红外热成像体温检测仪远远满足不了目前疫情的需求,下面就从市场需求、红外热成像技术及产业链等方面,对于红外热成像体温检测行业进行剖析。
在今年春节前后于湖北武汉爆发的新型冠状病毒(2019nCoV)疫情当中,由于新型冠状病毒可以通过咳嗽、呼吸形成的飞沫进行传播,所以公共区域的疫情监控与防治成为遏制疫情的重要环节。
而感染新型冠状病毒的患者症状表现主要呈现发热、咳嗽、呼吸困难和乏力等症状,所以体温筛检成为公共区域疫情监测的主要手段之一。但是,传统的温度计、额温枪等测温设备,不仅需要一对一检查,检测速度慢,而且还需要近距离接触,因此存在较大的交叉感染风险。相比之下,红外热成像体温检测设备由于能实现远距离(可达数米)、非接触式、多目标同时进行体温检测,是在公众场所甄别发热人群效率最高的一种方式。
以上海虹桥交通枢纽为例,2月8日下午2:00,上海举行新闻发布会,介绍上海新型冠状病毒感染肺炎防控工作情况。随着返程高峰的到来,上海虹桥机场、虹桥火车站共设置了16个检测点,主要以红外热成像体温检测设备为主,截至2月7日,虹桥枢纽机测体温122万人次,发现体温异常101人。显然,要想在短时间内实现对于如此大规模人次的体温检测,红外热成像体温检测设备是必不可少的利器。
根据交通运输部公开的数据显示,2019 年 10 月 24 日,国内共有 39 个城市开通运营城市轨道交通,运营里程超过 5800 公里。我们假设平均 1.1 公里设有一个地铁站,全国地铁站数量为约 5200-5300 站。如果每个站点都至少部署两台红外热成像体温检测设备(进站口和出站口),则需求量将超1万套。
火车站方面,资料显示,国内客运站数量约有2000个。根据最新的报道显示,深圳市政府和铁路部门的相关工作部署,深圳站、深圳东站、深圳北站、福田站、光明城站、深圳西站等6个车站都将在车站出站口(上述车站共计出入口13个)加装体温监测设备,共计32套。也就是说平均单站需要至少5套红外体温检测设备。考虑到很多小的站点人流较少,我们假设单站至少配置3套红外体温检测设备,则需要6000套。
机场方面,资料显示,截至2019年底,国内机场已达到248个(如果按航站楼来算,数量更多)。由于大型机场的入口及安检口较多,所以需求量较大。根据四川在线的报道显示,成都双流国际机场T2航站楼,目前在客流量相对较大的8个进出口安装了10台红外热成像体温检测仪,以便在确保安全同时尽可能提高通过效率。如果我们按照平均一个机场需要10台红外热成像体温检测设备来估算,那么这块的需求就将达到2480套。
▲固定式红外热成像体温检测系统,通常部署在交通站点的出入站口,检测精度高(可以做到±0.2℃以内),视场角广、检测距离远,最远可支持10米左右,同时可以对10个左右的目标进行检测。而为了保证检测精度,通常固定式红外热成像体温检测系统会配备一个与正常热辐射能量一致的恒温“黑体”(上图红色方框内)来作为参照标准,进行实时校准。目前固定式的红外热成像体温监测设备价格较高,通常需要十多万元不等。(图片来源:芯智讯摄于深圳北站)
目前主流红外成像系统,一般选择不易被大气吸收的 3~5μm、8~14μm 的热红外线作为主要工作波段,工作在 3~5 μm 波段的称为中波红外探测器,工作在 8~14 μm 波段的称为长波红外探测器。而不同探测目标有不同的辐射特点,需要根据目标辐射温度、背景辐射环境、探测距离等因素来综合考虑选择的探测器。
具体来说,红外成像系统将探测到的热红外线转换为可见图像分为三个环节。第一步是利用对红外辐射敏感的红外探测器把红外辐射转变为微弱电信号;第二步是利用后续电路将微弱的电信号进行放大和处理,从而采集到目标物体温度分布情况;第三步是通过图像处理软件对上述电信号转换为电子视频信号,通过显示系统得到可见图像。
而红外探测器是红外成像系统的核心组件,主体为红外焦平面阵列,利用焦平面阵列将红外辐射信号转化为电信号,其性能决定了最终成像的清晰度和灵敏度,结构上主要由 CMOS 读出电路及 MEMS 传感器两部分组成。上层的 MEMS 传感器用于吸收红外辐射能量,能量产生的温度变化引起材料电阻变化,CMOS 读出电路将微小的电阻变化以电信号的方式输出。
光子探测器的各类敏感材料中,碲镉汞应用最广泛,量子阱(QWIP)、量子点、超晶格材料近年来也都在快速发展。上述敏感材料一般工作于低温环境,如适用于中波段的碲镉汞材料有效工作温度为 200K(-73℃),当探测器制冷到 77K 时,该材料的响应波段才能延伸到 3~5μm,只有接近绝对零度光谱效应才能超过 8μm,因此光子型探测器需要配置制冷器,也称制冷型探测器。而制冷器的应用也决定了制冷型探测器的体积大、功耗大、寿命短。
在热探测器的敏感材料中,氧化钒和非晶硅应用最广泛。参考 Antoni Rogalski 2011 年发表的《Recent progress in HgCdTe infrared detector technology》,全球范围内应用氧化钒材料的非制冷探测器市场份额达 70%,而多晶硅为17%。因为该类材料都工作在常温环境,不需要制冷器,所以热探测器也称非制冷探测器。
综合来看,制冷型由于敏感材料成本高、使用波段窄、制冷系统成本高等原因,使用成本大幅高于非制冷。且制冷型的主要敏感材料如碲镉汞和新型量子材料在制备过程中难以生长、成品率低,导致价格高于非制冷型的常用敏感材料。制冷型不同材料稳定可测的光电效应只集中在部分波段内,导致普通制冷型适用波段较窄,不同波段的探测任务需要使用多个制冷型探测器,或是价格更为昂贵的多波段制冷型探测器。非制冷型的响应是温升变化,与频率无关,因此单一热探测器能够基本覆盖完整红外波段,完成各波段探测任务。
目前,制冷型探测器虽然性能优异,但是需要在液氮低温下工作,体积大且成本高,整机售价高达数十万元,主要用于航天、船舰等领域。而非制冷型探测器不需要添加制冷装置,因此结构简单、体积较小,价格相对低廉,在军用领域,不仅能够取代部分制冷型应用,还能应用于诸多制冷型红外探测器受限的场合,比如单兵装备等,在民用领域也在快速普及。
由于非制冷红外焦平面阵列探测器是从20世纪80年始,在美方支持下发展起来的,在1992年全部研发完成后才对外公布。初期技术路线包括德州仪器研制的BST热释电探测器和霍尼韦尔研制的氧化钒(VOx)微测辐射热计探测器。后来由于热释电技术本身的一些局限性,微测辐射热计探测器逐渐胜出。2009年,L-3公司最终宣布停止继续生产热释电探测器。之后,法国的CEA/LETI以及德州仪器公司又分别研制了非晶硅(a-Si)微测辐射热计探测器。霍尼韦尔后来把技术授权给数家公司生产制造,CEA/LETI的技术在新成立的ULIS公司生产。而后的20多年内,美国的非制冷探测器发生过多次的公司并购重组,Flir成为了最大的非制冷探测器供应商。
特别需要指出的是,红外探测器不仅能够精确测量/物体温度,而且支持在无光环境进行侦测,具有夜视、测温等应用。因为红外热像仪捕捉红外线的能力较强,可以被动接收物体的微弱远红外辐射,抗干扰能力较强,更为隐蔽,并能在有烟雾和强光干扰的情况下探测到物体,因此最早在军事作战和警用领域被广泛应用。近年来才开始逐步进入安防及海外狩猎等民用市场。而在此次国内爆发的新型冠状病毒疫情的影响下,体温筛查成也为了红外热成像仪的一个重要应用。
根据《瓦森纳协定》中对于红外探测器的规定,满足“一定条件”的红外热像仪将属于“武器级别”,该级别的红外热像仪需要获得相关证书才可出口。这些“一定条件”包括对图像采集频率、像素、价格的要求。在该协定下,长期以来我国高端红外技术受到国外封锁,对于高端探测器的内在需求缺口大。例如,大立科技在 2008 年招股说明书称“法国 SOFRADIR、ULIS(为公司)的供货,目前还没有相关替代措施。其高端产品对我国仍然禁售,中低端产品价格昂贵,并实行最终用户许可制度”。
目前,国内高德红外已建成了 8 英寸 0.25um 批产型MEMS 生产。