不同技術(shù)流派的國產(chǎn)非制冷紅外探測芯片取得了哪些突破？

紅外探測器從機芯到整機國產(chǎn)化是一個漫長的過程，依靠反向工程從仿制起步，經(jīng)過近二十年的發(fā)展擺脫了紅外核心器件受制于人的局面，這是非制冷紅外芯片漫長的國產(chǎn)替代之路。非制冷紅外因為其噪聲等效溫差（NETD）指標較低，在民用領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用。與其相對應(yīng)的制冷型紅外芯片則多用在軍用等高端領(lǐng)域，高規(guī)格的制冷型紅外機芯基本上都在各國禁止出口的產(chǎn)品名單中。

在非制冷紅外機芯里，熱敏元件無疑是核心部件中的核心，它作為橋梁連接起了感知紅外輻射與輸出信號。非制冷型紅外芯片的熱敏元件材料一般選擇氧化釩（VOx）和非晶硅（α-Si）。兩種材料在技術(shù)上都已經(jīng)足夠成熟，在紅外機芯應(yīng)用上都有著很悠久的歷史。氧化釩的應(yīng)用會稍稍早一些，是由軍用轉(zhuǎn)入民用，因為其具有較高的TCR，在紅外機芯中很受歡迎。多晶硅的TCR并不弱于氧化釩，但受限于自身無定形結(jié)構(gòu)，往往NETD不如氧化釩。

多晶硅技術(shù)應(yīng)用鋪開紅外探測民用市場

多晶硅由于其本身的無定形結(jié)構(gòu)，在非制冷紅外芯片中相同的TCR下會呈現(xiàn)出比氧化釩更高的噪聲（大約高出兩個數(shù)量級），這意味著成像質(zhì)量不可避免得會變差。既然材料決定了兩種技術(shù)路線的紅外芯片在同一條件下會有不可忽視的效果差距，那為什么基于氧化釩的非制冷紅外芯片沒有一統(tǒng)整個市場，反而讓基于多晶硅的紅外芯片占據(jù)了不小的份額呢？

在民品領(lǐng)域，并不是所有需求都對器件技術(shù)指標要求得那么嚴苛，非晶硅以較低的成本擁有穩(wěn)定的市場份額，同時大幅推進了紅外探測器在民品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。以市面上普遍的技術(shù)指標作為對比，氧化釩探測器的靈敏度是比較容易做到＜40mk，非晶硅探測器的靈敏度雖然大致在50mK左右但不是不可以突破。國內(nèi)市場就有不少采用非晶硅的非制冷紅外芯片將靈敏度做到了＜40mk。

（圖源：大立科技）

來源于材料的噪聲制約了非晶硅的成像能力，但這個制約在像元間距不是那么小的時候并沒有想象中那么嚴重。在25μm像元間距的非制冷紅外系列中，國內(nèi)領(lǐng)先的芯片不論是基于氧化釩還是非晶硅都可以做到NETD＜40mk。在工藝上因為都采用了CMOS-MEMS，國內(nèi)領(lǐng)先的不同熱敏材料的紅外芯片在大像元間距類別上并沒有明顯差異，不論是在熱響應(yīng)速度、靈敏度還是分辨率指標上。基于非晶硅的技術(shù)領(lǐng)先廠商為了彌補材料上的先天不足，在像素層面還下了不少苦功，國內(nèi)紅外芯片從1280×1024到3072×2048的像素水準已經(jīng)是領(lǐng)先國外的技術(shù)水平。

基于非晶硅的非制冷紅外芯片依靠較低的成本和領(lǐng)先的像素水準在測溫、監(jiān)控、車載夜視領(lǐng)域都有著不小的市場份額，低成本的下探鋪開了民用紅外探測應(yīng)用。

氧化釩紅外芯片高質(zhì)量成像優(yōu)勢向更小像元突破

在相同的TCR下，氧化釩的噪聲系數(shù)比非晶硅有明顯的優(yōu)勢，這意味著成像質(zhì)量很高。在像元間距越來越小的應(yīng)用中，這一優(yōu)勢會被明顯放大。從17μm像元間距開始，基于非晶硅的紅外芯片成像質(zhì)量就開始落入下風。到12μm像元間距，基本就是氧化釩的天下。非晶硅從17μm像元間距開始也只能維持＜50mk的NETD，而氧化釩可以很輕松地達到小于40mk的靈敏度，往20~30mk靠攏。

（圖源：高德紅外）

雖然基于氧化釩的紅外芯片成本會略高，但國內(nèi)廠商自有攤薄成本的辦法，例如國內(nèi)制冷與非制冷紅外芯片巨頭高德紅外通過晶圓級封裝，直接在整個晶圓片上完成高真空封裝測試程序之后，再進行劃片切割制成單個紅外探測器，解決微型化和成本問題；艾睿光電自研的ASIC全系列紅外熱成像模組通過大批量產(chǎn)也降低成本打開了市場空間。

氧化釩的高質(zhì)量成像優(yōu)勢不滿足于17μm到12μm的像元間距，國內(nèi)領(lǐng)先的紅外芯片廠商開始向更小的像元間距突破。非制冷紅外領(lǐng)域的10μm像元間距應(yīng)用中已經(jīng)沒有非晶硅技術(shù)的身影了，在10μm像元間距應(yīng)用里即便是采用氧化釩也很難縮小NETD，維持在40~50mk NETD的高靈敏度已經(jīng)不容易。

（圖源：艾睿光電）

去年艾睿光電全球首款突破性的8μm紅外芯片進一步推動了超小像元紅外焦平面探測器芯片的廣泛應(yīng)用。該8μm的芯片并沒有披露太多詳細參數(shù)，從官方給出的指標來看其NETD≤40mk無疑體現(xiàn)了領(lǐng)先的技術(shù)實力。

小結(jié)

在非制冷紅外焦平面探測器芯片上，國產(chǎn)完全替代已經(jīng)不在話下，國內(nèi)技術(shù)水平穩(wěn)居國際第一梯隊。更小像元間距的技術(shù)突破也展示了國產(chǎn)非制冷紅外探測芯片不俗的實力。不同技術(shù)流派的紅外探測器芯片量產(chǎn)后成本的下探無疑將打開更多領(lǐng)域的應(yīng)用空間。