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，在民用領域有很廣泛的應用。與其相對應的制冷型紅外芯片則多用在軍用等高端領域，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）。兩種材料在技術上都已經(jīng)足夠成熟，在紅外機芯應用上都有著很悠久的歷史。氧化釩的應用會稍稍早一些，是由軍用轉入民用，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構，往往NETD不如氧化釩。

多晶硅技術應用鋪開紅外探測民用市場

多晶硅由于其本身的無定形結構，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），這意味著成像質量不可避免得會變差。既然材料決定了兩種技術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？

在民品領域，并不是所有需求都對器件技術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域的廣泛應用。以市面上普遍的技術指標作為對比，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，國內領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，國內領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，不論是在熱響應速度、靈敏度還是分辨率指標上?；诜蔷Ч璧募夹g領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，國內紅外芯片從1280×1024到3072×2048的像素水準已經(jīng)是領先國外的技術水平。

基于非晶硅的非制冷紅外芯片依靠較低的成本和領先的像素水準在測溫、監(jiān)控、車載夜視領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用。

氧化釩紅外芯片高質量成像優(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，這意味著成像質量很高。在像元間距越來越小的應用中，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，但國內廠商自有攤薄成本的辦法，例如國內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。

氧化釩的高質量成像優(yōu)勢不滿足于17μm到12μm的像元間距，國內領先的紅外芯片廠商開始向更小的像元間距突破。非制冷紅外領域的10μm像元間距應用中已經(jīng)沒有非晶硅技術的身影了，在10μm像元間距應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)了領先的技術實力。

小結

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，國內技術水平穩(wěn)居國際第一梯隊。更小像元間距的技術突破也展示了國產(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域的應用空間。