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红外温度传感器技术及疫情下的产业状况
出自:传感器与物联网产业联盟

导语

2020年鼠年伊始,新冠疫情席卷全国,在抗疫防控过程中,各类传感技术作为技术手段起到了至关重要的作用,测温仪、呼吸机、监护仪、制氧机、负压救护车等医疗抗疫设施都离不开传感器的支持。特别是红外温度传感器作为体温测量设备额温枪的核心部件,备受业界关注。近期,随着复工潮的到来,体温测量设备需求再次凸显,红外温度传感器成为“天价”难求的稀缺品,成为政府主管部门及电子产业界关注的焦点。本文通过对现有红外传感技术和红外测温仪产品进行梳理,简析疫情下的产业链现状,解析国家应急政策,并探讨疫情对产业的影响。

 1疫情下的红外温度传感器

中国新年前夕,新冠疫情突然爆发,全国多地启动重大突发公共卫生事件一级响应,全国人民在毫无准备的情况下,进入了从未尝试过“春节长假”。在这场疫情“攻防战”中,红外测温设备包括红外测温仪和热成像设备,凭借响应速度快、非接触、使用简便安全等特点,成为防疫工作的重要辅助设备之一。额温枪为代表的外测温仪需要人工一对一地近距离检测但价格亲民,而热成像仪则可远距离测量多人体温数据,更适合大规模快速初筛场景,两者都是红外传感器技术的典型应用。

疫情发生后,用于体温检测的红外温度传感器,作为疫情检测的第一关口的核心器件,成为了重要战略物资,得到国家的重点关注,国家第一时间将红外体温检测设备纳入疫情防控重点物资,并通过行政力量督促企业保生产。1月30日,国务院应对新型冠状肺炎疫情医疗物资保障组印发《关于组织做好红外体温检测仪及配套零部件生产企业复工复产工作的紧急通知》,将红外体测检测仪及配套零部件等产品纳入疫情防控重点物资。

通知中强调,体温检测是疫情检测的第一关品,红外体温检测仪在公众场所对疑似患者的甄别发挥了重要作用,请各级政府将红外体温监测仪及配套零部件等产品纳入疫情防控重点物资生产运输保障。同时工业和信息化部紧急联系相关企业,要求多家企业全力整合产业链资源,对包括红外传感器在内的重要防疫物资核心配件组织突击研发和生产、保障供给,加大市场供应力度,并帮助企业及时解决生产经营中遇到的困难和问题。

 2红外温度传感技术

一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发射红外能量,其辐射特性、辐射能量的大小、波长分布等都与物体表面温度密切相关。反过来,通过对物体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定它的表面温度,这就是红外辐射测温的机理。

人体自身也在向四周辐射释放红外能量,并且不受环境影响,只与人体含存与释放能量大小有关,因此只要通过对人体自身辐射红外能量的测量就能准确地测定人体表面温度。人体红外温度传感器就是根据这一原理,设计制作而成的。

非接触红外测温技术不需要接触被测物,避免传染、烫伤等危险或无法触碰的物体,特别是像卫生设施、医用物品等不会被污染或损坏。快速、准确地测量出物体的表面温度,具有响应快、精度高、低成本、寿命长、使用安全等优点,在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断、安全保护等方面发挥了重要作用。

红外温度传感器类型

根据红外线波长、功能、应用需求,红外传感器一般分为红外气体、红外图像、红外温度传感器三大门类,其中用于气体检测的红外气体传感器种类最为繁多。

用于红外测温的传感器,按机理与使用环境划分为制冷、非制冷,接触、非接触四大类别。制冷的用于军事装备与设施、大型工程设施、工业过程、环境保护与监控等超远距离、高清晰系统;接触用于特殊物体常态化连续温度检测以及医用诊疗设备、测温电子皮肤等。

目前红外温度传感器根据能量转换所用材料不同,可分为热电堆型、热释电型、二极管型、热电容型和热敏电阻型等几种类型。

热电堆红外温度传感器

热电堆红外传感器是一种热释红外线传感器,它是由热电偶组构成的一种器件。红外热电堆式温度传感器由可透过特定波长范围的红外滤光片和红外接收的热电堆芯片组成,外加一个腔内环境比对温度基准(陶瓷热敏电阻等校准温度用)。

任何有温度的个体都会有红外辐射,辐射功率随着表面的增加而增加,基于此热电堆测量发射功率并确定精确地测量物体的温度,它既可以检测动态信号,也可以检测静态信号。目前常见的耳温枪、额温枪采用的红外传感器均为热电堆式。

图:热电堆红外传感器

热释电红外温度传感器

热释电红外温度传感器的基本结构组成类似电容器的构造,由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时将高热电材料制成一定厚度的薄片,并在它的两面镀上金属电极,然后加电对其进行极化,这样便制成了热释电探测元,其性能与材料特性、器件结构和制备工艺以及前置放大器性能的优劣等有密切关系。

热释电红外温度传感器测量温度的动态变化,适合远距离非接触式测温场景,主要应用于工业、LED照明、安防、智能交通、自动控制开关等领域,但容易受各种热源和光源的干扰,被动红外穿透力差,因此不适用于人体的非接触式温度检测。

3人体红外测温设备

用红外测温方式的优势在于快速、直观、非接触检测。手持耳温枪、额温枪就是典型的检测设备,用于检测人体耳腔、额头表面温度,外形类似于手枪形状的手持式红外测温仪。

相对于其他类型的测温方式,采用红外测温方式的优势在于快速、直观、非接触检测。红外测温仪属于二类医疗器械产品,具有非接触、效率高、使用方便等特点,在各交通关口、医院、住宅小区、学校等地方用于筛查发热人体。

在此类设备中,不论是红外测温仪,还是耳温枪、额温枪等红外检测设备,都离不开基础的热红外传感器元件。简单来说,红外传感器接收到物体发出的能量后,通过其光学系统,可将红外能量转换成电信号,然后将其转换为温度值。

市场现状

赛迪顾问发布的一份报告显示,2019年国内手持红外体温检测仪的产量为30万台,预测受疫情影响2020年全年手持红外体温检测仪的产量有望达到65万台。也就是说,2020年手持红外测温仪相比2019年的产能将有两倍的增长。但截止目前看来,2020年的产能已经突破2019年的两倍还要多。但随着疫情的进一步扩散,这款“冷门”的医疗设备突然之间变成了炙手可热的战略物资。

同时, 额温枪这类价格更亲民的设备据业内人士透露,今年2-4月的需求量超过2000万台,短期内远远超出业界的生产极限,“一枪难求”注定成为2-3月市场的普遍反应,随之而来的是有些产品的成品价格已经上涨2-3倍。

 

图:市场典型手持式耳温、额温枪产品图例

耳温枪

耳温枪是一种典型的红外测温仪,它是利用检测鼓膜(相当于下视丘) 所发出的红外线光谱(6~15μm)来测量体温。根据玻耳兹曼定律,物体温度越高,辐射能量越大,只要测出物体所发射的辐射能量,就可以确定它的温度。

原理:是一种专门用于测量鼓膜温度的温度计,通过红外导波管将主要由鼓膜发射的红外辐射能传送到热电堆等热探测器,将红外辐射能量转换为电能后进行电信号处理得到人体温度信息。

特点:红外耳温枪是专用于测量人体耳道的温度,与普通电子体温计相比,其测量原理与测量部位均不同,因而不可能获得相同的测量值。

适用范围:适用家庭范围使用,避免交叉感染。同时注意,6个月以下宝宝耳道直径较小,不适宜用耳温枪。

额温枪

额温枪与耳温枪原理基本一致,都是采用红外测温原理,根据人体额头、耳腔内的温度与体温的关系得到人体的实际体温,二者只是结构和算法略有不同。它是由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。简单地说就是由红外热电堆式温度传感器接收到人体表面发出的能量后,将红外能量转换成电信号,放大器把传感器电信号进行放大处理,通过模数转换变为数字信号或调制解调处理转换成频率信号,再通过补偿修正、参数校准和算法模型等工作就可转换为医用级的高精度温度值。加上显示驱动电路、液晶显示屏、外壳和电池等组装一起,就成为一个完整的温枪。

原理:额温枪通过传感器接收人体向外辐射的红外线,得出感应温度数据。

特点:针对测量人体额温基准设计,使用非常简单、方便。相对于传统的接触式水银体温计、电子体温计,无需接触,避免交叉感染,1秒可准确测温。

适用范围:适合家庭用户、宾馆、图书馆、大型企事业单位,也可以用于医院、学校、海关、机场等综合性场所,还可以提供给医务人员在诊所使用。

红外热成像仪

红外热像仪是一种采用阵列型红外传感器、把物体发出的不可见红外能量转变为可见热图像的仪器,热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。物体发射的红外线,通过红外探测器先进的光电转换效应,再通过科学的算法、精确的程序处理,其中所包含的热信息就能转化成物体表面的温度信息,这就是红外测温的基本原理,传感器在其中发挥了至关重要的作用。

红外热像仪早期主要应用于军事和工业领域,近年来随着产品技术的不断成熟,红外热像仪逐步开始在民用领域得以广泛应用。由于红外热成像技术能够进行非接触式的、高分辨率的温度成像,能够生成高质量的图像,可提供测量目标的众多信息,弥补了人类肉眼的不足,因此已经在电力系统、土木工程、汽车、冶金、石化、医疗等诸多行业得到广泛应用。

在疫情期间,红外热成像测温设备主要是利用可视化的图片与视频,来呈现人身体各部位温度的差异,它对人体细胞新陈代谢所产生的热辐射极其敏感,因而在设备上也可以用不同的颜色,对人身上异常热源的分布、深度、强度等信息加以呈现,帮助检测人员对更大空间中的人流/人群做初步的快速筛选检测。

图:红外热成像仪在机场及火车站应用广泛

4红外温度传感器产业链概述

现在市场上最为短缺的额温枪,其产业瓶颈主要是红外热电堆温度传感器的供应紧张。

红外热电堆传感器,是一种可以通过被动接收被测物体红外信号的非接触式MEMS传感器。红外温度传感器的MEMS晶圆制造工艺本身比较简单,一般通过5-6道光照,一些常规薄膜工艺和一道干/湿法释放工艺就可以加工完成,但其本身重在物理结构设计,好的设计可以增强红外信号的吸收,提高红外光-热-电的能量转换效率。可以在相同的面积情况下,提升传感器的灵敏度,也可以在相同灵敏度的情况下,减少传感器面积,从而降低成本。

红外温度传感器的封装沿用了光通讯的TO封装标准,辅料包含用于校准衬底温度的热敏电阻、带引脚的TO金属底座以及带红外滤镜的TO管帽。其中,红外温度传感器芯片以及热敏电阻放置于TO金属底座上并通过wire bonding形成电连接,TO管帽通过储能焊的形式与TO金属底座气密焊接。

从封装材料角度看,整个红外温度传感器的产业链可以进一步细分为晶圆制造、热敏电阻生产、红外滤光片镀膜、管帽粘接、TO管座管帽开模、TO管座电镀与玻璃绝缘子烧结等。其中,TO管座管帽零部件依托光通讯行业的发展,供应商遍布全国各地,在红外温度传感器制造成本中占得比例也较少。热敏电阻零部件虽然供应商也较多,但是能够满足出厂分选的且可提供低成本高精度热敏电阻的生产厂家并不多。红外滤光片镀膜和管帽粘接由于两者直接会影响到红外传感器的性能,比如镀膜的透过率和截止波长,管帽粘接的气密性等因素,存在一定的技术壁垒,故而能够完美实现两者结合的生产厂家屈指可数。MEMS芯片作为传感器的心脏,能够支持其稳定流片的6英寸或8英寸fab厂的重要性自然不言而喻。

正常情况下,全国红外热电堆温度传感器的年需求量在1500-2000万支,随着中国加入水俣公约后水银温度计的产量减少以及家庭红外体温计的普及,其需求量稳步上升。然而,新冠病毒的疫情爆发,全国各地大量的采用额温枪这种非接触以及瞬时的方式获取人体体温,使得红外热电堆温度传感器的需求量突然井喷,各传感器厂商供不应求。据不完全统计,目前的市场供需比已接近1:50。 从产业链来看, 晶圆、管帽粘接、封装都多个环节接连出现产能短缺,使得传感器厂商也无可奈何。但随着各方努力,各环节厂商的迅速增产,传感器短缺的情况,保守估计会在4月有极大的改观。

5传感器的重要性

红外传感器是传感器众多种类的一个小类, 此次疫情也让人们再次认识到传感器的重要性。传感技术是万物互联的基础,影响着大数据、5G、人工智能、虚拟现实等技术创新应用与产业发展,其中声敏、力敏、磁敏、气敏、光敏、温湿度、RFID射频、介质生物(试纸、酶电极)等八大敏感元器件及传感器无一例外地应用于各种防控措施和场景之中,有着不可替代性。

中国传感器与物联网产业联盟副理事长、九三中央科技委副主任郭源生在人民政协报刊文的时候提出,疫情防控离不开科技创新力量的支持,其中重要一点就是提升传感器行业的战略地位,把传感器定为“国家产业发展重点目标”,列为“国家战略”项目,在“十四五”规划中列为重点支持,优先发展的内容。

首先在国家层面,建议设立专项资金予以支持,全面提升行业影响力和国际竞争力。重点提升敏感机理、敏感材料、新型工艺的创新性研究与开发能力,加快推各种新型敏感材料、复合功能材料的创新研发和产业化;重点提高基于MEMS、薄膜、介质隔离、微熔式、硅-硅键合与熔封、塑料封装、特殊结构封装等各种新型工艺技术的应用水平和能力。

其次,全面提升产业化能力。重点支持半导体、陶瓷、金属、高分子、超导、光纤、纳米等材料及各种复合材料为基础的工艺技术开发,鼓励企业加大对力、磁、气、光、热、湿、离子敏、射线敏、生物敏、毫米波、激光雷达等生产工艺级装备投入,促进产业化整体水平的提高。

并且,提升产品智能化水平。重点支持具有数字补偿、网络化、智能化、多功能复合技术传感器产品。推进产品向集成式、复合式、微型化、高可靠、高稳定性、低功耗、低成本等多功能、一体化、标准化方向发展;重点支持并推进面向物联网、移动互联网、工业互联网、新一代通信网络,以及智慧城市、机器人等发展需求,以及个性化指标和特点突出的智能化传感器产品的产业化,打通产、用壁垒和瓶颈。

同时,完善技术标准体系。制定行业规范与标准,加快提升传感器产品的第三方检测等公共服务能力,鼓励企业设立符合公共服务能力和标准要求的专业产品检测中心。鼓励传感器及应用行业领域组建产业联盟,制定联盟标准,积极促进跨行业、跨专业、跨企业横向联合。

重点是注重高端人才培养。鼓励专业机构和科研院所对传感器产业链专业化高端人才培养;注重跨界融合与复合型人才培养;重点培养有创新能力的企业家人才。鼓励并支持通过市场化的重组、收购兼并,形成龙头企业和行业领军企业,提升全行业竞争力。

本文部分内容参考公开资料。

 

 

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文章收入时间: 2020-03-04
 
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