“可以說紅外測溫傳感器在這次新冠肺炎疫情防控中發(fā)揮了重要作用,而隨著人們對它的認知程度的提高,今后它或?qū)⒁愿偷某杀尽⑿碌漠a(chǎn)品形式出現(xiàn)在人們的生活中。”上海微技術(shù)工業(yè)研究院(上海新微技術(shù)研發(fā)中心有限公司)總經(jīng)理丁輝文在接受《中國電子報》記者電話采訪時表示,“經(jīng)過這次疫情,很多客戶要求把測溫功能加到門禁中,還有不少客戶希望手機中也增加測溫功能。若那樣的話,紅外測溫傳感芯片市場將呈指數(shù)級增長。”

這次新冠肺炎疫情所需紅外測溫設(shè)備的芯片究竟有何技術(shù)含量?未來紅外測溫芯片將會產(chǎn)生哪些新的應(yīng)用場景?

紅外測溫市場“芯”當家

發(fā)熱是本次新冠肺炎的重要癥狀之一,體溫檢測是疫情防控的第一道防線。全自動紅外體溫檢測儀和手持式測溫儀是本次疫情中最為典型的兩種紅外測溫類型,前者是基于微測輻射熱計紅外熱成像技術(shù)的全自動紅外快速體溫篩查系統(tǒng),后者則是基于熱電堆紅外傳感器的手持測溫儀。無論是哪種紅外體溫檢測設(shè)備,都對疑似患者的甄別發(fā)揮了重要作用。隨著疫情在全球的蔓延,紅外測溫芯片的市場仍有很大的想象空間。

測溫設(shè)備的井噴式需求增長導致上百家企業(yè)涌入這個醫(yī)療器械市場,形成價格暴漲、質(zhì)量不保的“市場亂象”,造成這種狀況的根本原因是測溫槍核心部件紅外熱電堆溫度傳感器的缺貨。據(jù)了解,國內(nèi)手持式測溫儀的熱電堆紅外傳感器主要來自德國海曼、日本石塚、瑞士泰科、比利時邁來芯以及我國臺灣的眾智、上海微技術(shù)工業(yè)研究院、上海燁映等公司。上海微技術(shù)工業(yè)研究院副總經(jīng)理王旭洪在接受《中國電子報》記者采訪時表示,由于價格高、出貨量有限且部分產(chǎn)品出口到中國受限制等原因,國外紅外熱電堆溫度傳感器不能滿足國內(nèi)需求。因此,這次疫情給國內(nèi)傳感器企業(yè)帶來了一次大考。他告訴記者,紅外傳感器芯片采用MEMS工藝,它對線寬沒有過多要求,但對設(shè)備卻有特殊要求。“紅外傳感器芯片生產(chǎn)過程中的一個關(guān)鍵步驟是深硅刻蝕,因為耗費時間,且不易在短時間內(nèi)擴產(chǎn),因此,影響芯片產(chǎn)量。由于投放到市場的芯片數(shù)量太少,所以出現(xiàn)一芯難求、價格暴漲的現(xiàn)象也就不足為怪了?！蓖跣窈楸硎尽?/span>

與手持測溫儀相比,雖然自動體溫篩查系統(tǒng)也是供不應(yīng)求,但是其核心的紅外熱成像芯片的供應(yīng)情況就要好很多了。武漢高芯科技有限公司市場總監(jiān)王海艷告訴記者,非制冷紅外熱成像技術(shù)是典型的軍民兩用技術(shù),長期以來受到以美國為首的西方國家封鎖禁運。近年來,隨著高德紅外、大立科技等國內(nèi)企業(yè)推出自主研發(fā)的紅外熱成像探測器,我國才打破西方封鎖,逐步發(fā)展起我們自己的民族紅外產(chǎn)業(yè)。

浙江大立科技股份有限公司副總經(jīng)理范奇在接受《中國電子報》記者采訪時表示,紅外焦平面探測器是熱成像系統(tǒng)的核心部件,是探測、識別和分析物體紅外信息的關(guān)鍵。非制冷紅外焦平面探測器是以微機電技術(shù)(MEMS)制備的熱傳感器為基礎(chǔ),將物體紅外熱輻射信號轉(zhuǎn)換成可供人眼視覺分辨的圖像的高技術(shù)產(chǎn)品,是紅外熱成像系統(tǒng)的核心和難點。歐美的非制冷探測器技術(shù)和產(chǎn)品至今仍對中國實施嚴格的禁運措施。唯一能對中國出口的法國也通過“最終用戶許可”等制度限制使用。近十年,通過工信部“核高基”等專項的支持,非制冷紅外熱成像探測器已實現(xiàn)了從跟跑到并跑領(lǐng)跑的歷史性跨越。“此次疫情防控過程中,國內(nèi)非制冷紅外焦平面探測器基本以國內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)品為主。”范奇說。

門檻不低且需要技術(shù)積累

采訪過程中記者了解到,手持測溫儀用紅外熱電堆溫度傳感芯片和人們熟知的集成電路制造有很大差別,雖然它們有80%的工藝是相同的,但剩下20%不同的地方往往會成為其大規(guī)模生產(chǎn)的瓶頸。丁輝文告訴記者,熱電堆紅外傳感器結(jié)構(gòu)精細、設(shè)計嚴格。整套工序需要120多個步驟、38臺主要設(shè)備。熱電堆紅外傳感器采用MEMS工藝制造,有一定的門檻,這個門檻體現(xiàn)在,它是設(shè)計和工藝緊密結(jié)合的產(chǎn)物,即一個產(chǎn)品一套工藝,互換性不強,工藝的可移植性比較差導致它的生產(chǎn)不能輕易從一條線換到另外一條線。因此,如果只有設(shè)計能力,沒有工藝與之配合,是不太容易做好的。要批量生產(chǎn)熱電堆紅外傳感器,并且要保證很高的良率,就需要穩(wěn)定成熟的MEMS產(chǎn)線做支撐,同時這條線有一定的放量能力。在國外,MEMS芯片做得比較好的都是IDM企業(yè),即有自己的生產(chǎn)線,比如博世、ST?！澳壳?國內(nèi)MEMS的代工線并不多,尤其好的代工線并不多。”丁輝文表示,“另外,熱電堆紅外傳感器對封裝也有一些特殊要求,傳統(tǒng)封裝廠認為熱電堆紅外傳感器采用的TO封裝并不是很難,但是若要質(zhì)量穩(wěn)定,并且生產(chǎn)規(guī)模大,封裝過程同樣會出現(xiàn)技術(shù)問題,若不解決,產(chǎn)品性能仍然不能得到保證。”

杭州晶華微電子有限公司總經(jīng)理羅偉紹博士介紹,紅外測溫信號處理芯片作為紅外測溫儀的核心部件,ADC的精度與穩(wěn)定性,直接關(guān)系到測量的準確性。紅外測溫信號處理芯片與紅外熱電堆傳感器的適配校準是紅外測溫方案的關(guān)鍵。市面上不同廠家的紅外傳感器性能參數(shù)不一致,需要分別設(shè)計軟件校準方案。大量實踐表明:對傳感器信號和環(huán)境溫度補償?shù)能浖惴ǖ膬?yōu)劣,也顯著影響測量的準確度和一致性,這需要多年的實際應(yīng)用經(jīng)驗與臨床驗證積累。紅外測溫信號處理芯片產(chǎn)能還受限于晶圓廠、封測廠的產(chǎn)能,若他們的庫存和復工率不足的話,會直接影響到下游芯片廠商的生產(chǎn)。為此,羅偉紹建議國家相關(guān)部門加大對供應(yīng)鏈重要原材料、零配件的監(jiān)測監(jiān)管,確保成熟穩(wěn)定的紅外測溫芯片產(chǎn)能,真正有實力的生產(chǎn)廠家才能夠“有米下鍋”,待企業(yè)產(chǎn)能穩(wěn)定、市場穩(wěn)定后,價格畸高和缺貨現(xiàn)象就能得到有效遏制。

紅外熱成像芯片行業(yè)同樣具有較高的準入門檻。范奇告訴記者,紅外熱成像芯片是綜合了集成電路技術(shù)、敏感材料技術(shù)、MEMS技術(shù)等光、機、電多學科的集成技術(shù),其設(shè)計及制造難度非常高,這也是為何全世界掌握該技術(shù)的公司較少的重要原因。非制冷紅外焦平面芯片的制造對微橋設(shè)計與微加工工藝技術(shù)、焦平面批量生產(chǎn)、真空封裝、焦平面測試技術(shù)、可靠性技術(shù)等環(huán)節(jié)都要求極高,要求具備成熟的工藝技術(shù)經(jīng)驗和基礎(chǔ)條件。武漢高芯科技有限公司市場總監(jiān)王海艷對記者說,紅外熱成像芯片整個工藝都需要在半導體制程潔凈廠房里完成,這對廠商的考驗可想而知,一般的小企業(yè)是不具備這個能力的。

紅外測溫芯片期待新突破

這次疫情給紅外產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的市場機遇,極大提高了全社會對紅外產(chǎn)品的認知和接受程度,同時對紅外產(chǎn)品的質(zhì)量、服務(wù)和成本也提出了更高的要求。范奇表示,紅外熱成像芯片的大趨勢可分為高端裝備應(yīng)用和低成本應(yīng)用兩個方向。高端裝備應(yīng)用主要滿足航空航天、空間遙感、態(tài)勢感知等應(yīng)用場景,提高分辨率是該類應(yīng)用的主要發(fā)展方向,要求更大面陣的紅外傳感器提供更高速、更細膩的紅外圖像,滿足高動態(tài)、大視場的應(yīng)用需求;低成本應(yīng)用則是從目前的工業(yè)應(yīng)用進入到消費電子領(lǐng)域,滿足如個人娛樂消費、自動駕駛等領(lǐng)域的應(yīng)用,需努力實現(xiàn)產(chǎn)品的微型化和低成本化。

王海艷認為,未來最重要的是要讓紅外熱成像產(chǎn)品成為人們“買得起,用得上”的東西?！耙虼?新材料、新工藝、新產(chǎn)品、新應(yīng)用的開發(fā),產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)成本的優(yōu)化,紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用的教育普及等,都可以作為企業(yè)未來發(fā)展的新突破和新發(fā)展?！蓖鹾ＦG說。

“通過此次新冠肺炎疫情,我們看到了一個很大的傳感器市場,那就是醫(yī)用傳感器市場,其中包括基因測序、測溫等,其核心是傳感器的精度以及和醫(yī)療器械、臨床匹配度?！倍≥x文向《中國電子報》記者表示,目前他們正在著手兩個防疫科研攻關(guān)項目:一個是快速高精度核酸檢測系統(tǒng),能在5分鐘左右就檢驗出是否帶有新冠病毒,比現(xiàn)在的30分鐘檢測提速83%。另一個是采用微流控技術(shù)的高精度霧化器。他同時表示:“這一輪應(yīng)用為紅外測溫傳感芯片提供了一個很大的想象空間,催生了很多應(yīng)用溫度傳感器的場景,比如,原來的門禁,不管是指紋識別還是面部識別的,都沒有溫度測量功能,經(jīng)過這次疫情,很多客戶要求把測溫功能加到門禁中。有不少客戶還希望手機中也增加溫度測量功能,若那樣的話,紅外測溫傳感芯片市場將呈指數(shù)級增長?！?/span>