今天你发烧了吗？这颗芯片第一时间回答你
本文来自微信公众号：与非网eefocus （ID：ee-focus），作者：刘浩然，题图来自：视觉中国
当新冠病毒已经成功在我们身边站稳了脚跟，“你阳了吗？”“今天烧多少度？”已经成为跟“吃了吗”一样平常的打招呼方式。网络上分享新冠痊愈过程的帖子一篇接着一篇，其中有不少都是介绍他们与高烧症状的抗争过程。线下，各大医院与诊所的发热门诊和核酸检测点排起了长队。
不过，在去线下就诊的路上，你有没有注意到每个医院的门口都有一只并不起眼的“眼睛”在盯着你？有了它，医生可以第一时间发现患者发烧的严重程度，并进行针对性处理；它也可以用在公共场所的门口，拦住那些已经发热的人减少疫情扩散；在工业领域，它还能瞬间找到金属的缺陷部位。这只眼睛就是红外热成像仪。本篇文章，与非网将为你介绍红外热成像仪关键芯片的发展过程、结构以及应用场景。
车站门口的热成像仪
图源 | 苏州轨道交通
红外热成像仪，从稀缺到大众
目前对物体测温的方式主要有两种，接触式和非接触式。
接触式测温主要利用热电阻或者热电偶温度探测器，通过测温元件对被测对象进行测温，该种方法优点是操作简单，但缺点是测量的精度低、速度慢，在高温环境中很难发挥作用。过去接触式测温仪作为水银测温仪的上位替代品已经在各大医疗机构占据一定的市场，不过现阶段疫情传播速度很快，医护人员亟需保护自身在面对汹涌的就诊人群时不会被病毒击倒，因此非接触式测温仪逐渐流行起来。
非接触式测温主要是基于物体的热辐射原理设计而成的，在测量的过程中不需要与被测物体接触，具有较高的测温上限、安全可靠、测量快速等优势，适合测量移动旋转的高温物体的温度。过去三年时间，我们可以在各级医院门口、小诊所大夫的医疗箱中、小区门口的保安手里、甚至街边小吃店厨师手中，都能看到测温枪的身影。
非接触式红外探测器又分为制冷式与非制冷式两种。
红外探测器的技术发展要追溯到上世纪50年代，硒化铅 (PbSe)、碲化铅 (PbTe)、锑化铟（InSb）被发现，这些半导体化合物军对红外线敏感，可探测大气中3-5μm中波长红外线。InSb等化合物属于窄带隙半导体，它在受到红外线照射时会产生电流。
不过窄带隙材料在使用一段时间后都需要重新校准，且探测器需要在低温下运行，基于这两个特点，上世纪的红外探测器内部需要集成主动降温以及复杂的自动扫描校正模块，因此体积很大，主要用于军事领域。也被称为制冷式红外探测技术。
制冷型红外探测器
图源 | 智东西
随着集成电路技术的发展，上世纪60年代末，第二代红外探测技术，也是非制冷式红外探测技术出现。电荷耦合器件（CCD）与CMOS的发明让探测器阵列与焦平面电子模拟信号读出器结合成为可能。与相机成像的原理类似，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，接收光电信号转换后将电信号进行积分放大等操作，最终形成图像。
红外焦平面阵列探测器
图源 | 百度百科
相比前一代技术，第二代红外技术利用探测器探测物体的红外热效应，而不是基于红外敏感材料的光电效应，具有体积小、重量轻、可靠性高的特点。不过相较于制冷型探测器，非制冷型探测距离较短，响应速度较慢，灵敏度较低。但非制冷红外探测器技术解决了制冷型红外探测器需要在低温下工作的问题，除此之外，非制冷红外探测器成本低廉，可实现大规模生产，使红外探测仪能进入广阔的民用市场。
进入21世纪，第三次红外探测革命出现，背后主导因素是微测辐射热计与热释电感测器等技术逐渐成熟。第三代红外探测器与第二代成像原理相同，基本特征就是像素高，热灵敏度高，并且可以搭配AI算法对红外成像进行无损放大。有了第三代红外探测技术，我们才能在各大医疗机构、机场以及地铁站门口看到那些大型屏幕上显示的红外测温影像。
红外测温芯片的结构与参数
打开任意购物网站搜索红外测温仪，我们可以看到不少产品都宣传自己的产品拥有超高清晰度、画面清晰度高、测温范围更广等优势。而红外焦平面探测器（热成像仪芯片、红外测温芯片）是整个红外探测仪或测温仪的核心，探测器的性能也直接决定了热成像系统的整体性能。
我们以微测辐射热计式红外测温芯片举例。目前大部分热成像芯片都是基于氧化钒材料，约占市场份额的70%以上。该类型芯片由MEMS技术工艺制造，由底部反射镜、互联电极、绝热桥腿、热敏电阻和红外吸收桥面组成。红外吸收桥面能够高效吸收外界红外辐射并引起温度变化，导致集成于桥面之中的热敏材料的电阻发生改变。
下方的芯片（通常是ASIC）会处理辐射热计阵列电阻变化的模拟信号最终输出。此外，芯片底反射镜还会与红外吸收桥面之间构成能够吸收特定波长的共振吸收腔，以此来增加桥面的红外线吸收能力。绝热桥结构用于降低桥面热敏电阻与读出电路衬底之间的热交换，使热敏电阻对红外辐射敏感。绝热桥的材料尺寸和制造工艺决定了整块芯片的分辨率以及热传导能力，进而直接决定微测辐射热计的响应时间。
红外热成像芯片（微测辐射热计）结构
图源 | 红外芯闻
而热成像仪的关键参数，如分辨率、灵敏度、工作频率、噪声系数等参数都与微测辐射热计热敏材料的选择与工艺相关。理论上焦平面探测器的阵列规模越大，图像分辨率就越大，目前常规阵列规模包括160 ×120、320 ×240、384 ×288、640×512、1024 ×768 和1920 ×1080，不少特种设备甚至达到了4k分辨率。
像元中心距也是关键参数之一，它与光学系统共同决定了成像系统的空间分辨率。简单来说，像元中心距就是单个像素点之间的距离，像元中心距越小，单位空间内的像素点就越多。目前非制冷红外焦平面探测器的像元中心距已有8μm产品，与长波红外光的中心波长相当。
NETD被称为探测器灵敏度，灵敏度越高，传感器区分微小温度变化的速度也越快。目前民用级热成像仪基本可以区分0.1K（开尔文）的温度变化，而军用设备则可以做到50mK（即0.05℃）。热敏材料的响应时间则决定了设备的工作帧频与延时，工作帧频可以类比为温度显示的刷新率。帧频越高延时也越低。
由于微测辐射热计接收目标红外辐射后的仅能产生微弱的维度变化，为了维持热量，需要尽量杜绝芯片与外界的热量交换，因此需要将芯片置于真空环境下工作。早期红外探测芯片均采用真空封装，即利用金属、陶瓷等外壳将芯片包裹在内，并内置吸气剂等组件。不过这种芯片成本较高。
采用金属封装的红外测温芯片
图源 | 智东西
随着封装技术发展，晶圆级封装提供了另一种解决方案。这种方案需要提前准备另一个与探测器晶圆对应的硅窗晶圆，并将每颗红外芯片与硅窗精准对接，在真空环境中焊在一起，然后再进行切割工作。这种封装方式具有更高的集成度，生产速度也能提高不少。
红外探测的其他应用
目前，全国各地疫情正在或已经达到高峰期，红外测温仪等设备也受到广泛欢迎。不过疫情总有过去的时候，当人体测温市场减少后，红外测温仪还将回归它的主流赛道——工业、电子设备温度检测以及安防领域。
红外热成像无损检测在疫情前是红外测温仪的主流赛道。在检测前，可以向待测物体注入热量，热量会在待测物体内部和表面流动，部分热量也会随之扩散出来。无缺陷物体在热量主入后，热流能够均匀的从物体表面散发出来，物体表面热场均匀。
而缺陷物体注入热量后，部分热量会在缺陷处流动受阻，造成热量堆积因此会出现局部高温区。因此我们可以利用红外测温仪对其进行无损探伤，通过检测仪的显示器颜色区别快速区分物体有无缺陷，并找到缺陷位置。
红外热成像无损检测
图源 | 知乎
很多电气工程师也对热成像仪很熟悉。当辛辛苦苦焊接完一块板子，接电测试时却发现某处短路，为了检测短路点只能用万用表一个个针脚测量电流，但面对上百个针脚的芯片时，依次检测就十分费力了。若给板子接通恒压直流电源，然后直接用热成像仪扫描整块电路板，很容易就发现短路位置，再进行相应处理。
在安防领域，红外探测同样有广阔的应用空间。例如在防范森林火灾方面，定点布置的热成像仪可以替代巡视员24小时不停的监测森林温度，通过与AI算法结合，更早更精准的预测火情并报警；在保护生态环境方面，全天候工作的红外安防设备可以有效打击夜行的偷猎者与偷捕者；我国的安防监控系统也可以与红外探测结合，高效打击犯罪行为。
总结
红外热成像芯片，依靠其非接触式快速测温的能力，在各行各业都有应用场景。虽然并非所愿，但近期疫情高峰正在冲击每个人的生活，同时疫情防护常态化作为人类或将需要长期共存的一种生活方式，反而促成红外热成像领域的研发与推广的重要机遇，换个角度想，也是在印证技术进步永远是从改善人类生活这一点出发。
参考资料：
国产红外芯片的十年崛起之路
https://www.huxiu.com/article/351952.html
非制冷红外焦平面探测器的原理
https://www.elecfans.com/d/1623638.html
红外无损检测
http://www.anjiewen.com/info_Infrared-Thermography-135.html
本文来自微信公众号：与非网eefocus （ID：ee-focus），作者：刘浩然
