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(duì)性處理；它也可以用在公共場(chǎng)所的門(mén)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，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(guò)程、結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用場(chǎng)景。
圖片車(chē)站門(mén)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(duì)物體測(cè)溫的方式主要有兩種，接觸式和非接觸式。
接觸式測(cè)溫主要利用熱電阻或者熱電偶溫度探測(cè)器，通過(guò)測(cè)溫元件對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)溫，該種方法優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是測(cè)量的精度低、速度慢，在高溫環(huán)境中很難發(fā)揮作用。過(guò)去接觸式測(cè)溫儀作為水銀測(cè)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(chǎng)，不過(guò)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(duì)洶涌的就診人群時(shí)不會(huì)被病毒擊倒，因此非接觸式測(cè)溫儀逐漸流行起來(lái)。
非接觸式測(cè)溫主要是基于物體的熱輻射原理設(shè)計(jì)而成的，在測(cè)量的過(guò)程中不需要與被測(cè)物體接觸，具有較高的測(cè)溫上限、安全可靠、測(cè)量快速等優(yōu)勢(shì)，適合測(cè)量移動(dòng)旋轉(zhuǎn)的高溫物體的溫度。過(guò)去三年時(shí)間，我們可以在各級(jí)醫(yī)院門(mén)口、小診所大夫的醫(yī)療箱中、小區(qū)門(mén)口的保安手里、甚至街邊小吃店廚師手中，都能看到測(cè)溫槍的身影。
非接觸式紅外探測(cè)器又分為制冷式與非制冷式兩種。
紅外探測(cè)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(duì)紅外線敏感，可探測(cè)大氣中3-5μm中波長(zhǎng)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(guò)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(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)。
圖片制冷型紅外探測(cè)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(cè)技術(shù)，也是非制冷式紅外探測(cè)技術(shù)出現(xiàn)。電荷耦合器件（CCD）與CMOS的發(fā)明讓探測(cè)器陣列與焦平面電子模擬信號(hào)讀出器結(jié)合成為可能。與相機(jī)成像的原理類似，從無(wú)限遠(yuǎn)處發(fā)射的紅外線經(jīng)過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換后將電信號(hào)進(jìn)行積分放大等操作，最終形成圖像。
圖片紅外焦平面陣列探測(cè)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(cè)器探測(cè)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(guò)相較于制冷型探測(cè)器，非制冷型探測(cè)距離較短，響應(yīng)速度較慢，靈敏度較低。但非制冷紅外探測(cè)器技術(shù)解決了制冷型紅外探測(cè)器需要在低溫下工作的問(wèn)題，除此之外，非制冷紅外探測(cè)器成本低廉，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，使紅外探測(cè)儀能進(jìn)入廣闊的民用市場(chǎng)。
進(jìn)入21世紀(jì)，第三次紅外探測(cè)革命出現(xiàn)，背后主導(dǎo)因素是微測(cè)輻射熱計(jì)與熱釋電感測(cè)器等技術(shù)逐漸成熟。第三代紅外探測(cè)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(duì)紅外成像進(jìn)行無(wú)損放大。有了第三代紅外探測(cè)技術(shù)，我們才能在各大醫(yī)療機(jī)構(gòu)、機(jī)場(chǎng)以及地鐵站門(mén)口看到那些大型屏幕上顯示的紅外測(cè)溫影像。
紅外測(cè)溫芯片的結(jié)構(gòu)與參數(shù)
打開(kāi)任意購(gòu)物網(wǎng)站搜索紅外測(cè)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(huà)面清晰度高、測(cè)溫范圍更廣等優(yōu)勢(shì)。而紅外焦平面探測(cè)器（熱成像儀芯片、紅外測(cè)溫芯片）是整個(gè)紅外探測(cè)儀或測(cè)溫儀的核心，探測(cè)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(cè)輻射熱計(jì)式紅外測(cè)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(chǎng)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(hào)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(zhǎng)的共振吸收腔，以此來(lái)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(duì)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(cè)輻射熱計(jì)的響應(yīng)時(shí)間。
圖片紅外熱成像芯片（微測(cè)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(cè)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(cè)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(cè)器的像元中心距已有8μm產(chǎn)品，與長(zhǎng)波紅外光的中心波長(zhǎng)相當(dāng)。
NETD被稱為探測(cè)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(jí)熱成像儀基本可以區(qū)分0.1K（開(kāi)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(cè)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(cè)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(guò)這種芯片成本較高。
圖片采用金屬封裝的紅外測(cè)溫芯片? ?圖源 | 智東西
隨著封裝技術(shù)發(fā)展，晶圓級(jí)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(cè)器晶圓對(duì)應(yīng)的硅窗晶圓，并將每顆紅外芯片與硅窗精準(zhǔn)對(duì)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(cè)的其他應(yīng)用
目前，全國(guó)各地疫情正在或已經(jīng)達(dá)到高峰期，紅外測(cè)溫儀等設(shè)備也受到廣泛歡迎。不過(guò)疫情總有過(guò)去的時(shí)候，當(dāng)人體測(cè)溫市場(chǎng)減少后，紅外測(cè)溫儀還將回歸它的主流賽道——工業(yè)、電子設(shè)備溫度檢測(cè)以及安防領(lǐng)域上來(lái)。
紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)在疫情前是紅外測(cè)溫儀的主流賽道。在檢測(cè)前，可以向待測(cè)物體注入熱量，熱量會(huì)在待測(cè)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(lái)。無(wú)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(lái)，物體表面熱場(chǎng)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(cè)溫儀對(duì)其進(jìn)行無(wú)損探傷，通過(guò)檢測(cè)儀的顯示器顏色區(qū)別快速區(qū)分物體有無(wú)缺陷，并找到缺陷位置。
圖片紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)? 圖源 | 知乎
很多電氣工程師也對(duì)熱成像儀很熟悉。當(dāng)辛辛苦苦焊接完一塊板子，接電測(cè)試時(shí)卻發(fā)現(xiàn)某處短路，為了檢測(cè)短路點(diǎn)只能用萬(wàn)用表一個(gè)個(gè)針腳測(cè)量電流，但面對(duì)上百個(gè)針腳的芯片時(shí)，依次檢測(cè)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(cè)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(cè)森林溫度，通過(guò)與AI算法結(jié)合，更早更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)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(guó)的安防監(jiān)控系統(tǒng)也可以與紅外探測(cè)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(cè)溫的能力，在各行各業(yè)都有應(yīng)用場(chǎng)景。雖然并非所愿，但近期疫情高峰正在沖擊每個(gè)人的生活，同時(shí)疫情防護(hù)常態(tài)化作為人類或?qū)⑿枰L(zhǎng)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(jī)遇，換個(gè)角度想，也是在印證技術(shù)進(jìn)步永遠(yuǎn)是從改善人類的生活這一點(diǎn)出發(fā)。
