紅外探測技術(shù)自1800年威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)“不可見熱射線”以來，經(jīng)歷了從熱電堆到量子阱、從制冷型到非制冷型的多次技術(shù)革命。傳統(tǒng)制冷型紅外探測器雖在軍事領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但其高昂成本、龐大體積和復(fù)雜維護始終是民用普及的“攔路虎”。如今，隨著材料科學(xué)與微電子技術(shù)的突破，無需冷卻、成本減半的新型紅外探測器正以顛覆性姿態(tài)重構(gòu)行業(yè)格局。

 

一、傳統(tǒng)制冷型紅外探測器的“三重枷鎖”

1. 制冷依賴：性能與成本的“零和博弈”

傳統(tǒng)制冷型探測器（如碲鎘汞、銻化銦）需通過斯特林制冷機將溫度降至-196℃以下，以抑制暗電流噪聲。這一過程導(dǎo)致：

 

體積龐大：制冷機占系統(tǒng)體積的60%以上，限制便攜應(yīng)用；

功耗激增：單臺制冷機功耗超50W，無法滿足移動設(shè)備需求；

成本高昂：制冷模塊占探測器總成本的40%-60%，民用市場望而卻步。

2. 材料瓶頸：碲鎘汞的“雙刃劍”

碲鎘汞（HgCdTe）作為中波紅外主流材料，雖具有高量子效率（達80%），但其制備需分子束外延（MBE）設(shè)備，且需在低溫下保持穩(wěn)定性。這導(dǎo)致：

 

良率低下：晶圓級制備良率不足30%，推高單芯片成本；

可靠性差：溫度波動易引發(fā)材料相變，壽命縮短至5000小時以內(nèi)。

3. 應(yīng)用局限：從“戰(zhàn)場專屬”到“民用禁區(qū)”

制冷型探測器因成本與體積限制，長期局限于軍事偵察、航天遙感等高端領(lǐng)域。民用市場（如安防、消防、自動駕駛）因價格敏感，滲透率長期不足5%。

 

二、新型紅外探測器的“三大突破”

1. 非制冷技術(shù)：擺脫“制冷枷鎖”的革命

微測輻射熱計（Microbolometer）通過紅外吸收層將熱輻射轉(zhuǎn)化為電阻變化，實現(xiàn)室溫工作。其核心優(yōu)勢包括：

 

無制冷系統(tǒng)：體積縮小至制冷型的1/5，功耗降低80%；

成本腰斬：材料與工藝簡化，單芯片成本從萬元級降至千元級；

可靠性提升：壽命超2萬小時，適應(yīng)工業(yè)級惡劣環(huán)境。

案例：武漢高德紅外推出的500萬像素非制冷探測器，分辨率達2560×2048，成本較制冷型降低60%，已批量應(yīng)用于安防監(jiān)控與工業(yè)檢測。

 

2. 新材料體系：量子點與氧化釩的“雙雄爭霸”

（1）膠體量子點（CQDs）：溶液化學(xué)法的“成本殺手”

制備革命：采用溶液化學(xué)法替代高溫真空工藝，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)參數(shù)控制量子點尺寸，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)；

性能躍升：量子限域效應(yīng)賦予其可調(diào)能帶結(jié)構(gòu)，滿足8-14μm長波紅外探測需求；

成本優(yōu)勢：材料成本較碲鎘汞降低90%，適用于消費電子級應(yīng)用。

案例：PbS量子點焦平面探測器已用于工業(yè)氣體泄漏檢測，靈敏度達ppm級，成本僅為傳統(tǒng)設(shè)備的1/3。

 

（2）氧化釩（VOx）：微測輻射熱計的“主流選擇”

高靈敏度：溫度系數(shù)（TCR）達-2%/℃，電阻變化與溫度呈線性關(guān)系；

工藝成熟：與CMOS工藝兼容，可實現(xiàn)晶圓級集成；

應(yīng)用廣泛：占據(jù)非制冷市場70%份額，用于車載夜視、智能家居等領(lǐng)域。

3. 智能化升級：AI賦能的“感知革命”

新型探測器通過集成AI算法，實現(xiàn)從“被動探測”到“主動認知”的跨越：

 

目標識別：結(jié)合深度學(xué)習(xí)，自動區(qū)分人、車、動物，誤報率降低90%；

異常預(yù)警：通過溫度閾值與變化速率分析，提前預(yù)警設(shè)備故障或火災(zāi)風(fēng)險；

多模融合：與可見光、激光雷達數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建3D環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)。

案例：國科天成開發(fā)的1280×1024高分辨率探測器，支持AI目標跟蹤，已應(yīng)用于機場鳥擊防范系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)概率提升75%。

 

三、應(yīng)用場景的“全面滲透”

1. 安防監(jiān)控：從“看得見”到“看得懂”

周界防護：分布式紅外傳感器沿圍墻部署，通過溫度變化識別攀爬動作，誤報率低于傳統(tǒng)電子圍欄；

公共安全：警用無人機搭載雙光吊艙，夜間穿透樹葉遮擋，及時發(fā)現(xiàn)異常滯留人員；

智能交通：車載紅外熱像儀在濃霧、眩光場景下識別行人，2023年中國車用紅外市場規(guī)模超30億元，預(yù)計2025年達60億元。

2. 工業(yè)檢測：從“事后維修”到“預(yù)測性維護”

設(shè)備監(jiān)控：紅外測溫技術(shù)實時監(jiān)測反應(yīng)釜、蒸餾塔溫度，避免因過熱引發(fā)安全事故；

氣體泄漏：基于紅外吸收原理，快速定位VOCs氣體泄漏點，檢測靈敏度達0.1ppm；

產(chǎn)品質(zhì)量：紅外熱成像檢測電子元件焊接缺陷，良率提升15%。

3. 消防救援：從“濃煙盲區(qū)”到“視覺通道”

火災(zāi)現(xiàn)場：手持紅外儀穿透煙霧定位被困者，救援效率提升40%；

森林防火：紅外監(jiān)控系統(tǒng)24小時掃描林區(qū)，早期火點識別率超90%。

4. 醫(yī)療健康：從“疾病診斷”到“早期篩查”

體溫監(jiān)測：非接觸式紅外測溫儀在疫情期間廣泛應(yīng)用，單臺設(shè)備日檢測量超2000人次；

疾病預(yù)警：通過體表溫度分布變化，輔助診斷乳腺癌、糖尿病等慢性病。

四、挑戰(zhàn)與未來：從“技術(shù)突破”到“生態(tài)構(gòu)建”

1. 技術(shù)瓶頸：分辨率與成本的“平衡術(shù)”

當(dāng)前非制冷探測器像素尺寸已縮至12μm，但較制冷型的10μm仍有差距。未來需通過：

 

新材料開發(fā)：如石墨烯、二維材料，提升熱敏材料性能；

工藝創(chuàng)新：采用晶圓級封裝、3D集成技術(shù)，縮小像素間距。

2. 標準化缺失：從“單點突破”到“規(guī)模效應(yīng)”

非制冷紅外領(lǐng)域缺乏統(tǒng)一標準，導(dǎo)致接口、協(xié)議、數(shù)據(jù)格式碎片化。需推動：

 

行業(yè)標準制定：如VITA、JEDEC等組織牽頭，建立非制冷探測器測試規(guī)范；

生態(tài)聯(lián)盟構(gòu)建：上下游企業(yè)聯(lián)合開發(fā)通用化平臺，降低集成成本。

3. 未來趨勢：從“感知層”到“決策層”的躍遷

多光譜融合：紅外與可見光、激光雷達、毫米波雷達融合，構(gòu)建全息感知網(wǎng)絡(luò)；

邊緣計算：探測器內(nèi)置AI芯片，實現(xiàn)本地化實時決策；

生物兼容：開發(fā)可植入式紅外傳感器，用于腦機接口、體內(nèi)溫度監(jiān)測。

結(jié)語：紅外技術(shù)的“平民化”時代

新型紅外探測器通過非制冷技術(shù)、新材料體系與智能化升級，成功打破傳統(tǒng)制冷型的“成本-性能”困局。其應(yīng)用場景已從軍事高端領(lǐng)域延伸至安防、工業(yè)、醫(yī)療、交通等民生領(lǐng)域，成為智慧城市、智能制造、自動駕駛的“隱形眼睛”。隨著技術(shù)的持續(xù)迭代與生態(tài)的逐步完善，紅外技術(shù)有望像攝像頭一樣普及，開啟一個“全天候、全場景、全智能”的感知新時代。