非制冷红外探测芯片的国产替代，成本下探打开民用空间

电子发烧友网报道（文/李宁远）红外成像技术大家都多少有所耳闻，在疫情中，红外热成像技术发挥了重要作用。作为一项应用范围广泛的高新技术，红外成像技术不仅在医学方面，在汽车、电力、安防等领域都有深入的应用。
 
实现红外成像技术的关键一环就是其中的红外热成像芯片，不同于生活中常见的手机芯片，汽车芯片，红外热成像芯片是一种特种芯片。非制冷红外芯片因为其噪声等效温差（NETD）指标较低，在民用领域有很广泛的应用，我们日常生活中见到的热成像设备使用的都是这一类红外芯片。与其相对应的制冷型红外芯片则多用在军事等高端领域，基本都是各国禁止出口的产品。
 
红外芯片的国产替代路
 
作为红外热像仪的最核心部件，红外热成像探测芯片直接决定了设备最终成像的分辨率和灵敏度，它能够帮助设备收集红外线的温度数据和热分布信息。红外芯片虽然不同于生活中常见的手机芯片、汽车芯片，但它和二者的情况有些类似，都经历了长期受制于人到国产替代崛起的过程。十多年前，我国的红外芯片，不论是制冷型还是非制冷型都严重依赖进口，是被西方卡脖子的主要对象之一。
 
先看制冷型红外探测芯片，制冷型红外探测器本质上是一个光子探测器，要发挥其最佳性能就需要在低温制冷。系统的复杂性让制冷型红外价格居高不下，从而制约了它的应用和发展。目前为止，制冷型红外也仅仅在对灵敏度要求非常高的军事领域和极少部分工业领域中得到应用。在制冷型红外领域，国内参与的玩家不多，主要是国内各大军工研究院在推进，民营企业里的参与者目前能找到详细资料而且技术指标能对标国外的很少，高德红外（高芯科技）算一个。
 
非制冷型红外依靠反向工程从仿制起步，经过近十几年的发展摆脱了红外核心器件受制于人的局面。突破国外对我国先进制造工艺和封装等技术的封锁成为红外热成像技术国产替代的关键所在。目前国产非制冷红外热成像探测器芯片产业已从最初全部依赖国外进口，实现了与国外相同水平的替代，甚至在某些方面上完成了超越。民用红外市场需求的增长自然起到了不小的推动作用，最主要的还是除了军工企业之外，民营红外企业研发实力在不断地增强与突破，高德红外、大立科技、艾睿光电和海康威视这些民营企业在国内的红外热成像产业中都占据着重要的地位。
 
非制冷红外技术持续突破，铺开红外探测民用市场
 
不同于制冷型红外，非制冷型红外可以在常温下工作，虽然灵敏度和观测距离较短，但在成本、功耗、重量和寿命等方面具有优势，在大部分民用应用里非制冷红外展示出的性能完全是足够的，而且工艺技术门槛也相对低一些。
 
红外探测器能在民用领域铺开应用多晶硅技术功不可没。非制冷型红外芯片的热敏元件材料常见的有氧化钒（VOx）和非晶硅（α-Si），负责感知红外辐射。氧化钒具有较高的TCR，多晶硅的TCR其实并不弱于氧化钒，但受限于自身无定形结构，往往NETD不如氧化钒，噪声会高出大概两个数量级。
 
物理特性导致的噪声意味着成像质量有天然的差距，但这个差距和二者的成本相比，在民用领域里就没有那么大了。非晶硅以较低的成本拥有稳定的市场份额，较低的成本加之像素水准的不断突破，非晶硅红外芯片在测温、监控、车载夜视领域都有着不小的市场份额，低成本的下探铺开了民用红外探测应用空间。
 
氧化钒则在高质量成像技术路线上不断突破像元间距。像元间距，红外探测芯片中最受关注的指标，像元间距越小高质量成像的优势越大。从25μm开始，综合考量氧化钒与非晶硅的成像质量与成本难以分上下，到17μm像元间距，基于非晶硅的红外芯片成像质量就开始落入下风，到12μm像元间距再往下，就是氧化钒的天下。
 
在25μm到17μm像元间距红外芯片上批量出货的厂商不少，大立科技就是基于非晶硅工艺主要做这个像元间距的产品。实现12μm像元间距批量出货的厂商据目前资料有艾睿光电和高德红外，都走氧化钒路线。再往更小的像元间距，目前国内最有竞争力的就是艾睿光电，国内首款全球第二款10μm红外芯片、全球首款8μm红外芯片就是由艾睿光电推出，体现了国产非制冷红外芯片的领先实力。这些领先的厂商在量产摊薄成本之后，高成像质量的红外芯片也得以进入更多的市场。
 
国产非制冷红外芯片对比
 
高德红外
 
目前高德红外集团旗下高芯科技有四款晶圆级探测芯片，GST612W、GST412W 、GST212W以及GST417W，均采用氧化钒敏感材料。GST612W、GST412W 、GST212W为12μm像元间距，GST417W为17μm像元间距。
 

 
（晶圆级探测器，高德红外）

 
12μm系列覆盖640×512、400×300、256×192面阵规格，典型NETD均做到＜40mK，热响应时间＜12ms，配置14位输出信号，在功耗和帧频上略有差异，帧频最高可达50Hz。
 
艾睿光电
 
艾睿光电非制冷红外芯片共14款，覆盖10μm、12μm、17μm三种像元间距，10μm有1款、12μm有10款，17μm有3款。去年突破性的8μm并未在官网公布，只给出了其NETD≤40mk。
 

（10μm红外芯片，艾睿光电）

 

国内少有的10μm芯片RTDS101M采用了氧化钒敏感材料，分辨率为1280×1024。在10μm像元间距应用里即便是采用氧化钒也很难缩小NETD，RTDS101M保持了＜50mk的高灵敏度，热响应时间＜10ms，帧频最高可达60Hz。
 
12μm系列NETD相关指标NETD都能实现小于40mK，参数最优的系列在NETD实现小于40mK的情况下热响应时间＜10ms，帧频最大60Hz。17μm系列里NETD小于40mK的料号热响应时间为12ms，NETD小于50mK的料号可以做到10ms热响应时间，帧频均最大可达60Hz。
 
大立科技
 
大立科技非制冷红外芯片共11个料号，15μm系列3款，17μm系列5款，25μm系列3款。在像素这一项指标上，大立科技一直处于国内外领先水平。
 

 
（25μm红外芯片，大立科技）

 
15μm、17μm系列最大频帧全部可达到60Hz，NETD在50mK水平。25μm系列热响应速度在12ms水平，NETD小于40mk，60Hz的帧频。有些不同的是高德红外与艾睿光电为了微型化和轻量化没有采用TEC温控，大立科技的系列都采用了TEC温控。
 

 
小结
 
这些民营非制冷红外探测芯片已经实现了国产替代，技术水平稳居国际第一梯队。从市场来看，较大面阵芯片应用在红外探测器芯片量产后，会有很多领域的应用空间都会打开，包括安防监控、汽车自动驾驶。小面阵芯片则更多的应用在物联网、安防、消防等领域，随着物联网发展同样有可预期的增长。