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紅外溫度傳感器技術及疫情下的產業狀況
文章來源:國家智能傳感器創新中心 發布時間:2020-03-18
 
                                  
    2020年鼠年伊始,新冠疫情席卷全國,在抗疫防控過程中,各類傳感技術作為技術手段起到了至關重要的作用,測溫儀、呼吸機、監護儀、制氧機、負壓救護車等醫療抗疫設施都離不開傳感器的支持。特別是紅外溫度傳感器作為體溫測量設備額溫槍的核心部件,備受業界關注。近期,隨著復工潮的到來,體溫測量設備需求再次凸顯,紅外溫度傳感器成為“天價”難求的稀缺品,成為政府主管部門及電子產業界關注的焦點。本文通過對現有紅外傳感技術和紅外測溫儀產品進行梳理,簡析疫情下的產業鏈現狀,解析國家應急政策,并探討疫情對產業的影響。
   一、疫情下的紅外溫度傳感器
   中國新年前夕,新冠疫情突然爆發,全國多地啟動重大突發公共衛生事件一級響應,全國人民在毫無準備的情況下,進入了從未嘗試過“春節長假”。在這場疫情“攻防戰”中,紅外測溫設備包括紅外測溫儀和熱成像設備,憑借響應速度快、非接觸、使用簡便安全等特點,成為防疫工作的重要輔助設備之一。額溫槍為代表的外測溫儀需要人工一對一地近距離檢測但價格親民,而熱成像儀則可遠距離測量多人體溫數據,更適合大規模快速初篩場景,兩者都是紅外傳感器技術的典型應用。
   疫情發生后,用于體溫檢測的紅外溫度傳感器,作為疫情檢測的第一關口的核心器件,成為了重要戰略物資,得到國家的重點關注,國家第一時間將紅外體溫檢測設備納入疫情防控重點物資,并通過行政力量督促企業保生產。1月30日,國務院應對新型冠狀肺炎疫情醫療物資保障組印發《關于組織做好紅外體溫檢測儀及配套零部件生產企業復工復產工作的緊急通知》,將紅外體測檢測儀及配套零部件等產品納入疫情防控重點物資。
   通知中強調,體溫檢測是疫情檢測的第一關品,紅外體溫檢測儀在公眾場所對疑似患者的甄別發揮了重要作用,請各級政府將紅外體溫監測儀及配套零部件等產品納入疫情防控重點物資生產運輸保障。同時工業和信息化部緊急聯系相關企業,要求多家企業全力整合產業鏈資源,對包括紅外傳感器在內的重要防疫物資核心配件組織突擊研發和生產、保障供給,加大市場供應力度,并幫助企業及時解決生產經營中遇到的困難和問題。 
    二、紅外溫度傳感技術
    一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發射紅外能量,其輻射特性、輻射能量的大小、波長分布等都與物體表面溫度密切相關。反過來,通過對物體自身輻射的紅外能量的測量,便能準確地測定它的表面溫度,這就是紅外輻射測溫的機理。 
   ?人體自身也在向四周輻射釋放紅外能量,并且不受環境影響,只與人體含存與釋放能量大小有關,因此只要通過對人體自身輻射紅外能量的測量就能準確地測定人體表面溫度。人體紅外溫度傳感器就是根據這一原理,設計制作而成的。
非接觸紅外測溫技術不需要接觸被測物,避免傳染、燙傷等危險或無法觸碰的物體,特別是像衛生設施、醫用物品等不會被污染或損壞。快速、準確地測量出物體的表面溫度,具有響應快、精度高、低成本、壽命長、使用安全等優點,在產品質量控制和監測、設備在線故障診斷、安全保護等方面發揮了重要作用。
   1、紅外溫度傳感器類型
   根據紅外線波長、功能、應用需求,紅外傳感器一般分為紅外氣體、紅外圖像、紅外溫度傳感器三大門類,其中用于氣體檢測的紅外氣體傳感器種類最為繁多。
   用于紅外測溫的傳感器,按機理與使用環境劃分為制冷、非制冷,接觸、非接觸四大類別。制冷的用于軍事裝備與設施、大型工程設施、工業過程、環境保護與監控等超遠距離、高清晰系統;接觸用于特殊物體常態化連續溫度檢測以及醫用診療設備、測溫電子皮膚等。 
  ?目前紅外溫度傳感器根據能量轉換所用材料不同,可分為熱電堆型、熱釋電型、二極管型、熱電容型和熱敏電阻型等幾種類型。
   2、熱電堆紅外溫度傳感器
   熱電堆紅外傳感器是一種熱釋紅外線傳感器,它是由熱電偶組構成的一種器件。紅外熱電堆式溫度傳感器由可透過特定波長范圍的紅外濾光片和紅外接收的熱電堆芯片組成,外加一個腔內環境比對溫度基準(陶瓷熱敏電阻等校準溫度用)。
   任何有溫度的個體都會有紅外輻射,輻射功率隨著表面的增加而增加,基于此熱電堆測量發射功率并確定精確地測量物體的溫度,它既可以檢測動態信號,也可以檢測靜態信號。目前常見的耳溫槍、額溫槍采用的紅外傳感器均為熱電堆式。 
   
???3、熱釋電紅外溫度傳感器
   熱釋電紅外溫度傳感器的基本結構組成類似電容器的構造,由傳感探測元、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時將高熱電材料制成一定厚度的薄片,并在它的兩面鍍上金屬電極,然后加電對其進行極化,這樣便制成了熱釋電探測元,其性能與材料特性、器件結構和制備工藝以及前置放大器性能的優劣等有密切關系。
   熱釋電紅外溫度傳感器測量溫度的動態變化,適合遠距離非接觸式測溫場景,主要應用于工業、LED照明、安防、智能交通、自動控制開關等領域,但容易受各種熱源和光源的干擾,被動紅外穿透力差,因此不適用于人體的非接觸式溫度檢測。
   三、人體紅外測溫設備
   用紅外測溫方式的優勢在于快速、直觀、非接觸檢測。手持耳溫槍、額溫槍就是典型的檢測設備,用于檢測人體耳腔、額頭表面溫度,外形類似于手槍形狀的手持式紅外測溫儀。
   相對于其他類型的測溫方式,采用紅外測溫方式的優勢在于快速、直觀、非接觸檢測。紅外測溫儀屬于二類醫療器械產品,具有非接觸、效率高、使用方便等特點,在各交通關口、醫院、住宅小區、學校等地方用于篩查發熱人體。
   在此類設備中,不論是紅外測溫儀,還是耳溫槍、額溫槍等紅外檢測設備,都離不開基礎的熱紅外傳感器元件。簡單來說,紅外傳感器接收到物體發出的能量后,通過其光學系統,可將紅外能量轉換成電信號,然后將其轉換為溫度值。 
   1、市場現狀
   賽迪顧問發布的一份報告顯示,2019年國內手持紅外體溫檢測儀的產量為30萬臺,預測受疫情影響2020年全年手持紅外體溫檢測儀的產量有望達到65萬臺。也就是說,2020年手持紅外測溫儀相比2019年的產能將有兩倍的增長。但截止目前看來,2020年的產能已經突破2019年的兩倍還要多。但隨著疫情的進一步擴散,這款“冷門”的醫療設備突然之間變成了炙手可熱的戰略物資。
   同時, 額溫槍這類價格更親民的設備據業內人士透露,今年2-4月的需求量超過2000萬臺,短期內遠遠超出業界的生產極限,“一槍難求”注定成為2-3月市場的普遍反應,隨之而來的是有些產品的成品價格已經上漲2-3倍。 
   2、耳溫槍 
   耳溫槍是一種典型的紅外測溫儀,它是利用檢測鼓膜(相當于下視丘) 所發出的紅外線光譜(6~15μm)來測量體溫。根據玻耳茲曼定律,物體溫度越高,輻射能量越大,只要測出物體所發射的輻射能量,就可以確定它的溫度。
   原理:是一種專門用于測量鼓膜溫度的溫度計,通過紅外導波管將主要由鼓膜發射的紅外輻射能傳送到熱電堆等熱探測器,將紅外輻射能量轉換為電能后進行電信號處理得到人體溫度信息。特點:紅外耳溫槍是專用于測量人體耳道的溫度,與普通電子體溫計相比,其測量原理與測量部位均不同,因而不可能獲得相同的測量值。適用范圍:適用家庭范圍使用,避免交叉感染。同時注意,6個月以下寶寶耳道直徑較小,不適宜用耳溫槍。  
   3、額溫槍
    額溫槍與耳溫槍原理基本一致,都是采用紅外測溫原理,根據人體額頭、耳腔內的溫度與體溫的關系得到人體的實際體溫,二者只是結構和算法略有不同。它是由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。簡單地說就是由紅外熱電堆式溫度傳感器接收到人體表面發出的能量后,將紅外能量轉換成電信號,放大器把傳感器電信號進行放大處理,通過模數轉換變為數字信號或調制解調處理轉換成頻率信號,再通過補償修正、參數校準和算法模型等工作就可轉換為醫用級的高精度溫度值。加上顯示驅動電路、液晶顯示屏、外殼和電池等組裝一起,就成為一個完整的溫槍。
    原理:額溫槍通過傳感器接收人體向外輻射的紅外線,得出感應溫度數據。特點:針對測量人體額溫基準設計,使用非常簡單、方便。相對于傳統的接觸式水銀體溫計、電子體溫計,無需接觸,避免交叉感染,1秒可準確測溫。
    適用范圍:適合家庭用戶、賓館、圖書館、大型企事業單位,也可以用于醫院、學校、海關、機場等綜合性場所,還可以提供給醫務人員在診所使用。
    4、紅外熱成像儀
    紅外熱像儀是一種采用陣列型紅外傳感器、把物體發出的不可見紅外能量轉變為可見熱圖像的儀器,熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。物體發射的紅外線,通過紅外探測器先進的光電轉換效應,再通過科學的算法、精確的程序處理,其中所包含的熱信息就能轉化成物體表面的溫度信息,這就是紅外測溫的基本原理,傳感器在其中發揮了至關重要的作用。
    紅外熱像儀早期主要應用于軍事和工業領域,近年來隨著產品技術的不斷成熟,紅外熱像儀逐步開始在民用領域得以廣泛應用。由于紅外熱成像技術能夠進行非接觸式的、高分辨率的溫度成像,能夠生成高質量的圖像,可提供測量目標的眾多信息,彌補了人類肉眼的不足,因此已經在電力系統、土木工程、汽車、冶金、石化、醫療等諸多行業得到廣泛應用。
    在疫情期間,紅外熱成像測溫設備主要是利用可視化的圖片與視頻,來呈現人身體各部位溫度的差異,它對人體細胞新陳代謝所產生的熱輻射極其敏感,因而在設備上也可以用不同的顏色,對人身上異常熱源的分布、深度、強度等信息加以呈現,幫助檢測人員對更大空間中的人流/人群做初步的快速篩選檢測。 

   四、紅外溫度傳感器產業鏈概述
   現在市場上最為短缺的額溫槍,其產業瓶頸主要是紅外熱電堆溫度傳感器的供應緊張。
   紅外熱電堆傳感器,是一種可以通過被動接收被測物體紅外信號的非接觸式MEMS傳感器。紅外溫度傳感器的MEMS晶圓制造工藝本身比較簡單,一般通過5-6道光照,一些常規薄膜工藝和一道干/濕法釋放工藝就可以加工完成,但其本身重在物理結構設計,好的設計可以增強紅外信號的吸收,提高紅外光-熱-電的能量轉換效率。可以在相同的面積情況下,提升傳感器的靈敏度,也可以在相同靈敏度的情況下,減少傳感器面積,從而降低成本。 
  ?紅外溫度傳感器的封裝沿用了光通訊的TO封裝標準,輔料包含用于校準襯底溫度的熱敏電阻、帶引腳的TO金屬底座以及帶紅外濾鏡的TO管帽。其中,紅外溫度傳感器芯片以及熱敏電阻放置于TO金屬底座上并通過wire bonding形成電連接,TO管帽通過儲能焊的形式與TO金屬底座氣密焊接。
    從封裝材料角度看,整個紅外溫度傳感器的產業鏈可以進一步細分為晶圓制造、熱敏電阻生產、紅外濾光片鍍膜、管帽粘接、TO管座管帽開模、TO管座電鍍與玻璃絕緣子燒結等。其中,TO管座管帽零部件依托光通訊行業的發展,供應商遍布全國各地,在紅外溫度傳感器制造成本中占得比例也較少。熱敏電阻零部件雖然供應商也較多,但是能夠滿足出廠分選的且可提供低成本高精度熱敏電阻的生產廠家并不多。紅外濾光片鍍膜和管帽粘接由于兩者直接會影響到紅外傳感器的性能,比如鍍膜的透過率和截止波長,管帽粘接的氣密性等因素,存在一定的技術壁壘,故而能夠完美實現兩者結合的生產廠家屈指可數。MEMS芯片作為傳感器的心臟,能夠支持其穩定流片的6英寸或8英寸fab廠的重要性自然不言而喻。
    正常情況下,全國紅外熱電堆溫度傳感器的年需求量在1500-2000萬支,隨著中國加入水俁公約后水銀溫度計的產量減少以及家庭紅外體溫計的普及,其需求量穩步上升。然而,新冠病毒的疫情爆發,全國各地大量的采用額溫槍這種非接觸以及瞬時的方式獲取人體體溫,使得紅外熱電堆溫度傳感器的需求量突然井噴,各傳感器廠商供不應求。據不完全統計,目前的市場供需比已接近1:50。 從產業鏈來看, 晶圓、管帽粘接、封裝都多個環節接連出現產能短缺,使得傳感器廠商也無可奈何。但隨著各方努力,各環節廠商的迅速增產,傳感器短缺的情況,保守估計會在4月有極大的改觀。 
  ??五、傳感器的重要性 
   ?紅外傳感器是傳感器眾多種類的一個小類, 此次疫情也讓人們再次認識到傳感器的重要性。傳感技術是萬物互聯的基礎,影響著大數據、5G、人工智能、虛擬現實等技術創新應用與產業發展,其中聲敏、力敏、磁敏、氣敏、光敏、溫濕度、RFID射頻、介質生物(試紙、酶電極)等八大敏感元器件及傳感器無一例外地應用于各種防控措施和場景之中,有著不可替代性。
   中國傳感器與物聯網產業聯盟副理事長、九三中央科技委副主任郭源生在人民政協報刊文的時候提出,疫情防控離不開科技創新力量的支持,其中重要一點就是提升傳感器行業的戰略地位,把傳感器定為“國家產業發展重點目標”,列為“國家戰略”項目,在“十四五”規劃中列為重點支持,優先發展的內容。 
   ?首先在國家層面,建議設立專項資金予以支持,全面提升行業影響力和國際競爭力。重點提升敏感機理、敏感材料、新型工藝的創新性研究與開發能力,加快推各種新型敏感材料、復合功能材料的創新研發和產業化;重點提高基于MEMS、薄膜、介質隔離、微熔式、硅-硅鍵合與熔封、塑料封裝、特殊結構封裝等各種新型工藝技術的應用水平和能力。
    其次,全面提升產業化能力。重點支持半導體、陶瓷、金屬、高分子、超導、光纖、納米等材料及各種復合材料為基礎的工藝技術開發,鼓勵企業加大對力、磁、氣、光、熱、濕、離子敏、射線敏、生物敏、毫米波、激光雷達等生產工藝級裝備投入,促進產業化整體水平的提高。
    并且,提升產品智能化水平。重點支持具有數字補償、網絡化、智能化、多功能復合技術傳感器產品。推進產品向集成式、復合式、微型化、高可靠、高穩定性、低功耗、低成本等多功能、一體化、標準化方向發展;重點支持并推進面向物聯網、移動互聯網、工業互聯網、新一代通信網絡,以及智慧城市、機器人等發展需求,以及個性化指標和特點突出的智能化傳感器產品的產業化,打通產、用壁壘和瓶頸。
    同時,完善技術標準體系。制定行業規范與標準,加快提升傳感器產品的第三方檢測等公共服務能力,鼓勵企業設立符合公共服務能力和標準要求的專業產品檢測中心。鼓勵傳感器及應用行業領域組建產業聯盟,制定聯盟標準,積極促進跨行業、跨專業、跨企業橫向聯合。
    重點是注重高端人才培養。鼓勵專業機構和科研院所對傳感器產業鏈專業化高端人才培養;注重跨界融合與復合型人才培養;重點培養有創新能力的企業家人才。鼓勵并支持通過市場化的重組、收購兼并,形成龍頭企業和行業領軍企業,提升全行業競爭力。
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