非制冷红外焦平面探测器技术应用及市场分析

孟 虎龙永福



非制冷红外焦平面探测器技术应用及市场分析

孟 虎1,龙永福*2

(1. 湖南华南光电(集团)有限责任公司产品研发部, 湖南 常德, 415007; 2. 湖南文理学院 物理与电子科学学院, 湖南 常德, 415000)

主要介绍了非制冷红外焦平面探测器的发展历史、现状以及主要应用领域, 分析了非制冷红外焦平面探测器技术未来发展趋势和市场应用前景, 对红外产品生产厂家的未来发展方向提供了参考建议.

非制冷红外探测器; 红外焦平面探测器; 微测辐射热计

湖南华南光电(集团)有限责任公司从事红外热成像产品的研制开发已经超过十个年头, 主要涉及军品行业和反恐防暴器材等领域, 已拥有知识产权的一批定型产品及核心技术. 随着红外技术的飞速发展, 红外产品得到越来越广泛地应用, 潜在的市场份额不断扩大. 如何把握这个发展良机, 真正实现公司的腾飞, 是摆在华南人面前最大的问题. 千里之行, 始于足下, 只有认清形势, 一步一个脚印踏实地向前迈进, 才可能实现我们的梦想.

1 非制冷红外焦平面阵列探测器技术及应用

1.1 发展历史

非制冷红外焦平面阵列探测器[1]是从20世纪80年代开始, 在美国军方支持下发展起来的, 于1992年全部研发完成后对外公布. 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[2-4]. 由于热释电技术本身的一些局限性, 微测辐射热计探测器[5—7]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公司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[8-10]. 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. 尔后的近20年, 美国的非制冷探测器生产发生过多次的公司并购重组. 在未来相当长的时间内, 非制冷市场将是氧化钒技术与非晶硅技术[11-16]两者竞争的舞台. 由于氧化钒发展时间长, 并且美国是全球最大的红外市场, 所以氧化钒探测器目前占据的市场份额处于领先地位. 但是非晶硅探测器在短短的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.

1.2 工作原理

非制冷红外焦平面探测器[17]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1所示: 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; 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CMOS读出电路相连; 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.

图1 非晶硅红外探测器工作原理

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2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.

图2 非晶硅红外探测器结构

1.3 应用领域

1.3.1 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.

1.3.2 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、发电设备和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.

1.3.3 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. 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、作用距离远和成像对比度强等优势, 对人眼视觉进行有效的补充.

2 非制冷红外焦平面阵列探测器的市场情况

据YoleDevelopment公司2011年发布的市场报告, 至2016年全球非制冷红外热像仪市场规模将达到34亿美金, 2011—2016年的年复合增长率超过8.5%.

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(图3).

图3 非制冷焦平面探测器市场销售份额

3 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, 或者在分辨率和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. 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. 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, 采取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国产非制冷焦平面探测器, 包括45 µm像元间距、320 × 240分辨率; 35 µm像元间距、384 × 288分辨率; 25 µm像元间距、384 × 288和640 × 480分辨率的多款型号非晶硅探测器, 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生产.

4 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和工业等领域, 日常的商用应用主要限于高档汽车、游艇和狩猎等. 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在2 000美金左右, 少数售价1 000美金以下的热像仪分辨率很低. 进口最低分辨率的160×120探测器也在几百美金范围, 显然无法被电子产品用户接受.

(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.

2012年国外已经尝试了把红外测温与手机结合. 日本Omron利用4 × 4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. 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. 美国伊利诺斯州硬件开发人员安迪•罗森(AndyRawson)自己制作的IR-Blue, 采用了64(16 × 4)阵列的热堆红外温度传感器, 校准范围从-20～300 ℃, 通过蓝牙与iOS或Android设备连接, 用户只需激活应用程序, 然后指向要检测的区域, 手机上就会显示出哪一片区域是最冷或是最热.

但是, 上述2例中的探测器分辨率过低, 导致成像效果基本类似马赛克, 只能作为红外测温使用. 非制冷红外成像真正应用到消费电子, 必须在体积、重量和成本等方面进行革命性的改进.

5 结束语

本文简单介绍了非制冷红外探测器的市场前景以及应用领域, 目的是为我们未来的发展方向提供有价值的信息和参考意见, 希望本行业的决策层、管理者以及科研人员进一步放宽眼界, 开拓思路, 找准公司未来在红外领域的突破口, 进一步巩固和提升公司在红外领域的战略地位.

致谢: 衷心感谢合作伙伴浙江大立科技股份有限公司提供的参考资料和数据信息.

[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, 太云见, 雷晓虹, 等. 氧化钒非制冷红外焦平面探测器芯片工艺研究[J]. 红外技术, 2009, 31(1): 1—4.

[5] 蔡毅, 胡旭. 红外成像寻的用红外探测器现状和发展趋势[J]. 红外与激光工程, 2006, 35(1): 7—11.

[6] 邢伟荣, 李杰. 量子阱红外探测器最新进展[J]. 激光与红外, 2013, 43(2): 144—147.

[7] 雷亚贵, 王戎瑞, 陈苗海. 国外非制冷红外焦平面阵列探测器进展[J]. 激光与红外, 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] 周伟, 马妮, 吴晗平. 近地层紫外探测作用距离及其影响因素研究[J]. 红外技术, 2011, 33(6): 357—360.

[12] 高国龙. 法国的碲镉汞红外探测器[J]. 红外技术, 2011, 32(8): 39—46.

[13] 张卫锋, 张若岚, 赵鲁生, 等. InGaAs短波红外探测器研究进展[J]. 红外技术, 2012, 34(6): 361—365.

[14] 史衍丽. 第三代红外探测器的发展与选择[J]. 红外技术, 2013, 35(1): 1—8.

[15] 李彥波, 刘超, 张杨, 等. 锑化物超晶格红外探测器的研究进展[J]. 固体电子学研究与进展, 2010, 30(1): 11—17.

[16] 曾戈虹, 史衍丽, 庄继胜. Ⅱ类超晶格红外探测器的机理、现状与前景[J]. 红外技术, 2011, 33(6): 311—314.

[17] 刘子骥. 非制冷红外焦平面探测器测试及验证成像技术研究[D]. 成都: 电子科技大学. 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

通讯作者email: yongfulong@163.com.

2014-05-04

湖南文理学院重点学科建设项目-无线电物理; 湖南省重点实验室“光电信息集成与光学制造技术”; “湖南省光电信息技术校企联合人才培养基地”资助.

(责任校对: 谭长贵)