大立科技——非制冷红外焦平面探测器技术应用及市场分析
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红外辐射简介
红外辐射是指波长在0.75um至1000um，介于可见光波段与微波波段之间的电磁辐射。红外辐射的存在是由天文学家赫胥尔在1800年进行棱镜试验时首次发现。红外辐射具有以下特点及应用：
（1）所有温度在热力学绝对零度以上的物体都自身发射电磁辐射，而一般自然界物体的温度所对应的辐射峰值都在红外波段。因此，利用红外热像观察物体无需外界光源，相比可见光具有更好的穿透烟雾的能力。红外热像是对可见光图像的重要补充手段，广泛用于红外制导、红外夜视、安防监控和视觉增强等领域。
（2）根据普朗克定律，物体的红外辐射强度与其热力学温度直接相关。通过检测物体的红外辐射可以进行非接触测温，具有响应快、距离远、测温范围宽、对被测目标无干扰等优势。因此，红外测温特别是红外热像测温在预防性检测、制程控制和品质检测等方面具有广泛应用。
（3）热是物体中分子、原子运动的宏观表现，温度是度量其运动剧烈程度的基本物理量之一。各种物理、化学现象中，往往都伴随热交换及温度变化。分子化学键的振动、转动能级对应红外辐射波段。因此，通过检测物体对红外辐射的发射与吸收，可用于分析物质的状态、结构、状态和组分等。
（4）红外辐射具有较强的热效应，因此广泛地用于红外加热等。
综上所述，红外辐射在我们身边无处不在。而对于红外辐射的检测及利用，更是渗透到现代军事、工业、生活的各个方面。由于人眼对于红外辐射没有响应，因此对于红外辐射的感知和检测必须利用专门的红外探测器。红外辐射波段对应的能量在0.1eV-1.0eV之间，所有在上述能量范围之内的物理化学效应都可以用于红外检测。在发现红外辐射后至今的几百年内，人们研制了各种各样的红外探测器。
红外探测器的发展历程
现代红外技术的发展，是从1940年代光子型红外探测器的出现开始。第一个实用的现代红外探测器是二战中德国研制的PbS探测器，后续又出现了PbSe、PbTe等铅盐探测器。在1950年代后期研制出InSb探测器，这些本征型探测器的响应波段局限于8um之内。为扩大波段范围，发展了多种掺杂非本征型器件，如Ge:Au、Ge:Hg等，响应波长拓展到150um以上。到1960年代末，以HgCdTe（MCT）为代表的三元化合物单元探测器基本成熟，探测率已接近理论极限水平。1970年代发展了多元线列红外探测器。1980年代英国又研制出一种新型的扫积型MCT器件（SPRITE探测器），将探测功能与信号延时、叠加和电子处理功能结合为一体。之后，重点发展了所谓的第三代红外探测技术，主要包括大阵列凝视型焦平面、超长线列扫描型焦平面、以及非制冷型焦平面探测器。最近20年，3-5um波段的InSb和MCT焦平面探测器，8-12um波段的MCT焦平面探测器，以及8-14um波段的非制冷焦平面探测器成为主流技术。同时，也先后出现了量子阱探测器（QWIP），第二型超晶格探测器（T2SL），以及多色探测器、高工作温度（HOT）MCT探测器等新技术并逐渐走向实用化。特别是非制冷焦平面探测器技术，在体积、成本方面大幅改善，使得红外热像仪真正大规模走进工业和民用领域。图1总结了红外探测器技术发展历史上各阶段出现的不同红外探测器的类型。
红外探测器的技术分类
红外辐射波段对应的能量在0.1eV-1.0eV之间，所有在上述能量范围之内的物理化学效应都可以用于红外检测，因此人们研制和发展了多种不同类型的探测器。从不同的角度出发，红外探测器有多种不同的分类方法。图2总结了目前主要的红外探测器种类。
（1）按红外辐射与探测器的作用方式，主要分为光子型探测器和热探测器。光子型探测器包括光导型、光伏型、量子阱、超晶格等不同光子效应的探测器。热探测器包括热释电、热电堆、微测辐射热计等探测器。
（2）按照工作温度，可以分为制冷型探测器和非制冷型探测器。一般的光子型探测器都需要工作在低温，因此都是制冷型。即使如1-3um波段的PbS探测器可以工作在室温，但降低其工作温度能够显著改善其性能。而热探测器一般工作在室温范围，降低工作温度对其性能改进不明显。
（3）按照敏感元的数量，可以分为单元探测器、线列探测器、以及焦平面探测器。单元探测器、线列探测器如果用于成像则必须配备光机扫描机制，而焦平面探测器可以实现凝视成像。
（4）按照响应波长，可以分为短波红外探测器（1-2.5um）、中波红外探测器（3-5um）、以及长波红外探测器（8-14um），主要是针对三个大气窗口而形成的体制。
以上的分类都是根据具体需求和应用，强调了探测器某一方面的特性，在实际中，一种探测器往往兼具上述的几个特征。例如，微测辐射热计（Microbolometer）红外探测器，可以同时归类为非制冷型探测器、长波探测器、焦平面阵列探测器和热探测器。在下文中将重点介绍非制冷焦平面阵列红外探测器。
非制冷红外焦平面阵列探测器技术及应用
（1）发展历史
非制冷红外焦平面阵列探测器是从20世纪80年代开始，在美国军方支持下发展起来的，在1992年全部研发完成后才对外公布。初期技术路线包括德州仪器研制的BST热释电探测器和霍尼韦尔研制的氧化钒（VOx）微测辐射热计探测器。后来由于热释电技术本身的一些局限性，微测辐射热计探测器逐渐胜出。2009年，L-3公司最终宣布停止继续生产热释电探测器。之后，法国的CEA/LETI以及德州仪器公司又分别研制了非晶硅（a-Si）微测辐射热计探测器。霍尼韦尔后来把技术授权给数家公司生产制造，CEA/LETI的技术在新成立的ULIS公司生产。而后的近20年内，美国的非制冷探测器发生过多次的公司并购重组，目前世界上主要的非制冷焦平面探测器制造商及各自的市场份额如图3所示。
从目前到未来相当长的时间内，非制冷市场将是VOx技术与a-Si技术两者竞争的舞台。由于VOx发展时间长，并且美国是全球最大的红外市场，所以VOx探测器目前占据的市场份额处于领先地位。但是，a-Si探测器在短短的10多年时间内，已占领了近20%的全球市场，在美国以外特别是中国市场取得绝对优势。
（2）工作原理
非制冷红外焦平面探测器由许多MEMS微桥结构的像元在焦平面上二维重复排列构成，每个像元对特定入射角的热辐射进行测量，其基本原理如图4所示，a):红外辐射被像元中的红外吸收层吸收后引起温度变化，进而使非晶硅热敏电阻的阻值变化；b):非晶硅热敏电阻通过MEMS绝热微桥支撑在硅衬底上方，并通过支撑结构与制作在硅衬底上的COMS独处电路相连；c):CMOS电路将热敏电阻阻值变化转变为差分电流并进行积分放大，经采样后得到红外热图像中单个像元的灰度值。
为了提高探测器的响应率和灵敏度，要求探测器像元微桥具有良好的热绝缘性，同时为保证红外成像的帧频，需使像元的热容尽量小以保证足够小的热时间常数，因此MEMS像元一般设计成如图5所示的结构。利用细长的微悬臂梁支撑以提高绝热性能，热敏材料制作在桥面上，桥面尽量轻、薄以减小热质量。在衬底制作反射层，与桥面之间形成谐振腔，提高红外吸收效率。像元微桥通过悬臂梁的两端与衬底内的CMOS读出电路连接。所以，非制冷红外焦平面探测器是CMOS-MEMS单体集成的大阵列器件。
（3）应用领域
非制冷红外探测器在军事和商用领域具有非常广泛的应用：
（a）军事领域
军事领域应用包括武器热观瞄（TWS）、便携式视觉增强、车载视觉增强（DVE）、远程武器站（RWS）、无人机（UAV）、无人驾驶地面车辆、观察指挥车、火控和制导等，如图6所示。
（b）热像测温领域
热像测温用于预防性检测，例如对电力输电线路、发电设备、机械设备等通过红外热像仪检测异常发热区域，可以预防重大停机以及事故的发生。在建筑方面，用于检测房屋的隔热效果、墙壁外立面、空鼓、渗水和霉变等。其它的领域还包括产品研发、电子制造、医学测温和制程控制等
（c）商用视觉增强领域
商用视觉增强的主要应用包括消防营救、安防监控、车载、船载的红外视觉增强等，如图8所示。主要是利用红外成像无需外界光源、较强的穿透烟雾的能力、作用距离远、成像对比度强等优势，对人眼视觉进行有效的补充
2016年非制冷焦平面探测器市场将超过5.7亿美金，2011-2016年的年复合增长率超过14%。其中高分辨率的大面阵探测器因为在军事上的应用而占据较大的市场销售份额
国内非制冷红外焦平面阵列探测器的发展情况
由于非制冷焦平面探测器在军事方面的诸多应用，美国对中国一直实行严格的禁运措施。美国厂商在国内仅出售热像仪整机，或者在分辨率、帧频等方面有限制条件的机芯组件。法国的探测器可以对中国出口，但实施最终用户许可制度，并且在最先进的技术方面加以限制。
国内过去主要在高校等研究机构进行一些相关研究，一直未能实现国产化。从2006年前后，国内开始有商业公司进行非制冷探测器的研制工作。主要包括浙江大立科技、武汉高德红外等较大规模的热像仪厂家，沿袭其热像系统中使用的探测器体制，采用了非晶硅探测器路线。另外一些初创型公司如北京广微积电、烟台睿创等，采取了氧化钒探测器路线。
在2012年9月的深圳光博会上，浙江大立科技首次公开展示了公司的国产非制冷焦平面探测器，包括45um像元间距、320×240分辨率，35um像元间距、384×288分辨率，25um像元间距、384×288和640×480分辨率的多款型号a-Si探测器，性能与法国进口器件水平相当。
另外，国内还有上海巨哥电子、昆山光微等公司从事光读出非制冷焦平面探测器的研制和产业化。
红外成像在消费电子中的应用前景
目前，红外热像技术的应用还主要局限于军事、工业等领域，在日常的商用应用也主要限于高档汽车、游艇、狩猎等。但是，由于可见光图像传感器在手机等消费类电子产品中的广泛应用和极高的渗透率，让人们对于红外成像在消费电子中的应用抱有很高的期待。红外热像技术在消费电子中的大范围应用目前主要受到以下几个因素限制。
（1）成本高。目前市场上售价最低的红外热像仪也在2000美金左右，少数售价1000美金以下的热像仪分辨率很低。进口的最低分辨率的160x120探测器本身也在几百美金范围，显然无法被消费电子产品接受。
（2）体积大。相比于目前CIS模组的外形尺寸，红外热像仪的探测器和组件可以算得上庞然大物。而且由于红外成像的波长远远大于可见光波长，衍射极限限定了红外探测器的像元间距无法缩小到CIS传感器像元的尺寸，特别是考虑到光学镜头等的体积和成本，红外组件达到目前可见光模组的水平还有相当长的路要走。
（3）需求限制。可见光图像与人员视觉的天然吻合性，而红外成像的效果和用途与可见光照相存在显著差异，也导致普通消费者对红外成像的认识和需求无法与可见光成像相比拟。
但可喜的是在2012年我们也看到了把红外测温与手机结合的尝试。其中一个是日本Omron利用4x4的热堆探测器制作的测温组件D6T，与手机结合后可以测量食物或饮料的温度，并在手机屏幕上以伪彩色图像的形式显示温度高低分布，如图11所示。此外还可以用于监测室内温度，以便打造更舒适的生活环境。
红外辐射是指波长在0.75um至1000um，介于可见光波段与微波波段之间的电磁辐射。红外辐射的存在是由天文学家赫胥尔在1800年进行棱镜试验时首次发现。红外辐射具有以下特点及应用：
（1）所有温度在热力学绝对零度以上的物体都自身发射电磁辐射，而一般自然界物体的温度所对应的辐射峰值都在红外波段。因此，利用红外热像观察物体无需外界光源，相比可见光具有更好的穿透烟雾的能力。红外热像是对可见光图像的重要补充手段，广泛用于红外制导、红外夜视、安防监控和视觉增强等领域。
（2）根据普朗克定律，物体的红外辐射强度与其热力学温度直接相关。通过检测物体的红外辐射可以进行非接触测温，具有响应快、距离远、测温范围宽、对被测目标无干扰等优势。因此，红外测温特别是红外热像测温在预防性检测、制程控制和品质检测等方面具有广泛应用。
（3）热是物体中分子、原子运动的宏观表现，温度是度量其运动剧烈程度的基本物理量之一。各种物理、化学现象中，往往都伴随热交换及温度变化。分子化学键的振动、转动能级对应红外辐射波段。因此，通过检测物体对红外辐射的发射与吸收，可用于分析物质的状态、结构、状态和组分等。
（4）红外辐射具有较强的热效应，因此广泛地用于红外加热等。
综上所述，红外辐射在我们身边无处不在。而对于红外辐射的检测及利用，更是渗透到现代军事、工业、生活的各个方面。由于人眼对于红外辐射没有响应，因此对于红外辐射的感知和检测必须利用专门的红外探测器。红外辐射波段对应的能量在0.1eV-1.0eV之间，所有在上述能量范围之内的物理化学效应都可以用于红外检测。在发现红外辐射后至今的几百年内，人们研制了各种各样的红外探测器。
红外探测器的发展历程
现代红外技术的发展，是从1940年代光子型红外探测器的出现开始。第一个实用的现代红外探测器是二战中德国研制的PbS探测器，后续又出现了PbSe、PbTe等铅盐探测器。在1950年代后期研制出InSb探测器，这些本征型探测器的响应波段局限于8um之内。为扩大波段范围，发展了多种掺杂非本征型器件，如Ge:Au、Ge:Hg等，响应波长拓展到150um以上。到1960年代末，以HgCdTe（MCT）为代表的三元化合物单元探测器基本成熟，探测率已接近理论极限水平。1970年代发展了多元线列红外探测器。1980年代英国又研制出一种新型的扫积型MCT器件（SPRITE探测器），将探测功能与信号延时、叠加和电子处理功能结合为一体。之后，重点发展了所谓的第三代红外探测技术，主要包括大阵列凝视型焦平面、超长线列扫描型焦平面、以及非制冷型焦平面探测器。最近20年，3-5um波段的InSb和MCT焦平面探测器，8-12um波段的MCT焦平面探测器，以及8-14um波段的非制冷焦平面探测器成为主流技术。同时，也先后出现了量子阱探测器（QWIP），第二型超晶格探测器（T2SL），以及多色探测器、高工作温度（HOT）MCT探测器等新技术并逐渐走向实用化。特别是非制冷焦平面探测器技术，在体积、成本方面大幅改善，使得红外热像仪真正大规模走进工业和民用领域。图1总结了红外探测器技术发展历史上各阶段出现的不同红外探测器的类型。
红外探测器的技术分类
红外辐射波段对应的能量在0.1eV-1.0eV之间，所有在上述能量范围之内的物理化学效应都可以用于红外检测，因此人们研制和发展了多种不同类型的探测器。从不同的角度出发，红外探测器有多种不同的分类方法。图2总结了目前主要的红外探测器种类。
（1）按红外辐射与探测器的作用方式，主要分为光子型探测器和热探测器。光子型探测器包括光导型、光伏型、量子阱、超晶格等不同光子效应的探测器。热探测器包括热释电、热电堆、微测辐射热计等探测器。
（2）按照工作温度，可以分为制冷型探测器和非制冷型探测器。一般的光子型探测器都需要工作在低温，因此都是制冷型。即使如1-3um波段的PbS探测器可以工作在室温，但降低其工作温度能够显著改善其性能。而热探测器一般工作在室温范围，降低工作温度对其性能改进不明显。
（3）按照敏感元的数量，可以分为单元探测器、线列探测器、以及焦平面探测器。单元探测器、线列探测器如果用于成像则必须配备光机扫描机制，而焦平面探测器可以实现凝视成像。
（4）按照响应波长，可以分为短波红外探测器（1-2.5um）、中波红外探测器（3-5um）、以及长波红外探测器（8-14um），主要是针对三个大气窗口而形成的体制。
以上的分类都是根据具体需求和应用，强调了探测器某一方面的特性，在实际中，一种探测器往往兼具上述的几个特征。例如，微测辐射热计（Microbolometer）红外探测器，可以同时归类为非制冷型探测器、长波探测器、焦平面阵列探测器和热探测器。在下文中将重点介绍非制冷焦平面阵列红外探测器。
非制冷红外焦平面阵列探测器技术及应用
（1）发展历史
非制冷红外焦平面阵列探测器是从20世纪80年代开始，在美国军方支持下发展起来的，在1992年全部研发完成后才对外公布。初期技术路线包括德州仪器研制的BST热释电探测器和霍尼韦尔研制的氧化钒（VOx）微测辐射热计探测器。后来由于热释电技术本身的一些局限性，微测辐射热计探测器逐渐胜出。2009年，L-3公司最终宣布停止继续生产热释电探测器。之后，法国的CEA/LETI以及德州仪器公司又分别研制了非晶硅（a-Si）微测辐射热计探测器。霍尼韦尔后来把技术授权给数家公司生产制造，CEA/LETI的技术在新成立的ULIS公司生产。而后的近20年内，美国的非制冷探测器发生过多次的公司并购重组，目前世界上主要的非制冷焦平面探测器制造商及各自的市场份额如图3所示。
从目前到未来相当长的时间内，非制冷市场将是VOx技术与a-Si技术两者竞争的舞台。由于VOx发展时间长，并且美国是全球最大的红外市场，所以VOx探测器目前占据的市场份额处于领先地位。但是，a-Si探测器在短短的10多年时间内，已占领了近20%的全球市场，在美国以外特别是中国市场取得绝对优势。
（2）工作原理
非制冷红外焦平面探测器由许多MEMS微桥结构的像元在焦平面上二维重复排列构成，每个像元对特定入射角的热辐射进行测量，其基本原理如图4所示，a):红外辐射被像元中的红外吸收层吸收后引起温度变化，进而使非晶硅热敏电阻的阻值变化；b):非晶硅热敏电阻通过MEMS绝热微桥支撑在硅衬底上方，并通过支撑结构与制作在硅衬底上的COMS独处电路相连；c):CMOS电路将热敏电阻阻值变化转变为差分电流并进行积分放大，经采样后得到红外热图像中单个像元的灰度值。
为了提高探测器的响应率和灵敏度，要求探测器像元微桥具有良好的热绝缘性，同时为保证红外成像的帧频，需使像元的热容尽量小以保证足够小的热时间常数，因此MEMS像元一般设计成如图5所示的结构。利用细长的微悬臂梁支撑以提高绝热性能，热敏材料制作在桥面上，桥面尽量轻、薄以减小热质量。在衬底制作反射层，与桥面之间形成谐振腔，提高红外吸收效率。像元微桥通过悬臂梁的两端与衬底内的CMOS读出电路连接。所以，非制冷红外焦平面探测器是CMOS-MEMS单体集成的大阵列器件。
（3）应用领域
非制冷红外探测器在军事和商用领域具有非常广泛的应用：
（a）军事领域
军事领域应用包括武器热观瞄（TWS）、便携式视觉增强、车载视觉增强（DVE）、远程武器站（RWS）、无人机（UAV）、无人驾驶地面车辆、观察指挥车、火控和制导等，如图6所示。
（b）热像测温领域
热像测温用于预防性检测，例如对电力输电线路、发电设备、机械设备等通过红外热像仪检测异常发热区域，可以预防重大停机以及事故的发生。在建筑方面，用于检测房屋的隔热效果、墙壁外立面、空鼓、渗水和霉变等。其它的领域还包括产品研发、电子制造、医学测温和制程控制等
（c）商用视觉增强领域
商用视觉增强的主要应用包括消防营救、安防监控、车载、船载的红外视觉增强等，如图8所示。主要是利用红外成像无需外界光源、较强的穿透烟雾的能力、作用距离远、成像对比度强等优势，对人眼视觉进行有效的补充
2016年非制冷焦平面探测器市场将超过5.7亿美金，2011-2016年的年复合增长率超过14%。其中高分辨率的大面阵探测器因为在军事上的应用而占据较大的市场销售份额
国内非制冷红外焦平面阵列探测器的发展情况
由于非制冷焦平面探测器在军事方面的诸多应用，美国对中国一直实行严格的禁运措施。美国厂商在国内仅出售热像仪整机，或者在分辨率、帧频等方面有限制条件的机芯组件。法国的探测器可以对中国出口，但实施最终用户许可制度，并且在最先进的技术方面加以限制。
国内过去主要在高校等研究机构进行一些相关研究，一直未能实现国产化。从2006年前后，国内开始有商业公司进行非制冷探测器的研制工作。主要包括浙江大立科技、武汉高德红外等较大规模的热像仪厂家，沿袭其热像系统中使用的探测器体制，采用了非晶硅探测器路线。另外一些初创型公司如北京广微积电、烟台睿创等，采取了氧化钒探测器路线。
在2012年9月的深圳光博会上，浙江大立科技首次公开展示了公司的国产非制冷焦平面探测器，包括45um像元间距、320×240分辨率，35um像元间距、384×288分辨率，25um像元间距、384×288和640×480分辨率的多款型号a-Si探测器，性能与法国进口器件水平相当。
另外，国内还有上海巨哥电子、昆山光微等公司从事光读出非制冷焦平面探测器的研制和产业化。
红外成像在消费电子中的应用前景
目前，红外热像技术的应用还主要局限于军事、工业等领域，在日常的商用应用也主要限于高档汽车、游艇、狩猎等。但是，由于可见光图像传感器在手机等消费类电子产品中的广泛应用和极高的渗透率，让人们对于红外成像在消费电子中的应用抱有很高的期待。红外热像技术在消费电子中的大范围应用目前主要受到以下几个因素限制。
（1）成本高。目前市场上售价最低的红外热像仪也在2000美金左右，少数售价1000美金以下的热像仪分辨率很低。进口的最低分辨率的160x120探测器本身也在几百美金范围，显然无法被消费电子产品接受。
（2）体积大。相比于目前CIS模组的外形尺寸，红外热像仪的探测器和组件可以算得上庞然大物。而且由于红外成像的波长远远大于可见光波长，衍射极限限定了红外探测器的像元间距无法缩小到CIS传感器像元的尺寸，特别是考虑到光学镜头等的体积和成本，红外组件达到目前可见光模组的水平还有相当长的路要走。
（3）需求限制。可见光图像与人员视觉的天然吻合性，而红外成像的效果和用途与可见光照相存在显著差异，也导致普通消费者对红外成像的认识和需求无法与可见光成像相比拟。
但可喜的是在2012年我们也看到了把红外测温与手机结合的尝试。其中一个是日本Omron利用4x4的热堆探测器制作的测温组件D6T，与手机结合后可以测量食物或饮料的温度，并在手机屏幕上以伪彩色图像的形式显示温度高低分布，如图11所示。此外还可以用于监测室内温度，以便打造更舒适的生活环境。
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