孟 虎龍永福

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非制冷紅外焦平面探測器技術(shù)應(yīng)用及市場分析

孟 虎1,龍永福*2

(1. 湖南華南光電(集團)有限責(zé)任公司產(chǎn)品研發(fā)部, 湖南 常德, 415007; 2. 湖南文理學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

主要介紹了非制冷紅外焦平面探測器的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及主要應(yīng)用領(lǐng)域, 分析了非制冷紅外焦平面探測器技術(shù)未來發(fā)展趨勢和市場應(yīng)用前景, 對紅外產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的未來發(fā)展方向提供了參考建議.

非制冷紅外探測器; 紅外焦平面探測器; 微測輻射熱計

湖南華南光電(集團)有限責(zé)任公司從事紅外熱成像產(chǎn)品的研制開發(fā)已經(jīng)超過十個年頭, 主要涉及軍品行業(yè)和反恐防暴器材等領(lǐng)域, 已擁有知識產(chǎn)權(quán)的一批定型產(chǎn)品及核心技術(shù). 隨著紅外技術(shù)的飛速發(fā)展, 紅外產(chǎn)品得到越來越廣泛地應(yīng)用, 潛在的市場份額不斷擴大. 如何把握這個發(fā)展良機, 真正實現(xiàn)公司的騰飛, 是擺在華南人面前最大的問題. 千里之行, 始于足下, 只有認清形勢, 一步一個腳印踏實地向前邁進, 才可能實現(xiàn)我們的夢想.

1 非制冷紅外焦平面陣列探測器技術(shù)及應(yīng)用

1.1 發(fā)展歷史

非制冷紅外焦平面陣列探測器[1]是從20世紀(jì)80年代開始, 在美國軍方支持下發(fā)展起來的, 于1992年全部研發(fā)完成后對外公布. 初期技術(shù)路線包括德州儀器研制的BST熱釋電探測器和霍尼韋爾研制的氧化釩(VOx)微測輻射熱計探測器[2-4]. 由于熱釋電技術(shù)本身的一些局限性, 微測輻射熱計探測器[5—7]逐漸勝出. 2009年, L-3公司最終宣布停止繼續(xù)生產(chǎn)熱釋電探測器. 之后, 法國的CEA/LETI公司以及德州儀器公司又分別研制了非晶硅(a-Si)微測輻射熱計探測器[8-10]. 霍尼韋爾后來把技術(shù)授權(quán)給數(shù)家公司生產(chǎn)制造, CEA/LETI的技術(shù)在新成立的ULIS公司生產(chǎn). 爾后的近20年, 美國的非制冷探測器生產(chǎn)發(fā)生過多次的公司并購重組. 在未來相當(dāng)長的時間內(nèi), 非制冷市場將是氧化釩技術(shù)與非晶硅技術(shù)[11-16]兩者競爭的舞臺. 由于氧化釩發(fā)展時間長, 并且美國是全球最大的紅外市場, 所以氧化釩探測器目前占據(jù)的市場份額處于領(lǐng)先地位. 但是非晶硅探測器在短短的10多年時間內(nèi), 已占領(lǐng)了近20%的全球市場, 在美國以外特別是中國市場取得絕對優(yōu)勢.

1.2 工作原理

非制冷紅外焦平面探測器[17]由許多MEMS微橋結(jié)構(gòu)的像元在焦平面上二維重復(fù)排列構(gòu)成, 每個像元對特定入射角的熱輻射進行測量, 其基本原理如圖1所示: 紅外輻射被像元中的紅外吸收層吸收后引起溫度變化, 進而使非晶硅熱敏電阻的阻值變化; 非晶硅熱敏電阻通過MEMS絕熱微橋支撐在硅襯底上方, 并通過支撐結(jié)構(gòu)與制作在硅襯底上的CMOS讀出電路相連; CMOS電路將熱敏電阻阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛娏鞑⑦M行積分放大, 經(jīng)采樣后得到紅外熱圖像中單個像元的灰度值.

圖1 非晶硅紅外探測器工作原理

為了提高探測器的響應(yīng)率和靈敏度, 要求探測器像元微橋具有良好的熱絕緣性, 同時為保證紅外成像的幀頻, 需使像元的熱容盡量小以保證足夠小的熱時間常數(shù), 因此, MEMS像元一般設(shè)計成如圖2所示的結(jié)構(gòu). 利用細長的微懸臂梁支撐以提高絕熱性能, 熱敏材料制作在橋面上, 橋面盡量輕、薄以減小熱質(zhì)量. 在襯底制作反射層, 與橋面之間形成諧振腔, 提高紅外吸收效率. 像元微橋通過懸臂梁的兩端與襯底內(nèi)的CMOS讀出電路連接. 所以, 非制冷紅外焦平面探測器是CMOS-MEMS單體集成的大陣列器件.

圖2 非晶硅紅外探測器結(jié)構(gòu)

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域

1.3.1 軍事領(lǐng)域

軍事領(lǐng)域應(yīng)用包括武器熱觀瞄(TWS)、便攜式視覺增強、車載視覺增強(DVE)、遠程武器站(RWS)、無人機(UAV)、無人駕駛地面車輛、觀察指揮車、火控和制導(dǎo)等.

1.3.2 熱像測溫領(lǐng)域

熱像測溫用于預(yù)防性檢測, 例如對電力輸電線路、發(fā)電設(shè)備和機械設(shè)備等通過紅外熱像儀檢測異常發(fā)熱區(qū)域, 可以預(yù)防重大停機以及事故的發(fā)生. 在建筑方面, 用于檢測房屋的隔熱效果、墻壁外立面、空鼓、滲水和霉變等. 其它的領(lǐng)域還包括產(chǎn)品研發(fā)、電子制造、醫(yī)學(xué)測溫和制程控制等.

1.3.3 商用視覺增強領(lǐng)域

商用視覺增強的主要應(yīng)用包括消防營救、安防監(jiān)控、車載、船載的紅外視覺增強等. 主要是利用紅外成像無需外界光源、較強的穿透煙霧的能力、作用距離遠和成像對比度強等優(yōu)勢, 對人眼視覺進行有效的補充.

2 非制冷紅外焦平面陣列探測器的市場情況

據(jù)YoleDevelopment公司2011年發(fā)布的市場報告, 至2016年全球非制冷紅外熱像儀市場規(guī)模將達到34億美金, 2011—2016年的年復(fù)合增長率超過8.5%.

2016年非制冷焦平面探測器市場將超過5.7億美金, 2011—2016年的年復(fù)合增長率超過14%. 其中高分辨率的大面陣探測器因為在軍事上的應(yīng)用而占據(jù)較大的市場銷售份額(圖3).

圖3 非制冷焦平面探測器市場銷售份額

3 國內(nèi)非制冷紅外焦平面陣列探測器的發(fā)展情況

由于非制冷焦平面探測器在軍事方面的諸多應(yīng)用, 美國對中國一直實行嚴(yán)格的禁運措施. 美國廠商在國內(nèi)僅出售熱像儀整機, 或者在分辨率和幀頻等方面有限制條件的機芯組件. 法國的探測器可以對中國出口, 但實施最終用戶許可制度, 并且在最先進的技術(shù)方面加以限制.

國內(nèi)過去主要在高校等研究機構(gòu)進行一些相關(guān)研究, 一直未能實現(xiàn)國產(chǎn)化. 2006年前后, 國內(nèi)開始有商業(yè)公司進行非制冷探測器的研制工作. 浙江大立科技、武漢高德紅外等較大規(guī)模的熱像儀廠家, 沿襲其熱像系統(tǒng)中使用的探測器體制, 采取了非晶硅探測器路線. 另外一些初創(chuàng)型公司如北京廣微積電、煙臺睿創(chuàng)等, 采取了氧化釩探測器路線.

在2012年9月的深圳光博會上, 浙江大立科技首次公開展示了國產(chǎn)非制冷焦平面探測器, 包括45 μm像元間距、320 × 240分辨率; 35 μm像元間距、384 × 288分辨率; 25 μm像元間距、384 × 288和640 × 480分辨率的多款型號非晶硅探測器, 性能與法國進口器件水平相當(dāng). 另外, 國內(nèi)還有上海巨哥電子、昆山光微等公司從事光讀出非制冷焦平面探測器的研制和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn).

4 紅外成像在消費電子中的應(yīng)用前景

目前, 紅外熱像技術(shù)的應(yīng)用還主要局限于軍事和工業(yè)等領(lǐng)域, 日常的商用應(yīng)用主要限于高檔汽車、游艇和狩獵等. 但是, 由于可見光圖像傳感器在手機等消費類電子產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用和極高的滲透率, 讓人們對于紅外成像在消費電子中的應(yīng)用抱有很高的期待. 紅外熱像技術(shù)在消費電子中的大范圍應(yīng)用目前主要受到以下幾個因素限制:

(1) 成本高. 目前市場上售價最低的紅外熱像儀在2 000美金左右, 少數(shù)售價1 000美金以下的熱像儀分辨率很低. 進口最低分辨率的160×120探測器也在幾百美金范圍, 顯然無法被電子產(chǎn)品用戶接受.

(2) 體積大. 相比于目前CIS模組的外形尺寸, 紅外熱像儀的探測器和組件可以算得上龐然大物. 而且由于紅外成像的波長遠遠大于可見光波長, 衍射極限限定了紅外探測器的像元間距無法縮小到CIS傳感器像元的尺寸, 特別是考慮到光學(xué)鏡頭等的體積和成本, 紅外組件達到目前可見光模組的水平還有相當(dāng)長的路要走.

(3) 需求限制. 可見光圖像與人員視覺的天然吻合性, 而紅外成像的效果和用途與可見光照相存在顯著差異, 也導(dǎo)致普通消費者對紅外成像的認識和需求無法與可見光成像相比擬.

2012年國外已經(jīng)嘗試了把紅外測溫與手機結(jié)合. 日本Omron利用4 × 4的熱堆探測器制作的測溫組件D6T, 與手機結(jié)合后可以測量食物或飲料的溫度, 并在手機屏幕上以偽彩色圖像的形式顯示溫度高低分布. 此外還可以用于監(jiān)測室內(nèi)溫度, 以便打造更舒適的生活環(huán)境. 美國伊利諾斯州硬件開發(fā)人員安迪?羅森(AndyRawson)自己制作的IR-Blue, 采用了64(16 × 4)陣列的熱堆紅外溫度傳感器, 校準(zhǔn)范圍從-20～300 ℃, 通過藍牙與iOS或Android設(shè)備連接, 用戶只需激活應(yīng)用程序, 然后指向要檢測的區(qū)域, 手機上就會顯示出哪一片區(qū)域是最冷或是最熱.

但是, 上述2例中的探測器分辨率過低, 導(dǎo)致成像效果基本類似馬賽克, 只能作為紅外測溫使用. 非制冷紅外成像真正應(yīng)用到消費電子, 必須在體積、重量和成本等方面進行革命性的改進.

5 結(jié)束語

本文簡單介紹了非制冷紅外探測器的市場前景以及應(yīng)用領(lǐng)域, 目的是為我們未來的發(fā)展方向提供有價值的信息和參考意見, 希望本行業(yè)的決策層、管理者以及科研人員進一步放寬眼界, 開拓思路, 找準(zhǔn)公司未來在紅外領(lǐng)域的突破口, 進一步鞏固和提升公司在紅外領(lǐng)域的戰(zhàn)略地位.

致謝: 衷心感謝合作伙伴浙江大立科技股份有限公司提供的參考資料和數(shù)據(jù)信息.

[1] Wood R A, Han C J, Kruse P W. Integrated uncooled infrared detector imaging array [C]. Technical Digest-IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, 1992: 132—135.

[2] Radford W, Murphy D, Finch A, et al. Sensitivity improvements in uncooled microbolometer FPAs [J]. Proceedings of the 1999 Infrared Technology and Applications XXV, 1999, 88: 119—130.

[3] Pope T D, Jerominek H, Alain C, et al. Commercial and custom 160120, 2561, and 5123 pixel bolometric FPAs [C]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, Orlando, 2002, 4721: 64—74.

[4] 袁俊, 太云見, 雷曉虹, 等. 氧化釩非制冷紅外焦平面探測器芯片工藝研究[J]. 紅外技術(shù), 2009, 31(1): 1—4.

[5] 蔡毅, 胡旭. 紅外成像尋的用紅外探測器現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 紅外與激光工程, 2006, 35(1): 7—11.

[6] 邢偉榮, 李杰. 量子阱紅外探測器最新進展[J]. 激光與紅外, 2013, 43(2): 144—147.

[7] 雷亞貴, 王戎瑞, 陳苗海. 國外非制冷紅外焦平面陣列探測器進展[J]. 激光與紅外, 2007, 37(9): 801—805.

[8] Jerominek H, Picard F, Vincent D. Vanadium oxide films for optical switching and detection [J]. Optical Engineering, 1993, 32(9): 2092—2099.

[9] Malyarov V G, Khrebtov I A, Kulikov Yu V, et al. Comparative investigations of bolometric properties of thin-film structures based on vanadium dioxide and amorphous hydrated silicon[C]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, Moscow, 1999, 3819: 136—142.

[10] Vedel C, Martin J L, Ouvrier Buffet J L. Amorphous silicon based uncooled microbolometer IRFPA [C]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, Orlando, 2010, 3698: 276—283.

[11] 周偉, 馬妮, 吳晗平. 近地層紫外探測作用距離及其影響因素研究[J]. 紅外技術(shù), 2011, 33(6): 357—360.

[12] 高國龍. 法國的碲鎘汞紅外探測器[J]. 紅外技術(shù), 2011, 32(8): 39—46.

[13] 張衛(wèi)鋒, 張若嵐, 趙魯生, 等. InGaAs短波紅外探測器研究進展[J]. 紅外技術(shù), 2012, 34(6): 361—365.

[14] 史衍麗. 第三代紅外探測器的發(fā)展與選擇[J]. 紅外技術(shù), 2013, 35(1): 1—8.

[15] 李彥波, 劉超, 張楊, 等. 銻化物超晶格紅外探測器的研究進展[J]. 固體電子學(xué)研究與進展, 2010, 30(1): 11—17.

[16] 曾戈虹, 史衍麗, 莊繼勝. Ⅱ類超晶格紅外探測器的機理、現(xiàn)狀與前景[J]. 紅外技術(shù), 2011, 33(6): 311—314.

[17] 劉子驥. 非制冷紅外焦平面探測器測試及驗證成像技術(shù)研究[D]. 成都: 電子科技大學(xué). 2012.

Application and market analysis of technology on the uncooled infrared focal plane detector

MENG Hu1, LONG YongFu2

(1. Department of Product Research and Development, Hunan Southern China Photoelectric (Group) Co., Ltd. Changde 415007, China; 2. College of Physics and Electronics, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

This paper mainly introduces the development history, the present situation and the main application field of technology on the uncooled infrared focal plane detector, analyzes its development trend and the market prospect in the future, provides the certain reference proposal for the infrared products manufacturers in the future development direction.

uncooled infrared detector; infrared focal plane detector; microbolometer

TH 745

1672-6146(2014)02-0074-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.02.016

通訊作者email: yongfulong@163.com.

2014-05-04

湖南文理學(xué)院重點學(xué)科建設(shè)項目-無線電物理; 湖南省重點實驗室“光電信息集成與光學(xué)制造技術(shù)”; “湖南省光電信息技術(shù)校企聯(lián)合人才培養(yǎng)基地”資助.

(責(zé)任校對: 譚長貴)